9. Tagung Diesel- und Benzindirekteinspritzung 2014

The modern Common-Rail Diesel engine is no more a European phenomena and the worldwide prognosis shows growth not only in India and China but also in US market. In these markets the Diesel engines will be used in different vehicle segments and under different boundary conditions.

In India the Diesel engine is becoming increasingly popular due to the need of low operating cost while in China there is not only an ever increasing demand for light commercial vehicles but also for Passenger Cars. These two markets need robust and cost attractive Diesel Injection Systems, which should also be capable to fulfill the new emission norms like BS5 (Bharath Stage 5) or CN5 (China 5).

Indian and Chinese OEM’s want to profit by the increasing number of Diesel vehicles in these markets. But nevertheless, European OEMs are also trying to sell their entry and standard segment vehicles in these emerging markets. To reduce the varieties, the engines are often used in Europe as well as in all other regions of the world. Due to this, the requirements on a Fuel Injection System are increasing tremendously. The fuel injection equipment should fulfill the severe requirements to meet emission legislation and CO₂ standards of EU and also be robust for worldwide usage as well.

The requirements for the European High-End Segment are not only to consume less fuel with the same power output – but to have the same noise and comfort level like a comparable DI-Gasoline-engine. For these demands highest injection pressure up to 3000bar as well as full flexible multiple injection are required.

BOSCH as a full line Diesel injection system supplier is able to fulfill these different and challenging requirements for all vehicle segments worldwide with a tailored and modular System approach.

Car manufacturers around the world are facing the significant market challenges of meeting strict governmental emissions regulations and fuel economy standards while delivering the performance that consumers demand. Building on the successes already achieved and the extensive experience in the global market, Delphi continues to develop next-generation technologies to meet these demands, including a new family of injectors, fuel pumps, Engine Control Units (ECU) and rails for light- and medium-duty applications to better fit customer requirements.

This new family of fuel injection equipment (FIE) offers improved performance through increased multiple injection optimization, leakage reduction and injection pressure increase up to 2,500 bar, translating into better injection control and better combustion, thus reducing fuel consumption, CO₂ and other emissions.

This paper focuses on new Diesel injectors. It describes briefly the approach Delphi utilized to develop this family composed of three injectors (DFI1.20, DFI1.22 and DFI4.25) and outlines the innovative features included in it. The modular approach of the new Delphi injector family is also shown in a ‘strength-diagram’, where cost and technical performance are rated. A more complete analysis is done on capability offered by the DFI4 injector in terms of combustion strategy. The new performances of the DFI4 allow the utilization of new combustion modes linked to rate shaping due to its very good injection control and stability.

The emission legislation for diesel engines, both heavy duty and passenger car diesel engines, have been strengthened in the last years significantly. Currently no further reduction of emission limits is planned but still legislation changes will require further improvements as briefly summarized in this introduction chapter.

Figure 1 shows the past 5 years history for heavy duty engines – e.g. from Tier3 to Tier4 the NO_x limits have been reduced by 90%. Based on this for heavy duty engines NOx aftertreatment systems have been introduced which operate with DeNO_x efficiencies in the range 80% to 90% or in some cases even higher.

Bei der Entwicklung von Diesel- und Benzineinspritzsystemen bei BOSCH wird zur Funktionsprüfung von Common Rail Injektoren der Hydraulische Druckanstiegs- Analysator (HDA) eingesetzt, welcher auf dem hydraulischen Druckanstiegsverfahren basiert (s. Bild 1). Beim hydraulischen Druckanstiegsverfahren wird die zu messende Einspritzmasse in eine abgeschlossene und mit Fluid gefüllte Messkammer eingespritzt. Aus dem Druckverlauf und der Schallgeschwindigkeit in dieser Messkammer werden der Einspritzverlauf und die Einspritzmasse ermittelt.

Durch die synchrone Erfassung von Einspritzmasse und Einspritzverlauf ist der HDA als Entwicklungsmessgerät bestens geeignet. Die Bilder 1a, 1b zeigen den grundsätzlichen Aufbau und die aktuelle technische Ausführung des HDA.

Verbrauch und Emissionen von Dieselmotoren werden entscheidend vom innermotorischen Mischungsprozess des Kraftstoff-Luft Gemischs bestimmt. Im Dieselmotor werden typischerweise Mehrlochdüsen, bei Einspritzdrücken (Raildrücken) 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 ausübt. 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 Messgeräten 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.

