VKM_I_Kap.9

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

1893 Diesel sieht in seiner ersten Patentschrift eine hydraulische Einspritzpumpe vor, die damals jedoch zu ungenau und unzuverlässig war. Deshalb wird zunächst der Kraftstoff mittels Druckluft in den Brennraum geblasen.

1907 Diesel scheitert erneut beim Bau eines hydraulischen Einspritzsystems.

1922 Robert Bosch beginnt die Entwicklung einer Reiheneinspritzpumpe. Dazu entwickelt er ein Patent von Lang - Arco weiter und legt Pumpen- und Steuerkolben zusammen, die bis dahin getrennte Bauteile waren

1927 Serienfertigung Einspritzpumpe und Düse

1962 Serie P-Pumpe

1976 Serienfertigung VE-Verteilerpumpe

1986 Elektronische Dieselregelung für Verteilerpumpen

1994 Pumpe-Düse-Einheit

1995 Pumpe-Leitung-Düse

1997 Common-Rail-System (1200 bar)

2004 Piezo Einspritzventile

2008 Common-Rail-System (2000 bar)

2013 Common-Rail-System (2500 bar) - geplant

2015 Common-Rail-System (3000 bar) - geplant

siehe Bilder

Einspritzanlagen lassen sich in einen Niederdruckteil, bestehend aus Kraftstoffbehälter, Filter, Förderpumpe, Leitungen und Überströmventil und in einen Hochdruckteil, der den zum Einspritzen benötigten Kraftstoffdruck erzeugt, aufteilen. Im Hochdruckteil wird der Kraftstoff für jeden Zylinder über ein Druckventil, Druckleitung und Düsenhalter zur Einspritzdüse gefördert.

Aufbau

Reiheneinspritzpumpen besitzen für jeden Zylinder ein Pumpenelement, bestehend aus Pumpenkolben und -zylinder. Die Nockenwelle der Einspritzpumpe wird, vom Motor synchronisiert, durch einen Ket-ten- oder Zahnriementrieb angetrieben. Bei Zweitakt-Motoren entspricht die Pumpendrehzahl der Kurbelwellendrehzahl, bei Viertakt-Motoren der Halben. Die Nockenwelle bewegt die Pumpenkolben gegen die Rückstellkraft der Kolbenfedern.

Bedingt durch diesen Aufbau kann der Hub der Pumpenkolben zur Mengenregelung nicht variiert werden. Die Kraftstoffzumessung erfolgt nach dem Überströmprinzip mit Schrägkanten, wobei der Nutzhub des Pumpenelements variiert wird. Im Pumpenzylinder befinden sich Zulaufbohrungen, die mit dem Saugraum der Einspritzpumpe verbunden sind. Über den Pumpenelementen sind die Druckventile angebracht, die gewährleisten, dass der Kraftstoff mit einem bestimmten Druck zu den Einspritzdüsen gelangt.

Das Überströmprinzip mit Schrägkantensteuerung ermöglicht die Fördermengenregelung. Der Pumpenkolben besitzt eine Längsnut, über die der Druckraum oberhalb des Kolbens immer mit dem unterhalb einer Schrägkante (Steuerkante) liegenden Raum verbunden ist.

Der Nutzhub des Pumpenkolbens kann somit durch dessen Verdrehung verändert werden. Dies erfolgt durch eine Regelstange, die über einen Zahnkranz an der Regelhülse angreift. Diese ist mit dem Pum-penkolben fest verbunden, beeinflusst aber nicht dessen Hubbewegungen.

Pumpenkolben und -zylinder bilden zusammen das Pumpenelement. Der Pumpenkolben besitzt außer der Längsnut eine seitliche Ausfräsung, die sogenannte Steuerkante, welche am Kolben oben- oder untenliegend angebracht sein kann. Im Pumpenzylinder sind ein oder zwei Bohrungen für den Kraftstoffzulauf und die Absteuerung angeordnet. Für besondere Anforderungen, z.B. Geräuschminderung oder abgasbeeinflussende Maßnahmen, werden Pumpenkolben verwendet, die sowohl über eine untenliegende als auch über eine obenliegende Steuerkante verfügen. Somit kann nicht nur das Förderende, sondern auch der Beginn gesteuert werden. Zur Verbesserung des Startverhaltens werden die Pumpenkolben zusätzlich mit einer Ausfräsung an der Oberkante, der Startnut, versehen. Diese Ausfräsung ist nur in der Startstellung wirksam und verzögert den Förderbeginn um 5-10 °KW.

