Beschreibung des Aufbaus und der Funktion des Common Diesel Direkt
Einspritzsystems
Kurze Geschichte des Common Rail Diesel Systems
Der weltweit erste
Common-Rail-Dieselmotor für ein Straßenfahrzeug war der
Motor MN 106 des
VEB IFA Motorenwerke Nordhausen, der in einen
modifizierten Lkw IFA W50 eingebaut wurde. Am 16. Mai 1985 fuhr
der W50 das erste Mal auf einer öffentlichen Straße in Chemnitz.
Bis 1986 wurden 17.000 km zurückgelegt. In der DDR hieß das
System
EDES („Elektronisches
Diesel-Einspritz-System"). Es wurde aus Kostengründen aber nicht
in Serie produziert.
mehr dazu, Der Hinweis kam von Erich Steingräber. Vielen
Dank.
Common-Railwurde dann 8 Jahre später von einem
Forschungsunternehmen der Fiat-Gruppe namens Elasis in Neapel
"neu" entwickelt. 1993 hatten sie den Prototyp ihrer neuen
Einspritzung fertig. Probleme mit den Toleranzen der Injektoren
vereitelten jedoch eine geplante Serienfertigung.
Letztendlich kaufte Bosch Ende
1993 die Patente und entwickelte das Common-Rail-System
zur Serienreife weiter. Fiat durfte als Erster im
Oktober 1997, mit dem zur Fiat-Gruppe gehörenden Alfa 156, mit
der Common-Rail auf den Markt kommen.
Mercedes führte
1998 mit dem 220 CDI als deutscher Hersteller das neue System
ein.
Common Rail System von Peugeot (HDi) Gut zu erkennen: Die Hochdruckpumpe, die Rail und die
Injektoren
Einspritzung beim Common Rail Diesel System
Der Einspritzzeitpunkt und die Kraftstoffmenge werden
zylinderindividuell (ähnlich der Motronic) berechnet und über
schnell schaltende Magnetventile (Injektoren) eingespritzt.
Diese Technik ermöglicht
einen günstigen Kraftstoffverbrauch und niedrige Abgas-Emissionen.
Die Einspritzung wird in drei Gruppen unterteilt:
Voreinspritzung,
für einen ruhigen Motorlauf
Haupteinspritzung,
für einen guten Drehmomentverlauf
Nacheinspritzungen - Die frühe Nacheinspritzung (leicht verzögert) dient der Verringerung de Rußemissionen ("Nachverbrennung")
- Die späte Nacheinspritzung dient dem Einbringen von unverbranntem Kraftstoff zum Aufheizen der Abgasanlage, für einen geringen NOx- Wert; z.b.
DPF- oder NSC-Regeneration.
Im Gegensatz zur Vor- und Haupteinspritzung wird der Kraftstoff bei der
Nacheinspritzung nicht verbrannt, sondern durch Restwärme im Zylinder
verdampft. Dieses angereicherte Abgas-Kraftstoffgemisch wird im
Ausstoßtakt über die Auslassventile zur Abgasanlage gebracht. Der
Kraftstoff im Abgas dient in geeigneten NOx
Katalysatoren als Reduktionsmittel für das Stickoxid (siehe
Diesel Abgas).
Hochruckpumpe und Piezo Injektor (Modell 2014) Bild Bosch
Video Common Rail System von Bosch
Das Common Rail System, eine Innovation von Bosch, steht
für den sauberen, sparsamen und starken Dieselmotor unserer
Zeit und ist heute praktisch Standard in allen Diesel-Pkw
weltweit. Die Entkopplung von Druckerzeugung und
Einspritzung revolutionierte den Dieselmotor. Sie
ermöglichte, den Kraftstoff permanent mit einem im Kennfeld
wählbaren Druck zur Einspritzung bereitzuhalten, deren
Beginn und Dauer präzise zu steuern sowie in Vor-, Haupt-
und Nacheinspritzung zu unterteilen.
Die Common Rail Hochdruckpumpe
Es kommen meist
Drei-Kolbenpumpen mit einem zentralen Exzenter zum Einsatz
(siehe Bild). Diese werden bei verschiedenen Herstellern mit
Elementabschaltung versehen um Kraftstoff zu sparen oder bei
Überhitzung des Rücklaufes die Leistung zu reduzieren. Seit
kurzem werden von der FirmaDelphi auch Zweischeiben-Radialkolben-Pumpen verwendet.
Diese erzeugen Hochdruck wie die VR-Pumpe von Bosch.