Der Einsatz von Gas als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren nimmt für stationäre wie für mobile Anwendungen weiter zu. Dabei spielen neben der Verfügbarkeit der weltweiten Gasvorkommen ebenfalls der Beitrag zur CO₂-Bilanz sowie die Emissionierung von Verbrennungsmotoren eine entscheidende Rolle.

Erdgas hat von allen fossilen Brennstoffen den geringsten Kohlenstoff- und den höchsten Wasserstoffanteil. Substituiert man Diesel oder Benzin z.B. durch Erdgas, so erreicht man allein durch die chemische Zusammensetzung dieses Kraftstoffs im Vergleich zu Dieselkraftstoff einen CO2-Vorteil in der Größenordnung von 20%. Zusätzlich ergibt sich emissionsseitig ein Vorteil bei Partikeln und NO_x.

Dieser Vorteil ist im Zeitalter von Strafzahlungen beim Verfehlen von Flottenverbrauchszielen für einen OEM interessant und vergleichsweise kostengünstig zu heben. So wurde Anfang des Jahres 2014 durch die Europäische Union ein Flottenverbrauchsziel mit einem Grenzwert 95g CO₂/km für das Jahr 2020 festgelegt. Dies stellt im Vergleich zu den 2015 gültigen Grenzwerten eine Verschärfung der Anforderungen um 25% dar. Mit Hilfe des vermehrten Einsatzes von Gasmotoren kann ein Beitrag zur Erreichung der Vorgaben erzielt werden.

Die Reduzierung von Emissionsgrenzwerten, wie der EU6 Norm, stellen die Brennverfahrensentwicklung vor stetig wachsende Herausforderung. Zur Erreichung der gesetzlich gesteckten Ziele ist ein Zusammenspiel von Abgasnachbehandlungssystemen und der innermotorischen Emissionsabsenkung zwingend notwendig. Besonders im Hinblick auf den Mehraufwand durch Komponenten der Abgasnachbehandlung ist eine Optimierung des Brennverfahrens zielführend, durch welche im besten Fall der Verbrauch bei sinkenden Rohemissionen konstant gehalten werden kann.

Die Ladungsbewegung und die Einspritzung sind entscheidende Einflussparameter auf die Verbrennung bei direkteinspritzenden Dieselmotoren. Hiermit kann die Gemischbildung von Kraftstoff und Luft im Brennraum gezielt gesteuert und die Emissionsentstehung beeinflusst werden. Die Verdampfung des Kraftstoffes im Brennraum wird durch eine Erhöhung des Einspritzdruckes begünstigt, was zu einer Minderung der Rußemissionen und einer Senkung des CO₂-Ausstoßes führt. Zudem kann die Verdampfung und Verbrennung durch Größen wie Düsenlochgeometrie, Einspritzzeitpunkt und durch Effekte in der Düseninnenströmung entscheidend beeinflusst werden. [2]

Die Forderungen nach Reduktion des Kraftstoffverbrauches und des Schadstoffausstoßes von Motoren werden immer strenger. Die Forschung im Bereich Dieselbrennverfahren am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik an der TU Graz arbeitet an PKW-, Nutzfahrzeug- und Großdieselmotoren.

Für diese Untersuchungen wurde eine Injektormatrix vorbereitet und gefertigt. Das Ziel dieser Matrix ist eine Variation der Spritzlochgeometrie, während andere Parameter, wie Spritzwinkel, Durchfluss und Sacklochgeometrie konstant gehalten werden. Die Matrix wurde in enger Zusammenarbeit mit Liebherr erstellt. Spritzlöcher für Dieselmotoren werden typisch durch Erodieren hergestellt. Bei der Fertigung der Düsenmatrix war die Möglichkeit gegeben, die Elektrode in eine Taumelbewegung zu versetzen und damit besondere Düsenformen herzustellen.

Die untersuchte Matrix besteht aus konischen Spritzlöchern mit einem k-Faktor von 0 bis 10 und unkonventionellen Geometrien. Es wurden auch mehrreihige Düsen, bei gleichem Durchfluss und reduziertem Querschnitt je Spritzloch, untersucht. In die Matrix wurden auch Sonderformen wie Venturi oder „Flaschenhals“ integriert. Insgesamt wurden 13 Düsentypen gefertigt. Die Matrix wurde entworfen, um das Potential, bezogen auf Schadstoffreduktion, für verschiedene Spritzlochgeometrien zu ermitteln.

