VKM_I_Kap.9

Regelung auf der Hochdruckseite

Hier wird der Einspritzdruck über ein am Rail befindliches Druckregelventil eingestellt. Kraftstoff der nicht für die Druckerzeugung bzw. die Einspritzung notwendig ist fließt über das Druckregelventil in den Tank zurück. So ist eine schnelle Anpassung des Raildrucks an den Motorbetriebspunkt möglich.

Regelung auf der Niederdruckseite

Die an der Hochdruckpumpe befindliche Zumesseinheit fördert genau die Menge an Kraftstoff an die Hochdruckpumpe, die zur Aufrechterhaltung der Einspritzmenge notwendig ist. Bei dieser Regelungsmethode ist die Leistungsaufnahme der Hochdruckpumpe geringer als bei der Regelung auf der Hochdruckseite (höherer Wirkungsgrad, geringere Kraftstofftemperatur im Rücklauf). Hier ist jedoch eine schnelle Anpassung des Raildrucks auf den Motorbetrieb schwierig (Druckabbau bei negativem Lastsprung).

Zweistellersystem

Bei dieser Regelungsart werden die beiden vorherigen Systeme kombiniert wodurch die Vorteile beider Systeme genutzt werden können. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt über die Injektoren. Die ECU steuert das Öffnen und Schließen der Einspritzdüsen und bestimmt so die eingebrachte Einspritzmenge. Sie ist bei konstantem Druck proportional zur Öffnungszeit der Einspritzdüse und ist somit unabhängig von der Pumpen- bzw. Motordrehzahl. Durch die Trennung von Druckerzeugung und Einspritzung beim Common-Rail-System kann der Einspritzdruck im Kennfeld nahezu frei gewählt werden. Der maximale Einspritzdruck beträgt zurzeit ca. 1800 bar. Das Common-Rail-System ermöglicht bis zu fünf Einspritzungen. Die Voreinspritzung senkt zum einen das Verbrennungsgeräusch aufgrund niedrigerer Spitzendrücke und verringert damit gleichzeitig die Abgasemissionen. Die Nacheinspritzung kann für Systeme der Abgasnachbehandlung (Partikelfilter, DeNOx-Katalysator) verwendet werden.

Zahnradförderpumpe

Wird eine Zahnradpumpe für die Förderung des Kraftstoffes zur Hochdruckpumpe verwendet, so ist diese direkt am Motor befestigt oder in die Hochdruckpumpe integriert. Sie wird mittels Zahnrad oder Zahnriemen angetrieben. Die Zahnradförderpumpe besteht aus zwei miteinander kämmenden, gegenläufig drehenden Zahnrädern, die den Kraftstoff in den Zahnlücken von der Saug- zur Druckseite befördern. Die Berührungslinien der Zahnräder dichten Saug- und Druckseite gegeneinander ab. Die Mengenregelung erfolgt mittels Drosselregelung auf der Saugseite oder Überströmventil auf der Druckseite. Die Förderpumpe muss zur schnellen Förderung von Luft, die sich nach Leerfahren des Tanks in den Leitungen befinden könnte, ausgelegt werden. Deshalb ist sie für den hydraulischen Betrieb überdimensioniert. Zusätzlich stellt die von der Nockenwelle angetriebene Förderpumpe immer eine ausreichende Spülmenge zur Verfügung. Mit Hilfe eines in der Förderpumpe integrierten Druckreglers wird der Förderdruck geregelt.

Im PKW-Bereich handelt es sich bei der Hochdruckpumpe um eine Radialkolbenpumpe mit drei Pumpelementen, die über einen Exzenternocken betätigt werden und einen Druck von ca. 1800 bar erzeugen. Die Pumpe wird je nach Anwendung mit Nockenwellendrehzahl oder mit 4/3 Übersetzung über eine Oldham-Kupplung angetrieben. Jedes Pumpelement besitzt ein Saug- und ein Druckventil. Um im Teillastbetrieb die Leistungsaufnahme zu reduzieren, kann eines der Elemente durch permanentes Aufdrücken des Saugventiles mit einem Magneten abgeschaltet werden.

Radial zur Antriebswelle sind die drei Pumpenelemente im 120°-Winkel angeordnet. Der Exzenter zwingt die Pumpenkolben zur Auf- und Abbewegung. Der Kraftstoff gelangt durch das Einlassventil der Hochdruckpumpe in den Elementenraum, bei dem sich der Pumpenkolben nach unten bewegt. Wird der untere Totpunkt des Pumpenkolbens überschritten, so schließt das Einlassventil und der Kraftstoff wird während der Aufwärtsbewegung des Kolbens komprimiert. Der sich aufbauende Druck öffnet das Auslassventil sobald der Raildruck erreicht ist. Der Pumpenkolben fördert so lange Kraftstoff, bis der obere Totpunkt erreicht ist. Danach fällt der Druck ab und das Auslassventil schließt. Unterschreitet der Druck im Elementraum den Vorförderdruck, öffnet das Einlassventil und der Vorgang beginnt von neuem.