Funktion bei Audi:
Die Antriebswelle mit ihrem
Exzenternocken bewegt die Pumpenkolben der drei Pumpenelemente
sinusförmig auf und ab. Die Zahnradpumpe drückt Kraftstoff durch
die Drosselbohrung des Magnetventils für Kraftstoffdosierung
N290 in den Kraftstoffbereitstellungsraum bzw. den Schmier- und
Kühlkreislauf der Hochdruckpumpe.
Überschreitet der Förderdruck
den Öffnungsdruck des Sicherheitsventils (0,5 … 1,5 bar), kann
die Zahnradpumpe Kraftstoff durch die Einlassventile in die
Pumpenelemente drücken, bei denen sich der Kolben nach unten
bewegt (Saughub). Wird der untere Totpunkt eines Kolbens
überschritten, schließt das Einlassventil wegen des
Druckabfalls. Der Kraftstoff im Pumpenelement kann nicht mehr
entweichen. Er kann nun über den Förderdruck der Zahnradpumpe
hinaus komprimiert werden. Der sich aufbauende Druck öffnet das
Auslassventil beim Überschreiten des sich im Rail befindlichen
Druckes. Der komprimierte Kraftstoff gelangt in den
Hochdruckkreis. Das Pumpenelement fördert solange Kraftstoff,
bis der obere Totpunkt erreicht wird (Förderhub).
Weil der Hochdruck im Rail quasi auf Vorrat erzeugt wird, kann
der Pumpenexzenter im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen auf
langsamen Druckanstieg ausgelegt werden. Die Drehmomentspitzen
betragen deshalb etwa 1/10 der Einspritzpumpen. Entsprechend
kann die Belastung des Pumpenantriebs verringert werden. Sowohl
die Förderpumpe, als auch die Hochdruckpumpe müssen in der
Förderleistung überdimensioniert sein, damit sowohl beim Start,
als auch beim Übergang auf Volllast ein schneller Druckaufbau
möglich ist. Es werden nur ca. 30% der geförderten
Hochdruckmenge eingespritzt. Weil die Restmenge aus hohen
Drücken in den Rücklauf geht, können dort bei geringen
Kraftstoffmengen im Tank Kraftstofftemperaturen bis 140°C
auftreten. Deshalb werdenbei den meisten Fahrzeugen mit CR-Systemen Kraftstoffkühler im
Rücklauf verbaut, die die Temperaturen auf ca. 80°C absenken.
CR Pumpe Audi
Raildruckregelung der Common Rail
Der Raildruck wird vom Druckregelventil eingeregelt und vom
Raildrucksensor überwacht.
Das Kugelventil wird im Ruhezustand von einer Feder auf seinen
Sitz gedrückt. Die Federkraft hält die Kugel bis ca. 100 bar auf
seinem Sitz. Zur Erzeugung höherer Drücke wird die Federkraft
durch einen Elektromagneten mit getaktetem Gleichstrom
unterstützt. Durch Veränderung des Tastverhältnisses kann vom
Steuergerät jeder gewünschte Druck von ca. 250 bar im Leerlauf
bis 1.350 bar bzw. 1.600 bar bei der 2.Generation erzeugt
werden. Bei stromlosem Magnetventil springt der Motor nicht an.
Ein niedrigerer Einspritzdruck führt zu einer Verlängerung der
Spritzdauer und zu einer weicheren Verbrennung, was bei
niedrigen Drehzahlen und kleinen Einspritzmengen zu einem
ruhigen Motorlauf beiträgt. Bei hohen Drehzahlen und großen
Einspritzmengen muss wegen der kürzeren Zeit und zur Absenkung
des Partikelausstoßes der Einspritzdruck erhöht werden.
Mit dem CRS3-25
Common-Rail-System (großes Bild oben) stellt Bosch seinen
ersten Piezo-Injektor für Pkw vor, der mit einem
Druck von 2.500 bar
arbeitet. Durch die optimierte Einspritzung wird der
Kraftstoff noch feiner zerstäubt und kann besser verbrennen.
Das führt unter anderem dazu, dass der Verbrauch sinkt.
Die Injektoren
sind durch Hochdruckleitungen mit dem Druckspeicher verbunden.
Im Injektor werden über ein Ventil der Einspritzbeginn und das
Spritzende der Düse festgelegt. Die Betätigungskräfte zum Öffnen
und Schließen des Ventils werden von einem Elektromagneten
erzeugt.