Um den Einfluss der Düsen auf die Verbrennung zu untersuchen wurde ein 1-Zylinder-Forschungsmotor verwendet. Der Fokus der Untersuchungen liegt vorwiegend auf einer Reduzierung der Stickoxid- und Rußemissionen.

Mit Einführung der Emissionsgesetzgebungen Tier 4 interim in Nordamerika und der Stufe IIIB in Europa wurden Common-Rail-Einspritzsysteme in Offroad-Motoren obligatorisch: Denn mit dieser Hochdruck-Einspritztechnologie lässt sich Kraftstoff deutlich rückstandsfreier verbrennen als mit anderen Systemen. Da durch ihren Einsatz also weniger Partikel und Stickoxide entstehen, ist die Common-Rail-Einspritzung ein wichtiger Baustein bei der Erfüllung von Abgas- und CO₂-Vorschriften. In PKWMotoren und anderen Onroad-Fahrzeugen werden sie schon lange eingesetzt. Die hochstandardisierten Produkte aus diesen Industrien können im schweren Offroad- Einsatz aber nicht immer ohne Anpassungen verwendet werden. Dies liegt daran, dass Offroad-Motoren individuelle Anforderungen an den Einbauraum, die Funktionalität und die Lebensdauer bzw. die Robustheit stellen.

Gerade die Individualisierung der Einspritzkomponenten für geringere Serienstückzahlen im Hochleistungsmotorensegment ab etwa 750kW führt zu sehr hohen Entwicklungs- und Produktkosten. Durch geschickte Modularisierung von Einzelkomponenten und der Verwendung der daraus abgeleiteten Gleichteile in Einspritzplattformen mit verschiedenen Kraftstoffdurchflüssen können die Produktkosten gesenkt werden. So sind bei Liebherr zwei Einspritzplattformen entstanden, mit denen es gelungen ist, Motorleistungsbereiche von 120kW bis ca. 4MW abzudecken.

Im folgenden Vortrag werden die Plattformen in ihrem Aufbau und Funktionalität genauer beschrieben. Im Fokus jedes Common-Rail-Einspritzsystems bestimmt die Injektorfunktionalität überproportional die Leistungs- und Emissionsperformance des Motors, so dass hier speziell darauf genauer eingegangen wird.

Die Motorenfabrik Hatz steht seit Jahrzehnten für die Entwicklung zuverlässiger und hochinnovativer 1-Zylinder-Industriedieselmotoren unter 19kW für den harten Baumaschineneinsatz. Neben diesem Kernsegment bedient das Unternehmen aber auch sehr erfolgreich diverse Anwendungen mit robusten luftgekühlten Mehrzylindermotoren bis 56kW. Das Engagement in diesem stark wachsenden und vielfältigen Markt wird nun mit einer neuen Motorenfamilie, der wassergekühlten H-Reihe, deutlich intensiviert. Der erste Spross dieser von Grund auf neu entwickelten Motorengeneration ist nun in Form des 4H50TIC seit Januar 2014 verfügbar und soll weitere Marktanteile für die Firma Hatz gewinnen. Eine von der Fa. Hatz in Auftrag gegebene Marktanalyse hat gezeigt, dass im Leistungsbereich von 37 – 56 kW eine gute Erweiterungsmöglichkeit des bestehenden Geschäftsfeldes liegt, allerdings gilt dies nur unter der Voraussetzung, dass der neue Motor für folgende Anwendungen einsetzbar ist.

