die dieseltechnik von gestern auf morgen

Schon 1894 lernten sich Robert Bosch und Rudolf Diesel kennen. Auf Einladung des Erfin-ders Rudolf Diesel fand sich der junge Unternehmer Bosch in Augsburg ein, um die neuar-tige Motorkonstruktion kennen zu lernen. Es ging aber damals noch nicht darum, Systeme zur Kraftstoffversorgung des Dieselmotors zu entwickeln. Rudolf Diesel war an der Magnet-zündung von Bosch interessiert, weil damalige Dieselmotoren ein Zündsystem benötigten.

Die Dieseltechnik von gestern auf morgen

150 Jahre rudolf d iesel i 150 Years of rudolf d iesel

150 Jahre rudolf diesel i 150 Years of rudolf diesel62

Doch zuerst blieb dem Dieselmotor der Durchbruch in die automobile Welt ver-wehrt. Der Kraftstoff konnte noch nicht mit genügend hohem Druck in den Brennraum eingespritzt werden. Um dennoch eine höhere Leistung zu erzie-len, waren großvolumige und schwere Motoren notwendig. Diese konnten nur als stationäre Kraft- und Arbeitsmaschi-nen oder als Schiffsantriebe verwendet werden. „Es scheint unmöglich“, konsta-tierte Rudolf Diesel nach missglückten Versuchen, für die Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum seines Motors eine befriedigende Lösung zu finden. Wegen seines, im Vergleich zur Dampf-maschine, erheblich höheren Wirkungs-grades lagen die Vorzüge des Dieselmo-tors auf der Hand und die Experten prie-sen schon 1920 den Dieselmotor als An-trieb der Zukunft.

Robert Bosch verstand die Zeichen der Zeit. Bereits 1912 hatten Bosch-Ingeni-eure auf dem Feld der Einspritztechnik experimentiert, 1922 erfolgte der offizi-elle Entwicklungsstart für Dieselein-spritzpumpen. Am 30. November 1927 wurde die Freigabe zur Serienprodukti-on von Reihenpumpen für Lastwagen er-teilt, 1936 startete die Fertigung von Ein-spritzpumpen für Personenwagen. Mit der Verteilerpumpe half Bosch, den Die-selantrieb in den 70er Jahren auch in kleinen Pkw-Motoren zu etablieren. Mitt-lerweile haben sich gegenüber konventi-onellen Einspritzpumpen die neuen elektronisch geregelten Einspritzsysteme wie etwa das Common-Rail-System durchgesetzt, welches 1997 erstmals für den Großserieneinsatz im Pkw einge-führt wurde.

Weiterhin hohe Anforderungen

Trotz erheblicher Fortschritte der letz-ten Jahre und Jahrzehnte, Bild 1, steigen die Anforderungen an die moderne Die-selmotorentechnik weiter. Zum einen sind große Anstrengungen notwendig, um den künftigen Emissionsrichtlinien gerecht zu werden, zum anderen wer-den die Forderungen nach weniger CO2-Emissionen und deren Einfluss auf den Klimawandel in der öffentlichen Dis-kussion bleiben.

Moderne Selbstzünder verbrauchen rund 30 % weniger Kraftstoff als ver-gleichbare konventionelle Benzinmo-toren. Die CO2-Emissionen liegen dabei rund 25 % niedriger. Trotz dieses Vor-teils sind weitere Maßnahmen notwen-dig, um zur Reduktion des CO2-Aussto-ßes im Straßenverkehr beizutragen.

The Future of Diesel Engine Technology

It was in 1894 that Robert Bosch and Ru-

dolf Diesel met for the first time. At the

invitation of the inventor Rudolf Diesel,

the young entrepreneur Robert Bosch

came to Augsburg to learn more about

the innovative engine design. There was

no question as yet of developing systems

for supplying the Diesel engine with fuel.

