10. Tagung Diesel- und Benzindirekteinspritzung 2016

Betrachtet man die Entwicklung der Lkw-Einspritzsystemtechnik der letzten Jahre, so lässt sich eine klare Korrelation zwischen den Emissionsanforderungen und dem maximalen Einspritzdruck herstellen. Gleichzeitig ist schrittweise der Wandel von mechanischen hin zu elektronischen Einspritzsystemen (FIE) vollzogen worden.

Diesel engines remain the main powertrain concept in view of efficiency and robustness. On the one hand the emissions towards the future EU CO2 limit of 95 g/km by 2021 further demands the reduction of the fuel consumption. On the other hand the new WLTP test cycle and RDE emissions tests demand to reduce the engine-out raw emissions. So far, the main development path of the fuel injection system is focusing on increasing the rail pressure. The increase of the no. of injection events is another approach that aims for phasing the combustion in the working process of the Diesel engine efficiently. This approach is limited by the needle opening speed and capability of closed-coupled injection events. Such features were so far restricted to Piezo injectors. Recently the solenoid injector was enhanced to close this gap and it was firstly tested on an hydraulic test bench and a 4 cyl. passenger car Diesel engine. The hydraulic and engine performance is compared against the solenoid injector G4S and the Piezo injector G4P. With increasing the injection rate steepness and reducing the hydraulic intervals, a triple pilot injection strategy is applied to control the ignition delay and rate of combustion. The steep injection rate reduces the soot emissions without compromising the combustion noise. On the other hand the short interval and fast needle actuation reduces the injection and combustion duration. Thanks to this improved hydraulic performance the BSFC could be improved by 1.7% and soot emissions reduced by 36% at engine part load conditions (2000 rpm, BMEP=6 bar).

Diesel engines continue to offer best-in-class fuel economy. Continuous development on all types of engines and an unprecedented thrust towards lower CO2 fleet average will ensure that they continue to be in high demand in European and other markets. This requires that fuel injection equipment provides improved injection rate and a highly flexible multi-injection capability. In addition, Diesel injection systems need very precise control of each individual injection event as this accuracy is necessary to promote the best combustion and exhaust after treatment results. In order to make sure that this control is accurate over the complete engine lifetime and for all injections, Delphi is developing a closed-loop control based on a unique technology.

Eine der wesentlichen aktuellen Aufgaben der Automobilindustrie ist die Umsetzung der gesetzlichen Vorgaben, den CO2 Ausstoß ihrer Fahrzeugflotten zu verringern. Die Herausforderung ist umso größer, da der weltweite Trend zu größeren Fahrzeugen mit höherem Gewicht ungebrochen ist, siehe Bild 1: Für das Jahr 2023 wird erwartet, dass über 75 % der sogenannten Light Vehicles (bis 6 Tonnen) schwerer als 1,2 Tonnen sind.

Für eine prädiktive Motorarbeitsprozessrechnung ist eine hohe Genauigkeit bezüglich des hydraulischen Injektorverhaltens Voraussetzung. Bei IAV wird mittels Reverse Engineering der Injektor in der 1D-Simulation detailgetreu abgebildet. Dazu werden geometrische und mechanische Kenngrößen (z.B. Federrate, Drosseldurchmesser), die bei der Einspritzung eine wichtige Rolle spielen ermittelt und in das Modell implementiert. Damit ergibt sich eine hohe Modellgüte hinsichtlich Einspritzrate und - menge im gesamten Betriebsbereich des Injektors.

Zur stetigen Optimierung motorischer Brennverfahren sind zwei grundlegende Maßnahmen geeignet: eine Anpassung der motorischen Randbedingungen (wie Geometrie, Ventilstellungen, Einspritzstrategien etc.) oder eine Optimierung der Kraftstoffzusammensetzung. Kraftstoffvariationen haben hohes Potential zur Emissionsminderung, da durch Veränderung der chemischen Zusammensetzung alle für die innermotorische Gemischbildung relevanten thermophysikalischen Stoffeigenschaften beeinflusst werden [11]. Um die Fragestellung zu ergründen, welche Kraftstoffeigenschaften sich in welcher Weise und in welchem Ausmaß auf die Verbrennung niederschlagen, ist eine globale Analyse unzureichend. Denn eine Kraftstoffänderung äußert sich in unterschiedlichen, für das globale Verhalten relevanten und sich gegenseitig beeinflussenden Mechanismen [16].

