Analyse der Gemischbildung bei direkter Wassereinspritzung mittels innovativer 3D-CFDSimulationen

Abstract

In der Forschung und Entwicklung moderner Ottomotoren wird die Wasserdirekteinspritzung nicht ausschließlich zur Steigerung des Wirkungsgrades bei Volllast durch die Absenkung der Abgastemperatur zur Verhinderung der Kraftstoffanreicherung betrachtet, auch im „Low-End-Torque“ werden Untersuchungen hinsichtlich der Wirksamkeit zur Wirkungsgradoptimierung durch Klopfminderung durchgeführt. Das in den Brennraum eingebrachte Wasser bewirkt eine Abkühlung der Zylinderladung vor dem Zündzeitpunkt und damit eine Verringerung der Klopfneigung. Der hier untersuchte Lastpunkt liegt bei 2000 min-1 und 20 bar pmi und stellt gleichzeitig die kritischste Betriebsbedingung des Motors auf dem Prüfstand bezüglich des Klopfbeginns dar. Die durch die hohe Verdampfungsenthalpie des Wassers realisierte Regelung der Ladungstemperatur wirkt sich vorteilhaft auf das Motorverhalten aus, da sie die Kraftstoffverdampfung, die Gemischbildung und deren Homogenisierung maßgeblich beeinflusst. Aus diesem Grund ist das Ziel der aktuellen Untersuchungen die Wechselwirkungen zwischen der Kraftstoff- und Wasserverdampfung vor dem Zündzeitpunkt und der relativen Veränderung durch den einsetzenden Verbrennungsvorgang zu optimieren. Basierend auf den Daten eines Einzylinder-Motorprüfstandes mit direkter Wassereinspritzung wird das Strömungsfeld mit dem am IFS/FKFS entwickelten 3D-CFD-Tool QuickSim untersucht, das den Vergleich der Gemischbildung ohne Wassereinspritzung mit der Gemischbildung modifizierter Wassereinspritzstrategien ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen eine Veränderung der Kraftstoffverdampfung in Abhängigkeit von der angewandten Wassereinspritzstrategie. Infolgedessen hängt die Klopffestigkeit stark von den Wechselwirkungen zwischen der Kraftstoff- und Wasserverdampfung ab. Mit der hier untersuchten Strategie zur Wasserdirekteinspritzung kann aufgrund der Turbulenzerhöhung die Gemischqualität verbessert werden und stellt daher ein wirksames Mittel zur Erhöhung der Klopffestigkeit und Steigerung des Motorwirkungsgrades dar.