Simulation ist mehr als Software

Direktkontakt
0
Wunschliste
0 0
Warenkorb
DE

Auslegung und Optimierung von Injektoren für Diesel- und Wasserstoff-Motoren

Mikropräzision nicht nur für Einspritzsysteme

Im Jahr 2016 eröffnete Liebherr in Deggendorf ein komplett neues Werk als Kompetenzzentrum für Einspritzsysteme und Mikropräzisionsteile. Ein Schwerpunkt dieses Liebherr-Standortes ist die Entwicklung, Produktion und Montage von Common-Rail-Injektoren für Dieselmotoren. Gleichzeitig mit der Eröffnung des neuen Werkes wurde auch der interne Einsatz von Simulations-Software in der Produktentwicklung forciert.

VON NULL AUF HUNDERT: SIMULATION SEIT 2019

Mit Dr.-Ing. Martin Seidl, der sich während seines Studiums und seiner Promotion im Bereich der Luft- und Raumfahrt intensiv mit Verbrennungsmotoren und Raketenbrennkammern beschäftigt hat, kam die notwendige Expertise hinzu. Nachdem er sich anfangs auf 1D-Simulationen mit Matlab/Simulink konzentrierte, nahmen ab 2019 mit dem Abschluss eines Rahmenvertrages mit ANSYS und CADFEM FEM-Berechnungen, CFD-Analysen und auch elektromagnetische Untersuchungen Fahrt auf. „2019 erhielt ich durch den neuen Kollegen Matthias Smetana Unterstützung beim Simulationseinsatz“, berichtet Martin Seidl. „Er beschäftigt sich hauptsächlich mit strukturmechanischen Fragestellungen. Zusätzlich nutzen wir die Software von ANSYS in den Bereichen Strömungen und Elektromagnetik, unter anderem zur Erstellung von studentischen Abschlussarbeiten.“

Profil der Liebherr-Components Deggendorf GmbH

Die Liebherr-Components Deggendorf GmbH (Kürzel: CCR = Components Common-Rail) ist Teil des Produktsegmentes Komponenten innerhalb der Firmengruppe Liebherr. Am Standort in Deggendorf entwickelt und produziert Liebherr Mikropräzisionsteile und Komponenten für Einspritzsysteme (Common-Rail), die hohen Belastungen und extremen Umgebungsbedingungen standhalten. Die Systemlösungen, die auf Drücke bis zu 2200 bar ausgelegt sind, werden sowohl in Verbrennungsmotoren der Firmengruppe als auch in Aggregaten anderer Hersteller weltweit verbaut.

Dazu zählen unter anderem Anwendungen für schwere Fahrzeuge abseits der Straßennutzung (Heavy-Duty Off-Highway), dezentrale Energiesysteme, maritime Anwendungen und Fahrzeuge für den Bergbau (Mining). Moderne Herstellungsverfahren und langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Wiederaufbereitung von Komponenten tragen maßgeblich zur Qualität und Leistungsfähigkeit der Liebherr-Produkte bei. Seit Jahrzehnten entwickelt und produziert die Firma Liebherr Dieselmotoren, die sie selbst als OEM im Bereich der Off-Highway-Fahrzeuge einsetzt. Diese Erfahrung garantiert höchstmögliche Leistung und Zuverlässigkeit der Einspritzsysteme über eine lange Lebensdauer und bietet eine solide Grundlage, um auch zukünftige Anforderungen zu meistern.

In Hinblick auf Klimawandel und Umweltauflagen haben am Standort Deggendorf klimafreundliche Einspritzlösungen für den Einsatz von CO2-neutralen Kraftstoffen höchste Priorität. Die bestehenden Komponenten und Systemlösungen werden derzeit für den Einsatz unterschiedlicher synthetischer Kraftstoffe getestet und weiterentwickelt. Im Bereich der Wasserstofftechnologie arbeiten die Experten in Deggendorf an neuen Injektorkonzepten zur Wasserstoffeinblasung für den Einsatz in Verbrennungsmotoren.

Korrekte Vorhersage physikalischer Phänomene

Die bei der Liebherr-Components Deggendorf GmbH entwickelten und produzierten Systemkomponenten basieren auf komplexen und wechselwirkenden Effekten aus den Bereichen der Mechanik, Hydraulik/Pneumatik und Elektromagnetik.

