Konrad Reif (Hrsg.)

ModerneDiesel­EinspritzsystemeCommon Rail und Einzelzylindersysteme

Mit 133 Abbildungen

Bosch Fachinformation Automobil

11IVIEWEG+TEUBNER

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothe kDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikat ion in derDeutsch en Natlc nalblblio graüe; deta illierte bib liografische Daten sind im Internet über<http://dnb.d-nb.de>abrufbar.

Der Inhalt dieses Buches erschien bisher unter den Titeln :Diesel-Speiche reinspri tzsystem Common RailDiesel-Einspritzsys teme Unit Injector System und Unit Pump Systemherausgegeben von der Robert Bosch GmbH, Plochingen

1. Auflage 2010

Alle Rechte vorbehalten© Vieweg +Teubner Verlag I Springer Fachmed ien Wiesbaden Gmb H 2010

Lektorat : Outstran Kannenberg I Elisabeth l ange

Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien.Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Selence-Business Media.www.viewegteubner.de

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtli ch geschützt.Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgese tzesist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und stra fbar. Das gilt insbe­sondere für Vervielfält igungen, Ubersetzungen, Mikroverf ilmungen und dieEinspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen .

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen. Handelsname n. Warenbezeichnungen usw. in diesemWerk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solcheNamen im Sinne der warenreichen- und Markenschu tz-Gesetzgebung als fre i zu betrachtenwären und daher von jedermann benut zt werden dür ften .

Umschlagges tal tung : KünkelLopka Medienentw ick lung, HeidelbergTechnische Redaktion : Gabriele McLemoreSatz: FROMM MediaDesign, serters/ r s.Druck und buchbindensehe Verarbeitung: MercedesDruck , BerlinGedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier,Printed in Germany

ISBN 978-3-8348-1312-1

Vorwort

Die Technik im Kraftfahrzeug hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Der

Einzelne, der beruflich mit dem Thema beschäftigt ist, muss immer mehr tun, um mit diesen Neu­

erungen Schritt zu halten. Mittlerweile spielen viele neue Themen der Wissenschaft und Technik

in Kraftfahrzeugen eine große Rolle. Dies sind nicht nur neue Themen aus der klassischen Fahr­

zeug- und Motorentechnik, sondern auch aus der Elektronik und aus der Informationstechnik.

Diese Themen sind zwar für sich in unterschiedlichen Publikationen gedruckt oder im Internet

dokumentiert, also prinzipiell für jeden verfügbar; jedoch ist für jemanden, der sich neu in ein

Thema einarbeiten will, die Fülle der Literatur häufig weder überblickbar noch in der dafür verfüg­

baren Zeit lesbar. Aufgrund der verschiedenen beruflichen Tätigkeiten in der Automobil- und

Zulieferindustrie sind zudem unterschiedlich tiefe Ausführungen gefragt.

Gerade heute ist es so wichtig wie früher: Wer die Entwicklung mit gestalten will, muss sich

mit den grundlegenden wichtigen Themen gut auskennen. Hierbei sind nicht nur die Hochschulen

mit den Studienangeboten und die Arbeitgeber mit Weiterbildungsmaßnahmen in der Pflicht. Der

rasche Technologiewechsel zwingt zum lebenslangen Lernen, auch in Form des Selbststudiums.Hier setzt die Schriftenreihe .Bosch Fachinformation Automobil" an. Sie bietet eine umfassen­

de und einheitliche Darstellung wichtiger Themen aus der Kraftfahrzeugtechnik in kompakter,verständlicher und praxisrelevanter Form. Dies ist dadurch möglich, dass die Inhalte von Fachleu­

ten verfasst wurden, die in den Entwicklungsabteilungen von Bosch an genau den dargestellten

Themen arbeiten. Die Schriftenreihe ist so gestaltet, dass sich auch ein Leser zurechtfindet, für

den das Thema neu ist. Die Kapitel sind in einer Zeit lesbar, die auch ein sehr beschäftigter Ar­

beitnehmer dafür aufbringen kann.

Die Basis der Reihe sind die fünf bewährten, gebundenen Fachbücher. Sie ermöglichen einen

umfassenden Einblick in das jeweilige Themengebiet. Anwendungsbezogene Darstellungen, an­

schauliche und aufwendig gestaltete Bilder ermöglichen den leichten Einstieg. Für den Bedarf

an inhaltlich enger zugeschnittenen Themenbereichen bietet die siebenbändige broschierte Rei­

he das richtige Angebot. Mit deutlich reduziertem Umfang, aber gleicher detaillierter Darstellung,

ist das Hintergrundwissen zu konkreten AufgabensteIlungen professionell erklärt. Die schnelle

Bereitstellung zielgerichteter Information zu thematisch abgegrenzten Wissensgebieten sind das

Kennzeichen der 92 Einzelkapitel, die als pdf-Download zur sofortigen Nutzung bereitstehen.

Eine individuelle Auswahl ermöglicht die Zusammenstellung nach eigenem Bedarf.

Im Laufe der Neukonzeption dieser Schriftenreihe ist es nicht möglich, alle Produkte gleichzei­

tig inhaltlich neu zu bearbeiten. Dies geschieht demnach Zug um Zug.

Der vorliegende Band "Moderne Diesel-Einspritzsysteme" behandelt die Einspritzsysteme

.Common Rail' und .Untt Pump System" (Pumpe-Düse) und .Untt Injector System" (Pumpe­Leitung-Düse) einschließlich Kraftstoffversorgung, Hochdruckkomponenten und -verbindungen,

Einspritzdüsen, Regelung und Diagnose. Er setzt sich aus den früheren gelben Heften "Diesel­

Speichereinspritzsystem Gommon Rail" und .Diesel-Einspritzeysteme Unit Injector System und

Unit Pump System" in der bisherigen Form zusammen. Eine inhaltliche Neubearbeitung wird

folgen. Neu erstellt wurde das Stichwortverzeichnis, um die Inhalte dieses Buchs rasch zu er­

schließen.

Vorwort I 5

Friedrichshafen, im Juni 201 0 Konrad Reif

Inhaltsverzeichnis

Systemübersicht Common Rail

Anwendungsgebiete .

Aufbau

Arbeitsweise.

Gommon Rail System für Pkw.

Gommon Rail System für Nkw .

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil

Übersicht.

Kraftstoffpumpe .

Kraftstofffilter .

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

Übersicht.

Injektor.

Hochdruckpumpen .Rail (Hochdruckspeicher) .

Hochdrucksensoren .

Druckregelventil .

Druckbegrenzungsventil .

Einspritzdüsen

Lochdüsen .

Weiterentwicklung der Düse.

Hochdruckverbindungen

Hochdruckanschlüsse .Hochdruck-Kraftstoffleitungen .

Elektronische Dieselregelung EDC für Common Rail

System übersicht.

Gommon Rail System für Pkw.

Gommon Rail System für Nkw .

Datenverarbeitung

Regelung der Einspritzung.Lambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren

Momentengeführte EDG-Systeme .

Datenaustausch mit anderen Systemen.

Serielle Datenübertragung mit GAN .

Diagnose

Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) .

On Board Diagnostic System für Pkw und leichte Nkw .

Diagnose in der Werkstatt.

Diagnosefunktionen .

Diesel-Einspritzsysteme im Überblick

Bauarten.

Diesel-Einspritzsysteme im Überblick.

Inhaltsverzeichnis I 7

10

11

121621

2426

30

32344554

555657

6064

6667

7072737476848992

93

949798

100

102

107

8 I Inhaltsverzeichnis

Systemübersieht der Einzelzylinder-Systeme

Einzeleinspritzpumpen PF .

Unit Injector System UIS und Unit Pump System UPS.Systembild UIS für Pkw.Systembild UIS/UPS für Nkw .

Unit Injector System UISEinbau und Antrieb.Aufbau

Arbeitsweise des UI für Pkw.Arbeitsweise des UI für Nkw .Hochdruckmagnetventil .Diesel-Einspritz-Geschichte .

Unit Pump System UPSEinbau und Antrieb.

AufbauStromgeregelte Einspritzverlaufsformung CCRS .Dimensionen der Diesel-Einspritztechnik .

Kraftstoffsystem (Niederdruck)

Übersicht.Tankeinbaueinheit .

Kraftstoffpumpe .Kraftstoffrücklauf .Kraftstoffverteilung .Weitere Komponenten.Filtrationseffekte .

Elektronische Dieselregelung EDC für Unit Injector System

Systemübersicht .Unit Injector System UIS für Pkw .Unit Injector System UIS und Unit Pump System UPS für NkwRegelung der Einspritzung.Prinzipieller Ablauf der Elektronischen Dieselregelung .Momentengeführte EDC-Systeme .

ZylindererkennungLambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren

Abgasemissionen

Entstehung von Schadstoffen.Innermotorische Emissionsminderung

Abkürzungen.Sachwortverzeichnis

108110112114

116117120123125127

128128130131

132133134136137137139

140142143144152153156158

162164

168170

Autorenverzeichnis I 9

Autorenverzeichnis

Diesel -SpeichereinspritzsystemCommon Rail

AutorenDipl.-Ing. FelixLandhäußer,Dr.-Ing. Ulrich Projahn,Dipl.-Inform. Michael Heinzelmann,Dr.-Ing. RalfWirth (Common Rail System),

Ing. grad. Peter Schelhas,Dipl.-Ing. Klaus Ortner (Kraftstoffpumpen),Dr.-Ing.Juan Luis Hemandez Carabias

(Kraftstofffilter) ,

Dipl.-Ing. Sandro Soccol,

Dirk Dörhöfer (Hochdruckpumpen),

Ing. Herbert Strahberger,Ing. Helmut Sattmann (Rail und Anbau-

komponenten),

Dipl.-Ing. Thilo Klam,Dipl.-Ing. (FH) Andreas Rettich,Dr. tecbn. David Holzer,Dipl.-Ing. (FH) Andreas Koch (Magnetventil-

Injektoren),Dr.-Ing. Patrick Mattes (Piezo-Inline-Injektor),

Dipl.-Ing. Thomas Kügler (Einspritzdüsen),Dipl.-Ing. (FH) Mikel Lorente Susaeta,Dipl.-Ing. Martin Grosser,Dr.-Ing.Andreas Michalske (Elektronische

Dieselregelung),Dr.-Ing.Günter Driedger,Dr. rer. nat. Walter Lehle,Dipl.-Ing. Wolfgang Schauer,Rainer Heinzmann (Diagnose)

Diesel-EinspritzsystemeUnit InjectorSystem und Unit Pump System

Autorenund MitwirkendeDipl-Ing. (HU) Carlos Alvarez-Avila,Dipl.-Ing. Guilherme Bittencourt,Dr. rer. nat. Carlos Blasco Remacha,Dr.-Ing.Günter Driedger,Dipl.-Ing. Stefan Eymann,Dipl.-Ing. Alessandro Fauda,Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Matthias Hickl,Dipl.-Ing. (FH) Andreas Hirt,Dipl.-Ing. (FH) Guido Kampa,Dipl.-Betriebsw. Meike Keller,Dr. rer nat. Walter Lehle,Dipl.-Ing. Rainer Merkle,Dipl.-Ing. Roger Potschin,Dr.-Ing. Ulrich Projahn,Dr. rer. nat. Andreas Rebmann,Dipl.-Ing. Walter Reinisch,Dipl.-Ing. Nestor Rodriguez-Amaya,Dipl.-Ing. FriedemannWeber,Dipl.-Ing. (FH) Willi Weippert,Dipl.-Ing. Ralf Wurm

Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH, Stuttgart.

10 ! S~..emübe /'$icht Common fI. i1 I Anwer.dungsgebiete

Systemübersicht Common Rail

II il' AJlfordl'ru n~wn a n d j(' Ein spril zsys­teme d l'S lli t' S('lmol o n; s ll' i,!;t' Jl s ländi,!;,lI üht' f l' In-ür-ke, sch 1ll' lIt' rt , Si:~haltzt' i tenund t' illl 'lll'xih lt, Anpassu ng d t' s Ein­spritnt'rla u fs an rk-n Ilt ' l rj(>h szu sl a nddes Motor s mad w n den ll it' S(' lm olUr

s parsam, sa uber u nd It'i s tung sslark. Sohahcn Uit' S(' l molort'n au ch den Einzu gin die' a utonlOh ilt ' o lw rkla sS(' ,!;I' fundt' n .

Eim' s d it'S1'r h och r-ntwiekelteu Einspritz­sysremc is l da s Spl'id lt' re inspritzsyslt' mt.ommon RaH (CH). lkr Itauptvor u-ü desCom mo n Rail Sys tems h,' g t in den großenVariauonsmögltchkciten hl'i der Gt's ta l­

tung rh-s Einspruzdrucks und d, 'r Ein ­

sprttzzenpunkte. lries wird durch di"Er nkoppl ung vo n nruekcrzeugung (Hoch ­druck pumpe) und Ein s prilw l1 g (lnj ek ­

tor ..n ) r-rn-ichr . Als ln-uckspcir-lu-r di "ntdalw i d as Rail.

Anwendungsgebiete

Das Speu-hereinspruzsys tem Co m mo n Railfü r Motor.. n m il ll i" S1'!-lJ irt 'klt' in spr itzung­(Direetlnjection, Ill) wird in folgr-ndenPahrzr-ugr-n " i ng" S1~ tz t,

~ pkw mit sehr spa rsa nu'n Drei zylmdet- .Mo tort'n von n,1I/ Hubra um, :l tl k W(4 1 PS) 1.l'i s lUng, J(Hl Nm Drehmomentund e tm-m Kraft sroffw-rbrauch von:i, 5 1/ 1(Hl km h is h in zu Ad llzylintl l' r­Mo toren in Oberklassefahr zeu genmit "'I. 4 r Hubraum, 1110 kW (245 1'S)I.t'i stll ng und sso Nm l)r.,)1I110 n1"ll1.

~ l.eichte Nkw muLets tungcn bisxn kW/ Zylintl, 'r sowie

~ schwere Nk w his hin zu Lokomo tivenund Schiffen mit I.d stul1g.. n bis ca .2 0 0 k WjZyli nlkr.

Spe"' he, ,,,nsp' il.zsySrem Cemmon Rail an einem FCinfzy l inde~ D i.s.lmote,

Bi ld 1, K.a ft stt>fI·

RiJckleitung, Hochdruck-Kraft -

Slolfl~i lu na >um

Inlektt>r

a Injektt>r

• Rail

s Raild,ucksenso.

• Hochdruck-

K.allstof f l"'tung "•. um Rai l e•, K.altstt>{f·RCicklauf >,, Hochdruckpump&

Systemübersicht Common Rail I Aufbau I 11

Das Common Rail System bietet eine hoheFlexibilität zur Anpassung der Einsprit­zung an den Motor. Das wird erreichtdurch:li>- Hohen Einspritzdruck bis ca. 1800 bar,

zukünftig bis 2000 bar.li>- An den Betriebszustand angepassten

Einspritzdruck (200...1800 bar).li>- Variablen Einspritzbeginn.li>- Möglichkeit mehrerer Vor- und Nach­

einspritzungen (selbst sehr späte Nach­einspritzungen sind möglich).

Aufbau

Das Common Rail System besteht ausfolgenden Hauptgruppen (Bilder 1 und 2):li>- Niederdruckteil mit den Komponenten

der Kraftstoffversorgung,li>- Hochdruckteil mit den Komponenten

Hochdruckpumpe, Rail, Injektoren undHochdruck-Kraftstoffleitungen,

li>- Elektronische Dieselregelung (EDC)mit den Systemblöcken Sensoren, Steuer­gerät und Stellglieder (Aktoren).

Damit leistet das Common Rail Systemeinen Beitrag zur Erhöhung der spezifi­schen Leistung, zur Senkung des Kraft­stoffverbrauchs sowie zur Verringerungder Geräuschemission und des Schadstoff­ausstoßes von Dieselmotoren.

Common Rail ist heute für moderneschnell laufende Pkw-DI-Motoren das amhäufigsten eingesetzte Einspritzsystem.

Kernbestandteile des Common Rail Sys­tems sind die Injektoren. Sie enthalten einschnell schaltendes Ventil (Magnetventiloder Piezosteller), über das die Einspritz­düse geöffnet und geschlossen wird Sokann der Einspritzvorgang für jeden Zylin­der einzeln gesteuert werden.

Systembereiche einer Motors teue rung mit Common Rail Einspritzsystem

Bild 2

1 Hochdruckpumpe

2 Rail

3 Injektoren

tor

... DieselkraftstoffHochdrucktei l

Elektronische Dieselrege lung EDC: Motorsteuerung, Sensoren, Schnittstellen

1i 1Kraftstoffversorgung Luft- und(Niederdruckteil) Abgassysteme

Jl.~, ~) Mo

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....- Signale. - \

12 I Systemübersicht Common Rail I Arbei tsweise

Die Injektoren sind gemeinsam am Railangeschlossen. Daher leitet sich der Name"Common Rail" (englisch für "gemeinsameSchiene/Rohr") ab.

Kennzeichnend für das Common RailSystem ist, dass der Systemdruck abhängigvom Betriebspunkt des Motors eingestelltwerden kann. Die Einstellung des Druckserfolgt über das Druckregelventil oderüber die Zumesseinheit (Bild 3).

Arbeitsweise

Beim Speichereinspritzsystem CommonRail sind Druckerzeugung und Einsprit­zung entkoppelt. Der Einspritzdruck wirdunabhängig von der Motordrehzahl undder Einspritzmenge erzeugt. Die Elektro­nische Dieselregelung (EDC) steuert dieeinzelnen Komponenten an.

Bild 3

Hochd ruckseitige

Druck regelung mit

Druckregelventil für

Pkw-Anwendung

b Saugseitige Druck­

regelung mit an der

Hochdruckpumpe

angeflanschter

Zumesseinheit

(f ür Pkw und Nkw)

Saugseitige Druck­

regelung mit

Zumesseinheit

und zusätzliche

Regelung mit

Druckregelventi I

(f ür Pkw)

1 Hochdruckpumpe

2 Kraftstoffzulauf

3 Kraftstoff rüc klauf

4 Druckregelventil

5 Rail

6 Raildrucksensor

7 Anschluss Injektor

8 Anschluss Kraft-

stottrücklaut

Druckbegrenzungs-

ventil

10 Zumesseinheit

11 Druckregelventi I

Der modulare Aufbau des Common RailSystems erleichtert die Anpassung an dieverschiedenen Motoren.

Beispiele für d ie Hochdruckregelungvon Common Rail Systemen

~,~2 1 3 .1], ~

;:Jzw

DruckerzeugungDie Entkopplung von Druckerzeugung undEinspritzung geschieht mithilfe eines Spei­chervolumens. Der unter Druck stehendeKraftstoffsteht im Speichervolumen des"Common Rail" für die Einspritzung bereit.

Eine vom Motor angetriebene, kontinu­ierlich arbeitende Hochdruckpumpe bautden gewünschten Einspritzdruck auf. Sieerhält den Druck im Rail weitgehend un­abhängig von der Motordrehzahl und derEinspritzmenge aufrecht. Wegen der na­hezu gleichförmigen Förderung kann dieHochdruckpumpe deutlich kleiner undmit geringerem Spitzenantriebsmomentausgelegt sein als bei konventionellen Ein­spritzsystemen. Das hat auch eine deut­liche Entlastung des Pumpenantriebes zurFolge.

Die Hochdruckpumpe ist als Radialkolben­pumpe, bei Nkw teilweise auch als Reihen­pumpe ausgeführt.

DruckregelungJe nach System kommen unterschied­liche Verfahren der Druckregelung zurAnwendung.

Hochdruckseitige RegelungBei Pkw-Systemen wird der gewünschteRaildruck über ein Druckregelventil hoch­druckseitig geregelt (Bild 3a, Pos. 4). Nichtfür die Einspritzung benötigter Kraftstofffließt über das Druckregelventil in denNiederdruckkreis zurück. Diese Regelungermöglicht eine schnelle Anpassung desRaildrucks bei Änderung des Betriebs­punkts (z. B. bei Lastwechsel).

Die hochdruckseitige Regelung wurde beiden ersten Common Rail Systemen ange­wandt. Das Druckregelventil ist vorzugs­weise am Rail, bei einzelnen Anwendungendirekt an der Hochdruckpumpe angebaut.

Saugseitige MengenregelungEine weitere Möglichkeit, den Raildruckzu regeln, besteht in der saugseitigen Men­genregelung (Bild 3b). Die an der Hoch­druckpumpe angeflanschte Zumesseinheit(10) sorgt dafür, dass die Pumpe exakt dieKraftstoffmenge in das Rail fördert, mitwelcher der vom System geforderte Ein­spritzdruck aufrechterhalten wird. EinDruckbegrenzungsventil (9) verhindert imFehlerfall einen unzulässig hohen Anstiegdes Raildrucks.

Mit der saugseitigen Mengenregelung istdie auf Hochdruck verdichtete Kraftstoff­menge und somit auch die Leistungsauf­nahme der Pumpe geringer. Das wirkt sichpositiv auf den Kraftstoffverbrauch aus.Außerdem wird die Temperatur des in denKraftstoffbehälter rücklaufenden Kraft­stoffs gegenüber der hochdruckseitigenRegelung reduziert.

ZweistellersystemDas Zweistellersystem (Bild 3c) mit dersaugseitigen Druckregelung über die Zu­messeinheit und der hochdruckseitigenRegelung über das Druckregelventil kom­biniert die Vorteile von hochdruckseitigerRegelung und saugseitiger Mengenrege­lung (s. Abschnitt "Common Rail Systemfür Pkw").

EinspritzungDie Injektoren spritzen den Kraftstoffdirekt in den Brennraum des Motors ein.Sie werden über kurze Hochdruck-Kraft­stoffleitungen aus dem Rail versorgt. DasMotorsteuergerät steuert das im Injektorintegrierte Schaltventil an, das die Ein­spritzdüse öffnet und wieder schließt.Öffnungsdauer des Injektors und System­druck bestimmen die eingebrachte Kraft­stoffmenge. Sie ist bei konstantem Druck

Systemübersicht Common Rail I Arbei tsweise I 13

proportional zur Einschaltzeit des Schalt­ventils und damit unabhängig von derMotor- bzw. Pumpendrehzahl (zeitgesteu­erte Einspritzung).

Hydraulisches LeistungspotenzialDie Trennung der Funktionen Druckerzeu­gung und Einspritzung eröffnet gegenüberkonventionellen Einspritzsystemen einenweiteren Freiheitsgrad bei der Verbren­nungsentwicklung: der Einspritzdruckkann im Kennfeld weitgehend frei gewähltwerden. Der maximale Einspritzdruck be­trägt derzeit 1800 bar.

Das Common RaHSystem ermöglichtmit Voreinspritzungen bzw. Mehrfachein­spritzungen eine weitere Absenkung vonAbgasemissionen und reduziert deutlichdas Verbrennungsgeräusch. Mit mehr­maligem Ansteuern des äußerst schnellenSchaltventils lassen sich Mehrfacheinsprit­zungen mit bis zu fünf Einspritzungen proEinspritzzyklus erzeugen. Die Düsennadelschließt mit hydraulischer Unterstützungund sichert so ein rasches Spritzende.

14 I Systemübersicht Common Rail I Arbei tsweise

Steuerung und RegelungArbeitsweiseDas Motorsteuergerät erfasst mithilfe derSensoren die Fahrpedalstellung und denaktuellen Betriebszustand von Motor undFahrzeug (siehe auch Kapitel "Elektro­nische Dieselregelung"). Dazu gehörenunter anderem:.. Kurbelwellendrehzahl und -winkel,li>- Raildruck,li>- Ladedruck,.. Ansaugluft-, Kühlmittel- und Kraftstoff­

temperatur,li>- angesaugte Luftmasse,.. Fahrgeschwindigkeit usw.

Das Steuergerät wertet die Eingangssig­nale aus und berechnet verbrennungs­synchron die Ansteuersignale für dasDruckregelventil oder die Zumesseinheit,die Injektoren und die übrigen Stellglieder(z.B. Abgasrückführventil, Steller desTurboladers).

Die erforderlichen kurzen Schaltzeitenfür die Injektoren lassen sich mit den opti­mierten Hochdruckschaltventilen undeiner speziellen Ansteuerung erreichen.

Das Winkel-Zeit-System gleicht den Ein­spritzzeitpunkt mit den Daten des Kurbel­und Nockenwellensensors an den Motor­zustand an (Zeitsteuerung). Die Elektro­nische Dieselregelung (EDC)erlaubt es, dieEinspritzmenge exakt zu dosieren. Außer­dem bietet die EDCdas Potenzial fürwei­tere Zusatzfunktionen, die das Fahrverhal­ten verbessern und den Komfort erhöhen.

GrundfunktionenDie Grundfunktionen steuern die Ein­spritzung von Dieselkraftstoff zum rich­tigen Zeitpunkt, in der richtigen Mengeund mit dem vorgegebenen Druck. Siesichern damit einen verbrauchsgünstigenund ruhigen Lauf des Dieselmotors.

Korrekturfunktionen für die Einspritz­berechnungUm Toleranzen von Einspritzsystem undMotor auszugleichen, stehen eine Reihevon Korrekturfunktionen zur Verfügung(s. Kapitel "Elektronische Dieselregelung"):li>- Injektonnengenabgleich,li>- Nullmengenkalibrierung,li>- Mengenausgleichsregelung,li>- Mengenmittelwertadaption.

ZusatzfunktionenZusätzliche Steuer- und Regelfunktionendienen einer Reduzierung der Abgasemis­sionen und des Kraftstoffverbrauchs odererhöhen die Sicherheit und den Komfort.Beispiele dafür sind:li>- Regelung der Abgasrückführung,li>- Ladedruckregelung,li>- Fahrgeschwindigkeitsregelung,li>- elektronische Wegfahrsperre usw.

Die Integration der EDCin ein Fahrzeug­Gesamtsystem eröffnet ebenfalls eineReihe neuer Möglichkeiten, z. B. Datenaus­tausch mit der Getriebesteuerung oder derKlimaregelung.

Eine Diagnoseschnittstelle erlaubt die Aus­wertung der gespeicherten Systemdatenbei der Fahrzeuginspektion.

SteuergerätekonfigurationDa das Motorsteuergerät in der Regel nurbis zu acht Endstufen für die Injektorenbesitzt, werden für Motoren mit mehr alsacht Zylindern zwei Motorsteuergeräteeingesetzt. Sie sind über eine sehr schnelleinterne CAN-Schnittstelle im "MasterSlave"-Verbund gekoppelt. Dadurch stehtauch mehr Mikrocontrollerkapazität zurVerfügung. Einige Funktionen sind jeweilsfest einem Steuergerät zugeordnet (z. B.Mengenausgleichsregelung). Andere kön­nen bei der Konfiguration flexibel einemSteuergerät zugeordnet werden (z.B. dieErfassung von Sensoren).

Typischer Drehmoment- und Leistungsverlaufeines Pkw-Dieselmot ors

Das Drehmoment - und nicht etwa die Mo­

torleistung - ist entscheidend für die Durch­

zugskraft des Motors. Im Vergleich zu einem

Ottomotor ohne Aufladung kann auch mit ei­

nem leistungsschwächeren Dieselmotor mehr

.Fahrspaß" erreicht werden. Das Image des

"lahmen Stinkers" trifft auf Dieselfahrzeuge

der neuen Generationen nicht mehr zu.

