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Einspritzung

Pkw-CommonRail-Systeme für künftige Emissionsanforderungen Niedrigere Rohemissionen bei gleichzeitig höherer Motorperformance, ein mit Ottomotoren vergleichbares Geräuschniveau und ein konkurrenzlos niedriger Verbrauch – so lauten die Anforderungen an künftige Dieselapplikationen. Eine der größten Herausforderungen stellen dabei die künftigen EU-Emissionsstandards dar. Zu deren Erfüllung ist eine hochpräzise Zumessung von Dieselkraftstoff in den Brennraum gefordert. Hierbei spielen moderne Einspritzsysteme auch künftig eine Schlüsselrolle. Das funktionale Spektrum der Common-RailSysteme von Bosch von der zweiten bis hin zur vierten Generation bietet ein umfassendes Portfolio an Einspritztechnik, um die genannten Ziele in Kombination mit Motormaßnahmen und der Abgasnachbehandlung zu erreichen.

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Die Autoren 1 Einleitung

Zur Minimierung der Rohemissionen für künftige Emissionsgesetzgebungen auch über die Fahrzeuglebensdauer sind weitere Maßnahmen zur Steigerung der Robustheit des Common-Rail-Systems erforderlich. Im Folgenden wird ein gesamtheitlicher Ansatz hierzu skizziert, und die Kernmerkmale auf Komponenten- und Systemebene werden beispielhaft beschrieben. 2 Herausforderungen für die Weiterentwicklung von Dieselmotoren

Weltweit erfreut sich der Dieselmotor weiterhin zunehmender Beliebtheit. Im westeuropäischen Markt wird mittlerweile etwa jeder zweite neu zugelassene Pkw von einem Dieselmotor angetrieben. In den Dieselhochburgen Österreich, Frankreich und Italien liegen die Marktanteile bei 60 % bis über 70 %, mit weiter steigender Tendenz. Bedingt durch den niedrigen Verbrauch wird der Trend zum Diesel durch das gegenwärtig hohe Preisniveau für Kraftstoffe unterstützt. Zur Attraktivität hat jedoch die technische Entwicklung hin zum sauberen, kultivierten und noch sparsameren Dieselmotor mit Direkteinspritzung wesentlich beigetragen. Dieser erreicht heute spezifische Motorleistungen auf dem Niveau von Ottomotoren sowie Drehmomente in bisher nicht gekannten Größenordnungen. Für die Zukunft muss sich der Dieselmotor weiteren Herausforderungen stellen, für die es gilt, technische Lösungen zu finden. Neben motorseitigen Maßnahmen und technischen Innovationen in der Abgasnachbehandlung stellt das Einspritzsystem nach wie vor eine Schlüsseltechnologie zur Erreichung dieselmotorischer Entwicklungsziele dar. Für die Weiterentwicklung des Dieselmotors wird die Erfüllung künftiger Emissionsstandards die größte Herausforderung sein. Bild 1 zeigt das augenblickliche Szenario für die kommende Euro-5-Norm, das aufgespannt wird durch die Vorschläge vom Bundesministerium für Umwelt (BMU) und dem Umweltbundesamt (UBA). In diesem Bild werden auch die Auswirkungen von Betriebsparameterabweichungen auf das Emissionsverhalten des Fahrzeugs bei einer Motorauslegung gemäß Euro 4 aufgezeigt. Es wird deutlich, dass bereits geringste Veränderungen der Einspritzmenge zu einer deutlichen Änderung der Fahrzeugemissionen führen. Bei einer Motorauslegung für geringere Rohemissionen ist davon auszugehen, dass sich in erster Näherung Mengenabweichungen in glei-

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cher Größenordnung auf das Emissionsergebnis auswirken. Um auch über die Lebensdauer eines Motors die Einhaltung künftiger Vorschriften gewährleisten zu können, bedarf es daher neuer Ansätze, auch in der Entwicklung und Absicherung der Einspritzsysteme. 3 Common-Rail-Systeme von Bosch für künftige Emissionsstandards

Es ist davon auszugehen, dass im EU-Raum künftig in Verbindung mit Dieselmotoren Partikelfilter eingesetzt werden. Die hohe Flexibilität von Common-Rail-Systemen bietet hierfür die idealen Voraussetzungen und wird bereits heute in Serie genutzt. Späte Nacheineinspritzungen ermöglichen eine Abgastemperaturerhöhung für die Regeneration der Partikelfilter. Gleichzeitig tragen bis zu zwei Voreinspritzungen zur Minderung des Verbrennungsgeräuschs bei. Der für Einspritzungen vorgesehene Winkelbereich kann damit 100° und mehr betragen und wird von Common-Rail-Systemen ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen an Motor oder Hydraulik zur Verfügung gestellt. Vor den Szenarien künftiger Emissionsgesetzgebungen wurden bei Bosch bereits frühzeitig die kommenden Anforderungen an Dieseleinspritzsysteme bewertet. Zur Erfüllung der Anforderungen stellt das bereits eingeführte Common-Rail-System der dritten Generation mit Piezo-Inline-Injek-

