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.