11. Tagung Einspritzung und Kraftstoffe 2018

Mobilität erfordert Energie. Kraftstoffe im Verkehr, so wie wir sie kennen, aber z. B. auch künftige strombasierte Kraftstoffe, ermöglichen ausgehend von den vorhandenen Infrastrukturen und Wertschöpfungsketten diese Mobilität. Der Verkehrssektor hat zugleich seinen Beitrag zur Emissionssenkung auf globaler wie lokaler Ebene zu leisten und ist mit der zunehmenden gesellschaftlichen Urbanisierung Veränderungen in der Mobilitätswahrnehmung und Nutzung ausgesetzt. Die Elektrifizierung des Verkehrs verändert den Flottenmix und zeigt Alternativen zum verbrennungsmotorischen Antrieb auf, ohne jedoch die ideale, alleinig nachhaltige Lösung für alle Kundenbedürfnisse sein zu können.

C1-Oxygenate besitzen drei herausragende Eigenschaften, die dieser Stoffklasse einen ersten Platz unter den synthetischen Kraftstoffen sichern:

The combustion of even good quality gasoline can lead to deposit formation. Such deposits increase the engine out emissions and affect vehicle performance. Therefore the use of deposit control additives is recommended by the car manufacturers. For instance the average intake valve deposits should not be more than 30 mg (CEC F-05-A-93 test protocol) according to the World Wide Fuel Charter.

End of the 1980s Kerocom^® PIBA was launched as deposit control agent against intake valve deposits in PFI engines. The author will show the different type of chemistries which are in the market nowadays and will explain the benefit of clean intake valves in terms of improved fuel economy, lower emissions and better drivability.

Due to the increasing number of direct injection engines there is an increasing demand for additives against injector fouling. Unfortunately, there is no standard test for injector cleanliness and results are based on in-house tests so far.

Currently special booster molecules are developed to prevent deposit formation in the injectors of downsized gasoline direct injection engines.

Special deposit control additives also prevent Common Rail diesel injectors from deposit formation (IDID) and help to lower emissions and fuel economy.

The interdependence between engine evolution and increasing requirements to modern fuel qualities has led to widespread use of premium grade fuels. Additivation of standard fuels is the main measure since decades to design these Premium Fuels, which provide properties, which significantly exceed the requested qualities defined by the existing Norms.

Alongside with these “premium qualities”, a growing variety of fuel compositions, forced by the society requests for regenerative fuels, lead to a growing challenge for premium fuel design with multiple fuel-source combination.

The premium Quality fuels definition requires a variety of tests for the approval of the respective fuel performances requested. Beside of the conventional lab test requests already defined in the norms, several additional tests, also performed in benches and in real driving conditions are available. The tests focussed on injector cleanliness and driveability, which outline the potential of additives to secure a reliable and unaffected performance of engines, are probably the most important ones among them.

Die Arbeit beschreibt die Detektion des Rußvolumenbruchs im Brennraum eines optisch zugänglichen Motors mit Benzindirekteinspritzung mittels volumetrischer High-Speed-Extinktionsmesstechnik. Vorteilhaft an dieser Methode ist die Möglichkeit einer zyklusaufgelösten Detektion der Rußkonzentration (bzw. des Rußvolumenbruchs), so dass die Rußbildung und Oxidation als auch die zyklischen Schwankungen der Rußverteilung herausgearbeitet werden können. Als Modellkraftstoff wird Toliso genutzt, eine Kraftstoffmischung bestehend aus 65 Vol.-% Isooktan und 35 Vol.-% Toluol.

Maritime transport will have to face increasingly strict fuel legislation in the very near future. The introduction of the global Sulphur Cap by the IMO, which will come into full effect in 2020, requires for all ships trading outside of Sulphur Emission Control Areas (ECAs) to use fuel with a Sulphur content not exceeding 0.5%, Figure 1. In contrast to the introduction of new European emission limits in the automotive sector, this applies to existing ships. The DNV GL estimates that more than 70.000 ships will be affected by the regulation [1].

Heutige Großdieselmotoren weisen noch immer erhebliche Unterschiede im Technologisierungsgrad der Einspritz- bzw. Verbrennungssysteme auf. Dies reicht von rein mechanischen Reiheneinspritzpumpen über elektronische Pumpe-Leitung-Düse, beziehungsweise Pumpe-Düse-Systemen bis hin zu Common-Rail Systemen mit Stickoxidund/oder Partikelnachbehandlung und dementsprechenden Steuergeräten zur Steuerung der Einspritzung bzw. des Gesamtsystems.

The development of large bore engines since ever have been driven by mainly two factors. First, the reduction of Fuel Oil consumption which to a large extent determines the operation costs for such an engine, and second the emission regulation, which pushes the development step by step forward, Figure 1, and force the engine manufacturers to develop new solutions for their contribution towards a sustainable transport industry.