Zur korrekten Vorhersage der auftretenden physikalischen Phänomene und der einzelnen Interaktionen in den Einspritzsystemen und -komponenten ist der Einsatz zuverlässiger Simulationswerkzeuge unerlässlich. Deshalb setzt Liebherr auf verschiedene kommerzielle und hausinterne Software-Lösungen.

Um das dynamische Verhalten von Injektoren, Pumpen und Schaltventilen vorhersagen zu können, werden 1D-Simulationen (manchmal auch 0D-Simulation genannt) durchgeführt. Die Simulationen erfolgen entweder mit dem hausinternen Matlab-Code DIESL oder der Simscape-Umgebung, einer Erweiterung von Matlab/Simulink mit graphischer Benutzeroberfläche.

Vereinfachtes 1D-Modell eines Dieselinjektors

Diese Darstellung zeigt beispielhaft ein vereinfachtes 1D-Modell eines Common-Rail Dieselinjektors mit einem Zwei-Wege-Ventil (Zulauf- und Ablaufdrossel), der hydraulisch über einen Elektromagneten angesteuert wird. Die nur axial bewegliche Düsennadel wird hierbei vereinfacht als Punktmasse angenommen, deren Position das Volumen des Steuerraums, des Sacklochs sowie die Querschnittsfläche der Sitzdrossel beeinflusst. Im Gegenzug wirken auf die Nadel nicht nur mechanische Kräfte durch Feder und Anschlag, sondern auch hydraulische Kräfte.

1D-Modelle stellen oft stark vereinfachte und abstrahierte Abbildungen der Realität dar und können entsprechend nicht alle Details der komplexen Wirklichkeit wiedergeben oder gar vorhersagen. Oft werden zur Modellkalibrierung und -validierung Daten benötigt, die gar nicht oder nur eingeschränkt – zum Beispiel aus Messungen – zur Verfügung stehen. Die benötigten Informationen können oft mit spezialisierten Simulationswerkzeugen gewonnen und beispielsweise als Lookup-Tabellen im 1D-Modell hinterlegt werden (siehe rote Kästchen in der vorangehenden Darstellung).

Häufig stehen auch Fragestellungen im Raum, die mittels 1D-Simulation nicht beantwortet werden können, etwa Festigkeitsnachweise oder die Bestimmung der Magnetkraft des elektromagnetischen Aktuators. Dafür werden die Software-Lösungen von ANSYS genutzt, die 2D- und 3D-Geometrien und -Effekte mit präzisen physikalischen Modellen erfassen sowie große und komplexe Gleichungssysteme lösen können.

Weiterentwicklung der Dieselinjektor-Plattform

Im Zuge der sich weltweit stetig verschärfenden Abgasnormen müssen auch die Komponenten von Common-Rail Dieseleinspritzsystemen kontinuierlich weiterentwickelt werden. Entsprechend wurde auch die LI2-Plattform für den Medium- bis Heavy-Duty-Bereich beim Generationswechsel von GEN2 auf GEN3 grundlegend verbessert.

Durch eine Steigerung des Raildrucks von 2200 bar auf 2500 bar sowie eine signifikante Reduzierung des Sackloch-Volumens, wurden die Schadstoffemissionen von Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen deutlich reduziert. Zudem führte die Raildruck-Erhöhung zu einer gesteigerten Leistung und Effizienz des Motors, wodurch sich die CO2-Emissionen zusätzlich verringerten.

Erhöhte Beanspruchung sicher und präzise vorhersagen

Die Umsetzung der beschriebenen Maßnahmen stellte eine große Herausforderung für das Liebherr-Entwicklungsteam dar. Insbesondere die Erhöhung des maximalen Raildrucks von 2200 auf 2500 bar – mit lokalen Druckspitzen Richtung 3000 bar – hat erhebliche Konsequenzen auf das Funktionsverhalten, den Verschleiß und die Lebensdauer des Injektors. Deshalb muss die erhöhte Beanspruchung durch gesteigerte mechanische und hydraulische Kräfte sicher und präzise vorhergesagt werden. Zudem wurde der erhöhten Neigung zu Kavitation und dadurch bedingten Erosionsschäden in der Düse, insbesondere in den Spritzlöchern, mit einem veränderten Design entgegengewirkt.