In den letzten Jahren wurde eine zunehmende Anzahl von Betriebsstörungen bis hin zu Ausfällen von Motoren im Feld beobachtet. Derartige Störungen und Ausfälle konnten auf Injektor-interne Ablagerungen in Common-Rail-Injektoren zurückgeführt werden. Die bei der Bildung der Ablagerungen zugrunde liegenden chemischen Mechanismen sind sehr komplex und erst seit jüngster Zeit in den Fokus laufender Forschungsaktivitäten gerückt. Die Ablagerungen werden vielerorts als organische Polymere identifiziert, wobei nur sehr wenige Informationen über die chemische Struktur sowie die Entstehungsmechanismen bekannt sind. Als Ursachen werden in der Literatur bestimmte Additive, FAME-Anteile in Kraftstoffen aber auch Metallspuren diskutiert. Durch den Einsatz noch effizienterer Einspritzkomponenten sowie komplexerer Spritzstrategien mit einer hoch genauen Dosierung kann sich die Problematik der Ablagerungsbildung im Inneren von Common-Rail-Injektoren künftig verschärfen. Denkbare Folgeerscheinungen sind erhöhte Emissionen, rauer Motorlauf und Zündaussetzer, hervorgerufen durch Beeinträchtigungen im Timing des Injektors bzw. veränderter Einspritzmengen. Weiterhin können Motorschäden durch dauerhaft falsch einspritzende Injektoren oder klemmende Injektorkomponenten (Düsennadeln, Steuerkolben, Steuerventile) auftreten.

Im Rahmen eines durch FVV, FNR, AGQM, DGMK und UFOP geförderten Projektes wurden am Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren der Universität Rostock gezielt Injektor-interne Ablagerungen im Labormaßstab und an einem Einspritzprüfstand reproduziert und verschiedenste Einflussfaktoren (Additivierung, FAMEGehalt, Aromatengehalt, Druck, Temperatur, Einspritzmenge) auf die Ablagerungsbildung untersucht. Die Belagsanalytik erfolgte unter Einsatz diverser Untersuchungsmethoden wie bspw. FTIR, ToF-SIMS, REMPI/SPI-ToF-MS, ESCA, REM-EDX, HPSEC, ATR-Spektroskopie und 3D Konfokal-Mikroskopie.

Der Beitrag gibt einen Überblick über die wesentlichen Mechanismen, die zur Ablagerungsbildung in Common-Rail-Injektoren führen. Diese umfassen seifenartige, alterungsbedingte und amid-basierte polymere Beläge, die in der Regel gleichzeitig, jedoch mit variierenden Anteilen, auftreten. Daraufhin werden chemische und betriebsbedingte Einflussfaktoren auf die Bildung von Ablagerungen aufgezeigt und diskutiert und weiterhin mögliche Maßnahmen zur Senkung der Belagsbildung aufgeführt.

Clean and efficient combustion is a generic goal and in particular for diesel engines a big challenge due to the use low volatile fuel and short time for mixture preparation. Hence, aside from other systems, the generic performance and the sophisticated layout of the fuel injection system to the engine has high importance for the engineer.

The focus of this paper is to present methodologies for the pre-evaluation of fuel injection system components and for their qualification in advanced passenger diesel engines by use of an injection system component test rig instead of performing tests on full engine dyno or in vehicle. The clear motivation here is time and cost saving.

Mit der Einführung der EU6c Emissionsgesetzgebung werden die Anforderungen an die Partikelanzahl-Emission (PN) für direkteinspritzende Benzinmotoren auf das gleiche Emissionsniveau wie bei Dieselmotoren abgesenkt. Zusätzlich müssen die Emissionen in einem gegenüber dem NEDC Test deutlich erweiterten Last-Drehzahl Bereich, d.h. für „real driving emissions“ eingehalten werden. Dies stellt insbesondere für den direkteinspritzenden Benzinmotor ohne Partikelfilter eine große Herausforderung dar. Mit Partikelfilter ist auf die PN-Rohemission zu achten, da der Partikelfilter beim Benzinmotor wegen der höheren Abgastemperaturen gegenüber dem Dieselmotor öfters regeneriert und nach der Filterregeneration der Filterwirkungsgrad geringer ist.

Um die Grenzwerte für die PN-Emission in den Testzyklen über innermotorische Maßnahmen einzuhalten zu können, ist eine ganzheitliche Systemoptimierung erforderlich. Dem Injektor und der Betriebsstrategie des Motors, durch Optimierung jedes einzelnen Arbeitspiels, kommt eine ganz wesentliche Rolle bei der Einhaltung der PN-Grenzwerte zu.

