Die Tricks und Kniffe der Strömungsforscher
Bei Einspritzdüsen und vielen anderen Bauteilen sind die geringen Abmessungen und die kompakte Bauweise für systematische Untersuchungen eine große Herausforderung. Dies gilt auch für die Strömungstechnik. Mit Experimenten am Großmodell und Computersimulation der Kraftstoffströmung verbessern Bosch-Forscher die Leistungsfähigkeit der Düsen.
Strömungen beeinflussen an ganz verschiedenen Stellen den Kraftstoffverbrauch eines Autos. Am markantesten und sinnfälligsten ist wohl der Einfluss des Luftwiderstandes. Je weniger Angriffsfläche der Fahrtwind hat und je besser er außen vorbeigeführt wird, desto geringer der Verbrauch. Doch auch tief im Innern des Motors liegt eine Schlüsselstelle, die über den sparsamen Umgang mit Benzin oder Diesel entscheidet: Je günstiger der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird und je besser die feinst verteilten Kraftstofftröpfchen sich mit der Luft vermischen, desto vollständiger ist die Verbrennung und umso mehr Energie wird heraus geholt. Optimales Verbrauchsverhalten und geringe Emissionen sind die Folge.
Das technologische Herzstück der Dieseldirekteinspritzung ist die Einspritzdüse mit ihren Spritzlöchern. Hier entscheidet es sich, wie die Kraftstoffmenge in den Brennraum verteilt wird. Grund genug für die Bosch-Forscher, die Strömung im Bauteil genauer unter die Lupe zu nehmen. Eine harte Nuss für die Experimentatoren. Schließlich liegt bei den modernsten Modellen der Dieseldirekteinspritzung ein Einspritzdruck von über 1800 bar an, der Kraftstoff für einen Verbrennungstakt schießt in etwa einer Millisekunde in den Brennraum ein, und das mit Überschallgeschwindigkeit. Da hilft nur der Rückgriff auf einen physikalischen Trick.
Er wird von Fahrzeugherstellern ebenso angewandt wie von Flugzeugbauern: Unter Einhaltung bestimmter Parameter ist es nämlich möglich, die Modellgröße zu variieren. Und zwar in beiderlei Richtung. Der Flugzeug- oder Schiffbauer testet sein Modell in Verkleinerung im Wind- oder Wasserkanal. Die Einspritzdüse hingegen wird bei Bosch in einer rund 50fachen Vergrößerung strömungstechnisch studiert. Ein nur 200 Mikrometer großes Spritzloch wird so zur zehn Millimeter weiten Öffnung. Die feine Einspritzdüse - im Original nur fingerdick - wird zum handlichen Studienobjekt aus Plexiglas im Labor.
Doch noch eine weitere Methode erlaubt es den Forschern, tief in das Innenleben der Einspritzdüse zu blicken. Computerprogramme (CFD = computational fluid dynamics) lösen die komplexen Strömungsgleichungen und zeigen die Stromlinien, Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzen in hoher Genauigkeit. Mit Computerhilfe erhalten die Bosch-Forscher damit ein virtuelles Endoskop.
Zur dreidimensionalen Berechnung der Strömung wird der Innenraum in mehrere Hunderttausend bis zu Millionen kleinste Elemente eingeteilt. In diesen kleinen Parzellen werden die Strömungsgleichungen gelöst. Mit Hilfe von Parallelrechnern erhält man dann innerhalb von Stunden als Ergebnis die interessierenden Strömungsgrößen in diesen Zellen. Die Ergebnisse tragen dazu bei, dass die Forscher und Entwickler ein tiefes Verständnis für die Vorgänge in der Düse erhalten. Damit lassen sich dann durch gezielte Geometrievarianten gewünschte Effekte „züchten“.
