Untersuchung einer neuen Einspritzstrategie zur rußarmen Verbrennung bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung

Bis heute sind Dieselmotoren mit Direkteinspritzung die Antriebsquellen mit der höchsten Effizienz für mobile Anwendungen.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, was 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 sowie zu einer geringeren Rußoxidation während der Verbrennung führt.

Aus diesen Gründen wurde im Rahmen dieser Arbeit 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.

Bei Einordnung der Ergebnisse im Rahmen der in der Abgasnorm Euro V für Nfz vorgeschriebenen Grenzwerte lässt sich sagen, dass sich diese Abgasnormen bereits bei niedrigen Lasten und gleichzeitiger Abgasrückführung durch die neue Einspritzstrategie ohne eine zusätzliche Abgasnachbehandlung 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 weiter abzusenken, insbesondere vor dem Hintergrund einer späteren weiter verschärften Abgasgesetzgebung nach Euro VI.