Durch Weiterentwicklungen im Bereich Benzindirekteinspritzung und Turboaufladung konnte beim Ottomotor in den vergangenen Jahren – maßgeblich durch den Downsizingansatz – der Verbrauch signifikant reduziert werden. Für eine weitere Effizienzsteigerung (EU-Gesetzgebung ab 2020: Flottenverbrauch von 95 g CO₂/km) rücken zusätzliche Maßnahmen in den Fokus aktueller Entwicklungen. Eine dieser Maßnahmen kann beispielsweise die Verwendung des strahlgeführten Magerbrennverfahrens für den – insbesondere bei großvolumigen Motoren – häufig verwendeten Teillastbetriebsbereich sein. Durch Vorteile im Ladungswechsel und im Hochdruckprozess kann gegenüber dem homogenen Teillastbetrieb eine deutliche Verbrauchsreduzierung realisiert werden. Das strahlgeführte Magerbrennverfahren bietet als Einzelmaßnahme das größte Potenzial zur CO₂-Reduzierung.

Ein limitierender Faktor bezüglich Verbrauchspotenzial und Kosten war in der Vergangenheit die Abgasnachbehandlung. Hier konnten in den letzten Jahren deutliche Fortschritte sowohl bei den Kosten als auch der Funktion erzielt werden. Dabei sind insbesondere die verbesserte NO_x-Konvertierung bei niedrigen Abgastemperaturen und die Reduktion der Edelmetallbeladung beim NO_x-Speicherkatalysator hervorzuheben. Zusätzlich konnte die Robustheit gegenüber schwefelhaltigem Kraftstoff gesteigert werden, sodass der Einsatz von Magerbrennverfahren mit den in USA üblichen Schwefelanteilen im Kraftstoff nicht mehr abwegig erscheint [1].

The Authors’ corporate direction is to contribute to improve the environment and human health. Particulate matter emitted from internal combustion engines is recognised as harmful to human health.

Due to the health impact of particulate emissions, authorities have introduced legislation to regulate particulate emissions and continue to reduce the target that OEM’s must achieve.

Because of the reasons mentioned above, DENSO is developing technology focused on reducing particle emissions.

There are several approaches to reduce pollutant emissions from passenger cars. Those being investigated are, for example, after-treatment (gasoline particulate filter), cleaner combustion (FIE), alternative energy sources (hybridisation etc.) etc.

DENSO are working in all of these areas, however, this paper will focus on DENSO’s developing FIE technology to realise cleaner combustion.

Der Schichtbetrieb mit strahlgeführter Benzin-Direkteinspritzung ist eine vielversprechende Technik, um die CO₂-Emissionen von Ottomotoren zu senken. Die Hauptursachen für die hohen Wirkungsgrade bei Teillast sind die niedrigen Ladungswechselverluste aufgrund des ungedrosselten Motorbetriebs und der hohe thermische Wirkungsgrad durch das global magere Gemisch. Ein weiterer oft genannter Grund für die hohe Effizienz sind die geringen Wandwärmeverluste im Schichtbetrieb (1), (2), die meist durch isolierende Luftpolster zwischen verbranntem Gemisch und Brennraumwand (3), (4) erklärt werden.

In dieser Arbeit werden die Wandwärmeverluste im Homogen- und im Schichtbetrieb an einem Einzylinder-Forschungsmotor untersucht. Hierfür wurden mehrere Oberflächenthermoelemente im Zylinderkopf und im Kolben angebracht. Die Temperaturschwingungen an der Kolben- und Zylinderkopf-Oberfläche wurden im Homogen- und im Schichtbetrieb kurbelwinkelaufgelöst aufgezeichnet. Zur Signalübertragung der Kolbentemperaturen wurde ein Koppelgetriebe entwickelt, dessen Konstruktion mit dem Messaufbau kurz vorgestellt wird. Durch Anwendung der Oberflächentemperaturmethode werden aus den einzelnen Temperaturschwingungen die Wärmestromdichten berechnet und die Wandwärmeverluste für Zylinderkopf und Kolben gegenübergestellt.