Friedrich Boecking ist Systembereichsleiter in der Entwicklung von Common-RailInjektoren bei der Robert Bosch GmbH, Stuttgart. Dr. Ulrich Dohle ist Vorsitzender des Bereichsvorstands Dieselsysteme bei der Robert Bosch GmbH, Stuttgart. Dr. Jürgen Hammer ist Systembereichsleiter in der Entwicklung von CommonRail-Systemen bei der Robert Bosch GmbH, Stuttgart. Dr. Stefan Kampmann ist Leiter der Entwicklung von CommonRail-Systemen bei der Robert Bosch GmbH, Stuttgart.

2 Herausforderungen für die Weiterentwicklung von Dieselmotoren

Bild 1: Szenario der Emissionsgesetzgebung und Auswirkungen von Abweichungen der Einspritzmengen Figure 1: Scenario for emissions legislation and impacts of injection quantity deviations

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3 Common-Rail-Systeme von Bosch für künftige Emissionsstandards Bild 2: CommonRail-Piezo-InlineInjektor der dritten Generation Figure 2: Third generation common rail piezo inline injector

Bild 3: Hydraulisch verstärkter Diesel-Injektor (Hydraullically amplified Diesel Injector, HADI) der vierten Generation Common Rail Figure 3: Hydraulically amplified diesel injector (fourth generation common rail)

Bild 4: Abschätzung des zur Erfüllung von angenommenen Euro-5-Grenzwerten (NOx: 125 mg/km, PM: 5 mg/km; Euro-5-Motor + Weiterentwicklung AGR/ATL) erforderlichen Einspritzsystems und des Bedarfs zur NOx-Abgasnachbehandlung in Abhängigkeit von Fahrzeuggewicht und spezifischer Motorleistung Figure 4: Estimates of injection system compliance with assumed Euro 5 limits (NOx: 125 mg/km, PM: 5 mg/km; Euro 5 Engine + further development AGR/ATL) and the requirement for NOx exhaust gas aftertreatment as a function of vehicle weight and specific engine power

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toren einen wichtigen Baustein dar, Bild 2. Deren Einsatz erlaubt bei einem maximalen Systemdruck von 1600 bar (CRS3.0) selbst mit schweren Fahrzeugen die Einhaltung der bereits niedrigen Euro-4Grenzwerte, ohne dass eine über den bekannten Oxidationskatalysator hinausgehende Abgasnachbehandlung erforderlich ist. Dank der Voreinspritzungen setzt dabei das kultivierte Verbrennungsgeräusch Maßstäbe. In den folgenden Betrachtungen wird eine Euro-5-Gesetzgebung angenommen, die sich gemäß derzeitiger Diskussion zwischen den eingangs erwähnten Szenarien von BMU und UBA befindet. Weiterhin wird die Verwendung von Partikelfiltern unterstellt. Mit diesen Prämissen ist zu erwarten, dass bei moderaten spezifischen Motorleistungen bereits das CRS3.0-System in Fahrzeugen bis hin zur Mittelklasse die Erfüllung der Emissionsvorschriften ermöglicht und für viele Anwendungen NOxKatalysatoren vermeidbar sind. Für höhere spezifische Motorleistungen respektive schwerere Fahrzeuge bis zirka 1800 kg erfolgt stufenweise eine Weiterentwicklung der dritten Generation CRS mit Systemdrücken von 1800 bar (CRS3.2) beziehungsweise 2000 bar (CRS3.3). Um auch für den weitergehenden Bedarf ein geeignetes Einspritzsystem bereitstellen zu können, wurden bei Bosch bereits früh die Anforderungen an ein Common-Rail-System der vierten Generation untersucht. Anhand eines hochflexiblen Tools zur Einspritzverlaufsformung wurde zunächst der Motorbedarf für einen idealen Einspritzverlauf ermittelt. Daraus wurden Einspritzsysteme mit entsprechendem Potenzial abgeleitet und einander im internen Wettbewerb gegenübergestellt. Erfolg versprechende Lösungen wurden in Prototypen umgesetzt und am Motor erprobt. Die so gewonnenen Motorergebnisse wurden für die weitere Konzeptauswahl ausgewertet. Zuletzt konzentrierte sich der Konzeptwettbewerb auf die sogenannte VarioDüse und den hydraulisch verstärkten Diesel-Injektor (Hydraulically Amplified Diesel Injector – HADI). Der HADI, Bild 3, wurde dabei als das Konzept identifiziert, das in der Summe seiner Eigenschaften den ermittelten Anforderungen am besten entspricht. Mit Hilfe eines hydraulischen Übersetzungskolbens wird hier der Systemdruck von bis zu 1350 bar auf einen Einspritzdruck von bis zu 2500 bar verstärkt. Der Injektor ist für passive Einspritzverlaufsformung ausgelegt, mit der zu Einspritzbeginn eine geringe Einspritzrate umgesetzt wird. Durch den während der Einspritzung zunehmenden Einspritzdruck