Die Hochdruckpumpe ist für maximale notwendige Förderleistung ausgelegt. Daher wird im Leerlauf und Teillastbetrieb mehr Kraftstoff verdichtet als für die Einspritzung notwendig ist. Die hierfür benötigte Energie geht verloren. Um diese Verluste zu minimieren wird auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe ein stufenlos regelbares Magnetventil (Zumesseinheit) eingesetzt. Dieses Ventil passt die an die Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoffmenge, in Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes, an. Somit werden die Pumpenverluste und die Aufheizung des Kraftstoffes minimiert.

Der durch Magnetkraft betätigte Kolben gibt entsprechend seiner Stellung über die Steuerschlitze einen Durchflussquerschnitt frei, der die im derzeitigen Betriebspunkt benötigte Kraftstoffmenge an die Hochdruckpumpe weiterleitet. Die Zumesseinheit ist an der Hochdruckpumpe montiert.

Das theoretische Fördervolumen der Hochdruckpumpe wird jeweils dem Bedarf des entsprechenden Motors durch Änderung des Exzenterhubes und des Kolbendurchmessers angepasst. Um auch bei schnellen Laständerungen den Druck der Einspritzmenge nachzuführen und damit Rauchstöße zu vermeiden, muss die Pumpe gegenüber dem Stationärbetrieb überdimensioniert werden. Eine entsprechende Bedarfsauslegung über der Drehzahl zeigt Abbildung 9-61

Die Mengenbilanz setzt sich zusammen aus der eingespritzten Menge, der Steuer- und Leckagemenge des Injektors sowie einer Mindestregelmenge für das Druckregelventil und einer Dynamikreserve für schnelle Druckänderungen. Demgegenüber steht die theoretische Fördermenge der Pumpe abzüglich des Wirkungsgrades beim jeweiligen Volllast-Raildruck. Um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, also Leckageverluste zu vermeiden, ist es notwendig, den Kolbenspalt des Pumpenelements mit hoher Präzision auszuführen. Die Hochdruckpumpe muss so ausgelegt werden, dass auch im ungünstigsten Fall, bei hoher Kraftstofftemperatur, eine ausreichende Fördermenge vorhanden ist.

Die Fuel Rail hat die Aufgaben den Kraftstoff bei hohem Druck zu speichern. Druckschwingungen, die durch die pulsierende Pumpenförderung und Einspritzung hervorgerufen werden, sollen durch das Speichervolumen gedämpft werden, damit sichergestellt ist, dass beim Öffnen des Injektors der Einspritzdruck konstant bleibt. Somit muss das Speichervolumen ausreichend groß sein um die Druckschwingungen zu dämpfen. Außerdem muss es klein genug sein um einen schnellen Druckaufbau bei Motorstart zu ermöglichen. Vom Fuel Rail wird der Kraftstoff auf die Injektoren verteilt.

Zur Druckregelung befinden sich ein Hochdrucksensor sowie ein Druckregelventil an der Kraftstoffverteilerleiste. Das Druckregelventil hat die Aufgaben, den Druck im Rail in Abhängigkeit des Lastzustandes einzustellen. Es öffnet bei zu hohem Raildruck, sodass der Druck auf der Niederdruckseite des Systems abgebaut wird und dichtet bei zu niedrigem Druck die Hochdruck- von der Niederdruckseite ab. Im Druckregelventil wird über eine Feder eine Druckkraft auf eine Kugel aufgebracht, die das Rail abschließt. Um verschiedene Raildrücke einzustellen, wird die Federkraft durch einen Magneten erhöht, der über ein entsprechendes Tastverhältnis angesteuert wird. Zwischen Magnet- plus Federkraft und der Kraft aus dem hydraulischen Druck stellt sich ein Gleichgewicht ein. Das Ventil bleibt in einer geöffneten Stellung und der Raildruck bleibt konstant. Veränderliche Fördermengen der Hochdruckpumpe und Kraftstoffentnahme über die Einspritzdüsen werden durch unterschiedliche Öffnung des Ventils ausgeglichen

Injektor

Der Spritzbeginn und die Einspritzmenge werden beim Common-Rail-System mit den elektrisch ansteuerbaren Magnetventilinjektoren eingestellt. Die Funktionsweise des Magnetventilinjektors lässt sich anhand seiner Betriebszustände beschreiben (siehe Abbildung 9-64):

Injektor geschlossen

Im Ruhezustand ist das Magnetventil des Injektors nicht angesteuert (Abbildung 9-64a). Die Magnetventilfeder (11) presst die Ventilkugel (5) in den Sitz der Ablaufdrossel (12). Im Ventilsteuerraum (6) herrscht der Raildruck. Dieser Druck herrscht auch in der Ventilkammer (9). Die durch den Raildruck auf die Stirnfläche des Steuerkolbens (15) aufgebrachten Kräfte und die Kraft der Düsenfeder (7) halten die Düsennadel gegen die öffnende Kraft, die an deren Druckschulter (8) angreift geschlossen.

