Geometrieoptimierung von Benzin-Hochdruck-Einspritzventilen mit Hilfe numerischer Strömungsmechanik und genetischer Algorithmen
Robin Hellmann
Hochdruck-Einspritzventile stellen eine Schlüsselkomponente von Otto-Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung 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.
Zuerst wird ein geeignetes Optimierungsproblem für die Ventilsitzgeometrie formuliert, das sich aus den konkurrierende Zielgrößen einer minimalen Penetration und einem minimalen Strahlkegelwinkel bei gleichbleibendem Massenstrom und Strahlrichtung des Kraftstoffes definiert.
Anschließend wird ein vollständig automatisierter 3D-CFD Simulationsablauf entwickelt, bewertet und eingesetzt. Hierbei stellt sich die Kopplung der Innenströmung mit einer Simulation des Kraftstoffsprays als bedeutend und zielführend heraus. Die Validierung erfolgt mittels skalenaufgelösten Berechnungsverfahren und Hochgeschwindigkeits-Sprayvisualisierungen und zeigt eine gute Übereinstimmung.
Innerhalb einer statistischen Versuchsplanung werden Metamodelle mit hoher Vorhersagequalität erstellt und neue Zusammenhänge zwischen Geometrie- und Strömungsgrößen aufgezeigt.
Der Einsatz der Metamodelle und des gekoppelten Simulationsablaufs im Rahmen von genetischen Optimierungen identifiziert optimale Ventilsitze und erlaubt die Ableitung von Auslegungskriterien im gesamten, sehr großen Parameterraum.
Abschließend werden vier Pareto-optimale Injektoren in den fertigbaren Raum überführt und hergestellt. Sowohl die numerische Berechnung als auch die Sprayvisualisierung der gefertigten Muster zeigen, dass die in der Optimierung gefundenen Vorteile der Spraycharakteristika erhalten bleiben.