AUDI 3,3 l V8 CR TDI
Technische Daten
Anzugsstrom > 20 A max. 300 µs
Ansteuerung bis maximal 80 Volt
Druckbereich 120 … 1350 bar
Ø der Spritzlöcher der Einspritzdüse 6 x 0,15 mm
In der
zweiten Common-Rail-Generation mit 1600 bar Einspritzdruck
werden neben den bisherigen Injektoren mit Magnetventilen, so
genannte Piezosteller (Siemens, Bosch) eingeführt werden. Diese
versprechen noch schnellere Schaltzeiten. Statt des
Elektromagneten wird zur Ventilbetätigung ein Piezoelement
eingesetzt, welches durch eine 3x kürzere Ansprechzeit Vorteile
bringt. Für den Piezo-Injektor wird ein Piezopaket von 350
übereinander gestapelten Keramikschichten verwendet. Jede
einzelne Schicht wird durch eine Steuerspannung von 45V, die
durch Elektronik aus dem Bordnetz erzeugt wird um 0,11
Mikrometer, also um 0,00011mm gestreckt, so dass sich das
7x7x30mm große Piezopaket um insgesamt 40 Mikrometer also um
0,04 mm ausdehnt. Dies genügt um die Ventilnadel des
Einspritzventils zu öffnen. Von Bosch wurde das Piezopaket in
den die Düse integriert und wird deshalb auch als
Inline-Injektor bezeichnet.
Siemens Piezodüse
Common Rail 3.
Generation von Bosch im AUDI A8 V6 3.0 mit
Piezo-Inline-Injektoren
Damit wird der Diesel, noch strengere
Abgasnormen erfüllen können. Außerdem wird er noch sparsamer und
wirtschaftlicher werden. Die dritte Generation soll ab 2004 mit Drücken
bis 1800 bar arbeiten.
Der erste
Piezoinjektor wurde von Siemens VDO erfunden und 2002 im Peugeot
307 erstmals in Serie eingesetzt.
Common-Rail bei PSA Peugeot/Citroen:
Die
Gemischaufbereitung erfolgt über eine elektronisch
gesteuerte Hochdruckpumpe und das Common-Rail-System, wobei
Einspritzdüsen mit elektrohydraulisch (Bosch) oder
piezoelektrisch (Siemens) angesteuertem Steuerkopf zum
Einsatz kommen.
Das Common-Rail-System, das bei
allen Turbodiesel-Direkteinspritzern von Peugeot verwendet
wird, erlaubt in dieser neuen Anwendung hohe Einspritzdrücke
von bis zu 1500 bar.
Der
Kolben
hat eine Strömungsmulde für die Verwirbelung der angesaugten
Luft und eine Kraftstoffmulde für die Einspritzung
Der Hochdruck wird von einer Hochdruckpumpe
in Radialausführung erzeugt. Ein Druckregelventil sorgt für einen
betriebspunktabhängigen, vorgegebenen Druck im Hochdruckkreis. Die
elektronische Motorsteuerung regelt den Einspritzdruck je nach Drehzahl
und Last des Triebwerks. Sensordaten von Kurbelwelle (Motordrehzahl und
Winkelstellung) und Nockenwelle (Position 1. Zylinder in der
Verdichtungsphase) dienen dem elektronischen Steuergerät des Motors als
Basis für eine präzise und bedarfsgerechte Einstellung des jeweiligen
Einspritzdrucks. Temperaturfühler informieren über Motor-, Luft- und
Kraftstofftemperatur. U.a. kann damit der Raildruck beeinflusst werden.
Der Beschleunigungswunsch des Fahrers wird per Fahrpedalsensor (E-Gas)
ermittelt.
Der Mikro-Computer steuert die Öffnungsdauer der Ventile - und damit die
Menge des eingespritzten Kraftstoffs - variabel je nach Betriebszustand
oder Leistungsbedarf. Schließt die Motorsteuerung die Magnetventile, ist
die Kraftstoffeinspritzung sofort wieder beendet.
Bei
laufendem Motor dürfen grundsätzlich keine
Hochdruckleitungen gelöst werden.
Ist
beim Common Rail das Öffnen des Hochdruck-Kreislaufs
erforderlich, müssen nach dem Abstellen des Motors
Wartezeiten zum Abbau des Systemdrucks eingehalten werden.
Bosch empfiehlt bei Common-Rail-Systemen der ersten
Generation mit druckgeregelter Hochdruckpumpe mindestens 30
Sekunden zu warten. Neuere Speichereinspritzsysteme der
zweiten Generation mit mengengeregelter Hochdruckpumpe
stehen sogar bis zu fünf Minuten nach dem Abstellen des
Motors noch unter Hochdruck.
Vor
Prüfungen am laufenden Motor (Stellgliedtest,
Ist-Werte-Abfrage) empfiehlt Bosch immer eine genaue
Sichtprüfung aller Hochdruck führenden Teile. Leckagen
deuten auf mögliche Gefahrenquellen für den Monteur hin.
Auch
wenn keine Undichtigkeiten am Hochdrucksystem zu erkennen
sind, sollte der Werkstattfachmann bei Prüfungen am
laufenden Motor den unmittelbaren Gefahrenbereich meiden.