To meet the continuous demand of low exhaust emissions and fuel consumption standards, researchers have focused on improving the overall efficiency of the internal combustion engines. One of the components that plays a fundamental role is the diesel direct injection system. Fuel needs to be delivered to the combustion chamber with specific conditions to promote mixing. which has a key role in the spray formation and combustion development, thus in the reduction of contaminants [1]. To this end, piezoelectric direct-acting injectors were introduced, as they provide direct control of the needle lift, thus rate of injection [2], among other numerous advantages [3][4]. Furthermore, recent studies proved that liquid length is also governed by partial needle lift [5], adding an extra variable for combustion control, for example, to avoid wall impingement.

Emissionen und Verbrauch von Diesel Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung werden stark vom Mischungsvorgang zwischen Luft und Kraftstoff während des Einspritzvorgangs beeinflusst. Der zeitliche Einspritzverlauf ist dabei ein Haupteinflussfaktor auf die zu erwartende Mischungsqualität und muss für eine optimale Verbrennungsentwicklung bekannt sein. Übliche Einspritzdauern im Bereich von wenigen Millisekunden erschweren eine direkte zeitlich hochauflösende Vermessung der Massen- beziehungsweise Volumenstromrate. In den letzten Jahrzehnten sind daher verschiedene indirekte Messverfahren entwickelt worden, die auf Basis von induzierten Duckänderungen in geschlossenen Kammern oder Leitungssystemen auf die gesuchte Einspritzrate schlussfolgern. Bei Verwendung einer mit Kraftstoff gefüllten 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 Druckänderung 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 Messgerät mit einem Heizsystem sowie zusätzlichen 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 Rückrechnung des Ratenverlaufs ermöglicht.

Flame structure in diesel engine is characterized by a dual combustion mode [1] [2]. On the one hand, the diffusion flame front along the spray edge contributes to nitrogen oxides (NOx) formation. On the other hand, the rich premixed flame near the flame stabilization region contributes to particulate matter (PM) formation. Therefore, diesel engine performance optimization has to deal with the classical trade-off between soot formation and NOx emissions. Furthermore, the jet-like flame approaching the wall piston bowl runs out of fresh air and leads to additional soot formation precursors. The jet-like flame strongly depends on the macroscopic spray behavior in terms of angle or tip penetration. Either the macroscopic or the microscopic spray behavior are influenced by the nozzle geometry [3] [4] [5] [6]. The part load region with relative small injected fuel quantities is of particular interest. Indeed, there is a room to improve the spray structure regarding combustion process. The goal is to reduce the tip penetration in order to decrease the diffusion flame zone. In addition, the tip penetration decrease would help to reduce the heat transfer to the combustion chamber wall.

Auf Basis experimenteller Untersuchungen an einer Hochdruck-Hochtemperatur Einspritz- kammer mit unterschiedlichen Spritzlochgeometrien wurden empirische Modelle zur Vorhersage der Strahleindringtiefe und des Spray-Kegelwinkels abgeleitet. Während klassische Modelle oftmals auf Basis konventioneller Düsenhalterkombinationen mit zylindrischen Spritzlöchern entwickelt wurden, erlauben die neu erstellten Modelle die Berücksichtigung injektorspezifischer Verhaltensweisen und moderner Spritzlochgeometrien. Um eine gute Anwendbarkeit der Modelle zu gewährleisten, wurde in der Modellentwicklung Wert darauf gelegt, möglichst leicht zugängliche Injektorparameter als Eingangsgrößen für die Berechnungen zu verwenden. Neben der Möglichkeit zur Berechnung der Eindringtiefe und des Kegelwinkels sind weitere Modelle zur Abschätzung des Verdampfungsverhaltens im Spray und des Durchflussbeiwertes von Düsen entwickelt und in ein Programmtool implementiert worden. Die Modelle sollen Verbrennungsentwickler bei der Düsenauslegung und der Interpretation von Motormessdaten unterstützen.

Customers demand for long life reliability of MD/HD machines together with wide range of application types and fuel variety pushes towards comprehensive validation methodologies. It becomes of a paramount importance a deep insight of the product to enable the understanding of significant failure modes and properly shape testing activity. By using accurate analytical damage models to describe failure mechanism, it is possible to select relevant parameters to accelerate the test and respond to the aggressive time to market without creating fictitious failure modes not representative of the real application. The paper presents the product validation methodology for assessment of long life reliability of MD/HD Liebherr Common Rail System, from the mission profile analysis to the definition of a relevant damage model and its validation via comparison with test results.

