TITELTHEMA Gemis chbil dung und V erbrennung
Neue Generation Benzin-Direkt einspritzsysteme von Bosch Infolge der zukünftigen Abgasgesetzgebungen müssen die Fahrzeughersteller Emissionen weiter absenken. Ausgehend von den Anforderungen durch Marktentwicklung, Gesetzgebung und Endkunden hat Bosch eine neue Generation Benzindirekteinspritzsysteme entwickelt. Damit soll eine Reduktion der Partikelanzahl unter RDERandbedingungen um circa 80 % möglich sein. © Bosch
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AUTOREN
Dr. Thomas Pauer ist Mitglied des Bereichsvorstands Gasoline Systems mit Verant wortung für Entwicklung und Verbrennungsmotoren bei der Robert Bosch GmbH in Schwieberdingen.
Hakan Yilmaz, M. Sc. ist Entwicklungsleiter System entwicklung Powertrain Systeme im Geschäftsbereich Gasoline Systems bei der Robert Bosch GmbH in Schwieberdingen.
ANFORDERUNGEN AN NEUE BENZIN-DIREKTEINSPRITZSYSTEME
Günstige Herstellkosten, hohe Leistungsdichte, gute Emissionierbarkeit sowie hohe Robustheit gegenüber global verfügbaren Kraftstoffen machen Ottomotoren heute zur präferierten Lösung für Pkw-Antriebe. Ausgehend von circa 70 Millionen Fahrzeugen mit Ottomotoren in 2015 werden im Jahr 2025 circa 78 Millionen Fahrzeuge mit Ottomotoren erwartet, BILD 1. Während für heute dominierende Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung bis 2025 von sinkenden Verkaufszahlen auszugehen ist, wird gleichzeitig nahezu eine Verdopplung der Ottomotoren mit Direkteinspritzung prognostiziert, sodass 2025 etwa jeweils 39 Millionen Neufahrzeuge mit Saugrohreinspritzung beziehungsweise mit Direkteinspritzung erwartet werden.
Dr. Joachim Zumbrägel ist Entwicklungsleiter für Benzin direkteinspritzung im Produkt bereich Direkteinspritzung (DI) des Geschäftsbereichs Gasoline Systems bei der Robert Bosch GmbH in Schwieberdingen.
Infolge der zukünftigen Abgasgesetzgebungen sind die Fahrzeughersteller zu weiteren Absenkungen der Emissionen gasförmiger Schadstoffe und der Partikelemissionen (Partikelmasse PM und Partikelanzahl PN) angehalten. Besonders hohe Anforderungen bezüglich gasförmiger Schadstoffe stellt die kalifornische LEV-III-Gesetzgebung, BILD 2. Die Absenkung der Flottengrenzwerte für NMOG und NOx erfordert bis 2025 die Erfüllung von SULEV-30-Grenzwerten im Flottenmittel. Die Gesetzgebungen in Märkten wie China (CN 6a/b beziehungsweise Beijing 6) und Indien (BS 6) nähern sich mit hoher Geschwindigkeit den Vorschriften in der EU (Euro 6d) und den USA (LEV III/Tier 3) an. Darüber hinaus wird zukünftig in der EU, China und Indien die Überprüfung der Real Driving Emissions (RDE) im Fahrbetrieb auf der Straße gefordert.
Dr. Erik Schünemann ist Abteilungsleiter Entwicklung Brennverfahren im Geschäfts bereich Gasoline Systems bei der Robert Bosch GmbH in Schwieberdingen.
