Schichtladebetrieb bei Direkteinspritzung

Der Schichtladebetrieb (mageres Gemisch) wird am Beispiel des 6-Zylinder-Motors N53 beschrieben. Auch der neue 4-Zylinder-Ottomotor N43 verfügt über Schichtladebetrieb.

Die konstruktive Basis des N53 (z. B. N53B30O0) bildet der N52. Der N53 verfügt wie der N54 über eine Direkteinspritzung. Der N53 ist jedoch nicht aufgeladen. Zudem wird der N53 in weiten Betriebsbereichen mit Schichtladung (Lambda bis 2,5) betrieben. Der 6-Zylinder-Motor ist für den europäischen Markt entwickelt (ACEA: Verband der europäischen Automobilhersteller). Die Abgasanlage verfügt über einen Stickoxidkatalysator.

Die strahlgeführte Direkteinspritzung (HPI: High Precision Injection) liefert zusätzliche Freiheitsgrade:

bei der Bemessung von Einspritzmenge und Einspritzdauer (Mehrfacheinspritzung je nach Last und Drehzahl bis zu 3-mal)
bei der Gemischverteilung im Brennraum

Dadurch lassen sich Leistung, Motordrehmoment, Verbrauch und Schadstoffemissionen positiv beeinflussen.

Mit dem Schichtladebetrieb erreicht die effiziente Dynamik (BMW Marketingbegriff: EfficientDynamics) ein neues Niveau. Der Motor erschließt sein Leistungspotenzial bei verringertem Kraftstoffverbrauch.

Bauteil-Kurzbeschreibung

Folgende Bauteile werden beschrieben:

Zylinderkopf bei Direkteinspritzung
Injektoren
Stickoxidkatalysator mit Stickoxidsensor sowie Abgastemperatursensor

Zylinderkopf bei Direkteinspritzung

Bei der Direkteinspritzung ist der Injektor zentral zwischen den Ventilen und in unmittelbarer Nähe zur Zündkerze platziert. In dieser Position kann der nach außen öffnende Injektor den Kraftstoff ringförmig (Hohlkegel) und besonders gleichmäßig im Brennraum verteilen. Damit wird nicht nur eine exaktere Gemischdosierung ermöglicht, sondern zugleich auch eine Kühlwirkung erzielt. Dies erlaubt eine höhere Verdichtung und optimiert so den Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses.

Index	Erklärung	Index	Erklärung
1	Injektor	2	Zylinderkopf
3	Kolben	4	Brennraum
5	Zündkerze	6	Zündspule

Injektoren

Der Injektor spritzt den Kraftstoff unter Hochdruck in den Brennraum. Der Injektor öffnet die Spitze der Düsennadel nach außen und bildet dabei einen bis zu 40 Mikrometer großen Ringspalt. Der Ringspalt formt die strahlgeführte Direkteinspritzung und sorgt für die gleichmäßige Ausbreitung durch einen Hohlkegel. Die piezoelektrische Ansteuerung ergibt gegenüber der Ansteuerung über Magnetspulen folgende Vorteile:

verbesserte Möglichkeiten zur Mehrfacheinspritzung durch schnelle Schaltzeiten mit sehr kleinen Totzeiten.

Somit ergeben sich deutliche Verbesserungen hinsichtlich Schadstoffemissionen sowie Kraftstoffverbrauch.

Index	Erklärung	Index	Erklärung
1	Injektor	2	Raildrucksensor
3	Rail	4	Kraftstoffniederdrucksensor
5	Mengenregelventil	6	Hochdruckpumpe

Ein Piezo-Element ist ein elektromechanischer Wandler. Das Piezo-Element ist eine Keramik, die elektrische Energie direkt in mechanische Energie (Kraft/Weg) umwandelt. Das Piezo-Element dehnt sich aus, wenn eine Spannung angelegt wird. Somit wird der Hub der Düsennadel erzeugt. Um einen größeren Hub zu erreichen, lässt sich ein Piezo-Element in mehreren Schichten aufbauen.

Index	Erklärung	Index	Erklärung
1	Piezo-Element ohne Spannung	2	Schichten von Piezo-Elementen
3	Piezo-Element, Spannung angelegt

Stickoxidkatalysator mit Stickoxidsensor sowie Abgastemperatursensor

Stickoxid stellt einen Sammelbegriff für die unterschiedlichen Verbindungen von Stickstoff mit Sauerstoff dar. Stickoxide bilden sich als Folge von Nebenreaktionen bei allen Verbrennungsprozessen mit Luft, in der Stickstoff enthalten ist. Der Stickstoff ist an der eigentlichen Verbrennung des Kohlenstoffs nicht beteiligt. Durch die auftretenden hohen Temperaturen und den Druck im Brennraum kommt es jedoch zu Oxidationsvorgängen mit dem Luftsauerstoff. Hierbei entstehen hauptsächlich Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) sowie in geringem Maße Distickstoffoxid (N₂O).

