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- Niedriger Verbrauch und saubere Verbrennung als Ziel
- Einspritzregelsystem COSI versorgt Zylinder mit kleinsten Einspritzmengen
- Innovatives Zündsystem CCI zündet auch magere Gemische mit hohem Abgasrückführanteil zuverlässig
Mit einer breiten Palette an innovativen Systemlösungen stellt sich der internationale Automobilzulieferer Continental den Herausforderungen bei der Weiterentwicklung von Otto-Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung. "Um die verschärften Anforderungen bei Verbrauch und Partikelemissionen zu erfüllen, ist ein breites Maßnahmenpaket für das Luft-Kraftstoffsystem sowie die Zündung erforderlich", sagte Gerhard Böhm, Leiter der Business Unit Engine Systems, Continental Division Powertrain, während des Wiener Motorensymposiums. "Zur Erreichung dieses Ziels kann Continental maßgeschneiderte Plattformlösungen für die unterschiedlichen Märkte anbieten." Dazu gehören der von Continental neu entwickelte Turbolader, der den Einsatz von Motoren mit kleinerem Hubraum bei gleichbleibender Leistung und niedrigerem Verbrauch ermöglicht, das neuartige Zündsystem CCI (Continuous Current Ignition) für die zuverlässige Zündung magerer Gemische im Brennraum sowie das Einspritzregelsystem COSI (Controlled Solenoid Injection). Mit ihm ist die kontrollierte Einspritzung kleinster Kraftstoffmengen in die Zylinder möglich, um so ein schnelles Ansprechen des Katalysators, geringe Partikelemissionen und einen niedrigen Verbrauch zu erreichen. In Verbindung mit der neu entwickelten Continental Benzin-Hochdruckpumpe arbeitet die Kraftstoffeinspritzung überdies deutlich leiser. Gesteuert werden alle Komponenten von der neuen Motorsteuerungsplattform EMS 3.
Continuous Current Ignition (CCI): Zündsystem für zuverlässige Zündung
Um die ambitionierten Klimaschutzziele zu erreichen und in den kommenden Jahren den Flottenverbrauch und damit den CO2-Ausstoß zu senken, "werden die Automobilhersteller verstärkt auf Otto-Motoren mit Direkteinspritzung und magerer Verbrennung setzen", sagte Böhm. Bei diesen Magerkonzeptmotoren in Verbindung mit Abgasrückführungssystemen, werden im Brennraum teilweise inhomogene Gemischbereiche entstehen, die eine höhere Zündenergie benötigen, um eine zuverlässige Entflammung des Gemischs zu gewährleisten. Auch das Tanken von Kraftstoff mit hohem Ethanol-Anteil fordert eine hohe Zündenergie, die die klassische Einfunken-Zündkerze schnell an ihre Grenzen stoßen lässt. Das von Continental entwickelte CCI-System bietet die Möglichkeit der exakten Brenndauer- und Zündenergiesteuerung. Die Funkenbrenndauer wird von der Motorsteuerung vorgegeben, das System kann außerdem nach dem Start der Entflammung im Zylinder, Energie in den Zündfunken nachladen - damit erfolgt keine Unterbrechung des Zündplasmas, wodurch bei CCI der Verschleiß an den Zündkerzenelektroden gegenüber Mehrfunkenzündanlagen sogar vermindert wird. Brenndauer und Zündenergie werden vom Steuergerät vorgegeben und sorgen somit auch unter kritischen Bedingungen - etwa beim Kaltstart von Kraftstoff mit hohem Ethanolanteil - für eine zuverlässige Zündung und damit optimierte Verbrennungsprozesse.
Controlled Solenoid Injection (COSI): Optimierung des Einspritzsystems
Um die künftigen gesetzlichen Höchstgrenzen bei der Abgasemission einhalten zu können, spielt das Einspritzsystem eine Hauptrolle. Die Genauigkeit, mit der die eingespritzte Kraftstoffmenge dosiert wird - vor allem im Kleinstmengenbereich - und die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Strahls sind die entscheidenden Einflussgrößen. Eine besondere Herausforderung ist dabei die gewünschte, möglichst schnelle Aufheizung des Katalysators, bei gleichzeitiger Reduzierung der Partikel. Einspritzstrategien, die zu einem schnellen Anspringen des Kats führen, erhöhen aber meist den Partikelausstoß. Damit entsteht ein Großteil der Partikel während der Kaltlaufphase, unmittelbar nach dem Start. Dies lässt sich durch die Mehrfacheinspritzung mit deutlich reduzierter Kraftstoffmenge und hohem Einspritzdruck verhindern. Dabei dürfen die kalten Zylinderwände nicht mit Brennstoff benetzt werden. Das stellt maximale Anforderungen an die Einspritzanlage: Die dafür erforderliche Kraftstoffmenge im Bereich von 3 Milligramm pro Impuls und weniger, sowie die Genauigkeit des Einspritzstrahls lassen sich bislang nur durch Piezoinjektoren erreichen.