Dazu ist der Einsatz von 2D- und 3D-FEM- und CFD-Simulationen unerlässlich. In Kombination mit der 1D-Simulation konnte die Weiterentwicklung von GEN2 auf GEN3 maßgeblich vorangetrieben werden. Anhand von zwei Beispielen soll hier der hohe Stellenwert der Simulation im Entwicklungsprozess bei Liebherr in Deggendorf verdeutlicht werden.

FEM: Reduktion von Belastung und Verschleiß am Nadelsitz

Beim Schließen der Düse am Ende der Einspritzung schlägt die Nadel mit hoher Kraft in den Nadelsitz ein. Dies führt zu hohen mechanischen Belastungen des Düsenkörpers, was bei der Materialauswahl und Geometrieauslegung zu berücksichtigen ist. Nur so kann einem übermäßigen Bauteilverschleiß – oder sogar einem Versagen – über die gesamte Lebensdauer des Injektors (100 Mio. – 1 Mrd. Schaltzyklen) zuverlässig entgegengewirkt werden.

Die Auslegung von Düse und Nadel erfolgt auf Basis aufeinander abgestimmter 1D- und FEM-Simulationen, die durch Messungen an bestehenden Systemen abgeglichen sind. Die 1D-Simulation liefert die für die FEM-Simulation erforderlichen Eingangsparameter wie Einschlaggeschwindigkeit der Nadel und wirkende Druckkräfte. Darauf aufbauend folgt mit FEM-Simulationen eine detaillierte Betrachtung. So berechnete Kennzahlen für Steifigkeiten und Dämpfungsparameter werden wiederum in der 1D-Simulation integriert, um die Modellgenauigkeit zu erhöhen.

Die Abbildung zeigt für den Zeitraum direkt nach dem Nadeleinschlag die mechanische Belastung der Düse im Sitz. Dargestellt ist ein Vergleich zwischen einer Messung und einer 1D- sowie FEM-Simulation. Dabei wird die maximale Belastung im Nadelsitz und das nachgelagerte mechanische Schwingen durch Simulationen sowohl in der Amplitude als auch der Frequenz sehr gut abgebildet. Zusätzlich gewährleistet der wechselseitige Abgleich eine gute Orientierung für die Entwicklung neuer Designs.

Hier wird ein Vergleich der mechanischen Belastung im Nadelsitz zwischen LI2.9 GEN2 und LI2.9 GEN3 dargestellt. Die Übereinstimmung von 1D-Simulationen mit den Messungen ist für beide Fälle ähnlich gut.

Dr.-Ing. Martin Seidl<br />Simulationsexperte, Liebherr
Dr.-Ing. Martin Seidl
Simulationsexperte, Liebherr

Mit der 1D- und FEM-Simulationen wurde eine deutliche Reduzierung der Belastung um etwa 50 Prozent erzielt. Damit ist das neue Design noch robuster und bereit für die neuen Anforderungen mit Raildrücken bis 2500 bar.

CFD: Reduktion von Kavitation in der Düse

Aufgrund der extremen Druckdifferenz zwischen Injektor und Brennraum und starker Strömungsumlenkungen im Sackloch kommt es zu einer erheblichen Beschleunigung des Kraftstoffs im Zulauf der Einspritzlöcher. Dadurch sinkt der statische Druck lokal unter den Dampfdruck und es kommt zur Kavitation, das heißt ein Teil des Kraftstoffs geht von der Flüssig- in die Gasphase über. Dies kann zu einer Verringerung des Durchflusses und damit zu einem Leistungsverlust führen. Schwerwiegender ist jedoch, dass die entstandenen Kavitationsblasen weiter stromab ihrer Entstehung – in den Spritzlöchern – wieder kondensieren, wenn der lokale Druck durch eine verzögerte Strömung wieder über den Dampfdruck ansteigt.

Implodieren die Gasblasen in Wandnähe, so bilden sich bei diesem Vorgang starke Druckwellen und Mikrojets mit hoher Geschwindigkeit aus. Diese führen oft schon nach kurzer Zeit zu erosiven Schäden an der Bauteiloberfläche. Mittelfristig werden dadurch das Funktionsverhalten des Injektors sowie das Emissionsverhalten des Motors negativ beeinflusst. Im schlimmsten Fall kann Kavitationserosion zum vollständigen Bauteilversagen führen (zum Beispiel Kuppenabriss).