Injektor öffnet (Einspritzbeginn)

Das Magnetventil wird angesteuert, die magnetische Kraft des nun angesteuerten Elektromagneten übersteigt die Federkraft der Ventilfeder. Der Anker hebt die Ventilkugel vom Ventilsitz und öffnet die Ablaufdrossel. Mit dem Öffnen der Ablaufdrossel strömt Kraftstoff aus dem Ventilsteuerraum in den darüber liegenden Hohlraum und über den Kraftstoffrücklauf zum Kraftstoffbehälter. Die Zulaufdrossel (14) verhindert den vollständigen Druckausgleich, sodass der Druck im Ventilsteuerraum sinkt. Der Druckunterschied zwischen Ventilsteuerraum (6) und Ventilkammer (9) führt zum Anheben der Düsennadel.

Injektor voll geöffnet

Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel wird vom Durchflussunterschied zwischen der Zu- und Ablaufdrossel bestimmt. Der Steuerkolben erreicht seinen oberen Anschlag und verharrt auf einem Kraftstoffpolster (siehe Abbildung 9-64b). Der Kraftstoff wird eingespritzt. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist proportional der Einschaltzeit des Magnetventils.

Injektor schließt (Einspritzende)

Wird der Steuerstrom des Magnetventils abgeschaltet, drückt die Ventilfeder den Anker nach unten und die Ventilkugel verschließt die Ablaufdrossel (siehe Abbildung 9-64c). Dadurch baut sich im Steuerraum wieder der Raildruck auf. Die entstehende Kraft sorgt für das Schließen des Injektors. Der Durchfluss der Zulaufdrossel bestimmt die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel. Die Einspritzung endet, wenn die Düsennadel im Düsensitz verharrt und alle Spritzlöcher verschlossen sind. Die Düsenfeder (7) verhindert im Fehlerfall (kein Kraftstoff im Fuel Rail), dass Gas aus dem Zylinder in den Injektor strömt. Neben der Steuermenge gelangt die Leckagemenge an der Düsennadel- und der Ventilkolbenführung über die Kraftstoffrückleitung in den Kraftstoffbehälter

Ansteuerung des Magnetventils

Zum Öffnen des Magnetventils muss der Strom in einer steilen Flanke auf ca. 20 A ansteigen. Dies erreicht man mit einer hohen Spannung (ca. 50 V), die vom Steuergerät erzeugt und in einem Kondensator zwischengespeichert wird.

In der Anzugstromphase wird das Magnetventil von der Batteriespannung versorgt und der Anzugstrom auf ca. 20 A begrenzt. In der Haltestromphase wird der Strom auf ca. 13 A abgesenkt um die Verluste klein zu halten. Die beim Absenken des Haltestroms freiwerdende Energie wird dem Kondensator zugeführt. Beim Abschalten des Ventils wird ebenfalls Energie frei die wiederum dem Kondensator zugeführt wird. Das komplette Nachladen des Kondensators erfolgt über eine im Steuergerät integrierte Endstufe. Bereits während der Anzugsphase wird die durch die Öffnung des Ventils entnommene Energie nachgeladen, bis die zum Öffnen des Magnetventils notwendige Energie erreicht ist.

Abbildung 9-66 zeigt den Impulsablaufplan am Injektor für eine Pilot- und Haupteinspritzung. Bei der Piloteinspritzung wird das Magnetventil gerade so lange bestromt, bis der volle Öffnungshub durchlaufen ist und wird dann sofort wieder abgeschaltet.

Der Einspritzverlauf wird im Wesentlichen durch die Querschnitte der Düse sowie der Zu- und Ablaufdrossel bestimmt. Bei der Auslegung der Zu- und Ablaufdrossel am Steuerraum müssen mehrere Kriterien beachtet werden. Einerseits sollten beide Drosseln möglichst klein ausgeführt werden, um die Steuermengenverluste möglichst gering zu halten, andererseits müssen sie noch mit Toleranzen von etwa ± 1% des hydraulischen Durchflusses sicher herstellbar sein. Solche engen Toleranzen lassen sich nur durch hydroerosives Verrunden der Einlaufkanten der Drosselbohrungen erreichen. Besonders beachtet werden muss weiterhin, dass sich der wirksame Querschnitt der Ablaufbohrung am Magnetventil mit dem Magnetventilhub ändert. Um bei voll geöffnetem Ventil vom Hub unabhängig zu werden, muss, wie in Abbildung 9-67 dargestellt, der Querschnitt der Festdrossel kleiner sein als der des voll geöffneten Ventils.

Der Piezo-Injektor wie in Abbildung 9-68 dargestellt, besteht im Wesentlichen aus vier Baugruppen:

• Piezomodul

• Hydraulischer Koppler/ Übersetzer

• Servo-/ Steuerventil

• Düsenmodul mit Düsennadel

Der Vorteil des Piezo-Injektors gegenüber dem Magnetventil-Injektor besteht darin, sehr kurze Abstände zwischen den Einspritzungen zu erlauben. Es können bis zu fünf Einspritzungen pro Zyklus realisiert werden. Durch die enge Kopplung des Servoventils an die Düsennadel wird eine unmittelbare Reaktion auf die Ansteuerung des Stellmoduls erreicht. Die hydraulische Reaktion der Düsennadel auf die elektrische Ansteuerung beträgt ca. 150 Mikrosekunden. Damit können hohe Nadelgeschwindigkeiten bei kleinen reproduzierbaren Einspritzmengen realisiert werden. Im Injektor kommt es zu keiner Leckage zwischen Hochdruck- und Niederdruckkreislauf (geringere Verluste).

