Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

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4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 275

Diese frühe Lage begründet sich aus der zeitlichen Kopplung von Einspritzende

und Zündzeitpunkt und ist grundsätzlich mit einem Verlust an Wirkungsgrad

verbunden. Die Darstellung des Schichtbetriebs ist bei den hier vorliegenden ho-

hen globalen Luftverhältnissen von essentieller Bedeutung für das Brennverfah-

ren. Wird die Einspritzung nach spät verlagert, besteht die Gefahr einer Benetzung

des Kolbens mit dem flüssigen Kraftstoff. Bei späterer Zündung ist die Schichtung

der Kraftstoffwolke nicht mehr ausreichend, sodass die Entflammbarkeit des Ge-

misches aufgrund der sehr mageren und zunehmend homogeneren Zusammenset-

zung stark beeinträchtigt wird. Einen positiven Effekt auf die Lage des Verbren-

nungsschwerpunktes hat ein erhöhter Restgasanteil, da die Entflammung verzögert

und die Brenndauer verlängert wird.

Ein aufgeladener Motorbetrieb mit Schichtladung ist zwar möglich, aufgrund

des durch die Aufladung turbulenteren Strömungsfeldes jedoch insbesondere bei

luft- und wandgeführten Verfahren schwieriger zu realisieren. Aus der bei diesen

Verfahren notwendigen, speziellen Brennraumform (Kolbenbodenform) resultiert

in Kombination mit der Aufladung eine erhöhte Klopfneigung im volllastnahen

Bereich. Im Sinne hoher Wirkungsgrade ist die Absenkung des effektiven Ver-

dichtungsverhältnisses durch variable Ventilsteuerung (z.B. durch das Laststeuer-

verfahren SES) einer Spätverstellung des Zündwinkels vorzuziehen [WIR00], da

die Abgastemperatur durch die mit späten Zündwinkeln verbundene, deutliche

Spätverlagerung der Verbrennung nicht erhöht wird. Zur Darstellung hoher Luft-

verhältnisse im Betriebsbereich mit Ladungsschichtung sind hohe Ladedrücke

erforderlich, die aufgrund des unzureichenden Abgasenthalpieangebotes (geringe

Abgastemperatur) jedoch nicht ohne Zusatzmaßnahmen bereit gestellt werden

können.

Der Betriebsbereich, in dem Schichtladung möglich ist, kann durch die Aufla-

dung geringfügig zu höheren Lasten verschoben werden, sofern ein höheres Luft-

angebot vorliegt. Unter dieser Voraussetzung ist eine Reduzierung der Rußbildung

möglich, da weniger lokal fette Gemischbereiche sowie ein generell höheres Tur-

bulenzniveau vorliegen [TRA03]. Hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs im NEFZ

ist jedoch der drehmomentbezogene Schichtbetriebsbereich maßgeblich, sodass

potenzielle Kraftstoffverbrauchsvorteile aus der Erweiterbarkeit des Schichtlade-

betriebsbereichs bei Downsizing-Konzepten weitgehend kompensiert werden

[BOR02b]. Derzeitige, freisaugende BDE-Konzepte gestatten einen Schichtlade-

betrieb nur im Bereich

< 6 bar. Da der Betriebsbereich bei Hochlastkonzepten

dennoch überwiegend bei höheren Lasten liegt, erscheint der Motorbetrieb mit

Schichtladung bei hochaufgeladenen Motoren zumindest heute noch nicht

zweckmäßig. Der hohen Komplexität geschichteter Verfahren, die zur Darstellung

hoher Lasten stets in Kombination mit homogenen Brennverfahren betrieben wer-

den müssen, steht ein vergleichsweise geringer Zeitanteil im Schichtladebetrieb

gegenüber. Darüber hinaus kann eine Ausweitung des Schichtladebetriebs zu

höheren Drehzahlen mit Hilfe der Aufladung nicht erreicht werden, da die Ge-

mischbildung in dem sehr kleinen, zur Verfügung stehenden Zeitfenster nicht

gelingt und ein stabiler Transport der Gemischwolke zur Zündkerze aufgrund des

höheren Turbulenzniveaus nicht gewährleistet ist. Insbesondere für aufgeladene

Für BDE-Ottomotoren ist das stabil arbeitende, strahlgeführte Brennverfahren

276 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

allen anderen Verfahren vorzuziehen, da nur mit der Strahlführung deutliche Vor-

teile in einem erweiterten Kennfeldbereich nutzbar sind.

