Simulationsrechnung eines Diesel-Einspritzsystems (Pumpe
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Simulationsrechnung eines Diesel-Einspritzsystems (Pumpe
Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Simulationsrechnung eines Diesel-Einspritzsystems (Pumpe-Düse-Einheit – PDE) Diplomarbeit im Labor Antriebstechnik von Herrn Malte Weltner Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Simulationsrechnung eines Diesel-Einspritzsystems © Robert Bosch GmbH Pumpe-Düse-Einheit (PDE) für Nutzkraftfahrzeuge Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt © Robert Bosch GmbH Charakteristische Kenndaten der Diesel - Einspritztechnik Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Hydraulik- und Antriebssimulation eines Diesel-Hochdruck-Einspritzsystems • Modellierung des Einspritzsystems unter Berücksichtigung der mechanischen und hydraulischen Systemeigenschaften des Pumpe-Düse-Systems • Abbildung des Pumpenantriebes über Nockenwelle (Nockenhub = f(Drehwinkel) und Kipphebel unter Berücksichtigung der Systemsteifigkeiten • Steuerung des Spritzbeginns und der Einspritzmenge über den Bypassquerschnitt eines Magnetventils für Vor- und Haupteinspritzung • Berücksichtigung der fluidtechnischen Eigenschaften des Dieselkraftstoffes • Durchführung der Simulationsrechnung für typische Punkte des Kennfeldes (Leerlauf, max. Drehmoment, Nennleistungspunkt) • Vergleich der ITI-Simulationsrechnung mit einer Referenz Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Einbau der Pumpe-Düse-Einheit im Zylinderkopf 1 Kipphebel 2 Nockenwelle 3 Magnetventil 4 Einspritzdüse 5 elektr. Anschluß 6 Pumpenkolben 7 Pumpe-Düse-Einheit 8 Brennraum Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Einbau und Antrieb der PDE 1 Hochdruck-Magnetventil 8 Antriebsnocken 2 Rückstellfeder 9 Spannpratze 3 Zylinderkopf 10 Kraftstoff-Rücklauf 4 PDE-Körper 11 Kraftstoff-Zulauf 5 Hochdruckraum 12 Spannmutter 6 Einspritzdüse 13 Motorventil 7 Kipphebel Niederdruckkreis des PDE-Systems Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Funktionsprinzip der PDE Betriebszustände: a Saughub b Vorhub c Förderhub d Resthub Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Hydraulikschema der Pumpe-Düse-Einheit SC31 Nocken EU3 Rücklauf Pro Magnetventil Nockenwellenraum B32 L5 B12 D Plunger L2 K2 L4 B15 B8 B7 L1 R5 B16 B11 R10 Z1,2 L6 B6 VQ3 B9 R1 B5 K1 R7 B10 R2 B Behälter R Bohrung, Rohr B4 L Leckage R3 K Konstanter Querschnitt B3 VQ Ventilgesteuerter Querschnitt Z Zwangsgesteuerter Querschnitt D Drossel B31 R4 R8 L3 V1 B2 B1 B30 Brennraum B14 K3 VQ1 VQ2 Zulauf B33 B13 R6 Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Hydraulikfluid – Diesel ISO 4113 kin. Viskosität (mm²/s) 20 18 16 In ITI-Sim ist Dieselkraftstoff nicht vorparametriert. 14 Zur Parametrierung müssen die 12 Stoffdaten so aufgearbeitet werden, dass sie in die Parameter-dialoge mm²/s 10 der Simulationssoftware 8 eingetragen werden können. 