Numerische Untersuchung zur Wassereinspritzung an einem aufgeladenen DI-Ottomotor

Abstract

Die Forderung nach stetig steigenden Wirkungsgraden führt zur Anhebung des Mitteldruckniveaus bei Ottomotoren. Begrenzt wird dies durch das Auftreten von irregulären Verbrennungen. An der Volllast sind somit Maßnahmen zu ergreifen, die die klopfende Verbrennung vermeiden. Im Zentrum der Bemühungen steht hier die Absenkung der Brennraumtemperatur zum Zündzeitpunkt sowie während der Verbrennung. Dies verlangsamt die chemischen Vorreaktionen im unverbrannten Anteil des Gemisches und verhindert so die unkontrollierte Detonation. In dieser Arbeit wurde die Wirkung der Saugrohr-Wassereinspritzung auf die Kompressionsendtemperatur untersucht. Im Rahmen eines 1D-Modells konnte das Grenzpotenzial der Wassereinspritzung eindrucksvoll dargestellt werden. Die Wirkung der Wassereinspritzung basiert auf der hohen Verdampfungsenthalpie des Fluids. Damit ist die Kenntnis über die Bauteilbenetzung essentiell, um die Wirkung an realen Motorapplikationen berechnen zu können. Dieser Umstand machte eine 3D-Modellierung notwendig. Mithilfe des CFD-Modells wurden unterschiedliche Konfigurationen des Injektors, sowie des Einspritzpunktes im Saugrohr untersucht. Erwartungsgemäß wirkte sich die Reduktion des mittleren Tropfendurchmessers günstig auf die Wirkung der Wassereinspritzung aus. Es konnte zusätzlich eine Korrelation zwischen der gefangen Tropfenmasse zu „Einlass-Schluss“ und der erzielten Temperaturreduktion zu Kompressionsende bei ähnlichen Sprays gefunden werden. Damit ist der Transport der Tropfen durch die Einlasskanalströmung besonders kritisch.

In order to achieve the given CO2-limits, engines have to become more efficient. In the case of an Otto-engine this leads to an increase of the indicated mean effective pressure (IMEP). The pressure level is limited by the occurrence of irregular combustion phenomena like knocking. To avoid knocking in full load conditions the reduction of the gas temperature at TDCF and during the combustion itself is of prime importance. Due to the lower temperature in the unburned gas the chemical reactions which lead to an uncontrolled detonation are decelerated effectively. The first step in the presented analysis was the development of a 1D model of the considered engine. This approach is best suitable to show the maximum potential of a manifold water injection system. Because of the unknown amount of wallfilm evaporation this model is not able to predict the effectiveness on a real engine application. Therefore a 3D Model was developed. With the CFD-approach it was possible to investigate different spray-parameter variations like SMD and injector position. The Simulations show that the reduction of the droplet diameter had a positiv effect in order to reduce the in-cylinder gas temperature. It could also be shown that the there is a correlation between the captured droplet mass inside the cylinder at IVC and the reduction of the gas temperature at TDCF. Therefore the transport of the droplets through the inlet channel is critical.