[STO00, LAK04] berichten über ein Mager-Brennverfahren mit Abgasturbo-

aufladung, das sogenannte Lean-Boost-Konzept (LBDI – L

ean Boost Direct Injec-

tion), das nahezu im gesamten Kennfeld ein homogenes Gemisch mit einem Luft-

verhältnis von

Ȝ § 1,4 aufweist. Im unteren Kennfeldbereich kann der Motor zu-

dem geschichtet und mit Abgasrückführung betrieben werden. Abb. 4.92 zeigt den

erreichbaren indizierten Mitteldruck in Abhängigkeit des Luftverhältnisses sowie

das Motorkennfeld.

Abb. 4.92. Mager-Brennverfahren mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung

(LBDI) der Fa. Ricardo [LAK04]

Beim klassischen Saugmotor und beim LBDI-Konzept sinkt der erreichbare

Mitteldruck mit steigendem Luftverhältnis generell ab. Mit zunehmendem Luft-

verhältnis sinkt die Klopfempfindlichkeit aufgrund des sinkenden Temperaturni-

veaus ab. Allerdings wird gleichzeitig auch die Entflammbarkeit des Gemisches

erschwert. Für den Motorbetrieb existieren daher zwei Grenzen, am linken Rand

die Stabilitätsgrenze und die Magerlaufgrenze am rechten Rand. Links wird die

Grenze der Verbrennungsstabilität durch die klopfbedingte Spätverstellung der

Zündung erreicht, da die Standardabweichung des Mitteldruckes deutlich ansteigt.

Die Magerlaufgrenze ist durch die Entflammbarkeit des Gemisches gegeben. Ein

steigender Ladedruck verschiebt beide Grenzen zu höheren Luftverhältnissen und

Mitteldrücken. Durch Aufladung können daher sowohl der erreichbare Mittel-

druck als auch das Luftverhältnis gleichzeitig angehoben werden. Infolge der beim

Magerbetrieb reduzierten Klopfneigung ist trotz Aufladung ein Verdichtungsver-

hältnis von

İ = 11,5-12 bei Verwendung von Kraftstoff mit 95 ROZ möglich. Das

geringe Temperaturniveau des Magerbetriebs vermeidet die sonst bei hoher Leis-

tung notwendige Gemischanfettung zum thermischen Bauteilschutz und gestattet

die Verwendung von VTG-Turboladern. Hierdurch können sowohl das stationäre

4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 277

Volllast-Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen als auch das Ansprechverhalten

positiv beeinflusst werden. Zur Verbesserung der Verbrennungsstabilität dient

eine intensivere Ladungsbewegung, höhere Zündenergie sowie die bei der Direkt-

einspritzung mögliche Mehrfacheinspritzung. Hierbei wird der Einspritzvorgang

durch zwei Teileinspritzungen aufgeteilt, wobei das Massenverhältnis vom Be-

triebspunkt abhängig ist [ALT01]. Die erste Teileinspritzung erfolgt im Ansaug-

takt und stellt ein homogen-mageres, nicht zündfähiges Gemisch bereit, während

durch eine spät gelagerte, zweite Einspritzung eine lokale Ladungsschichtung im

Bereich der Zündkerze erzeugt wird, die zur Senkung der

-Schwankungen

führt. Mit der ersten Teileinspritzung wird die Dauer der zweiten Einspritzung so

weit verringert, dass Spritzbeginn und –ende in einem günstigen Kurbelwinkel-

fenster liegen, sodass neben der Verbrennungsstabilität auch die Rußemission

deutlich verbessert wird. Für einen Mittelklasse-Pkw wird mit dem LBDI-Konzept

im Vergleich zu einem Saugmotor mit über 30% mehr Hubvolumen zwischen 12

und 16% weniger Kraftstoff im NEFZ verbraucht.