Umweltverträglichkeit

Die Rauchschwaden, die Dieselfahrzeuge

früher im höheren Lastbetrieb produzierten,

gehören der Vergangenheit an. Möglich

wurde das durch verbesserte Einspritzsys­

teme und die Elektronische Dieselregelung

(EDC). Die Kraftstoffmenge kann mit diesen

Systemen exakt dosiert und an den Motor­

betriebspunkt und die Umgebungsbedingun­

gen angepasst werden. Mit dieser Technik

werden die aktuell gültigen Abgasnormen

erfüllt.

Oxidationskatalysatoren, die Kohlen­

monoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC)

aus dem Abgas entfernen, sind beim Diesel­

motor Standard. Mit weiteren Systemen zur

Abgasnachbehandlung, wie z. 8. Partikelfilter

und No--Spelcherkatalysatoren. werden auch

zukünftige verschärfte Abgasnormen erfüllt ­

auch die Normen der US-Gesetzgebung.

~ DIeselboom In Europa

Einsatz des Dieselmotors

Zu Beginn der Automobilgeschichte war der

Ottomotor das Antriebsaggregat für Straßen­

fahrzeuge. Im Jahr 1927 wurden schließlich

die ersten Nkw, 1936 dann auch Pkw mit

Dieselmotoren ausgeliefert.

Im Nkw-Bereich konnte sich der Diesel­

motor aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit und

Langlebigkeit durchsetzen. Im Pkw-Bereich

hingegen führte der Dieselmotor lange Zeit

noch ein Schattendasein. Erst mit den direkt

einspritzenden modernen Dieselmotoren mit

Aufladung - das Prinzip der Direkteinsprit­

zung wurde schon bei den ersten Nkw-Diesel­

motoren angewandt - hat sich das Erschei­

nungsbild des Diesels gewandelt. Mittlerweile

liegt der Diesel-Anteil an neu zugelassenen

Pkw in Europa bei annähernd 50%.

Merkmale des Dieselmotors

Was zeichnet den Dieselmotor der Gegen­

wart aus, dass er in Europa einen derartigen

Boom erlebt?

Wirtschaftlichkeit

Zum einen ist der Kraftstoffverbrauch gegen­

über vergleichbaren Ottomotoren immer

noch geringer - das ergibt sich aus dem

höheren Wirkungsgrad des Dieselmotors.

Zum anderen werden Dieselkraftstoffe in

vielen europäischen Ländern geringer be­

steuert. Für Vielfahrer ist der Diesel somit

trotz des höheren Anschaffungspreises die

wirtschaftlichere Alternative.

Fahrspaß

Nahezu alle aktuellen Dieselmodelle arbeiten

mit Aufladung. Dadurch kann schon im nied­

rigen Drehzahlbereich eine hohe Zylinder­

füllung erreicht werden. Entsprechend hoch

kann auch die zugemessene Kraftstoffmenge

sein, wodurch der Motor ein hohes Dreh­

moment erzeugt. Daraus ergibt sich ein Dreh­

momentverlauf, der das Fahren mit hohem

Drehmoment schon bei niedrigen Drehzahlen

ermöglicht.

Nm

360

320

~E 280•§ 240Es:~ 200o

160

o

kW

100

90

80 ~

~

c70 ~

60 ~

50

40o~

1000 2000 3000 4000 min-t 3Motordrehzahl z

w

Dieselboom in Europa I 15

16 I Systemübersicht Common Rail I Common Rail System für Pkw

Common Rail Systemfür Pkw

KraftstoffversorgungBei Common Rail Systemen für Pkw kom­men für die Förderung des Kraftstoffs zurHochdruckpumpe Elektrokraftstoffpum­pen oder Zahnradpumpen zur Anwendung.

Systeme mit ElektrokraftstoffpumpeDie Elektrokraftstoffpumpe - als Bestand­teil der Tankeinbaueinheit im Kraftstoff­behälter eingesetzt (Intank) oder in derKraftstoffzuleitung verbaut (Inline) - saugtden Kraftstoff über ein Vorfilter an undfördert ihn mit einem Druck von 6 bar zurHochdruckpumpe (Bild 3). Die maximaleFörderleistung beträgt 190 I/h. Um einenschnellen Motorstart zu gewährleisten,schaltet die Pumpe schon bei Drehen desZündschlüssels ein. Damit ist sicher­gestellt, dass bei Motorstart der nötigeDruck im Niederdruckkreis vorhanden ist.

In der Zuleitung zur Hochdruckpumpeist der Kraftstofffilter (Feinfilter) eingebaut.

Systeme mit ZahnradpumpeDie Zahnradpumpe ist an die Hochdruck­pumpe angeflanscht und wird von derenAntriebswelle mit angetrieben (Bilder 1und 2). Somit fordert die Zahnradpumpeerst bei Starten des Motors. Die Förderleis­tung ist abhängig von der Motordrehzahlund beträgt bis zu 400 I/h bei einem Druckbis zu 7 bar.

Im Kraftstoffbehälter ist ein Kraftstoff­Vorfilter eingebaut. Der Feinfilter befindetsich in der Zuleitung zur Zahnradpumpe.

KombinationssystemeEs gibt auch Anwendungen, die beidePumpenarten einsetzen. Die Elektrokraft­stoffpumpe sorgt insbesondere bei einemHeißstart für ein verbessertes Startverhal­ten, da die Förderleistung der Zahnrad­pumpe bei heißem und damit dünnflüssi­gerem Kraftstoff und niedriger Pumpen­drehzahl verringert ist.

HochdruckregelungBeim Common Rail System der erstenGeneration erfolgt die Regelung des Rail­drucks über das Druckregelventil. DieHochdruckpumpe (Ausführung CP1) for­dert unabhängig vom Kraftstoffbedarfdiemaximale Fördennenge, das Druckregel­ventil führt überschüssig gefördertenKraftstoff in den Kraftstoffbehälter zurück.

Das Common Rail System der zweiten Ge­neration regelt den Raildruck niederdruck­seitig über die Zumesseinheit (Bilder 1 und2). DieHochdruckpumpe (Ausführung CP3und CP1H)muss nur die Kraftstoffmengefordern, die der Motor tatsächlich benötigt.Der Energiebedarf der Hochdruckpumpeund damit der Kraftstoffverbrauch sind da­durch geringer.

Das Common Rail System der drittenGeneration ist durch die Piezo- Inline­Injektoren gekennzeichnet (Bild 3).

Wenn der Druck nur auf der Niederdruck­seite eingestellt werden kann, dauert beischnellen negativen Lastwechseln derDruckabbau im Rail zu lange. Die Dynamikfür die Druckanpassung an die veränder­ten Lastbedingungen ist zu träge. Dies istinsbesondere bei Piezo-Inline-Injektorenaufgrund der nur geringen inneren Lecka­gen der Fall. Einige Common Rail Systemeenthalten deshalb neben der Hochdruck­pumpe mit Zumesseinheit zusätzlich einDruckregelventil (Bild 3). Mit diesem Zwei­stellersystem werden die Vorteile derniederdruckseitigen Regelung mit demgünstigen dynamischen Verhalten derhochdruckseitigen Regelung kombiniert.

Ein weiterer Vorteil gegenüber der aus­schließlich niederdruckseitigen Regelmög­lichkeit ergibt sich dadurch, dass bei kal­tem Motor eine hochdruckseitige Regelungvorgenommen werden kann. Die Hoch­druckpumpe fordert somit mehr Kraftstoffals eingespritzt wird, die Druckregelungerfolgt über das Druckregelventil. DerKraftstoffwird durch die Komprimierungerwärmt, wodurch auf eine zusätzlicheKraftstoffheizung verzichtet werden kann.

Systemübersicht Common Rail I Common Rail System f ür Pkw I 17

li=== =H== = ='9 = = = ===1CJ'=V=9 =iJ'==n= =t=='J

Bild 1

1 Hochdruckpumpe

CP3 mit angebau­

ter Zahnrad-Vor­

to rderpumpe und

Zumesseinheit

Krafts tofffilte r mit

Wasserabsche ider

und Heizung

(op tional )

3 Kraftstoffbehälter

4 Vor filter

5 Rail

6 Raild rucksensor

7 Magnetventi l-

Injektor

8 Druckbegrenzungs-

ventil

•

7

..

2

Beispiel für ein Common Rail System der zwei ten Genera tion für ei nen Vierzylindermotor

Be ispiel f ür ein Common Rail System der zwei ten Genera tion mit Zweistellersystem für einen V8-Motor

7

Bild 2

1 Hoc hdr uckpumpe

CP3 mit angebau­

ter Zahnrad-Vor­

torderpumpe und

Zumesseinheit

Krafts tofffilter mit

Wasserabsche ider

und Heizung

(opt ionalj

3 Kraftstoffbehälter

4 Vor fi lter

5 Rail

6 Raild rucksensor

7 Magnetventil-

Injekto r

8 Druckrege lventil

9 Funktionsblock

(Verte iler)

Be ispiel f ür ein Common Rail System der dritten Gene ration mit Zweistellersystem fü r ei nen Vier zyli ndermo tor

~9=[]

I(~':i=-::-::-::-::-::-::-::-::-=-4--::- 9 ::--------- - ---------- --------- ---

..

7

Bild 3

1 Hochd ruckpumpe

CP1H mit zumess­

ein heit

Krafts tofffilter mit

Wasserabscheider

und Heizung

(opt io nal j

3 Kraftstoffbehälter

4 Vorfilter

5 Rail

6 Halldrucksensor

7 Piezo-Inline- Injektor

8 Druck regelvent il

9 Elekt rokraft stoff-

pumpe

18 I Systemübersicht Common Rail I Common Rail System für Pkw

Systembild PkwBild 4 zeigt alle Komponenten eines Com­mon RaH Systems für einen Vierzylinder­Pkw-Dieselmotor mit vofjausstatrung.jenach Fahrzeugtyp und Einsatzart kommeneinzelne Komponenten nicht zur Anwen­dung.

Um eine übersichtlichere Darstellung zuerhalten, sind die Sensoren und Sollwert­geber (A) nicht an ihrem Einbauort dar­gestellt. Ausnahme bilden die Sensorender Abgasnachbehandlung (F) und derRaildrucksensor, da ihre Einbaupositionzum Verständnis der Anlage notwendig ist.

Bild 4

Motor, Motorsteuerung und Hochdruck­

Einspritzkomponenten

17 Hochdruckpum pe

18 Zumesseinheit

25 Motorsteuergerät

26 Rail

27 Raildrucksensor

28 Druckregelventil (ORV-2)

29 Injektor

30 Glühstiftkerze

31 Dieselmotor (01)

M Drehmoment

A Sensoren und Sollwertgeber

1 Fahrpedalsensor

2 Kupplungsschalter

3 8remskontakte (2)

4 Bedienteil für Fahrgeschwindigkeitsregler

5 Glüh-Start-Schalter ("Zündschloss")

6 Fahrgeschwindigkei tssensor

7 Kurbelwe Ilend rehzahlse nsor (i ndu kuv )

8 Nockenwellendrehzahlsensor (Induktiv- oder Hall-

Sensor)

9 Motortemperatursensor (im Kühlrmttelkreislauf)

10 Ansauglufttemperatursensor

11 Ladedrucksensor

12 Heißfilm-Luftmassenmesser (Ansaugluft)

B Schnittstellen

13 Kombiinstrument mit Signalausgabe für

KraftstoffVerbrauch, Drehzahl usw.

14 Klimakompressor mit Bedienteil

Über den CAN-Bus im Bereich "Schnitt­stellen" (B) ist der Datenaustausch zu denverschiedensten Bereichen möglich:... Starter,... Generator,... elektronische Wegfahrsperre,... Getriebesteuerung,... Antriebsschlupfregelung (ASR)und... Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP).

Auch das Kombiinstrument (13) und dieKlimaanlage (14) können über den CAN­Bus angeschlossen sein.

Für die Abgasnachbehandlung werden zweimögliche Kombinationssysteme aufgeführt.Ein DPF-System (a) und ein Kombinatios­system (b) mit Növ-Speicherkatalysator undDiesel-Partikelfilter (DPF).

15 Diagnoseschnitt stelle

16 Glühzei tsteuergerä t

CAN Controller Area Network

(serieller Datenbus im Kraftfahrzeug)

C Kraftstoffversora:ung (Niederdruckteil)

19 Kraftsto fffilter mit Übers trömventil

20 Kraftstoffbehälter mit Vorfilter und

Elektrokraftstoffpumpe, EKP (Vorförderpumpe)

21 Füllstandsensor

D Additivsystem

22 Additivdosiereinheit

23 Additiv-Con trol-Steuergerät

24 Additivtank

E Luftversorgung

32 AbgasnJckführkühler

33 l adedruckstel ler

24 Abgasturbolade r (hier mit variabler

Turbinengeometrie, VTG)

35 Regelklappe

36 Abgasrückführsteller

37 Unterdruckpumpe

F Abgasnachbehandlung

38 Breitband-Lambda-Sonde LSU

39 Abgastemperatursensor

40 Oxidationskatalysator

41 Oiesel-Partikel filter (OPF)

42 Differenzdrucksensor

43 NOx-Speicherkatalysator

44 Breitband-Lambda-Sonde, option al NOx-Sensor

Systemübersicht Common Rail I Common Rail System für Pkw I 19

Diesel-Einspri tzanlage für Pkw mit Common Rail Einsprit zsystem

25

F

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37

42

M

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20

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42

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III b

I 39L -+;::~b"1;-;:'i~::::l.l~1"";:7T'-,-,-

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•

CAN

2

3

4

5 C= C!l

6~

7~

8 v))8

10

11

12

A

B

14

15

16

20 I Diesel-Einspritzsysteme im Überblick

Einsatzgebiete

Dieselmotoren zeichnen sich durch ihre

hohe Wirtschaftlichkeit aus. Seit dem

Produktionsbeginn der ersten Serien­

Einspritzpumpe von Bosch im Jahre 1927

werden die Einspritzsysteme ständig

weiterentwickelt.

Dieselmotoren werden in vielfältigen

Ausführungen eingesetzt (8i ld 1), z. 8. als

li>- Antrieb für mobile Stromerzeuger

(bis ca. 10kWjZylinder),

li>- schnell laufende Motoren für Pkw und

leichte Nkw (bis ca. 50kWjZylinder),

li>- Motoren für Bau-, Land- und Forst­

wirtschaft (bis ca. 50kWjZylinder),

li>- Motoren für schwere Nkw, 8usse und

Schlepper (bis ca. BOkWjZylinder),

li>- Stationärmotoren, z. 8. für Notstrom­

aggregate (bis ca. 160kWjZylinder),

li>- Motoren für Lokomotiven und Schiffe

(bis zu 1000kWjZylinder).

Anwen d ungsgebiete der Bosch-Diesel-Einspr it zsysteme

Anfo rderu nge nSchärfer werdende Vorschriften für Abgas­

und Geräuschemissionen und der Wunsch

nach niedrigerem Kraftstoffverbrauch stellen

immer neue Anforderungen an die Einspritz­

anlage eines Dieselmotors.

Grundsätzlich muss die Einspritzanlage den

Kraftstoff für eine gute Gemischaufbereitung

je nach Diesel-Verbrennungsverfahren (Direkt­

oder Indirekteinspritzung) und 8etriebs­

zustand mit hohem Druck (heute zwischen

350 und 2050bar) in den 8rennraum des

Diesel motors einspritzen und dabei die Ein­

spritzmenge mit de r größtmöglichen Genau ­

igkeit dosieren. Die Last - und Drehzahlrege­

lung des Dieselmotors wird über die Kraft­

stoffmenge ohne Drosselung der Ansaugluft

vorgenommen.

Die mechan ische Regelung für Diesel-Ein­

spritzsysteme wird zunehmend durch die

Elektronische Diese lregelung (EDC) ver­

drängt. Im Pkw und Nkw werden die neuen

Dieseleinspritzsysteme ausschließlich durch

EDC gerege lt.

Bild 1

M, MW,

A, P, H,

ZWM ,CW Reihene inspri tz-

pumpen mit

ansteigender

Baugröße

PF EinzeIeinspritz-

pumpen

VE Axialk olb en­

Ver teilerein­

spri tzpumpen

VR Radialkolben­

Verteilerein­

spri tzpumpen

UIS Unit Injector

System

UPS Unit Pump

System

cn Common Rail

System

~ (iIiöI;jl "~~ iIAi '::Ih-M• ~W_ ~W_AiP_ PJH,a ZWMa ZWM.MW MW CW CW

PF t PF t PF t PF t PF f PF tVE -A VE 41; VE .... VE41; VE - VE ·A....VR -4. VR -oI.~ VR "I_ VR "I_ VR -01.1

UIS

~UIS

~UIS 1 UIS 1 UIS 1UPS , UPS , UPS f UPS fPFIR) PFIR)

CR~

CR~

CR~

CR~ CR~ CR~

~0:gQz~

Common Rail Systemfür Nkw

KraftstoffversorgungVorförderungCommon RaHSysteme für leichte Nutz­fahrzeuge unterscheiden sich nur wenigvon den Pkw-Systemen. Zur Vorförderungdes Kraftstoffs werden Elektrokraftstoff­oder Zahnradpumpen eingesetzt. BeiCommon RaHSystemen für schwere Nkwkommen für die Förderung des Kraftstoffszur Hochdruckpumpe ausschließlichZahnradpumpen (s. Kapitel "Kraftstoffver­sorgung Niederdruckteil", Abschnitt

Systemübersicht Common Rail I Common Rail System für Nkw I 21

"Zahnradkraftstoffpumpe") zur Anwen­dung. Die Vorförderpumpe ist in der Regelan der Hochdruckpumpe angeflanscht(Bilder 1 und 2), bei verschiedenen An­wendungen ist sie am Motor befestigt.

KraftstofffilterungIm Gegensatz zu Pkw-Systemen ist hierder Kraftstofffilter (Feinfilter) druckseitigeingebaut. Die Hochdruckpumpe benötigtdaher auch bei angeflanschter Zahnrad­pumpe einen außen liegenden Kraftstoff­zulauf.

Common Rail System fü r Nkw mit Hochdruckpumpe CP3..7

5

6

10

Bild 1

1 Kraftstoffbehälter

2 Vorfilter

3 Kraftstofffilter

4 Zahnrad-

Vorförderpumpe

Hochdruckpumpe

CP3.4

6 Zumesseinheit

7 Raildrucksensor

8 Rail

9 Druck begrenzungs ­

ventil

10 Injektor

Common Rail System fü r Nkw mit Hochdruckpumpe CPN2

....Co 11 7 8 0

~trCo

t-_:-~-----------------2-- - ------------- - ---~ - ~- ~~ - ~

10

o 9 Bild 2

1 Kraftstoffbehälter

2 Vorfilter

3 Kraftstofffilter

4 Zahnrad-

Vorförderpumpe

Hochdruckpumpe

CPN2.2

6 Zumesseinheit

7 Raildrucksensor

8 Rail

9 Druck begrenzungs­

ve nu!

10 Injekto r

22 I Systemübersicht Common Rail I Common Rail System für Nkw

Systembild NkwBild 3 zeigt alle Komponenten eines Com­mon Rail Systems für einen Sechszylinder­Nkw-Dieselmotor. Je nach Fahrzeugtypund Einsatzart kommen einzelne Kom­ponenten nicht zur Anwendung.

Um eine übersichtlichere Darstellung zuerhalten, sind nur die Sensoren und Soll­wertgeber an ihrem Einbauort dargestellt,deren Einbauposition zum Verständnis derAnlage notwendig ist.

Über den CAN-Bus im Bereich "Schnitt­stellen" (B) ist der Datenaustausch zu denverschiedensten Bereichen möglich (z. B.

Bild 3

Motor, Motorsteuerune:und Hochdruck­

Einspritzkomponenten

22 Hochdruckpumpe

29 Motorsteuergerät

30 Rail

31 Raildrucksensor

32 Injektor

33 Relais

34 Zusatzaggregate (z. B. Retarce r, Auspuffklappe

für Moto rbremse, Starter, Lüfter)

35 Dieselmotor (01)

36 Flammkerze (alternat iv Grid-Heater)

M Drehmoment

A Sensoren und Sollwertgeber

1 Fahrpedalsensor

2 Kupplungsschalter

3 Bremskontakte (2)

4 Motorbremskontakt

5 Feststellbremskontakt

6 Bedrensenalter (z. B. Fahrgeschwind igkeits­

regler, Zwischendrehzahlregelung, Drehzahl- und

Drehmomentred uktion)

7 Schlüssel -Start-Stopp ("Zündschloss")

8 Turboladerdrehzahlsensor

9 Kurbelwellendrehzahlsensor ( indukt iv)

10 Nockenwellendrehzahlsensor

11 Kraftstofftemperatursensor

12 Motortemperatursensor (im Kühlmittelkreislauf)

13 Ladelurtternpe ratursensor

14 Ladedrucksensor

15 Lüft erdrehzahlsensor

16 Luftfi lter-Diffe renzd rucksensor

B Schnittstellen

17 Klimakompressor mit Bedienteil

18 Generator

19 Diagnoseschnittstelle

Getriebesteuerung, Antriebsschlupfrege­lung ASR, Elektronisches Stabilitätspro­gramm ESP, Ölgütesensor, Fahrtschreiber,Abstandsradar ACC, Bremskoordinator ­bis zu 30 Steuergeräte). Auch der Genera­tor (18) und die Klimaanlage (17) könnenüber den CAN-Bus angeschlossen sein.

Für die Abgasnachbehandlung werdendrei mögliche Systeme aufgeführt: einreines DPF-Svstem (a) vorwiegend für denUS-Markt, ein reines SCR-System (b) vor­wiegend für den EU-Markt sowie einKombinationssystem (c).

20 SCR-Steuergerät

21 l uft kompressor

CAN Controller Area Network (serieller Datenbus im

Kraftfahrzeug) (bis zu 3 Busse)

C Kraftstoffversore:ung (Niederdruckteil)

23 KraftstoffVorförderpumpe

24 Kraftstofffilter mit Wasserstands- und

Dr ucksensoren

25 Steuergerätekühler

26 Kraftstoffbehälter mit Vorfilter

27 Druckbegrenzungsventil

28 Füllstandsensor

D Luftversorgung:

37 AbgasnJckführkühler

38 Regelklappe

39 Abgas rücktehrsteller mit Abgasrückfü htve nti I

und Positionssensor

40 ladeluftkühler mit Bypass f ür Kaltstart

41 Abgasturbolader (hier mit variabler

Turbinengeometrie VTG) mit Positionssensor

42 Laded rucksteller

E Abgasnachbehandlung

43 Abgastemperatursensor

44 Oxidationskatalysator

45 Differenzdrucksensor

46 katalytisch beschichteter Partikelfilter (CSF)

47 Rußsensor

48 Füllstandsensor

49 Reduktionsmit telt ank

50 Reduktionsmittelförderpumpe

51 Reduktionsmitteldüse

52 NOx-Sensor

53 SCR-Katalysator

54 NH3-Sensor

Diesel- Einspri tzanlage fü r Nkw mit Common Rail System

Systemübersicht Common Rail I Common Rail System f ür Nkw I 23

24 I Kraftstoffversorgung Niederdruckteil I Übersich t

Kraftstoffversorgu ng Niederdrucktei I

Die Kraftstoffversorgung hat die Auf­gabe, den benötigten Kraftstoff zuspeichern und zu filtern, sowie der Ein­spritzanlage bei allen Betriebsbedingun­gen Kraftstoff mit einem bestimmtenVersorgungsdruck zur Verfügung zustellen. Bei einigen Anwendungen wirdder Kraftstoffrücklauf zusätzlich ge­kühlt.

Grundsätzlich ist die Kraftstoffversorgungstark unterschiedlich je nach verwende­tem Diesel- Einspritzsystem. Bild 1 zeigtden typischen Aufbau eines Common RailSystems für Pkw.

Übersicht

Die Kraftstoffversorgung umfasst folgendewesentlichen Komponenten (Bild 1):li>- Kraftstoffbehälter.li>- Vorfilter,li>- Steuergerätekühler (optional),li>- Kraftstofffilter,li>- Kraftstoffpumpe (Niederdruck),li>- Druckregelventil (Überströmventil),li>- Kraftstoffkühler (optional),li>- Niederdruck-Kraftstoffleitungen.

KraftstoffbehälterDer Kraftstoffbehälter speichert denKraftstoff. Er muss korrosionsfest und beidoppeltem Betriebsdruck, mindestensaber 0,3 bar Überdruck, dicht sein. Auftre­tender Überdruck muss durch geeigneteÖffnungen oder Sicherheitsventile selbst­tätig entweichen. Bei Kurvenfahrt, Schräg­lage oder Stößen darfkein Kraftstoff aus

Speichereinspritzsystem Common Rail an eine m Fünfzy l inder-Dieselmotor

It7

Bild 1

1 Kraftstoffbehälter

2 Vorfilter

3 Vorförderpumpe

4 Kraftstofffilter

5 Niederdruck-

Kraftstoffl eit ungen

6 Hochdruckpumpe

7 Hochdruck-

Kraftstoffleitungen

8 Rail

9 Injektor

10 Kraftstoff-

Rückleitung

11 Kraftstofftem­

peratursensor

12 Steuergerät

13 Glühstiftkerze

7

dem Füllverschluss oder den Einrichtun­gen zum Druckausgleich ausfließen.

Der Kraftstoffbehälter muss getrennt vomMotor angebracht sein, sodass auch beiUnfällen eine Entzündung des Kraftstoffsvermieden wird.

KraftstoffleitungenFür den Niederdruckteil können nebenMetallrohren auch flexible, schwer brenn­bare Leitungen mit Strahlgeflechtannie­rung verwendet werden. Sie müssen so an­geordnet sein, dass mechanische Beschä­digungen verhindert werden und dassabtropfender oder verdunstender Kraft­stoff sich weder ansammeln noch entzün­den kann. Kraftstoffleitungen dürfen beiFahrzeugverwindung, Motorbewegungoder dergleichen nicht in ihrer Funktionbeeinträchtigt werden.

Alle Kraftstoffführenden Teile müssengegen betriebsstörende wärme geschütztsein. Bei Bussen dürfen Kraftstoffleitungennicht im Fahrgast- oder Fahrerraumliegen. Der Kraftstoff darfnicht durchSchwerkraft gefordert werden.

DieselkraftstofffilterDie mit hoher Präzision gefertigten Ein­spritzausrüstungen für Dieselmotorenreagieren empfindlich aufgeringste Ver­unreinigungen im Kraftstoff. Das Kraft­stofffilter hat folgende Aufgabe:li>- Reduzierung von Partikelverunreini­

gungen zur Vermeidung von Partikel­erosion,

li>- Abscheidung von emulgiertem undfreiem Wasser zur Verhinderung vonKorrosionsschäden.

Das Kraftstofffilter muss auf das jeweiligeEinspritzsystem abgestimmt sein.