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wird die Einspritzrate auf den systemdruckabhängigen Maximalwert gesteigert. Eine sehr steile Flanke am Einspritzende („rapid spill“) vermeidet, dass mit dem Einspritzende durch unvollständige Verbrennung Ruß und Verkokungen verursacht werden. Der modulare Aufbau der Generationenplanung für Common-Rail-Systeme von Bosch ermöglicht, eine auf das jeweils angestrebte Einsatzgebiet des Motors abgestimmte Systemauswahl zu treffen. In vereinfachender Darstellung zeigt Bild 4 für derzeit diskutierte Euro-5-Grenzwerte eine Abschätzung der Anwendungsmöglichkeiten der unterschiedlichen CommonRail-Systeme; Prämisse ist die Verwendung eines Partikelfilters. Abhängig von Fahrzeuggewicht, spezifischer Motorleistung und angestrebtem Einspritzsystem wird auch der Bedarf für einen NOx-Katalysator abgeschätzt. Mit den getroffenen Annahmen erscheinen Euro-5-Auslegungen für leichte Fahrzeugen bereits mit dem bewährten System der zweiten Generation Common Rail möglich. Über die dritte Generation mit maximalen Systemdrücken von 1600 bis 2000 bar wird ein breites Anwendungsspektrum abgedeckt. Für besonders schwere Fahrzeuge und zur Berücksichtigung anspruchsvoller Anwendungen wird die vierte Generation eine hervorragende technische Lösung darstellen.

Dynamik Diesel-/Benzineinspritzung

Š Entwicklungs-Know-how in den Bereichen Berechnung, Verfahren und Werkstoffe Š Marktführer hinsichtlich Technologie in der Massivumformung von Komponenten aus Stahl und Aluminium für Diesel- und Benzineinspritzsysteme Š Teilespektrum: Injektorkörper, Pumpenkörper, Rails, Antriebswellen, Verteilerflansche, etc. Š Optionale Zerspanung, Fertigbearbeitung und Montage bis hin zur einbaufertigen Komponente

4 Robustheit des Einspritzsystems

Bereits zu Entwicklungsbeginn eines Serienprojekts möchte ein Fahrzeughersteller nach Möglichkeit auf verlässliche Systeme zurückgreifen können. Dies spart Zeit und Ressourcen, weil so der Fokus auf die eigenen Innovationen möglich ist. Um diesem Bestreben entgegen zu kommen, wurde bei Bosch für die Entwicklung von Dieseleinspritzsystemen bereits vor längerer Zeit der Plattformgedanke aufgegriffen mit dem Ziel, für neue Motorprojekte Komponenten bereitzustellen, deren Reifegrad ein solches Vorgehen erlaubt. Angesichts der bevorstehenden Herausforderungen erhält dieser Gedanke stark zunehmende Bedeutung und erfordert darüber hinaus einen ganzheitlichen Ansatz, der nicht nur auf Einzelaspekte eingeht. Ausgehend von widerstandsfähigen Komponenten setzt er sich fort im einwandfreien Zusammenwirken durch eine stabile Systemauslegung. Eine robuste Applikation integriert dieses System in den Motor und das Fahrzeug. Die oben erwähnte weitere Senkung der Emissionsgrenzwerte erfordert neben

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Einspritzung

4 Robustheit des Einspritzsystems

Bild 5: Einflüsse auf das Verhalten eines Dieseleinspritzsystems über seine Lebensdauer Figure 5: The factors affecting the performance of a diesel injection system over its working life

Bild 6: Druckschwingungen als Ursache für Mengenstreuungen und mögliche Gegenmaßnahme Figure 6: Pressure oscillations as the cause of stress on the nozzle needle seat, and proposed countermeasure

