Benzindirekteinspritzung - Robustheitsuntersuchung durch Simulation der Großserienstreuung in einem Langzeit-Feldtest

Im Rahmen des ACEA-Abkommens hat sich jeder Automobilhersteller dazu verpflichtet, die CO2-Emissionen der eigenen Gesamtfahrzeugflotte, gemessen im europäischen Testzyklus NEDC, bis zum Jahre 2008 auf 140 g/km und bis zum Jahre 2012 auf 120 g/km zu senken. Dies entspricht beim Ottomotor einem Verbrauch von 5.9, bzw. 5.0 l/100km und beim Dieselmotor 5.3, bzw. 4.5 l/100km. Einen vielversprechenden Ansatz zur Senkung des Kraftstoffverbrauches stellt die Benzindirekteinspritzung (BDE) dar. Bei dieser Technik wird im Teillastbetrieb die Last im sogenannten Schichtmodus geregelt über die unter Hochdruck in den Verdichtungstakt eingespritzte Kraftstoffmenge bei konstanter Ansaugluftmasse. Hierdurch werden die Drosselverluste während des Ladungswechsels minimiert. Im Brennraum liegt ein inhomogenes Gemisch vor mit zündfähigem Bereich an der Zündkerze und Abmagerung zu den Brennraumwänden hin, wodurch infolge der geringeren Wandwärmeverluste der thermische Wirkungsgrad steigt. Zu höheren Lasten hin stellt sich die Regelung auf die gewöhnliche Quantitätssteuerung um, bei welcher die Last über die Gemischmenge unter Verwendung der Drosselklappe bei homogenem Gemisch eingestellt wird. Hier zeigt dieses Verbrennungsverfahren nur einen geringen Vorteil, welcher auf den Kühlungseffekt des erst im Brennraum verdampfenden Kraftstoffes und die daraus resultierenden geringere Klopfempfindlichkeit zurückzuführen ist. Dies ermöglicht die Umsetzung eines höheren Verdichtungsverhältnisses, wodurch der thermische Wirkungsgrad steigt. Obwohl die Benzindirekteinspritzung bereits in den 50er Jahren bei Mercedes Benz und Ford zum Einsatz kam, stellt diese Technik in Verbindung mit dem Schichtladebetrieb und den sehr strengen modernen Abgasgesetzgebungen neue Anforderungen an das Kraftstoff- und Abgassystem. Diese Arbeit befasst sich nach der Darstellung der Grundlagen der Benzindirekteinspritzung mit der Ausarbeitung und Umsetzung eines Langzeit-Flottenversuches in Bezug auf funktionale Robustheit und den Einfluss der Serienstreuung mit besonderem Augenmerk auf Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen, Wartungsaufwand und Kundenakzeptanz. Zur Umsetzung des Versuches wurden 47 Fahrzeuge mit 3-Zylinder BDE-Ottomotoren aufgebaut und für 24 Monate von ausgewählten Kunden betrieben. Der Einfluss der Großserienstreuung wurde durch die bewusste Verstellung von während der Testplanausarbeitung ausgewählten Systemparametern simuliert. Die Arbeit stellt das Potential der Benzindirekteinspritzung dar und veranschaulicht nach heutigem Stand der Technik deren Probleme, welche in der Einhaltung der Abgasemissionen und der Robustheit des Abgassystems liegen, sowie in dem zu hohen Kraftstoffverbrauch im realen Betrieb. Dieser liegt zwar unterhalb der Werte von vergleichbaren konventionellen Ottomotoren, aber schöpft bei weitem noch nicht das theoretische Potential des Brennverfahrens aus. Zum Abschluss der Arbeit wird ein Ausblick auf die Entwicklungen in der nahen Zukunft auf dem Gebiet der Benzindirekteinspritzung gegeben. Diese liegen bei dem strahlgeführten Brennverfahren in Verbindung mit Abgasturboaufladung.