Das erlangte Know-how verdichten die Bosch-Forscher zu einer strömungsoptimierten Düse mit definierter Geometrie und Innenströmung. Diese ist wesentlich für die effiziente Zerstäubung und weite Eindringtiefe des Kraftstoffs in den Brennraum. Dort brennt er dann mit höchstmöglichem Wirkungsgrad und unter Entwicklung geringster Schadstoffemissionen ab. Anhand des Leuchtens der abbrennenden Dieselrußpartikel im Brennraum lässt sich dann über den Erfolg der Strömungstechniker urteilen.
Moderne Einspritztechniken, wie die Common-Rail-Dieseldirekteinspritzung, setzen auf das detaillierte Verständnis von Kraftstoffströmung und Ventilmechanik. Unter hohen Drücken und bei schnellen Schaltzeiten übt die Strömung starke Kräfte beispielsweise auf die Ventilnadel aus. Das beeinflusst die Dynamik des Gesamtsystems. Schließlich kommt es bei den Mehrfacheinspritzungen auf exaktes Dosieren an: Eine Voreinspritzung dient der Geräuschminderung des Dieselmotors, eine oder mehrere Haupteinspritzungen sorgen für die Leistung, während eine zusätzliche Nacheinspritzung die Verbrennung positiv beeinflusst, was zu niedrigeren Emissionen führt. Ein ausgeklügeltes Konzept.
Mit den Ventilschaltungen entstehen Druckwellen in der Düse, die das Einspritzverhalten beeinflussen. Die Druckwelle - hervorgerufen durch die Voreinspritzung - kann durch Reflexionen im Bauteil zurückkommen und mit der Haupteinspritzung zusammen fallen. Der gewünschten exakten Dosierung steht das entgegen. Mit CFD-Simulationen lässt sich dieser Effekt analysieren: Das Bauteil wird entsprechend neu ausgelegt.
Ein großer Fortschritt ist der Bosch-Forschung gelungen, indem sie Strömungen und deren Veränderungen über die gesamte Lebensdauer eines Bauteils berechnen. Bleibt die Strömung und damit die Funktionsfähigkeit des Bauteils bei Alterung bestehen? Für den Konstrukteur ergeben sich dadurch wichtige Hinweise für den Entwurf robuster Produkte. Schon im Design lassen sich so Alterungseffekte berücksichtigen oder ein Verschmutzen des Bauteils verhindern. Experiment und Simulation arbeiten hier Hand in Hand.
Dies gilt ebenso für die Analyse von Fertigungstoleranzen: An exemplarischen Geometrien wird die Auswirkung von Toleranzen auf die Funktion der Einspritzdüse geprüft. Diese Kenntnisse werden dann verwendet, um toleranzunempfindliche Geometrien zu entwerfen. Das Wissen um zulässige Toleranzen garantiert eine hohe Produktqualität bei niedrigen Fertigungskosten.
Das technologische Herzstück der Dieseldirekteinspritzung ist die Einspritzdüse mit ihren Spritzlöchern. Hier entscheidet es sich, wie die Kraftstoffmenge in den Brennraum verteilt wird. Grund genug für die Bosch-Forscher, die Strömung im Bauteil genauer unter die Lupe zu nehmen. Eine harte Nuss für die Experimentatoren. Schließlich liegt bei den modernsten Modellen der Dieseldirekteinspritzung ein Einspritzdruck von über 1800 bar an, der Kraftstoff für einen Verbrennungstakt schießt in etwa einer Millisekunde in den Brennraum ein, und das mit Überschallgeschwindigkeit. Da hilft nur der Rückgriff auf einen physikalischen Trick.
Er wird von Fahrzeugherstellern ebenso angewandt wie von Flugzeugbauern: Unter Einhaltung bestimmter Parameter ist es nämlich möglich, die Modellgröße zu variieren. Und zwar in beiderlei Richtung. Der Flugzeug- oder Schiffbauer testet sein Modell in Verkleinerung im Wind- oder Wasserkanal. Die Einspritzdüse hingegen wird bei Bosch in einer rund 50fachen Vergrößerung strömungstechnisch studiert. Ein nur 200 Mikrometer großes Spritzloch wird so zur zehn Millimeter weiten Öffnung. Die feine Einspritzdüse - im Original nur fingerdick - wird zum handlichen Studienobjekt aus Plexiglas im Labor.