KraftstoffpumpeDie Kraftstoffpumpe saugt den Kraftstoffaus dem Kraftstoffbehälter an und fördertihn stetig zur Hochdruckpumpe. Bei denAxial- und Radialkolben-Verteilerein-

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil I Übersich t I 25

spritzpumpen sowie teilweise beim Com­mon Rail System ist die Kraftstoffpumpe indie Hochdruckpumpe integriert.

Optional kann eine Kraftstoffpumpezusätzlich als Vorförderpumpe vorgesehenwerden.

Für die Vorförderung des Kraftstoffs werden

bei Common Rail Systemen im Pkw-Bereich

zunehmend Elektrokraftstoffpumpen (EKP)

eingesetzt. Die EKP wird meist als Intank­

Pumpe (im Kraftstoffbehälter), optional aber

auch als Inline-Pumpe (in der Zuleitung zur

Hochdruckpumpe) eingebaut. Elektrokraft­

stoffpumpen habe gegenüber den seither

eingesetzten mechanisch angetriebenen Vor­

förderpumpen deutliche Vorteile bezüglich

Heiß-, Erst- und Wiederstartverhalten sowie

Funktionsvorteile bei niederen Kraftstoff­

temperaturen.

Die EKP für Dieselanwendung unter­

scheidet sich von denen in OUo-Systemen

dadurch, dass anstelle des Strömungs­

pumpenelements ein Verdrängerpumpen­

element und ein grobmaschigeres Saugsieb

zum Einsatz kommt. Bei Bosch-Systemen

ist dies ein Rollenzellenpumpenelement.

Dieses System ist besonders robust und

schmutzverträglich und für Dieselkraftstoff

besonders gut geeignet, da hiermit einer­

seits die bei Kälte entstehenden Parafine

noch durch das Saugsieb angesaugt werden

können und andererseits der bei Dieselkraft­

stoff höhere Verschmutzungsgrad das Pum­

penelement noch nicht schädigt.

Die Intank-Pumpe ist in einer Tankeinbau­

einheit integriert. Weitere Bestandteile

dieser Einheit sind der Tankfüllstandsensor,

ein saugseitiges Kraftstoffsieb, Auslaufschutz­

ventile und ein Dralltopf als Kraftstoffreser­

voir. Im Gegensatz zu Ottokraftstoffsystemen

muss der Kraftstofffilter außerhalb des Kraft­

stoffbehälters angeordnet sein, da er auch

zur Abscheidung von Wasser aus dem Kraft­

stoff dient und zudem ein Filterwechsel er­

möglicht werden muss.

26 I Kraftstoffversorgung Niederdruckteil I Krafts toffpumpe

Kraftstoffpumpe

Die Aufgabe der Kraftstoffpumpe imNiederdruckteil (vorförderpumpe) ist es,die Hochdruckkomponenten mit genügendKraftstoff zu versorgen, und zwarli>- in jedem Betriebszustand,li>- mit geringem Geräuschniveau,li>- mit dem erforderlichen Druck undli>- über die gesamte Lebensdauer des

Fahrzeugs.

Es gibt drei Bauarten:li>- Elektrokraftstoffpumpen (für Pkw),li>- mechanisch angetriebene Zahnradkraft­

stoffpumpen undli>- Tandemkraftstoffpumpen (DIS,Pkw).

Sowohl bei der Axialkolben- als auch beider Radialkolben-Verteilereinspritzpumpeist eine vorförderpumpe als Flügelzellen­pumpe in der Einspritzpumpe integriert.

Einst uf ige Eiektrokraftstoffpum pe

ElektrokraftstoffpumpeDie Elektrokraftstoffpumpe (EKP, Bilder 1und 2) wird nur in Pkw und leichten Nkweingesetzt. Neben der Förderung des Kraft­stoffs hat sie im Rahmen einer Systemüber­wachung auch noch die Aufgabe, im Be­darfsfall (z.B. bei Leckage durch Schlauch­platzer) die Kraftstoffförderung zuunterbrechen.

Elektrokraftstoffpumpen gibt es für denLeitungseinbau (Inline) oder den Tankein­bau (Intank). Leitungseinbaupumpen be­finden sich außerhalb des Kraftstoffbehäl­ters in der Kraftstoffleitung zwischen Kraft­stoffbehälter und Kraftstofffilter an derBodengruppe des Fahrzeugs. Tankeinbau­pumpen dagegen befinden sich im Kraft­stoffbehälter selbst in einer speziellen Hal­terung, die üblicherweise zusätzlich nochein saugseitiges Kraftstoffsieb, einen Tank­füllstandsensor, einen Dralltopf als Kraft­stoffreservoir sowie elektrische und hy­draulische Anschlüsse nach außen enthält.

Beginnend mit dem Startvorgang desMotors läuft die Elektrokraftstoffpumpestetig und unabhängig von der Motordreh­zahl. Sie fördert den Kraftstoffkontinuier­lich aus dem Kraftstoffbehälter über einKraftstofffilter zur Einspritzanlage. Über­schüssiger Kraftstofffließt über ein Über­strömventil zum Kraftstoffbehälter zurück.

Eine Sicherheitsschaltung verhindertdie Förderung bei eingeschalteter Zün­dung und stehendem Motor, um die Batte­rie zu schonen und Geräusche zu unter­drücken (Komfort). Elektrokraftstoffpum­pen bestehen aus den folgenden dreiFunktionselementen in einem Gehäuse:

A

c

B

~'!+---6

5

4--++-- -++--:t---f

Die Kraftstoffpumpe saugt den Kraftstoffaus dem Kraftstoffbehälter an und fordertstetig die erforderliche Kraftstoffmenge(Einspritz- und Spülmenge für Kühlungund Schmierung) in Richtung der Hoch­druck-Einspritzanlage (60 ...500ljh,

300 ...700kPa bzw. 3...7 bar). Viele Pumpenentlüften sich selbst, sodass ein Startenauch nach leer gefahrenem Tank möglichist.

1 Druckseite

2 Motoranker

3 Pump ene lement

4 Druckbegrenzer

5 Saugseite

6 Rücksch lagvent il

Bild 1

A Pumpenelement

B Elektromotor

C Ansch lussdecke l

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil I Kraftstoffpumpe I 27

Elektromotor (Bild 1, Pos. B)Der Elektromotor besteht aus einem Per­manentmagnetsystem und einem Anker(2). Seine Auslegung hängt von der ge­wünschten Fördennenge bei gegebenemSystemdruck ab. Der Elektromotor wirdständig vom Kraftstoffumströmt und da-

Pump enelement (Bild 1, Pos. A)Pumpenelemente gibt es in verschiedenenAusführungen, da das jeweils angewandteFunktionsprinzip vom Einsatzbereich derElektrokraftstoffpumpe abhängt. Für Die­selanwendungen sind es meist Rollenzel­lenpumpen (RZP).

Die Rollenzellenpumpe (Bild 2) ist eineVerdrängerpumpe. Sie besteht aus einerexzentrisch angeordneten Grundplatte (4),in der eine Nutscheibe (2) rotiert. In jederNut befindet sich eine lose geführte Rolle(3). Durch die Fliehkraft bei der Rotationder Nutscheibe und den Kraftstoffdruckwerden die Rollen gegen die außen liegen­de Rollenbahn und die treibenden Flankender Nuten gedrückt. Die Rollen wirkendabei als umlaufende Dichtungen. Sobildet sich zwischen je zwei Rollen derNutscheibe und der Rollenlautbahn eineKammer. Die Pumpwirkung kommt da­durch zustande, dass sich das Kammer­volumen nach Abschließen der nieren­f6rmigen Zulauföffnung (1) kontinuierlichverkleinert.

1 bei 200 kPa

2 bei 250 kPa

3 bei 300 kPa

4 bei 350 kPa

5 bei 400 kPa

6 bei 450 kPa

7 bei 450 kPa

8 bei 500 kPa

9 bei 550 kPa

10 bei 600 kPa

Bild 3

Parameter: Förderdruck

Förder leist ung her

Niederspannung

b Förderleistung

in Abhängigkeit

der Spannung im

Normalbetrieb

c Wi rkungsgrad in

Abhängigkeit der

Spannung

Bild 2

1 Saugseite (Zulauf)

2 Nutscheibe

3 Rolle

4 Grundplatte

5 Druckseite

v87

Spannung

o'- ----,J

6

Leist ungsdaten einer einstu figenElekt rokraft stoff pumpe

10010 11 12 V

Spannung

%0I

-o

~:•"'"

281 9

I,e»0

26

1

.g

"24 1

10 11 12 V ~~

Spannung z~

Anschlussde ckel (Bild 1, Pos. C)Der Anschlussdeckel enthält die elektri­schen Anschlüsse und den druckseitigenhydraulischen Anschluss. Ein Rückschlag­ventil (6) verhindert, dass sich die Kraft­stoffleitungen nach dem Abschalten derKraftstoffpumpe entleeren. Zusätzlichkönnen im Anschlussdeckel Entstörmittelintegriert sein.

mit fortwährend gekühlt. Dadurch lässtsich eine hohe Motorleistung ohne auf­wändige Dichtelemente zwischen Pum­penelement und Elektromotor erzielen.

432

Rollenze llenpumpe (Schema )

!(rat lSlot1flu$$ In der Zahnradpumpe

föfderch_ra kterl.ll k der Zahnradpumpe

1000 2000 3000MOIO/drehzaht

o

250

~200

J

kan n ein•.-Handpumpe ..nt w•.-d,'I" dire-k t andi.- Zahnradkrafts toff pumpe oder an di ..Niederdruck leitung angebaut sein.

1* ' Zahn radk raftstoffpumpe arb cltet war­rungsfret. Zur Enl lü fluug des Kraftstoff­svsn-ms heim Erststar t oder nach dem derKraflslol1b " häl!<'r 1"I'r gefa hr en wur de,

Zahn rad kraftstoffpum pent« Zllhllrlld kr llfls tolTp umJll' (ß ild.-r 4und Ii) wir d zur versorg ung der Einxprt tz­module tll'r Einzelpumpeusys tetue (Nkw)und d ,-s Common Rall Sysl.'ms ü'kw, Nkwund G,'läl1lk fllhrz"ug.,) ('jllgl' sl'I ~. I . Sil' isldirekt am Mo tor b.{.' stigl .,,1.'1" in derCouunon Rafl Horh druckpum pe luregr lert.DI'r ATl trit' b er folg t über Kupplun g, zarm­ra d oder Zahn riemen.

Die w,'so-n llid w nll lllll' I" lI1 ,-n l'· s in, llw,-imiteinander k ämmende, geg,'nläu lig drl"hendr- zahnräder, d ip deu Kr attstoff in d" 11Zahnlücken von der Saugseite (Bild ll ,Pos. 1) zur l lrufk so-ilt- (5) fördern, ! li<­

Ber ührung altnie dor Za hn räder d k hl "1zwis chen Sa ugs r-tr« und nrucksetr..- ab undvert nn dert , da ss der Kraftsrotf zurück­!1i,' ß'-Tl kann.

Die Für t\t' rn H'I1 g1- ist alln älw r nd proper­rfoual zur Motordrehzahl. Deshalb er folgtd ill' MI'l1gr'ufl 'gd ung r-mweder- durchIlr ossl' lr eg,-1tmg a uf rk-r Sa ugsl'i ll' oderdu rchein Übers trömventil au f d..r Dr uck­s,-i!<' (Bild 5) .

Bild 6

1 saugseite (Kraft·stet lzul_u/)

2 saugdro••el

3 Pnmar:ahnrad

lA nt~eb$lahnrad)

4 Sel<unda"ahnrad

5 Omcle.elle

Parameter, saug, eHlg""

Druck am PumpenQjn­

g_ng

1 500 mbar

2 60Cl mbar

3 700 mbar

Bild 5

Druck am Pumpen·

ausgang, g bar

E'PloslonsdarSlellung einer ZahnradpumPe

Bild 4

1 PumpengeNi use

2 O·Rlng·D1chtung

3 Pnmar:ahnrad

4 Sel<undarzahnr_d

5 Niet

6 Kupplung.nOck

? Decket

8 Formdlchlrlng

9 Wellendlchl ung

5

ci::

•

~ Filtrierung des Dieselkraftstoffs

Besonderheiten des Dieselkraftstoffs

Dieselkraftstoff ist gegenüber Ottokraftstoff

stärker verschmutzt, enthält emulgiertes und

freies Wasser sowie Paraffin, das den Kraft­

stofffilter im Winterbetrieb verstopfen kann.

Wegen diesen Kraftstoffbestandteilen und

den gegenüber Otto-Einspritzsystemen we­

sentlich höheren Einspritzdrücken erfordern

Diesel-Einspritzsysteme einen erhöhten Ver­

schieißschutz, besonders feine Kraftstofffilter

und Maßnahmen gegen ein Verstopfen.

Begleitstoffe im Dieselkraftstoff

Verunreinigungen

Untersuchungen verschmitzter Filterele­

mente haben ergeben, dass im Kraftstoff

Rost, Wasser, organische Stoffe (z. B. Harze),

Gemische aus Fasern, mineralische Bestand­

teile (Staub, Sand) und metallischer Abrieb

enthalten sein können. Diese Verunreinigun­

gen können z. B. durch unsachgemäße Lage­

rung des Kraftstoffs, über die Belüftung des

Kraftstoffbehälters oder auch vom Kraftstoff­

behälter selbst (losgelöste Rostteilchen usw.)

in den Kraftstoff gelangen. Von Einfluss ist

auch die jeweilige Einsatzart des Fahrzeugs

(Betrieb auf befestigten Straßen, im Gelände

oder Baustelleneinsatz). Besonders harte

Fremdkörper verursachen, wenn sie an die

kritischen Stellen der Einspritzausrüstung ge­

langen, den stärksten Verschleiß. Organische

Alterungsstoffe oder auch Paraffinausschei­

dung, die bei Verwendung von Sommer-Die­

selkraftstoff in der kalten Jahreszeit auf­

treten kann, verstopfen den Filterwerkstoff

innerhalb kurzer Zeit.

Wasser

Dieselkraftstoff kann Wasser in gebundener

(emulgierter) oder ungebundener (freier)

Form enthalten. Freies Wasser entsteht z. B.

durch Kondenswasserbildung infolge von

starken Temperaturwechseln. Würde es

zur Einspritzanlage gelangen, könnte es zu

Schäden durch Korrosion führen. Moderne

Filtennedien veranlassen eine optimale

Trennung des Wassers vom Kraftstoff. Die

Wasserabscheidung findet auf der Schmutz-

Filtrierung des Dieselkraftstoffs I 29

seite des Filters statt. Das Filtermedium be­

steht aus einer äußeren Schicht (MeltBlown)

und einer inneren Schicht (Zellulose mit

Harz). Zunächst sammeln sich die Wasser­

teilchen aufgrund des Koaleszenz-Effekts im

äußeren Teil des Filtermediums, sodass grö­

ßere Teilchen entstehen. Anschließend wer­

den diese Wassertropfen durch die hydro­

phoben Eigenschaften der mit Harz impräg­

nierten Zellulose auf der Schmutzseite des

Filters abgeschieden. Das abgeschiedene

Wasser wird im unteren Teil des Filters (Was­

serkammer) gesammelt und kann von dort

abgelassen werden.

Paraffin

Das im Dieselkraftstoff enthaltene Paraffin

beginnt in ungünstigen Fällen schon bei ca.

O°C oder darüber in Form von Kristallen aus­

zuscheiden. Diese können mit sinkenden

Temperaturen zum Verstopfen des Kraftstoff­

filters und dadurch zur Unterbrechung der

Kraftstoffzufuhr fuhren. Daher muss der Die­

selkraftstoff für den Winterbetrieb besonders

aufbereitet werden. Im Normalfall erhält er in

der Raffinerie einen Zusatz von .Fließverbes­

serern", die zwar die Ausscheidung der Pa­

raffine nicht verhindern, aber deren Kristall­

wachstum sehr stark einschränken. Die dabei

entstehenden Kriställchen sind so klein, dass

sie die Filterporen noch passieren können.

Ein Zusatz weiterer Additive kann bewirken,

dass diese Kriställchen in Schwebe gehalten

werden, sodass sich die Grenze der Filtrier­

barkeit weiter senken lässt.

Die europäische Norm EN 590 definiert

verschiedenen Klassen der Kältefestigkeit.

Dieselkraftstofffilter der neuen Generation

verfügen u.a. auch über eine elektrische

Kraftstoffvorwärmung zum Verhindern der

Verstopfung mit Paraffin im Winterbetrieb.

Die früher gelegentlich praktizierte (aber

auch umstrittene) Zumischung von etwas

Benzin oder Petroleum zum Dieselkraftstoff

zur Verbesserung seiner Kältefestigkeit ist

deshalb nicht mehr notwendig bzw. nicht

zulässig.

Kraftstofffilter

AUfgaben und An forderungenMod erne üirek teinsprhzsys tern e Hlr 0 [[0 ­

lind Diesel motoren re agiere n empfin d lichauf klein st e Unr e inhe iten im Kra ftstoff.Sch äd en kö nnen vo r allem du r ch Pa rtikel­or oston und durch w assr-rkorroston c ru­

stehe n. Die Le be nsd aue rau slegung de sEinsp ritzsystem s wird erst d urc h ei ne be ·summte Mindcstreinhen des Krans tonsstehe rg es tellt.

J'art tke lfih erungDie Redu zierung vo n Partikelvc r un rci n i­gung en is t ei ne de r Aufgaben des Kraft ­stotmtrers. Somit we rd en die verschl eiß ­gefährdeten Komponen ten des Rlnspritz­

systc rns geschützt. Das Einspruzsystcmgib t die er forde rlic he Filte rfei nhe il vor.xetien der Sichers tellu ng d es ve rsch tetü ­schutzes mü ssen xransrom uter auch ein eausr cichcndc Par t ikels pe icherkapazitä taufweisen , d a sie sonst vor End e desWe(:hselinter valls ver stop fen könn en . Indiesem Fall sin kt (he Krart sLolUörder ·men ge und dami t auch die Motorleistung.Der Ein bau eine s für d as jewei lige Ein­sp rit zsyste m maßgesch neiderten Kraft­sto lilil te rs ist un abdingba r. Die ver wen­dunK von unge eiKnelen Filtern ha t hex­ten falls unangenehme, im schlimmstenFall ab er sehr te uere Kon sequen zen (Er ­ncucrung von xomponcnten hls hin z umgesamten Elnsprttzsy st em].

Dieselkraftstoff ist gegen über Ottokraft­stoff stärker verschmu tz t. Aus die semGrund und auch wege n der viel höherenEinspritzd rüc ke ben ötigen Diesel- Ein­spritzsysteme e inen gegen über ono-xtn­spr ttzsvster nen erhö hten Versch leißschutzund da mit höhere Pütr ler ungs ka pa znätund längere Standzelt. Dicselk raltstofll l l­ter sind d aher als Wech selfiher au sgel egt.

Die Anforderungen an di e Fih er feinheitsind in d en lctz tc n j ahr cn mit Einführu ngvon Common Rall Systeme n de r 2. Gen era­tion und wetterentwtckerren Uni! tnjcctorSyst emen rür Pkw und Nkw nochmals ge -

stiegen. Für di e ne uc n Syste me sind jena ch Einsa tzfall (Bct ricb sbcdingung en ,Krans tollk on lamtna üon, Mot ors landx eit )Abs ch eidegrade zwischen 05% und96,6% (Pa r'nkelgröße 3 bis 5 um, lSO/T R13353:1994) erforder lich. xeben derhohen Fein stpar tikd ·Abscheid ung wirdim Zuge ver lä ngert er-w artungvintervalle

in neueren Automobile n auch eine erhö htePar tik elspeiche rkapa zität gefordert .

wasscrabschct dungEine zwei te wes entlich e Funktion d es me­set-Kraftstofffi lter s ist die Abschetdun gvon em ulgiertem und ungelöstem wasscraus de m Kraft stoff zur Vermeid ung vonkorrosronsschäden. Eine effe ktive wasser ­ahscheidung von me hr al s 93% bei \1a xi·maldurchflu ss (ISO 1020:200 1) ist beson­der s für ver teilcrem spntzpumpen undCommon a au Systeme wichtig.

AusführungenDie Filterwa hl mus s je na ch verwend et emEinxprttzsyst em und narh Eir rsa tzhedin­g unge n so rgfä llig getroffen wer den.

HauptfilterDer Diescl-Kraftst offfilter ist in d er Regelim ,"'- ielle n lru ckkreislau r zwischen Rlek­trokraftstnffpumpe und Hochdruckpumpeim Motorraum ange ord net.

Weit verbreitet sind Anschraub-Wechsel­filter, Inline- Filter sowie metallfreie Filter­elemente als Wechselteil in Filtergehäusenaus Aluminium, Vollkunststoff oder Stahl­blech (für erhöhte Crash-Anforderungen).Bei diesen Filtern wird nur der Filterein­satz gewechselt. Es werden bevorzugtsterngefaltete Filterelemente verwendet(Bild 1).

Auch der Anbau von zwei Filtern istmöglich. Die Parallelschaltung ergibt einehöhere Partikelspeicherkapazttät, die Rei­henschaltung führt zur Steigerung des Ab­scheidgrads. Die Reihenschaltung kannmit Stufenfiltern oder Feinfilter mit abge­stimmtem Vorfilter realisiert werden.

Vorfilter für VorförderpumpenFür besonders hohe Anforderungen istder Einsatz eines zusätzlichen saug- oderdruckseitig angebrachten Vorfilters mitauf den Hauptfilter (Feinfilter) angepassterFilterfeinheit vorteilhaft. Vorfilter werdenvor allem für Nkwin Ländern mit schlech­ter Dieselkraftstoffqualität eingesetzt. Siesind meist als Siebfilter mit einer Maschen­weite von 300 um ausgeführt.

WasserabscheiderDie Wasserabscheidung erfolgt vom Filter­medium durch den Repellenteffekt (Tröpf­chenbildung durch unterschiedliche Ober­flächenspannung von Wasser und Kraft­stoff). Das abgeschiedene Wasser sammeltsich im Wasserraum im unteren Teil desFiltergehäuses. Zur Überwachung desWasserstandes werden z.T. Leitfähigkeits­sensoren eingesetzt. Entwässert wirdmanuell über eine Wasserablassschraubeoder einen Druckknopfschalter. Vollauto­matische Wasserentsorgungssysteme sindderzeit noch in der Entwicklung.

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil I Kraftstofffil ter I 31

FiltermedienDie erhöhten Anforderungen an Kraft­stofffilter für Motoren der neuen Genera­tionen erfordern den Einsatz spezieller,aus mehreren synthetischen Schichtenund Cellulose bestehender Filtennedien.Diese Filtermedien nutzen einen Vorfein­filtereffekt und garantieren eine maximalePartikelspeicherfähigkeit durch Abschei­dung der Partikel innerhalb der jeweiligenFilterlage.

Auch der Betrieb mit Biodiesel (Fatty AcidMethyl Ester, FAME) muss mit der neuenKraftstofffiltergeneration ermöglicht wer­den. Biodiesel hat einen größeren Anteilan freiem Wasser, dessen Vermischung mitdem Biokraftstoff zu feinen Emulsionenführt. Das bedeutet höhere Filteranforde­rungen (Filtennedium, Design usw.) für dieWasserabscheidung. Außerdem kann diehöhere Konzentration organischer Partikelzu geringeren Filterstandzeiten führen.

Filtergehäuse, Dichtungen, usw. müssengegenüber Biodiesel beständig sein. NeueDichtungswerkstoffe werden benutzt unddie bisher verwendeten Gehäusebeschich­tungen aus Werkstoffen wie Zink oderKupfer müssen durch biodieselbeständigeBeschichtungen ersetzt werden.

ZusatzfunktionenModerne Filtermodule integrieren modu­lar Zusatzfunktionen wieli>- Kraftstoffvorwännung: sie erfolgt elekt­

risch, durch das Kühlwasser oder überdie Kraftstoffrückführung und verhin­dert im Winterbetrieb das Verstopfender Filterporen durch Paraffinkristalle.

li>- Wartungsanzeige über eine Differenz­druckmessung.

li>- Befüll- und Entlüftungsvorrichtungen:die Befüllung und Entlüftung des Kraft­stoffsystems nach einem Filterwechselerfolgt per Handpumpe. Sie ist meist imFilterdeckel integriert.

32 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Übersicht

Hochdruckkomponenten desCommon Rail SystemsDer Hochdruckbereich des Common RaHSystems gliedert sich in die drei BereicheDruckerzeugung. Druckspeicherung undKraftstoffzumessung. Die Hochdruck­pumpe übernimmt die Druckerzeugung.Die Druckspeicherung erfolgt im RaH, andem der Raildrucksensor und das Druck­regel- bzw. DmckbegrenzungsventHangebaut sind. Für die zeit- und mengen­gerechte Einspritzung sorgen die Injek­toren. Hochdruck-Kraftstoffieitungenverbinden alle Bereiche miteinander.

Übersicht

Wesentliche Unterscheidungsmerkmaleder verschiedenen Generationen vonCommon RaHSystemen bestehen in derAusführung der Hochdruckpumpe undder Injektoren sowie in den erforderlichenSystemfunktionen (Tabelle 1).

Tabelle 1

1. Generation 1350 ..1450 bar Magnetven til · CPI

Pkw Injektor Hochruckseit ige Druckregel ung mit Druckregelven til

1. Generation 1400 bar Magnetven til · CP2

Nkw Injektor Saugseitige Mengen regelu ng mit zwei Magnetven tilen

2. Generation 1600 bar Magnetven til- CP3, CP1H

Pkw und Nkw Injekto r Saugseitige Mengenregelung mit Zumessein heit

3. Generation 1800 bar Piezo-Inline- CP3, CP1HPkw Injek tor Saugseitige Mengenregelung mit Zumesseinhei t

3. Generation 1800 bar Magnetventil- CP3,3NH

Nkw Injek tor Zumesseinheit

Speichereinspritzsystem Common Rail an einem Vierzylinder-Dieselmotor

2 3

Bild 1

~I Heißfilm-Luft-

rnas senrnesser

2 Motorsteuergerat

""3 Hochdruckpumpe

4 Hochdruckspeicher(Rail)

5 Injektor

6 Kurbelwellendreh-

zahlsensor ~Motortem peratur- w

:gsensor Q

8 Kraftstofffi Iter Z4 5 6 7 8 9 ~

9 Fah rpedalsensor

Sauberkeitsanforderungen I 33

~ Sauberkeitsanforderungen

Steigender Informationsgehalt

Detektionder WechselwirkungzwischenElektronenstrahl mo Probe

1::1 Prinzip des Partikelanalysesystems (SEM)

I_Primärer Elektronenstrahl 20kV_ Rückstreuelektr ooen zum BSE-Dedekt or (bis 21).;;eV)_ Sekundärelektronen zum S E-Dedektor (einige eV)o Rootgenstrahlung zum EDX-Dedektor (bis 10keV)

Warme

- EDX-Analyse- Anzahl Partikel- Größenverteilung- rohe Genauigkeit(Tiefenscharte)

•

- Anzahl Partikel- aronenveneuum

Der Elektronenstrahlund seine Wirkmg• •~r/--~~-/' ,,0

/ ///,1.