Despite the main stream powertrain technologies such as electrification, sophisticated exhaust after treatment systems and modern transmission concepts, the high pressure fuel injection will be an important component also in the future. The main reason for this circumstance is that while the powertrain technologies have become substantially more powerful, also the legal requirements have become significantly more challenging and so low engine out emissions remain to be also a major development target in the future. This is in line with publications from Daimler and BMW who declare that beside sophisticated after treatment systems and powertrain electrification very good engine raw emissions will be inevitable.

Alongside the well-known injector deposits on the nozzle tips and inside the spray holes, the so-called „external diesel injector deposits“ (EDID), deposits within the injector, so-called „internal diesel injector deposits“ (IDID) have been reported worldwide since 2008 [1-8]. At the same time, the developments in diesel engine technology mainly aimed at fast reacting highly sophisticated injectors in conjunction with steadily increasing injection pressures. This combination enables combustion shaping by multiple injections. Each increase in injection pressure is accompanied by ever smaller clearings within the injector. This ongoing trend continues towards higher injection pressures, smaller clearings and more sophisticated injectors. Such highly sophisticated injectors are assumed to be less resistant against IDID compared to “older” ones [3, 4, 8-13]. At the same time, the fuel temperature increases steadily. The return flow from the injectors can reach temperatures of 150 °C [14] or even 190 °C at 250 MPa [15]. An increased fuel temperature on the other hand leads to an increased IDID formation tendency [1, 11-13, 16-17].

Der Einsatz von Ottomotoren als Pkw-Antrieb erfordert eine kontinuierliche Optimierung zur Einhaltung der Emissionsgesetze bei gleichzeitig deutlicher Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie Erfüllung der Kundenwünsche bezüglich Fahrverhalten und Komfort zu einem attraktiven Kosten/Nutzen-Verhältnis. Bild 1 zeigt die Herausforderungen für die Weiterentwicklung des Antriebsstranges. Neben der weltweiten Reduzierung der gasförmigen Emissionen und der Partikelemissionen ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit der CO2- Emissionen ein wesentliches Entwicklungsziel. Dabei müssen Incentives berücksichtigt werden, die eine Kraftstoffverbrauchsreduzierung im realen Fahrbetrieb bewirken aber keine so große CO2-Reduktion in den genormten Testzyklen ergeben.

The gasoline direct injection (GDi) engine cold-start emissions of unburned hydrocarbons (UHC) and particulate emissions, prior to the full catalyst warm-up, are a substantial source of engine emissions and the primary challenge to meet the Euro6D and US Tier5 emission regulations. Figure 1 presents typical accumulated particulate emissions from a GDi engine, with homogeneous combustion operation, under the new European drive cycle (NEDC). It illustrates the large proportion of particulate emissions during the engine cold-start phase.

Die Randbedingungen, unter denen Kraftstoff bei direkteinspritzenden Ottomotoren in den Brennraum eingebracht wird, lassen sich einerseits durch die Einbaulage des Injektors sowie durch die Brennraumgestaltung geometrisch abgrenzen. Andererseits ist der Einspritzvorgang anhand der in Einspritzsystem und Brennraum vorherrschenden Drücke, Temperaturen und Strömungsverhältnisse thermodynamisch zu charakterisieren. Zuletzt genannte Parameter werden über den motorischen Betriebspunkt sowie mittels der ottomotorischen Prozessführung beeinflusst. Der Paradigmenwechsel in der Abgasgesetzgebung von einem niederlastigen Fahrprofil mit hohem Stationäranteil hin zu einer Kombination aus transienteren Fahrprofilen mit breiter gespreizten Last- und Drehzahlkollektiven erweitert den zu bewertenden Kennfeldbereich des Motors zukünftig. Bei der gezielten motor- und anwendungsspezifischen Auslegung des Strahlbildes eines Mehrloch-Injektors (Spray Targeting) müssen die zuvor genannten Randbedingungen sowie der erweiterte motorische Betriebsbereich im Hinblick auf Einhaltung zukünftiger weltweiter Abgasgesetzgebungen berücksichtigt werden. Wichtige und zu bewertende Teilaspekte sind hierbei das Eindring- und Kontraktionsverhalten des Sprays, welche in Abhängigkeit von Targeting und Betriebszustand stark unterschiedlich ausgeprägt sein können. Um Schadstoffbildung infolge Bauteilbenetzung im gesamten Betriebsbereich robust verringern zu können, muss das Kennfeldverhalten von Sprays in deren Auslegungsprozess einbezogen werden.

