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Experimental and cfd technology for preventive reduction of diesel engine emissions caused by cavitation erosion (PREVERO)

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Optimierung der Konstruktion von Verbrennungsmotoren

Während detaillierte Experimente unter verschiedensten Betriebsbedingungen äußerst zeitaufwendig und häufig nicht praxisgerecht sind, kann die Konstruktion von Kraftstoffeinspritzsystemen mit der Simulation von Kavitationsflüssen von Anfang an unterstützt werden.

Energie

Kraftstoffeinspritzsysteme in bei Fahrzeugen beliebten Dieselmotoren müssen unter verschiedensten Betriebsbedingungen ordnungsgemäß arbeiten, da der Kraftstoffdruck lokal unter den Dampfdruck sinkt. Es bilden sich Dampfblasen im Kraftstoff, und wenn der Dampf anschließend in Bereichen mit höherem Druck kondensiert, kann die beim Zerfallen der Blasen freigesetzte Energie zu Kavitationserosion in den Komponenten des Einspritzsystems führen. Im Rahmen des europäischen PREVERO-Projektes wurden an den Labors der AVL List GmbH verschiedene Testkonfigurationen untersucht. Experimentelle Untersuchungen des Flusses in Düsen mit einer Geometrie, die der tatsächlichen Größe entspricht, haben die Komplexität der entstehenden Strukturen verschiedener Kavitationscharakteristiken aufgezeigt. Bei dem Versuch, Kavitationsflüsse und deren Auswirkungen auf Leistung und Langlebigkeit von Kraftstoffeinspritzsystemen besser zu verstehen, wurden Messungen des Durchflusskoeffizienten mit den Vorhersagen des Modells verglichen. Genauer gesagt wurde ein mehrdimensionales CFD-Modell (Computational Fluid Dynamics, Berechnung der Strömungsdynamik) für die Bestimmung von Beginn und Entwicklung der Kavitation in Düsenlöchern entwickelt und mit den in Experimenten gesammelten Daten verglichen. Die Auswirkungen der Vorhersage des Kavitationsmodells wie auch die der Untermodelle für Phaseninteraktion der vorhergesagten Ergebnisse für den Düsenaustritt wurden untersucht. Es wurden weitere Überlegungen zur numerischen Implementierung und dem Diskretisierungsansatz angestellt, um die Vorhersagemöglichkeiten dieses Rechenmodells zu optimieren. Basierend auf der Formulierung für verschiedene Flüssigkeiten in Mehrphasenströmen wurde das Rechenmodell soweit bestätigt, dass es für die Bestimmung vieler verschiedener Kavitationseffekte auf die Düsenleistung eingesetzt werden kann. Die Kavitation hat umfassende Auswirkungen auf die Zerstäubung des austretenden Kraftstoffs, was wiederum ein Schlüsselfaktor für die Leistung und die Abgasemissionen von Dieselmotoren mit Einspritzung ist. Implementiert im Eulerschen Mehrphasenmodul mit dem FIRE-Code liefern Kavitationsmodelle einen wichtigen Beitrag zur Konstruktion und Optimierung von Kraftstoffeinspritzsystemen.

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