Die Anforderungen an die Fahrzeughersteller bezüglich Grenzwerteinhaltung über die Lebensdauer (Useful Life) und Verdunstungsemissionen (EVAP) steigen ebenfalls. Die CO2-Flottengesetzgebungen erfordern die Umsetzung weiterer Maßnahmen zur Reduzierung der Tankto-wheel CO2-Emissionen. Aus Endkundensicht werden beim Kauf eines Neufahrzeugs selbstverständlich Funktions vorteile erwartet, zum Beispiel bei Motor- und Fahrleistung, Kraftstoffverbrauch sowie bei Komfort und NVH. Ottomotoren mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung können den Fahrzeugherstellern dabei helfen, diese Anforderungen zu erfüllen. Dabei erlaubt die Direkteinspritzung hohe spezifische Leistungen bei gleichzeitig erhöhtem Verdichtungsverhältnis und bietet Freiheitsgrade für optimierte Katalysator-Heizstrategien zur Kompensation der zusätzli-
BILD 1 Marktentwicklung bei Antrieben für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge (© Bosch)
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BILD 2 Entwicklung der Abgasgesetzgebungen in den USA (LEV III), der EU, Indien und China (oben) sowie Übersicht über die LEV-III-Flottengesetzgebung (© Bosch)
chen Wärmesenke, die durch die Turbine des Abgasturboladers gebildet wird. Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung (DI) werden heute überwiegend Mehrlocheinspritzventile mit Magnetspulenantrieb eingesetzt, die in seitlicher oder zentraler Position im Zylinderkopf eingebaut sind, durch den Einsatz lasergebohrter Spritzlöcher große Flexibilität in der Sprayauslegung erlauben und mit Systemdrücken von bis zu 25 MPa betrieben werden. Die zentrale Einbaulage nahe der Zündkerze ermöglicht einen besonders effi zienten Katalysatorheizbetrieb mit zündungsgekoppelter Kleinstmengeneinspritzung für schnellsten Katalysator-Lightoff und reduzierte Abgasemissionen [1]. Dazu wird neben einer entsprechenden Sprayauslegung und Einspritzstrategie eine Softwarefunktionalität benötigt (Bosch CVO: Controlled Valve Operation), die einen stabilen Injektorbetrieb mit Einspritzung einer Kleinstmenge im ballistischen Bereich der Injektorkennlinie über die Lebensdauer sicherstellt [2]. Eine wesentliche Quelle für Partikel emissionen von DI-Ottomotoren ist unvollständig aufbereiteter Kraftstoff, der während der Einspritzung als Wand-
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film auf die Brennraumwände aufgetragen wird [3]. Durch Optimierung der Sprayauslegung in Kombination mit der motorischen Ladungsbewegung sowie durch die Applikation der Einspritzstrategie unter Nutzung der Mehrfachein-
BILD 3 Variantenrahmen und NVHPerformance der Hochdruckpumpe HDP6 (© Bosch)
spritzung können die Benetzung von Kolben und Zylinderwand bereits deutlich verringert und die Partikelemissionen abgesenkt werden. Zur weiteren erheblichen Reduzierung der Partikel emissionen kann eine Optimierung der
Kraftstoffzumessung und -aufbereitung durch ein weiterentwickeltes Direkteinspritzsystem einen wichtigen Beitrag leisten [4]. Vor dem Hintergrund der Anfor derungen von Marktentwicklung, Gesetzgebung und Endkunden hatte die Entwicklung der neuen BoschBenzind irekteinspritzsysteme folgende Vorgaben: –– optimierte Gemischaufbereitung für potenziell niedrigere Partikel emissionen durch Systemdruck anhebung auf 35 MPa bei gleich zeitiger NVH-Verbesserung –– erweiterter Injektorbetriebs bereich in Kombination mit CVO-Softwarefunktionalität –– verbesserte Mehrfacheinspritz fähigkeit durch reduzierte Pausenzeiten –– optimierte Injektorkuppen geometrie, die zur Reduzierung der Partikelemissionen infolge von Kraftstoffwandfilm auf der Injektorspitze beitragen kann –– hohe Kompaktheit, Modularität und Flexibilität zur Erfüllung kundenspezifischer Anforderungen, weltweite Einsatzfähigkeit bezüglich EVAP, Useful Life und Kraftstoffqualitäten. Nachfolgend werden die technischen Lösungen auf Komponentenebene inklusive der Softwarefunktionalitäten dargestellt und die mit dem Gesamtsystem erzielten Funktionsergebnisse präsentiert.