Der fliehkraftgesteuerte Spritzversteller verdreht mit zunehmender Drehzahl die Nockenwelle der Einspritzpumpe gegenüber der Pumpenantriebswelle in Richtung früherer Förderung. Die Drehmomentenübertragung erfolgt über Zahnrad-Gehäuse-Bolzen (Exzenter) auf die Verstellscheibe (Nabe). Mit steigender Drehzahl wandern die Fliehgewichte nach außen und verdrehen dadurch die Exzenter. Infolge der Exzenterverdrehung wird die Nabe gegenüber dem Gehäuse verstellt und der Förderbeginn erfolgt früher

Die Last- und Drehzahlsteuerung des Dieselmotors erfolgt über die Kraftstoffmenge ohne Drosselung der Ansaugluft. Es gibt keine Regelstangenstellung, bei der der Dieselmotor seine Drehzahl ohne Regler genau beibehält. Bei festgehaltener Regelstange, z.B. in Leerlaufstellung, kann der Motor entweder absterben oder aber seine Drehzahl bis zur Selbstzerstörung (Durchgehen) ansteigen. Letzteres ist darauf zurückzuführen, dass der Dieselmotor mit Luftüberschuss arbeitet und infolge dessen die natürliche Drosselung der Zylinderfüllung bei zunehmender Drehzahl (Ottomotor) unterbleibt. Die Leckage der Einspritzpumpe ist auf die Zeit bezogen konstant, sie nimmt also mit steigender Drehzahl bezogen auf jeden einzelnen Hub ab. Die Folge ist, dass die Pumpe eine immer größer werdende Kraftstoffmenge pro Arbeitsspiel abgibt und sich daraus ein immer größer werdendes Drehmoment aufbaut. Im Leerlauf muss aber nur ein dem Reibmoment entsprechendes Motormoment bereitgestellt werden - wird es größer wird der Motor schneller - bis zu einer möglichen Selbstzer-störung.

Als Grundaufgaben für jeden Drehzahlregler ergeben sich daraus die Begrenzung der Enddrehzahl und die Regelung der Leerlaufdrehzahl.

Je nach Verwendungszweck des Motors kommen daher verschiedene Reglerbauarten zur Anwendung:

• Alldrehzahlregler: Einsatz in stationären Motoren, z.B. bei Nenndrehzahlbetrieb
• Leerlauf- und Enddrehzahlregler: Einsatz in Fahrzeugmotoren

Alldrehzahlregler

Der Alldrehzahlregler wird insbesondere dort eingesetzt, wo Dieselmotoren über den gesamten Drehzahlbereich automatisch geregelt werden sollen, z.B. bei Kraftfahrzeugen mit Nebenantrieben wie Pumpen oder Feuerwehrleitern, bei Schiffs-, Stromerzeugungs-, Schlepper- und Schienenfahrzeug-motoren.

Zur Realisierung dieser Reglerbauarten bieten sich folgende Möglichkeiten an:

• Fliehkraftgesteuerter Drehzahlregler
• Pneumatisch gesteuerter Regler
• Elektrohydraulisch gesteuerter Regler
• Digitale Diesel-Elektronik

Aufgrund der aktuellen Entwicklung werden heute im Wesentlichen nur digitale Dieselmanagementsysteme eingesetzt. Daher sollen nur diese näher erläutert werden.