:~~r~~~n-n: / I t :I~~~r~~~und Hönt- aus einigengenstrahlung nm Tiefeaus einigenurn Tiefe

Entwicklung der Partikel-AnalyseverlahrenPartikel Mikropartikel

_bis < 1 ~mLicht- Elektronen-mikroskope mikroskope

SE-DetektorSekundärelektronen der Proberobertlachewerden in Bildsignale umgewandelt- plastischeAbbildung der Obenlache(REM-Bilder)

aSE-DetektorROckstreuelektronen werden in Bildsignaleumgewandelt~ Phasenzusammensetzung-e Tapa Ivbde plastischeAbbildung

EDX-DetektorCharakteristischePimtgenstrahlungwird in.enerqtedispersives"Spektrum umgewardelt-e IdentifikationchemischerElemente

zes erhalten werden. Die genaue Identifizie­

rung der Partikel und Partikelquellen ist

Voraussetzung, um neue Entwicklungen in

der Reinigungstechnik zu ermöglichen.

Partikelanalysesystem (SEM)

8ei Bosch ist ein Partikelanalysesystem auf

8asis eines Elektronenmikroskops (SEM) im

Einsatz. Dieses System erlaubt die automati­

sierte Analyse von Partikeln, die auf einem

Erzeugnis haften. Als Ergebnis der Analyse

erhält man die Partikelgrößenverteilung, die

chemische Zusammensetzung der Partikel

sowie Abbildungen der einzelnen Partikel.

Mittels dieser Informationen ist es möglich,

die Partikelquellen zu identifizieren und

Maßnahmen einzuleiten, um bestimmte Par­

tikeltypen zu vermeiden , zu reduzieren oder

gezielt abzuwaschen. Die Lösungsansätze

basieren also nicht auf dem vermehrten Ein­

satz von Reinigungstechnik, sondern auf der

Restschmutzvermeidung und Restschmutzre­

duzierung während des Fertigungsprozesses.

Mit dem automatisierten Partikelanalyse­

system (SEM) verfügt die Reinigungstechnik

über ein Analysesystem, mit dem wichtige

Informationen über die Art des Restschmut-

Reinigungsqualität

Die enorm gestiegenen Leistungen neuer

.Aggregate, z. 8. das Common Rail System

zur Hochdruck-Dieseleinspritzung, erfordern

höchste Präzision in der mechanischen

8earbeitung, verbunden mit immer engeren

Toleranzen und Passungen. Partikel rück­

stände aus dem Produktionsprozess können

zu vermehrtem Verschleiß bis hin zu einem

Ausfall des Aggregats führen. Daraus ergeben

sich hohe , eng tolerierte Anforderungen an

die Reinigungsqualität, wo bei die zulässigen

Partikelgrößen weiter sinken.

Die Reinigungsqualität der 8auteile wird

im Fertigungsprozess derzeit mit Lichtmikro­

skop-8ildanalyse-Systemen bestimmt. Diese

liefern Informationen über die Partikelgrößen­

verteilung. Um innovative Reinigungsverfah­

ren entwickeln zu können, sind neben der

Partikelgrößenverteilung noch weitere Infor­

mationen über die Art der Partikel und deren

chemischer Zusammensetzung erforderlich.

Diese zusätzlichen Informationen sind durch

Elektronenmikroskope zu erhalten.

34 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Injektor

Injektor

Beim Common Rail Dieseleinspritzsystemsind die Injektoren über kurze Hoch­druck-Kraftstoffleitungen mit dem Railverbunden. Die Abdichtung der Injektorenzum Brennraum erfolgt über eine Kupfer­dichtscheibe. Die Injektoren werden überSpannelemente im Zylinderkopf ange­bracht. Die Common Rail Injektoren sindje nach Ausführung der Einspritzdüsenfür den Gerade-jSchrägeinbau in Direkt­einspritzung-Dieselmotoren geeignet.

Elektronischen Dieselregelung (EDC) ge­steuert. Hierzu sind an der Kurbelwelleund zur Zylindererkennung (Phasenerken­nung) an der Nockenwelle zwei Drehzahl­sensoren notwendig.

Die Absenkung der Abgasemissionensowie die stetige Geräuschreduzierungvon Dieselmotoren erfordert eine optimaleGemischautbereitung, weshalb von Injek­toren sehr kleine Voreinspritzmengensowie Mehrfacheinspritzungen gefordertwerden.

Die Charakteristik des Systems ist dieErzeugung von Einspritzdruck unabhängigvon der Motordrehzahl und der Einspritz­menge. Spritzbeginn und Einspritzmengewerden mit dem elektrisch ansteuerbarenInjektor gesteuert. Der Einspritzzeitpunktwird über das Winkel-Zeit-System der

Derzeit sind drei verschiedene Injektor­typen im Serieneinsatz.li>- Magnetventil-Injektor mit einteiligem

Anker,li>- Magnetventil-Injektor mit zweiteiligem

Anker,li>- Injektor mit Piezosteller.

Magnetve nti I-Injektor (Funkt ionspri nzi p)

c

Bild 1

Ruhezustand

Injektor öffnet

Injektor schließt12

41 Kraftstoffrücklauf

2 Magnetspule 5 ... ,..3 Uberhubfeder

64 Magnetanker

145 Ventilkugel

6 Ventilsteuerraum7 •>. 15 •7 Düsenfeder

8 Druckschulter der tDüsennadel

9 Kammervolumen 810 Spritzloch

11 Magnetventilfede r 912 Ablaufdrossel 1613 Hochdruck-

anschluss 10 ~14 Zulaufd rossel ~

15 Ventilkolben~Q

(Steuerkolben) Z~

16 Düsennadel

Magnetventil-InjektorAufbauDer Injektor kann in verschiedeneFunktionsblöcke aufgeteilt werden:li>- die Lochdüse (s. Kapitel "Einspritz­

düsen"),li>- das hydraulische Servosystem undli>- das Magnetventil.

Der Kraftstoffwird vom Hochdruckan­schluss (Bild ta, Pos. 13) über einen Zulauf­kanal zur Einspritzdüse sowie über die Zu­laufdrossel (14) in den Ventilsteuerraum(6) geführt. Der Ventilsteuerraum ist überdie Ablaufdrossel (12), die durch ein Mag­netventil geöffnet werden kann, mit demKraftstoffrücklauf (1) verbunden.

ArbeitsweiseDie Funktion des Injektors lässt sich invier Betriebszustände bei laufendemMotor und fördernder Hochdruckpumpeunterteilen:li>- Injektor geschlossen (mit anliegendem

Hochdruck),li>- Injektor öffnet (Einspritzbeginn),li>- Injektor voll geöffnet undli>- Injektor schließt (Einspritzende).

Diese Betriebszustände stellen sich durchdie Kräfteverteilung an den Bauteilen desInjektors ein. Bei nicht laufendem Motorund fehlendem Druck im Rail schließt dieDüsenfeder den Injektor.

Injektor geschlossen (Ruhezustand)Der Injektor ist im Ruhezustand nicht ange­steuert (Bild 1a). Die Magnetventilfeder (11)presst die Ventilkugel (5) in den Sitz der Ab­laufdrossel (12). Im Ventilsteuerraum bautsich der Hochdruck des Rail auf. DerselbeDruck steht auch im Kammervolumen (9)der Düse an. Die durch den Raildruck aufdie Stirnflächen des Steuerkolbens (15) auf­gebrachten Kräfte und die Kraft der Düsen­feder (7) halten die Düsennadel gegen dieöffnende Kraft, die an deren Druckschulter(8) angreift, geschlossen.

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Inje ktor I 35

Injektor öffnet (Einspritzbeginn)Der Injektor befindet sich in Ruhelage. DasMagnetventil wird mit dem "Anzugsstrom"angesteuert, was einem schnellen Öffnendes Magnetventils dient (Bild 1b). Die erfor­derlichen kurzen Schaltzeiten lassen sichdurch eine entsprechende Auslegung derAnsteuerung der Magnetventile im Steuer­gerät mit hohen Spannungen und Strömenerreichen.

Die magnetische Kraft des nun ange­steuerten Elektromagneten übersteigt dieFederkraft der Ventilfeder. Der Anker hebtdie Ventilkugel vom Ventilsitz und öffnetnun die Ablaufdrossel. Nach kurzer Zeitwird der erhöhte Anzugsstrom auf einengeringeren Haltestrom des Elektromag­neten reduziert. Mit dem Öffnen der Ab­laufdrossel kann nun Kraftstoff aus demVentilsteuerraum in den darüber liegen­den Hohlraum und über den Kraftstoff­rücklauf zum Kraftstoffbehälter abfließen.Die Zulaufdrossel (14) verhindert einenvollständigen Druckausgleich, sodass derDruck im Ventilsteuerraum sinkt. Diesführt dazu, dass der Druck im Ventilsteuer­raum kleiner ist als der Druck im Kammer­volumen der Düse, der noch immer dasDruckniveau des Rail hat. Der verringerteDruck im Ventilsteuerraum bewirkt eineverringerte Kraft auf den Steuerkolbenund führt zum Öffnen der Düsennadel. DieEinspritzung beginnt.

Injektor voll geöffnetDie Öffnungsgeschwindigkeit der Düsen­nadel wird vom Durchflussunterschiedzwischen der Zu- und Ablaufdrossel be­stimmt. Der Steuerkolben erreicht seinenoberen Anschlag und verharrt dort aufeinem Kraftstoffpolster (hydraulischer An­schlag). Das Polster entsteht durch denKraftstoffstrom, der sich zwischen der Zu­und Ablaufdrossel einstellt. Die Injektor­düse ist nun voll geöffnet. Der Kraftstoffwird mit einem Druck, der annähernd demDruck im Rail entspricht, in den Brenn­raum eingespritzt.

36 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Injektor

Die Kräfteverteilung am Injektor ist ähn­lich der Kräfteverteilung während der Öff­nungsphase. Die eingespritzte Kraftstoff­menge ist bei gegebenem Druck proportio­nal zur Einschaltzeit des Magnetventilsund unabhängig von der Motor- bzw. Pum­pendrehzahl (zeitgesteuerte Einspritzung).

Injektor schließt (Einspritzende)Bei nicht mehr angesteuertem Magnetven­til drückt die Ventilfeder den Anker nachunten, die Ventilkugel verschließt darauf­hin die Ablaufdrossel (Bild lc). Durch dasVerschließen der Ablaufdrossel baut sichim Steuerraum über den Zufluss der Zu­laufdrossel wieder ein Druck wie im Railauf. Dieser erhöhte Druck übt eine erhöhteKraft auf den Steuerkolben aus. DieseKraft aus dem Ventilsteuerraum und dieKraft der Düsenfeder überschreiten nundie Kraft auf die Düsennadel und die Dü­sennadel schließt. Der Durchfluss der Zu­laufdrossel bestimmt die Schließgeschwin­digkeit der Düsennadel. Die Einspritzungendet, wenn die Düsennadel den Düsen­körpersitz wieder erreicht und somit dieSpritzlöcher verschließt.

Diese indirekte Ansteuerung der Düsen­nadel über ein hydraulisches Kraftverstär­kersystem wird eingesetzt, weil die zueinem schnellen Öffnen der Düsennadelbenötigten Kräfte mit dem Magnetventilnicht direkt erzeugt werden können. Diedabei zusätzlich zur eingespritzten Kraft­stoffmenge benötigte Steuermenge gelangtüber die Drosseln des Steuerraums in denKraftstoffrücklauf.

Zusätzlich zur Steuermenge gibt esLeckagemengen an der Düsennadel- undder Ventilkolbenführung. Die Steuer- unddie Leckagemengen werden über denKraftstoffrücklaufmit einer Sammel­leitung, an die auch Überströmventil,Hochdruckpumpe und Druckregelventilangeschlossen sind, wieder in den Kraft­stoffbehälter zurückgeführt.

KennfeldvariantenKennfelder mit MengenplateauBei Injektoren wird im Kennfeld zwischendem ballistischen und nichtballistischenBetrieb unterschieden. Der Verbund Ven­tilkolben/Düsennadel erreicht bei hinrei­chend langer Ansteuerdauer im Fahrzeug­betrieb den hydraulischen Anschlag (Bild2a). Der Bereich, bis die Düsennadel denmaximalen Hub erreicht, stellt den ballis­tischen Betrieb dar. Im Mengenkennfeld,bei dem die Einspritzmenge über die ent­sprechende Ansteuerdauer aufgetragenwird (Bild 2b), sind der ballistische undnichtballistische Bereich über einen Knickim Kennfeld voneinander getrennt.

Ein weiteres Charakteristikum des Men­genkennfeldes ist das Plateau bei kleinenAnsteuerdauern. Dieses Plateau kommtdurch das Prellen des Magnetankers beimÖffnen zustande. In diesem Bereich ist dieEinspritzmenge unabhängig von der An­steuerdauer. Dadurch können kleine Ein­spritzmengen stabil dargestellt werden.Erst nach abgeschlossenem Ankerprellenwird ein linearer Anstieg der Einspritz­menge mit zunehmender Ansteuerdauererzielt.

Einspritzungen mit kleiner Einspritz­menge (kleine Ansteuerdauer) werden alsVoreinspritzung zur Geräuschminderungeingesetzt. Nacheinspritzungen dienender Verbesserung der Rußoxidation in aus­gewählten Betriebsbereichen.

Kennfelder ohne MengenplateauDie verschärfte Abgasgesetzgebung führtezur Anwendung der beiden Systemfunk­tionen Injektormengenabgleich (IMA)undNullmengenkalibrierung (NMK)sowiekurze Spritzabstände zwischen Vor-,Haupt- und Nacheinspritzung. Bei Injek­toren ohne Plateaubereich kann über IMAim Neuzustand die Einspritzmenge derVoreinspritzung exakt eingestellt werden.Mithilfe der NMKkönnen die Mengen­driften im unteren Druckbereich über dieLaufzeit korrigiert werden. NotwendigeVoraussetzung für die Anwendung dieser

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Inje ktor I 37

beiden Systemfunktionen ist ein stetiger,linearer Mengenanstieg, d.h. der Entfalldes Plateaus im Mengenkennfeld (Bild 2c).Wird zusätzlich der Verbund Ventilkolben/Düsennadel im Nennbetrieb ohne Hub­anschlag betrieben, dann handelt es sichhierbei um eine voll ballistische Arbeits­weise des Ventilkolbens ohne einen Knickim Mengenkennfeld.

eine Anpassung der Einstellparameter istdas Ankerschließprellen schneller abge­schlossen. Dadurch werden mit dem zwei­teiligen Ankerkonzept kürzere Spritz­abstände zwischen zwei Einspritzungenennöglicht.

Düsennadelhübe und Mengenkennfe lder eines Injektors mit Hubanschlag

Zeit t --..

Ansteuerdauer -.---..

- -.-.- - - - - - Verbund Ventilkolben/Düsennadel, am hydaulischen Anschlag

\\...-- ncht baäistischer Berech

\----\- - bellistischer Berech

- --\-- Stauchung durch Railduck

o

b="!~ii=::::::::--:::::::::=-------------1 ~;:Jz~

t

a

b 1-----------..I

t III

1\ Ic I

~

~"w

c1----------

tIIII

1\ Iii I

~

~cCi]

InjektorvariantenBei den Magnetventil- Injektoren wirdzwischen zwei verschiedenen Magnet­ventilkonzeptenunterschieden:li>- Injektoren mit

einteiligem Anker(1-Feder-System),

li>- Injektoren mitzweiteiligem Anker(2-Feder-System).

Die kurzen Spritz­abstände zwischenden Einspritzungenkönnen sichergestelltwerden, wenn derAnker beim Schlie­ßen sehr schnell ineine Ruhepositiongelangt. Dies wird amBesten über einenzweiteiligen Ankermit Überhubanschlagrealisiert. BeimSchließvorgang be­wegt sich die Anker­platte durch Form­schluss nach unten.Das Durchfedern derAnkerplatte wirddurch einen Überhub­anschlag begrenzt,sodass der gesamteAnker schneller ineine Ruheposition ge­langt. Durch die Ent­koppelung der Mas­sen beim Anker und

38 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Injektor

Ansteuerung des Magnetventil- InjektorsIm Ruhezustand ist das Hochdruck-Mag­netventil im Injektor nicht angesteuertund damit geschlossen. Der Injektorspritzt bei geöffnetem Magnetventil ein.

Die Ansteuerung des Magnetventils wirdin fünf Phasen unterteilt (Bilder 3 und 4).

äffnungsphaseZum Öffnen des Magnetventils muss zu­nächst der Strom mit einer steilen, genaudefinierten Flanke auf ca. 20 A ansteigen,um eine geringe Toleranz und eine hoheReproduzierbarkeit (Wiederholgenauig­keit) der Einspritzmenge zu erzielen. Dieserreicht man mit einer Boosterspannungvon bis zu 50 V. Sie wird im Steuergeräterzeugt und in einem Kondensator gespei­chert (Boosterspannungsspeicher). Durchdas Anlegen dieser hohen Spannung andas Magnetventil steigt der Strom um einMehrfaches steiler an als beim Anlegender Batteriespannung.

AnzugsstromphaseIn der Anzugsstromphase wird das Magnet­ventil von der Batteriespannung versorgt.Dies unterstützt das schnelle Öffnen. Der

Anzugsstrom wird mit einer Stromrege­lung auf ca. 20 Abegrenzt.

HaltestromphaseIn der Haltestromphase wird der Stromauf ca. 13A abgesenkt, um die Verlustleis­tung im Steuergerät und im Injektor zuverringern. Beim Absenken von Anzugs­strom auf Haltestrom wird Energie frei. Siewird dem Boosterspannungsspeicher zu­geführt.

AbschaltenBeim Abschalten des Stroms zum Schlie­ßen des Magnetventils wird ebenfallsEnergie frei. Auch diese wird dem Booster­spannungsspeicher zugeführt.

Nachladen über HochsetzstellerDas Nachladen geschieht über einen imSteuergerät integrierten Hochsetzsteller.Bereits zu Beginn der Anzugsphase wirddie in der Öffnungsphase entnommeneEnergie nachgeladen. Dies geschieht solange, bis das ursprüngliche Energie­potenzial erreicht wird, das zum Öffnendes Magnetventils notwendig ist.

Bild 3

a Öffnungsphase

b Anzugsstromph ase

c Ubergang zur

Haltest romphase

d Haltestro mphase

e Abschalten

Ansteuerse quenzen der Hochdruckmagnetvent ile für eine Einspritzu ng

I a lb I c I d I e IIJtN ::Magnetventil -tI I I I " I\. I\. 1'0. AI IstromI M I I I 1'"" ~~ vv I

I ! ~! I I

"'-'li I ITI 11 Inadelhub hM

Einspritz- I

• •

[• •

-. ImengeQ

Zeit t __

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Inje ktor I 39

40 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Injektor

Piezo-Inline-InjektorAufbau und AnforderungenDer Aufbau des Piezo- Inline- Injektorsgliedert sich schematisch in die wesent­lichen Baugruppen (Bild 5).. Aktonnodul (3),.. hydraulischer Koppler oder

Übersetzer (4),.. Steuer- oder Servoventil (5) und.. Düsenmodul (6).

Bei der Auslegung des Injektors wurdedaraufgeachtet, dass eine hohe Gesamt­steifigkeit innerhalb der Stellerkette ausAktor, hydraulischem Koppler und Steuer­ventil erreicht wird Eine weitere konstruk­tive Besonderheit ist die Vermeidung vonmechanischen Kräften auf die Düsennadel,

Konst ruk tive Ausfüh rung des Piezo-Inline-Injekto rs

3- - +-

4

Bild 5 • •1 Kraftstoffrücklauf

2 Hochdruck-

ansemuss

3 Piezo-Stellmodul

4 hydraulischer

Kopp le r (Über-

se tze n

5 Servoventil ~(Ste ue rve ntil) ~

6 Düsenmodul~Q

mit Düsennadel 7 "~7 Spri tz loch

wie sie bei bisherigen Magnetventil- Injek­toren über eine Druckstange auftretenkönnen. In der Summe konnten damit diebewegten Massen und die Reibung wir­kungsvoll reduziert und die Stabilität undDrift des Injektors gegenüber konventio­nellen Systemen verbessert werden.

Zusätzlich bietet das Einspritzsystemdie Möglichkeit, sehr kurze Abständet.jrydrauhsch Null") zwischen den Ein­spritzungen zu realisieren. Die Anzahl undAusgestaltung der Kraftstoffzumessungkann bis zu fünf Einspritzungen pro Ein­spritzzyklus darstellen und somit den Er­fordernissen an den Motorbetriebspunk­ten angepasst werden.

Durch die enge Kopplung des Servoven­tils (5) an die Düsennadel wird eine unmit­telbare Reaktion der Nadel auf die Betäti­gung des Aktors erzielt. Die Verzugszeitzwischen dem elektrischen Ansteuerbe­ginn und der hydraulischen Reaktion derDüsennadel beträgt etwa 150 Mikrosekun­den. Dadurch können die gegensätzlichenAnforderungen hohe Nadelgeschwindig­keiten mit gleichzeitiger Realisierungkleinster reproduzierbarer Einspritzmen­gen erfüllt werden.

Analog zum Magnetventilinjektor wirdzur Aktivierung einer Einspritzung eineSteuermenge über das Ventil abgesteuert.Bedingt durch das Design des Piezoinjek­tors beinhaltet der Injektor darüber hi­naus keine direkten Leckagestellen vomHochdruckbereich in den Niederdruck­kreis. Eine Steigerung des hydraulischenWirkungsgrads des Gesamtsystems ist dieFolge.

ArbeitsweiseFunktion des 3/2-Servoventils im eR-InjektorDie Düsennadel in der Düse wird bei demPiezo-Inline-Injektor über ein Servoventilindirekt gesteuert. Die gewünschte Ein­spritzmenge wird dabei über die Ansteuer­dauer des Ventils geregelt. Im nicht ange­steuerten Zustand befindet sich der Aktorin der Ausgangsposition mit geschlosse­nem Servoventil (Bild 6a). Das heißt, der

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Inje ktor I 41

Aufgrund der motorischen Anforderungenin Bezug auf EU4 wurden die Injektor­kennlinien auf den Einsatz von Korrektur­funktionen (Injektonnengenabgleich, IMA,und Nullmengenkalibrierung, NMK) opti­miert. So kann die Voreinspritzmenge be­liebig nachgeführt und durch den vollbal­listischen Betrieb die Mengenstreuungenim Kennfeld über IMAminimiert werden(Bild 7).

Hochdruckbereich ist vom Niederdruck­bereich getrennt. Die Düse wird durch denim Steuerraum (3) anliegenden Raildruckgeschlossen gehalten.

Durch das Ansteuern des Piezoaktorsöffnet das Servoventil und verschließt dieBypassbohrung (Bild 6b, Pos. 6). Über dasDurchflussverhältnis von Ablauf- (2) undZulaufdrossel (4) wird der Druck im Steuer­raum abgesenkt und die Düse (5) geöffnet.Die anfallende Steuermenge fließt überdas Servoventil in den Niederdruckkreisdes Gesamtsystems.

Um den Schließvorgang einzuleiten wirdder Aktor entladen und das Servoventilgibt den Bypass wieder frei. Über die Zu­lauf- und Ablaufdrossel in Rückwärtsrich­tung wird nun der Steuerraum wiederbefüllt und der Steuerraumdruck erhöht.Sobald das erforderliche Druckniveauerreicht ist, beginnt die Düsennadel sichzu bewegen und der Einspritzvorgangwird beendet.

Bedingt durch die oben beschriebeneVentilkonstruktion und der höheren Dyna­mik des Stellsystems ergibt sich gegenüberInjektoren mit konventioneller Bauart,d.h. Druckstange und 2/2-Ventil, einedeutlich verkürzte Spritzdauer, was sichgünstig auf Emissionen und Motorleistungauswirkt.

Einspr it zmengenkennfeId des Piezo-Inl ine-Injektors

nm ''Hob -'-7100

t 80 o '0 _2 ,~ ____0.:.3.J

i 60

~cW

40

20

0,4 0,8

Ansteuerdauer ____

Bild 7

Einspritzmengen bei

unterschied lichen Ein­

spr itzdrücken

1600 bar

b 1200 bar

1000 bar

d 800 bar

250 bar

Servovent il

(Steuerventi I)

2 Ab laufd rossel

3 ste uerraum

4 Zulaufdrosse l

5 Düsennade l

6 Bypass

Bild 6

Startpos ition

b Düsennadel öffnet

(Bypass gesch los­

sen, normale Funk­

tion mit Ablauf­

und Zulaufdrosse l)

Düsennadel

sch l ießt

(Bypass offen ,

Funkt ion m it zwei

Zulaufd rosseIn)

c::::J Steuerraumdruck

b

[==::J Lecköldruck

2- - - - .

a

4

_ Raildruck

5- --=="

Funkt ion des Servoven tils

42 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Injektor

Funktion des hydraulischen KoppZersEin weiteres wesentliches Bauelement imPiezo- Inline- Injektor ist der hydraulischeKoppler (Bild 8, Pos. 3), der folgendeFunktionen erfüllen muss:.. Übersetzung des Aktorhubs,.. Ausgleich eines eventuell vorhandenen

Spiels (z. B. durch Wännedehnung)zwischen Aktor und Servoventil,

.. Fail-safe- Funktion (selbsttätige Sicher­heitsabschaltung der Einspritzung imFehlerfall einer elektrischen Dekontak­tierung).

Das Aktonnodul und der hydraulischeKoppler sind von Dieselkraftstoffumge­ben, der über den Systemniederdruckkreisam Rücklauf des Injektors unter einemDruck von ca. 10 bar steht. Im nicht ange­steuerten Zustand des Aktors steht derDruck im hydraulischen Koppler imGleichgewicht mit seiner Umgebung. Län­genänderungen aufgrund von Temperatur-

einflüssen werden durch geringe Leck­mengen über die Führungsspiele der bei­den Kolben (Bild 8) ausgeglichen, sodasszu jedem Zeitpunkt eine Kraftkoppelungzwischen Aktor und Schaltventil erhaltenbleibt.

Um nun eine Einspritzung zu erzeugenwird der Aktor so lange mit einer Spannung(110...150 V)beaufschlagt, bis die Öffnungs­kraft am Schaltventil überschritten wird.Dadurch steigt der Druck im Koppler anund eine geringe Leckagemenge fließt überdie Kolbenführungsspiele aus dem Kopplerin den Niederdruckkreis (10 bar) des Injek­tors. Bei mehrfacher, kurz aufeinander fol­gender Betätigung des Kopplers von bis zumehreren Millisekunden « 2 ms) ergebensich keine Auswirkung auf die Funktion desInjektors.

Nachdem der Einspritzvorgang beendetist, wird die Fehlmenge im hydraulischenKoppler wieder aufgefüllt. Dies geschiehtnun in umgekehrter Richtung über die

Funkt ion des hydraulischen Kopplers

WiederbefüllungPK <Psystem

Zeit t -----..