Mit COSI (Controlled Solenoid Injection) ist es nun möglich, auch mit herkömmlichen Solenoid-Injektoren, ein Signal auch für die Kleinstmengenregelung an das Steuergerät weiterzuleiten. Eine Software übernimmt die Regelung der absoluten Kraftstoffmasse pro Einspritzimpuls und überwacht die einzelnen Injektoren. So wird verhindert, dass Injektoren zu wenig Kraftstoff einspritzen und der Motor unruhig läuft. Damit gewährleistet COSI eine gleichbleibende Präzision über die komplette Lebensdauer und bringt den Solenoid-Injektor bei der Aufbereitung von Kleinstmengen in einen Leistungsbereich, die bislang Piezo-Injektoren vorbehalten war. Ergänzt wird das System durch die neu entwickelte Continental Benzin-Hochdruckpumpe. Die mit einem stromlos geöffneten Einlassventil arbeitende Pumpe hat dank "Whispering-Function" ein um bis zu 6 dB niedrigeres Arbeitsgeräusch als vergleichbare Wettbewerberprodukte.
Turbolader mit innovativem Wastegate: Hoher Fahrkomfort bei niedriger Drehzahl
Die Reduzierung des Hubraums und der Zylinderzahl ist einer der wesentlichen Maßnahmen, den Verbrauch zu senken. Kleinere Motoren, die mit einem Turbolader aufgeladen werden, haben weniger Ladungswechselverluste, arbeiten in einem günstigeren Kennfeldbereich und ermöglichen den Fahrbetrieb mit thermodynamisch hohen Wirkungsgraden des Motors. Gleichzeitig steigen Leistung und Drehmoment. Um ein ähnlich komfortables Fahrverhalten wie ein großvolumiger Saugmotor zu haben, muss der Turbolader sehr früh ansprechen. Dazu tragen ein hoher Wirkungsgrad der Turbine bei, aber auch geringe Verluste am Wastegate. Das Bypass-Ventil, das bei hoher Belastung ein zu starkes Ansteigen des Ladedrucks verhindert, sollte präzise geregelt werden und bei niedriger Motordrehzahl möglichst dicht schließen, damit der Turbolader frühzeitig auf Touren kommt und so die zur Verbrennung notwendige Luft mit hohem Druck in die Verbrennungsräume pressen kann. Der elektrische Wastegate Aktor von Continental - idealerweise in das Verdichtergehäuse integriert - erhöht die Stellgeschwindigkeit und eine neue Konstruktion dieses Wastgateventils als kugelförmig gewölbter Klappenteller reduziert den Druckverlust. Somit werden die Abgase besser für die Turbinenleistung ausgenutzt. Bei geschlossenem Wastegate ist der Laderdruck höher und wird schneller aufgebaut, der Motor stellt seine Leistung früher und damit für den Fahrer komfortabler zur Verfügung.
Systemlösungen für optimalen Einsatz aller Komponenten
Die optimale Abstimmung aller Komponenten des Antriebssystems von der Kraftstoffversorgung bis hin zur Abgasnachbehandlung erfordern Systemlösungen, die überdies offen sein müssen für die Integration von Hybridtechnologie. Dies erfordert eine Vernetzung der Informationen im Antriebsstrang. Mit dem Engine Management System 3 (EMS 3) stellt Continental den Automobilherstellern eine Motorsteuerung zur Verfügung, die auf einer offenen Systemarchitektur nach AUTOSAR-Standard basiert und damit große Flexibilität für die Umsetzung neuer Systemkonfigurationen bietet, etwa die flexible Einbindung von Sensoren. Überdies lässt sich das System leicht an die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Märkte anpassen.
Otto-Motoren mit Direkteinspritzung: Deutlicher Zuwachs in den nächsten Jahren
Während derzeit weltweit die meisten Motoren in Kraftfahrzeugen nach dem Prinzip der Benzin-Mehrpunkteinspritzung (MPI) arbeiten (rund 50 Prozent), wird deren Anteil bis Ende des Jahrzehnts auf rund 34 Prozent sinken. Gleichzeitig erleben direkteinspritzende Benziner einen rasanten Anstieg von derzeit rund sechs auf 32 Prozent. Dabei verläuft die Entwicklung regional unterschiedlich. In Europa wird die Direkteinspritzungstechnik bereits im nächsten Jahr dominieren und 2015 rechnet man mit 8,4 Millionen verbauten Direkteinspritzern im Vergleich zu nur noch 4,5 Millionen Motoren mit MPI-Technik. Damit hätten Direkteinspritzer in vier Jahren einen Anteil von rund 35 Prozent am Gesamtmarkt in Europa.