Digitale Dieselelektronik

Zur Optimierung einer Einspritzanlage sind folgende Informationen notwendig:

• Stellung des Fahrpedals
• Motordrehzahl
• Korrektureinflussgrößen, wie Temperatur des Motorkühlmittels und des Motoröls
• Temperatur und Druck der Ansaugluft
• Temperatur des Kraftstoffes (Massenbestimmung)
• Temperatur der Abgase (optional)
• OT-Lage
• Lage des Spritzbeginns
• angesaugte Luft und eingespritzte Kraftstoffmenge

Die Gesamtheit dieser Informationen wird mit verschiedenen Aufnehmern (z.B. Drehzahlsensoren) gemessen. Um diese elektronischen Messdaten zu verarbeiten, ist ein Rechner notwendig, der über ein Stellwerk die Regelstange und die Spritzverstellung der Einspritzpumpe steuert. Durch diese Maßnahmen ist eine optimale Verbrennung des Dieselmotors bezüglich der Anforderungen (z.B. Abgasverhalten, Leistung) möglich.

Im Einspritzmengen-Stellwerk der Reiheneinspritzpumpe arbeitet ein elektrischer Linearmagnet gegen eine Feder auf der Regelstange. Ein elektrischer Sensor meldet die Position an den Rechner zurück.

Druckventil

An jedem druckseitigen Pumpenausgang sitzen am Anschluss der Einspritzleitungen zu den Düsen Druckventile. Sie erfüllen zwei Aufgaben:

• Sie müssen den zur Öffnung der Einspritzventile notwendigen, genau definierten Druck in den Druckleitungen bereitstellen. Ist die Steuerkante des Kolbens mit der Steuerkante des Zylinders in Deckung, sinkt der Druck im Pumpenzylinder. Das Druckventil schließt dann bis zum nächsten Druckhub des Pumpenelementes.

• Nach Beendigen des Einspritzvorganges muss das Druckventil die Druckleitung entlasten, um ein sicheres Schließen der Einspritzdüse zu gewährleisten. Bevor das Druckventil schließt, taucht ein Entlastungskolben (Bund am Druckventil) in die Ventilführung ein und schließt die Druckleitung gegenüber der Einspritzpumpe ab. Der Hub des Druckventils bestimmt das Entlastungsvolumen, welches einen definierten Restdruck in der Druckleitung erzeugt.

Wegen der eng tolerierten Passungen in der Einspritzpumpe und an den Einspritzdüsen haben Verschmutzungen nachteilige Auswirkungen auf das Verschleiß- und Korrosionsverhalten sowie auf Verbrauch und Rauchentwicklung.

Wesentliche Punkte der Kraftstoffverschmutzung sind:

• • Rost
• • Wasser
• • Organische Stoffe
• • Metallischer Abrieb
• • Staubpartikel

Diese Verunreinigungen, die auch beim Tankvorgang oder durch die Tankentlüftung in den Kraftstoff gelangen können, müssen durch ein Filter zurückgehalten werden. Hierfür finden Filz- oder Papierfilter mit einer Porenweite von 5 bis 10 μm Verwendung. Im Filter wird auch das durch Temperaturwechsel entstehende Kondenswasser abgeschieden.

Probleme:

Ein feiner Filter kann bei tiefen Temperaturen (ab ca. -12 °C) durch die Ausscheidung von Paraffinkristallen zugesetzt werden und zum Ausfall des Motors führen. Dies kann durch Mischung des Dieselkraftstoffes mit Petroleum oder Benzin (bei modernen Einspritzsystemen nicht zu empfehlen) oder durch eine Filterheizung (elektrisch oder mit Kühlwasser) verhindert werden

Die Axialkolben-Verteilereinspritzpumpe besitzt im Gegensatz zu der Reiheneinspritzpumpe nur ein Pumpenelement für alle Motorzylinder. Der Kolben fördert den Kraftstoff durch eine Hubbewegung und verteilt ihn durch eine Drehbewegung auf die einzelnen Auslässe.

