Untersuchungen zur Wärmeübertragung in Common Rail Höchstdruckinjektoren unter stationären und transienten dieselmotorischen Randbedingungen

Bei der Entwicklung von Common-Rail-Injektoren (CRI) werden seitens der Automobilhersteller aktuell und auch zukünftig immer höhere Einspritzdrücke gefordert. Motorische Untersuchungen der OEMs zeigen einen Vorteil hinsichtlich den Auslegungsgrößen Leistung, Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Verbrennungsgeräusch. Die steigenden Einspritzdrücke führen bei Common-Rail-Injektoren, die auf einem Servo-Ventilkonzept basieren, prinzipbedingt durch die Entspannungsvorgänge des Kraftstoffs zu hohen Fluid- und Bauteiltemperaturen im Injektor.

In der vorliegenden Arbeit wird die Wärmeübertragung in Common-Rail-Injektoren unter stationären und transienten dieselmotorischen Randbedingungen betrachtet. Unter Beibehaltung der Injektorfunktionalität werden Maßnahmen untersucht, die zu einer Reduktion der Temperaturbelastung an temperaturkritischen Komponenten führen und damit erstmals das Potenzial geeigneter Maßnahmen quantifizieren. Detailliert betrachtet werden hier jeweils eine Maßnahme mit einem Spülkreislauf und eine Maßnahme mit einer optimierten Strömungsführung, die jeweils in ein vorhandenes Injektorkonzept integriert werden können.

Zur Durchführung der Untersuchungen wird ein Injektorprüfstand für einen vollautomatischen Messablauf weiterentwickelt. Für den Referenzinjektor und die Injektoren mit implementierten Maßnahmen wird mittels statistischer Versuchsplanung DoE je ein Temperaturmodell erstellt, das es ermöglicht, Temperaturen im CRI abhängig vom Einspritzszenario und Temperaturrandbedingungen vorherzusagen. Voruntersuchungen führen zur Wahl einer raumverteilten Versuchsplanerstellung in Verbindung mit einer Modellbildung, die auf statistischen Lernverfahren beruht. Der Einsatz von Design of Experiments (DoE) in der Entwicklung ist empfehlenswert bezüglich Zeit-, Prüfstandsressourcen- und Kostenaufwand.

Ferner werden bei den umfangreichen experimentellen Untersuchungen die Temperaturen sowohl im Referenzinjektor als auch in den CRI mit den ausgewählten Maßnahmen unter applikationsnahen „worst case“ Betriebspunkten erfasst.

Es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass die Temperaturbelastung im Common-Rail-Injektor durch geeignete Maßnahmen reduziert wird und damit weitere Steigerungen der zukünftig gestellten Druckanforderungen ermöglicht werden können. Aus den gewonnenen Erkenntnissen in dieser Arbeit wird eine Empfehlung für ein zukünftiges Injektordesign hinsichtlich Temperaturbelastung gegeben.