4.3.3 Dieselmotorische Hochlast-Brennverfahren

Moderne Dieselmotoren verfügen nahezu ausschließlich über Abgasturboaufla-

dung und direkte Kraftstoffeinspritzung mit hohen Einspritzdrücken. Sie weisen

daher bereits heute die wesentlichen Systemkomponenten und Merkmale zur Dar-

stellung hoher spezifischer Leistungen und Drehmomente auf, die zur Realisie-

rung niedriger Kraftstoffverbräuche erforderlich sind. Es ist daher festzuhalten,

dass sich Downsizing in Form von Hochlastkonzepten beim dieselmotorischen

Brennverfahren bereits durchgesetzt hat. Im Vergleich zum Ottomotor liegen die

maximalen Mitteldrücke zwar auf vergleichbarem Niveau, jedoch kann der Otto-

motor hinsichtlich der Leistungsdichte aufgrund seiner höheren Nenndrehzahl

Vorteile verbuchen.

Hinsichtlich des dieselmotorischen Brennverfahrens sind die folgenden Be-

triebs- und konstruktiven Parameter von besonderer Bedeutung: Geometrische

Verdichtung, Ladedruck, Kolbenmuldengeometrie, Düsen- und Spritzlochgeomet-

rie, Ladungsbewegung, Einspritzdruck, Abgasrückführrate sowie der zeitliche

Einspritzverlauf. Diese Parameter stellen damit die wesentlichen Stellgrößen zur

Weiterentwicklung des Dieselmotors dar.

Neue Technologien zum Downsizing können sich nur dann durchsetzen, wenn

sie mit einer gleichzeitigen Verbesserung des Schadstoffemissionsverhaltens ein-

her gehen. Dabei wird es zunehmend schwieriger, die Emissionen allein innermo-

torisch zu senken, sodass auch Systeme zur Abgasnachbehandlung vermehrt ein-

gesetzt werden müssen, die u.U. zu einer Verbrauchserhöhung führen. Dennoch

bestehen auch beim Dieselmotor weitere Potenziale zur Wirkungsgradsteigerung,

die insbesondere durch Weiterentwicklung des Einspritzsystems und der Aufla-

dung sowie durch eine Erhöhung der thermomechanischen Belastbarkeit relevan-

ter Motorkomponenten nutzbar sind. Aber auch zusätzliche Maßnahmen zur Ab-

senkung der Schadstoffe wie z.B. Abgasrückführung und Variabilitäten in der

Ventilsteuerung sind notwendig, um den Vorgaben der Emissionsgesetzgebung zu

278 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

genügen. Die zukünftige Leistungsfähigkeit dieser Teilsysteme bestimmt beim

Dieselmotor daher den weiteren Anstieg von maximalem Mitteldruck und Leis-

tungsdichte.

Steigende Motorlasten führen tendenziell zu höheren Schadstoffemissionen. Da

Downsizing-Konzepte auf einem erhöhten Lastniveau betrieben werden, ist die-

sem Sachverhalt besondere Beachtung zu schenken. Die größte Herausforderung

besteht beim dieselmotorischen Hochlastkonzept daher in der Absenkung der

Schadstoff-Rohemissionen, insbesondere von NO

- und Partikel, um zukünftige

Grenzwerte einhalten zu können. Maßnahmen zur Wirkungsgradsteigerung haben

sich diesen gesetzlichen Vorgaben weitgehend unterzuordnen. Hauptproblem ist

das beim Dieselmotor typische gegenläufige Verhalten der Ruß- und Stickoxid-

Rohemission (Ruß-NO

-Trade-Off), Abb. 4.93.

Abb. 4.93. Ruß-NO

-Tradeoff bei der heterogenen dieselmotorischen Verbrennung

Niedrige Temperaturen und Luftmangel fördern die Rußbildung und senken die

Stickoxidbildung. Ein früher Einspritzbeginn, eine geringe AGR-Rate und hohe

Einspritzdrücke wirken sich generell positiv auf die Rußemission und negativ auf

die Stickoxidemission aus. Eine deutliche Absenkung beider Schadstoffe erfordert

eine sehr gute Feinabstimmung aller brennverfahrensrelevanten Parameter oder

gänzlich neue Ansätze. Ein Beispiel für ein neuartiges Brennverfahren stellt das

sogenannte HCCI-Verfahren (H

omogeneous Charge Compression Ignition) dar,

bei dem vor Zündbeginn ein stark homogenisiertes Gemisch vorliegt. Mit diesen

neuen Ansätzen ist jedoch ein Betrieb bei hohen Motorlasten noch nicht möglich.