Die Funktionsweise des Piezo-Injektors entspricht weitestgehend der des Magnetventil-Injektors. Im geschlossenen Zustand (Piezo-Modul nicht angesteuert) ist der Hochdruckbereich vom Niederdruckbereich getrennt (siehe Abbildung 9-69a). Der Raildruck im Steuerraum (3) sorgt dafür, dass das Einspritzventil geschlossen bleibt. Wird eine Spannung am Piezoaktor angelegt, öffnet das Servoventil (1) und verschließt den Bypass (6). Der Kraftstoff im Ventilsteuerraum (3) strömt über die Drossel (2) zum Niederdruckkreislauf. Die Zulaufdrossel (4) verhindert den vollständigen Druckausgleich zwischen Steuerraum und Niederdruckkreislauf. Wird das Piezo-Modul entladen, gibt das Servoventil die Bypassbohrung wieder frei und der Steuerraum wird über die beiden Drosseln (2 und 4) befüllt. Die Düsennadel verschließt bei dem entsprechenden Druck im Steuerraum das Einspritzventil.

Ein wesentliches Bauelement des Piezo-Injektors ist der hydraulische Koppler wie in Abbildung 9-70 dargestellt. Er sorgt für:

• Die Übersetzung und Verstärkung des Aktorhubs

• Den Spielausgleich zwischen Piezo-Aktor und Servoventil (z.B. durch Wärmedehnung)

Der Piezo-Aktor und der hydraulische Koppler sind mit Kraftstoff aus dem Niederdruckkreislauf umgeben. Im Ruhezustand befindet sich der Koppler im Gleichgewicht mit seiner Umgebung. Längenänderungen werden durch geringe Leckagemengen über die Kolben von Aktor und Servoventil ausgeglichen. Zu Beginn der Einspritzung wird der Piezo-Aktor so lange mit einer Spannung von 110 V bis 150 V beaufschlagt, bis das Kräftegleichgewicht zwischen Piezo-Modul und Servoventil überschritten ist. Durch die Druckbeaufschlagung fließt eine geringe Leckagemenge aus dem Koppelmodul in den Niederdruckkreislauf. Diese Leckagemenge fließt nach schließen des Einspritzventils wieder in den hydraulischen Koppler zurück.

Ansteuerung des Piezo-Injektors

In Abhängigkeit des Raildrucks wird eine Steuerspannung an den Piezo-Aktor angelegt. Die Bestromung erfolgt Pulsförmig (siehe Abbildung 9-71) bis eine minimale Abweichung zwischen Soll- und Ist-Spannung erreicht ist. Der Hub des Piezo-Moduls ist proportional zum Spannungsanstieg. Über die hydraulische Übersetzung erzeugt der Aktorhub einen Druckanstieg im Koppler, bis das Kräftegleichgewicht im Servoventil überschritten wird und das Ventil öffnet. Hat das Servoventil seine Endposition erreicht, beginnt der Druck im Steuerraum zu sinken und die Einspritzung erfolgt

Voreinspritzung

Die Piloteinspritzmenge ist beim Motor mit Direkteinspritzung eine wichtige Größe zur Einhaltung der Geräusch- und Abgasemissionen. Abbildung 9-74 zeigt den indizierten Druckverlauf eines Dieselmotors mit und ohne Voreinspritzung. Beim Druckverlauf ohne Voreinspritzung steigt der Verbrennungsdruck im Bereich vor OT flach und mit dem Brennbeginn steil an. Der steile Druckanstieg ist die Ursache für das höhere Verbrennungsgeräusch des Motors ohne Voreinspritzung. Mit der Voreinspritzung wird ein weicher Verbrennungsdruckanstieg erreicht. Der Zündverzug der Haupteinspritzung wird kürzer. Durch den geringeren Spitzendruck bzw. die niedrigere Verbrennungstemperatur werden die NOx-Emissionen verringert. Wichtig ist, dass die Piloteinspritzmenge ein relativ kleines Einspritzmengenniveau nicht überschreitet (siehe Abbildung 9-74). Oberhalb einer Grenze erhöhen sich die Partikelemissionen deutlich, so dass zwar zunächst noch ein Geräuschvorteil, aber kein Abgasvorteil mehr vorhanden ist.

Typische Pilotmengenverläufe über der Ansteuerdauer bei verschiedenen Raildrücken sind in Abbildung 9-76 dargestellt.

