Table Of ContentCornel Stan
(Hrsg.)
Direkteinspritzsysteme
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Hongkong
London
Mailand
Paris
Singapur
Tokio
Cornel Stan
(Hrsg.)
Di rektei nspritzsysteme
fUr Otto- und Dieselmotoren
Mit 187 Abbildungen
Springer
Professor Dr.-lng. habil. CORNEL STAN
Westsachsische Hochschule Zwickau (FH)
Forschungs-und Transferzentrum e. V.
Dr.-Friedrichs-Ring 2
D-08056 Zwickau
e-mail: [email protected]
ISBN-13:978-3-642-64237-1 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Direkteinspritzsysteme: fUr Otto-und Dieselrnotoren / Hrsg.: Cornel Stan. - 1. Auflage. - Berlin;
Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer, 1999
(VDI-Buch)
ISBN-13: 978-3-642-64237-1
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ISBN -13: 978-3-642-64237-1 e-ISBN-13: 978-3-642-60059-3
DOl: 10.1 007/978-3-642-60059-3
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1999
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Einbandentwurf: Struve & Partner GmbH, Heidelberg
Satz: Camera ready-Vorlage des Herausgebers
SPIN: 10684505 68/3020 -5 4 3 2 1 0 -Gedruckt auf sa,urefreiem Papier
Vorwort
"Die Kraft ist ein Kind stoIDicher Bewegung und ein Enkel der
geistigen Bewegung"
(Leonardo da Vinci, 1452-1519)
Der Stoffwechsel zwischen der Kraftmaschine und ihrer - beziehungsweise
unserer - Umwelt erHihrt derzeit eine sehr starke Wandlung: weniger Stoff durch
mehr Geist, ohne Beeintdichtigung der Kraft selbst. Die Kraft als solche im Dien
ste der Mobilitat erscheint derzeit als unantastbar: tiber das Drei-Liter-Auto im
Sinne des Streckenverbrauchs wird gesprochen, das Hubraum-Drei-Liter-Auto ist
aber der Verkaufsschlager. Ftir das eine werden Limitierungsgesetze erlassen, das
andere wird eben als Gesetz der Marktwirtschaft interpretiert und der Ingenieur
hat das Problem zu lOsen - mehr Kraft mit geringerem Stoffwechsel. Dabei be
deutet Stoffwechsel nicht nur die Energiezufuhr, sondern auch die Struktur der
Abfuhrstoffe, als Emissionen.
Die Bilanz des Austausches zwischen dem Verbrennungsmotor im Otto- oder
Dieselverfahren und seiner Umwelt hiingt maBgeblich von der Art der Gemisch
bildung zwischen Luft und Kraftstoff ab, als Voraussetzung fUr einen entspre
chenden Verbrennungsvorgang.
Die Gemischbildungskonzepte fUr Ottomotoren sind derzeit von einer Konver
genz gepragt, die zu einer neuen Qualitat fUhrt: nach der allgemeinen Ablosung
der Vergaser durch elektronisch gesteuerte und geregelte Saugrohreinspritzanla
gen bilden gegenwartig die Systeme zur Kraftstoffdirekteinspritzung - aufgrund
ihrer Verbrauchs- und Emissionsvorteile - die bevorzugte Alternative. Dabei stel
len jedoch die verktirzte Gemischbildungsdauer und die Beibehaltung optimaler
GemischbildungskenngroBen in einem breiten Last-/ Drehzahlbereich des Motors
wesentliche Probleme dar, wofUr Losungsstrategien noch entwickelt werden.
Ftir Dieselmotoren ist die Direkteinspritzung als das Gemischbildungskonzept
mit den besten Perspektiven bereits anerkannt. Die geeignete Art des Einspritzsy
stems - als Hauptkriterium der Gemischbildung - ist allerdings ein noch zu opti
mierendes Problem: ein breites Band der Arbeitsfrequenz, exakte Steuerung und
Regelung, niedriger energetischer und konstruktiver Aufwand sind nur einige
Komponenten des Problems, welche fUr die Wahl des geeigneten Systems zwi
schen Pumpe-Dtise, Verteiler-Pumpe oder Common Rail Bedeutung haben.
Die Aktualitat der Thematik Direkteinspritzung ftir Otto- und Dieselmotoren
resultiert auch aus deren zunehmender Betrachtung auf internationalen Kongres-
VI Vorwort
sen und dariiber hinaus (und was kann mehr iiberzeugen ?) durch eine regelrechte
Polarisierung auf bestimmte Einspritzkonzepte, wovon einige bereits in Serie
iiberfiihrt werden.