Rudolf Diesel was interested in Bosch‘s

magneto ignition, because Diesel engines

of the time required an ignition system.

At first, however, the Diesel engine failed

to break through onto the automotive

scene. It was not possible to inject the

fuel into the combustion chamber at a

sufficiently high pressure. Achieving suf-

ficiently high performance in spite of this

limitation required bulky, heavy engines,

which could only be used as stationary

power or work machines, or as ship en-

gines. „It seems to be impossible“, said

Rudolf Diesel after failed attempts to find

a satisfactory solution for injecting fuel

into the combustion chamber of his en-

gine. Boasting far greater efficiency than

the steam engine, the advantages of the

Diesel engine were clear to see, and even

as early as 1920, experts were highlight-

ing the Diesel engine as the drive-train of

the future.

Robert Bosch could see which way the

wind was blowing. Already by 1912,

Bosch engineers had carried out experi-

ments in the field of injection technology,

and 1922 saw the official start of develop-

ment for Diesel injection pumps. On No-

vember 30, 1927, in-line pumps for use in

trucks were authorized for series produc-

Der Autor I The Author

Dr. Ulrich DohleVorsitzender des Be-reichvorstandes diesel systems, robert Bosch Gmbh, stuttgartPresident diesel systems, robert Bosch Gmbh, stuttgart

Bild 1: Entwicklung der DieseleinspritztechnikFigure 1: Development of Diesel fuel injection technology

63 sonderausgabe MTZ i special edition MTZ i März 2008 i March 2008

Neben der Einführung eines Start/Stopp-Systems oder der Umsetzung der Hybridtechnologie auch im Dieselbe-reich trägt das Downsizing zur Reduk-tion der CO2-Emissionen bei, Bild 2. We-niger Hubraum sorgt für geringere Rei-bungsverluste und somit für einen besseren Antriebswirkungsgrad, dies bei gleicher Leistung und Drehmoment dank einer höheren Aufladung. Trotz Reduktion des Verbrauchs wird der As-pekt der Fahrdynamik nicht vernach-lässigt und auch bezüglich Fahrkom-fort wird dem Diesel selbst beim Start kein typisches „Dieselverhalten“ mehr attestiert.

Bosch hat mit der Weiterentwicklung seiner Common-Rail-Einspritzsysteme mit Piezo-Injektoren für Einspritzdrü-cke bis 2000 bar maßgeblich zum wei-teren Fortschritt der Dieselmotoren-

technik beigetragen. Hochdynamische Magnetventil- und Piezo-Injektoren mit über 2000 bar Systemdruck stehen heu-te auf der Entwicklungsroadmap ganz oben, Bild 3. In den Druckbereich ober-halb von 2000 bar stößt die neue Com-mon-Rail-Pumpe Bosch CP4 vor. Eine Version mit einem Druck bis 1800 bar fertigt Bosch seit 2006 in Serie.

Parallel zur Reduktion des CO2-Aus-stosses sind verringerte Schadstoff-Emis-sionen ein zentrales Element bei der Weiterentwicklung der Dieselmotoren-technik.

Emissionsvermeidung

Das „Optimized Conventional Combus-tion System“ (oCCS), also die kontinu-ierliche Verbesserung der konventio-

Bild 2: CO2-Emissionen versus KostensituationFigure 2: CO2 emissions versus cost situation

tion, and in 1936 Bosch started to manu-

facture injection pumps for passenger

cars. In the 1970s, Bosch helped the Die-

sel drive to penetrate the market in small

passenger car engines as well with the

introduction of distributor pumps. These

days, conventional injection pumps have

been dominated by new electronically

controlled injection systems like the

Common Rail System, which has been

introduced in serial production in 1997.

Strong Challenges

Despite the considerable progress that

has been made over the past years and

decades, Figure 1, more and more de-

mands are made on modern Diesel tech-

nology. In the first place, great efforts

must be made to meet future emissions

legislations. Secondly, the requirement

for lower CO2-emissions and their impact

on climate change will remain at the very

heart of the public debate.