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BILD 4 Variantenrahmen des Bosch-Hochdruckeinspritzventils HDEV6 (© Bosch)
SYSTEMDRUCKERZEUGUNG MIT HOCHDRUCKPUMPE HDP6
Die Systemdruckanhebung auf 35 MPa erforderte die Entwicklung einer neuen Hochdruckpumpengeneration, BILD 3. Die Bosch-Hochdruckpumpe HDP6 bietet einen erweiterten Variantenrahmen mit erhöhter Flexibilität bezüglich Kraftstoffanschlüssen, Winkellagen und HDPMontage am Motor. Das modulare Konzept erlaubt den wahlweisen Einsatz von zwei Kolbendurchmessern. Während mit dem kleinen Durchmesser die Antriebsleistung bei Fördervolumenströmen von
bis zu 0,9 ccm/Nockenwellenumdrehung minimiert wird, können mit dem großen Kolbendurchmesser Fördervolumenströme bis zu 1,3 ccm/Nockenwellen umdrehung dargestellt werden. Das NVH-Verhalten der HDP6 im Leerlauf repräsentiert „Best in Class“. VARIANTENRAHMEN DES HOCH DRUCKEINSPRITZV ENTILS HDEV6
Das neue HDEV6 ist für Systemdrücke bis zu 35 MPa ausgelegt. Der Variantenrahmen mit hoher Flexibilität, BILD 4, umfasst unter anderem Kurz- und Lang-
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BILD 5 Mengenkennlinie des HDEV6 mit ballistischem Bereich und Übergangsbereich (links); Reduzierung der qdynToleranz mit BoschCVO3 und Qstat-Adaption (rechts) (© Bosch)
ventile, verschiedene Steckeranschlüsse sowie Verdrehfixierungen und erlaubt den Einbau in seitlicher und zentraler Injektorposition. Ein kompaktes Design mit einem von 7,5 auf 6 mm reduzierten Injektorspitzendurchmesser und mit einem von 11,6 auf 9,4 mm abgesenkten O-Ring-Durchmesser für den Kraftstoffanschluß verringert den benötigten Bauraum. Das Gewicht des Injektors wurde um 20 % reduziert. KRAFTSTOFFZUMESSUNG UND SOFTWAREFUNKTIONALI TÄTEN DES HDEV6
Die in BILD 5 dargestellte charakteristische Mengenkennlinie des HDEV6 zeigt im gesamten Betriebsbereich eine monoton steigende Abhängigkeit der Einspritzmenge qdyn von der Ansteuerzeit ti. Die CVO-Softwarefunktionalität wurde für den Einsatz des HDEV6 nochmals weiterentwickelt und ist in der dritten Generation (CVO3) über die gesamte Injektorkenn linie (ballistischer Bereich, Übergangs bereich, linearer Bereich) aktiv, BILD 5. Im gesamten Arbeitsbereich der Mengenkennlinie werden mit CVO3 die Abweichungen der tatsächlich ein gespritzten Kraftstoffmenge vom Sollwert deutlich reduziert und damit ein Beitrag zur Einhaltung zukünftiger Useful Life-
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Anforderungen geleistet. Eine zusätzliche Verbesserung wird mit der aktuell in Entwicklung befindlichen Software-Funktionalität zur Qstat-Adaption erwartet (SOP 2018), die für den stationären Durchfluss relevante Injektoreigenschaften adressiert. Die Mehrfacheinspritzfähigkeit des HDEV6 wurde durch injektorinterne Maßnahmen signifikant verbessert, sodass Pausenzeiten < 1 ms darstellbar sind. Zur Verbesserung der für die Verdunstungsemissionen (EVAP) relevanten Ventilsitzdichtheit über Lebensdauer werden am HDEV6 die für die Dichtheit relevanten Ventilsitzeigenschaften optimiert. Im Ergebnis nach Dauerlauf verbessert sich die Ventilsitzdichtheit signifikant, sodass der spezifizierte DichtsitzLeckage-Grenzwert von 1,5 mm³/min bei 10 MPa robust eingehalten wird. KRAFTSTOFFAUFBEREITUNG UND ABSENKUNG DER PARTIKELEMISSIONEN
