Bosch denkt die Einspritzung als System und reduziert Emissionen mit Details wie Laserbohrung und Scavenging
Downsizing: Der Trend in der globalen Autoindustrie geht hin zu kleinen und dennoch leistungsstarken Motoren. Sowohl Hersteller aus Europa, den USA aber auch China setzen auf Downsizing und konstruieren immer kompaktere und sparsamere Motoren mit weniger Hubraum – die allerdings dank Turboaufladung eine gleichbleibende Leistungsentfaltung und somit Fahrspaß bieten. „Gerade in der Kompaktklasse dominieren aufgeladene Drei- und Vierzylinder-Motoren“, sagt Dr. Rolf Bulander, Geschäftsführer der Robert Bosch GmbH und zuständig für Antriebstechnik.
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Benzin-Direkteinspritzung
Verbrennung: Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung bereiten das Luft-Kraftstoff-Gemisch direkt im Brennraum auf. Die Injektoren spritzen den Kraftstoff so fein zerstäubt in den Brennraum ein, dass er unmittelbar ohne Durchmischung im Brennraum gezündet werden kann. Dies ermöglicht eine höhere Verdichtung und damit eine Steigerung des Wirkungsgrades. Dazu trägt maßgeblich die bessere Zylinderinnenkühlung durch den direkt einspritzten Kraftstoff bei. Durch das offene Einlassventil strömt im Ansaugtrakt nur noch Frischluft. Der Kraftstoff wird mit Hochdruckeinspritzventilen direkt in den Brennraum eingespritzt. Dadurch wird der Brennraum gekühlt und die Grundverdichtung kann höher werden, da die Klopfneigung sinkt.
Vorteile: Die exakte Dosierung, Aufbereitung und Verteilung von Luft und Kraftstoff für jeden einzelnen Verbrennungstakt ermöglichen den sparsamen Verbrauch und die geringen Emissionen der Bosch-Direkteinspritzung. In Kombination mit Turboaufladung und Downsizing bietet die Benzin-Direkteinspritzung das Potenzial, den Verbrauch und CO2-Ausstoß um rund 15 Prozent zu senken.
Pumpe mit Hochdruck und rechenstarkes Steuergerät
Systemgedanke: Die Benzin-Direkteinspritzung ist für Bosch weitaus mehr als nur ein Einspritzverfahren. Denn Bosch bietet ein komplettes System an, welches aus Hochdruckpumpe, Hochdruckrail mit Einspritzventil sowie einer Vielzahl von Sensoren und dem Motorsteuergerät besteht. Das Hochdruckeinspritzventil HDEV5 leistet bei homogener Gemischbildung einen wesentlichen Beitrag zur optimalen und damit kraftstoffsparenden Verbrennung. Bis zu sieben individuell angeordnete Spritzlöcher erlauben eine flexible Anpassung des Spraybilds an den jeweiligen Brennraum.
Leistungsspitze: Hochdruckeinspritzventil und Hochdruckpumpe sind für einen Systemdruck bis 200 bar konzipiert. Die bedarfsgeregelte Hoch-druckpumpe HDP5 zeichnet sich durch ihre kompakten Abmessungen und mit 780 Gramm durch ihr geringes Gewicht aus. Dank der Verwendung von Edelstahl bieten die aktuellen Komponenten der Benzin-Direkteinspritzung eine hohe Verträglichkeit gegenüber Ethanolbeimischungen sowie verschie-denen Kraftstoffqualitäten und sind damit für weltweite Anwendungen ausgelegt.
Motormanagement: Die zahlreichen Funktionen, die ein effizientes Motormanagement-System erfüllen muss, übernimmt die Motorsteuerung von Bosch. Dazu gehören beispielsweise die Wahl des richtigen Einspritzdruckes und des richtigen Zeitpunktes für eine Einspritzung. Hierzu berechnet das Steuergerät mehrere tausend Mal in der Minute, wie die Einspritzung erfolgen muss. Die Systemkompetenz von Bosch ermöglicht optimale Vernetzung der Einzelkomponenten und damit ein höchst effizientes Zusammenwirken. Der Wunsch des Fahrers nach mehr oder weniger Drehmoment ist eine zentrale Eingangsgröße für die elektronische Steuerung. Das Fahrpedalmodul stellt den Fahrerwunsch als Sensorsignal bereit. Der Kurbelwellensensor erfasst Drehzahl und Position der Kurbelwelle. Weitere Messwerte fließen über den Klopfsensor, den Temperatursensor sowie den Nockenwellen-Drehzahlsensor ein. Die Abgasnachbehandlung von Bosch trägt zur Einhaltung aller internationalen Emissionsvorschriften bei. Die planare Breitband-Lambda-Sonde und die Sprung-Lambda-Sonde messen den Sauerstoffgehalt des Abgases und bieten dem Motorsteuergerät so die Grundinformation für die entsprechende Gemischbildung.
