David van Bebber

Development of a Method to Evaluate CNG-Injection Valves

The development of combustion engines with direct injection requires a comprehensive knowledge of the in cylinder combustion process as well as the used high pressure injection system. One main characteristic of injection systems is their mass flow over time behavior. For prevalent diesel and gasoline injection valves (injectors) fully developed simulation models as well as test benches are available to analyze the injection process. Besides the established engines a trend towards compressed natural gas (CNG) engines in passenger cars is recognized. Due to the small injection duration of a few milliseconds, the flow rate measurement is particularly challenging and requires highly dynamic measuring. The existing test benches are designed and optimized for liquid fuels and are only partly suitable for the evaluation of gaseous fuels such as CNG. A typical test method is to inject fuel into a long tube in which a pressure wave propagates. Based on the pressure signal the mass flow of the injected fuel is approximated. For gaseous fuels the correlation of mass flow and pressure propagation is only known for specific test cases and therefore the method is not directly applicable to gaseous fuels.This paper presents a newly designed measurement device to evaluate the mass flow rate as well as the injector needle displacement during an injection process of gaseous fuels. The test bench is designed to operate in a fully equipped injection system including gas lines, common rail and injection valves, to also investigate the interaction of the individual system components.The design is based on a closed test chamber in which the pressure rises during the injection. To overcome the influence of propagating pressure waves inside the chamber on the measurement, different chamber designs are evaluated. An optimized design, separating the chamber into two volumes which are connected by a damping sleeve, is presented. The injection itself is carried out in a first volume and the measurement is conducted in a second damped volume.Based on the measured pressure the mass flow rate through the injection valve is approximated, utilizing the equations of thermodynamics.Copyright

Analyse und Korrektur des geometrischen und thermischen Einflusses auf Einspritzratenmessungen bei Einsatz eines leitungsbasierten Messsystems

Emissionen und Verbrauch von Diesel Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung werden stark vom Mischungsvorgang zwischen Luft und Kraftstoff wahrend des Einspritzvorgangs beeinflusst. Der zeitliche Einspritzverlauf ist dabei ein Haupteinflussfaktor auf die zu erwartende Mischungsqualitat und muss fur eine optimale Verbrennungsentwicklung bekannt sein. Ubliche Einspritzdauern im Bereich von wenigen Millisekunden erschweren eine direkte zeitlich hochauflosende Vermessung der Massen- beziehungsweise Volumenstromrate. In den letzten Jahrzehnten sind daher verschiedene indirekte Messverfahren entwickelt worden, die auf Basis von induzierten Duckanderungen in geschlossenen Kammern oder Leitungssystemen auf die gesuchte Einspritzrate schlussfolgern. Bei Verwendung einer mit Kraftstoff gefullten Messleitung wird durch den Einspritzvorgang eine Druckwelle entlang der Leitungsachse induziert, welche am Anfang der Leitung gemessen wird (Bild 1) [4,1]. Im theoretischen Idealfall korreliert die gemessene Druckanderung direkt mit der Einspritzrate, wobei sich in realen Anwendungen Umrechnungsfehler durch variable Geometrien und Temperaturen sowie Reibungseffekte innerhalb der Messsysteme ergeben. Zur Analyse der verschiedenen Einflussfaktoren wird ein vorhandenes Messgerat mit einem Heizsystem sowie zusatzlichen Druck und Temperaturmessstellen ausgestattet und gleichzeitig mittels eines 1D Simulationsmodells abgebildet. Auf Basis der Messund Simulationsergebnisse wird ein Verfahren zur Korrektur von Druckmessung entwickelt, welches eine realistische Ruckrechnung des Ratenverlaufs ermoglicht.

Bestimmung des 2D-aufgelösten Strahlimpulses aus Strahlkraftmessungen

Verbrauch und Emissionen von Dieselmotoren werden entscheidend vom innermotorischen Mischungsprozess des Kraftstoff-Luft Gemischs bestimmt. Im Dieselmotor werden typischerweise Mehrlochdusen, bei Einspritzdrucken (Raildrucken) aktuell in PKWs von bis zu 2500bar, eingesetzt. Der Impuls der Einspritzstrahlen hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Gemischbildung. Der Strahlimpuls kann durch Messung des zeitlichen Verlaufs der Kraft ermittelt werden, die der Einspritzstrahl auf eine senkrecht zur Strahlrichtung ausgerichtete Platte ausubt. Dabei wird angenommen, dass der Strahl senkrecht umgelenkt wird. Das Messprinzip ist seit Jahrzehnten bekannt und wurde in der Vergangenheit vorwiegend von Einspritzsystem- Herstellern mit selbstentwickelten Messgeraten angewendet. In der Zwischenzeit gibt es eine kommerziell zu erwerbende Strahlkraft-Messapparatur, die in Verbindung mit theoretischen Betrachtungen von Postrioti, Ungaro et al. beschrieben wird.