In die Verteilereinspritzpumpe sind die folgenden Baugruppen integriert:

• Einspritzhochdruckpumpe mit Kraftstoffmengenteiler; sie erzeugt den zur Einspritzung notwendigen genau definierten Hochdruck und verteilt den Kraftstoff auf die einzelnen Zylinder
• Kraftstoffförderpumpe (Flügelzellenpumpe); sie saugt den Kraftstoff an und leitet ihn zur Einspritzhochdruckpumpe weiter
• Drehzahlregler mit Startmengenvorrichtung; er regelt je nach Bauart Leerlauf- und Höchstdrehzahl sowie Kaltstart-, Beschleunigungs- und Teillastregelung
• Spritzversteller; er regelt den drehzahlabhängigen Förderbeginn

Die Kraftstoff-Förderung teilt sich in einen Nieder- und einen Hochdruckteil auf. Im Niederdruckteil saugt die Flügelzellen-Förderpumpe den Kraftstoff an und fördert ihn in den Pumpeninnenraum. Der Pumpeninnenraumdruck wird durch ein Drucksteuerventil und eine Überströmdrossel konstant gehalten.

Der zur Einspritzung notwendige Hochdruck und die Kraftstoffverteilung auf die einzelnen Zylinder werden durch eine Hub-Drehbewegung des Pumpenkolbens erreicht. Die Antriebswelle der Verteilereinspritzpumpe dreht über einen Mitnehmer eine Hubscheibe und den fest mit dieser verbundenen Pumpenkolben. Die Nockenerhebungen auf der Unterseite der Hubscheibe wälzen sich auf den Rollen des Rollenringes ab, was die Hubbewegung des Kolbens zur Folge hat.

Kraftstoffzumessung Die Kraftstoffzumessung zeigt Abbildung 9-45. Für einen 4-Zylinder-Motor steht für die UT- und OT-Bewegung eine viertel Umdrehung des Verteilerkolbens, bei einem 6-Zylinder-Motor eine sechstel Umdrehung zur Verfügung.

Solange die am Pumpenkolben angebrachte Absteuerbohrung verschlossen ist, fördert die Pumpe den Kraftstoff. Die Förderung ist beendet, wenn die Absteuerbohrung aus dem Regelschieber austritt. Somit bestimmt die Position des Regelschiebers den Nutzhub und die Einspritzmenge. Die Stellung des auf dem Kolben verschiebbaren Regelschiebers wird durch den Drehzahlregler bestimmt.

Drehzahlregelung

Die bei der Reiheneinspritzpumpe erläuterten Reglerbauarten (Alldrehzahl-, Leerlauf- und Enddrehzahlregler) finden auch bei der Verteilereinspritzpumpe Verwendung. Auch hier wird zwischen mechanischen und elektronischen Drehzahlreglern unterschieden.

Spritzverstellung

Der Spritzbeginn muss, wie bereits bei der Reiheneinspritzpumpe erklärt, mit zunehmender Drehzahl in Richtung „früh" verstellt werden. Diese erfolgt je nach Bauart der Drehzahlregelung durch eine mechanische oder eine elektronische Spritzverstellung

Mit verschiedenen Aufschaltgeräten können folgende wesentliche Anpassungen der Fördermenge vorgenommen werden:

• Ladedruckabhängiger Volllastanschlag
• Atmosphärendruckabhängiger Volllastanschlag
• Zur Berücksichtigung der geringeren Luftdichte in großen Höhen
• Lastabhängiger Förderbeginn
• Zur Verstellung des Förderbeginns bei fallender Last in Richtung „spät"
• Kaltstartbeschleunigung
• Zur Verstellung des Förderbeginns in Richtung „früh" - manuell oder in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur

Aufgrund des Bauprinzips sind die erreichbaren Maximaldrücke bei Axialkolben-Verteilerpumpen begrenzt (max. ca. 700 bar). Mit der Entwicklung der direkteinspritzenden PKW-Dieselmotoren wurden jedoch höhere Einspritzdrücke notwendig. Dies führte zur Entwicklung der Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe. Die Kraftstoff-Förderung erfolgt über zwei bzw. vier Radialkolben und einen Stufen-Nockenring, die Verteilung wie bisher über rotierende Verteilerkolben. Es sind Einspritzdrücke bis 1500 bar an der Düse realisierbar.