6 Fluideigenschaften: f(T, p) 2 • Kompressibilität: f(T, p) 0 • Viskosität: 4 • Dichte: f(T, p) • Wärmedehnung: f(T) 2000 1500 bar Druck (bar) 1000 500 0 120 40 80 °C Temperatur (°C) Kinematische Viskosität über Druck und Temperatur Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Bestimmung der Viskositätsgleichung kin. Viskosität (mm²/s) ν = x ⋅e ν = 5⋅e ( ( y ⋅ϑ + z⋅ p ) ϑ + 95°C −2,94⋅ϑ + 0,141⋅ p ) ϑ + 95°C Druck (bar) ITI-Sim Parameterdialog - Viskosität: 0.000005 ⋅ e ^ ((@ T [°C ] ⋅ ( −2.94 ) + 0.141 ⋅ @ p[bar ]) /( 95 + @ T [°C ])) - Kompressibilität: ........ - Dichte: ........ Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Modellierung der Pumpe-Düse-Einheit Druck Beispiel: Einspritzdüse Feder / Dämpfer Weg / Einspannung Masse Leckage Kolbenfläche Druck Behälter Verstelldrossel (Brennraum) Anschlag Drossel / Düse Tank Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Simulationsmodell Einspritzdüse B2 Düsennadelsitz VQ1 Spritzloch VQ2 Sackloch B1 Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Drehzahlvorgabe NW (1/min) Nocken Nockenhub 15 Inverter mm 12 Nockenhub Konverter °NW 9 Transformator Kipphebel 6 Steifigkeit Kipphebel Simulationsmodell des Antriebsstranges Einspritzbereich °NW Massenträgheit Kipphebel Transformator Kipphebel 3 0 0 60 10 20 40 50 °NW Plungergeschwindigkeit bei nNW = 950 min-1 Steifigkeit Kolben dynamisch (mit Last) 4 Kolbenfeder statisch (ohne Last) m/s Masse Kolben Feder Anschlag 3 2 Einspritzung 1 Einspannung Pumpenkörper 30 Vorspannung Pumpenfeder Plunger 0 0 60 10 20 30 40 50 °NW Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Konverter °NW Drehzahlvorgabe NW [1/min] Bohrung6 Leckage4 B8 Magnetventil Bohrung8 B14 K3 Zulauf B12 Simulationsmodell des Magnetventils K2 Leckage6 Magnetventil Kennlinie1 B13 B9 Ventilnadelhub Bohrung7 Magnetventil_b Rücklauf B10 Drossel B11 Rücklauf Ventilnadelhub2 K1 Umsetzer 3 Magnetventilquerschnitt mm² Magnetventil offen 2 1 Querschnitt des Magnetventils bei nNW = 950 min-1 (Nennleistung) Magnetventil geschlossen 0 0 10 20 30 40 50 °NW 60 Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Simulationsmodell des Pumpe-Düse-System Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt 2000 2000 Druck-B6/K rte So ignnvaela usrg°N anW gR re nrd zr°N DcrukW c/kN Bo6ck/e°N oe clle kenwelle P lu ru nw Ke ofe nnvg eerte bar Plungerdruck B6 – ITI-Sim bar Referenz 1500 1500 1000 1000 500500 bar bar Plungerdruck 2000 2000 °NW 00 mm 00 mm 0.4 2000 0.4 bar 1500 1500 Simulation bei Nennleistung 1000 1000 (nNW = 950 min-1) 500 500 0.3 1500 0.3 0.2 1000 0.2 10 10 2020 ITI-SIM Konverter °NW Druck -oberer obererDüsenraum Düsenraumdruck/ B2 / Signalausgang - Konverter Referenz druck / Konverter °NW Düsenraum / Nockenwelle °NW Düsenraum 30 30Düsennadelhub 40 4/0Konverter °NW 5 0 ITI-SIM °NW Schieberhub - Düsenöffnung VQ1 /50 Signalausgang -60 60 Referenz Düsennadelhub/ Konverter °NW Weg / Signalausgang Konverter °NW 0,4 mm Düsenraumdruck B2 – ITI-Sim Referenz 0,3 Hub-Düse – ITI-Sim Referenz 0,2 0.1 500 0.1 0,1 Düsenraumdruck Düsennadelhub 0 0 0 °NW -0 0 0 0 10 10 2020 30 30 40 40 50 50 °NW 60 60 Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Simulation bei Nennleistung (nNW = 950 min-1) mm 15 16 15 Kolbenhub - Plunger / Konverter °NW Signalausgang Referenz Plungerhub / / °NW KonverterPH °NW Nockenwelle