In Österreich sind derzeit etwa eine Million Dieselmotoren in Betrieb, die während ihres Betriebs 2,5 Millionen Tonnen Dieselkraftstoff verbrennen. Das Kraftstoffeinspritzsystem hat einen großen Einfluss auf die Leistung, den Verbrauch sowie die Qualität und Quantität der Emissionen. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die Automobilhersteller und ihre Zulieferer diesem Bereich große Aufmerksamkeit widmen. In diesem Artikel erfahren Sie, was die wichtigsten Dieselkraftstoff-Einspritztechnologien sind.
Eine kleine Geschichte der Injektoren
Das Jahr
1897 war für den Automobilbau von großer Bedeutung, als
Rudolf Diesel seinen Dieselmotor (ursprünglich mit Kerosin betrieben)
vorstellte. Die hohen Einspritzdrücke, die für die Zündung und Dosierung der zu verbrennenden Substanz (verschiedene Pflanzen- und Mineralöle, LTO und Kerosin) erforderlich sind, waren unerlässlich. Die ersten Dieselmotoren verfügten über
Einspritzdüsen, die mit Luftkompressoren ausgestattet waren, was in vielerlei Hinsicht aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts und ihres geringen Wirkungsgrads eine sehr unzulängliche Lösung war. Diese Lösung war für den Einsatz in Personenkraftwagen nicht sehr geeignet. Es wurde in Schiffen, Lokomotiven und stationären Motoren (zum Antrieb von Maschinen, die stillstehen) verwendet.
Dann kam Robert Bosch, der die Inline-Einspritzpumpe revolutionierte. Dieser war wesentlich kleiner als der vorherige Typ. Die 1927 einsetzende Massenproduktion trug zur Verbreitung bei, und Bosch entwickelte neben den Pumpen auch Einspritzdüsen.
Die ersten Dieselmotoren kamen zunächst in
MAN-LKWs zum Einsatz und hielten
1936 Einzug in PKWs. 1962 kam eine Verbesserung des Einspritzsystems in Form einer Dreheinspritzpumpe mit Axialkolben auf den Markt. Weitere Verbesserungen kamen 1986 mit dem elektronischen Dieselkontrollsystem. Im Jahr 1996 entwickelte
Opel das Einspritzsystem mit einer Dreheinspritzpumpe mit Radialkolben weiter. Das berühmte
Common-Rail-System, das heute in fast allen Dieselmotoren zu finden ist, kam
1997 mit Fahrzeugen von
Alfa Romeo auf den Markt.
Rudolf Diesel erscheint auch auf einer deutschen Briefmarke.
Klassifizierung von Einspritzpumpen nach Bauart:
- Reiheneinspritzpumpen.
- Kombinierte Spritzeinheiten.
- Getrennte Spritzeinheiten
- Dreheinspritzpumpen mit Axialkolben.
- Dreheinspritzpumpen mit Radialkolben.
Für jeden Motorzylinder ist eine Einspritzeinheit vorgesehen, die aus einem Einspritzeinheitenzylinder und einem Kolben besteht. Der Kolben wird durch die Wirkung einer Nockenwelle, die sich in der Einspritzpumpe befindet und vom Motor angetrieben wird, in Förderrichtung bewegt. Der Kolben wird mit Hilfe einer Kolbenfeder zurückgeführt.
Selbstangetriebene Pumpen haben eine Nockenwelle, die sich am Boden der Pumpe befindet. Die selbstfahrenden Pumpen werden über die Nockenwelle des Motors angetrieben. Die Einspritzdrücke liegen bei etwa 100-130 MPa. Ältere Typen haben einen mechanischen Regler mit Steuerstange und Gestänge, modernere Typen werden elektronisch von einem Steuergerät gesteuert und haben bessere Emissionen. Einige Varianten werden auch heute noch verwendet, weil sie zuverlässig und wartungsarm sind.