Je höher die Temperaturen sind und je mehr Luft sich im Verbrennungsgemisch befindet, desto größer ist der Anteil der sich bildenden Stickoxide. Deshalb müssen Motoren mit Schichtladebetrieb mit einem Stickoxidkatalysator ausgerüstet werden.

Index	Erklärung	Index	Erklärung
1	Lambdasonden (Regelsonden)	2	Stickoxidsensor
3	Abgasklappe	4	Stickoxidkatalysator Bank 2
5	Stickoxidkatalysator Bank 1	6	Abgastemperatursensor
7	Dreiwegekatalysator Bank 2	8	Lambdasonden (Monitorsonden)
9	Dreiwegekatalysator Bank 1

Der Stickoxidkatalysator ähnelt im Aufbau einem Dreiwegekatalysator. Auf einer Trägerschicht ist ein katalytisch wirkendes Edelmetall sowie ein Material zur Zwischenspeicherung der Stickoxide aufgebracht. Der Stickoxidkatalysator arbeitet in einem Temperaturbereich von 220 °C bis 450 °C. In diesem Temperaturbereich ist es möglich, Stickoxide zu speichern sowie zu regenerieren. Für die Entschwefelung ist ein noch höherer Temperaturbereich von 600 °C bis 650 °C erforderlich. Diese Temperaturbereiche werden durch den Abgastemperatursensor überwacht. Die Steuerung und Überwachung der Regeneration führt die Motorsteuerung (MSD80) durch. Dazu benutzt die Motorsteuerung ein Rechenmodell und die Messwerte des Stickoxidsensors.

Der Stickoxidsensor besteht aus der eigentlichen Messsonde und einer dazugehörigen Auswerteelektronik. Die Auswerteelektronik kommuniziert über den Local-CAN (lokaler CAN-Bus) mit dem Motorsteuergerät.

Index	Erklärung	Index	Erklärung
1	Stickoxidsensor	2	Auswerteelektronik

Der Stickoxidsensor ist in seiner Funktionsweise mit einer Breitband-Lambdasonde zu vergleichen. Gemessen wird aber Stickoxid. Das Messverfahren basiert darauf, die Stickoxidmessung auf eine Sauerstoffmessung zurückzuführen. Der Stickoxidsensor ist untrennbar mit der Auswerteelektronik verbunden.

Systemfunktionen

Folgende Systemfunktionen werden beschrieben:

Schichtladebetrieb
Speicherung und Regeneration des Stickoxidkatalysators

Schichtladebetrieb

Hinweis! Begriffserklärung Schichtladung.

Schichtladung ist ein Verfahren für Ottomotoren. Dabei wird Kraftstoff so eingespritzt, dass im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch (Lambda = 0,5 bis 1,0) entsteht. Der übrige Brennraum weist ein sehr mageres, nicht zündfähiges Gemisch (Lambda = 1,5 bis 2,5) auf.

Bei der Direkteinspritzung mündet der Injektor direkt in den Brennraum. Die Verbrennungsluft wird nahezu ungedrosselt (über die Drosselklappe) angesaugt. Der Kraftstoff wird erst spät während des Kompressionstaktes eingespritzt. Nur im Bereich der Zündkerze entsteht ringförmig ein zündfähiges Gemisch. Der überwiegende Teil des Brennraumes ist mit Luft und Restgasen gefüllt. Durch den Luftüberschuss ergibt sich eine Abgaszusammensetzung, bei der mit einem konventionellen Dreiwegekatalysator keine Reduzierung der Stickoxide im Abgas möglich ist. Aus diesem Grund ist ein Stickoxidkatalysator erforderlich.

Der Betrieb mit Schichtladung ist nicht über den gesamten Betriebsbereich eines Motors möglich. Folgende physikalische Grenzbereiche ergeben sich:

Bei zunehmender Last muss die eingespritzte Kraftstoffmenge zunehmen. Der Bereich um die Zündkerze mit zündfähigem Gemisch wird größer.
Bei steigenden Drehzahlen wird die für den Ladungswechsel und die Gemischbildung zur Verfügung stehende Zeit kleiner.