Es ist dennoch erst der Anfang eines Entwicklungsweges, der zwischen Poten
tial und komplexen Problemen fiir die Spezialisten - Wissenschaftler, Entwick
lungsingenieure und Praktiker im Werkstattbetrieb - einige Engpasse aufweisen
wird. Die interaktive Funktion eines Gemischbildungssystems in der Gesamtheit
eines modemen Antriebs oder Fahrzeugs, aber auch die interdisziplinaren Kom
ponenten wlihrend des sen Entwicklung macht die Thematik nicht nur fiir Motor
spezialisten, sondem auch fiir Elektroniker, Informatiker und Technologen inter
essant. Diese Erfahrung, verstarkt von der Uberzeugung, daB auch unsere heutigen
Studenten damit noch zu tun haben werden, waren Griinde dieses Buch herauszu
geben.
Urn die effiziente Ableitung eines auf die jeweilige Anwendung angepaBten
Losungsweges zu gewlihren, erfolgt in dem Buch eine Synthese von modularen
Konzepten nach ihrer Wirkungsweise und weiterhin eine Klassifizierung nach
dem angewandten physikalischen Modell. Dies wird zu dies em Zeitpunkt als
wichtiger fiir die Entwicklung von Direkteinspritzsystemen erachtet, als eine de
taillierte Beschreibung einzelner technischer Losungen - die zumindest fiir den
Dieselbereich in anderen gegenwartigen Fachpublikationen zu finden sind. Einige
komplexe Losungen werden dennoch als Beispiele aufgefiihrt.
Die theoretischen Grundlagen werden etwas allgemein gehalten, urn so die
Plattform fiir einen moglichst breiten Kreis von Spezialisten zu bilden, die inter
disziplinar an entsprechenden Losungen arbeiten. Die Betrachtungen werden an
dererseits auf das Einspritzsystem im GemischbildungsprozeB polarisiert, bis zu
einer mehr oder weniger exakt definierbaren Grenze zu den benachbarten Prozes
sen - Ladungswechsel und Verbrennung - zu welchen ein enger kausaler Zusam
menhang besteht.
Bei der Darstellung unterschiedlicher Einspritzsysteme, der dazu gehorenden
Gemischbildungsverfahren und der entsprechenden Entwicklungsstrategien wurde
allgemein eine einheitliche Klassifizierung vorgenommen, urn die Hauptkriterien
einer solchen Untemehmung zu fixieren. Andererseits wurden jedoch bewuBt
einige Abweichungen von der einheitlichen Abhandlung jedes Verfahrens zuge
lassen, urn die zum Teil unterschiedliche Herangehensweise der Entwicklung
stealns zu zeigen, als Anspom fiir die Kreativitat zukiinftiger Mitstreiter.
Die Klassifizierung und Darstellung eines derart komplexen und aktuellen Ge
bietes ware kaum moglich gewesen, wenn anerkannte und geschatzte Fachkolle
gen aus Australien, Deutschland, Frankreich, GroBbritannien, Japan und Oster
reich nicht in einer ausgezeichneten Form zu der Entstehung dieses Buches beige
trag en hatten. Diese Zusammenarbeit ist nicht nur wegen Distanzen und Sprach
barrieren zu wiirdigen: Eine Besonderheit ist dabei die Tatsache, daB die Autoren
an der Entwicklung von Konkurrenzprodukten derzeit intensiv beteiligt sind.
Auch das ist Zeichen einer neuen QualiUit des Technikverstandnisses, im Sinne
einer besseren gemeinsamen Umwelt. Mage diese Ars Movendi mit Synergiean
trieb auch andere Geister bewegen.
