Beitrag zur Entwicklung eines Einspritzsystems für ein teilhomogenes Brennverfahren in Pkw-Dieselmotoren

Abstract

Die Absenkung der Schadstoffemissionen bei der motorischen Verbrennung ist für Fahrzeughersteller und Umwelt von großer Bedeutung. Dieses Ziel kann erreicht werden, indem bei der Verbrennung weniger Schadstoffe entstehen oder indem eine verbesserte Abgasnachbehandlung die Schadstoffe umwandelt oder herausfiltert. Im Rahmen dieser Arbeit werden innermotorische Maßnahmen zur Senkung der Schadstoffemissionen beim Dieselmotor betrachtet. Im Fokus steht die Anpassung des Einspritzsystems an ein alternatives Brennverfahren. Um die Schadstoff-Emissionen zu senken, kann die Art der Verbrennung verändert werden. Basierend auf einer Kategorisierung der bekannten Ansätze, deren Großteil homogene und teilhomogene Brennverfahren bilden, wird das Brennverfahren "Combined Homogeneous Heterogeneous Combustion" (CHHC) entwickelt. Es handelt sich um ein teilhomogenes Verfahren mit sehr früher und getakteter Einbringung der Homogenmenge sowie einer Heterogenmenge zu einem konventionellen Zeitpunkt. Anhand der Anforderung, die das CHHC-Verfahren an das Einspritzsystem stellt, werden Möglichkeiten zur Optimierung aufgezeigt. Die Vorstellung innovativer Einspritzsysteme liefert einen Überblick über bisher bekannte Ansätze zur Erhöhung der Variabilität, kategorisiert diese nach dem Wirkprinzip und bewertet die Einsatzmöglichkeit. Dabei zeigen zwei Funktionalitäten Potenzial für eine Emissionsreduzierung im CHHC-Betrieb. Ein variabler hydraulischer Durchfluss bietet die Möglichkeit, verschieden große Einspritzmengen mit unterschiedlichem Durchfluss darzustellen. Die Druckmodulation ermöglicht die Veränderung des Einspritzdrucks zu einem frei definierbaren Zeitpunkt im Arbeitsspiel, so dass zwischen zwei Einspritzungen oder auch während einer Einspritzung der Druck gezielt verändert werden kann. Um das Potenzial zur Verringerung von Kraftstoff-Wandkontakt bewerten zu können, wird die Strahleindringtiefe bestimmt. Beim Prinzip des variablen Durchflusses werden kleine Einspritzlöcher für den CHHC-Betrieb genutzt. Die Berechnungen ergeben jedoch eine vergrößerte Eindringtiefe. Diese ist Folge der kleineren Düsenlöcher, welche zu einer höheren Austrittsgeschwindigkeit in Verbindung mit einem schlankeren Strahl führen. Die Simulationsergebnisse für die Druckmodulation zeigen eine verringerte Strahleindringtiefe. Dabei wird die Druckmodulation genutzt, um die frühen Pulse zur Einbringung der Homogenmenge mit einem deutlich abgesenkten Druck einzuspritzen, während die Heterogenmenge mit einem Einspritzdruck über dem maximal möglichen Raildruck eingebracht wird. Für die motorischen Untersuchungen des CHHC-Verfahrens wird der Spritzwinkel verkleinert. Dadurch entsteht mehr freie Weglänge für die Einspritzstrahlen der Homogenmenge. Eine Anpassung der Kolbengeometrie an den veränderten Spritzwinkel ist notwendig. Dazu werden mit Hilfe von Simulationsrechnungen zur Lambda-Verteilung neue Muldengeometrien bewertet. Die Wandführung ermöglicht eine gute Gemischbildung bei ausreichendem Durchfluss und damit eine Volllast ähnlich der des konventionellen Systems. Die Druckmodulation wird in dieser Arbeit mit einem Druckverstärker dargestellt, der zwischen Injektor und Rail angebracht ist und als Prototyp für Untersuchungen zur Verfügung steht. Die Ergebnisse bestätigen eine signifikante Verbesserung von Verbrauch, Geräusch und Emissionen mit Druckmodulation. Durch den reduzierten Kraftstoff-Wandkontakt kondensiert weniger Einspritzmenge an der Kolbenwand. Die HC-Emissionen sinken deutlich. Der geringere spezifische Verbrauch ergibt sich durch einen höheren umgesetzten Kraftstoffanteil und die bessere Lage der Verbrennung. Zusätzlich führt weniger Kraftstoff-Wandanlagerung zu weniger Übergang von Kraftstoff über den Schmierfilm ins Motoröl.

Reducing polluting emissions of combustion engines is of high importance for vehicle manufacturers as well as the environment. This objective can be met by either producing fewer pollutants during combustion or by improved chemical converting or filtering. This dissertation examines engine modifications to achieve lower emissions with Diesel engines. The focus is on adapting the fuel injection system to an alternative combustion system. To reduce polluting emissions, the combustion process needs to be modified. Based on a categorization of established approaches, most of which involve homogeneous or partly homogeneous combustion processes, the "Combined Homogeneous Heterogeneous Combustion" (CHHC) is developed. CHHC is a partly homogeneous process using a very early and pulsed injection for the homogeneous part and an injection with standard timing for the heterogeneous part. Options for improvement are defined by examining the requirements of CHHC to the injection system. Published innovations for more variability of injection systems are presented, categorized by principle and evaluated. Two principles show potential for reducing emissions during CHHC. A variable hydraulic flow allows altered flow rates for different injected quantities. With the principle of modulated injection pressure, the variation of pressure can be applied at each desired crank angle, i.e. the pressure can be altered between two injections or even during an injection. To evaluate the capability of reducing fuel-wall contact, the spray penetration depth is calculated. The results for a variable hydraulic flow, however, show an increased penetration depth. This is caused by the smaller diameter which leads to an increased fuel velocity in the orifices. Simulation results for modulated injection pressure show reduced penetration depth. Here, modulation is used to inject the early pulses for the homogeneous charge with considerably reduced pressure while applying injection pressure above maximum possible rail pressure to inject the heterogeneous charge. For the investigations of CHHC at a combustion engine, the free penetration length of the spray for the homogeneous charge is extended by reducing the spray angle. The piston bowl needs to be adapted to the new spray angle. This is accomplished by calculating the distribution of the air-fuel ratio for one injection next to top dead center. Best results emerge by guiding fuel spray of the main injection with the wall of the bowl. Wall guidance creates a good mixture with a hydraulic flow sufficient for full load close to the full load of the conventional setup. For this dissertation, pressure modulation is realized with a prototype of an amplifier placed between the injector and the rail. The results confirm a significant improvement of fuel consumption, noise and emissions with pressure modulation. Reduced fuel-wall contact with pressure modulation decreases the amount of fuel condensing at the wall. HC emissions drop strongly. The lower specific fuel consumption is caused by a higher conversion rate and a better timing. In addition, there is less fuel entrainment in the engine oil because of the reduced fuel-wall contact.