Kombinierte Einspritzeinheit
Wird auch als PD – Pumpe Düse oder UIS – Unit Injector System bezeichnet. Er verfügt über eine hydraulische Kolben-Diesel-Einspritzung. Die Einspritzpumpe und die Einspritzdüse bilden eine Einheit. Im Gegensatz zu den anderen Systemen verfügt dieses System nicht über eine kombinierte Einspritzpumpe oder Hochdruckleitung. Die Einspritzeinheiten befinden sich an jedem Zylinder im Motorkopf. Die Einspritzung wird vom Motorsteuergerät über ein Hochdruck-Magnetventil gesteuert.
Der Antrieb der
Pumpen erfolgt entweder über die Nockenwelle oder über einen Stößel. Der Einspritzdruck beträgt etwa 160-220 MPa (je nach Generation), höhere Drücke werden wegen des schnellen Verschleißes der Komponenten nicht verwendet. Die derzeitige dritte Generation ist in der Lage, eine einzige Kraftstoffcharge in bis zu fünf zu teilen, mit variabler Zeitsteuerung über ein schaltbares elektronisches Ventil. Sie ist hauptsächlich in Motoren mit OHC-Steuerung (obenliegende Nockenwelle) zu finden. Die wichtigsten Hersteller sind
Volvo, Cummins und
Scania.
Separates Einspritzaggregat
Diese auch als PLD oder UPS bezeichnete Einheit ist seit 1995 auf dem Markt. Die Pumpe befindet sich am Motorblock. Die Einheit ist für langsam laufende Motoren mit großem Hubraum und OHV-Steuerung konzipiert, bei denen die Nockenwelle nahe an der Kurbelwelle liegt (Scania). Der Einspritzdruck beträgt bis zu 200 MPa. Ältere Typen haben keine elektronische Steuerung über ein Steuergerät, sondern verwenden ein ähnliches System wie Inline-Pumpen, d. h. die Kolbenrotation erfolgt über eine Steuerstange.
Rotierende Einspritzpumpe
Die Dreheinspritzpumpe besteht aus einer Kraftstoffleitung mit Reiniger, einer Dreheinspritzpumpe mit integrierter Förderpumpe, einer Hochdruckeinspritzleitung und Injektoren mit Einspritzdüsen. Der Antrieb der Pumpe erfolgt über einen Motorsteuerungsmechanismus, in der Regel einen Riemenantrieb. Je nach Generation können diese Pumpen kantengesteuert (über Steuerkanten, Bohrungen und Schieber wird der Einspritzbeginn durch einen hydraulischen Einspritzschieber verändert) oder mit Magnetventilen ausgestattet sein. Die Einspritzdrücke können bis zu 160 MPa erreichen.
Die rotierende Einspritzpumpe hat ein gemeinsames Förderelement für alle Motorzylinder. Es wird hauptsächlich in Verbrennungsmotoren mit geringerem Hubraum und geringerer Leistung eingesetzt, vor allem wegen der begrenzten Einspritzmenge in den Brennraum.
Man unterscheidet je nach Kolben zwischen axialer (Verdichtung des Kraftstoffs durch einen einzigen, sich axial zur Pumpenantriebswelle bewegenden Kolben) und radialer (Verdichtung des Kraftstoffs durch mehrere, radial zur Pumpenantriebswelle angeordnete Kolben). Mit Radialkolben können höhere Drücke erzeugt werden als mit Axialkolben.
Sie werden auch nach der Art der Steuerung in Pumpen mit mechanischer Steuerung (ein Steuerhebel mit einem Steuerschieber misst die Kraftstoffdosierung) und Pumpen mit elektronischer Steuerung (das Motorsteuergerät führt die Steuerung mit Hilfe von in der Pumpe befindlichen Aktuatoren auf der Grundlage von Eingangsinformationen von Sensoren durch) unterteilt.
Common Rail
Die Common-Rail-Einspritzdüse (CR) unterscheidet sich von allen anderen Systemen dadurch, dass sie einen gemeinsamen Vorratsbehälter hat. Der Kraftstoff wird in einem Druckspeicher für alle Zylinder und Einspritzdüsen gespeichert. Der Druck reicht von 40 MPa bis 250 MPa. Im Tank herrscht unabhängig von der Motordrehzahl immer ein hoher Druck, so dass der Kraftstoff bis zur Reserve mit Druck beaufschlagt wird. Am Tank befindet sich eine Druckanzeige, die Informationen an das Steuergerät sendet.