Ein Vergleich von CFD-Simulationen für die Injektoren LI2.9 GEN2 und LI2.9 GEN3: Dargestellt ist ein normiertes Kriterium, mit dem das Erosionsrisiko durch Kavitation beurteilt wird (0 = niedrig, 10 = hoch). Anhand von rechenintensiven CFD-Simulationen wurde ein Design gefunden, das die neuen Anforderungen erfüllt und das Erosionsrisiko sowohl an der Nadel als auch der Düse erheblich reduziert.

Neuentwicklung eines Wasserstoff-Injektors

Die Technologie der Dieselinjektoren gilt bereits als ausgereift. Gravierende Verbesserungen im Brennverfahren hinsichtlich Verbrauch und Schadstoffemissionen im Dieselbereich, aber auch für Benzin- und Erdgasverbrennung, sind nicht mehr zu erwarten. Um die immer ehrgeizigeren Emissionsziele auch mittel- und langfristig einhalten zu können, müssen daher andere Wege gegangen werden. Neben den öffentlich bereits heiß diskutierten und zunehmend in den Markt drängenden Technologien “Elektromobilität“ und “Brennstoffzelle“ kommt auch eine Adaption der bestehenden Brennverfahren auf alternative Kraftstoffe wie Wasserstoff in Frage. Werden diese Kraftstoffe klimaneutral hergestellt, so bieten sich dadurch zahlreiche Vorteile, zum Beispiel:

  • Beibehaltung der existierenden Produktions- und Tankstellenstruktur,
  • kurze Tankzeiten,
  • gute Lagerfähigkeit und
  • hohe Leistungsdichten wie mit aktuellen Dieselmotoren.

„Wir haben bei Liebherr kürzlich einen neuen Wasserstoffinjektor für Niederdruck-Direkteinblasung, im englischen Low-Pressure Direct Injection (LPDI) genannt, für Raildrücke bis 60 bar entwickelt“, erklärt Dr. Martin Seidl. „Hierbei diente die numerische Simulation dazu, zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen. Wir konnten damit überprüfen, ob unsere neu entwickelten Konzepte überhaupt realisierbar sein würden und haben mithilfe von Simulationen viele Machbarkeitsstudien durchgeführt. So erfolgte eine iterative Annäherung an die Anforderungen.“ Dies soll hier anhand von zwei exemplarischen Anwendungen näher beleuchtet werden.

Elektromagnetische Auslegung des Aktuators für einen H2-Injektor

In konventionellen Dieselinjektoren werden klassischerweise hydraulische Kräfte genutzt, um die Düsennadel über ein oder mehrere hydraulische Zwischenventile zu schalten. Dabei wird ein Teil des zuvor auf Hochdruck verdichteten Kraftstoffs als Leckage-Strom wieder in den Tank zurückgeführt.

Für den H2-Injektor, in dem Wasserstoff nicht flüssig, sondern gasförmig bei vergleichsweise kleinen Drücken vorliegt, ist dies jedoch nicht möglich. Erstens können keine zu Dieselinjektoren äquivalenten Kräfte aufgebaut werden. Zweitens wird Wasserstoff über einen Hochdrucktank (350 bar oder 700 bar) bereitgestellt, so dass aufgrund des Druckgefälles kein Rückfluss in den Tank durchführbar ist.

Große Querschnittsflächen für die Strömung

Soll ein weiterer Ölkreislauf zum Schalten der Düsennadel vermieden werden, muss die Nadel direkt von einem elektromagnetischen Aktuator angetrieben werden. Also sind Nadel und Anker zusammen eine fest verbundene axial bewegliche Baugruppe. Die in Dieselinjektoren teils anzutreffenden Piezo-Elemente, die zur Ansteuerung dienen, kommen aufgrund der deutlich größeren Nadelhübe für Gasinjektoren nicht in Betracht. Bedingt durch den im Vergleich zu Diesel viel niedrigeren volumenspezifischen Heizwert von Wasserstoff sind außerdem große Querschnittsflächen für die Strömung notwendig.