Im Hinblick auf die Realisierung hoher spezifischer Leistungen wird das hetero-

gene Brennverfahren deshalb für die nächsten Jahre weiterhin bestimmend sein.

In Abb. 4.94 ist der Einfluss von Einspritzbeginn, AGR-Rate und Luftverhält-

nis auf die relevanten Emissionen sowie den Kraftstoffverbrauch am Beispiel

eines direkteinspritzenden Nutzfahrzeugmotors dargestellt. Im Interesse eines

niedrigen Verbrauchs sind ein früher Einspritzbeginn und ein hoher Luftüber-

schuss anzustreben. Beide Maßnahmen senken die Rußemission. Ein früher Ein-

spritzbeginn verlängert jedoch den Zündverzug, da das Druck- und Temperaturni-

veau im Brennraum noch vergleichsweise niedrig ist. Während dieser Zündver-

zugszeit wird daher relativ viel Kraftstoff vor Zündbeginn eingespritzt, der dann

schnell umgesetzt wird und zu hohen Stickoxid- und Geräuschemissionen führt.

4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 279

Damit die Stickoxidemissionen begrenzt werden können, sind daher– auch im

oberen Lastbereich – hohe Abgasrückführraten erforderlich. Entscheidend für eine

deutliche Absenkung der NO

-Emissionen bei gegebener AGR-Rate ist dabei eine

gute Durchmischung von Abgas und Luft.

Abb. 4.94. Einfluss einiger Brennverfahrensparameter auf die Schadstoffemission und den

Kraftstoffverbrauch eines Nfz-Dieselmotors [BIN03]

Da das zyklusrelevante Mitteldruckniveau bei Downsizing-Konzepten angeho-

ben wird, werden bei Einsatz von Abgasrückführung zur innermotorischen Stick-

oxidreduzierung besondere Anforderungen an das Aufladesystem gestellt. Hierbei

sind auch bei sehr hohen Motorlasten vergleichsweise hohe AGR-Raten zuzufüh-

ren, die zur Beibehaltung des geforderten Luftverhältnisses deutlich höhere Lade-

drücke erfordern. Sowohl ein früher Einspritzbeginn als auch ein hoher Luftüber-

schuss führen zu einer Steigerung des Zylinderspitzendruckes sowie zu einer Ab-

senkung der Partikelemission und des Kraftstoffverbrauchs, Abb. 4.95.

Abb. 4.95. Einfluss von Einspritzbeginn und Ladedruck auf die Partikelemission und den

Zylinderspitzendruck eines Nfz-Dieselmotors [BIN03]

280 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Die erhöhten thermomechanischen Belastungen zukünftiger Dieselmotoren

müssen durch geeignete Werkstoffwahl und konstruktive Lösungen beherrschbar

sein. Eine weitere Möglichkeit zur Absenkung der Stickoxidemissionen ist die

intensive Rückkühlung der Ladeluft [SCH91]. Zwischen der Ladelufttemperatur

und der NO

-Emission besteht ein direkter Zusammenhang. Speziell bei hochauf-

geladenen Motoren stellt die Ladeluftkühlung daher einen unverzichtbaren Be-

standteil des gesamten Motorsystems dar.

Das geometrische Verdichtungsverhältnis ist ein grundlegender Konstruktions-

parameter, der auch für das Brennverfahren und damit für den Wirkungsgrad und

die Schadstoffemission sowie für die Motormechanik Bedeutung hat. Bezüglich

der Festlegung des Verdichtungsverhältnisses müssen zwei Kriterien erfüllt wer-

den. Zum einen besteht die Forderung nach einem sicheren Kaltstart und einem

guten Leerlaufverhalten nach dem Kaltstart, sodass die Verdichtung möglichst

hoch gewählt werden sollte. Auf der anderen Seite führen hohe geometrische

Verdichtungen zu hohen, maximalen Zylinderdrücken und Prozesstemperaturen.

Im Interesse beherrschbarer Motorbelastungen und der Einhaltung der Schadstoff-

grenzwerte muss die Verdichtung daher nach oben begrenzt werden.