Rußpartikel können bei motorischer Verbrennung entstehen, wenn gleichzeitig hohe Temperaturen und starker Luftmangel vorliegen. Bei Benzindirekteinspritzung und vorgemischter ottomotorischer Verbrennung mit global stöchiometrischem Luftverhältnis ist dies der Fall, wenn aufgrund der Interaktion zwi-
schen flüssigem Kraftstoff und Brennraumwänden ein Wandfilmaufbau erfolgt. Die reguläre stöchiometrische, vorgemischte Verbrennung ist beim Erreichen der Brennraumwände weit gehend abgeschlossen. Es liegen hohe Temperaturen und ein sehr geringer Sauerstoffgehalt vor. Partikel entstehen, wenn der aufgetragene Kraftstoffwandfilm bis zum Eintreffen der Flammenfront an der benetzten Brennraumwand noch nicht verdunstet und homogenisiert ist. Die Partikelbildung lässt sich anhand des typischen Rußleuchtens durch den Einsatz optischer Analysemethoden im Brennraum sehr gut visualisieren. Durch die Positionierung von Injektor und Zündkerze und über ein entsprechendes SprayLayout kann Partikelentstehung infolge Benetzung von Ein- und Auslassventilen, Brennraumdach und Zündkerze ausgeschlossen werden. Die Benetzung von Kolbenboden und Zylinderlaufbahn kann durch Sprayauslegung und Einspritz strategie minimiert werden, ist jedoch typischerweise nicht unter allen Betriebsbedingungen vollständig vermeidbar. In der Folge entstehen Partikelemis sionen insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen bei kaltem, aber auch bei warmem Motor, BILD 6, mit einer zusätzlichen Partikelemission von der Injektorspitze selbst. Während der Ein-
BILD 6 PN-Quellen bei DI-Ottomotoren im Homogenbetrieb (Lambda_global = 1) (© Bosch)
spritzung kommt es infolge der Injektor innenströmung, des Sprayaufbruchs und der Wechselwirkung zwischen Einspritzstrahl und Spritzloch/Vorstufe sowie der Interaktion mit der Umgebungsluft zu Fluktuationen des Einspritzstrahls in radialer Richtung, die zu einer Benetzung der Injektorspitze führen. Der bei Ankunft der regulären Flammenfront dort vorhandene Kraftstoff bildet bei hoher Temperatur unter
starkem Luftmangel Partikel, von denen ein Teil auf der Injektorspitze verbleibt und Ablagerungen aufbaut. Diese können weiteren Kraftstoff binden und den Effekt bei entsprechend stark steigender Partikelanzahlemission so lange selbstverstärken („PN-Drift“), bis ein Gleich gewicht zwischen Ablagerungsaufbau und -abbau an der Injektorspitze vorliegt („stabilisierter Injektorzustand“). Die Minimierung der Injektorspitzenbenet-
zung ist damit eine der möglichen Abhilfemaßnahmen gegen PN-Drift. Eine Optimierung von Injektorinnenströmung und Injektorkuppengeometrie kann eine signifikante Reduzierung der Injektorspitzenbenetzung erzielen, die zu deutlich erhöhter Robustheit gegenüber dem Ablagerungsaufbau führt, BILD 7. Dazu wurden verschiedene Werkzeuge wie CFD-Simulation, detaillierte und hochfrequente Sprayvermessung
BILD 7 Partikelentstehung an der DI-Injektorspitze sowie Injektorspitzenbenetzung und stationäre PN-Emission nach Optimierung im Vergleich zur Basis und zum Injektorzustand ohne Ablagerungen (© Bosch)
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BILD 8 Einfluss des Systemdrucks auf SMD, Air-Entrainment und Wandfilmauftrag (© Bosch)