Reducing the exhaust emissions of gasoline engines is important for the global environment. Coarse droplets during valve moving, late fuel during valve closing of a fuel injector, and fuel films stuck on the wall around the nozzle outlets are all sources of particulate matter (PM). In this work, we analyze these fuel sprays during valve moving timing by means of fuel spray simulation and direct measurement of valve movement. We developed a fuel spray simulation near the nozzle outlets of a fuel injector during valve opening and closing and simulated fuel flow within the flow paths of the fuel injector by a front capturing method while the fuel breakups near the nozzle outlets were mainly simulated by a particle method. The inlet boundary of the fuel injector was controlled to affect the valve motions on the fuel behavior. We developed a technique for directly measuring the valve movement by measuring the valve lift using a thin diameter Doppler laser method and an optical window with high pressure resistance. The simulation results were validated by comparing the simulated fuel breakup near the nozzle outlets with the measured ones, revealing a good agreement between them. By using the valve movement measurement and fuel spray simulation, we found that fuel spray at the valve opening/closing timing had coarse droplets. Moreover, we found that the late fuel had several types of fuel spray that were generated by low speed fuel flow through the nozzles during the bounds of the valve. The effect of the bounds of the valve on the fuel around the nozzle outlets was also clarified by means of experimental results showing the decreasing bounds of the valve. The late fuel of the nozzle outlets decreased with the decreasing bounds of the valve.

Durch die von der Europäischen Union gesetzten Ziele [1] zur Verringerung des CO2- Ausstoßes von Personenkraftwagen (95 g/km (2020) bzw. 70 g/km (2025)) werden Maßnahmen zur Kraftstoffeinsparung untersucht, die in der Vergangenheit zwar bekannt und physikalisch verstanden waren, jedoch aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen für große Stückzahlen nicht eingesetzt wurden. Dazu zählt aktuell auch die Wassereinspritzung für ottomotorische Brennverfahren.

In der Geschichte des Verbrennungsmotors hat die Wassereinspritzung schon früh Anwendung gefunden, insbesondere bei Flugzeugen und im Motorsport. Jedoch hat sie sich nie großflächig im Serieneinsatz durchsetzen können. Grundsätzlich wird bei der ottomotorischen Wassereinspritzung die hohe Verdampfungsenthalpie des Wassers genutzt, um die Temperatur der Frischladung im Brennraum zu senken und damit die Motorleistung und den Wirkungsgrad zu steigern sowie die Abgasemissionen zu reduzieren.

Der Marktanteil von aufgeladenen Ottomotoren mit Direkteinspritzung (GDI) steigt aufgrund des Potentials zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und somit der Reduktion des CO2-Ausstoßes für die kommenden Klimaziele immer weiter an. Im Vergleich zu Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung (PFI) zeigen Motoren mit Direkteinspritzung Nachteile bei den Partikelemissionen. In Abbildung 1 werden die Unterschiede bei den Partikelanzahlemissionen (PN-Emissionen) für den Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) zweier hubraumgleicher Motoren zum einen mit einer Saugrohreinspritzung und zum anderen mit einer Direkteinspritzung gezeigt. Bei kaltem Motor, also zu Beginn des Zyklus, zeigen sich die höchsten Partikelemissionen bei beiden Varianten, wobei der GDI-Motor auch in dieser Phase deutlich höhere Partikelemissionen verursacht. Sobald der Motor eine bestimmte Temperatur erreicht hat, sind die Partikelemissionen bei dem PFI-Motor deutlich reduziert. Der GDI-Motor zeigt bei aufgeheiztem Motor, vor allem bei den Beschleunigungsvorgängen, deutlich erhöhte Emissionen. Diese Partikel sind gerade bei Ottomotoren durch ihre geringe Größe lungengängig und werden somit als gesundheitsgefährdend eingestuft. Dadurch werden die Partikelanzahlemissionen bei Ottomotoren immer stärker reglementiert und erhalten mit der Gesetzesnorm Euro 6 erstmals denselben Grenzwert wie Dieselmotoren.

Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung der Gemischbildung, Entflammung und Verbrennung bei der Benzindirekteinspritzung mit Ethanol-Benzingemischen in einer Einspritzkammer und in einem optisch zugänglichen Motor. Die Einspritzkammer wurde für die Verbrennungsexperimente mit einer Zündkerze ausgestattet, so dass die Sprayverbrennung unter „späten Einspritzbedingungen im Kompressionstakt“ nachgebildet werden kann. Spray- und Verbrennungsvorgänge wurden mit verschiedenen bildgebenden Hochgeschwindigkeits-Messtechniken untersucht. Zusätzlich wurden die bildgebende laserinduzierte Inkandeszenz (LII) als auch die Laser-Extinktionsmesstechnik zur Bestimmung der Partikelkonzentration eingesetzt. Obwohl die Zumischung von Ethanol meist zu einer reduzierten Partikelemission führt, wurden auch Betriebsmodi mit erhöhtem Partikelausstoß identifiziert. Dabei zeigen vor allem Gemische mit geringem Ethanolanteil (z.B. E20) höhere Partikelkonzentrationen als der Basiskraftstoff, besonders bei der „späten Einspritzung“. Unter diesen Bedingungen sind die chemischen Kraftstoffeigenschaften des Ethanolanteils, welche prinzipiell „rußhemmend“ wirken, weniger dominierend, wobei die physikalischen Effekte (z.B. die hohe Verdampfungsenthalpie) die Rußbildung fördern. Die Ergebnisse dieser Arbeit dienen dem besseren Verständnis der Rußentstehung und Rußoxidation von Biokraftstoffen unter motorischen Bedingungen.

Erdgas fristet ein Schattendasein als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren im Allgemeinen und speziell auch für den Antrieb von PKW. Im Jahr 2014 waren 0.7 % aller PKW-Neuzulassungen in der EU Erdgasfahrzeuge [1]. Dennoch bietet Erdgas als Kraftstoff eindeutig Vorteile, vor allem in Hinblick auf die strengen CO2-Richtlinien der EU, die einen Flottenverbrauch von 95 gCO2/km im Jahr 2020 vorschreiben [2]. Erdgas besteht je nach Qualität zu 84 % bis 97 % aus Methan (CH4) [3]. Das H-C Verhältnis von Methan liegt bei 4, während Diesel und Benzin aufgrund der langen Kohlenwasserstoffketten ein H-C Verhältnis von ca. 1.87 aufweisen [4]. Im Grenzfall von 100 % Methan und unter der Annahme gleicher effektiver Wirkungsgrade kann dadurch mit Erdgas der CO2-Austoß im Vergleich zu diesel- und benzinbetriebenen Motoren um 25 % reduziert werden. Zusätzlich weist Methan eine höhere Klopffestigkeit als Benzin auf. Dadurch kann der Wirkungsgrad bei erdgasbetriebenen Ottomotoren gesteigert werden.

Vor dem Hintergrund begrenzter Ressourcen und steigender Entwicklungskomplexität bei alternativen Antrieben nimmt die Bedeutung durchgängiger Toolketten zu. Der CNG1-Motorenentwicklungsprozess zeigt hierfür ebenfalls Bedarfe, insbesondere bezüglich der tiefergreifenden Analyse des Einblasesystems. Die bisherigen Bewertungen von CNG-Injektoren basieren meist auf kumulativen Messgrößen, jedoch erfordern direkteinblasende Injektoren und hohe Dynamikanforderungen aus Motorprojekten neuartige Gasdiagnostiktools. Am Beispiel einer Dual-Fuel-Brennverfahrensentwicklung werden diese Anforderungen deutlich.

A controversial debate is currently going on in the scientific literature regarding the future importance of diesel-gas dual fuel concepts for large engines. Arguments in their favor are advantages such as the redundancy of the propulsion system when one fuel source fails, the flexibility to adapt the choice of fuel to current prices and also lower emissions in gas operation mode than with a pure diesel engine. Despite gradual advances in dual fuel technology, significant disadvantages in efficiency and combustion stability still exist in comparison to monovalent engines. To increase market acceptance of diesel-gas engines, the focus of development must be to increase efficiency and improve the robustness of combustion concepts.