Kompensation von Alterungserscheinungen von Common-Rail-Diesel-Einspritzdüsen

Der Vorschlag für die zukünftige Emissionsrichtlinie Euro 7 fordert eine verschärfte Einhaltung der
Abgasgrenzwerte über der Fahrzeuglebensdauer. Daher wird die Langzeitstabilität von Dieseleinspritzsystemen
weiter an Relevanz gewinnen. Alterungserscheinungen von Dieseleinspritzdüsen, wie
Verschleiß und Verkokungen, verschlechtern nachgewiesenermaßen die Emission von Schadstoffen wie
Ruß und Stickoxiden. Aus diesem Grunde widmet sich die vorliegende Arbeit der Untersuchung von
Maßnahmen, die die Auswirkungen dieser Alterungserscheinungen emissionsoptimal minimieren.
Zunächst erfolgt mittels dreier unterschiedlicher Messaufbauten der Nachweis, dass sich Einspritzdüsen
mit kleineren und größeren Spritzlochdurchmessern wie verkokte beziehungsweise verschlissene
Exemplare einer Referenzdüse verhalten. Versuche an einem neuentwickelten Einspritzverlaufsindikator
bestätigen, dass die verwendeten Einspritzdüsen mit kleineren Spritzlöchern hinsichtlich Einspritzratenverlauf
und Einspritzmenge mit verkokten Düsen in der wissenschaftlichen Literatur übereinstimmen.
Auf die gleiche Art und Weise kann gezeigt werden, dass das Verhalten der Einspritzdüsen mit
größerem Spritzlochdurchmesser dem verschlissener Düsen entspricht. Messungen an einem Einspritzkammerprüfstand
und an einem Einzylinder-Forschungsmotor bekräftigen diese Annahmen durch den
Vergleich mit entsprechenden Veröffentlichungen. Es wird die Anpassung verschiedener Stellgrößen,
wie des Bestromungsprofils und der Bestromungsdauer des Injektors sowie des Raildrucks untersucht
und hinsichtlich ihres Emissionspotentials bewertet. Es zeigt sich, dass Düsen mit kleineren Spritzlöchern,
die Verkokungen nachbilden, bei geringen Motorlasten und gleichen Randbedingungen einen
höheren Mitteldruck liefern als die Referenzdüse. Verkokungen führen folglich nicht zwangsläufig zu
einem Motorleistungsverlust. Die emissionsoptimale Wahl zwischen Bestromungsdauer- oder Raildruckanpassung
zur Kompensation der Auswirkungen der Alterungserscheinungen ist abhängig vom
Unter- oder Überschreiten des Referenzmitteldrucks und der Art der Alterungserscheinung.
Zur weiteren Untersuchung der Kompensationsmaßnahmen wird ein Simulationsmodell des Motors mit
prädiktivem Verbrennungsmodell erstellt und mit Messdaten aus den Versuchen am Forschungsmotor
validiert. Neben einer getrennten Anpassung des Raildrucks und der Bestromungsdauer werden eine
Kombination der beiden sowie eine Wiederherstellung des Brennverlaufs untersucht. Die Simulationsergebnisse
zeigen, dass eine vollständige Nachbildung des Brennverlaufs der Referenzdüse für eine angenommene
verkokte Düse nicht realisierbar ist und eine reine Anpassung der Bestromungsdauer für
diesen Fall geringere Stickoxidemissionen liefert. Abschließend wird ein künstliches neuronales Netz
zur Abbildung des Motorverhaltens und der Emissionen präsentiert. Es berechnet die Emissionen für
die betrachteten Einspritzdüsen bei deutlich geringerem Bedatungsaufwand, trotz der nicht physikalisch-
basierten Modellierung, mit hoher Aussagegüte.