Untersuchung der Gemischbildung und Verbrennung bei räumlich getrennter Vor- und Haupteinspritzung (REIN) und Analyse der kombinierten Einspritzstrategie mit der druckmodulierten Einspritzstrategie zur Realisierung einer rußarmen und stickoxidreduzierten Verbrennung bei Dieseldirekteinspritzung.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Hauptnachteil bei Dieselmotoren besteht in den erhöhten Stickoxid- und Partikelemissionen, die heute allein durch innermotorische Maßnahmen nicht vermieden werden können. Deswegen sind zur Erfüllung zukünftiger Abgasnormen komplexe und teure Abgasnachbehandlungssysteme erforderlich. Mit diesen Systemen geht allerdings sehr oft ein nicht unerheblicher Kraftstoffmehrverbrauch einher, der gerade im Hinblick auf die angestrebte Minderung des CO2-Ausstoßes kontraproduktiv ist. In neueren Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wird der Einspritzvorgang oft in eine Vor- in eine Haupt- und oft auch zusätzlich in eine Nacheinspritzung unterteilt. Mit einer kleinen Kraftstoffmenge, die vor der Hauptmenge in den Brennraum eingespritzt wird, kann das Verbrennungsgeräusch verglichen mit einem Einspritzvorgang ohne Voreinspritzung wesentlich reduziert werden. Der Nachteil einer Voreinspritzung ist, dass es zu einem direkten Kontakt des Kraftstoffes aus der Haupteinspritzung und der durch die Voreinspritzung im Brennraum vorhandenen Flamme kommen kann, der zu erhöhter Rußproduktion führt. Außerdem wird das Luft-Kraftstoffverhältnis für die Haupteinspritzung aufgrund des bereits verbrannten Kraftstoffes aus der Voreinspritzung reduziert, was ebenso zu einer erhöhten Rußproduktion und zu einer geringeren Rußoxidation während der Verbrennung führt. Aus diesen Gründen wurde in der zurückliegenden Förderperiode eine neue Einspritzstrategie untersucht, die die Vor- und Haupteinspritzung nicht nur zeitlich trennt, wie dies bei konventioneller Einspritzung der Fall ist, sondern auch räumlich. Das heißt, der Kraftstoff aus der Voreinspritzung wird in einen anderen Brennraumbereich eingespritzt als der Kraftstoff aus der Haupteinspritzung. Dadurch wird eine Interaktion zwischen der Flamme, die bereits durch die Voreinspritzung im Brennraum vorhanden ist, und den noch flüssigen Kraftstofftropfen aus der Haupteinspritzung weitestgehend vermieden. Außerdem wird dadurch das lokale Luft-Kraftstoffverhältnis für die Haupteinspritzung erhöht und der Sauerstoffüberschuss, der bei einer dieselmotorischen Verbrennung im Brennraumzentrum vorhanden ist, kann besser für die Rußoxidation ausgenutzt werden. Da momentan kein Serieninjektor verfügbar ist, mit dem sich eine räumliche Trennung der Vor- und Haupteinspritzung in einer Injektoreinheit realisieren lässt, wurde in dieser Arbeit ein Serienzylinderkopf umkonstmiert, so dass zusätzlich zum zentral eingebauten Injektor, ein zweiter Injektor integriert werden kann, durch welchen nur der Kraftstoff der Voreinspritzung in den Brennraum eingebracht wird, während die Haupteinspritzung durch den zentral eingebauten Injektor erfolgt. Begleitend zu den experimentellen Untersuchungen wurde die Gemischbildung der neuen Einspritzstrategie simuliert und hinsichtlich fetter Gemischbereiche, die zu erhöhter Rußproduktion führen, ausgewertet. Es zeigte sich, dass die neue Einspritzstrategie weniger fette Gemischbereiche aufweist als die konventionelle. Durch eine optimierte Kolbengeometrie wurde dabei der Anteil fetter Gemischbereiche nochmals reduziert. Nach Abarbeitung eines Optimierungsschemas der neuen Einspritzstrategie zeigte sich, dass eine flache Voreinspritzung in den Brennraum in Verbindung mit einer neuen Kolbengeometrie und einer neuen Kraftstoffzusammensetzung zielführend ist, um die Partikelemissionen bis zu 80 % abzusenken, ohne dass ein nennenswerter Nachteil in den Stickoxidemissionen erzielt wird. Bei Einordnung der Ergebnisse in den Rahmen, der in der Abgasnonn Euro 5 für Nfz vorgeschriebenen Grenzwerte, lässt sich sagen, dass diese sich bei niedrigen Lasten und gleichzeitiger Abgasrückführung nur durch die neue Einspritzstrategie erfüllen lassen. Die neue Einspritzstrategie bietet somit vor allem bei höheren AGR-Raten und