im Nah- und Fernfeld sowie Motoruntersuchungen genutzt. Durch diese Optimierungsmaßnahmen reduzieren sich die PN-Emissionen von der Injektorspitze deutlich. BILD 7 zeigt den erreichten Stand im Vergleich zur Basis sowie zum sauberen Injektorzustand ohne Ablagerungen bei 20 MPa. Die mit dem HDEV6 mögliche Systemdruckerhöhung auf 35 MPa steigert die Robustheit gegenüber der PN-Drift nochmals deutlich [1]. Weiterhin resultiert die Einspritzdruckanhebung über bessere Zerstäubung in einer Absenkung der mittleren Tropfengröße (SMD) und erhöht daher die zur Kraftstoffverdunstung verfügbare Flüssigkeitsoberfläche, BILD 8 (links). Gleichzeitig steigt der Eintrag von Umgebungsluft in das Spray (AirEntrainment), BILD 8 (Mitte), mit dem Enthalpie für die Kraftstoffverdunstung
zugeführt wird, signifikant an. Damit folgt das Spray der Luftströmung deutlich besser, sodass der für die Partikelentstehung an Kolbenboden und Zylinderlaufbahn verantwortliche Wandfilmauftrag bei Einspritzdruckanhebung erheblich reduziert wird. Dies zeigen Grundlagenuntersuchungen zum Wandfilmauftrag von Kraftstoffsprays, BILD 8 (rechts) [5]. Bei Kombination aller Hardwaremaßnahmen sowie einer Applikationsoptimierung können die Partikelanzahlemissionen unter RDE-Bedingungen bei Motorstart, beziehungsweise bei Umgebungstemperaturen von 20 °C, um circa 80 % reduziert werden, BILD 9. Tieftemperaturrandbedingungen stellen bezüglich der Partikelemissionen aufgrund verzögerter Kraftstoffverdunstung infolge kalter Brennraumwände und niedriger Gastemperatur im Zylinder
eine besondere Herausforderung dar. Hier ist neben der Umsetzung aller zur Verfügung stehenden innermotorischen Maßnahmen sowie einer weiterentwickelten Applikation und schnellster Regelbereitschaft der Lambdasonde der Einsatz eines Gasoline Particulate Filters (GPF) erforderlich, um zukünftig die Hersteller bei der Erreichung der angestrebten RDE-Konformitätsfaktoren von 1,0 unterstützen zu können, BILD 9. Um die funktionalen Potenziale des DI-Injektors maximal auszuschöpfen, ist eine optimale Integration in das individuelle Motorkonzept und Brennverfahren des Kunden erforderlich. Innerhalb des Bosch-Geschäftsbereichs Gasoline Systems wurde dazu eine übergreifende Projektorganisation etabliert. Der kombinative Einsatz der verfügbaren Analyseund Entwicklungswerkzeuge zur Injek-
BILD 9 Status der innermotorischen PN-Absenkung im RTS-aggressive- Zyklus bei 20 °C sowie der PNAbsenkung im Bosch-RDEFahrz yklus bei -7 °C (© Bosch)
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BILD 10 Injektor-, Spray- und Brennverfahrensentwicklung bei Bosch (© Bosch)
tor-, Spray- und Brennverfahrensentwicklung von der Komponente bis zum Gesamtfahrzeug, BILD 10, sowie eine enge Zusammenarbeit mit dem Kunden bereits in der frühen Phase der Motorenentwicklung sind wesentliche Voraussetzungen, um optimale Gesamtergebnisse zu erzielen. ZUSAMMENFASSUNG