Modern Diesel engines consume approx-

imately 30 % less fuel than comparable

conventional gasoline engines which re-

sults in around 25 % lower CO2-emis-

sions, Figure 2. Despite this advantage,

further steps are necessary to contribute

to reducing the amount of CO2 produced

by road traffic. As well as introducing a

start/stop system or extending the imple-

mentation of hybrid technology to the

Diesel sector, downsizing has an impor-

tant role in reducing CO2-emissions, Fig-

ure 2. A smaller engine capacity means

less friction loss and therefore greater

Unter dem Eindruck der Ölkrise bietet General Motors überstürzt einen Dieselmotor

zunächst im Oldsmobile Delta 88 an, ein Jahr später im Cadillac Seville. Die nicht

ausgereiften Aggregate erleiden innerhalb von Monaten kapitale Motorschäden und

tragen zur Abneigung der Amerikaner gegenüber dem Dieselmotor bei.

In response to the oil crisis, General Motors hastily introduces a diesel engine, first

of all in the Oldsmobile Delta 88 and a year later in the Cadillac Seville. The engines

are not technically mature and suffer from serious engine failure within months, rein

forcing the Americans‘ aversion to the diesel engine.

1977



Bild 3: Piezo-Common-Rail-Injektor CRI3Figure 3: Piezo Common Rail injektor CRI3

Fiat präsentiert im Croma 1,9 TD i.d. den mit der eigenen Tochter Magneti Marelli entwickelten, weltweit ersten

Dieselmotor mit direkter Einspritzung in einem Personenwagen. Die Italiener möchten den laut nagelnden

Motor zunächst nur ihren Landsleuten zumuten und übersehen dabei die Möglichkeit, sich werbewirksam als

visionärer DIDieselpionier zu profilieren. Eine Ingolstädter Marketingabteilung dürfte es gefreut haben.

Fiat presents the Croma 1,9 TD i.d. with the world‘s first directinjection diesel engine installed in a passenger

car. The engine was developed together with the company‘s subsidiary Magneti Marelli. To begin with, the

Italians decide to market the noisy engine only in their own country, failing to recognise the publicrelations

benefits of being seen as a visionary directinjection diesel pioneer.

1987

drive efficiency — all with the same level

of performance and torque thanks to

greater supercharging. This focus on re-

ducing consumption does not mean that

we are neglecting dynamics, however. As

far as driving comfort is concerned, even

during start-up you no longer have to put

up with typical “Diesel behavior”

With the further development of its Com-

mon-Rail Systems with Piezo injectors

that provide injection pressures of up to

2000 bar, Bosch has contributed to yet an-

other step forward in Diesel engine tech-

nology. Highly dynamic solenoid valve

injectors and Piezo injectors with system

pressure of more than 2000 bar take top

spot on the development road map, Fig-

ure 3. When it comes to pressure above

2000 bar, the new Bosch CP4 Common

Rail pump is breaking new ground. A ver-

sion with a pressure of up to 1800 bar was

put into series by Bosch back in 2006.

Less Emissions

Alongside the need for lower CO2, the re-

duction of harmful emissions such as

NOx and particulate matter is central to

the future development of Diesel engine

technology.

The „Optimized Conventional Combus-

tion System“ (oCCS), which represents

the continual improvement of conven-

tional combustion, aims to achieve a fur-

ther reduction in engine out emissions.

