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Untersuchung der Kavitationserosion in Dieselmotoren

Um in Einspritzsystemen von Dieselmotoren das Ausmaß der durch Kavitation hervorgerufenen Erosion zu untersuchen, wurden mehrere Studien durchgeführt. Zur Unterstützung der Entwicklung eines Computermodells dieses Erosionsvorgangs wurden experimentelle und theoretische Ergebnisse herangezogen.

Industrielle Technologien

Schadstoffemissionen aus Dieselmotoren können durch eine Steigerung des Kraftstoff-Einspritzdrucks stark reduziert werden. Ein erhöhter Einspritzdruck kann jedoch zu einer verstärkten Erosion an bestimmten Motorkomponenten und zu einer Reduzierung der Lebensdauer des Einspritzsystems führen. Diese Erosion kann durch Kavitation verursacht werden, der Bildung und anschließenden Implosion von Dampfblasen im Kraftstoff, wodurch Druckstöße und hierdurch wiederum Schädigungen an Motorbauteilen hervorgerufen werden. Die größte Herausforderung der Wissenschaftler bestand darin, die Beobachtungen aus dem Strömungsverhalten des Kraftstoffs und den Widerstand der Werkstoffe gegen Erosion in das Modell einzubeziehen. Dies setzte detaillierte Kenntnisse darüber voraus, wie die im Einspritzsystem verwendeten Werkstoffe durch das Strömungsverhalten beeinflusst werden. Die Wissenschaftler des Laboratoire des Ecoulements Geophysiques et Industriels (LEGI) in Grenoble (Frankreich) haben zur Validierung dieses Erosionsmodells Experimente durchgeführt. Das Modell wurde aus hydrodynamischer und materialtechnischer Sicht validiert und zur Vorhersage der Inkubationszeit und der Erosionsgeschwindigkeit verwendet. Anhand des Modells konnte festgestellt werden, dass die Größe der Kavitationszone Schwankungen unterlag. Größe und Ort dieser Zonen stimmten dabei mit den Bereichen, an denen während experimenteller Versuche eine Kavitationserosion beobachtet wurde, überein. Das Auftreten von Erosion konnte für die Regionen hervorgesagt werden, in denen eine Implosion von Dampfblasen stattfand, was ebenfalls in Übereinstimmung mit den gemachten Beobachtungen stand. Dem Projektpartner AVL List GmbH ist es gelungen, das Erosionsmodell in dem von ihm entwickelten Programmcode FIRE zu integrieren. Das Erosionsmodell wurde von AVL unter Verwendung der Ergebnisse des LEGI validiert. Die Möglichkeit, die Erosionswahrscheinlichkeit und die Erosionsgeschwindigkeit vorhersagen zu können, bedeutet eine Reduzierung der Zeit zur Entwicklung neuer Prototypenmotoren, wodurch eine Kostenreduktion erzielt werden kann.

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