Liebherr, a family owned company in the third generation, launches a new platform of common rail injectors for light-, medium- and heavy- duty engines. The LI1 (Liebherr Injector) platform was developed for large volume production and maximum customer application freedom. Proven series materials from our applications in heavy duty construction machinery were taken over and show outstanding resistance to contaminated fuels compared to other injectors on the market. The design approach of the LI1 is to reduce the number of parts to allow lean logistics on the production site. Lower CO2 emissions can be reached by smaller throttle diameters inside the injector which are drilled by laser technology. This reduces the backflow quantity flow of the injector, and also significantly enhance the system efficiency. This is additionally realized by the leakage free concept which is mandatory for pressures up to 3000 bar. These pressures make it necessary to use the newest steel technologies to ensure adequate strength for limited injector dimensions which are key for easy engine installation packaging. The electrical plug of the injector is designed for heavy duty applications and is directly molded on the injector housing. For future emission legislation injection timing control (ITC) can be achieved by a straightforward software module in the electrical control unit. Every injector will have the necessary hardware inside to enable the prediction of the start and end of injection. Changes to the wiring harness of the engine are not necessary since the injector will not have more than two electrical contact pins. This injection timing control helps to reduce the injection quantity tolerances of new parts and to compensate any injection quantity drift over life time.

Verbrennungsmotoren werden auch in Zukunft die wichtigsten Antriebe in den Bereichen Mobilität und Transport bleiben und weiter an Bedeutung bei der dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung gewinnen. Die bisherigen Entwicklungen bei der Schadstoffgesetzgebung, insbesondere vor dem Hintergrund der aktuell stattfindenden öffentlichen Diskussion zur Zukunft von Dieselmotoren, werden zu einer weiteren Senkung der zulässigen Emissionen von Verbrennungsmotoren führen. Dabei wird zukünftig neben der Stickoxidemission auch der Ausstoß von Partikeln hinsichtlich Gesamtmasse und Anzahl stärkeren Reglementierungen unterworfen.

Euro 6 saw a shift in the performance expectations for Passenger Car and Commercial Vehicles away from drive cycle CO2 towards real world driving emissions and fuel economy. The driving pleasure, autonomy and efficiency of diesel vehicles are also expected to improve further, even if they are today best in class. Additionally, governmental institutions and end users are requesting that all these attributes be maintained over a long vehicle life and under all realistic driving conditions, in a faultless and cost efficient manner.

In der Vergangenheit waren stets Bestrebungen zur Emissionsreduzierung – umgesetzt durch kontinuierlich verschärfte Abgasgesetzgebungen – Treiber für Neuentwicklungen im Bereich der Diesel-Einspritzsysteme für Großmotoren. So lagen die ersten elektronisch angesteuerten Common-Rail Einspritzsysteme im Großmotorenbereich 1997 bei 1200 bar Systemdruck. Durch eine stetige Weiterentwicklung wurde der Druck innerhalb der darauffolgenden zehn Jahre bis auf 1800bar angehoben.

Engine downsizing, using turbocharging in combination with a reduced number of cylinders, increases power density and leads to high injector flow rate requirements. High flow rates, combined with the trend towards increased system pressures, present a particular development challenge for the injector hardware. This paper describes the approach followed to develop a competitive next generation high flow GDi injector. The higher pressure capable injector has been optimized in particular from the magnetic circuit and the flow path point of views. Increased magnetic forces are required to operate under high pressure conditions and reduced internal pressure drops enable optimal performance under high flow conditions. In addition, hydraulic flow passages and interfaces have to be optimized to achieve the required injector dynamics. Finally, the injector nozzle needs particular attention to achieve optimal flow and spray performance in order to enable ultimate combustion efficiency across the pressure range.

Gasoline engines with direct injection and turbocharging are an integral part in future powertrain topologies and hence show the potential to yield substantial market share [1]. High-level requirements for upcoming development work are imposed by worldwide exhaust gas emission legislations as well as end customer demands towards the vehicle manufacturer. This implies reductions of gaseous and particulate emissions under on road conditions and the balancing between driving performance, fuel consumption/CO₂ and NVH characteristics.

Emission legislation targets are becoming increasingly more challenging and especially the future implementation of the Real Driving procedure has introduced perplexity in the automotive field on the development route to achieve emissions limits while complying with CO2 target within acceptable costs. Trend forecasting for Europe to 2030 indicates a decrease in Diesel share from 54 to 18% in favour of Gasoline achieving 67%. Even globally, pure and HEV gasoline light vehicle would constitute the largest market share in 2030 (52%) [1]. In the scenario till 2030 pure and hybrid gasoline vehicle will play an important role in both European and global markets, for this reason emissions compliance is an issue that cannot be underestimated nor easily addressed by mere fleet strategies.

Die kontinuierliche Steigerung des Verkehrsaufkommens, die lokal emissionsbedingte Belastung von Ballungszentren, der weltweit steigende Energiebedarf [1] und die Verknappung von Ressourcen führt, insbesondere im Sektor Mobilität, zum Umdenken von Gesetzgebern, Verbrauchern und Herstellern. Dies führt einerseits zur Verschärfung der Emissionslegislative und zur Steigerung des Umweltbewusstseins von Verbrauchern. Andererseits wird die Ausarbeitung von neuen Mobilitätskonzepten, alternativer Antriebssysteme und nachhaltiger Energiequellen forciert. Dieser Trend bezieht sich nicht nur auf die Forschung und Entwicklung von Personenkraftwagen, sondern ist auch im Zweiradsektor sichtbar.