This includes measures such as optimiz-

ing nozzle geometry and flow, improved

switchable cooling of exhaust gas recir-

culation, reducing swirl and optimizing

the air system by means of improved or

two-stage supercharging. Operating-

point dependant adjustment of the injec-

tion strategy (pre-injection, double pre-

injection, optional either attached or late

post-injection) has a positive impact on

untreated emissions, which can be fur-


nellen Verbrennung, hat eine Senkung der Rohemissionen zum Ziel. Dazu ge-hören Maßnahmen wie die Optimie-rung von Düsengeometrie und -durch-fluss, verbesserte schaltbare Kühlung der Abgasrückführung, Reduzierung des Dralls, Optimierung des Luftsys-tems durch verbesserte, gegebenenfalls zweistufige Aufladung. Eine betriebs-punktabhängige Anpassung der Ein-spritzstrategie (Voreinspritzung, dop-pelte Voreinspritzung, angelagerte so-wie optional sehr späte Nacheinsprit-zung) hat einen günstigen Einfluss auf die Rohemissionen, die bei Nkw weiter durch eine Steigerung des Einspritz-drucks auf über 2500 bar und gleichzei-tiger Erhöhung der Abgasrückführrate minimiert werden können.

Trotz Absenkung der Rohemissionen durch innermotorische Maßnahmen bleibt eine Abgasnachbehandlung unver-zichtbar. Der Dieselpartikelfilter (DPF) ist für neue Applikationen sowohl in Euro-pa als auch auf dem US-Markt gesetzt. Bosch entwickelt zusammen mit Denso für zukünftige Dieselmotoren einen DPF auf Basis der Cordierit-Keramik. Cordierit stellt eine kostengünstige Al-ternative zum herkömmlich eingesetz-ten Siliziumcarbid dar und erreicht auf-grund der fehlenden Segmentierung gegenüber Siliziumcarbid bei gleicher Filtergröße und Kanalstruktur eine grö-ßere Filtrationsfläche. Dadurch resul-tiert ein geringerer Differenzdruck, was sich vorteilhaft auf den Kraftstoffver-brauch auswirkt.

ther reduced in commercial vehicles by

increasing injection pressure to more

than 2500 bar while at the same time

raising the exhaust recirculation rate.

Although these internal measures reduce

untreated engine out emissions, exhaust

gas treatment remains essential. The Die-

sel particulate filter (DPF) has been

launched for new applications both in Eu-

rope and in the US market. In coopera-

tion with Denso, Bosch is developing a

Cordierite ceramic DPF for future Diesel

engines. Cordierite is a cost-effective al-

ternative to the more commonly used

silicon carbide and, thanks to its lack of

segmentation, it is possible to achieve a

larger filtration surface than with silicon

carbide for the same filter size and chan-

nel structure. This results in a lower dif-

ferential pressure, which has a favorable

impact on fuel consumption.

With commercial vehicles and heavy

passenger cars, NOx after-treatment will

continue to be essential in order to meet

Euro 6 standards or the even stricter US

limits. The Bosch Denoxtronic system

for reducing nitrogen oxide, which has

been proven in commercial vehicle ap-

plications since 2004, represents an ex-

cellent basis for developing similar pas-

senger car systems. This concept in-

volves the injection of a urea nitrogen

solution (Adblue) into the exhaust tract.

The ammonia released during this proc-

ess reacts in the SCR catalytic converter

with the nitrogen oxide from the exhaust

gas to form water vapor and nitrogen.

Denoxtronic is scheduled to be intro-

duced in series production for passen-

ger cars in 2008.

Future developments will focus on tech-

nologies to reduce consumption and

emissions while still maintaining or

even increasing dynamics, Figure 4. In

addition to the continuous development

of injection systems, optimized combus-

tion and air systems are also in the pipe-

line. Ideas for improvements in super-

charging will make it possible to in-

crease nominal power and/or reduce

emissions to the lowest possible levels.

To ensure optimum utilization of the air

system potential, the air utilization in

the combustion chamber must also be

kept at a high level. The injection sys-

tem, with its increased injection pres-

sure and flexible, multiple injection

strategy, will play a crucial role. The Die-

sel particulate filter will become the

standard both in Europe and in the US

market. In order to comply with even

stricter emission legislations, it will be

necessary to produce the lowest possi-

ble levels of engine out emissions while

also providing denoxation.