mm Plungerhub 2525 ITI-Simulation Referenz m - m³/°NW mm³/°NW E / K-onverter °NW/ SignalausgangSinspritzrate ignalausgang Einspritzrate R Einspritzrate / elle °Nockenwelle E inspritzrate / Nockenw Keferenz onverter°N W Einspritzrate mm 12 13 12 2020 9 10 9 1515 6 67 1010 3 34 55 0 01 °NW 00 60 5 m/s - 10 10 20 20 30 30 4040 5050 °N -W 00 °NW 60 00 60 10 10 Referenz Plungergeschwindigkeit / °NW Signalausgang - Signal3 / Signalausgang mm ³ Plungergeschwindigkeit °NW Signalausgang Signalausgang mm³ Konverter °NW- Signal1/ /Konverter 350 350 Konverter °NW Plungergeschwindigkeit 20 20 30 30 4040 5050 °NW 60 E enge-/E Kinspritzm onverter enge °NW/ Sinspritzm ignalausgang R Eenge inspritzm enge/ elle Nockenw E inspritzm /K Nonverter°N ockenw Seferenz ignalausgang W elle Einspritzmenge 300 300 4 250 250 3 200 200 2 150 150 1 100 100 0 50 50 -1 °NW - 00 00 60 10 10 20 20 30 30 4040 5050 °NW 60 °N -W 0 0 60 10 10 20 20 30 30 4040 5050 °NW 60 Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt bar min-1 Simulation bei nNW = 600 bar bar bar mm IT I-S IM-D B6 nve Dru ck Bru 6ck / Sig na/laKuosg anrte gr- °NW R reerte nrd zr°N Dck ruW ck / Know neve P lu g ru / NBo6cke llerter °NW Ke ofe nnve Plungerdruck 700 700 0.35 700 0.35 600 600 600 600 0.3 600 0.3 500 500 500 500 0.25 500 0.25 400 400 400 400 0.2 400 0.2 300 300 300 300 0.15 300 0.15 200 200 200 200 0.1 200 0.1 100 100 100 100 0.05 100 0.05 00 0 0 700 700 0 60 m/s 22 110 0 220 0 3030 4040 50 50 °N W -0 m m bar 0.30 Düsennadelhub mm Düsenraumdruck B2 0.20 0.10 °N W - 0.0 00 00 °NW 60 60 IT I-S IM olb en sch nig venrte Sig na lauKsg an gg-eS pew edinKdoig nke veitrte/rK/oS alaru°N sgW angR re nrsp zr°N Keoelb e/nN go ecke schn ww inedlle igkeit / Konverter °NW P lu gerte dW Ke ofe nnve Plungergeschwindigkeit ITI-Simulation ITI-SIM ruck B2 / Konverter Druck -D oberer Düsenraum B2°N /W Signalausgang R eferenz D ruck B2 / Konverte°N W D üsenraum / N ockenw elle Konverter °NW Referenz ITI-SIM Düsennadelhub / Konverter W Schieberhub - Düsenöffnung VQ1 / °N Signalausgang R eferenz üsennadelhub N adelhubD/°N NW ockenwelle / Konverter °NW Konverter 20 10 10 20 20 3030 4040 5050 °NW 60 mm³/°NW 200 m/s mm³ 1.51.5 15 11 10 0.50.5 5 °N -W 00 00 60 110 0 220 0 3030 4040 50 50 °NW 60 150 ITI-SIM Einspritzrate ITI-SIM Einspritzmenge Referenz Einspritzrate Referenz Einspritzmenge 0 100 50 0 0 60 10 20 30 40 50 °NW Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Schmitt Zusammenfassung: ITI-SIM ist geeignet für die Simulation von Hochdruck-Einspritzsystemen Simulationsergebnisse stimmen mit Referenzwerten sehr gut überein Simulationsprogramm ist geeignet für - Applikationsauslegung des Systems (Entwicklung / Kunde) - Parameteruntersuchung, Empfindlichkeitsstudien - Untersuchungen im Grenzbereich (Leistungsgrenzen, Störfälle etc.) - Ermittlung systemtypischer Kenngrößen y Nockengeschwindigkeit unter Last y Druckverlauf im Bereich Einspritzdüse, Magnetventil etc. y Einspritzrate (mm³/°NW) y Einspritzmenge (mm³/Hub) y Verlauf der Düsennadelbewegung y dynamische Antriebsleistung des PDE-Systems y Leckagen an Plunger, Einspritzdüse, Magnetventil etc. y etc.