Markus Bertsch

Effect of implementing large-scale charge motion, reducing hydraulic flow of the injector and increasing injection pressure on particle emissions of a GDI engine at WOT and boosted operation:

Gasoline direct injection (GDI) shows advantages compared with port fuel injection (PFI) regarding efficiency and specific power. Due to stricter regulations for fuel consumption (via the regulation of carbon dioxide), GDI engines are becoming increasingly favourable compared with PFI engines. Therefore the share of GDI engines, especially in combination with turbocharging, is increasing in most of the markets with CO2 regulations. Challenging for GDI engines is the mixture formation process due to the short time between fuel injection and the start of combustion. Thus, the injector needs to provide a fine fuel atomization in a considerably short time. The generated spray pattern thereby interacts with the in-cylinder charge motion to generate an appropriate air–fuel mixture. Because of this challenging mixture formation process, the formation of soot in local fuel-rich areas is possible. Thus GDI engines emit more particles compared with PFI engines and need special attention on the mixture formation process. To understand the reasons for the increased particle number (PN) emissions, a project concerning the cause of particle emissions was started at Institute of Internal Combustion Engines (IFKM) in Karlsruhe in 2011. During the project, different causes for PN emissions were identified. This article discusses the possible reasons for particle emissions under high engine load and low engine speed and shows some possible solutions to reduce the emission of particles. Discussed possible solutions to enhance the mixture formation process are the generation of a large-scale charge motion (tumble and swirl), the reduction of the hydraulic flow of the multi-hole, solenoid-activated injector and an increase of the rail pressure up to 50 MPa. The reduction of the hydraulic flow and the increase of the injection pressure lead to smaller average droplets and thus to a faster evaporation. An implementation of a large-scale charge motion enhances the mixture formation process and leads to a reduction of the emitted PN concentration at high engine load. This is shown for wide open throttle (WOT) as well as for boosted operation. The reduction of the hydraulic flow of the injector by reducing the bore hole diameter at constant number of holes and spray targeting of the injector leads to smaller droplets. By increasing the injection pressure, the injection duration as well as the average droplet size can be reduced and leads to a better homogenization and a further reduced PN concentration.

Investigations on PN formation and emission from passenger car GDI engines

To meet the future CO2 limits, several engine manufactures increase their proportion of gasoline engines equipped with direct injection systems (GDI). However particle number emissions of GDI engines is much higher than of port fuel injection (PFI) engines. Reasons for particle emissions are nonhomogeneous mixture formation, the presence of local rich zones and liquid fuel in the combustion chamber [1; 2]. Downsizing and Downspeeding are promising solutions to reduce the fuel consumption. In context with the new emissions regulations the reduction of particle number emissions at high engine loads is becoming increasingly important. The higher engine loads at lower engine speeds lead to more fuel injection in a lower in-cylinder charge motion environment. Both are negative for the mixture formation and the evaporation of the liquid fuel.

Untersuchung der Partikelemissionen für unterschiedliche Einspritzstrategien an einem aufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung

Der Marktanteil von aufgeladenen Ottomotoren mit Direkteinspritzung (GDI) steigt aufgrund des Potentials zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und somit der Reduktion des CO2-Ausstoses fur die kommenden Klimaziele immer weiter an. Im Vergleich zu Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung (PFI) zeigen Motoren mit Direkteinspritzung Nachteile bei den Partikelemissionen. In Abbildung 1 werden die Unterschiede bei den Partikelanzahlemissionen (PN-Emissionen) fur den Neuen Europaischen Fahrzyklus (NEFZ) zweier hubraumgleicher Motoren zum einen mit einer Saugrohreinspritzung und zum anderen mit einer Direkteinspritzung gezeigt. Bei kaltem Motor, also zu Beginn des Zyklus, zeigen sich die hochsten Partikelemissionen bei beiden Varianten, wobei der GDI-Motor auch in dieser Phase deutlich hohere Partikelemissionen verursacht. Sobald der Motor eine bestimmte Temperatur erreicht hat, sind die Partikelemissionen bei dem PFI-Motor deutlich reduziert. Der GDI-Motor zeigt bei aufgeheiztem Motor, vor allem bei den Beschleunigungsvorgangen, deutlich erhohte Emissionen. Diese Partikel sind gerade bei Ottomotoren durch ihre geringe Grose lungengangig und werden somit als gesundheitsgefahrdend eingestuft. Dadurch werden die Partikelanzahlemissionen bei Ottomotoren immer starker reglementiert und erhalten mit der Gesetzesnorm Euro 6 erstmals denselben Grenzwert wie Dieselmotoren.

Untersuchungen der Hochfrequenz-Zündung bei unterschiedlichen Ladungsbewegungen und Ventilsteuerzeiten an einem aufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung

Treibende Ziele bei der Entwicklung neuer ottomotorischer Brennverfahren sind seit jeher die Reduktion der Schadstoffemissionen sowie die Steigerung des Prozesswirkungsgrades. Zum Erreichen dieser Ziele hat sich in den vergangenen Jahren die Direkteinspritzung in Verbindung mit der Abgasturboaufladung als Schlusseltechnologie heraus gestellt. Neben vielen Vorteilen fuhrt sie allerdings im Vergleich zur auseren Gemischbildung zu einem Anstieg der Partikelemissionen im Abgas. Um diese zu reduzieren konnen verschiedene Masnahmen zur Intensivierung der Ladungsbewegung und damit zu einer besseren Gemischbildung getroffen werden.