- Niedriger Verbrauch und saubere Verbrennung als Ziel
- Einspritzregelsystem COSI versorgt Zylinder mit kleinsten Einspritzmengen
- Innovatives Zündsystem CCI zündet auch magere Gemische mit hohem Abgasrückführanteil zuverlässig
Mit einer breiten Palette an innovativen Systemlösungen stellt sich der internationale Automobilzulieferer Continental den Herausforderungen bei der Weiterentwicklung von Otto-Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung. "Um die verschärften Anforderungen bei Verbrauch und Partikelemissionen zu erfüllen, ist ein breites Maßnahmenpaket für das Luft-Kraftstoffsystem sowie die Zündung erforderlich", sagte Gerhard Böhm, Leiter der Business Unit Engine Systems, Continental Division Powertrain, während des Wiener Motorensymposiums. "Zur Erreichung dieses Ziels kann Continental maßgeschneiderte Plattformlösungen für die unterschiedlichen Märkte anbieten." Dazu gehören der von Continental neu entwickelte Turbolader, der den Einsatz von Motoren mit kleinerem Hubraum bei gleichbleibender Leistung und niedrigerem Verbrauch ermöglicht, das neuartige Zündsystem CCI (Continuous Current Ignition) für die zuverlässige Zündung magerer Gemische im Brennraum sowie das Einspritzregelsystem COSI (Controlled Solenoid Injection). Mit ihm ist die kontrollierte Einspritzung kleinster Kraftstoffmengen in die Zylinder möglich, um so ein schnelles Ansprechen des Katalysators, geringe Partikelemissionen und einen niedrigen Verbrauch zu erreichen. In Verbindung mit der neu entwickelten Continental Benzin-Hochdruckpumpe arbeitet die Kraftstoffeinspritzung überdies deutlich leiser. Gesteuert werden alle Komponenten von der neuen Motorsteuerungsplattform EMS 3.
Continuous Current Ignition (CCI): Zündsystem für zuverlässige Zündung
Um die ambitionierten Klimaschutzziele zu erreichen und in den kommenden Jahren den Flottenverbrauch und damit den CO2-Ausstoß zu senken, "werden die Automobilhersteller verstärkt auf Otto-Motoren mit Direkteinspritzung und magerer Verbrennung setzen", sagte Böhm. Bei diesen Magerkonzeptmotoren in Verbindung mit Abgasrückführungssystemen, werden im Brennraum teilweise inhomogene Gemischbereiche entstehen, die eine höhere Zündenergie benötigen, um eine zuverlässige Entflammung des Gemischs zu gewährleisten. Auch das Tanken von Kraftstoff mit hohem Ethanol-Anteil fordert eine hohe Zündenergie, die die klassische Einfunken-Zündkerze schnell an ihre Grenzen stoßen lässt. Das von Continental entwickelte CCI-System bietet die Möglichkeit der exakten Brenndauer- und Zündenergiesteuerung. Die Funkenbrenndauer wird von der Motorsteuerung vorgegeben, das System kann außerdem nach dem Start der Entflammung im Zylinder, Energie in den Zündfunken nachladen - damit erfolgt keine Unterbrechung des Zündplasmas, wodurch bei CCI der Verschleiß an den Zündkerzenelektroden gegenüber Mehrfunkenzündanlagen sogar vermindert wird. Brenndauer und Zündenergie werden vom Steuergerät vorgegeben und sorgen somit auch unter kritischen Bedingungen - etwa beim Kaltstart von Kraftstoff mit hohem Ethanolanteil - für eine zuverlässige Zündung und damit optimierte Verbrennungsprozesse.
Controlled Solenoid Injection (COSI): Optimierung des Einspritzsystems
Um die künftigen gesetzlichen Höchstgrenzen bei der Abgasemission einhalten zu können, spielt das Einspritzsystem eine Hauptrolle. Die Genauigkeit, mit der die eingespritzte Kraftstoffmenge dosiert wird - vor allem im Kleinstmengenbereich - und die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Strahls sind die entscheidenden Einflussgrößen. Eine besondere Herausforderung ist dabei die gewünschte, möglichst schnelle Aufheizung des Katalysators, bei gleichzeitiger Reduzierung der Partikel. Einspritzstrategien, die zu einem schnellen Anspringen des Kats führen, erhöhen aber meist den Partikelausstoß. Damit entsteht ein Großteil der Partikel während der Kaltlaufphase, unmittelbar nach dem Start. Dies lässt sich durch die Mehrfacheinspritzung mit deutlich reduzierter Kraftstoffmenge und hohem Einspritzdruck verhindern. Dabei dürfen die kalten Zylinderwände nicht mit Brennstoff benetzt werden. Das stellt maximale Anforderungen an die Einspritzanlage: Die dafür erforderliche Kraftstoffmenge im Bereich von 3 Milligramm pro Impuls und weniger, sowie die Genauigkeit des Einspritzstrahls lassen sich bislang nur durch Piezoinjektoren erreichen.