Despite its long 112 years history of con-

tinuous development the Diesel engine

has potential for further advancement.

Bosch as leading automotive supplier of

Diesel technology contributes with inno-

vative ideas to make a successful power-

train even more efficient, economic and

cleaner. ■

Audi zieht nach und baut seinen ersten DirekteinspritzDieselmotor. Die bei DIMotoren

auftretenden höheren Spitzendrücke (laute Verbrennungsgeräusche) und Temperaturen

(mehr Stickoxide) können mit zweistufiger Einspritzung und elektronischer Regelung

entschärft werden. Vorteile: besserer Wirkungsgrad und geringere Emissionen.

Audi responds to the challenge and builds its own directinjection diesel engine. The

higher peak pressures (loud combustion noise) and temperatures (more NOx) that oc

cur in directinjection engines are counteracted by twostage injection and electronic

control. Advantages: higher efficiency and lower emissions.

Audi, 5 Zylinder, 2460 cm³, 115 PS/85 kW bei 4000/min,

Turboaufladung (Audi 100 TDI)

Audi, 5 cylinders, 2460 cm³, 115 bhp/85 kW at 4000 rpm,

turbocharging (Audi 100 TDI)

1989



DO

I: 10

.136

5/s3

5778

-008

-006

9-2

Bei Nkw und schweren Automobilen für Euro 6 oder für die noch strengeren US-Grenzwerte wird eine NOx-Nachbe-handlung nicht vermieden werden kön-nen. Die bereits bei Nutzfahrzeugen seit 2004 bewährte Bosch-Denoxtronic zur Stickoxid-Reduktion bildet hier eine gute Grundlage für die Entwicklung solcher Systeme für den Pkw-Markt. Dabei wird Harnstoffwasserlösung (Adblue) in den

Abgastrakt eingespritzt. Das hierbei frei-gesetzte Ammoniak reagiert im SCR-Ka-talysator mit den Stickoxiden aus dem Abgas zu Wasserdampf und Stickstoff. Die Serieneinführung der Denoxtronic in Pkw ist für 2008 geplant.

Im Zentrum der weiteren Entwick-lungen stehen Techniken zur Senkung von Verbrauch und Emissionen bei glei-cher oder gar verbesserter Fahrdynamik,

Bild 4. Neben der Weiterentwicklung des Einspritzsystems findet auch eine Opti-mierung der Verbrennung und des Luft-systems statt. Konzepte für eine verbes-serte Aufladung ermöglichen eine Stei-gerung der Nennleistung und/oder niedrigste Emissionen. Zur optimalen Nutzung des luftseitigen Potenzials muss gleichzeitig die Luftausnutzung im Brennraum auf hohem Niveau gehal-ten werden. Hier kommt dem Einspritz-system über die Steigerung des Ein-spritzdrucks als auch über eine flexible Mehrfacheinspritz-Strategie eine ent-scheidende Rolle zu. Der Dieselpartikel-filter wird sowohl in Europa als auch auf dem US-Markt zum Standard wer-den. Um zukünftige noch schärfere Emissionsrichtlinien erfüllen zu kön-nen, werden niedrigste Rohemissionen bei gleichzeitiger Denoxierung unab-dingbar sein.

Trotz seiner langen Entwicklungsge-schichte über nun 112 Jahre hat der Die-selmotor also immer noch Potenzial zur Weiterentwicklung. Bosch als führender Anbieter von Dieseltechnik trägt mit in-novativen Ideen dazu bei, einen bereits erfolgreichen Fahrzeugantrieb noch ef-fizienter, sparsamer und sauberer zu machen. ■

Bild 4: EU-Emissionsgesetzgebung Diesel-PkwFigure 4: EU emission legislation Diesel passenger cars


die dieseltechnik von gestern auf morgen

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