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Cornel 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 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, .auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuHissig. Sie ist grundsatzlich vergiitungs pflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. 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 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. din, vdi, vde) Bezug genommen oder aus funen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fUr die Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fur die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. 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