Die Hauptmenge

Den zeitlichen Verlauf der Haupteinspritzmenge über die Ansteuerdauer ohne Piloteinspritzung zeigt Abbildung 9-77. Allerdings kann sich die Hauptmenge nochmals ändern, wenn eine Piloteinspritzung vorausgeht. Ursächlich hierfür ist, dass von der Piloteinspritzung eine Druckwelle ausgelöst wird, die bei der Haupteinspritzung noch nicht abgeklungen ist. Je nachdem, ob nun die Haupteinspritzung in einem „Wellenberg" oder einem „Wellental" gestartet wird, erhöht oder verringert sich die Einspritzmenge. Wesentlich für die Ausbildung der Druckschwingung durch die Piloteinspritzung ist der Durchmesser der Hochdruckbohrung im Injektor. Insgesamt ist der zeitliche Abstand der einzelnen Einspritzungen von maßgeblicher Bedeutung, sowohl hinsichtlich der Einspritzung als auch der Verbrennung.

Ungünstig auf die Abgasemissionen wirken sich ungewollte „Nachspritzer" aus. Diese entstehen, wenn die Düsennadel durch Druckschwingung, nach dem Schließen, noch einmal kurz öffnet. Der dann eingespritzte Kraftstoff wird nicht ausreichend aufbereitet, was zu erhöhten HC-Emissionen führt. Den gleichen Effekt haben Restvolumen an der Einspritzdüse. Um das Restvolumen klein zu halten können Sitzlochdüsen verwendet werden, deren Spritzlöcher in den Dichtsitz gebohrt sind

Die Nacheinspritzung

Die Nacheinspritzung erfolgt während des Expansions- oder des Ausstoßtakts. Sie bringt eine genau dosierte Menge Kraftstoff in das Abgas ein.

Späte Nacheinspritzung (Ausstoßtakt)

Die Nacheinspritzmenge wird nicht im Zylinder verbrannt, sondern durch die Wärme des Abgases verdampft. Der im Abgas befindliche Kraftstoff kann in entsprechenden Katalysatoren als Reduktionsmittel für NO

x dienen. Wird ein Partikelfilter verwendet, wird der Kraftstoff in einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator umgesetzt. Die freiwerdende Wärme dient der Regeneration (Abbrand der Partikel) des Partikelfilters.

Da die Nacheinspritzung sehr spät und deshalb der Druck im Brennraum gering ist, ist die Reichweite der Einspritzstrahlen groß, die Zylinderwände können von den Strahlen erreicht werden. In Dauerversuchen muss deshalb nachgewiesen werden, dass durch diese Verdünnung des Ölfilms kein Motorschaden entsteht.

Frühe Nacheinspritzung (Expansionstakt)

Die frühe Nacheinspritzung erfolgt in die noch andauernde Verbrennung der Haupteinspritzung. Dies geschieht um zuvor entstandene Partikel zu verbrennen. Mit der frühen Nacheinspritzung lässt sich der Rußausstoß um 20 % bis 70 % verringern

Es ist möglich, eine äußere und innere Leckage des Systems durch die Abweichung des Soll- vom Ist-Raildruck zu erkennen. Ebenfalls erkannt werden kann eine defekte, permanent offene Düse, die eine Dauereinspritzung in den Brennraum erzeugen würde. Beim Erkennen einer Leckage wird nach Ablauf einer „Entprellzeit" das elektrische Abschaltventil vor der Hochdruckpumpe betätigt, das Druckregelventil geöffnet sowie die Ansteuerung der Injektoren abgeschaltet.

Allerdings hat diese Fehlererkennung Grenzen. So kann ein Mikropartikel im Sitz der Düse, der die Düse mit einem Hub von etwa 30 μm offen hält, gerade noch erkannt werden. Während der „Entprellzeit" des Steuergerätes wird das Triebwerk mit Dauereinspritzungen beaufschlagt. Es treten im Brennraum, ähnlich einer Klopfschwingung beim Ottomotor, örtlich sehr hohe Brennraumdrücke von bis zu 300 bar auf. Der mittlere Brennraumdruck ist jedoch deutlich niedriger.

Weiterhin zeigte sich, dass eine Einspritzmenge unterhalb der Volllastmenge bereits ausreicht, um diese hohen Drücke zu erzeugen. Für die Verbrennung ist die im Brennraum vorhandene Luft entscheidend. Eine starke Steigerung der Einspritzmenge im Brennraum ergibt deshalb keine Erhöhung der Brennraumdrücke

Beim Common – Rail – System gibt es mehrere Stellen, an denen der hohe Systemdruck auf beinahe Atmosphärendruck entspannt und hierbei Druckenergie in Wärme umgewandelt wird. Dies geschieht am Injektor während der Einspritzung und fortwährend an den Leckagespalten der Düse und des Steuerkolbens. Je mehr Injektoren ein Motor hat, desto mehr Wärme fällt an.

Eine zusätzliche Erwärmung entsteht durch eine ungeregelte Hochdruckpumpe, deren überschüssiger Volumenstrom auf der Hochdruckseite am Druckregelventil abgeleitet wird.

Besonders kritisch erweist sich die Wärmeentwicklung bei hoher Außentemperatur, sehr geringem Tankinhalt und Volllastfahrt. Hier muss Vorsorge getroffen werden, dass Kunststoffteile im Tank oder der Kunststofftank selbst nicht beschädigt werden. Die effektivste, aber auch teuerste Lösung ist die Verwendung einer Kraftstoffkühlung. Bei Stahltanks reicht es jedoch, zumindest bei Vierzylindermotoren, die Kunststoffeinbauten temperaturfest auszuführen. Zu vermeiden ist der direkte Kontakt des erwärmten Kraftstoffes mit PE-Kunststoffteilen.

