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http://dx.doi.org/10.25673/35681
Title: | Geometrieoptimierung von Benzin-Hochdruck-Einspritzventilen mit Hilfe numerischer Strömungsmechanik und genetischer Algorithmen |
Author(s): | Hellmann, Robin |
Referee(s): | Beyrau, Frank![]() Thévenin, Dominique ![]() Rottengruber, Hermann ![]() |
Granting Institution: | Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik |
Issue Date: | 2021 |
Extent: | 183 Seiten |
Type: | Hochschulschrift![]() |
Type: | PhDThesis |
Exam Date: | 2020 |
Language: | German |
Publisher: | Shaker, Düren |
Series/Report no.: | Berichte aus der Strömungstechnik |
URN: | urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-358997 |
Subjects: | Kolbenkraftmaschinen |
Abstract: | Um eine hohe Effizienz und Leistung zu erzielen, verwendet der überwiegende Teil
der aktuell entwickelten Otto-Motoren die Benzin-Direkteinspritzung. Dabei stellen
die Hochdruck-Einspritzventile eine Schlüsselkomponente des Brennverfahrens
dar, wobei die Ventilsitzgeometrie maßgeblich das Kraftstoffspray bestimmt. Für
ein optimales Brennverfahren ist deshalb ein motorspezifisch gestalteter Ventilsitz
notwendig, d.h. für jeden Motor muss entsprechend der Vorgaben eine optimale
Ventilsitzgeometrie gefunden werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen numerischen
und automatisierten Ansatz zur Optimierung der Ventilsitzgeometrie zu
entwickeln, zu bewerten und einzusetzen.
Zuerst werden die Optimierungsziele beschrieben und ein Optimierungsproblem
mathematisch formuliert. Dieses definiert sich aus den konkurrierende Zielgrößen
einer minimalen Penetration und einem minimalen Strahlkegelwinkel bei gleichbleibendem
Massenstrom und Strahlrichtung des Kraftstoffes.
Ein vollständig automatisierter CFD-Simulationslauf einschließlich einer effizienten
Evaluierung ist eine wesentliche Voraussetzung für die genetische Optimierung
und wird im Rahmen der Arbeit entwickelt. Hierbei stellt sich die Kopplung der Innenströmung
mit einer Simulation des Kraftstoffsprays als bedeutend und zielführend
heraus. Die Validierung des entwickelten Ansatzes erfolgt mittels skalenaufgelösten
Berechnungsverfahren und Hochgeschwindigkeits-Sprayvisualisierungen
und zeigt für die untersuchten Spraycharakteristika eine gute Übereinstimmung.
Im Rahmen einer statistischen Versuchsplanung werden Wirkzusammenhänge zwischen
Geometrie- und Strömungsgrößen aufgezeigt und darauf aufbauend Metamodelle
erstellt. Des Weiteren erlaubt die hohe Güte der Modelle deren Einsatz
innerhalb einer Optimierung, wodurch sich eine ausgeprägte Pareto-Front mit verbesserten
Ventilsitzgeometrien ergibt. Die genetische Optimierung unter direktem
Einsatz des gekoppelten Simulationsablaufes identifiziert noch weiter verbesserte
Ventilsitze.
Abschließend werden vier Hochdruckinjektoren mit Hilfe der in der Arbeit entwickelten
Metamodelle in den fertigbaren Raum überführt und hergestellt. Sowohl die
CFD-Berechnung als auch die Sprayvisualisierung der gefertigten Muster zeigen,
dass die in der Optimierung gefundenen Unterschiede des Strahlkegelwinkels und
der Penetration erhalten bleiben, sich aber aufgrund von Fertigungsvorgaben und
Fertigungstoleranzen abschwächen. In order to achieve high efficiency and performance, the majority of the currently developed Otto engines use gasoline direct injection. The high-pressure injectors are a key component of the combustion process, as the valve seat geometry determines the fuel spray significantly. An optimal combustion process requires an engine-specific valve seat, i.e. an optimal valve seat geometry must be found, according to the specifications, for each engine. The aim of this work is to develop, evaluate and use a numerical and automated workflow to optimize the valve seat geometry. First, the optimization goals are described and an optimization problem is formulated mathematically. This is defined by the competing objectives of a minimum penetration and a minimum spray plume cone angle for a constant fuel mass flow and spray plume direction. A fully automated CFD simulation process including an efficient evaluation is an essential prerequisite for a genetic optimization and is developed as part of the work. Coupling the internal nozzle flow with a spray simulation turns out to be important and effective. The developed approach is validated using scale-resolved calculation methods and high-speed spray visualizations and shows a good agreement for the investigated spray characteristics. Interdependencies between design and flow variables are shown by means of design of experiments and approximation models are built. Furthermore, the high quality of the models allows them to be used within an optimization, which results in a distinctive Pareto front containing improved valve seat geometries. Genetic optimization using the coupled simulation process identifies even better valve seats. Finally, four high-pressure injectors are transferred to the fabricable space using the metamodels developed in the present work. Both the CFD calculation and the spray visualization of the manufactured samples show that the differences found in the optimization of the spray plume cone angle and the penetration are retained, but weaken due to manufacturing specifications and manufacturing tolerances. |
URI: | https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/35899 http://dx.doi.org/10.25673/35681 |
Open Access: | ![]() |
License: | ![]() |
Appears in Collections: | Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik |
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