Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde der Einsatz von neuartigen Doppelstrahl-Sprayinjektoren für die homogene interne Gemischbildung und Verbrennung in Ottomotoren untersucht.
Mehr als 80% der weltweiten PKW Antriebe sind Ottomotoren und die Kombination von Downsizing und Benzindirekteinspritzung stellt die heute bedeutendste Technologie zur Verbrauchssenkung und damit CO2 Reduzierung in diesem Markt dar. In dem Forschungsprojekt „Twin-Jet“ wurde ein neues Zerstäubungskonzept für die Benzindirekteinspritzung untersucht und wurden zweitens Techniken entwickelt, um die Auswirkungen von Druckschwankungen, die in allen heutigen Hochdruckeinspritzsystemen auftreten, zu minimieren.
rechts: Versuchsanlage eines benzinbetriebenes Common-Rail Einspritzsystems zur Untersuchung fluiddynamischer Vorgänge und optionaler Einspritzmengenmessung (Quelle: FAU Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik (iPAT))
Bei der Doppelstrahl-Zerstäubung wird im Kollisionspunkt von je zwei Einspritzstrahlen eine Flüssigkeitslamelle gebildet, die in Form eines neuen gemeinsamen Sprays zerfällt. Es konnten Injektorauslegungen gefunden werden, welche die Geometrie der entstehenden Sprays sehr gut an die Anforderungen der Benzindirekteinspritzung anpassen. Dabei wird der Bedarf einer höheren Lochanzahl (zwei Düsenlöcher je Teil-Spray) durch eine breitere und gleichmäßigere Massenverteilung des Kraftstoffs innerhalb der erzeugten Spraykeulen kompensiert. Eine sehr gute Zerstäubungsqualität (Sauter-Durchmesser von 15µm) wird mit dem Zerstäubungsprinzip bereits bei moderaten Einspritzdrücken von etwa 50 bar erreicht. Die Funktion der Injektoren konnte auch unter Betriebsbedingungen bei denen Flashboiling auftritt nachgewiesen werden. Auch bei höchsten Einspritzdrücken konnte die Eindringtiefe der Sprays begrenzt werden, was eine gezielte Lufterfassung unter Vermeidung von Bauteilbenetzungen ermöglicht.
Neben den gewonnenen Vorteilen in der Spraygenerierung für Ottomotoren konnte an benzinbetriebenen Common-Rail Systemen eine sehr gute Dämpfung von Druckpulsationen durch poröse Körper nachgewiesen werden. Mit gewonnenen Erkenntnissen und deren Zusammenfassung in Modellen unter LMS Imagine.Lab AMESim ist es nun möglich zukünftige Systeme fluiddynamisch optimiert auszulegen.
Insgesamt erscheinen das TwinJet-Zerstäubungsprinzip und die Pulsationsdämpfung geeignet für weiterentwickelte motorische Brennverfahren, in denen durch eine gleichmäßigere Kraftstoffmassenverteilung im Spray eine schnellere und bessere Gemischhomogenisierung im Brennraum erreicht wird und Wandkontakte, die zu rußenden Verbrennungen führen, vermieden werden. Mit Hilfe des Forschungsprojektes steht nun das für eine Auslegung geeigneter Injektoren notwendige Grundlagenwissen zur Verfügung. Offene Fragen heute betreffen die Umsetzbarkeit in einer Großserienfertigung, wozu aktuell weitere Arbeiten in Planung sind.