Bei einer nicht geregelten Hochdruckpumpe mit Elementabschaltung besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit eines Temperatursensors im Rücklauf bei zu hohen Temperaturen ein Element abzuschalten und dadurch den Wärmeanfall zu reduzieren. Gleichzeitig ist es jedoch notwendig, den Raildruck abzusenken. Dies führt dazu, dass der Spritzbeginn in diesem Fall korrigiert und die Einspritzmenge verringert werden muss. Um bei Lastwechseln einen ausreichend schnellen Raildruckaufbau zu gewährleisten, wird in diesem Fall auf Drei-Element-Betrieb umgeschaltet.

Die Problematik einer für Kunststoffteile zu hohen Tanktemperatur ist auch dann noch vorhanden, wenn die Hochdruckpumpe geregelt ausgeführt wird

9.1. Allgemeine Grundlagen und Ziele der Gemischbildung

9.2. Die Einteilung der Dieselverfahren

9.2.1. Indirekte Einspritzung

9.2.2. Direkte Einspritzung

9.3. Zuteilung

9.4. Verteilung und Aufbereitung

9.5. Einteilung der Einspritzsysteme

9.6. Aufbau der Systeme und motorische Auswirkungen ihrer Verwendung

9.6.1. Grundbauarten

9.6.2. Reiheneinspritzpumpe

9.6.3. Verteilereinspritzpumpen

9.6.4. Pumpe–Leitung–Düse (PLD) und Pumpe–Düse (PD)

9.6.5. Speicher–Einspritzung (Common–Rail–Einspritzung

9.1. Allgemeine Grundlagen und Ziele der Gemischbildung

Kennzeichen:

• Selbstentzündung (charakteristisch)
• Luftverdichtung (700-900 °C, 40-70 bar)
• Kraftstoffeinspritzung
• Heterogenes Gemisch (maßgeblich durch das Einspritzsystem beeinflusst), homogenes Gemisch angestrebt
• Qualitätsregelung

Die maximale Dauer für die Gemischaufbereitung beträgt ca. 1,5 ms (beim Ottomotor mit Saugrohreinspritzung steht mit ca. 15 ms eine rund 10-mal längere Zeit zur Verfügung). Die Einspritzung erfolgt aufgrund der erforderlichen Zerstäubung mit hohem Druck (300-2000 bar).

• Früher überwiegend bei PKW-Motoren verwendet.
• Die nahezu kugelförmig ausgebildete Nebenkammer ist über einen Schusskanal mit dem Hauptbrennraum verbunden.
• Durch die tangential in die Nebenkammer einströmende Luft entsteht ein Wirbel.
• Die Einspritzung erfolgt in Richtung der Luftbewegung und tangential in die Nebenkammer.
• Die Selbstzündung erfolgt in der Nebenkammer.
• Die Verbrennung in der Nebenkammer bewirkt eine Wirbelumkehr, durch die beginnende Verbrennung wird das fette, zum Teil noch unverbrannte Gemisch in den Hauptbrennraum ausgeblasen und dort dann vollständig umgesetzt.

• Früher weit verbreitetes Einspritzprinzip im PKW-Bereich; heute nur noch in Nischen- anwendungen, wie z.B. Diesel-Generatoren
• Die Vorkammer, die möglichst zentral zum Hauptbrennraum angeordnet ist, ist durch einen Schusskanal mit dem Hauptbrennraum verbunden.
• Durch die Kolbenbewegung wird eine Luftströmung in der Vorkammer erzeugt.
• Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt in die Vorkammer.
• Die Zündung erfolgt an den heißen Vorkammerwänden mit relativ kurzem Zündverzug (sanfter Druckanstieg bei Verbrennungsbeginn).

• Nach Beginn der Verbrennung in der Vorkammer wird das fette, reaktionsfähige Gemisch in den Hauptbrennraum ausgeblasen.
• Die hohe Ausblasgeschwindigkeit bewirkt eine schnelle Vermischung mit der Luft und führt somit zu einer raschen Verbrennung des bis dahin nur teilverbrannten Kraftstoffes.

• Heute entspricht die direkte Einspritzung bei PKW- und LKW-Motoren dem Stand der Technik.
• Keine Unterteilung des Brennraumes, sondern nur eine Brennraummulde im Kolben.
• Mehrlochdüse ist zentrisch zum Brennraum angeordnet
• Neben der Einspritzstrahlenergie und Anzahl der Düsenlöcher wird zur Gemischbildung bzw. Gemischverteilung im Brennraum häufig ein Luftwirbel eingesetzt. Dieser kann durch einen am Einlass induzierten Drall, Schirmventile oder Quetschspalte erzeugt werden.
• Heute praktisch immer in Verbindung mit einer Aufladung.
• Vorteil im Kraftstoffverbrauch durch geringere Wärmeübergangsverluste (kleinere Oberfläche) und keine Strömungsverluste durch Wegfall des Überströmkanals.