Bei PD und PLD handelt es sich Einspritzsysteme mit zeitgesteuerten, nockengetriebenen Einzeleinspritzpumpen. Die Vorteile gegenüber den kantengesteuerten Systemen sind:

• Hoher Einspritzdruck (bis ca. 2050 bar)
• Variabler Spritzbeginn
• Möglichkeit einer Voreinspritzung

Die Ansteuerung der Düsen bezüglich Einspritzbeginn und Einspritzdauer erfolgt kennfeldgesteuert über ein Magnetventil. Dabei werden der aktuelle Betriebspunkt des Motors und die Umgebungsbedingungen berücksichtigt. Die erfassten Betriebsgrößen sind:

• Kolbenposition (Kurbelwinkel)
• Nockenwellendrehzahl
• Fahrpedalstellung
• Ladedruck
• Ansaugluft-, Kühlmittel- und Kraftstofftemperatur

Je Zylinder ist eine Pumpen- Düseneinheit verbaut. Da keine Hochdruckleitungen von der Pumpe an die Düse verlegt sind, treten dort keine Schwingungen auf (Problem der PLD). Daher können sehr hohe Einspritzdrücke (bis über 2000 bar) realisiert werden. Die Motornockenwelle hat für jede PD-Einheit einen Antriebsnocken. Der Nockenhub wird direkt oder mittels Kipphebel auf den Pumpenkolben übertragen. Die Nockenform gibt die aktuelle Geschwindigkeit des Pumpenkolbens (Düsenöffnungsdruck) und damit, zusammen mit der Ansteuerung des Magnetventils, den Spritzbeginn und die Einspritzmenge vor. Die im Betrieb am Nocken angreifenden Kräfte regen diesen zu Drehschwingungen an, was einen negativen Einfluss auf die Einspritzcharakteristik und die

zugewiesen Kraftstoffmenge hat. Um diese Schwingungen zu reduzieren muss der Antrieb des Pumpenkolbens sehr steif ausgeführt werden. Das PD-System findet im Allgemeinen nur bei Motoren mit großen Abmessungen Verwendung. Die Bauweise bietet sich bei obenliegenden Nockenwellen an.

Hochdruckerzeugung

Der für die Einspritzung benötigte Kraftstoffdruck wird in der Hochdruckpumpe erzeugt die aus den Bauteilen Pumpenkörper, Pumpenkolben und Rückstellfeder besteht.

Hochdruckmagnetventil

Mittels des Magnetventils werden der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer gesteuert. Es besteht aus den Komponenten Spule, Ventilnadel, Anker, Magnetkern und Ventilfeder.

Einspritzdüse

Die Einspritzdüse zerstäubt und verteilt den Kraftstoff im Brennraum und formt dabei den Einspritzverlauf.

Haupteinspritzung:

a Saughub

Bewegt sich der Nocken der Abbildung 9-50 nach oben, bewegt die Rückstellfeder (3) den Pumpenkolben (2) nach oben. Der Kraftstoff fließt über den Zulauf (7) in den Magnetventilraum (6). Über eine Zulaufbohrung gelangt der Kraftstoff in den Pumpenraum (4).

b Vorhub

Bewegt sich der Kolben bei geöffnetem Magnetventil nach unten, strömt ein Teil des Kraftstoffs in den Magnetventilraum (6) zurück.

c Förderhub und Einspritzung

Wird das Magnetventil geschlossen erhöht sich der Druck im Pumpenraum (4) und an der Düsennadel. Das Schließen des Magnetventils führt zu einer Veränderung des Spulenstroms, was vom Steuergerät erkannt wird. Damit lässt sich der tatsächliche Förderbeginn ermitteln um beim nächsten Einspritzvorgang berücksichtigt zu werden. Mit Erreichen des Düsenöffnungsdrucks von ca. 300 bar wird die Düsennadel (11) angehoben und die Einspritzung beginnt. Durch die Bewegung des Pumpenkolbens steigt der Druck an der Düse während des gesamten Einspritzvorganges an.

d Resthub

Nach dem Abschalten des Stroms für das Magnetventils öffnet das Ventil nach einer geringen Verzögerungszeit, der Druck bricht zusammen. Wird der Schließdruck der Düse unterschritten, ist der Einspritzvorgang beendet.

