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
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© Robert Bosch GmbH
Charakteristische Kenndaten der Diesel - Einspritztechnik
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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
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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
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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
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Funktionsprinzip der PDE
Betriebszustände:
a Saughub
b Vorhub
c Förderhub
d Resthub
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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
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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
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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:
........
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Modellierung der Pumpe-Düse-Einheit
Druck
Beispiel: Einspritzdüse
Feder / Dämpfer
Weg / Einspannung
Masse
Leckage
Kolbenfläche
Druck
Behälter
Verstelldrossel
(Brennraum)
Anschlag
Drossel / Düse
Tank
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Simulationsmodell Einspritzdüse
B2
Düsennadelsitz VQ1
Spritzloch VQ2
Sackloch B1
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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
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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
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Simulationsmodell des Pumpe-Düse-System
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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
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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
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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
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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
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Sig
na
lauKsg
an
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pew
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veitrte/rK/oS
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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
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Zusammenfassung:
ƒ ITI-SIM ist geeignet für die Simulation von Hochdruck-Einspritzsystemen
ƒ Simulationsergebnisse stimmen mit Referenzwerten sehr gut überein
ƒ 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.