ILeckagePK > Psystem___________i ~

~Qz~

,---, ,...,

n r em...

t

t

I_ Raildruck

_ Koppierdruck

_ 10bar

[==:l 1 bar

Bild 8

1 Niederd ruckra il

mit Vent i l

2 Akt or

3 Hydrau lischer

Kopple r (Übe r­

set zer )

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Inje ktor I 43

Ansteuersequenzen des Piezo-In line-Injekto rs für eine Einspr itz ung

Führungsspiele der Kolben durch denDruckunterschied zwischen hydraulischemKoppler und Niederdruckkreis des Injek­tors. Die Abstimmung der Führungsspieleund Niederdruckniveaus ist so gewählt,dass vor dem nächsten Einspritzzyklus derhydraulische Koppler wieder vollständigaufgefüllt ist.

Strom

Spannung

Vorteile des Piezo-Inline-Injek torsli>- Mehrfacheinspritzung mit flexiblem

Einspritzbeginn und Abständenzwischen den Einzeleinspritzungen,

li>- Darstellung sehr kleiner Einspritz-mengen für die Voreinspritzung,

li>- geringe Baugröße und niedriges Gewichtdes Injektors (270 g gegenüber 490 g),

li>- niedriges Geräusch (-3 dB [Al),li>- Verbrauchsvorteil (-3%),li>- geringere Abgasemissionen (-20%),li>- Steigerung der Motorleistung (+7%).

t

a

Ansteuerung des Common Rail Piezo ­Inline-InjektorsDie Ansteuerung des Injektors erfolgtüber ein Motorsteuergerät, deren Endstufespeziell für diese Injektoren entwickeltwurde. Abhängig vom Raildruck deseingestellten Betriebspunkts wird eineSollansteuerspannung vorgegeben. DieBestromung erfolgtpulsförmig (Bild 9),bis eine minimale Ab-weichung zwischenSoll- und Regelspan­nung, gemessen amAktor, erreicht wird.Die dafür erforderli­che Energie wird auseinem Buffer-Kon-densator innerhalbdes Steuergeräts be-reitgestellt.

b

c

t

t

- 0,5 0,0

jy-- - - ..., Ventilhub

Kcoplercruck

0,5 1,0

Zeitt -..1,5

Bild 9

Strom- und

Spannungsverlauf

bei Ansteuem des

Injektors

b Verlauf des

Venti lhubs und des

Kopp lerd rucks

c Verlauf des

Vent ilhubs und der

Einspr itzrate

44 I Der Piezo-Effekt

"i:1 Der Piezo Effekt

Der Piezo -Effekt w ird nicht nur in Quarz­

uhren und Piezo-Inline-Injektoren genutzt,

sondern hat - als direkter oder inverser

Piezoeffekt - eine Vielzahl weiterer tech ­

nischer Anwendungen:

Piezoelektrische Sensoren werden z. B.

zur Klopfregelung im Ottomotor eingesetzt,

wo sie hochfrequente Schwingungen des

Motors als Merkmal für klopfende Verbren­

nung detektieren. Die Umwandlung von

mechanischer Schwingung in elektrische

Spannungen wird auch im Kristall-Tonab­

nehmer des Plattenspielers oder bei Kristall ­

mikrofonen genutzt. Beim Piezo-Zünder

(z. B. im Feuerzeug) ruft ein mechanischer

Druck die zur Funkenerzeugung benötigte

Spannung hervor.

Legt man andererseits eine Wechsel ­

spannung an einen Piezo-Kristall, so schwingt

er mechanisch mit der Frequenz der Wechsel ­

spannung. Solche Schwingquarze werden z.B.

als Stabilisatoren in elektrischen Schwing­

kreisen eingesetzt oder als piezoelektrische

Schallquelle zur Erzeugung von Ultraschall.

Für den Einsatz als Uhrenquarz wird der

Schwingquarz mit einer Wechselspannung

angeregt, deren Frequenz einer Eigenfre­

quenz des Quarzes entspricht. So ent steht

eine zeitlich äußerst konstante Resonanz ­

schwingung, deren Abweichung bei einem

geeichten Quarz ca. 1/1000 Sekunde pro

Jah r beträgt.

Die Längenänderung ßX ergibt sich bei einer

angelegten Spannung U aus :

U/6 '= ßX (Beispiel Quarz : Deformation von

etwa 10-9 cm bei U = 10 V)

a

~c

+

~+ + t ».

0

+ + - + + ~---,------,--- (I)0z~

Pierre Curie und sein Bruder Jacques ent­

deckten 1880 ein Phänomen, das zwar nur

wenigen bekannt ist , aber heute Millionen

Menschen täglich begleitet: den piezo­

elektrischen Effekt. Er hält z. B. die Zeiger

der Quarzuhr im Takt.

Für die piezoelektrische Feldstärke Ep gilt:

Ep = 6-ßx!x

ßX/x: relative Stauchung bzw. Dehnung

6: piezoelektrischer Koeffizient,

Zahlenwerte 10 9 V/cm bis 1011 V/cm

Bestimmte Kristalle (z. B. Quarz und Turma­

lin) sind piezoelektrisch: Durch Stauchung

oder Streckung entlang bestimmter Kristall­

achsen werden elektrische Ladungen auf der

Kristalloberfläche induziert. Diese elektrische

Polarisierung entsteht dadurch, dass sich

die positiven und negativen Ionen im Kristall

unter der Krafteinwirkung relativ zueinander

verschieben (s. Bild, Pos. b). Im Inneren

des Kristalls gleichen sich die verschobenen

Ladungsschwerpunkte aus, zwischen den

Stirnflächen des Kristalls jedoch entsteht ein

elektrisches Feld. Stauchung und Dehnung

des Kristalls erzeugen umgekehrte Feldrich­

tungen.

Wird andererseits an die St irn f lächen des

Kristalls eine elektrische Spannung angelegt,

so kehrt sich der Effekt um (inverser Piezo­

Effekt): Die positiven Ionen werden im elek­

trischen Feld in Richtung zur negativen Elekt­

rode hin verschoben, die negativen Ionen zur

positiven Elektrode hin. Dadurch kontrahiert

oder expandiert der Kristall je nach Richtung

der elektrischen Feldstärke (s. Bild , Pos. c).

inverse r Piezo­

Effekt :

Durch d ie an­

ge legte elektr ische

Spannung werde n

o e-ton en nach

oben, Sie-Ionen

nach unten ver­

schoben: der Kris­

ta l l kontra hiert.

Quarzk rista ll Si0 2

b Piezo-Effekt:

Bei Stauchung des

Krista lls schieben

sich d ie negativen

o e-tonen nach

oben, di e positive n

Sie-Io nen nach

unten :

an der Krista ll­

ober fl äche we rden

elektr ische Ladun­

gen induzier t

Prinzip des

Piezo-Effekts

(dargeste llt an einer

Einheit szel le)

Hochdruckpumpen

Anforderungen und AufgabeDie Hochdruckpumpe ist die Schnittstellezwischen dem Nieder- und dem Hoch­druckteil. Siehat die Aufgabe, immergenü­gendverdichteten Kraftstoffin allenBetriebsbereichen und über die gesamteLebensdauer des Fahrzeugs bereitzustel­len. Das schließt das Bereitstellen einerKraftstoffreserve mit ein, die für einenschnellen Startvorgang und einen raschenDruckanstieg im RaHnotwendig ist.

Die Hochdruckpumpe erzeugt per­manent, unabhängig von der Einspritzung,den Systemdruck für den Hochdruckspei­eher (Rail). Deshalb muss der Kraftstoff ­im Vergleich zu herkömmlichen Einspritz­systemen - nicht im Verlauf der Einsprit­zung komprimiert werden.

Als Hochdruckpumpe für die Druckerzeu­gung dienen für Pkw-Systeme 3-, 2- und1-Stempel-Radialkolbenpumpen. Bei Nkwwerden auch 2-Stempel-Reihenpumpeneingesetzt. Diese Bezeichnungen geben dieAnzahl der Pumpenelemente an. Die Hoch­druckpumpe ist vorzugsweise an dersel­ben Stelle wie konventionelle Verteilerein­spritzpumpen am Dieselmotor angebaut.Sie wird vom Motor über Kupplung, Zahn­rad, Kette oder Zahnriemen angetrieben.

CPl 1350 Krafts toffCP1+ 1350 Kraftstoff

CP1 H 1600/1800 KraftstoffCP1 H-OHW 1100 Kraftstoff

CP3 ,2 1600 KraftstoffCP3,2+ 1600 KraftstoffCP3,3 1600/1800 KraftstoffCP3.4 1600 ÖlCP3.4+ 1600 Kraftstoff

CP2 1400 ÖlCPN2,2 1600 ÖlCPN2,2+ 1600 Öl

CPN2.4 1600 Öl

CP4,1 1800/ 2000 KraftstoffCP4,2 1800/ 2000 Kraftstoff

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Hochdruckpumpen I 45

Die Pumpendrehzahl ist somit mit einemfesten Übersetzungsverhältnis an die Mo­tordrehzahl gekoppelt.

Die Pumpenkolben innerhalb der Hoch­druckpumpe komprimieren den Kraftstoff.Mit drei Förderhüben pro Umdrehungergeben sich bei der Radialkolbenpumpe ­außer bei der CP4 - überlappende Förder­hübe (keine Unterbrechung der Förde­rung), geringe Antrieb-Spitzendrehmo­mente und eine gleichmäßige Belastungdes Pumpenantriebs.

Das Drehmoment erreicht bei Pkw-Sys­temen mit 16 Nm nur etwa 1/9 des für einevergleichbare Verteilereinspritzpumpebenötigten Antriebsmoments. Damit stelltCommon Rail an den Pumpenantrieb ge­ringere Anforderungen als konventionelleEinspritzsysteme. Die zum Pumpenantriebnotwendige Leistung wächst proportionalzum eingestellten Druck im Rail und zurDrehzahl der Pumpe (Fördennenge). Beieinem 2-Liter- Motor nimmt die Hoch­druckpumpe bei Nenndrehzahl und einemDruck von 1350 bar im Rail (bei einem me­chanischen Wirkungsgrad von ca. 90 %)

eine Leistung von 3,8 kW auf.

Die für Pkw eingesetzten Hochdruck­Radialkolbenpumpen werden mit Kraft­stoffgeschmiert. Bei den Nkw-Svstemenkommen kraftstoff- oder ölgeschmierteRadialkolbenpumpen, aber auch öl­geschmierte 2-Stempel-Reihenpumpenzum Einsatz. Ölgeschmierte Pumpenbieten eine größere Robustheit gegenüberschlechter Kraftstoffqualität.

Hochdruckpumpen werden in verschiede­nen Ausführungen in Pkw und Nkw einge­setzt. Innerhalb der Pumpengenerationengibt es Ausführungen mit unterschied­licher Förderleistung und Förderdruck(Tabelle 1).

Tabell e 1

H erhöhter

Druck bereich

höhere

Förderleistung

OHW Off-Hi ghway

46 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Hochdruckpumpen

Radialkolbenpumpe CPlAufba uIm Gehäuse der CP1 ist zentral die An­triebswelle (Bild 1, Pos. 1) gelagert. Radialdazu sind jeweils um 1200 versetzt diePumpenelemente (3) angeordnet. Der aufden Exzenter der Antriebswelle auf­gesetzte Polygonring (2) zwingt die Pum­penkolben zur Auf- und Abbewegung.

Die Kraftübertragung zwischen Exzenter­welle und Pumpenkolben erfolgt über dieLaufrolle, einen auf dem Exzenter derWelle gelagerten Gleitring, und die am Kol­benfuß befestigte Kolbenfußplatte.

ArbeitsweiseKraj'tstof]Tdrderung und KomprimierungDie vorförderpumpe - eine Elektrokraft­stoffpumpe oder eine mechanisch ange­triebene Zahnradpumpe - fördert Kraft­stoffüber ein Filter mit Wasserabscheiderzum Zulaufder Hochdruckpumpe (6). BeiPkw-Systemen mit einer an der Hochdruck-

Hochdruckpumpe CPl (Schema, Querschnitt )

Bild 1

1 Antriebswelle

mit Exzenter

2 Polygonring

3 Pumpenelement

mit Pumpenkolben

4 Ansaugventil

(Einlassventi I)

5 Auslassventil

6 Kraftstoffzulauf

7 Kolbenfußplatte

pumpe angeflanschten Zahnradpumpebefindet sich der Zulauf innerhalb derPumpe. Hinter dem Zulaufist ein Sicher­heitsventil angeordnet. Überschreitet derFörderdruck der vorförderpumpe denÖffnungsdruck (0,5 bis 1,5 bar) des Sicher­heitsventils, so wird der Kraftstoff durchdessen Drosselbohrung in den Schmier­und Kühlkreislauf der Hochdruckpumpegedrückt. Die Antriebswelle mit ihremExzenter bewegt die drei Pumpenkolbenentsprechend dem Exzenterhub auf undab. Kraftstoffgelangt durch das Einlassven­til (4) der Hochdruckpumpe in denjenigenElementraum, bei dem sich der Pumpen­kolben nach unten bewegt (Saughub).

Wird der untere Totpunkt des Pumpen­kolbens überschritten, so schließt das Ein­lassventil und der Kraftstoff im Element­raum kann nicht mehr entweichen. Erkann nun über den Förderdruck der Vor­förderpumpe hinaus komprimiert werden.Der sich aufbauende Druck öffnet dasAuslassventil (5), sobald der Druck im Rail

cr rcu-hr ist; der komprimierte Krilflsl offgelang t in den It orhdruckkre!s. Die Hoch­dnu-kansrhlüsse de r d rei l'u mperu-lc­mcnu- sind lnnerhalh des I' ump t'ngt'h äu ­scs zusammengefass t, sodass nu r ei neHor-lulnn-kh-ltuug zum Hai! fü hrt .

Der Pumpenkolben för dert so I,mgt'Kra üs tof f h is der olwre Totpunkt ,'r r,'ich lwird (Fördcrhub j.Danach fällt der Druckab, sodass das Auslassve ul il schließt . ncrim T01Volu l11,'n vcrhleihcnrh- Kraf tst offentspa nnt s it'il; de r Pumpenkolben b,'w,'Wsich narh unte n.

Untcrsch rl'i ld tier Druck im EleIlWT11 ·raunt den vor fönk-nlruck, iiffllt'l das ~: ill ­

lassvt'l1t il wieder und der- Vo rgan g h eginntvo n III'U t' III.

Oherse tzungsver hälr nislfie- Fiird'>r lllt'ug'>l'i nt'r Hor-hdrur-kpumpeist proponlonalzu Ihrer ltr t'hz ahl.DiePumpendrehzahl isl wn-dcrum abhängfgVOll lief Moto rd reh zahl. Sie wird bei th-rApplikation des Eillsprilzsyslt'ms an de n

"oc~d ",c k komPOnen ", n des Common Rail Syotems I H<><:hdr UÜP'J mpo" I 41

Mot or über das Öbr-rsetz ungsvcrhälrnts SOF,'stgdegt, dass ctncrscn s die übersch üssfgge fö rderte Kr alts tnffuu-uge nicht ZUhor-h

isl und ilndt'fI' rSt'ils der Kraflsl oflh t't!arfhl'i Volllasllwlr it.'h t!I.'S Molo rs gedt' r kl isl.Möglk-he Übersctx ungcu s ind 1:2 und 2:3bez ogen auf die Kurbelw elle.

Pördr-r lets nmgu a d ie IIoehdrur-kpu r upc für groll;l' rö r­dermengen ilusgt'll'gl ist , gihl es im LI' ,'r­lauf lind Teillastbot rieb " iue l1 Übers t-hussan verdichtetem Kraftstoff Ilh'S!'r zu viI'!geför de rte Kraftstoff wird ln-i Systemendor ersten G" lIe rilt ioll m it ,' irlt'r CI' I überda s a m Rall s itzt ' nd ,' uth-r- an der- Pu mp "augeflanschte Drurkr egelvenül ZUIlI Kraft­slo fllw hälte r zurüt'kgl'!eit ('1. Da der ve r­du-htete Kraftstoff entspannt wird . W·htd it' durch d i,>Vt' rd id llllllg ,' ing,'h rad llt,Ener gte w r llln 'n; de-r Ges arutwirk ungs­gr ad sink t. llils Kor upr tmk-ren un d an­sc hlit'1\e lldl.' Enls pillllll' n de s Kraftstoffsfüh rt aurh zu m AuOlt'izt'n dt' s Krartsloffs.

Hochd ruckpumpe CP I , V.rianle mil angebaUlem Druüregelvt!"lil (3-D-O. rslellung)

"

aI

, ,

...,- - - - ,

;r- - '

~', Bild 2

1 Flansch

2 Pumpengehäuoe

3 Zyli"de rkopf

4 Zulaufa"schlu.s­

Slullen

5 Hochdruc~-

.n..,~ l u'''luI20"

g Rilckl.ur."sc~ l uss·

slulzen filr DRV·

Menge und Sc~m ler­

monse/Kuhlmenge

' us de, Pumpe

1 Druüregelventil

8 lyli"dersc~r.ube

9 welle nd iChl ring

10 E"enterwolle

48 I Hoc hdr uc kkom pon . nt. n d.s Common Rail Sys '"", , I fbchdruckpu",p"n

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Radialko lb enpumpe C P 1 H

.\1od ifikalio lll' lIEin e Verbesserung d es energerischenwirkungsgradcs ist d urch eine krattstoff­zulaufsctngc (saugscingc) Mengenrege­hmg d er Hoch druckp umpe rnöghch.Hier ­bei wird der in di p Pumpenelemente Ilie ­I~ndf' Kra ft stnff d u rc h e in s tufenlosre gelbares Magnetventil (ZlIll1l'ssd nl1l'it,Z~1E) d osier t. Dieses venülpa ss t d ie ins

RaHge förderte Kr aft s toffmenge dem Sys­re mbedarf an . \1i t di eser ~lf'n g-en rege ll1n ,ll;

wird nic ht n ur der Lclsnmgsbcdarf de rHochdruckpumpe gesenk t, so ndern auchd ie mnxhnal e Kra frst offt l' lll!w r;!l llr redu­zif' rf. Dieses Sys te m wurde fü r d if' C1'1 H

von der CP3 übe rnommen.n cgc nübc r o cr Hoc hd ruckp umpe CP 1

ist die CPl lI fü r höh ere Drück", bis zu I f:>OOba r a usgl'l l'gf. Dil' s w urde d urch verstär­ku ng des Triebwerks, g:f'a nder ff' Ve ntile in­

heuen lind Maß nahmen zu r Ste ige r ung de rGehä usefest igkeit erre ic ht .

Die Zunll'sseinhe it is t an d ie Hochdruck­pu m pf' ange baut (Bild 3, Pos . 1:i) .

Aufb a u o cr z umessetu ne n (Z.\1E)Bild 4 ze ig t den Aufba u der Zurn e sseinheit .Der durch .\ l <1 l-,' lw tk ra ff Iw t;il ig ll' "nihell

( 10) g:ihf e ntsprechend semer Stellung

ei ne n Durchflu ssq uerschnit t frei. u lcAuste ue r ung d es Magnetventils ge schiehtmittels eine s PW.\1-Signa ls.

9 Aulbau der lumcs",inheil

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Bild 3

1 nansm1 h,e«l",wclle

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14 I(;jfiS1~, Pumpenkolhen

Hochd,uckpu",p" CPIH mil 2ume. .... nheil (hplosionsdarstelluns)

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Radi alkolben pumpe CP3Modtffkauoru-nB" i der- C1'3 handelt ,'S s ieh u m " im ' Hoch­drtu-k pmupe mit saugs(' il ig" r M,' ngl' n­n 'g ('lu ng mittels Zumps.~l'in lw i l (ZM E).

Dj" M' Rq!:l' lung wurde zur-rst in der Cl':~

,' ing, 's" lzl und spälpr für d i,' CPl l1[ib"r­nOIl\IIWI1 .

Ikr p r tnztph-lh- Aufb au der CI';i (Bild !i)

is t äh nlich dem der CI' I bzw. CI' I II. \ ....r-­sonrlk-ho lJlIl,·n;d w idungsnw rkmah· s ind :

.. Das Monohlorkgehäuse DipS(' Bauw " isl'vormindert d k Anzahl von Dirhls1l'l ],'n

im Hochdruckb or..ich lind erlaubt " im 'griißpn ' Fürd " rl" is tung.

• Tass,' nsl ii l~p1: Di,' Ahkill l1lg der Qlll' r­kr äüe aus der Quprh,'wl'gu ng der Lauf­

ro ll,' , I..s EXl ..mors ..r folgtnlcht d ir..ktillx-r dio Pumpenkolben. sondcm ii1wr'I'assen a n di tOGl'häus,·wam l. Daraus er­

g ibl s ich " it1l' hölu-re Belastbarkelt der1'11i111ll'li nd ,'S s in d hölw r,· Drürkemög­lk-h , Es " rg ih t s ic h " in Potenzial b is1110 0 bar.

Hoch<! ,uckkomPOnenten des Common Rai l Systems I Hocnd' uckpumpen I 49

varianu-nPumpe-n eh-r CI'3-l'am ili<' werrh-n sowohlin I'kw als auch in Nkw ,·ing" S(' llt. J" nacher forderlicher I'ön k rk is tu ng werden un ­l,'n; ehi,',lIi d ll' Varianu-n ,·ingl'splz t. Di<'Baugröße- um l damit dh- Förch-rh-Is tung

mnum vo n dor C1'3 .2 h is zu r CI'JA ZII . Di,'ö lJ.:,'sc hm i(' rll' CP3 A wird nu r in " IIt' avy

Dutyv-Nkw dnJ.:l'sdzl . ln Trans porternode-r leic-hten Nll1zfahrz"ugpll könnenauchPumpen zum Einsatz kc nuuon.db­p r imär für I'kw konzspic-rt wurde-n .

Einr-B,'so n, !< 'r l1l'illwi Sys tp llwn für rh-n" I\k d ium DUlY'" und ,,1 h-avy Duty" -Nkw­Bt-reu-h iSl d i" drut-kseit iJ.:' · LaJ.:'· des Kratt­stofffllu-rs. Er lu-fludet sk h l.wisdwn Zahn­ra dpumpe lind Hochdrur-kp umpe undertaubt ctnc höhere Boladung d ,'s Ftlr ..rsb is zum notwemligon wochsel. Di,' I lo ..h­druckpumpe ht 'nüli/l:l in jedem Fall einenexternen Anschluss fü r den Kra ttstof f ­zulauf, an..h wenn d ip Zahnradp umpe an

der Ilo..hdnu-kpump, aI1W'ßaI1 M'ht tst .