Bild 7: Nullmengenkalibrierung zur Regelung der minimalen Voreinspritzmenge Figure 7: Zero-volume calibration for precise pilot injection

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der nominellen Auslegung eines Systems für den Neuzustand das Beherrschen in extrem engen Grenzen von möglichen Abweichungen, die über die Laufzeit auftreten können. Störgrößen wie Verschleiß, schlechte Kraftstoffqualität, Fertigungstoleranzen etc. stehen getroffene Maßnahmen zur Robustheitssteigerung gegenüber. Gemeinsam bestimmen diese Einflussgrößen das Emissionsverhalten über die Lebensdauer, Bild 5. Zur Darstellung eines über die Lebensdauer robusten Einspritzsystems kommt dem Systemverständnis eine zentrale Bedeutung zu. Nur damit ist es möglich, Ursachen für Phänomene zu identifizieren, die auf der gegenseitigen Beeinflussung von Komponenten beruhen und Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Zur Erläuterung dient das folgende Beispiel. Einspritzungen eines Injektors verursachen im Common-Rail-System Druckschwingungen, die bei allen Injektoren beobachtet werden, Bild 6. Bedingt durch die Bohrungslängen innerhalb des Injektors entsteht zwischen Steuerraum und Düsennadelspitze ein Phasenversatz der Druckwellen. Da der Druckunterschied zwischen diesen beiden Stellen die resultierende Nadelkraft bestimmt, wird mit den Druckwellen auch das Nadelöffnungsverhalten und so die Mengengenauigkeit beeinflusst. Als weiteren Effekt verursachen die Druckwellen bei geschlossener Düsennadel zusätzliche Kräfte auf den Nadelsitz. Hierdurch entsteht zusätzliche Reibung zwischen Düsennadel und Düsenkörper gerade dann, wenn der betroffene Injektor nicht einspritzt. Um den Einfluss dieser Druckschwankungen auf die Zumessgenauigkeit zu reduzieren, wird derzeit die Dämpfung durch zusätzliche Totvolumina im Injektor untersucht. Die minimierten Druckschwankungen reduzieren die Einspritzmengenschwankungen, verbessern den Nutzbereich kurzer Spritzabstände und vermindern die Verschleißeinflüsse auf den Düsennadelsitz. Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Maßnahmen zur Robustheit sind intelligente Systemfunktionen, die Abweichungen frühzeitig erkennen und kompensieren. Beispielhaft soll an dieser Stelle die Nullmengenkalibrierung zur verbesserten Präzision der Voreinspritzung erläutert werden, Bild 7. Die Bedeutung der Mengengenauigkeit für Voreinspritzungen auf die Emissionen wurde bereits aufgezeigt. Außerdem beeinträchtigen zu geringe oder gar ausbleibende Voreinspritzmengen das Verbrennungsgeräusch. Basierend auf dem Drehzahlsignal als Eingangsgröße wurde daher mit der Nullmengenkalibrie-

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rung eine Funktion entwickelt, die die Präzision der Voreinspritzmengen dauerhaft gewährleistet. Während der Schubphasen werden kleinste Mengen in die Zylinder eingespritzt. Sobald diese Einspritzungen die thermodynamische Wirkgrenze erreicht haben, sie also groß genug sind, um eine Verbrennung einzuleiten, wird dies über eine hochsensible Drehzahlerfassung erkannt und zylinderselektiv gespeichert. Auf dieser Basis erfolgt eine Kompensation der Voreinspritzmengen. Das während dieser Kalibrierung entstehende Drehmoment ist nur messtechnisch nachzuweisen, und der Vorgang selbst läuft im Fahrbetrieb unbemerkbar ab.

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5 Zusammenfassung

Für die Weiterentwicklung von Dieselmotoren ist die Einhaltung künftiger Emissionsstandards über die Lebensdauer die wichtigste Herausforderung. Hierzu leistet das Einspritzsystem einen wichtigen Beitrag. Aus dem Common-RailPortfolio von Bosch wurde das Anwendungsspektrum der einzelnen Systeme im Hinblick auf die derzeit diskutierten Grenzwerte für Euro 5 dargestellt. Zur Erfüllung der Anforderungen über die Lebensdauer ist die Robustheit des Gesamtsystems von zentraler Bedeutung. Zur Erreichung bedarf es ganzheitlicher Ansätze, in denen Maßnahmen aus alle Disziplinen gefordert sind, angefangen bei der Komponentenentwicklung über Systemauslegung und Applikation bis hin zur Diagnose. ■

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