3D CFD-Berechnungen der kavitierenden Strömung in Einspritzinjektoren für Großdieselmotoren und Bewertung der kavitationserosionssensitiven Wandzonen zur qualitativen Einordnung der Erosionsgefahr

Projektlaufzeit: 2018-2021
Fördergeber: MAN Energy Solutions

Aufgrund ihrer Effizienz sind Dieselmotoren der bevorzugte Antriebsstrang für Schwerlastfahrzeuge und Schiffe. In den letzten Jahrzenten hat die Umsetzung der Hochdruck-Direkteinspritzung-Technologie zusammen mit modernen Turboaufladungssystemmen die Dieselmotoren grundlegend verändert. Höhere Motorleistung und hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich zusammen mit Kraftstoffeinsparnis und einer signifikante Lärmreduzierung sind die Hauptmotivation des enormen Popularitätsanstieges des Dieselmotors in den letzten Jahren.

Bei modernen Hochdruck-Einspritzsystemen sind Kavitation und Turbulenz die wichtigsten Mechanismen des primären Strahlzerfalls. Durch die hohe Beschleunigung und die Umlenkung des Kraftstoffs im Injektor kann in bestimmten Bereichen des Nadelsitzes und/oder im Spritzloch der Druck der Flüssigkeit unter den Dampfdruck absinken, sodass sich Dieselkraftstoff verdampft. Dieser Vorgang wird als hydrodynamische Kavitation bezeichnet. Die Kavitation reduziert sowohl die effektiv durchströmte Fläche der Düse als auch die Reibung. Eine intensive Kavitation reduziert die Verkokungsneigung der Düse, kann aber gleichzeitig zu mechanischer Schädigung führen.

Ziel dieses Projektes ist es, den Einfluss des Injektordeisngs bei MAN Energy Solutions hergestellte Dieselinjektoren auf die Kavitationserosion numerisch zu untersuchen und die erosionsempfindlichen Stellen der einzelnen Designs zu identifizieren. Zu diesem Zweck wird die In-House-Erweiterung der Simulationssoftware FOAM-Extend benutzt, um den kompletten Einspritzzyklus jedes Injektors zu simulieren. Bei der Simulation mit dichtebasierten zeitlich expliziten kompressiblen Verfahren, kombiniert mit einem barotropen  Kavitationsmodell werden die mikroskopischen Kavitationsblasen, die Kollapse einzelner Hohlräume und die resultierende Druckwellendynamik in Raum und Zeit aufgelöst. Die qualitative Analyse erosionssensitiver Wandzonen wird auf der Grundlage der Erosionswahrscheinlichkeit durchgeführt. Die Erosionswahrscheinlichkeit dient der schnellen qualitativen Einordnung der Wandlastverteilung. Dabei wird die Anzahl der Druckspitzen, die einen empirischen Schwellwert an der Wand überschreiten, detektiert. Gleiches erfolgt für die Kondensationsrate, d.h. der zeitlichen Änderung des Dampfvolumens.

Ansprechpartner: Sherwin Falsafi