• Die Steuerung des Verbrennungsverlaufes ist allerdings alleine von der Einspritzung zu beeinflussen. Die durch das Überströmen in den Hauptbrennraum bei Motoren mit unterteiltem Brennraum bestehende Möglichkeit fällt hier weg.

M - Verfahren

• Bei einem Mittenkugelmotor handelt es sich um eine Bauart des Dieselmotors mit einer wandverteilenden Einspritzung.
• Der Kraftstoffstrahl ist auf die Wand einer kugelförmigen Brennraummulde im Kolben gerichtet.
• Die Düse ist exzentrisch angeordnet.
• Die Ausbreitung des an der Brennraumwand gebildeten Kraftstofffilms wird durch die Luftwirbel unterstützt.
• Durch die heißen Verbrennungsgase kommt es zu einem beschleunigten Abdampfen des Filmes von der Brennraumwand und zu einer intensiven Vermischung mit der rotierenden Luft.
• Ein kleiner Teil des Kraftstoffes am Rand des Hauptstrahls gelangt fein zerstäubt direkt in die Luft und dient zur rascheren Entflammung

D - Verfahren

• Die 2-Lochdüse ist exzentrisch angeordnet.
• Die zwei Einspritzstrahlen sind annähernd parallel zur zylindrischen Wand des schräg im Kolben liegenden Brennraumes gerichtet.
• Beim Ansaugen wird ein Luftwirbel um die Brennraumachse erzeugt, wodurch eine intensive Zerstäubung des Kraftstoffes erreicht wird.
• Im Fliehkraftfeld des Wirbels entsteht an der Brennraumwand eine fette Gemischschicht.
• Der Zündverzug dieses fetten Gemisches bleibt während der Brenndauer so groß, dass es nicht plötzlich von selbst entflammt, sondern erst nach der Zündung durch innere Gemischteile verbrennt.
• Es entsteht eine langsame Verbrennung in der ersten Phase, und durch den Effekt der thermischen Mischung eine beschleunigte Verbrennung in der zweiten Phase

Abhängig von:

• Förderdauer Δt_E [s] bzw. Förderwinkel (FW) oder ΔαE [°KW]
• Einspritzdruck pE ->Δp Differernz kraftstoff Brennstoffseite = pE- p_Zyl
• Zylinderdruck p_Zyl
• Anzahl der Spritzlöcher
• Durchflusswert α
• Kraftstoffdichte ρ_K
• Querschnitt der Spritzlöcher A_E

Die effektive Einspritzmenge/ASP b₁ wird von der Querschnittsfläche der Spritzlöcher A_E, des Einspritzdruckes p_E, der Förderdauer Δt_E sowie des Zylinderdruckes p_Zyl bestimmt.

b1=f(A_E, Δt_E,  α, ρ_{K, Δ}p)

Mit der Variation der Einspritzmenge wird beim Dieselmotor die Last geregelt. Die Einspritzmenge b₁ liegt bei einem PKW-Dieselmotor größenmäßig zwischen 6 mm³ und 80 mm³. Um eine konstante Einspritzmenge/ASP b1 und somit auch eine konstante Last über der Drehzahl zu erhalten, muss der Einspritzdruck p_E variiert werden (vor allem bei größeren Drehzahlbereichen von PKW-Dieselmotoren)

Förderbeginn/ Förderende

Der Förderbeginn (FB) bezeichnet den Zeitpunkt zu dem die Dieseleinspritzpumpe mit der Kraftstoffförderung beginnt, bzw. die Injektoren eines Common–Rail–Systems die Öffnung der Bohrungsquerschnitte freigeben. Der FB muss mit zunehmender Drehzahl nach „früh" verstellt werden. Das Förderende (FE) beschreibt den Endzeitpunkt der Kraftstoffförderung.

Spritzbeginn/ Spritzende

Der Spritzbeginn (SB) steht für den Zeitpunkt an dem die Öffnung des Einspritzventils erfolgt und Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird. Dieser wird in °KW mit Bezug auf den OT angegeben.

Der Spritzbeginn wird abhängig vom Betriebspunkt des Motors eingestellt. Die beiden maßgebenden Parameter nach denen sich der Spritzbeginn richtet, sind der Spritzverzug und der Zündverzug (ZV). Der Spritzverzug bezeichnet die Zeit zwischen Förderbeginn und Spritzbeginn. Der SB muss variabel und genau eingestellt werden (elektronische Steuerung des FB oder Regelung über integrierten Nadel-hubsensor). Das Spritzende (SE) bezeichnet das Ende der Kraftstoffeinspritzung

Förderwinkel

Die Einspritzdauer wird auch als Förderwinkel (FW) bezeichnet. Der Förderwinkel beschreibt die Dauer der Einspritzung, d.h. den Bereich in °KW, in der das Einspritzventil geöffnet ist und Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird

Einspritzverlauf

Der Verlauf des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs wird als Einspritzverlauf bezeichnet. Ein für heutige Diesel-Einspritzsysteme repräsentativer Verlauf besteht aus einer Voreinspritzung sowie einer Haupteinspritzung. Für die Abgasnachbehandlung und Regenerationsstrategie werden auch Nacheinspritzungen eingesetzt. Mit der sich weiter verbreitenden Piezo-Injektor-Technologie sind mehrere Vor- und Nacheinspritzungen möglich. Der Einspritzverlauf hat großen Einfluss auf den Druckanstieg zu Beginn der Verbrennung und damit auf das Geräusch.

