P2.2, 2_CommonRail

Vier Hauptkomponenten:

1. Düsenmodul
2. Schaltventil
3. Kopplermodul
4. Piezo-Aktormodul

Vorteile gegenüber Magnetventil-Injektoren:

• sehr kurze Schaltzeit, ca. 0,1 ms
• geringere bewegte Masse
• schnelle und präzise Ansteuerung
• ermöglicht präzise Mehrfacheinspritzungen
• leichter

Dadurch können unter anderem Geräusch, Verbrauch und Emissionen reduziert werden.

Direkter Piezoeffekt:

Mechanische Verformung → elektrische Spannung.

→ Verwendung beispielsweise als Sensorprinzip.

Inverser Piezoeffekt:

Elektrische Spannung → mechanische Verformung.

→ Dieses Prinzip wird zur Betätigung des Piezo-Injektors verwendet.

• Weil der Hub proportional zur Schichtzahl bzw. Länge des Piezoaktors ist.

• Die einzelnen sehr kleinen Längenänderungen addieren sich dadurch zu einem nutzbaren Stellweg.

• Versorgungsspannung < 200 V
• Ladestrom ca. 15 A
• Kapazität < 4,7 µF
• Ladezeit < 100 µs
• Leerlaufhub ca. 45 µm

Zusammenhänge:

• Der Leerlaufhub ist proportional zur Länge des Piezoaktors 
• Die Blockierkraft ist proportional zur Fläche des Piezoaktors
• Die Ladeenergie ist proportional zum Volumen des Piezoaktors. 

Der hydraulische Koppler:

• überträgt die Stellkraft des Piezoaktors
• vergrössert den Stellweg bei entsprechender Kraftreduzierung
• kompensiert thermische Längenänderungen
• ermöglicht Spielausgleich
• verhindert durch seine Fail-Safe-Funktion eine Dauereinspritzung bei elektrischer Dekontaktierung

Er befindet sich im Niederdruckkreis bei etwa 10 bar.

• Das Druckhalteventil hält etwa 10 bar im Injektorrücklauf, damit das Kopplermodul hydraulisch gefüllt bleibt und nicht leerläuft.

1. Spannung wird an Piezoaktor angelegt.
2. Piezoaktor dehnt sich aus.
3. Kopplermodul betätigt Servoventil.
4. Servoventil verschliesst den Bypass.
5. Druck im Steuerraum sinkt über die Ablaufdrossel.
6. Dadurch entsteht eine Kräftedifferenz an der Düsennadel.
7. Der Raildruck hebt die Düsennadel an.
8. Kraftstoff wird eingespritzt.

Wichtig: Der Piezoaktor hebt die Düsennadel bei diesem Aufbau nicht direkt an. Die Bewegung erfolgt hydraulisch über das Servosystem.

Am Ende der elektrischen Ansteuerung:

1. Piezoaktor wird entladen.
2. Servoventil bewegt sich zurück.
3. Bypass wird freigegeben.
4. Druck im Steuerraum steigt wieder.
5. Steuerraum erreicht Raildruckniveau.
6. Hydraulische Kräfte schliessen die Düsennadel.
7. Einspritzung endet.

Zur Ansteuerung wird ein Schwingkreis verwendet aus:

• Piezoaktor/Kapazität
• Spule/Induktivität
• Spannungswandler
• Speicherkondensator

Damit wird aus der Bordnetzversorgung eine wesentlich höhere Aktorspannung erzeugt; im dargestellten Beispiel etwa 140 V.

Der Piezo wird zunächst geladen. Die Spannung bleibt während der gewünschten Einspritzdauer bestehen und anschließend wird der Aktor wieder entladen.

Beim Laden fliesst der Strom in eine Richtung, beim Entladen in die entgegengesetzte Richtung. 

Start:

• abhängig von Kühlmitteltemperatur und Drehzahl
• Fahrer hat keinen direkten Einfluss

Fahrbetrieb:

• Fahrpedalstellung
• Drehzahl
• Kraftstofftemperatur
• Kühlmitteltemperatur
• Ansauglufttemperatur
• weitere Kennfeldgrössen

Leerlauf:
Das Steuergerät verändert die Einspritzmenge, bis Soll- und Ist-Drehzahl übereinstimmen.

Nicht alle Zylinder erzeugen bei gleicher Einspritzdauer exakt dasselbe Drehmoment.