Beim PD-System kann eine Voreinspritzung zur Geräusch- und Emissionsminderung realisiert werden (siehe Abbildung 9-51). Sie lässt sich in vier Zustände unterteilen.

a Ruhestellung

Ist das Magnetventil geöffnet findet kein Druckaufbau statt und die Düsennadel (7) und der Speicherkolben (3) befinden sich in ihrem Sitz.

b Beginn der Voreinspritzung

Schließt das Magnetventil, beginnt der Druckaufbau im System. Mit Erreichen des Öffnungsdrucks der Düsennadel beginnt die Voreinspritzung.

c Ende der Voreinspritzung

Übersteigt der Systemdruck die Federkraft der Druckfeder (5) so wird der Speicherkolben (3) von seinem Sitz abgehoben und der Einspritzdruck bricht zusammen, da es zu einem Überströmen in den Federhalterraum (6) kommt. Die Düsennadel schließt. Die Voreinspritzmenge wird durch den Öffnungsdruck des Speicherkolbens bestimmt. Der Abstand zwischen Vor- und Haupteinspritzung wird durch den Kolbenhub festgelegt.

d Beginn der Haupteinspritzung

Durch die weitere Nockenbewegung steigt der Druck im Pumpenelement wieder an. Nach Erreichen des nun erhöhten Öffnungsdrucks der Düsennadel beginnt die Haupteinspritzung.

Der Injektor ist im Zylinderkopf hohen Temperaturen ausgesetzt. Um die Temperaturbelastung zu minimieren wird die PD-Einheit durch den in den Rücklauf fließenden Kraftstoff gekühlt

Bei einem PLD-System sind Pumpe und Düse wie bei einer Reiheneinspritzpumpe getrennt. Die Einspritzleitung ist aber relativ kurz ausgeführt, so dass hohe Einspritzdrücke realisiert werden können. Durch die zum Teil hochfrequenten Druckschwankungen durch das Öffnen und Schließen der Einspritzdüse werden die Einspritzleitungen stark belastet. Durch die Teilung von Pumpe und Düse ist das System gegenüber einem PD-System konstruktiv leichter integrierbar. Die Arbeitsweise des PLD-Systems entspricht der des PD-Systems. In Abbildung 9-52 und Abbildung 9-53 sind PLD-Systeme mit integriertem und mit außen liegendem Magnetventil dargestellt

Die Anforderungen an ein modernes Kraftstoffeinspritzsystem am Dieselmotor sind:

• Hoher maximaler Einspritzdruck (für feine Kraftstoffzerstäubung)
• Variabler Einspritzdruck (abhängig vom Motorbetriebspunkt)
• Variabler Einspritzbeginn (abhängig vom Motorbetriebspunkt)
• Mehrere Vor- und Nacheinspritzungen (Komfort und Abgasnachbehandlung)
• Genaue Kraftstoffzumessung

Mit einem Speichereinspritzsystem ist die geforderte Flexibilität am ehesten zu erreichen. Dabei steht der Kraftstoff kontinuierlich in einem Hochdruckspeicher für die Einspritzung bereit.

Merkmale eines Common-Rail-Systems

• Hohe Flexibilität in der Einspritzverlaufsformung
• Der Einspritzdruck kann unabhängig von der Motordrehzahl frei gewählt werden
• Beine Begrenzung der Zylinder-Zahl
• Vorteile hinsichtlich der Gesamtkosten des Motors (viele Gleichteile)
• Beim Öffnen der Düse liegt der gesamte Raildruck an
• Späte Nacheinspritzungen für Abgasnachbehandlung (Partikelfilterregeneration/ DeNOx-Katalysator)

Entwicklungsprobleme sind:

• • Dauerhaltbarkeit (Begrenzung des maximalen Einspritzdruckes)
• • Sicherheitsaspekte (z.B. Dauereinspritzung bei defekter Einspritz-Düse

Die niederduckseitig montierte Kraftstoffpumpe saugt den Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter an und fördert ihn kontinuierlich zur Hochdruckpumpe. Die Kraftstoffpumpe kann als Vorförderpumpe in den Tank oder in die Hochdruckpumpe integriert sein. Die Hochdruckpumpe baut den gewünschten Einspritzdruck auf und fördert den Kraftstoff in das Fuel Rail. Für die Druckregelung kommen verschiedene Systeme zum Einsatz:

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