Die zum Abdichten zwischen Injektor und Brennraum benötigte Kraft der Feder auf die Nadel sowie die Druckkraft auf der Dichtfläche im geschlossenen Zustand des Injektors müssen beim Öffnen durch den Aktuator überwunden werden. Die hierfür erforderlichen Kräfte übersteigen die für elektromagnetische Aktuatoren im Dieselbereich üblichen Kräfte erheblich. Zudem braucht es zum Entdrosseln der Strömung einen größeren Hub. Da die Magnetkraft etwa exponentiell mit dem Abstand des Ankers zum Polkern des Magneten absinkt, stellt dies eine eindeutige Verschärfung der Anforderungen an den Magneten dar.

Basierend auf elektromagnetischen Simulationen wurden Geometrie und Materialien im Entwicklungsprozess so ausgewählt und optimiert, dass die Anforderungen vollständig erfüllt wurden. Ein Vergleich zwischen Messungen und Simulationen verdeutlichte, dass sowohl das statische Niveau der Magnetkräfte in Abhängigkeit von Strom und Breite des Luftspalts zwischen Anker und Polkern als auch das dynamische Anzugsverhalten des Ankers mit Simulationen sehr gut vorhergesagt wurden.

Strömungsanalyse des Mischungsverhaltens im Brennraum

Im Gegensatz zu Dieselinjektoren wird Wasserstoff gasförmig in den Brennraum eingebracht. Das Design der Einblaskappe, mit dem die Form des Einblasstrahls in den Brennraum bestimmt wird, unterscheidet sich geometrisch stark von klassischen Mehrloch-Dieseldüsen. Der Strahlwinkel sowie die Durchmischung mit Luft im Brennraum spielen eine zentrale Rolle für den Verbrennungsprozess und müssen anhand von CFD-Simulationen vorhergesagt werden.

Die Darstellung unten zeigt einen Vergleich zwischen einer CFD-Simulation und einer Messung (Visualisierung des Dichtegradienten über Schlieren-Fotographie) für einen zentral in den Brennraum gerichteten Freistrahl mit einer einzelnen axialen Öffnung. Wasserstoff wird dabei mit Überschall in den Brennraum eingebracht. Da Informationen in Strömungen mit Schallgeschwindigkeit transportiert werden, kommt es zu einer Entkoppelung von Injektor und Brennraum. Folglich wird der Durchfluss von Wasserstoff in den Brennraum nur durch die Bedingungen im Injektor bestimmt (beispielsweise durch den Raildruck) und ist unabhängig vom Brennraumdruck. Der Vergleich zwischen CFD-Simulation und Messung zeigt, dass der Strahlaufbruch des H2-Jets sehr gut vorhergesagt wird. So lassen sich mit CFD-Simulationen für jede spezifische Anwendung optimierte Geometrien der Einblaskappe finden.

„Die hier aufgeführten Beispiele zeigen, dass uns die Simulation immer wieder dabei unterstützt hat, den richtigen Weg für Neuentwicklungen und Optimierungen zu finden“, ist sich Dr. Martin Seidl sicher. „Bei meinem Eintritt ins Unternehmen gab es hauptsächlich zwei Dieselsysteme, die über die Jahre durch immer weitere ergänzt wurden. Zusätzlich sind jetzt auch noch Systeme für Wasserstoff und andere alternative Treibstoffe in der Entwicklung. Das hat die Anforderungen an die Simulation erheblich erhöht. Durch den Aufbau von Know-how und die Erlangung eines immer besseren Systemverständnisses können wir heute flexibler agieren sowie Kosten- und Zeitersparnisse erreichen, unter anderem indem wir die Anzahl der Versuche reduzieren. Gleichzeitig werden unsere Simulationsmodelle durch den Abgleich mit Versuchsdaten immer genauer. Diesen Weg werden wir konsequent weitergehen, um weitere neue Ideen zu entwickeln, die bestehenden Produkte kontinuierlich zu verbessern und an neue Kundenwünsche anzupassen.“

Liebherr-Components Deggendorf GmbH
Dr.-Ing. Martin Seidl
www.liebherr.com

Autoren: Dr.-Ing. Martin Seidl, Liebherr-Components Deggendorf GmbH;
Gerhard Friederici, CADFEM
Bilder: © Liebherr
Veröffentlicht: Juni 2022

Kontakt CADFEM

Enterprise Account Manager