Ein guter Einspritzverlauf, der sich durch einen flach ansteigenden Verbrennungsdruck auszeichnet, wird dadurch erreicht, dass während der Einspritzdauer anfangs möglichst wenig Kraftstoff eingespritzt wird. Gegen Ende der Einspritzung sollte dagegen möglichst viel Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden. Am Förderende ist dann ein schnell und sicher schließendes Einspritzventil von großer Bedeutung. So genannte Nachspritzer bedingen zum Teil unverbrannte bzw. unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe in der Abgasanlage, die sich nachteilig auf das Emissionsverhalten sowie den Kraftstoffverbrauch auswirken.

Abbildung 9-10 zeigt den Einspritzverlauf eines Common–Rail–Systems. Hierbei fallen systembedingt der Förderbeginn sowie der Spritzbeginn zeitlich zusammen. Bei einem System mit Verteilereinspritzpumpe wäre der FB dem SB vorgelagert. Analog dazu verhält sich das Förderende zum Spritzenden.

Um eine gute Gemischaufbereitung zu erzeugen, muss eine möglichst gute Zerstäubung des Kraftstoffs realisiert werden. Für PKW-Dieselmotoren gelten folgende Richtwerte:

• Tröpfchendurchmesser: 5 μm-> ca. 100·106 Tröpfchen bei b1 = 60 mm³/ Einspritzung
• pritzlochdurchmesser bei einer 5-Lochdüse ca. 0,17 mm
• Hoher Einspritzdruck: bis ca. 2000 bar
• Tröpfchenverteilung sollte homogen sein; örtliche Bereiche mit zu hoher Tröpfchenanzahl sind zu vermeiden, da aufgrund des lokalen Luftmangels verstärkt Ruß entstehen kann
• Vermischung mit dem Luftsauerstoff in ca. 1 ms
• Selbstentzündung in 700–900 °C heißer Brennraumluft bei einem Brennraumdruck von 40–70 bar
• Kraftstofftröpfchen verbrennen möglichst vollständig

Weiterhin bestimmt die Güte der Gemischaufbereitung maßgebend:

• Das Verbrennungsgeräusch
• Den Brennraumspitzendruck
• Den Kraftstoffverbrauch
• Die NOx-, HC- und CO-Emission, sowie die Ruß- bzw. Partikel-Emission

Siehe Bild

Einspritzstrahl:

Durch den hohen Leitungsdruck vor der Düse tritt der Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit und hoher Turbulenz an der Düse aus. Die Relativgeschwindigkeit zur verdichteten Luft und die Turbulenz im Strahl lassen den Strahlrand sofort in kleine Tröpfchen zerfallen.

Beim Ausbreiten des Strahles und beim Verdampfen der feinen Tropfen aus dem Strahlmantel wird der Mantel vom Kern her ständig ergänzt (Tröpfchen wandern von innen nach außen). Es liegt eine inhomogene Gemischverteilung vor (Kern: fett und tropfenförmig; Mantel: mager und gasförmig), die immer eine Zone mit günstigem Mischungsverhältnis für die Zündung enthält, die aber gleichzeitig Probleme bezüglich der Rußbildung (Cracken) mit sich bringt

Aufbau des Einspritzstrahles:

• Strahlkern: nicht vollständig zerstäubte, größere Tropfen mit höherer Geschwindigkeit
• Strahlmantel: feine Tröpfchen mit hohem Luftanteil und kleiner, nach außen abnehmender Geschwindigkeit

Die Tröpfchengröße, die Eindringtiefe und der Strahlwinkel bestimmen weitestgehend den Einspritzstrahl und damit die Verbrennungsgüte hinsichtlich Brennverlauf und Partikelemission.

Die Feinheit der Zerstäubung lässt sich durch den mittleren Tropfendurchmesser charakterisieren. Im zerstäubten und noch nicht verdampften Strahl beträgt die Tropfengröße etwa 2-50 μm. Die mittlere Tropfengröße ist gering, bei:

• Kleinem Düsendurchmesser (Einspritzdauer verlängert sich)
• Großer Austrittsgeschwindigkeit (Druck hoch)
• Hoher Luftdichte
• Geringer Zähigkeit und Oberflächenspannung des Kraftstoffes

Die Zerstäubung des Kraftstoffes hängt nicht nur von der Einspritzpumpe und -düse ab, sondern auch von der Gestaltung des Brennraums/ Nebenkammer, die ihrerseits zusätzliche Luftbewegungen erzeu-gen und somit die Zerstäubungsgüte verbessern. In Abbildung 9-20 sind Tropfengeschwindigkeit und Strahlausbreitung dargestellt

siehe Bild