Zwickau im Sommer 1998 Cornel Stan
Inhaltsverzeichnis
Autorenverzeichnis ............................................................................................. XI
Teill
Direkteinspritzsysteme fur Ottomotoren
1 Direkteinspritzung als Element des Gemischbildungskonzeptes .............. 3
1.1 Einflihrung .............................................................................................. 3
1.2 Gemischbildung nach dem Ladtmgswechsel .......................................... 6
1.3 Korrelation der Luft-und Kraftstoffbeteiligung an der
Gemischbildung ...................................................................................... 8
1.4 Methoden zur Optimierung des Gemischbildungsvorgangs ................. 15
1.5 Gestaltung des Einspritzverlaufs ........................................................... 19
1.6 Technische und wirtschaftliche Anforderungen .................................... 25
2 Einspritzverfahren - physikalische Moglichkeiten und Grenzen ........... 29
2.1 Grundkonzepte ...................................................................................... 29
2.2 Direkteinspritzung fliissigen Kraftstoffs ............................................... 30
2.3 Direkteinspritzung eines partiell gebildeten Luft-Kraftstoff-
Gemisches ............................................................................................. 38
2.4 Entwicklungspotentiale ......................................................................... 43
3 Direkteinspritzung fliissigen Kraftstoffs mit gedampfter drehzahl-
abbangiger Druckmodulation: Das MITSUBISHI-Verfahren ............... 45
3.1 Konfiguration und Funktionsmerkmale des Einspritzsystems .............. 45
3.2 Potential des Verfahrens beziiglich Senkung des Kraftstoffverbrauchs
und der Schadstoffemission .................................................................. 55
4 Direkteinspritzung fliissigen Kraftstoffs mit annahernd konstantem
Maximaldruck: Das BOSCH-Verfahren .................................................. 61
4.1 Korrelation zwischen Gemischbildungskonzept und Motorsteuerung .. 61
4.2 Das Hochdruck-Einspritzsystem ........................................................... 68
4.3 MaBnahmen zur Optimierung des Gemischbildungsprozesses ............. 74
vrn Inhaltsverzeichnis
5 Direkteinspritzung fliissigen Kraftstoffs mit drehzahlunabhangiger
Druckmodulation: Das Drucksto8einspritzverfahren ............................. 87
5.1 Konfiguration und Funktionsmerkmale eines Benzindrucksto13-
einspritzsystems .................................................................................... 87
5.2 Potential des Verfahrens beziiglich Senkung des Kraftstoffverbrauchs
und der Schadstoffemission .................................................................. 95
6 Direkteinspritzung eines partiell gebildeten Gemisches mit mecha-
nischer Steuerung der Gemischzufuhr: Das IAPAC-Verfahren .......... 105
6.1 Konfiguration und Funktionsmerkmale der Systemausflihrungen
IAPAC und SCIP ................................................................................ 105
6.2 Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission durch
gasdynamische Steuerung der Verbrennung ....................................... lO9
6.3 Entwicklungsstrategien des Verfahrens .............................................. 114
7 Direkteinspritzung eines partiell gebildeten Gemisches mit
elektronischer Steuerung der Gemischzufuhr:
Das ORBITA L-Verfahren. ....................................................................... 117
7.1 Konfiguration und Funktionsmerkmale des ORBITAL-Systems ....... 117
7.2 Potential des Verfahrens beziiglich Senkung des
Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission .............................. 123
Teilll
Direkteinspritzsysteme fUr Dieselmotoren
8 GestaItung des Einspritzverlaufs ............................................................. 131
8.1 Grundlagen .......................................................................................... 131
8.2 Kriterien zur Optimierung des Einspritzverlaufs ................................ 137
8.2.1 Brennveriaufoptimierung zwischen Gerauschemission und
Kraftstoffverbrauch .................................................................. 137
8.2.2 Senkung der gasformigen Schadstoffemissionen ..................... 140
8.2.3 Senkung der Ru13-und Partikelemission .................................. 143
8.3 Konzepte zur Gestaltung des Einspritzveriaufs ................................... 148
9 Einspritzsysteme mit drehzahlabhangigem Druckverlauf .................... 157
9.1 Magnetventilgesteuerte Verteilereinspritzpumpen .............................. 157
9.2 Pumpe-Duse-Einheiten ....................................................................... 163
10 Einspritzsysteme mit konstantem Kraftstoff-Hochdruck: Die
Speichereinspritzysteme (Common RaU) ................................................ 165
Inhaltsverzeichnis IX
10.1 Wirkungsweise eines Common Rail Systems ..................................... 165
10.2 StrahlkenngroBen und Gemischbildungsverfahren ............................. 172
11 Einspritzsysteme mit drehzahlabhangiger Kraftstoffdruck-Modula-
tion und Einspritzdiisen varia bien Durchtlu8querschnitts ................... 185
11.1 Gestaltung des Einspritzverlaufs mittels Druckmodulation ................ 185
11.2 Einspritzdusen mit variablem DurchfluBquerschnitt ........................... 193
12 Systeme mit drehzahlunabhangiger Modulation des Kraftstoff-
drucks: Das Diesel-Drucksto8einspritzsystem ....................................... 199
12.1 Funktionsbeschreibung und Ausfuhrungsbeispiel... ............................ 199
12.2 Ergebnisse beim Einsatz in Motoren ................................................... 204
13 Einspritzsysteme fUr alternative Kraftstoffe - insbesondere
Fliissiggase ................................................................................................. 211
13.1 Alternative Kraftstoffe - Ressourcen und Potentiale zur Senkung
del' Schadstoffemission ....................................................................... 211
13.2 Einspritzsysteme zur Direkteinspritzung von Flussiggasen ................ 215
Literatur ............................................................................................................ 221
Sachworterverzeichnis ...................................................................................... 229