Ausgehend von den Anforderungen seitens Marktentwicklung, Gesetzgebung und Endkunden entwickelte Bosch eine neue Generation von Benzindirekteinspritzsystemen. Wesentliche Eigenschaften sind eine optimierte Gemischaufbereitung für niedrigere Partikelemissionen durch Systemdruckanhebung auf 35 MPa bei gleichzeitiger NVH-Verbesserung, ein erweiterter, eng tolerierter Injektorbetriebsbereich mit CVO3-Software-Funktionalitäten und Qstat-Adaption sowie eine verbesserte Mehrfacheinspritzfähigkeit. Eine optimierte Injektorkuppengeometrie trägt zusätzlich zur Reduzierung der Partikelemissionen infolge eines Kraftstoffwandfilms auf der Injektorspitze bei. Die neue Generation zeichnet sich durch hohe Kompaktheit, Modularität und Flexibilität zur Erfüllung kundenspezifischer Anforderungen aus und ist für den weltweiten Einsatz bezüglich EVAP, Useful Life und Kraftstoffqualitäten ausgelegt. Mit der neuen Generation können nach Optimierung von DI-Injektor und Applikation die Partikelanzahlemissionen MTZ 07-08|2017 78. Jahrgang
unter RDE-Randbedingungen um circa 80 % reduziert werden. Bei besonders anspruchsvollen Tieftemperaturrand bedingungen ist neben der Umsetzung aller zur Verfügung stehenden inner motorischen Maßnahmen sowie einer weiterentwickelten Applikation und schnellster Regelbereitschaft der Lambdasonde der Einsatz eines Gasoline Particulate Filters (GPF) erforderlich, um zukünftig die Hersteller bei der Erreichung der angestrebten RDE-Konformitätsfaktoren von 1,0 unterstützen zu können. Um die optimale Integration des Bosch-DI-Injektors in das individuelle Motorkonzept und Brennverfahren gemeinsam mit dem Kunden bestmöglich zu realisieren, wurde innerhalb des Geschäftsbereichs Gasoline Systems eine übergreifende Projektorganisation etabliert, die alle bei Bosch verfügbaren Analyse- und Entwicklungswerkzeuge von der Komponente bis zum Gesamtfahrzeug einsetzt. Die neue Generation Benzindirekteinspritzsysteme wird aktuell in Serie eingeführt, schrittweise in das weltweite Produktionsnetzwerk ausgerollt und nutzt dabei einen durchgängigen Industrie-4.0-Wertstrom.
Cooperation; 7 th IFAC Symposium on Advances in Automotive Control, Tokio, 2013 [3] Kufferath, A.; Berns, S.; Hammer, J.; Busch, R.; Frank, M.; Storch, A.: EU 6 als Herausforderung für die Benzindirekteinspritzung – Eine Bewertung zukunftsfähiger Systemansätze. 33. Internationales Wiener Motorensymposium, 2012 [4] Wiese, W.; Kufferath, A.; Storch, A.; Rogler, P.: Anforderungen an den Mehrlochinjektor zur Erfüllung zukünftiger Emissionsgrenzwerte beim direkteinspritzenden Ottomotor. 2. Internationaler Motorenkongress, Baden-Baden, 2015 [5] Kufferath, A.; Samenfink, W.; Hammer, J.; Schulz, F.; Könnig, M.; Schmidt, J.: Charak terisierung des Wandfilms relevanter Betriebs bedingungen für einen direkteinspritzenden Otto motor als Grundlage zur Schadstoffminimierung. 10. Tagung Motorische Verbrennung, München, 2011
DANKE Die Autoren bedanken sich herzlich bei Dr.-Ing. Wolfram Wiese, Dr.-Ing. Philipp Rogler und Dr.-Ing.
LITERATURHINWEISE [1] Kufferath, A.; Wiese, W.; Samenfink, W.; Dageförde, H.; Knorsch, T.; Jochmann, P.: Assessment of Feasible System Solutions for Future Particle Emission Requirements; Tagung IMECHE – Fuel Systems for IC Engines, London, 2015 [2] Schlüter, R.; Kümpel, J.; Okuyama, H.: Mecha tronic Component Packages within Gasoline Direct Injection Systems and their Impact on OEM-Supplier-
Martin Schmitt für die Unterstützung bei der Erstellung dieses Beitrags.
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