Hochd'uc~pumpe CP3 mrtZume••einheit und angebaute' Zahnfad-Vo,förderpumpe

50 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Hochdruckpumpen

Hochd ruckpumpe CP4 (Ansicht)

~~~---6

der CP4 beim Anbau an bereits vorhan­dene Motoren auch andere Übersetzungenohne synchrone Förderung möglich.

Die CP4 ist zunächst für 1800 bar Rail­druck ausgelegt. Sie wurde so dimensio­niert, dass im Verlauf des Produktlebens­zyklus weitere Steigerungen des Rail­drucks auf über 2000 bar möglich sind,ohne an den Grundabmessungen derPumpe Veränderungen vornehmen zumüssen. Möglich wurde dies z. B. durchWahl geeigneter Werkstoffe und ange­passte Geometrie im Hochdruckbereich.

Die CP4 ist für höchste Drehzahlenausgelegt. Damit ist ein Übersetzunge­verhältnis von 1:1 möglich. Es ist sogardoppeleinspritzsynchrone Förderungdenkbar für Motoren mit niedriger Nenn­drehzahl. Durch die Variation des Pum­pen-Nockenhubs ist die jeweils optimalePumpenförderleistung in Abhängigkeitvon der Motorleistung auswählbar; so dassdie Belastung für den Antrieb sowohl derPumpe als auch des Motors auf ein Mini­mum reduziert werden kann.

Die Abdeckung von weiterführendenEinsatzbereichen wird durch die Entwick­lung von Zusatzpaketen gewährleistet, wieZ.B. das optionale Schmierpaket für denEinsatz im US-Markt mit schlecht schmie­rendem Kraftstoff.

Baukastenpr inzip der Hochdruckpumpe CP4

3 ~

Radialkolbenpumpe CP4Anforder unge nDurch den Förderhub der Pumpenele­mente werden Druckpulsationen im Railhervorgerufen, die bei den bisherigenPumpengenerationen zu Einspritzmengen­schwankungen führen. Zur Einhaltungder immer weiter verschärften Emissions­grenzwerte gewinnt die Präzision derEinspritzung mit minimalen Einspritz­mengenschwankungen zunehmend an Be­deutung. Die neue Common Rail Hoch­druckpumpe CP4 ermöglicht die einspritz­synchrone Förderung, d. h., der Förderhubder Pumpenelemente erfolgt synchron mitdem Saughub der Motorzylinder. Somitfördert die Pumpe für jeden Motorzylinderimmer zum gleichen Kurbelwellenwinkel.Mit einer 3-Stempel-Pumpe ist das nichtim gesamten Anwendungsbereich von 3­bis 8-Zylinder-Motoren darstellbar.

Die CP4 wurde mittels eines Baukasten­prinzips so konzipiert, dass mit nur einerBasiskonstruktion (Bild 6) mit ein bzw.zwei Pumpenelementen durch Anpassungdes Übersetzungsverhältnisses zwischenMotor- und Pumpendrehzahl alle Motorenmit drei bis zu acht Zylindern einspritzsyn­chron bedient werden können.

Neben diesen Vorzugsübersetzungenfür einspritzsynchrone Förderung sind bei

Bild 6

1 Zylinderkopf

Variation: Hoch­

druck-Abgangs­

richtung

2 Gehäuse für

1- oder 2-Stempel­

Pumpe

3 Antrieb über

Doppelnocken

Variation: Hub

Bild 7

1 Pumpenelement

2 Anbauflansch

3 Antrie bswelle

(Nockenwelle)

4 Zumesseinheit

(ZME) mit Magnet­

proportionalventi I

(MPROP)

5 Zulaufanschluss

6 Rücklaufanschluss

7 Hochdruck-

ansch luss

B Gehäuse

Aufba uDie CP4 ist eine innenabgestützte Radial­kolbenpumpe (d.h. Druckaufbau voninnen nach außen) in 1- bzw. 2-Stempel­Ausführung. Sie besteht aus (Bild 8)li>- einem Aluminiumgehäuse (2), das nur

mit Niederdruck beaufschlagt ist,li>- ein bzw. zwei Pumpenelementen mit

hochdruckfesten Zylinderköpfen (7) ausStahl mit integriertem Hochdruckventilund Hochdruckanschluss sowie

li>- einem Nockentriebwerk mit Rollen­stößel (9), der die Drehbewegung derNockenwelle (5) über die Nocken (12,Doppelnocken mit 180°-Versatz) in eineHubbewegung des Hochdruckkolbens(8) im Zylinderkopfüberträgt. Die No­ckenwelle wird im Anbauflansch undGehäuse in zwei Gleitlagern geführt.

Der Hochdruck wird im Pumpenelementerzeugt. Abhängig vom Hubraum und derZylinderanzahl des Motors sowie demÜbersetzungsverhältnis werden 1- oder2-Stempel-Pumpen eingesetzt. Um denKraftstoftbedarfvon größeren Motorenzu decken, sind zwei Pumpenelementeerforderlich. Bei der 2-Stempel-Ausfüh­rung sind die Pumpenelemente in v-Formim 90°-Winkel zueinander angeordnet.

Die große Überdeckungslänge zwischenZylinderwand und Pumpenkolben führtzu geringen Leckageverlusten beim Kom­primieren des Kraftstoffs. Zum anderenführen kurze Leckagezeiten durch diehohe Förderfrequenz (zwei Hübe pro Um­drehung pro Kolben) und das kleine Tot­volumen im Zylinderkopf zu einer weite­ren Wirkungsgradoptimierung der CP4und damit zu einer Reduzierung des Kraft­stoffverbrauchs.

Durch die 90° V-Anordnung der Zylinder­köpfe bei der 2-Stempel-Pumpe gibt eskeine Überlappung der Saughübe. Somit istdie Füllung der beiden Pumpenelementeidentisch (Gleichförderung).

Die CP4 führt keinen Hochdruck inner­halb des Gehäuses, sodass keine hoch­druck- bzw. festigkeitssteigernden Maß-

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Hochdruckpumpen I 51

nahmen für das Gehäuse erforderlich sind.Sie hat nur sehr wenige Hochdruckver­schneidungen im Zylinderkopf(d h. scharf­kantige Bereiche durch Zusammentreffenmehrerer Bohrungen), die die Bauteileschwächen. Die gesamte Anzahl der Hoch­druck- und Niederdruckschnittstellen imPumpengehäuse ist aufgrund der geringe­ren Anzahl der Pumpenelemente signifi­kant reduziert.

Die CP4 gibt es in EKP- und in ZP-Aus­führung. Erstere arbeitet mit einer Elektro­kraftstoffpumpe (EKP)als Vorförderpum­pe, bei der ZP-Version ist die mechanischeZahnradpumpe (ZP) an der CP4 hintenangeflanscht. Die CP4 ist gleichermaßenfür Rechts- und Linkslaufgeeignet. In derVorzugsausführung mit EKPist dazu keineAnpassung erforderlich.

Die Verbindung vom Hockdruckan­schluss zum Rail erfolgt mittels einerbzw. - bei der 2-Stempel-Pumpe - mit zweiHochdruckleitungen. Der Hochdruck wirdhier nicht wie bisher im Gehäuse zusam­mengefasst, sondern direkt vom Zylinder­kopfnach außen geführt. Das Gehäusemuss daher nicht hochdruckfest sein.

Hochdruckpumpe CP4 (Aufbau )

Bild 8

1 Zumesseinheit

(ZME) mit Magnet­

pro po rtion aIventil

(MPROP)

2 Gehäuse

3 Anbauflansch

4 Gleitlager

5 Antriebswelle

( Nockenwelle )

6 Wellendichtring

7 Zylinderkopf

8 Pumpenkolben

9RoilenstößeI

10 Rollenschuh

11 Laut rolle

12 Doppelnocken

52 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Hochdruckpumpen

ArbeitsweiseNiederdruckkreisDer gesamte von der Vorförderpumpe ge­förderte Kraftstoffwird durch den CP4­Innenraum zum Überströmventil und zurZumesseinheit (ZME,Bild 8, Pos. 1» ge­führt. Damit ist die zur Schmierung undKühlung genutzte Kraftstoffmenge größerals bei den bisherigen Pumpen. Dadurchist eine besonders effektive Kühlung derPumpe möglich.

Das Überströmventil steuert den Nieder­druck vor, stellt damit ein definiertesDruckgefälle über die bei den Lager fürgute Schmierung sicher und vermeidetUnterdruck in den Lagern bis zu hohenDrehzahlen.

Der gesamte Niederdruckpfad ist auf­grund großer Querschnitte entdrosselt,sodass die Befüllung der Pumpenelementeauch bei hohen Drehzahlen sicher gewähr­leistet ist. Die Mengenzumessung erfolgtniederdruckseitig wie z. B. bei der CP3mittels Zumesseinheit (ZME).

Bild 9

1 Zy1inderkopf

2 Dichtscheibe

3 Saugvent il

(Einlassvent iI)

4 Yersch lussschra ube

5 0 -Ring

6 Rücksch lagventil

(RSY) mit Kalotte

7 Druckfe der

B Federha lter

H echdruckkreisDer von der Zumesseinheit vorgesteuerteKraftstoffgelangt in der Saugphase durch

[=::J Zulaufbereich P = PZuiau

_ Federraum SaugventH P $I PZuIa<1

c:::J Elementraum P = 0 bis Pmii>'.

c:::J RSV-Bereich und RaH p. Pm""

das Saugventil (Bild 9, Pos. 3) in denElementraum und wird während deranschließenden Förderphase auf Hoch­druck verdichtet und durch das Rück­schlagventil (6) und die Hochdruckleitungins Rail gefördert.

SynchronisierungFür die einspritzsynchrone Förderung istjedem Motorzylinderhub individuell einPumpenelementhub zugeordnet. Währendzwei Kurbelwellenumdrehungen muss dieCP4 so oft fordern, wie Motorzylinder vor­handen sind. Daraus ergeben sich abhän­gig von der Zylinderzahl und der Pumpen­ausführung (Anzahl der Pumpenelemente)definierte Übersetzungsverhältnissezwischen Motor- und Pumpendrehzahl(1,3/4,1/2,5/8).

Durch einen orientierten Anbau derPumpe an den Motor (definierte Phasen­orientierung zur Motorkolbenstellung)ergibt sich weiteres Potenzial zur Redu­zierung der Einspritzmengenstreuung vonInjektor zu Injektor bzw. von Motor zuMotor. Die Phasenlage wird so gewählt,dass zum Zeitpunkt der Einspritzung derDruckgradient der Pulsation im Rail geringist. Dadurch ist bei einer leichten Ver­schiebung des Einspritzzeitpunktes dieMengenstreuung klein.

Vorteile der CP4li>- Raildruck von über 2000 bar möglich

für zukünftige Anwendungen.li>- Geringe Einspritzmengenstreuungen.li>- Auslegung für höchste Drehzahlen.li>- Aluminiumgehäuse muss nicht hoch­

druckfest sein, dadurch ist eineGewichtsreduzierung gegenüberbisherigen Pumpen möglich.

li>- Verringerte Verlustleistung führt zuVerbrauchsoptimierung.

li>- Zwei Hübe pro Umdrehung durchDoppelnocken: Dadurch ist eine größereFördennenge mit weniger Pumpen­elementen möglich (CP3 hat drei Pum­penelemente). Der Aufbau der Pumpeist aufgrund weniger Bauteile einfacher.

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Hochdruckpumpen I 53

• Hochd ruckpumpe CPN2-Ausführ ung

ArbeitsweiseBewegt sich der Pumpenkolben vomoberen Totpunkt in Richtung unteren Tot­punkt, öffnet aufgrund des Kraftstoff­drucks (Vorförderdruck) das Einlassventil(9). Infolge der Abwärtsbewegung desPumpenkolbens wird der Kraftstoff in denElementraum gesaugt. Das Auslassventil(8) wird durch die Ventilfeder geschlossen.

Bei der Aufwärtsbewegung des Pumpen­kolbens schließt das Einlassventil und dereingeschlossene Kraftstoffwird verdich­tet. Bei Erreichen des Raildrucks öffnetdas Auslassventil und der Kraftstoffwirdüber den Hochdruckanschluss (5) ins Railgefordert. Dadurch erhöht sich der Druckim Rail, sodass es zu Druckpulsationenkommt. Der Raildrucksensor misst denDruck, die Elektronische Dieselregelung(EDC)berechnet daraus die Ansteuer­signale (PWM)für die Zumesseinheit.Diese regelt die zur Verdichtung bereitge­stellte Kraftstoffmenge entsprechend demaktuellen Bedarf.

Reihenkolbenpumpe CPN2Aufba uDie ölgeschmierte, mengengeregelte Hoch­druckpumpe CPN2kommt nur im Nkw­Bereich zur Anwendung. Es handelt sichum eine 2-Stempel-Pumpe in Reihenbau­art, d h., die bei den Pumpenelemente sindnebeneinander angeordnet (Bild 10). FürSonderanwendungen gibt es auch Varian­ten mit vier Pumpenelementen in Reihen­anordnung.

Der Federteller verbindet den Pumpen­kolben (20) formschlüssig mit dem Rollen­stößel (19). Über die Nocken (16) wird dieRotationsbewegung der Nockenwelle (17)in eine Hubbewegung der Pumpenkolbenumgesetzt. Die Kolbenfeder (11) sorgtfür die Rückführung des Pumpenkolbens.Oben am Pumpenelement ist das kombi­nierte Ein-/Auslassventil aufgesetzt.

In der Verlängerung der Nockenwellebefindet sich die ins Schnelle übersetzteZahnrad-vorförderpumpe (14), die denKraftstoff über den Kraftstoffeinlass (12)aus dem Tank ansaugt und überden Kraftstoffauslass (13) zumKraftstoff-Feinfilter leitet. Vondort gelangt er über eine weitereLeitung in die im oberen Bereichder Hochdruckpumpe angeord­nete Zumesseinheit (ZME,Pos 2;Kraftstoffeinlass, Pos. 3).

Die Versorgung mit Schmierölerfolgt entweder direkt über denAnbautlansch der CPN2 odereinen seitlichen Zufluss. DerSchmierölrücklauf erfolgt überden vorderen Antriebslager­deckel in die Ölwanne des Mo­tors.

Die Antriebsübersetzung be­trägt 1:2. Damit ist die CPN2anbaukompatibel mit konventio­nellen Reiheneinspritzpumpen.

12

2 3

13 14

4 5

15 16 17

~

Q18 19 20 21 z

~

Bild 10

1 Drehzah lsensor

( Pumpend rehzahI)

2 Zumessein heit,

ZME (Magnet­

p roport iona lventi l,

MPROP)

3 Kraft stoffz ulauf

für Zumesse inhe it

(vom Kraftstoff­

f ilte r)

4 Kraft stoffrück lauf

zum Kraftstoff­

behälter

5 Hochdruck-

anschlus s

6 Vent ilkörpe r

7 Vent ilhalte r

8 Auslassventi l mit

Vent ilfeder

9 Einlassvent il mit

Vent ilfeder

10 Kraft stoffzu lauf

zum Pumpe n­

element

11 Kolbe nfeder

12 Kraft stoffzu lauf

(vom Kraftstoff­

behälte r)

13 Kraft stoff auslass

zum Kraft stofff i lter

14 Zahnrad-

Vorf ö rderp umpe

15 Überströmvent il

16 konkaver Nocken

17 Nockenwe lle

18 Rollenbolzen mit

Rolle

19 Rol lenstöße l

20 C-besch ichteter

Ko lben

21 Anbauf lansch

54 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Rail (Hochd ruckspeicher)

Rail (Hochdruckspeicher)

AufgabeDer Hochdruckspeicher (Rail) hat die Auf­gabe, den Kraftstoffbei hohem Druck zuspeichern. Dabei sollen Druckschwingun­gen, die durch die pulsierende Pumpen­förderung und die Einspritzungen ent­stehen, durch das Speichervolumen ge­dämpft werden. Damit ist sichergestellt,dass beim Öffnen des Injektors der Ein­spritzdruck konstant bleibt. Einerseitsmuss das Speichervolumen groß genugsein, um dieser Anforderung gerecht zuwerden. Andererseits muss es klein genugsein, um einen schnellen Druckautbaubeim Start zu gewährleisten. Zur Optimie­rung werden in der AuslegungsphaseSimulationsrechnungen durchgeführt.

Neben der Funktion der Kraftstoff­speicherung hat das Rail auch die Aufgabe,den Kraftstoff auf die Injektoren zuverteilen.

AnwendungDas rohrfönnige Rail (Bild 1, Pos. 1) kannwegen der unterschiedlichen Motorein­baubedingungen verschiedenartig gestal­tet sein. Es hat Anbaumöglichkeit für denRaildrucksensor (5) und das Druckbegren­zungsventil bzw. Druckregelventil (2).

Common Rail mit Anbaukomponenten

Der von der Hochdruckpumpe verdichteteKraftstoffwird über eine Kraftstoff-Hoch­druckleitung in den Zulauf (4) des Railgeleitet. Von dort wird er auf die einzelnenInjektoren verteilt (daher der Begriff"Common Rail", d.h. gemeinsameSchiene).

Der Kraftstoffdruck wird vom Raildruck­sensor (5) gemessen und über das Druck­regelventil (2) auf den gewünschten Wertgeregelt. Das Druckbegrenzungsventilwird - abhängig von den Systemanforde­rungen - als Alternative zum Druckregel­ventil eingesetzt und hat die Aufgabe, denKraftstoffdruck im Rail auf den maximalzulässigen Druck zu begrenzen. Über dieHochdruckleitungen (6) wird der hochver­dichtete Kraftstoffvom Rail zu den Injek­toren geleitet.

Das im Rail vorhandene Volumen ist stän­dig mit unter Druck stehendem Kraftstoffgefüllt. Die durch den hohen Druck er­reichte Kompressibilität des Kraftstoffswird ausgenützt, um einen Speichereffektzu erhalten. Wird nun Kraftstofffür eineEinspritzung aus dem Rail entnommen,bleibt der Druck im Hochdruckspeicherselbst bei Entnahme von größeren Kraft­stoffmengen nahezu konstant.

Bild 1

1 Rail

2 Druckregelventi l

3 Rücklaufvom Rail

zum Kraftstoff­

behälter

4 Zulauf von der

Hochdruckpumpe

5 Raildrucksensor

6 Hochdruckleitung

zum Injekto r

2

3 6

o

4

o

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Hochdrucksensoren I 55

Druck

Hochdrucksensor (Kennlinie, Beispiel)

v

Bild 1

1 Elektr ischer

Anschluss (Stecker )

2 Auswer teschaltu ng

3 Sta hlmemb ran mit

Dehnwi derstä nden

4 Druckanschluss

5 Befestigungs-

gew inde

0.5

4.5

dünnere Membran bei geringeren Drü­cken). Sobald der zu messende Druck überden Druckanschluss (4) auf die eine Seiteder Membran wirkt, ändern die Dehn­widerstände auf Grund der Membran­durchbiegung (ca. 20 um bei 1500 bar)ihren Widerstandswert.

Die von der Brücke erzeugte Ausgangs­spannung von 0...80 mV wird über Verbin ­dungsleitungen zu einer Auswerteschal­tung (2) im Sensor geleitet. Sie verstärktdas Brückensignal auf 0...5 V und leitet esdem Steuergerät zu, das daraus mithilfeeiner dort gespeicherten Kennlinie (Bild 2)den Druck berechnet.

Hochdrucksensor

jj~-20m

1

~ h... .... ...... ." 2

{1.~J 11J!J3

4

5

~P».w~;:J

"~

Diesel-Raildr ucksenso rDer Diesel- Raildrucksensor misst denDruck im Kraftstoffverteilerrohr (Rail) desDiesel-Speichereinspritzsystems CommonRaH.Der maximale Arbeitsdruck (Nenn­druck) Pmax liegt bei 200 MPa (2000 bar).Der Kraftstoffdruck wird in einem Regel­kreis geregelt. Er ist unabhängig von Lastund Drehzahl annähernd konstant. Even­tuelle Abweichungen vom Sollwert werdenüber ein Druckregelventil ausgeglichen.

AnwendungHochdrucksensoren werden im Kraftfahr­zeug zur Druckmessung von Kraftstoffenund von Bremsflüssigkeit angewandt:

Bremstlüssigkeit s-Dr ucksens orDer Hochdrucksensor misst den Brems­tlüssigkeitsdruck im Hydroaggregat vonFahrsicherheitssystemen (z.B. ESP), der inder Regel 25 MPa (250 bar) beträgt. Diemaximalen Druckwerte Pmax können bisauf 35 MPa (350 bar) ansteigen. Die Druck­messung und -überwachung wird vomSteuergerät ausgelöst und über Rückmel­dungen dort ausgewertet.

Hochdrucksensoren

Ben zin -RaildrucksensorDer Benzin- Raildrucksensor misst denDruck im Kraftstoffverteilerrohr (Rail) derDI-Motronic mit Benzin-Direkteinsprit­zung, der abhängig von Last und Drehzahl5...20 MPa (50 ...200 bar) beträgt. Der ge­messene Druck geht als Istgröße in dieRaildruckregelung ein. Der drehzahl- undlastabhängige Sollwert ist in einem Kenn­feld gespeichert und wird mit einem Druck­steuerventil im Rail eingestellt.

Aufbau und ArbeitsweiseDen Kern des Sensors bildet eine Stahl­membran, auf der Dehnwiderstände inBrückenschaltung aufgedampft sind (Bild1, Pos. 3). Der Messbereich des Sensorshängt von der Dicke der Membran ab(dickere Membran bei höheren Drücken,

56 I Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Druckregelven til

Druckregelventil

AufgabeDas Druckregelventil hat die Aufgabe, denDruck im Rail abhängig vom Lastzustanddes Motors einzustellen und zu halten:li>- Es öffnet bei zu hohem Druck im Rail,

sodass ein Teil des Kraftstoffs aus demRail über eine Sammelleitung zurückzum Kraftstoffbehälter gelangt.

li>- Es schließt bei zu niedrigem Druck imRail und dichtet so die Hochdruckseitegegen die Niederdruckseite ab.

AufbauDas Druckregelventil (Bild 1) hat einenBefestigungsflansch zum Anflanschen ander Hochdruckpumpe oder am Rail. DerAnker (3) drückt die Ventilkugel (6) in denDichtsitz, um die Hochdruckseite gegendie Niederdruckseite abzudichten: dazudrückt zum einen eine Ventilfeder (2) denAnker nach unten, zum anderen übt einElektromagnet (5) eine Kraft auf den An­ker aus.

Zur Schmierung und zur wärmeabfuhrwird der gesamte Anker mit Kraftstoff um­spült.

Druckregelventil angesteuertWenn der Druck im Hochdruckkreis er­höht werden soll, muss zusätzlich zur Fe­derkraft die magnetische Kraft aufgebautwerden. Das Druckregelventil wird ange­steuert und somit geschlossen, bis zwi­schen Hochdruckkraft einerseits und Mag­net- und Federkraft andererseits ein Kräf­tegleichgewicht erreicht ist. Dann bleibt esin einer geöffneten Stellung und hält denDruck konstant. Eine veränderte Förder­menge der Hochdruckpumpe sowie die Ent­nahme von Kraftstoff aus dem Hochdruck­teil der Injektoren gleicht es durch unter­schiedliche Öffnung aus. Die magnetischeKraft des Elektromagneten ist proportionalzum Ansteuerstrom. Die Variation desAnsteuerstroms wird durch Puls-Weiten­Modulation (Takten) realisiert. Die Takt­frequenz ist mit 1 kHz ausreichend hoch,um störende Ankerbewegungen bzw.Druckschwankungen im Rail zu vermetden.

AusführungenFür den Einsatz in Common Rail Systemender 1. Generation findet das Druckregel­ventil DRV1 Verwendung. CR-Systeme der2. und 3. Generation arbeiten nach dem

Bild 1

1 Elektrischer

Anschluss

2 Ventilfeder

3 Anker

4 Ventilgehäuse

5 Magnetspu le

6 Ventilkugel

7 Stützring

8 O-Ring

9 Filter

10 Hochdruckzulauf

11 Ventilkärper

12 Ablauf zum Nieder­

druckkreis

ArbeitsweiseDas Druckregelventil hat zwei Regelkreise:li>- einen langsameren elektrischen Regel-

kreis zum Einstellen eines variablenmittleren Druckwertes im Rail und

li>- einen schnelleren mechanisch-hydrau­lischen Regelkreis, der hochfrequenteDruckschwingungen ausgleicht.

Druckregelventil nicht angesteuertDer Hochdruck liegt über den Hochdruck­zulauf am Druckregelventil an. Da derstromlose Elektromagnet keine Kraft aus­übt, überwiegt die Hochdruckkraft gegen­über der Federkraft, sodass das Druck­regelventil öffnet und je nach Förder­menge mehr oder weniger geöffnet bleibt.Die Feder ist so ausgelegt, dass sich einDruck von ca. 100 bar einstellt.

Druckregelventi l DRV1 (Schnitt )

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems I Druckregelven til , Druckbegrenzungsventil I 57

Zweistellerkonzept, bei dem der Raildruckzum einen über die Zumesseinheit, zum an­dem aber auch über das Druckregelventileingestellt wird. In diesem Fall kommt dasDruckregelventil DRV2 oder die druckge­steigerte Variante DRV3 zum Einsatz. Durchdiese Reglerstrategie erreicht man eine ge­ringere Kraftstofferwärmung und kann aufeine Kraftstoffkühlung verzichten.

Das DRV2j3 (Bild 2) unterscheidet sich ge­genüber dem DRVl in folgenden Punkten:li>- harte Abdichtung der Hochdruck-

schnittstelle (Beißkante),li>- optimierter Magnetkreis (geringerer

Strombedarf),li>- flexibles Montagekonzept (freie Stecker­

orientierung).

Druckregelven til DRV2

Druckbegren zungsventil DBV4

'---5

•

Druckbegrenzungsventil

AufgabeDie Aufgabe des Druckbegrenzungsventilsentspricht dem eines Überdruckventils,wobei bei der neuesten Version des inter­nen Druckbegrenzungsventils eine Not­fahrtfunktion integriert worden ist. DasDruckbegrenzungsventil begrenzt denDruck im Rail, indem es bei zu hoher Be­anspruchung eine Ablautbohrung freigibt.Durch die Notfahrtfunktion wird nun ge­währleistet, dass ein gewisser Druck imRail erhalten bleibt und somit eine einge­schränkte Weiterfahrt möglich ist.

Aufbau und ArbeitsweiseBeim Druckbegrenzungsventil (Bild 3)handelt es sich um eine mechanisch arbei­tende Komponente. Es besteht aus folgen­den Bauteilen.li>- einem Gehäuse mit Außengewinde zum

Anschrauben an das Rail,li>- einem Anschluss an die Rücklaufleitung

zum Kraftstoffbehälter (3),li>- einem beweglichen Kolben (2) undli>- einer Druckfeder (5).

Das Gehäuse hat auf der Anschlussseitezum Rail eine Bohrung, die durch daskegelfönnige Ende des Kolbens am Dicht­sitz im Gehäuseinnern verschlossen wird.Eine Feder drückt bei normalem Betriebs­druck den Kolben dicht in den Sitz, sodassdas Rail geschlossen bleibt. Erst beim Über­schreiten des maximalen Systemdruckswird der Kolben durch den Druck im Railgegen die Feder aufgedrückt, und der un­ter Hochdruck stehende Kraftstoffkannentweichen. Hierbei wird der Kraftstoffdurch Kanäle in eine zentrische Bohrungdes Kolbens geleitet und über die Sammel­leitung zum Kraftstoffbehälter zurück­geführt. Mit dem Öffnen des Ventils ent­weicht Kraftstoff aus dem Rail, eine Druck­reduzierung im RaHist die Folge.

Bild 2

1 Filter

2 Beißkante

3 Venti lkugel

4 O-Ring

5 Uberw urfschraube

mit Sprengring

6 Anker

7 Magnet spule

8 elektrische r

Anschluss

9 Venti lfeder

Bild 3

1 Vent ileinsatz

2 Ventil kolben

3 Niederd ruckboreich

4 Ventil t räger

5 Druckfeder

6 Tellersche ibe

58 IEinspritzdüsen

Einspritzdüsen

Die Einspritzdüse spritzt den Kraftstoffin den Brennraum des Dieselmotors ein.Sie beeinflusst wesentlich die Gemisch­bildung und die Verbrennung und somitdie Motorleistung, das Abgas- und dasGeräuschverhaften. Damit die Einspritz­düsen ihre Aufgaben optimal erfüllen,müssen sie durch unterschiedliche Aus­führungen abhängig vom Einspritzsys­tem an den Motor angepasst werden.

Die Einspritzdüse (im Folgenden kurz"Düse" genannt) ist ein zentrales Elementdes Einspritzsystems, das viel technisches"Know-how' erfordert. Die Düse hat maß­geblichen Anteil an:li>- der Formung des Einspritzverlaufs

(genauer Druckverlaufund Mengenver­teilung je Grad Kurbelwellenwinkel),

li>- der optimalen Zerstäubung und Vertei­lung des Kraftstoffs im Brennraum und

li>- dem Abdichten des Kraftstoffsystemsgegen den Brennraum.

Die Düse unterliegt wegen ihrer exponier­ten Lage im Brennraum ständig pulsieren­den mechanischen und thermischen Belas­tungen durch Motor und Einspritzsystem.Der durchströmende Kraftstoffmuss dieDüse kühlen. Im Schubbetrieb, bei demnicht eingespritzt wird, steigen die Tem­peraturen an der Düse stark an. Ihre Tem­peraturbeständigkeit muss deshalb fürdiesen Betriebspunkt ausgelegt sein.

Bei den Einspritzsystemen mit Reihenein­spritzpumpen (PE), Verteilereinspritz­pumpen (VEjVR) und Vnit Pump (VP) sinddie Düsen mit Düsenhaltern im Motor ein­gebaut (Bild 1). Bei den Hochdruckein­spritzsystemen Common Rail (CR)undUnit Injector (VI) ist die Düse im Injektorintegriert. Ein Düsenhalter ist bei diesenSystemen nicht erforderlich.

Für Kammermotoren (IDI) werden Zapfen­düsen und bei Direkteinspritzern (DI)Lochdüsen eingesetzt.

Der Kraftstoffdruck öffnet die Düse. Düsen­öffnungen, Einspritzdauer und Einspritz­verlaufbestimmen im Wesentlichen dieEinspritzmenge. Sinkt der Druck, muss dieDüse schnell und sicher schließen. DerSchließdruck liegt um mindestens 40 barüber dem maximalen Verbrennungsdruckum ungewolltes Nachspritzen oder dasEindringen von Verbrennungsgasen zuverhindern.

Die Düse muss auf die verschiedenenMotorverhältnisse abgestimmt sein:li>- Verbrennungsverfahren (DI oder IDI),li>- Geometrie des Brennraums,li>- Einspritzstrahlform und Strahlrichtung,li>- "Durchschlagskraft" und Zerstäubung

des Kraftstoffstrahls,li>- Einspritzdauer undli>- Einspritzmenge je Grad Kurbelwellen­

winkel.

Standardisierte Abmessungen und Bau­gruppen gestatten die erforderliche Flexi­bilität mit einem Minimum an Einzelteil­varianten. Neue Motoren werden aufgrundder besseren Leistung bei niedrigeremKraftstoffverbrauch nur noch mit Direkt­einspritzung (d.h. mit Lochdüsen) ent­wickelt.

Die Einspr itzdüse als Schnittstelle zwischenEinspritzsystem und Dieselmotor

.!!!!-,",_.. PE

Düsenhalter

Einspritzduse

o~w

Brennraum des ':1Dieselmotors z

z

Dimensionen der Diesel-Einspritztechnik I 5!

Die Welt der Dieseleinspritzung ist eine Weltder Superlative,

Auf mehr als 1 Milliarde Offnungs- und

Schließ hübe kommt eine Düsennadel eines

Nkw-Motors in ihrem "Einspritzleben" , Sie

dichtet bis zu 2050 bar sicher ab und muss

dabei einiges aushalten:

~ sie schluckt die Stöße des schnellen Off­

nens und Schließena (beim Pkw geschieht

dies bis zu 10000-mal pro Minute bei Vor­

und Nacheinspritzungen),

~ sie widersteht den hohen Strömungs·

beleatungen beim Einspritzen und

~ sie hält dem Druck und der Temperatur

im Brennraum stand,

Was moderne EinspritzdOsen leisten, zeigen

folgende Vergleiche:

~ In der Einspritzkammer herrscht ein Druck

von bis zu 2050 bar, Dieser Druck ent­

steht, Wenn Sie einen Oberklassewagenauf einen Fingernagel stellen würden.

~ Die Einspritzdauer beträgt 1..,2 Milli­

sekunden (ms). In einer Millisekunde

kommt eine Schallwelle aus einem Laut­

sprecher nur ca. 33 crn weit.

~ Die Einspritzmengen variieren beim Pkw

ZWischen 1 rnme (Voreinspritzung) und

50 mme (Volllastmenge); beim Nkw

zwischen 3 mma (Voreinspritzung) und

350 rnrne (Volllastmenge) , 1 mme ent ­

spricht dem Volumen eines halben Steck­

nadelkopfs. 350 mma ergeben die Menge

von 12 großen Regentropfen (30 mmaje

Tropfen). Diese Menge wird innerhalb von

2 ms mit 2000 kmjh durch eine Öffnung

mit weniger als 0,25 mme Querschnitt ge­

drückt!

~ Das Führungeepie! der Düsennadel beträgt

0,002 mm (2 IJm), Ein menschliches Haar

ist äö-mal so dick (0,06 mm).

Die Erfüllung al! dieser Höchstleistungen

erfordert ein sehr großes Know-hcw in

Entwicklung. Werkstoffkunde, Fertigung

und Messtechnik,

Schall-geschwindigkeit 0.33 mims

- Einspritzzeit 1...2ms

.6Stacknadalkopf (2mm3)

<,

Einepritzrnenqe 1 ..350mm3~.

~~

,Druck 2050 bar • - '"

~ Fuhrunpeepial 0 002mm

60 I Einspritzdüsen I Lochdüsen

Bild 11 Düsenhalter oder

Injektor

2 Dichtscheibe

3 Lochdüse

y Neigung

S Spritzkegelwinkel

Lochdüsen

AnwendungLochdüsen werden für Motoren verwen­det, die nach dem Direkteinspritzverfah­ren arbeiten (Direct Injection, DI). DieEinbauposition ist meist durch die Motor­konstruktion vorgegeben. Die unter ver­schiedenen Winkeln angebrachten Spritz­löcher müssen passend zum Brennraumausgerichtet sein (Bild 1). Lochdüsen wer­den unterteilt in.. Sacklochdüsen und.. Sitzlochdüsen.

Außerdem unterscheiden sich Lochdüsenin ihrer Baugröße nach:.. TypP mit einem Nadeldurchmesser von

4 mm (Sack- und Sitzlochdüsen) oder.. TypSmit einem Nadeldurchmesservon

5 und 6 mm (Sacklochdüsen für Groß­motoren).

Bei den Einspritzsystemen Unit Injector(UI) und Common Rail (CR)sind die Loch­düsen in die Injektoren integriert. Dieseübernehmen damit die Funktion des Dü­senhalters.

Der Öffnungsdruck der Lochdüsen liegtzwischen 150 ...350 bar.

Posit ion der Lochdüse im Brennraum

R '- + - :2

~~~=r:3

AufbauDie Spritzlöcher (Bild 2, Pos. 6) liegen aufdem Mantel der Düsenkuppe (7). Anzahlund Durchmesser sind abhängig von.. der benötigten Einspritzmenge,.. der Brennraumfonn und.. dem Luftwirbel (Drall) im Brennraum.