Abbildung 4.96 zeigt den Einfluss des Verdichtungsverhältnisses in Abhängig-

keit von Ladedruck und Ansaugtemperatur auf den Verdichtungsenddruck und die

Verdichtungsendtemperatur auf. Die Diagramme gelten unter der Voraussetzung

isentroper Verdichtung und berücksichtigen keinen Wandwärmeübergang und

keine Verbrennung. Durch die Verbrennung werden zwar deutlich höhere Tempe-

raturen und Drücke erreicht, zur Beschreibung des grundsätzlichen Einflusses der

genannten Parameter reicht aber eine Betrachtung des Verdichtungstaktes aus.

Zudem ist die absolute Höhe dieser Prozessgrößen von zahlreichen brennverfah-

rensspezifischen Parametern wie z.B. Einspritzbeginn, Einspritzdauer, Düsengeo-

metrie, Einspritzdruck etc. abhängig.

Abb. 4.96. Einfluss der geometrischen Verdichtung, des Ladedruckes sowie der Ansaug-

temperatur auf den Verdichtungsenddruck und die Verdichtungsendtemperatur

4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 281

Eine hohe Verdichtung wirkt sich zwar generell positiv auf den Wirkungsgrad

aus, sie führt jedoch zu hohen Zylinderspitzendrücken sowie hohen maximalen

Prozesstemperaturen, welche die NO

-Emissionen entsprechend erhöhen. Infolge

des gestiegenen Anteils der Brennraumspalte am gesamten Brennraumvolumen

werden auch mehr unverbrannte Kohlenwasserstoffe emittiert. Da eine Steigerung

der Verdichtung auch die Abgastemperatur reduziert, wird in geringem Ausmaß

auch die Partikelemission erhöht, da sich die Rußoxidation während der Aus-

brandphase verschlechtert.

Bezüglich einer Senkung der Schadstoffemissionen ist demnach die Reduzie-

rung der geometrischen Verdichtung ein probates Mittel, zumal diese Maßnahme

hinsichtlich der thermomechanischen Motorbelastung weiteren Spielraum zur

Steigerung der spezifischen Leistung eröffnet. Aus diesen Gründen konnte bei

direkteinspritzenden und turboaufgeladenen Pkw-Dieselmotoren in den letzten

Jahren eine Senkung des Verdichtungsverhältnisses beobachtet werden, wie

Abb. 4.97

zeigt.

Abb. 4.97. Zeitlicher Verlauf des mittleren Verdichtungsverhältnisses von Pkw-

Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung

Diese Maßnahme wurde möglich, da verbesserte Einspritzsysteme – diese be-

wirken eine schnelle Gemischbildung durch hohe Einspritzdrücke und kleine

Spritzlochdurchmesser – zusammen mit leistungsfähigeren Glühkerzen eine kurze

Startzeit sowie gute Kaltstartleerlaufeigenschaften gewährleisten [STA03].Trotz

Absenkung der geometrischen Verdichtung sind mit der Leistungsdichte auch die

Zylinderspitzendrücke angestiegen.

Abb. 4.98 veranschaulicht dies beispielhaft an

turboaufgeladenen Pkw-Dieselmotoren, welche die gültigen Abgasnormen erfül-

len und eine Nenndrehzahl bis 4.100 1/min aufweisen. Darüber hinausgehende

Nenndrehzahlen von 5.000-6.000 1/min gestatten zwar eine weitere Steigerung

der Leistungsdichte bei moderaten Zylinderspitzendrücken. Mit diesen dieselmo-

torischen Hochdrehzahlkonzepten sind jedoch weder Verbrauchseinsparungen zu

erwarten, noch ist hiermit aufgrund der stark erhöhten Partikelemission infolge

unzureichender Gemischbildung die Emissionsgesetzgebung ohne Abgasnachbe-

handlung zu erfüllen [COO03].

282 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Abb. 4.98. Zylinderspitzendrücke von Pkw-Dieselmotoren in Abhängigkeit der Leistungs-

dichte

Je höher das Verhältnis von Zylinderspitzendruck zum Mitteldruck ausfällt,

desto höher ist in erster Näherung der Wirkungsgrad des Motors [TEE97]. Dies

wird bereits anhand der einfachen Vergleichsprozesse deutlich und zeigt, dass

zukünftige dieselmotorische Hochlast-Konzepte im Interesse eines niedrigen

Kraftstoffverbrauchs für steigende Spitzendrücke ausgelegt sein müssen. Während

der maximale Zylinderdruck aktueller Pkw-Dieselmotoren zwischen 140 und 180

bar liegt, müssen zur Darstellung höherer Leistungsdichten Zylinderspitzendrücke

bis über 200 bar in Kauf genommen werden. Das Streuband ist bedingt durch die

Auslegung des Brennverfahrens und gibt den Einfluss zahlreicher Parameter so-

wie der Abgasgesetzgebung wieder. Spezifische Leistungen von 70 kW/dm

füh-

ren zu Zylinderspitzendrücken zwischen 180 und 210 bar, während eine Leis-

tungsdichte von 80 kW/dm

Zünddrücke von mehr als 190-220 bar erfordert.