Die Einspritzmenge und der Einspritzzeitpunkt werden vom Steuergerät bestimmt, das seine Entscheidungen auf der Grundlage der Daten von Kurbelwellendrehzahlsensoren, Nockenwellendrehzahl, Pedalstellung, Ladedruck, Kühlmitteltemperatur und Ansaugluftmasse trifft.
Das Common-Rail-System dominiert heute, weil es eine Reihe von Vorteilen bietet. Der hohe Kraftstoffdruck ermöglicht eine feinere Zerstäubung des Kraftstoffs, was zu einer besseren Verbrennung, höherer Leistung, besseren Emissionen und geringerem Kraftstoffverbrauch führt. Es ist auch möglich, die Verbrennungsladung in mehrere Ladungen aufzuteilen, was einen weicheren Motorlauf ermöglicht.
CR-Pumpen werden auch nach ihrer Bauart in Dreikolben-Radialpumpen, Zweikolben-Reihenpumpen und Radialpumpen unterteilt. Die wichtigsten CR-Hersteller sind Bosch, Continental (Siemens), Delphi und Denso. Die CR-Systeme werden ständig weiterentwickelt und verbessert, und es gibt derzeit drei Generationen (siehe unten).
Merkmale der einzelnen Generationen des Common-Rail-Systems
Erste Generation
- Gekennzeichnet durch eine Haupteinspritzung mit Druck von 140-160 MPa, wobei eine kleine Menge Kraftstoff vor der Haupteinspritzung verwendet wird, um den Brennraum zu erwärmen und so den Kraftstoffverbrauch zu senken.
- Zwei Injektionen in einem Zyklus.
- Verwendet eine elektromagnetische Steuerung, die nicht schnell reagieren kann, so dass es nur möglich war, die Ladung auf zwei Injektionen zu verteilen.
- Die erste Generation verwendete eine CP1-Radialnockenpumpe oder eine CP2-Zweikolben-Reihenpumpe als Hochdruckpumpe.
Zweite Generation
- Das Funktionsprinzip ist ähnlich wie bei der vorherigen Generation, jedoch mit einem höheren Druck, der zwischen 180 und 200 MPa liegt
- Drei Injektionen in einem Zyklus.
- Die sogenannte Nacheinspritzung, die auf die Haupteinspritzung folgt, wurde eingeführt, um die Abgase zu verbrennen und so die Emissionen zu verbessern.
- Verwendet CP1H- und CP3-Pumpen.
Dritte Generation
- Die wichtigste Innovation dieser Generation ist der piezoelektrisch gesteuerte Kristall, der das Öffnen und Schließen des Injektors steuert.
- Die Reaktionszeit der Einspritzdüse beträgt 0,1 ms, was die Aufteilung des Kraftstoffs auf bis zu 5 Einspritzdosen in einem Zyklus ermöglicht.
- Bei einem Druck zwischen 160 und 200 MPa trägt die feine Zerstäubung des Kraftstoffs zu einem sanfteren Motorbetrieb bei, verringert die Belastung der Bauteile, verbessert den Verbrauch und damit die Emissionen.
- Verwendet CP1H- und CP3-Pumpe.
Vierte Generation
- Einspritzdrücke von bis zu 250 MPa.
- Der Druck ist besser kontrollierbar, da im Injektor ein hydraulisches Verstärkungselement eingebaut ist.
- Hydraulisch erhöhter Kraftstoffdruck.
- die Einspritzdüsen haben eine spezielle Geometrie, die einen allmählichen Druckanstieg ermöglicht und damit das Problem der Temperaturspitzen löst.
- Verwendet CP 4 Pumpen.
Wie entsteht das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Dieselmotor?
Jeder Motor hat andere Parameter, so dass das Einspritzsystem individuell auf den jeweiligen Motor abgestimmt werden muss. In Abhängigkeit von den Motorparametern, der Last und der Drehzahl wird die Größe der Einspritzmenge bestimmt, die sich auf die Motorleistung, das Motorgeräusch und die Abgasemissionen auswirkt. Auch der richtige Einspritzzeitpunkt, die richtige Einspritzmethode und die Größe der Einspritzdosis müssen bestimmt werden.