Der Durchmesser der Einspritzlöcher istinnen etwas größer als außen. Dieser Un­terschied ist über den k-Faktor definiert.Die Einlaufkanten der Spritzlöcher könnendurch hydroerosive (HE-)Bearbeitung ver­rundet sein. An Stellen, an denen hoheStrömungsgeschwindigkeiten auftreten(Spritzlocheinlauf), runden die im HE­Medium enthaltenen abrasiven (material­abtragenden) Partikel die Kanten ab. DieHE-Bearbeitung kann sowohl für Sack­loch- als auch für Sitzlochdüsen ange­wandt werden. Ziel dabei ist es,.. den Strömungsbeiwert zu optimieren,.. den Kantenverschleiß, den abrasive

Partikel im Kraftstoffverursachen, vor­wegzunehmen und/oder

.. die Durchflusstoleranz einzuengen.

Die Düsen müssen sorgfältig auf die gege­benen Motorverhältnisse abgestimmt sein.Die Düsenauslegung ist mitentscheidendfür.. das dosierte Einspritzen (Einspritzdauer

und Einspritzmenge je Grad Kurbel­wellenwinkel),

.. das Aufbereiten des Kraftstoffs (Strahl­anzahl, Strahlform und Zerstäuben desKraftstoffstrahls),

.. die Verteilung des Kraftstoffs im Brenn­raum sowie

.. das Abdichten gegen den Brennraum.

Die Druckkammer (10) wird durch elektro­chemische Metallbearbeitung (ECM)ein­gebracht. Dabei wird in den gebohrtenDüsenkörper eine Elektrode eingeführt,die von einer Elektrolytlösung durchspültwird. Am elektrisch positiv geladenenDüsenkörper wird Material abgetragen(anodische Auflösung).

Einspritzdüsen I Lochdüsen I 61

Sacklochdüse

Bild 2

1 Hubanschlagf läche

2 Fixiertohruns

3 Druckschulter

4 doppelte Nadelfüh-

rung

5 Nadelschaft

6 Spritzloch

7 Düsenkuppe

8 Düsenkörperschaft

9 Düsen körper-

scnulter

10 Druckkammer

11 Zulaufbohrung

12 Nadelführung

13 Düsenkörperbund

14 Dichtfläche

Bild 3

1 Absetzkante

2 Sitzeinlauf

3 Nadelsitz

4 Nadelspitze

5 Spri tzloch

6 runde Kuppe

7 zylindrisches Sack-

loch (Restvolumen )

8 Spritzlocheinlauf

9 Kehlrad ius

10 Düsenkuppenkegel

11 Düsenkörpersitz

12 Dämpfungskegel

F, Federkraft

FD durch den Kraft­

stoffdruck resul tie ­

rende Kraft an der

Druckschulter

-12

NMK1650-3Y

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-11

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2

5- - -+-+!l-

Bezeichnungen an einer Düsenk uppe mitzylindrischem Sackloch und runder Kuppe

6---~

4----'15----

1­2-

SacklochdüseDie Spritzlöcher der Sacklochdüse (Bild 2,Pos. 6) sind um ein Sackloch angeordnet.

Bei einer runden Kuppe werden dieSpritzlöcher je nach Auslegung mecha­nisch oder durch elektrischen Teilchen­abtrag (elektroerosiv) gebohrt.

Sacklochdüsen mit konischer Kuppesind generell elektroerosiv gebohrt.

Sacklochdüsen gibt es mit zylindrischemund mit konischem Sackloch in verschie­denen Abmessungen.

AusführungenDer Kraftstoff im Volumen unterhalb desNadelsitzes der Düsennadel verdampftnach der Verbrennung und trägt damitwesentlich zu den Kohlenwasserstoff­Emissionen des Motors bei. Daher ist eswichtig, dieses Volumen (Rest- oder Schad­volumen) so klein wie möglich zu halten.

Außerdem hat die Geometrie des Nadel­sitzes und die Kuppenform entscheiden­den Einfluss aufdas Öffnungs- und Schließ­verhalten der Düse. Dies hat Einfluss aufdie Ruß und NOx-Emissionen des Motors.

Die Berücksichtigung dieser Faktorenhaben - je nach Anforderungen des Motorsund des Einspritzsystems - zu unterschied­lichen Düsenausführungen geführt.

Grundsätzlich gibt es zwei Ausführungen:li>- Sacklochdüsen undli>- Sitzlochdüsen.

Die Sacklochdüse mit zylindrischem Sack­loch und runder Kuppe (Bild 3), die auseinem zylindrischen und einem halbkugel­f6rmigen Teil besteht, hat eine hohe Aus­legungsfreiheit bezüglich Lochzahl, Loch­länge und Spritzlochkegelwinkel. DieDüsenkuppe hat die Form einer Halbkugelund gewährleistet damit - zusammen mitder Sacklochform - eine gleichmäßigeLochlänge.

Bei den Sacklochdüsen werden unter­schiedliche Varianten eingesetzt.

62 I Einspritzdüsen I Lochdüsen

Die Sacklochdüse mit zylindrischem Sack­loch und konischer Kuppe (Bild 4a) gibtes nur für Lochlängen von 0,6 mm. Diekonische Kuppenform erhöht die Kuppen­festigkeit durch eine größere Wanddickezwischen Kehlenradius (3) und Düsen­körpersitz (4).

Düsenkuppen

Die Sacklochdüse mit konischem Sacklochund konischer Kuppe (Bild 4b) hat ein ge­ringeres Restvolumen als eine Düse mitzylindrischem Sackloch. Sie liegt mit ihremSacklochvolumen zwischen Sitzlochdüseund Sacklochdüse mit zylindrischem Sack­loch. Um eine gleichmäßige Wanddickeder Kuppe zu erhalten, ist die Kuppe ent­sprechend dem Sackloch konisch aus­geführt.

SitzlochdüseUm das Restvolumen - und damit die HC­Emission - zu minimieren, liegt der Spritz­lochanfang im Düsenkörpersitz. Bei ge­schlossener Düse deckt die Düsennadelden Spritzlochanfang weitgehend ab, so­dass keine direkte Verbindung zwischenSackloch und Brennraum besteht (Bild 4d).Das Sacklochvolumen ist gegenüber derSacklochdüse stark reduziert. Sitzlochdü­sen haben gegenüber Sacklochdüsen einedeutlich geringere Belastungsgrenze undkönnen deshalb nur mit einer Lochlängevon 1 mm ausgeführt werden. Die Kuppen­form ist konisch ausgeführt. Die Spritzlö­cher sind generell elektroerosiv gebohrt.

Eine Weiterentwicklung der Sacklochdüseist die Mikrosacklochdüse. (Bild 4c). IhrSacklochvolumen ist um ca. 30% gegen­über einer herkömmlichen Sacklochdüsereduziert. Diese Düse eignet sich beson­ders für Common Rail Systeme, die mit re­lativ langsamem Nadelhub und damit miteiner vergleichsweise langen Sitzdrosse­lungbeim Öffnen arbeiten. Die Mikrosack­lochdüse stellt für die Common Rail Sys­teme derzeit den besten Kompromiss zwi­schen einem geringen Restvolumen undeiner gleichmäßigen Strahlverteilung beimÖffnen dar.

Besondere Spritzlochgeometrien, einedoppelte Nadelführung oder komplexeNadelspitzengeometrien verbessern dieStrahlverteilung und somit die Gemisch­bildung bei Sack- und Sitzlochdüsen nochweiter.

5 --- \ --+-=t

2 - - -\

a

c

Bild 4

a Zy1indrisches

Sackloch und

konische Kuppe

b konisches Sack-

loch und konische

Kuppe

c Mikrosackloch

d Sitzlochdüse

1 ----'H ,-J'c4--=---- 3

2 - - -''-./

1 Zy1indrisches

Sackloch

2 konische Kuppe

3 Kehlradius

4 Düsenkörpersitz

5 konisches Sackloch

WärmeschutzBei Lochd üsen liegt di e obere Temperatu r ­gre nze be i :i ()()"C (Wärmefestigke it desMateriills). Für besonder s schwierige An­wend ungs falle ste he n wä nncschurzhü tscnodc r für größer e Motoren sogar ge kühlteEinspritzdüse n zur Verfügung.

Elnsprludii sen I lochdii.en I 63

Lochdüsen haben bis zu sechs (I'kw) bzw,ze hn Löcher (Nkw). Ziel für zukünft igeEntwick lungen ist es, di e Zahl der Spruz ­löcher noch weit er zu e rhöhen lind ihrennnrchmcsscr zu verringe rn « 0, 12 11Im),um eine noch feinere Vert eilung des Kraft ­stoffs zu er reiche n.

Einfluss auf die EmissionenDie nüscn gcomcmc ha t direkten Einflussau f die Schadstoffemission en des Molo rs:~ Die Spr tt zloch gcomeme (Bild 5, Pos. I )

beei nflusst d ie Parukcl- und NOx-Emis­sinne n.

~ Die Sitzge ome tr ie (2) beei nfl usst d urchih re Wirku ng aor dre pjJot m('nge - d .h .die Menge zu Begin n der Einsprit zung ­das Motorgerä usch. Ziel bei der Opnrrue­rung der Spritzlocb - und Sitzge ometrieist es , ein robustes Ilt'sign mit ei nem pro­zcssfä htgen I'ertigungsablau f in kleinst ­miiglichen Teleran zen zu erreic he n.

~ Die Sackloc hge umetr-ie Ci) beein flusstwie ber eit s zuvor erwä hnt die uc-gm ts ­sto nen. Aus ein em . Jxrscnba ukas rcn"kan n der Konstruk teur d ie fahrzeugsp e ­zifische Uprimafvar ian te au swählen.

Daher ist es wtrhttg. da ss die nüscn gcnaua n da s Fahrzeug , den Motor und das Ein­spr itzsystem ang epa sst sind . Im Serv icefalldü r fen nu r Original-Ersa tz teile ve rwendetwerden, um die Leistu ng un d die sc had ­stoffe rmsston e n des JI.!oto rs nicht zu ver­schlechte rn,

Stra hlforme nGrundsätzlich ist der Einsprhzst rahl fürl'kw-Motorenlang und schmal, da dieseMotoren einen sta rken Drall im Brennra umerzeu gen. Bei Nkw-Motore n ist sehr wenigDrall vorha nde n, Deshalb ist der Stra hl kurzund banehig . Die Einsprttzstr ahlen dürfena uch bei gro ßem Drall nie gege nseitig auf­ein ander treffen, sonst würde der Kraftstoffin d ie Bereich e ein gespr itzt , in denen be­re its eine Verbrennung stattge funden hatund somit Luftmangel herrsch t. Dies würdezu starke r Rußentwicklun g führen.

Enl scheidende Slel len der Oiisenge<>metde

/1,-1\-- -11I.\

1- ', """'-0 "1.....

Bezeichnungen an einer Düsen ~u ppe milzylindr ischem S<lckloch und runder Kuppe

mm ,-----------,

0.25 - - _._--r--r,,-_._- -

Bild 5

I Sp'iUloch ­

geometrie

2 Sill~eomelrie

3 Sacklochgeomelrie

64 I Elnsp<ltzdüsen I We itere ntw ic~ lung der Dü. e

Weiterentwicklung der Düse En tw ic~lung"chw<>rpun kte der Oü<e ne n tw ic~lung

o

~",z

u

I/ r

Spritzloch-• Durchmesser- E inlaufkontur-Form-Oberü äche. Variabilität

//LangzeitslabilitätSilzgeomelrie / I

Warmhärte-l ;'-;::~l~_~Körper /

SchadvolumeJSackioch

Druckschwall-festigkeit --'----1Totvolumerl- - - - - ,_,

Einspritz· ~verlaufsformung

Durcnnuas-Tolerarl;r---

Tribologie -----ITr r l l ll

Bei der Weiterentw ick lung de r Düse gib t esverschiedene Schwerpunktbere iche (BildI) und Entw icklungswer kzeuge (Bild 2).Auch werden laufen d neue Werkstoffe füreine höhere Dauerbelastbarkeil entw icke lt.Die Meh rfachein sprttzung hat ebenfallsAuswirkungen auf d ie Gesta ltung der Düse.

Der Einsa tz anderer Kraftstoffe ta. B.Designer-Fuels ) bee influsst d ie Gesta lt derDüse wegen der abweichenden Viskositätode r eine m ande ren St röm ungsverhalten.

Diese Veränderungen erfordern zumTeil auc h neue Fer tigungsverfahren wiezum Beispie l das Laserbohren de r Spritz­Weher .

Angesichts der hochdy nami sche n Entwick­lung neue r, hochbelasteter Motoren undEinspritz systeme mit höherer runkuona­ltr ät (z. B. Mehrfacheinspritzungj ist eineständ ige Weite rentwicklung de r Düse not­wendi g. Zudem gibt es vie le Ansatzpunkt e,um mit innovati ven Lösungen an der n üseauch in Zukunft weite re Verbesse rungendes Diese lmotors au erretc hen. Die wich ­tigste n Ziele sind:• I\l inimieru ng de r gohemtssto nen, um

den Aufwand für e ine teu re Abga sna ch ­behandlung Iz. B. Part lkelfllter ) zu ver­r inge rn oder ganz zu ve rmeide n,

• Minimierung des kra ftstoffverbrauchs,• Optimier ung des Motorger äuschs.

Entwicklungsw<>rk,euge bei der Düsenentw icklung

~ Dieseleins p ritzung Ist Präzisionstechnik

Dieseleinspritzung ist Präzisionstechnik I 65

Bei Dieselmotoren denken viele Laien eher

an groben Maschinenbau als an Präzisions ­

mechanik. Moderne Komponent en der Diesel­

einspritzung bestehen jedoch aus hoch

präzisen Teilen, die extremen Belastungen

ausgesetzt s ind.

Die Einspritzdüse ist di e Schnittstelle zw i­

schen dem Einspritzsystem und dem Motor.

Sie muss über die gesamte Lebensdauer

des Motors exakt öffn en und schließen.

Im geschlossenen Zustand dürfen keine

Lecks entstehen. Dies würd e den Kraftstoff­

verbr auch erhöhen, di e Abgasemissionen

verschl echtern oder sogar zu Motorschäden

führen.

Damit di e Düsen bei den hohen Drücken

der modernen Einspritzsysteme VR (VP44),

eR, UPS und UIS (bis zu 2050 bar) sicher

abdichten, müssen s ie speziell konstruiert

und sehr genau gefert igt sein. Hier einige

Beispiele,

~ Damit di e Dichtfläche des Düsenkörpers

(1) sicher abdichtet, hat sie eine maximal e

Formabweichung von 0,001 mm (1 um).

Das heißt, sie muss auf ca. 4000 Metali ­

atom lagen genau geferti gt we rde n!

~ Das Führungsspiel zw ischen Düsen­

nadel und Düsenkörper (2) beträ gt

0,002 ...0,004 mm (2...4 um). Die Form­

abweichungen sind durch Feinst bear­

beitu ng ebenfalls kleiner als 0,001 mm

(1 um).

Die feinen Spri tzlöcher (3) der Düsen we r­

den bei der Herstellu ng erodie rt (elektro ­

erosives Bohren). Beim Erodieren verdampft

das Metall durch d ie hohe Temperatur

bei der Funkenentladung zwischen einer

Eiekt rode und dem Werkstück. Mit präzise

gefertigten Elekt roden und exakte r Ein­

stell ung der Parameter können sehr genaue

Bohrungen mit Durchm essern von 0,12 mm

hergestellt we rden. Der kleinste Durchm es­

ser der Einspritzlöcher ist damit nur dop pelt

so groß w ie der eines menschlichen Haars

(0,06 mm) . Um ein besseres Einspritzver-

halten zu erreichen, we rden die Einlauf­

kanten der Einspritzlöcher durch Strömungs­

schleifen mit eine r speziel len Flüssigkeit

verrund et (hydroerosive Bearbeit ung).

Die winzigen Tole ranzen erforde rn speziel le,

hochgenaue Messverfahren wie zum Beispie l,

~ die optische 3-D-Koordina tenmess-

maschine zum Verm essen der Einspritz­

löcher oder

"" die Laserint erf erom etri e zum Messen

der Ebenheit der Düsendichtfläc he.

Die Fert igung der Komponent en zur Diesel­

einspritz ung ist also "Hightech" in Großserie.

a Hier kommt es auf Präzision an

2- - -+

3- ---,..,_ '"

Dichtfläche des

Düsenköruers

Führungsspiel

zwischen

Düsennade! und

Düsenkorper

3 Spri tz loch

66 I Hochdruckverbindungen I Hoehdruekansehlüsse

Hochd ruckverbi nd ungen

Bild 1

1 Druekseheibe

2 Uberwurfmutter

3 Rohrdiehtkegel

der Hoehdruek­

Kraftstoffleitung

4 Druckanschluss der

Einspritzpumpe

oder des Düsen­

halters

Bild 2

1 Diehtfläehe

d Außend urcnrnesser

der Leitun g

d, Innenourc hrnesser

der Leitun g

<k rnne neu rchrnesser

des Kegels

d, Außendurcn rnesser

des Kegels

k Länge des Kegels

Ri , R2 Radien

Die Hochdruck-Kraftstoffleitungen undihre Anschlüsse stellen die Verbindun­gen zwischen Einspritzpumpe(n) undden Düsenhalterkombinationen der ein­zelnen Zylinder bei Reiheneinspritzpum­pen, VerteHereinspritzpumpen und beimUnit Pump System her. Beim CommonRaH System bilden sie die Verbindungzwischen der Hochdruckpumpe und demRaH sowie zwischen dem RaH und denInjektoren. Das Unit Injector System be­nötigt keine Hochdruckleitungen.

Hochdruckanschlüsse

Die Hochdruckanschlüsse müssen gegenden Kraftstoffmit maximalem System­druck sicher abdichten. Man unterschei­det folgende Anschlussarten:li>- Dichtkegel mit Überwurfmutter,li>- Druckrohrstutzen undli>- Traverse.

Dichtkegel mit OberwurfmutterDie Anschlussart "Dichtkegel mit Über­wurfmutter" (Bild 1) wird bei allen obengenannten Einspritzsystemen verwendet.Die Vorteile dieser Verbindung sind:li>- Einfache Anpassung an das Einspritz­

system.

Hoehdruekansehluss mit Diehtkegel undUberwurfmu tter

2

3- +--+

4- --== '-'

li>- Die Verbindung kann mehrfach gelöstund angezogen werden.

li>- Der Dichtkegel kann aus dem Grund­material geformt werden.

Am Ende der Hochdruckleitung befindetsich der gestauchte Rohrdichtkegel (3). DieÜberwurfmutter (2) drückt den Dichtkegelin den Druckanschluss (4) und dichtet da­mit ab. Einige Verbindungen haben zusätz­lich eine Druckscheibe (1). Sie verteilt denDruck der Überwurfmutter gleichmäßigerauf den Dichtkegel. Am Dichtkegel dürfenkeine Verengungen des Querschnitts vor­handen sein, die den Kraftstofffluss behin­dern. Meist werden gestauchte Rohrdicht­kegel nach DIN 73365 verwendet (Bild 2).

DruckrohrstutzenDruckrohrstutzen (Bild 3) werden beischweren Nkw für die Systeme Unit Pumpund Common Rail eingesetzt. Bei der An­wendung des Druckrohrstutzens muss dieKraftstoffleitung nicht um den Zylinder­kopfherum zum Düsenhalter bzw. Injektorgeführt werden. Dies ermöglicht kürzereKraftstoffleitungen und kann Platz- oderMontagevorteile bringen.

Die Schraubverbindung (8) drückt denDruckrohrstutzen (3) direkt in den Düsen­halterhalter (1) bzw. Injektor. Er enthält

Angestaueh ter Diehtkegel (Hauptmaße)

k

auch einen wartungsfreien Stabfilter (5),der grobe Verunreinigungen im Kraftstoffzurückhält. Am anderen Ende ist er übereinen konventionellen Druckanschluss mitDichtkegel und Überwurfmutter (6) mitder Hochdruckleitung (7) verbunden.

TraverseBei einigen Pkw-Anwendungen wird dieTraverse (Bild 4) eingesetzt. Sie eignet sichfür die Anwendung bei beengten Platzver­hältnissen. In der Traverse sind Bohrungenfür den Kraftstoffzu- und -rücklauf (9,7)angebracht. Eine Schraube (1) drückt dieTraverse auf den Düsenhalter (5) und dich­tet damit die Verbindung ab.

Beispiel eines Druckrohrst utzens

Hochdruckverbindungen I Hochdruckansch lüsse, Hochdru ck-Kraft stoff leit ungen I er

Hochdruck­Kraftstoffleitungen

DieHochdruck-Kraftstoffleitungen ("Hoch­druckleitungen") müssen dem maximalenSystemdruck und den zum Teil hochfre­quenten Druckschwankungen standhalten.Sie bestehen aus nahtlosen Präzisions­Stahlrohren aus beruhigt vergossenenStählen mit besonders gleichmäßigemGefüge. Sie habenje nach Pumpengrößeunterschiedliche Abmessungen (Tabelle 1,nächste Seite).

Alle Hochdruckleitungen sind ohneenge Biegungen verlegt. Ihr Biegeradiusdarfnicht weniger als 50 mm betragen.

10

7

Bild 3

1 Düsenhalter

2 Dichtkegel

3 Druckrohrst utzen

4 Dichtung

5 Stabfilter

6 Uberw urf mutt er

7 Hochdruck-

Kraftstoffleitu ng

Schraub­

verbindungen

Zylinderkopf

Bild 4

1 Spannschraube

2 Traverse

3 Formd ichtring

4 Stabfil ter

5 Düsen halter

6 Zylinderkopf

7 Kraftstoffrücklauf

(Leckölleitu ng)

8 Uberwurfmutter

9 Hochdruck­

Kraftstoffleitu ng

10 Klemmstück

68 I Hochdruckverbindungen I Hochdruck-Kraft stoffl e it ungen

Die Länge, der Leitungsquerschnitt und dieWandstärke der Hochdruckleitungen ha­ben Einfluss auf den Einspritzverlauf. ZumBeispiel beeinflusst der InnendurchmesserwegenDrosselverlustenoderKompressions­effekten die Einspritzmenge. Daraus er­geben sich vorgeschriebene Leitungs­abmessungen, die genau einzuhalten sindSie dürfen bei Wartungsarbeiten nicht ver­ändert werden. Defekte Hochdruckleitun­gen müssen durch Originalteile ersetzt wer­den. Wie bei allen Wartungsarbeiten amEinspritzsystem dürfen auch hierbei keineVerunreinigungen in das System gelangen.

Generell wird bei der Entwicklung desEinspritzsystems angestrebt, die Hoch­druckleitungen so kurz wie möglich zuhalten. Kurze Leitungen verbessern dasEinspritzverhalten.

Während der Einspritzung entstehen inden Leitungen Druckwellen, die sich mitSchallgeschwindigkeit ausbreiten und anden Endenreflektiertwerden ("Brandungs­wellen effekt"). Beim Common RailSystembeeinflussen sich die dicht aufeinanderfolgenden Einspritzungen in einem Verbren­nungs takt durch die jeweils ausgelöstenDruckwellen gegenseitig. Sowirdz. B. dieMenge der Haupteinspritzung abhängig vonVoreinspritzmenge undAbs tandzur Vorein­spritzungbeeinflusst. Der Effektwirdbeider Festlegung von Kennfeldern oder durchdie Druckwellenkorrekturin der Softwareausgeglichen.