Die Laufruheregelung:

1. erfasst die Kurbelwellenbeschleunigung nach den einzelnen Verbrennungen
2. vergleicht die Zylinder miteinander
3. erkennt unterschiedliche Drehmomentbeiträge
4. korrigiert zylinderselektiv die Einspritzmengen

Ziel: Jeder Zylinder soll die Kurbelwelle möglichst gleich stark beschleunigen.

Für eine gleichzeitige Erreichung von Geräusch- und Emissionsminderung ist die sichere Beherrschung kleiner Voreinspritzungen erforderlich. 

Das Mengendriften der Injektoren müssen deshalb kompensiert werden.

Zur Kalibrierung:

1. Motor befindet sich im Schubbetrieb.
2. Steuergerät spritzt gezielt eine sehr kleine Kraftstoffmenge in einen Zylinder.
3. Dadurch entsteht eine minimale Drehmomentänderung.
4. Drehzahlsensor erkennt die entsprechende Kurbelwellenbeschleunigung.
5. Steuergerät kann daraus die tatsächliche Einspritzwirkung bestimmen.
6. Ansteuerdauer wird entsprechend korrigiert.

Der Vorgang wird für verschiedene Zylinder und Betriebspunkte wiederholt.

• Injektoren besitzen aufgrund ihrer Herstellung mechanische und elektrische Toleranzen.
• Dadurch können baugleiche Injektoren bei gleicher Ansteuerung unterschiedliche Kraftstoffmengen einspritzen.
• Bei der Herstellung wird deshalb das individuelle Verhalten vermessen und als Code auf dem Injektor hinterlegt.
• Das Motorsteuergerät verwendet diese Werte zur Korrektur von:
  • Einspritzmenge
  • Ansteuerdauer
  • Schaltverhalten.
• Beim Austausch eines Injektors muss dessen Code deshalb dem richtigen Zylinder im Motorsteuergerät zugeordnet werden.

• Mit der Rücklaufmengenmessung wird die interne Dichtheit der Injektoren im Hochdrucksystem überprüft.
• Die Rücklaufmengen der einzelnen Injektoren werden miteinander verglichen.
• Laut Dossier darf die maximal zulässige Rücklaufmenge ungefähr dreimal so gross wie die kleinste gemessene Menge sein.
• Springt der Motor nicht an:
  • → Starter etwa 10–15 Sekunden betätigen und anschließend Rücklaufmengen vergleichen.

Sie weist auf eine erhöhte interne Leckage des betreffenden Injektors hin. Dadurch kann insbesondere beim Start der erforderliche Raildruck möglicherweise nicht erreicht werden.

• Leerlaufdrehzahlvergleich:
  • Laufruheregelung deaktiviert.
  • Das Steuergerät zeigt die spezifischen Drehzahlen der einzelnen Zylinder.
  • Eine niedrige Drehzahl kann beispielsweise hinweisen auf:
    • geringere Kraftstoffmenge
    • zu geringe Kompression
    • Injektorproblem.
• Mengenvergleich: 
  • Laufruheregelung aktiv.
  • Angezeigt werden die Korrekturmengen, mit denen das Steuergerät die Leistungsunterschiede der einzelnen Zylinder ausgleicht.
  • Positive Korrektur/Zugabe:
    • → Zylinder liefert zu wenig Drehmoment.
  • Mögliche Ursachen:
    • geringe Kompression
    • verschmutzter/verstopfter Injektor
  • Negative Korrektur/Mengenabnahme:
    • → Zylinder liefert vergleichsweise zu viel Drehmoment.
  • Mögliche Ursachen:
    • Injektor tropft/nadelt nach
    • Düse ausgewaschen
    • erhöhte Kompression.

• Beim Test wird die Einspritzung deaktiviert, damit der Motor nicht anspringt.
• Das Steuergerät wertet während des Anlassens die Drehzahlverläufe der einzelnen Zylinder aus.
• Zylinder weist höhere Drehzahl auf:
  • → geringerer Widerstand während der Verdichtung
  • → Hinweis auf zu geringe Kompression
  • Mögliche Ursachen:
    • Kolbenringe
    • Ventile
    • Zylinderkopfdichtung
    • undichter Injektorsitz
    • undichte Glühkerze
• Zylinder weist niedrigere Drehzahl auf:
  • → höherer mechanischer Widerstand
  • Mögliche Ursachen:
    • Kolbenklemmer
    • Pleuellagerschaden
    • mangelhafte Schmierung.