Bei Dieselmotoren hängt die Leistung von der Menge des Kraftstoffs im Gemisch ab. Die Leistung wird also über die Menge des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs geregelt. Wie der Name schon sagt, wird in einem Dieselmotor der Kraftstoff durch die hohe Temperatur des komprimierten Kraftstoffdampfes mit Luft entzündet. Für eine einwandfreie Zündung ist es wichtig, den Kraftstoff richtig zu dosieren (Einspritzzeit, Anzahl der Einspritzungen, Einspritzmengen) und den Kraftstoff richtig zu versprühen (je feiner die Tröpfchen, desto gleichmäßiger verbrennt der Kraftstoff im Zylinder).
So wird der Diesel in Form von kleinen Tröpfchen in den Brennraum gesprüht, damit sich der brennbare Stoff optimal mit der Luft vermischt und eine möglichst ideale Verbrennung stattfindet. Durch die hohe Temperatur der Druckluft (ca. 900 Grad Celsius) verdampft der fein verteilte Diesel bei der Verdichtung und es entsteht ein brennbares Gemisch im gasförmigen Zustand, das sich selbst entzündet. Die Verbrennung in Dieselmotoren wird unter anderem durch die Qualität (Entflammbarkeit) des Kraftstoffs, die Art der Zerstäubung des Kraftstoffs, die Temperatur der Ansaugluft, die Temperatur des Brennraums und das Verdichtungsverhältnis beeinflusst.
Damit ist auch klar, warum Dieselmotoren im Winter Probleme beim Anlassen haben. Eine perfektere Verbrennung wird durch höhere Einspritzdrücke und die Aufteilung der Ladung auf mehrere Einspritzdüsen erreicht. Die Verzögerung der Zündung des Kraftstoffs in Abhängigkeit von der Motordrehzahl muss berücksichtigt werden. Je höher die Motordrehzahl, desto größer ist die Kraftstoffvoreinspritzung.
Das Problem besteht darin, dass es Stellen im Zylinder gibt, an denen das Gemisch entweder zu mager oder zu fett ist. Wenn nicht genügend Luft im Zylinder ist, ist die Verbrennung unvollkommen, der Wirkungsgrad sinkt, und es befinden sich viel mehr Schadstoffe im Abgas.
Ein Dieselmotor arbeitet mit einem Luftüberschuss, das Gemisch bildet sich im Brennraum oder in der Vorkammer und ist inhomogen. Die Verbrennung wird in erster Linie durch die eingespritzte Kraftstoffmenge, die Dauer der Einspritzung und den Zeitpunkt der Einspritzung (Kurbelwellenstellung), die Einspritzrichtung und die Anzahl der Einspritzdüsen sowie die Verwirbelung des Gemischs beeinflusst.
Mit dem ersten Inline-Pumpensystem wurden maximale Einspritzdrücke von 130 MPa erreicht. Die höchsten Einspritzdrücke im Labor wurden mit dem PDE-System erreicht, nämlich bis zu 300 MPa.
Mit
Common Rail werden Einspritzdrücke von bis zu 250 MPa erreicht. Eine weitere Druckerhöhung ist nicht sinnvoll. Bei 250 MPa kommt es zu einer nahezu perfekten Verbrennung. Bei weiterem Druckanstieg kann es ein Problem mit der Größe der Elementartröpfchen geben, die als feste Partikel nach der Verbrennung nicht vollständig im Partikelfilter aufgefangen werden können. Darüber hinaus sind diese kleinen Partikel gesundheitsschädlich. Sie lagern sich in der Lunge ab, und aufgrund ihrer geringen Größe ist die Lunge nicht in der Lage, sie auszuscheiden. Auch aus diesem Grund verzichten viele Autokonzerne inzwischen auf den Einsatz von Dieselmotoren in Personenkraftwagen.
Bei Autonorma bieten wir Einspritz- und Kraftstoffpumpen für fast alle Arten von Autos, Lastwagen und Maschinen an.
Suchen Sie nach Parametern, die Sie kennen 
0 
16.07.2021 
10 min 
Martin 