Moderne Benzinmotoren nutzen das Prinzip der Direkteinspritzung. Um eine homogene Gemischbildung zu begünstigen wird der Kraftstoff während des Ansaugtaktes eingespritzt. Dabei kann das Kraftstoffspray die Kolben- und Zylinderoberfläche erreichen und sich ablagern. Dieser Effekt tritt zum einen auf, wenn die Temperatur der Brennraumwände unterhalb der Betriebstemperatur liegt. Dann fehlt die notwendige thermische Energie, um den Kraftstoff vor der Zündung vollständig zu verdampfen. Kritische Zustände sind vor allem das Warmlaufen des Motors und die Wieder-Start Phasen bei Hybridfahrzeugen. Zum anderen führen nach früh verschobene Einspritzzeitpunkte zu erhöhten Ablagerungen, da sich der Kolben zu Beginn seiner Abwärtsbewegung nah am Injektor befindet. In diesem Zustand ist der Abstand zwischen Injektor und Kolbenoberfläche, oft bei hohen Drehzahlen und hohen Lasten, kleiner als die theoretische Eindringtiefe des Sprays. Dadurch fehlt den Kraftstofftropfen ein ausreichend langer Weg zur vollständigen Verdunstung. Die resultierenden Kraftstoff- Wandfilme als fette Zonen im Brennraum sind eine wesentliche Quelle von Rußpartikeln und unverbrannten Kohlenwasserstoffen [1]. Aus diesem Grunde ist es notwendig, die Entstehung und die Eigenschaften von Wandfilmen zu untersuchen.

Downsizing verbunden mit Turboaufladung hat bei der Benzindirekteinspritzung zur Entwicklung von sparsameren Verbrennungsmotoren geführt. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Saugrohreinspritzung ist bei der Direkteinspritzung die Ladungskühlung, die durch die Verdampfung des Kraftstoffs im Brennraum der Ladung die notwendige Verdampfungsenthalpie entzieht. Nachteilig ist, dass bei gleichgehaltener Motorleistung durch das Downsizing das Hubvolumen und damit der für das Kraftstoffspray zur Verfügung stehende Raum deutlich reduziert ist. Als Folge kann eine Benetzung der Brennraumoberflächen nicht mehr vermieden werden. Gerade im Kaltstart des Motors können die Wandfilme bis Zündeinleitung nicht ausreichend verdampfen und führen während und nach der Verbrennung durch Bildung fetter Gemische zu einer rußenden Verbrennung. Die dabei entstandene Rußmasse ist von untergeordneter Bedeutung. Kritisch ist die hohe Anzahl gebildeter Rußpartikel mit Größen zwischen 23 und 500nm, die aufgrund ihrer geringen Größe lungengängig und damit als gesundheitsgefährdend einzustufen sind. Durch Beschränkung der Partikelanzahl im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) trägt der Gesetzgeber seit Einführung von EURO6 diesem Sachverhalt Rechnung. Der derzeitige Grenzwert von 6x10¹² Partikel/km muss seit 2014 von neuzugelassenen Fahrzeugen erfüllt werden. Offen ist, ob der ab 2017 reduzierte Grenzwert von 6x10¹¹Partikel/km auch ohne einen zusätzlichen kostentreibenden Partikelfilter erreicht werden kann.

Getrieben von neuen Abgasvorschriften steigen die Anforderungen an moderne Benzindirekteinspritzsysteme stetig weiter. Höhere Einspritzdrücke, präzisere Dosierung, ballistischer Injektorbetrieb sind nur einige der neuen Vorgaben, die sich in den Lastenheften der OEM‘s finden. Der Kostendruck auf die Entwickler bleibt dabei konstant hoch.

Diese Ziele können nur dann erreicht werden, wenn auch die erforderlichen Prozesse für die Herstellung und Prüfung von Injektoren intensiv weiter entwickelt werden. Da viele der großen Einspritzsystemhersteller ihre eigenen Prozessentwicklungsabteilungen in der Vergangenheit verkleinert haben, werden Prozessentwicklung und -optimierung zunehmend auf die Hersteller der Produktions- und Prüfmittel verlagert.

Als etablierter Lieferant für Prüfstände und Produktionsanlagen für Einspritzsysteme versucht die Fa. Sonplas schon seit jeher, ihren Kunden Wege aufzuzeigen, wie neue Prozesse und Technologien zur Kostenreduktion in der Produktion beitragen können.