Doch noch eine weitere Methode erlaubt es den Forschern, tief in das Innenleben der Einspritzdüse zu blicken. Computerprogramme (CFD = computational fluid dynamics) lösen die komplexen Strömungsgleichungen und zeigen die Stromlinien, Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzen in hoher Genauigkeit. Mit Computerhilfe erhalten die Bosch-Forscher damit ein virtuelles Endoskop.
Zur dreidimensionalen Berechnung der Strömung wird der Innenraum in mehrere Hunderttausend bis zu Millionen kleinste Elemente eingeteilt. In diesen kleinen Parzellen werden die Strömungsgleichungen gelöst. Mit Hilfe von Parallelrechnern erhält man dann innerhalb von Stunden als Ergebnis die interessierenden Strömungsgrößen in diesen Zellen. Die Ergebnisse tragen dazu bei, dass die Forscher und Entwickler ein tiefes Verständnis für die Vorgänge in der Düse erhalten. Damit lassen sich dann durch gezielte Geometrievarianten gewünschte Effekte „züchten“.
Das erlangte Know-how verdichten die Bosch-Forscher zu einer strömungsoptimierten Düse mit definierter Geometrie und Innenströmung. Diese ist wesentlich für die effiziente Zerstäubung und weite Eindringtiefe des Kraftstoffs in den Brennraum. Dort brennt er dann mit höchstmöglichem Wirkungsgrad und unter Entwicklung geringster Schadstoffemissionen ab. Anhand des Leuchtens der abbrennenden Dieselrußpartikel im Brennraum lässt sich dann über den Erfolg der Strömungstechniker urteilen.
Moderne Einspritztechniken, wie die Common-Rail-Dieseldirekteinspritzung, setzen auf das detaillierte Verständnis von Kraftstoffströmung und Ventilmechanik. Unter hohen Drücken und bei schnellen Schaltzeiten übt die Strömung starke Kräfte beispielsweise auf die Ventilnadel aus. Das beeinflusst die Dynamik des Gesamtsystems. Schließlich kommt es bei den Mehrfacheinspritzungen auf exaktes Dosieren an: Eine Voreinspritzung dient der Geräuschminderung des Dieselmotors, eine oder mehrere Haupteinspritzungen sorgen für die Leistung, während eine zusätzliche Nacheinspritzung die Verbrennung positiv beeinflusst, was zu niedrigeren Emissionen führt. Ein ausgeklügeltes Konzept.
Mit den Ventilschaltungen entstehen Druckwellen in der Düse, die das Einspritzverhalten beeinflussen. Die Druckwelle - hervorgerufen durch die Voreinspritzung - kann durch Reflexionen im Bauteil zurückkommen und mit der Haupteinspritzung zusammen fallen. Der gewünschten exakten Dosierung steht das entgegen. Mit CFD-Simulationen lässt sich dieser Effekt analysieren: Das Bauteil wird entsprechend neu ausgelegt.
Ein großer Fortschritt ist der Bosch-Forschung gelungen, indem sie Strömungen und deren Veränderungen über die gesamte Lebensdauer eines Bauteils berechnen. Bleibt die Strömung und damit die Funktionsfähigkeit des Bauteils bei Alterung bestehen? Für den Konstrukteur ergeben sich dadurch wichtige Hinweise für den Entwurf robuster Produkte. Schon im Design lassen sich so Alterungseffekte berücksichtigen oder ein Verschmutzen des Bauteils verhindern. Experiment und Simulation arbeiten hier Hand in Hand.
Dies gilt ebenso für die Analyse von Fertigungstoleranzen: An exemplarischen Geometrien wird die Auswirkung von Toleranzen auf die Funktion der Einspritzdüse geprüft. Diese Kenntnisse werden dann verwendet, um toleranzunempfindliche Geometrien zu entwerfen. Das Wissen um zulässige Toleranzen garantiert eine hohe Produktqualität bei niedrigen Fertigungskosten.