Index	Erklärung	Index	Erklärung
1	Erweiterter Schichtladebetrieb: Lambda sehr viel größer als 1	2	Übergangsbereich: Lambda nahe größer 1
3	homogener Betriebsbereich: Lambda = 1

Speicherung und Regeneration des Stickoxidkatalysators

Die Speicherkapazität des Stickoxidkatalysators ist begrenzt. Wenn der Speicherwerkstoff komplett gesättigt ist, kann kein weiteres Stickoxid aufgenommen werden. Die Motorsteuerung erkennt diese Sättigung wie folgt:

Mit einem modellgestützten Verfahren wird die Menge der gespeicherten Stickoxide (NO_X) berechnet. Berücksichtigt werden dabei:
- Temperatur des Stickoxidkatalysators
- zurückliegendes Fahrprofil
- gespeicherter Wert für die thermische Alterung des Stickoxidkatalysators
Der den Speicherkatalysatoren nachgelagerte Stickoxidsensor erkennt Stickoxide im Abgasstrom. Der Stickoxidsensor liefert das Signal an die Motorsteuerung.

Index	Erklärung	Index	Erklärung
1	Stickoxidkatalysator	2	Speichermaterial (Barium)
3	Stickoxidsensor

Wenn eine maximale Speichermenge des Speicherkatalysators festgestellt wird, leitet die Motorsteuerung die Regeneration der Stickoxide ein. Dazu wird das Gemisch leicht angefettet (Lambda = 0,8). Bei der Regeneration werden die Stickoxide am Katalysator konvertiert. Nach der Konvertierung wird der angefettete Motorbetrieb wieder beendet. Auch hierbei wird auf ein Rechenmodell und den Stickoxidsensor zurückgegriffen. Der Stickoxidsensor misst dabei die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Ein Spannungssprung von ”mager” nach ”fett” zeigt an, wenn die Regeneration beendet ist.

Hinweise für den Service

Allgemeine Hinweise

Achtung: Kraftstoffhochdrucksystem!

Arbeiten an diesem Kraftstoffsystem sind nur nach dem Abkühlen des Motors zulässig. Die Kühlmitteltemperatur darf nicht über 40 °C liegen. Ansonsten besteht wegen des Restdruckes im Kraftstoffhochdrucksystem Verletzungsgefahr.

Hinweis: Reparaturanleitung beachten.

Bei Arbeiten am Kraftstoffhochdrucksystem besonders auf Sauberkeit achten. Schon kleinste Verunreinigungen und Beschädigung an den Verschraubungen der Hochdruckleitungen können zu Undichtigkeiten führen.

Diagnosehinweise

Hinweis: Notprogramm.

Bei unplausiblen Abgasemissionswerten wird das Notprogramm gestartet. Zusätzlich wird der Motor mit homogenem Gemisch betrieben.

Es gibt 2 Notprogramme: Notprogramm mit 5 bar Einspritzdruck und Notprogramm mit 100 bar Einspritzdruck.

Mögliche Ursachen für das Notprogramm mit 5 bar:

Unplausible Werte der Sensoren
Druckbegrenzungsventil defekt
Kraftstoffdurchfluss zu gering

Mögliche Ursachen für das Notprogramm mit 100 bar:

Kraftstoffdurchfluss zu hoch (Mengenregelventil klemmt)

Hinweis: Servicefunktion Abgleich Injektor.

Wenn das Motorsteuergerät oder ein Injektor getauscht wird, muss der aufgedruckte Kode eines jeden Injektors im Motorsteuergerät dem richtigen Zylinder zugeordnet werden. Servicefunktion ”Injektor abgleichen” am BMW Diagnosesystem ausführen.

Hinweis: Servicefunktionen Stickoxidkatalysator.

Wenn das Motorsteuergerät getauscht wird, muss der Alterungs- und Verschwefelungszustand der Stickoxidkatalysatoren übertragen werden.

Wenn die Stickoxidkatalysatoren getauscht werden, muss der Alterungs- und Verschwefelungszustand initialisiert werden.

Hinweis: Verschwefelung des Stickoxidkatalysators.

Schwefelfreier Kraftstoff enthält doch minimal Schwefel. Der Schwefel reduziert die Speicherkapazität der Stickoxidkatalysatoren. Eine Verschwefelung des Stickoxidkatalysators führt dazu, dass der Motor nur mit homogenem Gemisch betrieben wird, da keine Stickoxide aufgenommen werden können. Die Motorsteuerung erkennt die Verschwefelung des Stickoxidkatalysators. Zur Entschwefelung wird der Stickoxidkatalysator auf 600 °C bis 650 °C aufgeheizt und mit fettem Gemisch betrieben (Lambda = 0,94).

Zur aktiven Aufheizung des Stickoxidkatalysators ist folgender Fahrzeugbetrieb notwendig:

Fahrgeschwindigkeit größer 110 km/h für 25 Minuten
Tankfüllstand größer 50 %

Bei einem Fehlerspeichereintrag (NOx-Kat verschwefelt) kann über eine Servicefunktion ein häufigeres Aufheizen aktiviert werden. Diese Freischaltung ist bis zur erfolgreichen Entschwefelung des Stickoxidkatalysators aktiv.

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