Einspritzung in Bestform

02.06.2010 // Die Einspritzverlaufsformung löst den Konflikt zwischen Emissionsreduzierung und Kraftstoffeinsparung.

Dieselentwickler stehen vor einem Dilemma: Um die NOx- und Rußemissionseigenschaften und die Akustik des Selbstzünders zu verbessern, wurde die Schwerpunktlage der Verbrennung immer weiter in Richtung thermodynamisch ungünstiger Bedingungen verschoben. Dies führt zu einem steigenden Kraftstoffverbrauch und damit auch zu steigenden CO2-Emissionen. Die Herausforderung der Entwickler liegt nun darin, die strengen Vorgaben des Gesetzgebers bei den Kohlendioxid-Emissionen einzuhalten, den Diesel noch sparsamer zu machen, ohne das Verbrennungsgeräusch zu steigern und bei den Stickoxid- oder Rußemissionen schlechter zu werden.

Dabei setzen die Entwickler auf eine kontinuierliche Formung der Einspritzung. Dank moderner Injektoren, wie dem PCR NG-Injektor von Continental, ist es möglich, die Düsennadel im Bereich des Düsenlochs frei zu positionieren – so lässt sich über den Effekt der Nadelsitzdrosselung die eingespritzte Dieselmenge im zeitlichen Verlauf nahezu beliebig formen. In Zusammenarbeit mit der Continental Automotive GmbH hat IAV das Potenzial der kontinuierlichen Einspritzverlaufsformung untersucht und auf dem 31. Wiener Internationalen Motorensymposium 2010 vorgestellt.

Ihr Testaufbau bestand aus einem Pkw-Einzylindermotor mit rund 500 Kubikzentimetern Hubraum. Für die Motorsteuerung kam der MPEC (Modular Prototyping Engine Controller) von IAV mit einer weiterentwickelten Piezo-Endstufe zum Einsatz. Das IAV-Universalsteuergerät FI2RE lieferte das Stellsignal für den Injektor, und der IAV Injection Analyzer war für die Analyse des Einspritzverlaufs zuständig.

Mit dem Versuchsaufbau konnten zum Beispiel zwei herkömmliche Piloteinspritzungen durch einen rampenförmigen Verlauf ersetzt werden („kontinuierliches Rate-Shaping“). „Der Kraftstoff der Haupteinspritzung wird so umgesetzt, dass der gewünschte  gleichmäßige Druckanstieg und somit eine leise Verbrennung erzielt wird“, erklärt Oliver Predelli, Fachbereichsleiter Dieselmotoren bei IAV. Im Vergleich mit einer konventionellen Mehrfacheinspritzung lag das Motorgeräusch um 3 dB(A) niedriger, was einer Halbierung der Schallleistung entspricht.

Mit diesem Effekt konnten akustische Nachteile auf dem Weg der innermotorischen Rohemissionsabsenkung von Euro 5 nach Euro 6 ausgeglichen werden. Ausgehend von einer Euro-5-Applikation ließen sich über die Anhebung des Einspritz- und des Ladedrucks die Stickoxidemissionen bei gleichen Partikeln und gleichem Verbrennungsgeräusch halbieren. Gleichzeitig sanken der Kraftstoffverbrauch und somit die CO2-Emissionen. „Wir rechnen hier mit einem deutlichen Vorteil und schätzen das Einsparpotenzial auf rund fünf Prozent“, so Predelli. Im nächsten Schritt wird die kontinuierliche Einspritzverlaufsformung an einem Vollmotor mit vier oder sechs Zylindern erprobt. Ein Einsatz in der Serie scheint in den nächsten Jahren möglich.