• Tankinhalt und Kraftstoffart prüfen
• Fehlerspeicher auslesen
• Startfreigabe und Startparameter prüfen
• Starterdrehzahl kontrollieren
• Batteriespannung prüfen – laut Dossier >11 V
• Kurbelwellen-/OT-Signal prüfen
• Nockenwellensignal und Steuerzeiten prüfen
• Raildruck während des Startens kontrollieren
• Raildruck beim Start laut Dossier >150 bar
• Bei zu geringem Raildruck Niederdruckversorgung/Kraftstoffförderung prüfen
• gegebenenfalls Rücklaufmengen der Injektoren prüfen
• IMA-Codierung und weitere Freigabebedingungen kontrollieren.

• Nicht sofort die Hochdruckpumpe ersetzen.
• Zuerst systematisch prüfen:
  • Niederdruckversorgung → Kraftstofffilter/Förderung → interne Leckage bzw. Rücklaufmengen → Druckregelung → Hochdruckpumpe.
• Eine stark erhöhte Injektorleckage kann beispielsweise verhindern, dass beim Start der notwendige Raildruck aufgebaut wird.

• Freie Wahl von Spritzbeginn, Druck und Einspritzdauer.
• Sehr kleine Mengen möglich (präzise Magnet/Piezo-Ventile).
• Geräuscharmer Motorlauf, bessere Abgaswerte, mehr Leistung, weniger Verbrauch.
• Gleichdruckverbrennung möglich → höherer Gesamtwirkungsgrad.
• Hohe Flexibilität in jedem Betriebszustand.

Dadurch kann der Einspritzdruck unabhängig von Motordrehzahl und Nockenwellenform frei gewählt werden. Der Druck steht ständig im Rail bereit.

• Raildruck
• Öffnungsdauer des Injektors.

Reduziert Verbrennungsgeräusch und NOx-Emissionen.

Erhöht Abgastemperatur z. B. zur DPF-Regeneration.

• Fördert Kraftstoff mit geringem Druck zum Filter/HD-Pumpe, übernimmt leichte Saugarbeit, ist oft mit Füllstandgeber kombiniert.
• Etwa 3–7 bar bei 60–200 l/h Fördermenge.

Weil sie selbst keinen Kraftstoff ansaugen kann.

Fördert Kraftstoff zwischen Tankhälften bzw. in den Beruhigungstopf – durch Venturi-Effekt.

Weil Rücklauftemperaturen bis ca. 130 °C erreicht werden können → Schutz von Tank und Leitungen.

• Kraftstoff-Luftkühler
  • Luftkühler nutzen Fahrtwind
• Kraftstoff-Wasserkühler
  • Wasserkühler das Motorkühlmittel

Erzeugt Unterdruck → bessere Reproduzierbarkeit der Leckölmengen, stabilere Einspritzung.

• Für die Funktion der Injektoren
  • Streuungsdifferenz minimieren
  • Kopplermodul füllen 

Genaue Dosierung, optimale Verbrennung, weniger NOx und Ruß, geringerer Verbrauch.

Viele Pumpen entlüften sich selbst, Luft wird über Bypass ausgeschieden.

Mechanische Klappe blockiert bei dünner Benzinpistole, Tankvorgang stoppt automatisch.

Damit die Kraftstoffdichte immer gleich ist, und somit der geregelte Kraftstoffmenge passt. 

• Raildruck min. 200 Bar
• Kurbelwellendrehzahl
• Batteriespannung
  • Spannung der Injektoren zu gering, können nicht angesteuert werden

• Intakpumpe: 
  • sind elektrisch betriebene Pumpen
  • befindet sich im Kraftstofftank und ist permanent mit Kraftstoff umspült
  • in Vielen Fällen ist sie Kombiniert mit dem Füllstandgeber
  • Die Intank-Pumpe leistet eine geringe Saugarbeit
• Inlinepumpe: 
  • mechanisch oder Elektrisch angetrieben
  • mechanischen Pumpen werden direkt von der Hochdruckpumpe oder vom Motor angetrieben 
  •  elektrischen können sich irgendwo in der Leitung zwischen Tank und Hochdruckpumpe befinden
• Es gibt auch Systeme die beide Pumpenarten einsetzen. (besseres Heissstartverhalten, Antrieb der Saugstahlpumpe) 

• Leckölmenge beim Common-Rail-Injektor dient als Diagnosewerkzeug, um die Gesundheit der Injektoren zu überprüfen.
• Eine korrekte Leckölmenge ist notwendig, damit die Einspritzung präzise gesteuert werden kann und der Druck im Rail stabil bleibt.
• Eine zu hohe Leckölmenge deutet auf einen defekten Injektor hin, der zu Problemen wie schlechtem Startverhalten, Leistungsverlust