Der nachfolgende folgende Beitrag soll einen Überblick über einige dieser neuen Technologien vermitteln:

– Smart Laser Drilling für Mehrlochdüsen

– Mikrohammering für toleranzreduzierte Nadelhubeinstellung

– Pumpen- und Druckregelkonzepte für 600 bar-Anwendungen

– Strahlbildprüfung in der Serienproduktion

Mixture formation in gasoline direct-injection engines is mainly determined by the interaction of air motion and fuel injection spray quality. Injection systems with a wide range of designs are being developed for enhanced spray and mixture quality. The optimization of mixture preparation quality is targeted at increasing the combustion efficiency and at reducing exhaust gas pollutants, especially soot formation and the associated particle number emission. The pressure and temperature of injected fuel play a crucial part in defining spray quality; the effect of increasing injection pressure has on spray quality is basically known. The positive effect that increasing injected fuel temperature has on spray quality and on engine emission has been reported, however, the underlying mechanisms are complex and not well understood. Based on the first promising results from single cylinder SI engine tests a collaborative research project was initiated focusing on the impact of the injection of heated fuel on engine operation. An injector capable of injecting gasoline up to the supercritical condition was designed for installation in a single cylinder research engine. The injector is capable of being operated with fuel temperatures of up to 350°C and fuel pressures up to 300 bar, thus allowing the impact of different fuel temperatures and pressures on the spray formation, combustion process and exhaust pollutants under various engine conditions to be investigated. The paper presents heated fuel spray characterization, spray modeling in CFD and engine test data to show the impact of heated fuel on spray formation and exhaust emissions with spark ignited engine operation. The results from the collaborative project will include high speed spray photography, droplet size measurement, spray modeling in supercritical, vapor and liquid phases for pressure vessel and engine in-cylinder conditions, engine exhaust emissions and optical in-cylinder spray visualization using video endoscopy measurements. The interaction of heated fuel injection with engine variable valve lift and timing operation will also be presented.

Treibende Ziele bei der Entwicklung neuer ottomotorischer Brennverfahren sind seit jeher die Reduktion der Schadstoffemissionen sowie die Steigerung des Prozesswirkungsgrades. Zum Erreichen dieser Ziele hat sich in den vergangenen Jahren die Direkteinspritzung in Verbindung mit der Abgasturboaufladung als Schlüsseltechnologie heraus gestellt. Neben vielen Vorteilen führt sie allerdings im Vergleich zur äußeren Gemischbildung zu einem Anstieg der Partikelemissionen im Abgas. Um diese zu reduzieren können verschiedene Maßnahmen zur Intensivierung der Ladungsbewegung und damit zu einer besseren Gemischbildung getroffen werden.

Diese Maßnahmen erschweren eine zuverlässige Entflammung mit geringen zyklischen Schwankungen und steigern somit die Anforderungen an das Zündsystem. Daher treten vermehrt neuartige Zündsysteme wie die Hochfrequenz-Zündung in den Vordergrund, da der Zugewinn an Flexibilität und Wirkungsgrad die Mehrkosten zu der heute verbreiteten Transistor-Spulen-Zündung zunehmend rechtfertigt.

Bei den hier vorgestellten Untersuchungen wurde deshalb die Hochfrequenz-Zündung unter verschiedenen Betriebsbedingungen mit einer konventionellen Transistor- Spulen-Zündung verglichen und deren Einfluss auf die Verbrennung und die Abgasemissionen aufgezeigt.

An einem Einzylinder-Forschungsaggregat konnten neben unterschiedlichen Ventil- Steuerzeiten auch unterschiedliche großskalige Ladungsbewegungen (keine zusätzliche Ladungsbewegung, Tumble, Drall) dargestellt werden.

Des Weiteren wurde der Abgasgegendruck in zwei Stufen eingestellt: Konfiguration eins – entdrosselt – entspricht dabei einem mittels Kompressor aufgeladenen Motor und Konfiguration zwei – Abgasgegendruck gleich Ladedruck – entspricht dem mittels Abgasturbolader aufgeladenen Betrieb.

Zu den Kerngebieten moderner Fahrzeugentwicklung zählt die Minimierung der Emissionen im kundenrelevanten Alltagsbetrieb. Diese „Real Driving Emissions“ (RDE) stehen auch im Mittelpunkt zukünftiger PKW-Emissionsgesetzgebungsentwicklungen der Europäischen Union. Die Neuerungen mit EU6c ab 2017 bzw. darauffolgende Entwicklungsstufen werden mit hoher Wahrscheinlichkeit Emissionsmessungen auf öffentlichen Straßen mittels mobiler Emissionsmesstechnik (PEMS) als neues Teilelement der Typprüfung erfordern. Das Ziel bleibt daher, eine besonders hohe Emissionsrobustheit bei der Motor- und Abgasnachbehandlungsentwicklung unter den Anforderungen sich ändernder Umwelteinflüsse, verschiedener Fahrstile und Streckenbeschaffenheiten in den Vordergrund zu stellen.

