VKM_I_Kap.9

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.