Mit COSI (Controlled Solenoid Injection) ist es nun möglich, auch mit herkömmlichen Solenoid-Injektoren, ein Signal auch für die Kleinstmengenregelung an das Steuergerät weiterzuleiten. Eine Software übernimmt die Regelung der absoluten Kraftstoffmasse pro Einspritzimpuls und überwacht die einzelnen Injektoren. So wird verhindert, dass Injektoren zu wenig Kraftstoff einspritzen und der Motor unruhig läuft. Damit gewährleistet COSI eine gleichbleibende Präzision über die komplette Lebensdauer und bringt den Solenoid-Injektor bei der Aufbereitung von Kleinstmengen in einen Leistungsbereich, die bislang Piezo-Injektoren vorbehalten war. Ergänzt wird das System durch die neu entwickelte Continental Benzin-Hochdruckpumpe. Die mit einem stromlos geöffneten Einlassventil arbeitende Pumpe hat dank "Whispering-Function" ein um bis zu 6 dB niedrigeres Arbeitsgeräusch als vergleichbare Wettbewerberprodukte.
Turbolader mit innovativem Wastegate: Hoher Fahrkomfort bei niedriger Drehzahl
Die Reduzierung des Hubraums und der Zylinderzahl ist einer der wesentlichen Maßnahmen, den Verbrauch zu senken. Kleinere Motoren, die mit einem Turbolader aufgeladen werden, haben weniger Ladungswechselverluste, arbeiten in einem günstigeren Kennfeldbereich und ermöglichen den Fahrbetrieb mit thermodynamisch hohen Wirkungsgraden des Motors. Gleichzeitig steigen Leistung und Drehmoment. Um ein ähnlich komfortables Fahrverhalten wie ein großvolumiger Saugmotor zu haben, muss der Turbolader sehr früh ansprechen. Dazu tragen ein hoher Wirkungsgrad der Turbine bei, aber auch geringe Verluste am Wastegate. Das Bypass-Ventil, das bei hoher Belastung ein zu starkes Ansteigen des Ladedrucks verhindert, sollte präzise geregelt werden und bei niedriger Motordrehzahl möglichst dicht schließen, damit der Turbolader frühzeitig auf Touren kommt und so die zur Verbrennung notwendige Luft mit hohem Druck in die Verbrennungsräume pressen kann. Der elektrische Wastegate Aktor von Continental - idealerweise in das Verdichtergehäuse integriert - erhöht die Stellgeschwindigkeit und eine neue Konstruktion dieses Wastgateventils als kugelförmig gewölbter Klappenteller reduziert den Druckverlust. Somit werden die Abgase besser für die Turbinenleistung ausgenutzt. Bei geschlossenem Wastegate ist der Laderdruck höher und wird schneller aufgebaut, der Motor stellt seine Leistung früher und damit für den Fahrer komfortabler zur Verfügung.
Systemlösungen für optimalen Einsatz aller Komponenten
Die optimale Abstimmung aller Komponenten des Antriebssystems von der Kraftstoffversorgung bis hin zur Abgasnachbehandlung erfordern Systemlösungen, die überdies offen sein müssen für die Integration von Hybridtechnologie. Dies erfordert eine Vernetzung der Informationen im Antriebsstrang. Mit dem Engine Management System 3 (EMS 3) stellt Continental den Automobilherstellern eine Motorsteuerung zur Verfügung, die auf einer offenen Systemarchitektur nach AUTOSAR-Standard basiert und damit große Flexibilität für die Umsetzung neuer Systemkonfigurationen bietet, etwa die flexible Einbindung von Sensoren. Überdies lässt sich das System leicht an die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Märkte anpassen.
Otto-Motoren mit Direkteinspritzung: Deutlicher Zuwachs in den nächsten Jahren
Während derzeit weltweit die meisten Motoren in Kraftfahrzeugen nach dem Prinzip der Benzin-Mehrpunkteinspritzung (MPI) arbeiten (rund 50 Prozent), wird deren Anteil bis Ende des Jahrzehnts auf rund 34 Prozent sinken. Gleichzeitig erleben direkteinspritzende Benziner einen rasanten Anstieg von derzeit rund sechs auf 32 Prozent. Dabei verläuft die Entwicklung regional unterschiedlich. In Europa wird die Direkteinspritzungstechnik bereits im nächsten Jahr dominieren und 2015 rechnet man mit 8,4 Millionen verbauten Direkteinspritzern im Vergleich zu nur noch 4,5 Millionen Motoren mit MPI-Technik. Damit hätten Direkteinspritzer in vier Jahren einen Anteil von rund 35 Prozent am Gesamtmarkt in Europa.
