Potenziale variabler Einspritzsysteme für die Benzin-Direkteinspritzung (PDF)

Für die Umsetzung eines strahlgeführten Brennverfahrens bei PKW-Benzinmotoren mit Direkteinspritzung ist die Einspritzdüse von zentraler Bedeutung. Derzeit werden für Serienanwendungen mit strahlgeführt geschichtetem Magerbrennverfahren nach aussen öffnende Ringspaltdüsen (A-Düsen) favorisiert. Da dieses Einspritzdüsenkonzept nach aktuellem Stand der Technik an eine piezo-aktuierte Düsennadel gebunden ist, stellt es eine technisch äusserst komplexe und kostenintensive Lösung dar. Zur Bewertung von Alternativlösungen wird im Rahmen dieser Arbeit das Potenzial zweier variabler Einspritzsysteme zum Einsatz im strahlgeführten Brennverfahren untersucht. Die Ausführung der Forschungseinspritzsysteme orientiert sich an einer maximalen Nutzung von Freiheitsgraden zur Diskussion zukünftig notwendiger Injektorfunktionalitäten.
Es wurde eine variable Düse auf Drallbasis entwickelt, deren charakteristische Eigenschaften sich im Betrieb verändern lassen. Die Möglichkeit einer kontinuierlichen Verstellung erlaubt gegendruckabhängige Spraykegelwinkeländerungen, wie sie bei konventionellen Dralldüsen aus Serienanwendungen im PKW-Benzinmotor mit Direkteinspritzung üblicherweise auftreten, zu kompensieren. Mit Hilfe schnell schaltender Ventile können die hydraulischen Eigenschaften und die Sprayeigenschaften dieser Düse erstmalig sogar während eines Einspritzvorganges verändert werden. Es besteht somit die Möglichkeit, die Sprayform an die Erfordernisse des Motorbetriebs anzupassen. Die Funktionalität dieses Düsenkonzepts konnte unter motorischen Randbedingungen am Einzylinder-Forschungsmotor nachgewiesen werden, wobei zur Optimierung des Betriebs im strahlgeführten Brennverfahren die Auslegung der Düse angepasst werden muss.
Weiterhin wurde eine Mehrlochdüse mit piezo-aktuierter Düsennadel bei einem Einspritzdruck von maximal 1000 bar betrieben. Hierbei wurde festgestellt, dass die Anhebung des Einspritzdrucks sowie der Betrieb der Düsennadel bei extrem geringen Teilhüben den Strahlaufbruch aufgrund von Kavitationseffekten verstärken und damit auch die Gemischaufbereitung intensivieren. Untersuchungen an Transparentdüsen bestätigen deutlich die verstärkte Kavitationsbildung im Sackloch der Düse bei nadelsitzgedrosseltem Betrieb und hohen Einspritzdrücken.