Der Vortrag bietet einen Ausblick auf die „Emissionsmission RDE“ für zukünftige ottomotorische Emissionskonzepte und den spezifischen Herausforderungen für verschiedene Fahrzeugklassen. Besonderes Augenmerk liegt diesbezüglich auf der Optimierung der Partikelanzahlrohemissionen bei Otto-DI-Motoren. Das Zusammenspiel aus optimaler Sprayauslegung bei hohem Ladungsbewegungsniveau und wandfilmminimierten Einspritzstrategien bietet die notwendige Voraussetzung zur Erreichung zukünftiger Partikelanzahlgrenzwerte, speziell unter Dynamikbedingungen bis hin zu hohen Motorlastbereichen. Die durchgängige Anwendung optischer Verbrennungsdiagnostik und partikeloptimaler Bauteilauslegungs- und Kalibrierstrategien reduziert die Notwendigkeit eines “Gasoline-Partikel-Filters“ (GPF) und hilft, eine Erhöhung des Abgasgegendruckes und Einbußen hinsichtlich CO₂- / Leistungspotential und Kosten zu vermeiden bzw. die Anforderung an den notwendigen Filterwirkungsgradbedarf zu minimieren.

Biokomponenten weisen gegenüber konventionellen Ottokraftstoffen große Unterschiede in den Kraftstoffeigenschaften auf. Dies führt zu einer komplexen Wirkkette zwischen Einspritzung, Gemischbildung und Verbrennung, was Voraussagen über die folgende Rußbildung erschwert. In dieser Studie wird der Einfluss von Ethanolbeimischung zu Isooktan auf die Rußbildung untersucht. Dafür wird die simultane High- Speed Visualisierung von OH-Chemilumineszenz und Rußleuchten an einem modernen optisch zugänglichen BDE-Motor eingesetzt. Es werden verschiedene Rußbildungsmechanismen durch Einstellung spezifischer Betriebspunkte analysiert. Das Ergebnis der Studie zeigt, dass in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen chemische (z.B. Sauerstoffgehalt im Brennstoff) oder physikalische (z.B. Verdampfungsenthalpie) Kraftstoffeigenschaften die Rußbildung dominieren und das Rußverhalten spezieller Kraftstoffmischungen signifikant verändern können.

Fuel injection control technologies in gasoline direct injection engines aiming at reduction of exhaust emissions (particulate matter and hydrocarbons) and supression of knocking were developed.

1) Particulate matter emission reduction

A technique of estimating particulate matter (PM) from gasoline direct injection engines is proposed that is used to compute mass density and particle number density of PM by using fuel mass in rich mixtures obtained from non-combustion computational fluid dynamics (CFD). PM emissions from a single-cylinder gasoline direct injection engine were measured to determine the model constants that were required in the estimation model. We confirmed that the technique could be applied to various engine operating conditions and fuel spray patterns. Because combustion-phase calculations are not required to estimate PM with the method, it has been a useful way of exploring optimum injection timing and/or spray specifications within short periods. Split injection to reduce PM was investigated with the method. PM was significantly reduced with split-injection by optimizing the injection timing.

2) Hydrocarbon emission reduction

A combustion concept was proposed to reduce unburnt total hydrocarbons (THC) during catalyst heating. The retarded ignition control with the split injection, the 1st injection timing is the later period of compression stroke and the 2nd one is the early period of expansion stroke was able to reduce THC up to 33% in comparison with a conventional method. Combustion stability at retarded ignition was improved exceedingly by using the asymmetric fuel-spray directed under the spark plug and the stepshaped piston. The fuel injected at the 1st injection timing was guided around the spark plug so stable stratified mixture was generated until 30degATDC.

3) Knocking suppression

The effect of the hot EGR on knocking phenomenon was investigated quantitatively by CFD, and a knock suppression method was proposed. The hot spots due to the residual gas (hot EGR) exist in the combustion chamber after compression stroke, and contribute to the occurrence of auto-ignition that leads to a knocking. Multiple fuel injection, which includes the early injection in the intake stroke is able to decrease the temperature of the hot spots and makes the combustion phasing at knocking limit advanced by 2 [deg.CA] without increasing the smoke emission. Cooling the hot spot (hot EGR) by multiple fuel injection is effective to minimize the negative effect of hot EGR on the knocking.