GDI-Motoren: Unter Druck Emissionen minimieren und Leistung erhöhen

Es wird damit gerechnet, dass bis 2025 zirka 40 Millionen Motoren mit Benzindirekteinspritzung verkauft werden. Unter diesem Aspekt ist es erstaunlich, dass diese Motoren mehr gefährliche Feinstaubpartikel als Motoren mit Vorkammereinspritzung oder gar die neusten Diesel mit Partikelfilter ausstossen.

Die potentiell steigenden Marktanteile bedeuten, dass GDI Feinstaubemissionen – auch wenn sie vergleichsweise gering gegenüber ungefilterten Dieseln sind – jetzt stärker von Herstellern und Aufsichtsbehörden unter die Lupe genommen werden.
Um diese Emissionen zu reduzieren und dabei die Leistung zu verbessern, erforschen Ingenieure aktuell neue Designs und Konzepte, darunter die Erhöhung des Benzindrucks, alternative Kraftstoffe und Systeme zur Emissionsverminderung.
Nach Meinung von Matti Maricq, seines Zeichens technischer Leiter der Abteilung „Chemical Engineering and Emissions after Treatment“ des Research and Innovation Center von Ford in Dearborn, wird durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder eine sauber brennende Explosion erzeugt, die nur wenig Treibstoff verschwendet und mehr Leistung freisetzt.
Während dieses Vorgangs wird Benzin direkt dort zugeführt, wo die Verbrennungskammer am heissesten ist. Damit wird eine gründlichere, gleichmässigere und schonendere Verbrennung möglich.
Sauber brennende GDI-Motoren stossen gefährliche Partikel aus
Aufgrund der unvollständigen Brennstoffverflüchtigung, teilweise brennstoffreichen Zonen sowie der „Befeuchtung“ von Kolben und Zylinderoberflächen, produzieren GDI-Motoren allerdings unerwünschte Feinstaubpartikel. Die meisten Emissionen treten üblicherweise während des Kaltstarts und in Hochlast-Übergangssituationen während der Aufwärmphase auf. Das kann allerdings je nach Last, Fahrzyklusphase und Fahreranspruch variieren.
Obwohl „grüne“ Kritiker nach wie vor skeptisch gegenüber sogenannten „Engine Management“-Methoden sind, da sie diese gegenüber Abgasfiltern als unzuverlässig empfinden, erwarten die meisten OEMs und Komponentenzulieferer, dass sich technische Änderungen und verbesserte Designs letztlich als kosteneffizienter und ebenso zuverlässig herausstellen.
Der aktuelle Entwicklungsstand deutet an, dass höhere Brennstoffdrücke, möglicherweise in der Nähe von 40MPa, zusammen mit neuen hochpräzisen Einspritzern zukünftige GDI-Systeme stark verbessern werden. Um das System weiter zu optimieren, werden Ingenieure am Einspritzer die Aspekte Timing, Zielgenauigkeit, Messen und Atomisierung weiter verfeinern.
In einer kürzlich von SAE veröffentlichten Studie wurde festgehalten, dass eine Erhöhung des Kraftstoffsystemdrucks die Homogenität der Mischung verbessert und die Diffusionsflamme reduziert. Somit werden Feinstaubemissionen unter homogener Verbrennung in GDI-Motoren signifikant verringert.
Des Weiteren wurde als ein Ergebnis der verbesserten Einlassladungsbewegung bei Kraftstoffdrücken zwischen 20 MPa bis 40 MPa eine weitere Verminderung der Feinstaubemissionen erreicht.
Die Verbrennungsdaten zeigen, dass eine Steigerung des Kraftstoffdrucks grossen Einfluss auf die Reduzierung von Verbrennungsemissionen hat und den Kraftstoffverbrauch optimiert.
Akkurate Messung des Brennstoffdrucks
Dennoch: Damit ein GDI-System optimal arbeitet, ist es wichtig, dass während der Design- und Testphase der Brennstoffdruck in dem Common Rail (CR) korrekt gemessen wird, damit das ECU entsprechend abgebildet werden kann.
Die Messung des CR Kraftstoffdrucks ist der Schlüssel zu niedrigeren Feinstaubemissionen. Der direkte Einspritzdruck wird mit Sensoren gemessen und die Signale werden genutzt, um die Pumpendrehzahl und/oder das Volumen zu bestimmen.
Die meisten Direkteinspritzsysteme verwenden piezoresistive Drucksensoren auf der Niederdruckseite des Systems. Wenn Druck ausgeübt wird, erzeugt das Silikonchipelement eine messbare elektrische Spannung. Sie nimmt zu, wenn der Druck steigt.
Auf der Hochdruckseite nutzen Sensoren gewöhnlich eine Metallmembran auf einer Widerstandsbrücke. Wenn Druck ausgeübt wird, erzeugt die Brücke eine Widerstandsänderung, die sich in einer Änderung der angelegten Spannung äussert. Das elektronische Steuermodul wandelt die Spannung in einen berechneten Druck um – gewöhnlich mit einer Genauigkeit von ± 2%.
Um den richtigen Druck aufrechtzuerhalten, pulsiert das elektronische Steuermodul die Niederdruckpumpe. Das System weist typischerweise einen Regler und keine Rückleitungen auf. Einige Systeme haben sogar integrierte Temperatursensoren in den Leitungen, die verwendet werden, um die Dichte des Kraftstoffs zu berechnen, so dass die Kraftstoffverkleidung auf die Energiemenge im Kraftstoff abgestimmt werden kann.
Um eine genaue Messung des Leitungsdrucks sicherzustellen, ist es wichtig, hochpräzise Drucktransmitter zu verwenden, um den CR-Druck unter sämtlichen Motor- und Lastbedingungen abzubilden. Jeder Fehler während dieses Prozesses kann zu einer inkorrekten Modulation des CR-Drucks führen. Das Resultat sind schwerwiegende Abweichungen.
Mit der Einführung des harmonisierten Fahrzyklus stehen OEMs unter erneutem Druck, die von Behörden anvisierten Emissionswerte einzuhalten. Die GDI-Ottomotoren werden an vorderster Front einer neuen Generation grüner Technologien stehen. Dennoch, damit diese Technologie zukünftigen Regulierungen auch entspricht, müssen Feinstaubemissionen reduziert werden – zum grössten Teil durch die genaue Überprüfung des CR-Kraftstoffdrucks.