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Bild K297 Strategien bei Direkteinspritzung [2]


Bild K298 Wandgeführtes Reverse-Tumble-Brennverfahren [16]

 

Kraftstoffverbrauch ~Einflussgrößen ~~motorische Maßnahmen ~~~Direkteinspritzung

Direkteinspritzung

Seit der Einführung der Direkteinspritzung im Pkw-Dieselmotor Ende der 80er Jahre wurden Vor- und Wirbelkammermotoren fast vollständig verdrängt. Neue Pkw-Dieselmotoren erscheinen nur noch als Direkteinspritzer.

Der 15 bis 20 % niedrigere spezifische Verbrauch des Direkteinspritzers gegenüber den Kammermotoren beruht hauptsächlich auf den geringeren Wärmeverlusten durch den nicht unterteilten Brennraum sowie den geringeren Verlusten durch Entfall der Strömung zwischen Kammer und Hauptbrennraum. Der steile Druckanstieg bei Direkteinspritzung (Geräusche), der lange Zeit den Serieneinsatz verhinderte, wird durch Mehrfacheinspritzung mit Drücken bis 2000 bar und darüber vermieden. Durch Voreinspritzung kleinster Mengen bzw. durch Einspritzung erreicht man einen weicheren und homogeneren Verbrennungsablauf mit deutlich reduzierten Emissionen. Voraussetzung dafür ist ein Einspritzsystem mit schneller, weitgehend freier Ansteuerung der Einspritzdüse und einer exakten Abstimmung der Kraftstoffhochdruckbereitstellung bis zur Düse mit Common Rail, Pumpe-Düse-System oder magnetventilgesteuerten Verteilerpumpen. Der hohe Einspritzdruck führt durch kleinere Tropfendurchmesser, schnellere Verdampfung und Gemischverteilung, höhere Umsatzraten und kürzere Brenndauer zu einer besseren Rußoxidation und zu deutlich geringeren Partikelemission mit kleineren Partikeln und einem geringeren Kraftstoffverbrauch. Es muss allerdings ein Kompromiss zwischen Verbrauchsvorteilen durch die hohen Einspritzdrücke und den Mehrverbrauch durch die Antriebsleistung für die Hochdruckpumpe gefunden werden. Dabei besitzt das Common-Rail-System die geringste notwendige maximale Antriebsleistung.

Bei Ottomotoren wird die Direkteinspritzung zur Gemischaufbereitung seit ca. 1995 eingesetzt. Der Ottomotor wird je nach Motorlast und Drehzahl geschichtet mit λ>>1 oder homogen mit λ = 1 betreiben (Bild K297). Dabei wird im geschichteten Betrieb die Motorlast über die Einspritzmenge (wie beim Dieselmotor) bei offener Drosselklappe gesteuert.

Durch diese drosselfreie Laststeuerung und durch die extreme Abmagerung wird der Kraftstoffverbrauch reduziert. Weitere Kraftstoffvorteile entstehen durch innere Gemischkühlung bzw. verbrauchsoptimalere Zündwinkel sowie die Erhöhung des Isentropenexponenten. Inzwischen wird in den Entwicklungsabteilungen an der dritten Generation von Einspritzsystemen, dem sogenannten strahlgeführten Verfahren gearbeitet, nachdem vorher wand- und luftgeführte Verfahren zum Einsatz kamen (Bild K298).

Bei den wandgeführten Brennverfahren beruht die Gemischbildung des einspritzenden Kraftstoffes darauf, dass diese zunächst zu wesentlichen Teilen auf der Brennraumwand aufgetragen und von dort dann wieder abgedampft wird.

Die Gemischbildung und die Ausbildung der Ladungsschichtung beruht dagegen bei den strahlgeführten Brennverfahren im Wesentlichen auf den Eigenschaften des Kraftstoffstrahles. Es findet dabei keine gezielte Unterstützung des Gemischbildungsprozesses durch Ladungsbewegung statt. Durch die Anordnung „der“ Einspritzdüse in der Mitte des Zylinderkopfes und durch die steile Ausrichtung des Kraftstoffstrahles nahe der Zylinderachse ergibt sich für den Teillastbetrieb eine günstige Konzentration des Kraftstoffluftgemisches mit einer wärmeisolierenden Umhüllung aus Luft oder Luft-Restgas-Gemisch.

In den derzeit üblichen europäischen, amerikanischen und japanischen Testzyklen wird mit wand- und luftgeführten Verfahren ein Kraftstoffverbrauchsvorteil von ca. 8 % erreicht. Bei strahlgeführten Verfahren wird dagegen ein Potential von 15 % diskutiert.

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