Hierbei sind einstufige Aufladesysteme infolge des unzureichenden transienten

Betriebsverhaltens bei niedrigen Drehzahlen sowie der Schadstoffproblematik

nicht mehr ausreichend. Die hohen AGR-Raten, die bei diesen Leistungsdichten

auch im oberen Lastbereich zugeführt werden müssen, sind nur mit zweistufigen

Aufladesystemen darstellbar. Diese ermöglichen eine günstige Motorcharakteris-

tik, trotzdem das Abgasenthalpieangebot an der Turbine infolge der Abgasrück-

führung absinkt. Darüber hinaus bewirkt der reduzierte Abgasgegendruck bei

zweistufigen Aufladesystemen einen geringeren Kraftstoffverbrauch. [BIN03] gibt

für zukünftige Nfz-Dieselmotoren ein Spitzendruck-Mitteldruck-Verhältnis von

10-11 an. Für effektive Mitteldrücke von 25 bar bedeutet das einen maximalen

Zylinderdruck von 250-275 bar.

Gerade in Verbindung mit hohen Mitteldrücken und kleinen Brennräumen –

wie dies bei Downsizing-Konzepten charakteristisch ist – müssen große Kraft-

stoffmengen innerhalb kürzester Zeit eingespritzt und verdampft werden. In An-

betracht dessen muss das Einspritzsystem in der Lage sein, eine sehr große Sprei-

4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 283

zung der Kraftstoffmengen zwischen Leerlauf und Nennleistung zu ermöglichen.

Erschwerend kommt hinzu, dass kleinere Brennräume eine geringere Vor- oder

Piloteinspritzmenge benötigen, als das Verhältnis der Hubvolumina erwarten ließe

[HER00]. Bei Zylinderhubvolumina von etwa 300 cm

müssen Kleinstmengen

von 0,5 mm

zuverlässig und reproduzierend dargestellt werden, um ein ähnliches

Emissions- und Geräuschniveau wie größere Motoren zu erreichen.

Bei konventionellen Einspritzsystemen führt die Forderung nach einer erhöhten

Einspritzmasse entweder zu längeren Spritzdauern oder zu einem höheren Ein-

spritzdruck. Da der Einspritzbeginn aufgrund der NO

-Emission nicht nach „früh“

verlegt werden kann, bewirkt eine längere Einspritzdauer ein spätes Ende der

Einspritzung. Daraus ergeben sich zwei Nachteile: Zum einen wird der Verbren-

nungsschwerpunkt weiter in den Expansionstakt verschoben, was unweigerlich zu

einem höheren Kraftstoffverbrauch führt. Andererseits wird die zur Rußoxidation

verfügbare Zeitdauer verkürzt, sodass sich eine höhere Partikelemission einstellt.

Zur Darstellung hoher Volllast-Mengen wäre zwar der Einsatz von Düsen mit

höherem hydraulischen Durchfluss (größere Spritzlochdurchmesser) ohne Verlän-

gerung der Einspritzdauer oder Erhöhung des Einspritzdruckes möglich, jedoch

wird aufgrund der tendenziell größeren Tropfendurchmesser die Gemischbildung

negativ beeinflusst. Dies führt zu höheren Partikelemissionen sowohl in der Teil-

last als auch in der Volllast. Da die Ladungsdichte bei Einspritzbeginn im Teil-

lastbereich aufgrund der geringeren Ladedrücke niedriger ausfällt als bei Volllast,

dringen die Einspritzstrahlen schneller und weiter in den Brennraum ein, sodass

die Gefahr einer Wandinteraktion besteht, die aus Emissionsgründen zu vermeiden

ist.