Druck- und Volumenstrompulsationen in Kraftstoffversorgungsanlagen sind eine häufige Ursache für Probleme und Beanstandungen, besonders wenn es im Leitungssystem zum Resonanzfall kommt. Aus den Pulsationen resultiert Flüssigkeitsschall, der sich im Leitungssystem ausbreitet und als Wechselbelastung die Körperschallanregung der umgebenden Bauteile bewirkt. Im fluidtechnischen System kommt es hierdurch zu unerwünschten Geräuschemissionen (Luftschall), die Bauteile erfahren ungünstige Dauerbelastungen, und natürlich werden auch Funktion und Zuverlässigkeit negativ beeinflusst.

New fuels, new fuel mixtures and, accordingly, new additives constantly enter the market. This increases the number of possible interactions between single components and thus the probability of undesirable chemical reactions increases, such as deposit formation inside the fuel injection system. Furthermore, mixtures of new fuels and old fuels with often yet unknown mixing effects can interact with the numerous components within the fuel leading parts in a vehicle, such as fuel feed pump, fuel line, fuel filter, high pressure pump, high pressure fuel lines, the rail, and the injector.

The mixing process of fuel with air significantly influences fuel economy and emissions of diesel combustion in CI engines. It is common understanding that the momentum of the sprays exiting the injection nozzle plays a key role in controlling mixing process. First, spray momentum directly influences the atomization of the fuel liquid core and droplet formation in close vicinity of the nozzle, as it is associated with the fluid internal turbulence and the relative velocity between fuel and air.

Wasserstoff ist das einzige Brenngas mit technischer Verwendung, dass frei von Kohlenstoff ist. Entsprechend stellt Wasserstoff eine sinnvolle Alternative zu konventionellen Kraftstoffen dar. Gerade der Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren bietet eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit einer signifikanten Reduzierung der CO₂-Emissionen im Verkehrssektor.

Future demand for middle distillates in the commercial sector is expected to rise in step with increased economic activity in much of the world. Simultaneously, the passenger car fleet will experience various degrees of electrification and demand for gasoline is expected to fall. This divergence in demand will offer an opportunity to commercial vehicle owners if gasoline fuel streams can be burned efficiently in commercial engines.

Diesel engines play an important part to reach future CO2 limits with efficient on-road mobility. The first stage of the regulations on real-driving emissions (EU6-RDE) has become effective in Europe in September 2017. This regulation aims to limit the nitrogen oxide and particulate emissions.

Gasmotoren können mit verschiedenen Brenngasen betrieben werden, wobei typischerweise Gasgemische verwendet werden, die sich in ihrer Zusammensetzung teilweise stark unterscheiden. Selbst bei dem häufig genutzten Erdgas variiert abhängig von der Herkunft die Zusammensetzung und damit die thermodynamischen Eigenschaften wie z.B. Heizwert oder Methanzahl. Noch deutlicher kann die Zusammensetzung des Brenngases bei Biogas schwanken, da dieses im Laufe des Jahres oft aus unterschiedlichen Ausgangsstoffen gewonnen wird. Gasmotoren müssen daher grundsätzlich mit unterschiedlicher bzw. schwankender Brennstoffqualität zuverlässig betrieben werden können.

Large gas engines currently play an important role in decentralized energy supply concepts worldwide and will continue to do so in the future. Over the years, a broad spectrum of combustion concepts has been developed for gas engines. Some of these concepts make use of external mixture formation with port injection gas valves while others employ internal mixture formation with high-pressure direct injection gas valves.

Gasoline engine downsizing is already established as a technology to reduce automotive fleet CO₂ emissions. Further benefits are possible through more aggressive downsizing, however, the trade-off between the CO₂ reduction achieved and vehicle drive-ability limits the level of engine downsizing currently adopted [1]. The ability to maintain or increase the level of engine downsizing, while retaining good fuel efficiency across the majority of the engine operating map, would provide manufacturers with a transferable, and scalable, means for assisting in meeting these stringent new CO₂ targets across their entire fleet.

Zukünftige Abgasnormen stellen die Motorentwicklung vor große Herausforderungen. CO₂-Flottenemissionen, welche direkt mit dem Kraftstoffverbrauch gekoppelt sind, müssen bis zum Jahr 2020 drastisch gesenkt werden. Wassereinspritzung ist eine wirksame Technologie, um Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen zu reduzieren oder Leistung zu steigern. Im Vergleich zu Benzin besitzt Wasser eine höhere Wärmekapazität und Verdampfungsenthalpie. Durch das Verdampfen des Wassers ist es möglich, die Ladelufttemperatur sowie die Gemischtemperatur im Brennraum zu reduzieren.