niedrigen Lasten ein Potenzial zur simultanen Absenkung von Partikel- und Stickoxidemissionen. Außerdem ist die Möglichkeit gegeben, durch weitere Optimierung, die im Rahmen dieser Arbeit noch nicht durchgeführt wurde, die Schadstoffemissionen noch weiter abzusenken. Als weitere Optimierungsmaßnahmen bietet sich vor allem die Verwendung einer Nacheinspritzung an, durch die die Partikelemissionen nochmals weiter abgesenkt werden können. Außerdem müssen zum besseren Verständnis die innermotorischen Vorgänge bei Venwendung der neuen Einspritzstrategie durch den Einsatz von optischen Analysemethoden durch begleitende Simulationsrechnungen noch genauer analysiert werden. Um die neue Einspritzstrategie für Motorenhersteller anwendbar zu machen, ist es weiterhin notwendig, in Zusammenarbeit mit einem Einspritzsystemhersteller ein Einspritzsystem zu entwickeln, welches die räumliche Trennung von Vor- und Haupteinspritzung in einer Injektoreinheit vornehmen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Comparative Study to Assess the Soot Reduction Potential of Different In-Cylinder Methods and Exhaust Gas Aftertreatment Systems for Direct Injection Diesel Engines, SAE paper 2007-01-4016, SAE Powertrain & Fluidsystems, Chicago, 2007
Wagner, Uwe, Merkel, Sascha, Eckert, Peter, Spicher, Ulrich
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Eine neue Einspritzstrategie zur besseren Luftausnutzung bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, Haus der Technik, Vlll. Tagung „Motorische Verbrennung" München 15.-16.03.2007
Merkel, Sascha, Eckert, Peter, Wagner, Uwe, Velji, Amin, Spicher, Ulrich
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Eine neue Einspritzstrategie mit räumlicher Trennung der Vor- und Haupteinspritzung zur Rußreduzierung bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, 8. Internationales Symposium für Verbrennungsdiagnostik, Baden-Baden 2008
Merkel, Sascha, Eckert, Peter, Wagner, Uwe, Velji, Amin, Spicher, Ulrich
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Innermotorische Schadstoffreduzierung bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung durch eine neuartige Einspritzstrategie, MTZ-Konferenz, Heavy Duty Engines, 17. - 18.11.2008, Bonn
Merkel, Sascha, Wagner, Uwe, Velji, Amin, Spicher, Ulrich
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Investigation of a New Injection Strategy for Simultaneous Soot and NOx Reduction in a Diesel Engine with Direct Injection, SAE paper 2008-01-1790, SAE International Powertrains, Fuels and Lubricants Congress, Shanghai, 2008
Merkel, Sascha, Eckert, Peter, Wagner, Uwe, Velji, Amin, Spicher, Ulrich
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Investigation of a New Injection Strategy for Simultaneous Soot and NOx Reduction in a Diesel Engine with Direct Injection, SAE paper 2008-01-1790, SAE International Powertrains, Fuels and Lubricants Congress, Shanghai, 2008. SAE Transaction Journal
Merkel, Sascha, Eckert, Peter, Wagner, Uwe, Velji, Amin, Spicher, Ulrich
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Possibilities of Simultaneous In-cylinder Reduction of Soot and NOx Emissions for Diesel Engines with Direct Injection, International Journal of Rotating Machinery, 2008
Wagner, Uwe, Eckert, Peter, Spicher, Ulrich
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Possibilities of Simultaneous In-cylinder Reduction of Soot and NOx Emissions for Diesel Engines with Direct Injection, ISROMAC Paper 12-2008-20220. 12th Intemational Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu, Hawaii, 2008
Wagner, Uwe, Spicher, Ulrich, Eckert, Peter, Merkel, Sascha, Velji, Amin
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A New Injection Strategy with high Potential to minimize Soot and NOx Emissions for Diesel Engines with Direct Injection, Injection Systems for IC Engines, 13 - 14 May 2009, IMechE, London
Merkel, Sascha, Wagner, Uwe, Velji, Amin, Spicher, Ulrich
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Untersuchung einer neuen Einspritzstrategie zur rußarmen Verbrennung bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, Dissertation, Universität Karlsruhe (TH)
Sascha Merkel