Die mit steigenden Leistungsdichten zunehmende Spreizung des Kraftstoffmas-

senstroms ist ursächlich für die Forderung nach flexiblen Einspritzdüsen mit vari-

ablem Durchflussquerschnitt, sogenannte Variodüsen, mit dem Ziel einer vom

Motorbetriebspunkt abhängigen Steuerung von Einspritzverlauf, Durchfluss und

Einspritzmenge. Eine möglichst exakte Dosierbarkeit des Kraftstoffes ist auch

Voraussetzung, um den Abstand von der Rußgrenze mit dem Ziel hoher Motor-

leistung reduzieren zu können. Damit kann die globale Gemischzusammensetzung

in Richtung des stöchiometrischen Betriebs verlagert werden. Die Einspritzver-

laufsformung als weitere Möglichkeit zur innermotorischen Schadstoffsenkung

bedient sich der Mehrfacheinspritzung und/oder Druckmodulation. Hiermit sind

deutliche Vorteile zu realisieren. Grundsätzlich besteht jedoch bei beiden Verfah-

ren die Frage nach den Toleranzen und der Langzeitstabilität.

Variable Düsenkonzepte mit parametrierbaren Durchflusswerten können hier

deutliche Vorteile schaffen. So erscheint es möglich, mit einem Variodüsenkon-

zept einen Motorbetrieb mit nur einer Einspritzung und entsprechenden Emissi-

onsvorteilen in Kombination mit niedrigem Geräusch zu realisieren. Generell

nimmt das Verbrennungsgeräusch mit sinkendem hydraulischen Durchfluss der

Einspritzdüse ab, sodass u.U. auf eine Voreinspritzung verzichtet werden kann,

die hinsichtlich NO

und Ruß stets Nachteile aufweist. Dabei kennzeichnet der

hydraulische Durchfluss

hydr

, welcher von der Anzahl, der Form und dem

Durchmesser der Spritzlöcher bestimmt wird, das durch die Einspritzdüse wäh-

284 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

rend einer Zeitdauer von 30 s bei einem Einspritzdruck von 100 bar strömende

Kraftstoffvolumen.

Firma Bosch hat ein System vorgestellt, welches eine Doppel-Düsennadel und

zwei übereinander angeordnete Spritzlochreihen beinhaltet [DOH03a]. Für untere

und mittlere Teillast öffnet die äußere Nadel den oberen Lochkreis mit Spritzloch-

durchmessern von weniger als 100 µm, wodurch ein geringer Zündverzug und ein

niedriges Verbrennungsgeräusch erzielt werden. Durch Öffnen der inneren Dü-

sennadel werden die unteren Spritzlöcher aktiviert, um die für die Volllast erfor-

derlichen großen Kraftstoffmengen einzuspritzen. Damit ist eine Boot-

Einspritzung ohne Drosselung oder Druckmodulation möglich. Abb. 4.99 verdeut-

licht das Arbeitsprinzip.

Abb. 4.99. Konzept der Bosch-Variodüse

Eine weitere Steigerung des Einspritzdruckes auf Werte deutlich über 2.000 bar

ermöglicht in Verbindung mit einem leistungsfähigen Aufladesystem und geringer

Verdichtung zur Spitzendruckbegrenzung grundsätzlich eine Steigerung der Liter-

leistung auf bis zu 100 kW/dm

, sofern gleichzeitig eine Anhebung der Nenndreh-

zahl auf über 5.000 1/min realisiert werden kann [DOH03a]. Dabei ist darauf zu

achten, dass mögliche thermodynamische Vorteile ggf. durch einen schlechteren

mechanischen Wirkungsgrad aufgezehrt oder sogar überkompensiert werden kön-

nen. Für diesen Fall macht eine weitere Drucksteigerung nur dann Sinn, wenn

damit deutlich niedrigere Rohemissionen möglich werden.

Mit sehr hohen Einspritzdrücken lassen sich generell hohe spezifische Leistun-

gen mit kleinen Durchflusswerten am Spritzloch darstellen. Dies gewährleistet

zudem geringe Partikelemissionen. Um mit einer konventionellen Düse mit ver-

gleichsweise geringem hydraulischen Durchfluss einen weiten Lastbereich bei

konstanter Einspritzdauer abdecken zu können, ist der Einspritzdruck allerdings in

Abhängigkeit der Motorlast zu ändern. Dies stellt hohe Anforderungen an die