Technisch raffiniert: Von Laserbohrung bis Scavening
Laserbohrung: Bosch entwickelt die Benzin-Direkteinspritzung jedoch auch in ihren Einzelheiten voran. Bei dem HDEV5-Injektor trägt die außergewöhnliche Qualität der Bohrungen zu einer besonders guten Verbrennung des Kraftstoffs bei. Dies geht mit einer Verringerung der Emissionen einher. Das Benzin wird unter hohem Druck (200 bar) durch fünf haarfeine, mit dem Laser geschaffene Bohrungen direkt in den Zylinder gespritzt. Dabei sorgen die scharfen Kanten und glatten Innenseiten der Löcher dafür, dass der Kraftstoff in extrem kleine Tröpfchen zerstäubt. Genau dies ist erwünscht: Je feiner das Spray ausfällt, umso größer ist seine Oberfläche. Das führt zu einem besonders guten Kontakt mit dem Sauerstoff der Luft. Springt der Zündfunke über, verbrennt das Benzin daher fast vollständig. Für eine effiziente, saubere Verbrennung soll zudem möglichst wenig des eingespritzten Kraftstoffes an die Wände des Zylinders oder auf die Oberfläche des Kolbens geraten. Denn dort verbrennt der Kraftstoff schlechter. Für eine möglichst exakte Kontrolle der Treibstoff-Verteilung im Brennraum bohrt Bosch daher nicht alle fünf Löcher mit dem gleichen Durchmesser. Diese reichen stattdessen von 0,25 Millimeter bis herab auf 0,1 Millimeter. Durch die kleinsten Öffnungen gelangt immer etwas weniger, durch die größeren immer etwas mehr Benzin. Damit wird das Spray im Zylinder gezielt in Form gebracht. So entfaltet der Treibstoff den größten Effekt. Für die innovative Fertigung mit ultrakurzen Laserpulsen erhielt Bosch zusammen mit Trumpf und der Universität Jena den Zukunftspreis 2013 des deutschen Bundespräsidenten.
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Laserbohrung
Scavenging gegen das Turboloch: Turbolader erreichen ihren Ladedruck erst ab einer bestimmten Drehzahl. Ist dieser zu gering, entsteht ein so genanntes „Turboloch“. Scavenging ist der innovative Systemansatz von Bosch, der diesem Turboloch entgegenwirkt. Hierzu werden Ein- und Auslassventile einen Moment lang gleichzeitig geöffnet. Zwischen Ansaug- und Abgasseite des Motors bildet sich ein dynamisches Druckgefälle. Frischluft strömt in die Brennkammer und spült das im Zylinder befindliche Abgas durch das geöffnete Auslassventil in Richtung des Abgaskrümmers. Durch den erhöhten Abgasmassenstrom entsteht bis zu 50 Prozent mehr Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, was dem Turboloch entgegen wirkt.
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Scavenging
Controlled Valve Operation: Zukünftige Gesetzgebungen zur Partikelreduzierung stellen Verbrennungsmotoren vor neue Herausforderungen. Mit der innovativen und einzigartigen Systemlösung Controlled Valve Operation (CVO) für Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung ist es Bosch gelungen, über einen mechatronischen Ansatz, einen wesentlichen Beitrag zur Erfüllung künftiger Emissionsgrenzwerte, wie Euro6 und SULEV, zu leisten. Zentrale Bestandteile von CVO sind das Bosch Motorsteuergerät und das Bosch Hochdruckeinspritzventil. Im Unterschied zur klassisch vorgesteuerten Einspritzung, befinden sich Steuergerät und Hochdruckeinspritzventile in einem geschlossenen Regelkreis. Das Steuergerät erfasst während der Einspritzung das Ansteuersignal und ermittelt aus Öffnungs- und Schließzeitpunkt die Öffnungsdauer der Ventilnadel. Somit kann das Steuergerät die tatsächlichen Einspritzmengen jedes Injektors errechnen und gegebenenfalls nachregeln. Durch diese geregelte Ansteuerung ist es möglich, auch kleinste Einspritzmengen mit minimalen Toleranzen zuzumessen.
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CVO
Info: www.bosch-presse.de
Quelle: www.bosch.com