Die Hochdruckleitungen sind für jedenZylinder gleich lang. Die verschiedenenAbstände zwischen dem jeweiligen Aus­gang der Einspritzpumpe bzw. des Railsund dem zugehörigen Motorzylinder wer­den durch mehr oder weniger starke Bie­gungen im Leitungsverlauf ausgeglichen.

DieDruckschwellfestigkeit der Hochdruck­leitungen hängt vor allem vom Werkstoffund dergrößten Rautiefe - also der 0 ber­flächenbeschaffenheit - aufder Leitungs­innenwandung ab. Wenn besonders hoheAn-sprüche an die Festigkeit der Leitungengestelltwerden, können autofrettierteHochdruckleitungen Verwendung finden(Einsatzbereich ab 1400 bar). Sie werdenvor der Montage am Motorin bereits pass­gerechtgebogenem Zustand unter sehrho­hen Druck gesetzt (bis 3800 bar). Anschlie­ßendwird der Druck blitzartig abgebaut.Dieses Verfahren führt zu einer Material­verdichtung an der Leitungsinnenwandungund damit zu einer zusätzlichen innerenFestigkeit.

Bei Fahrzeugmotoren sind die Hoch­druckleitungen normalerweise mit Klemm­stücken fixiert, die in definierten Abstän­den angebracht sind. Äußere Schwingun­gen übertragen sich damit nicht oder nurgeringfügig auf die Hochdruckleitungen.

Die Abmessungen der Hochdruckleitun­gen für Prüfstände haben eine höhereGenauigkeit.

Tabelle 1

d Außendurchmesser

der Leit ung

~ Innendurchmesser

der Leitung

Die fettgedruckten

Wandstärken sind zu

bevorzugen.

Die Maße der Hoch­

druckleitungen werden

in der Regel wie folgt

angegeben:

dxsxlI Leitungslänge

4

5

6

8

10

12

14

17

19

22

Wandstärke s

1,3 1,25 1,2

1,8 1,75 1,7 1,6

2,25 2,2 2,1 2

3

1,9 1,75 1,6 1,5

2,9 2,75 2,6 2,5 2,2 2

3,75 3,6 3,5 3,2 3 2,75 2,5

4,5 4,2 4 3,75 3,5

5 4,75 4,5 4 3

6 5,5 5 4,5

5

7

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69 I w~!OlIsJJOlSlJ"'~·~"I1JP4:>OH W! UO!}el!Ae}I

70 I Elektronische Dieselregelung I Systemübersicht

Elektronische Dieselregelung EDCfür Common RailDie elektronische Steuerung des Diesel­motors erlaubt eine exakte und differen­zierte Gestaltung der Einspritzgrößen.Nur so können die vielen Anforderungenerfüllt werden, die an einen modernenDieselmotor gestellt werden. Die ,,Elek­tronische Dieselregelung" EDC (Electro­nic Diesel Control) wird in die dreiSystemblöcke "Sensoren und Sollwert­geber", "Steuergerät" und "Stellglieder(Aktoren)" unterteilt.

Systemübersicht

Anforderungen

Die Senkung des Kraftstoffverbrauchs undder Schadstoffemissionen (NOx, CO,HC,Partikel) bei gleichzeitiger Leistungsstei­gerung bzw. Drehmomenterhöhung derMotoren bestimmt die aktuelle Entwick­lung auf dem Gebiet der Dieseltechnik.Dies führte in den letz ten lahren zu einemerhöhten Einsatz von direkt einspritzen­den Dieselmotoren (DI),bei denen die Ein­spritzdrücke gegenüber den indirekt ein­spritzenden Motoren (IDI) mit Wirbelkam­mer- oder Vorkammerverfahren deutlichhöher sind. Aufgrund der besseren Ge­mischbildung und fehlender Überström­verluste zwischen Vorkammer bzw. Wirbel-

Systemblöcke der EDC

kammer und dem Hauptbrennraum istder Kraftstoffverbrauch der direkt ein­spritzenden Motoren gegenüber indirekteinspritzenden um 10 ...20 % reduziert.

Weiterhin wirken sich die hohen Ansprü­che an den Fahrkomfort auf die Entwick­lung moderner Dieselmotoren aus. Auchan die Geräuschemissionen werden immerhöhere Forderungen gestellt.

Daraus ergaben sich gestiegene An­sprüche an das Einspritzsystem unddessen Regelung in Bezug auf:li>- hohe Einspritzdrücke,li>- Einspritzverlaufsfonnung,li>- Voreinspritzung und gegebenenfalls

Nacheinspritzung,li>- an jeden Betriebszustand angepasste(r)

Einspritzmenge, Ladedruck und Spritz­beginn,

li>- temperaturabhängige Startmenge,li>- lastunabhängige Leerlaufdrehzahl-

regelung,li>- geregelte Abgasrückführung,li>- Fahrgeschwindigkeitsregelung sowieli>- geringe Toleranzen der Einspritzzeit

und -menge und hohe Genauigkeit wäh­rend der gesamten Lebensdauer (Lang­zeitverhalten).

Sensoren und Sollwertgeber

Fahrpedalsensor~Lufbnassensensor ~IijllHallerucksensor "-::;l.LLadedrucksensor ..., E~

TemperabJrsensoren; r(Luft und Kühlmittel)

Lambda-Sonde 0:_Drehzahlsensoren(Kurbelwelle,Nockenwelle)

Bremsschalter -=~KupplungssmalterStartsmalter

ADe

11

[>

Steuergerät

Funktionsrechnet

Aktoren

Injektoren

J IJ§~:""ßiDrosselklappensteller

IIII~\ Khmakompressor~C\ Zusatzheizung

~~\ LUfte r1: Rarldrud<regelvenbl 0

Bekuonsche ~Abstellung (EAB) ~

DIagnoselampe z~

Die herkömmliche mechanische Dreh­zahlregelung erfasst mit diversen An­passvor-richtungen die verschiedenenBetriebszustände und gewährleistet einehohe Qualität der Gemischautbereitung.Sie beschränkt sich allerdings auf eineneinfachen Regelkreis am Motor und kannverschiedene wichtige Einflussgrößennicht bzw. nicht schnell genug erfassen.

Die EDC entwickelte sich mit den steigen­den Anforderungen vom einfachen Systemmit elektrisch angesteuerter Stellwelle zueiner komplexen elektronischen Motor­steuerung, die eine Vielzahl von Daten inEchtzeit verarbeiten kann. Sie kann Teileines elektronischen Fahrzeuggesamtsys­tems sein (Drive by wire). Durch die zuneh­mende Integration der elektronischen Kom­ponenten kann die komplexe Elektronikauf engstem Raum untergebracht werden.

ArbeitsweiseDie Elektronische Dieselregelung (EDC) istdurch die in den letzten Jahren stark ge­stiegene Rechenleistung der verfügbarenMikrocontroller in der Lage, die zuvor ge­nannten Anforderungen zu erfüllen.

Im Gegensatz zu Dieselfahrzeugen mitkonventionellen mechanisch geregeltenEinspritzpumpen hat der Fahrer bei einemEDC-System keinen direkten Einfluss aufdie eingespritzte Kraftstoffmenge, z. B.

über das Fahrpedal und einen Seilzug. DieEinspritzmenge wird vielmehr durch ver­schiedene Einflussgrößen bestimmt. Diessind Z.B.:li>- Fahrerwunsch (Fahrpedalstellung),li>- Betriebszustand,li>- Motortemperatur,li>- Eingriffe weiterer Systeme (z. B. ASR),li>- Auswirkungen auf die Schadstoff-

emissionen usw.

Die Einspritzmenge wird aus diesen Ein­flussgrößen im Steuergerät errechnet.Auch der Einspritzzeitpunkt kann variiertwerden. Dies bedingt ein umfangreichesÜberwachungskonzept, das auftretendeAbweichungen erkennt und gemäß der

Elektronische Dieselregelung I Systemübersicht I 71

Auswirkungen entsprechende Maßnah­men einleitet (z. B. Drehmomentbegren­zung oder Notlauf im Leerlaufdrehzahl­bereich). In der EDCsind deshalb mehrereRegelkreise enthalten.

Die Elektronische Dieselregelung ennög­licht auch einen Datenaustausch mit ande­ren elektronischen Systemen wie z. B.

Antriebsschlupfregelung (ASR), Elektro­nische Getriebesteuerung (EGS) oderFahrdynamikregelung mit dem Elektro­nischen Stabilitätsprogramm (ESP).Damitkann die Motorsteuerung in das Fahrzeug­Gesamtsystem integriert werden (z. B.

Motormomentreduzierung beim Schaltendes Automatikgetriebes, Anpassen desMotormoments an den Schlupf der Räder,Freigabe der Einspritzung durch die Weg­fahrsperre usw.).

Das EDC-System ist vollständig in dasDiagnosesystem des Fahrzeugs integriert.Es erfüllt alle Anforderungen der OBD(On-Board-Diagnose) und EOBD (Euro­pean OBD).

SystemblöckeDie Elektronische Dieselregelung (EDC)gliedert sich in drei Systemblöcke (Bild 1):

1. Sensoren und Sollwertgeber erfassendie Betriebsbedingungen (z. B. Motordreh­zahl) und Sollwerte (z. B. Schalterstellung).Sie wandeln physikalische Größen in elek­trische Signale um.

2. Das Steuergerät verarbeitet die Infor­mationen der Sensoren und Sollwertgebernach bestimmten mathematischen Rechen­vorgängen (Steuer- und Regelalgorithmen).Es steuert die Stellglieder mit elektrischenAusgangssignalen an. Ferner stellt dasSteuergerät die Schnittstelle zu anderenSystemen und zur Fahrzeugdiagnose her.

3. Stellglieder (Aktoren) setzen die elektri­schen Ausgangssignale des Steuergeräts inmechanische Größen um (z. B. das Magnet­ventil für die Einspritzung).

72 I Elektronische Dieselregelung I Common Rail System f ür Pkw

Common Rail System für Pkw

Übersich t der EDC-Komponenten für Common Rail Systeme im Pkw

,

t,

Hall-DnjckreqefverülHochdruckpumpe

-~ Abgasrü::kführsleller

-~ Ladedru::ksteller*

-~ Drosselktappensteller

-~ Zusatzheizung*

Einlasskanal-Umschaltung*

-~ Lufersteuenrq"

I-I Starter"

-~zusätzlicheEnosturen"

Aktoren

ISO-&:hnittstelle(z. S. Diagnose)

Glühzeitsteuergerät

Drehzahlsignal (TU)

Diagnoselampe

CAN-&:tmittstelle

0

Kommunikation ;;~@~

Injektoren(max.8 pro steuergerät)

+ 12V

Spannungsversorgung

Funktionen- Leerlaulregelung- Zwischendrehzahl-

regelung- Laulruheregelung- Aktiver Ruckeldämpler- externerMomenteneingriff

- Weglahrsperre- Mengenregelung und

-begrenzung- Fahrgeschwindigkeits-

regelung (FGR)*- Fahrqeschwlndq­

keitsbegrenzung*- ZylinderabschaRung- Kraftstollmengen-

regelung- Raildruckregelung- Spritzbeginnstwerung- steuerungderVoreinspritzung

- steuerungderNacheinspritzung*

- zusätzlicheSonderanpassungen*

Diagnoselunktionen- Systemdiagnose- Ersatzlunktionen- Motordiagnose

SignaleingängeSensorauswertungUmgebungsdru::ksensor

MagnetventilendstulenLeistungsendstulenSignalausgängeCAN-KommunikationDiagmse-KommunikationEnd-ot-Llne-

Pro rammierun

SteuergerätEDC 16C/EDC7

Sensoren und Sollwertgeber

"optlonal

Raildru::k

Fahrgeschwindigkeit

Ladedruck

Luftmasse oderAbgashubrü::kmelder "-InCKUo'-'

Ladelumemperatur

Kupplungsschalter(altern. PIN-KontaktbeiAutomatikgetriebe)

Motordrehzahl (KW)(Kurbelwelle)

Mehrstufenschaäerlür l-lcchstqesclwlndq­keitsbegrmzung (HGB)u. Fahqeschwruiq­keitsregelung (FGR)

Klemme15

Motordrehzahl (NW)u. Zylindererkermung(Nockenwelle)

Fahrpedalsensormit LeergasschaRerundKickdownschaRer

Abgastemperatur*

Motortemperatur(KühlmitteQ

Klemme50*

Elektronische Dieselregelung I Common Rail System für Nkw I 73

Common Rail System für Nkw

Übersicht der EDC-Komponen ten für Common Rail Systeme im Nkw

,,.

Starter"

Aktoren

zusätzlicheEnosturen"

Kommunikation

Lüftersteuerung

Injektoren(max. 8 pro Steuergerät)

ZurnesseinheitHochdruckpumpe

Ladedrucksteller* /VTG*

Kraftstoflheizung*

Zusatzheizung*

CLISO-&:tmittstelle(z. B. Diagnose)

Abgasrückführsteller

Kaltstartsystem

Lüfterkupplung

Glühzeitsteuergerät**

1----., Drehzahlsignal (TD)

f---{>Q-, Diagnoselampe

CAN-Sctmittstelle

DiagnosefunktionenOn-Bord-Diagnose (OBD)

ErsatzfunktionenMotordiagnose

Funktionen- Leerlaufregelung

- Zwischendrehzahl-regelung

- Laufruheregelung

- AktiverRuckeldämpfer

-extemerMomenteneingriff

- Wegfahrsperre- Mengenregelungund-begrenzung

- Fahrgeschwindigkeits-regelung(FGR)*

- Fahrgeschwindig­keitsbegrenzung

- ZylinderabschaRung

- Raildruckr~elung- Spritzbeginnsteuerung- steuerung derMehrfacheinspritzung

- zusätzlicheSonderanpassungen*

Signaleingänge

Sensorauswertung

Magnetventilendstufen

Leistungsendstufen

SignalausgängeCAN-Kommunikation

Diagnose -KommunikatklnEno-or-Line­Programmierung

Spannungsversorgung

12V /24V+

steuergerätEOC16/EOC7

Haupt­relaisSensorenmo Sollwertgeber

Bremsschalter

Fahrpedalsensormit Leergasschalter 0und Kickdownschalter

Motordrehzahl (KW)(KlJbelwelle)

Motordrehzahl (t#J)u.Zylindererkennung(Nockenwelle)

Raildru::k

Ladedruck

Oldru::k

Ladeluftlemperalur

Molortemperatur(Kühlmittel)

Kraftslomemperalur

Differenzdru::k(Partikellilter)

Abgastemperatur*

LuftmasseoderAbgashubrü::kmelder(AHR)"

Klemme 15

Klemme 50*

Kupplungsschalter(ajern . PiN-Kontaktbei Automatikgetriebe)

Molorbremsschalter

Fahr-geschwindigkeit

MehrstufsnschsltErfürHöchstqeschwroiq-keitsbegrenzung (HGB)u. Fahrgeschwindig-keitsregelung (FGR)

Lüfterdrehzahl

VTG-Drehzahl*

"optlonal -nu Light Duly

74 I Elektronische Dieselregelung I Datenverarbei tu ng

Datenverarbeitung

Die wesentliche Aufgabe der Elektroni­schen Dieselregelung (EDC) ist die Steue­rung der Einspritzmenge und des Ein­spritzzeitpunkts. Das Speichereinspritz­system Common Rail regelt auch noch denEinspritzdruck. Außerdem steuert dasMotorsteuergerät bei allen Systemen ver­schiedene Stellglieder an. Die Funktionender Elektronischen Dieselregelung müssenaufjedes Fahrzeug und jeden Motor genauangepasst sein. Nur so können alle Kompo­nenten optimal zusammenwirken (Bild 2).

Das Steuergerät wertet die Signale der Sen­soren aus und begrenzt sie aufzulässigeSpannungspegel. Einige Eingangssignalewerden außerdem plausibilisiert. DerMikroprozessor berechnet aus diesen Ein­gangsdaten und aus gespeicherten Kenn­feldern die Lage und die Dauer der Ein­spritzung und setzt diese in zeitliche Sig­nalverläufe um, die an die Kolbenbewegungdes Motors angepasst sind. Das Berech­nungsprogramm wird "Steuergeräte-Soft­ware" genannt.

Wegen der geforderten Genauigkeit undder hohen Dynamik des Dieselmotors isteine hohe Rechenleistung notwendig. Mitden Ausgangssignalen werden Endstufenangesteuert, die genügend Leistung für dieStellglieder liefern (z.B. Hochdruck-Mag­netventile für die Einspritzung, Abgas­rückführsteller und Ladedrucksteller).Außerdem werden noch weitere Kompo­nenten mit Hilfsfunktionen angesteuert(z.B. Glührelais und Klimaanlage).

Diagnosefunktionen der Endstufen für dieMagnetventile erkennen auch fehlerhafteSignalverläufe. Zusätzlich findet über dieSchnittstellen ein Signalaustausch mit an­deren Fahrzeugsystemen statt. Im Rahmeneines Sicherheitskonzepts überwacht dasMotorsteuergerät auch das gesamte Ein­spritzsystem.

Funktionsdarstel lung am Beispie l einer Stromregelu ng

I Ist .I~I"I ~' I

t.sou .I~'~:L~"I ~, '

. ,~

rl~hx . • x

4M' "* 'ipWMSollt

Prinzip ie ller Ablauf der Elektronischen Dieselregelung

Kraftstoff-Regelkreis 1 (Einspritzkomponente)~ Kraftstoff-Regelkreis 2 (Motor)~ "Umweg" über den Fahrer

Elektronische Dieselregelung I Datenverarbeitung I 75

CZ> Luft-Regelkreis-----.. Daten- und Signalfluss

EDC-Steuergerät Datenaustausch mitanderen Systemen- Antriebsschlupfregelung ,

Ansteuerung der- Getriebesteuerung,

Einspritzkomponente- Klimasteuerung ___

- -t+

I CAN II+

Regelung der =Regelung und

Einspritzung Ansteuerung der f---übrigen Stellglieder

+

Anforderungen Sensoren unddes Fahrers Sollwertgeber- Fahrerwunsch ,

~- Fahrpedalsensor ,

- Tempomat, - Drehzahlsensor,- Motorbremse - Schalter

'I ßMotor System zur

Füllungssteuerung

l\uuu V:; . = - Aufladung, ~.- - Abgasrüddührung

'''''-. , -Luft

Stellglieder (Aktoren)/\,11-' - elektropneumat Wandler,

~- Dauerbremsanlage,

Kraftstoff - Lüfter,- Glühzeitsteuerung

Einspritzkomponenten- Reiheneinspritzpumpen ,

~- Verteilereinspritzpumpen , -- Unit Injector / Unit Pump,- Common Rail Hochdruck-

pumpe und Injektoren ,- Düsenhalter und Düsen

76 I Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspritzung

Regelung der Einspritzung

Tabelle 1 gibt eine Funktionsübersichtder verschiedenen Regelfunktionen, diemit den EDC-Steuergeräten möglich sindBild 1 zeigt den Ablauf der Einspritzbe­rechnung mit allen Funktionen. EinigeFunktionen sind Sonderausstattungen. Siekönnen bei Nachrüstungen auch nach­träglich vom Kundendienst im Steuergerätaktiviert werden.

Damit der Motor injedem Betriebszu­stand mit optimaler Verbrennung arbeitet,wird die jeweils passende Einspritzmengeim Steuergerät berechnet. Dabei müssenverschiedene Größen berücksichtigtwerden. Bei einigen magnetventilgesteu­erten Verteilereinspritzpumpen erfolgtdie Ansteuerung der Magnetventile fürEinspritzmenge und Spritzbeginn über einseparates Pumpensteuergerät PSG.

Funktion

Begrenzungsmenge • • • • •Externer Momenteneingriff • 'I • • • •Fahrgesc hwi nd igkeits-

begren zurig • 'I • • • •Fahrgesc hwi nd igkeits-

regelu rig • • • • •Höhen korr ektur • • • • •Laded ruckregel ung • • • • •Leerlau fregel ung • • • • •Zw isc hend rehzahl regelu ng • 'I • • • •Akt ive Ruckeldäm pfung • ' I • • • •BIP-Regelung • •Einlasskanalabschaltu ng • • ' I •Elekt ronische Wegfahrsperre • ' I • • • •Gesteu er te Vorei nspri t zung • • 'I •GIühzeitsteuer ung • ' I • • • 'I •KIimaabschal tu ng • ' I • • • •Kühlmitt elzusatz heizung • 'I • • •Laufru heregel ung • 'I • • • •Mengenausgleichsregel ung • ' I • • •Lütteransteueru ng • • • •

Tabelle 1 Regelung der Abgasrück-

'I Nur Hubschieber- führung • 'I • • • 'I •Reiheneinspritz- Spri t zbeginnregelung mi tpumpen Sensor . 1), 'I • •

' I nur PkwZylinderabschal tu ng • ' I • 'I . ' 1

' I nur Nkw

D Berechnung der Einsprit zung im Steuergerät

Anforderungen

Fahrpedalsensor(Vorgabe des Fahrers)

I

Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspr itzung I Tl

Fahrgeschwindigkeitsregler,Fahrgeschwindigkeits­

begrenzer

Vorgabe vonanderen Systemen

(z. B. ABS, ASR, ESP)

l CANBerechnungen

Externer Momenteneingriff Auswahl der gewünschtenEinspritzmenge

Ansteuerungen

AnsteuerungSpritzversteller

I

Leerlaufregler (LLR)bzw. Mengenausgleichs­

regler (MAR)

Laufruheregler

II

Startmenge

Regelung Spritzbeginnbzw. Förderbeginn

I

Ansteuerung derMagnetventile

+1-

Begrenzungsmenge

Aktiver Ruckeldämpfer

+

+

Start l Fahrbetrieb,,Schalter

Mengenzumessung(Pumpenkennfeld)

Signal anPumpensteuergerät

78 I Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einsprit zung

StartmengeBeim Starten wird die Einspritzmenge ab­hängig von der Kühlmitteltemperatur undder Drehzahl berechnet. Die Signale fürdie Startmenge werden vom Einschaltendes Fahrtschalters (Bild 1, Schalter geht inStellung "Start") bis zum Erreichen einerMindestdrehzahl ausgegeben.

Der Fahrer hat auf die Startmengekeinen Einfluss.

FahrbetriebIm normalen Fahrbetrieb wird die Ein­spritzmenge abhängig von Fahrpedalstel­lung (Fahrpedalsensor) und Drehzahl be­rechnet (Bild 1, Schalterstellung "Fahr­betrieb"). Die Berechnung stützt sich aufKennfelder, die auch andere Einflussgrö­ßen berücksichtigen (z. B.Kraftstoff-, Kühl­mittel- und Ansauglufttemperatur). Fah­rerwunsch und Motorleistung sind somitbestmöglich aufeinander abgestimmt.

LeerlaufregelungAufgabe der Leerlaufregelung (LLR)ist es,im Leerlaufbei nicht betätigtem Fahrpedaleine definierte Solldrehzahl einzuregeln.Diese Solldrehzahl kann je nach Betriebs­zustand des Motors variieren; so wird zumBeispiel bei kaltem Motor meist eine hö­here Leerlaufdrehzahl eingestellt als beiwannem Motor. Zusätzlich kann Z.B.beizu niedriger Bordspannung, eingeschalte­ter Klimaanlage oder rollendem Fahrzeugebenfalls die Leerlauf-Solldrehzahl an­gehoben werden. Da der Motor im dichtenStraßenverkehr relativ häufig im Leerlaufbetrieben wird (z.B. "Stop and Go" oderHalt an Ampeln), sollte die Leerlaufdreh­zahl aus Emissions- und Verbrauchsgrün­den möglichst niedrig sein. Dies bringtjedoch Nachteile für die Laufruhe desMotors und für das Anfahrverhalten mitsich.

Die Leerlaufregelung muss bei der Ein­regelung der vorgegebenen Solldrehzahlmit sehr stark schwankenden Anforderun­gen zurechtkommen. Der Leistungsbedarfder vom Motor angetriebenen Neben­aggregate ist in weiten Grenzen variabel.

Der Generator beispielsweise nimmt beiniedriger Bordspannung viel mehr Leis­tung auf als bei hoher; hinzu kommenAnforderungen des Klimakompressors,der Lenkhilfepumpe, der Hochdruck­erzeugung für die Dieseleinspritzung usw.Zu diesen externen Lastmomenten kommtnoch das interne Reibmoment des Motors,das stark von der Motortemperatur ab­hängt und ebenfalls vom Leerlaufreglerausgeglichen werden muss.

Zum Einregeln der Leerlauf-Solldrehzahlpasst der Leerlaufregler die Einspritz­menge so lange an, bis die gemessene Ist­drehzahl gleich der vorgegebenen Soll­drehzahl ist.

Enddrehzahlregelung (Abregelung)Aufgabe der Enddrehzahlregelung (auchAbregelung genannt) ist es, den Motor vorunzulässig hohen Drehzahlen zu schützen.Der Motorhersteller gibt hierzu eine zu­lässige Maximaldrehzahl vor, die nicht fürlängere Zeit überschritten werden darf, dasonst der Motor geschädigt wird.

Die Abregelung reduziert die Einspritz­menge oberhalb des Nennleistungspunk­tes des Motors kontinuierlich. Kurz ober­halb der maximalen Motordrehzahl findetkeine Einspritzung mehr statt. Die Abrege­lung muss aber möglichst weich erfolgen,um ein ruckartiges AbregeIn des Motorsbeim Beschleunigen zu verhindern (Ram­penfunktion). Dies ist umso schwieriger zurealisieren, je dichter Nennleistungspunktund Maximaldrehzahl zusammenliegen.

ZwischendrehzahlregelungDie Zwischendrehzahlregelung (ZDR)wirdfür Nkw und Kleinlaster mit Nebenabtrie­ben (z. B. Kranbetrieb) oder für Sonder­fahrzeuge (z. B. Krankenwagen mit Strom­generator) eingesetzt. Ist sie aktiviert,wird der Motor auf eine lastunabhängigeZwischendrehzahl geregelt.

Die Zwischendrehzahlregelung wirdüber das Bedienteil der Fahrgeschwindig­keitsregelung bei Fahrzeugstillstand akti­viert. Auf Tastendruck lässt sich eine Fest­drehzahl im Datenspeicher abrufen. Zu­sätzlich lassen sich über dieses Bedienteilbeliebige Drehzahlen vorwählen. DesWeiteren wird sie bei Pkw mit automatisier­tem Schaltgetriebe (z. B. Tiptronic) zurRegelung der Motordrehzahl während desSchaltvorgangs eingesetzt.

FahrgeschwindigkeitsregelungDer Fahrgeschwindigkeitsregler (auchTempomat genannt) ermöglicht das Fahrenmit konstanter Geschwindigkeit. Er regeltdie Geschwindigkeit des Fahrzeugs aufeinen gewünschten Wert ein, ohne dassder Fahrer das Fahrpedal betätigen muss.Dieser Wert kann über einen Bedienhebeloder über Lenkradtasten eingestellt wer­den. Die Einspritzmenge wird so lange er­höht oder verringert, bis die gemesseneIst-Geschwindigkeit der eingestellten Soll­Geschwindigkeit entspricht.

Bei einigen Fahrzeugapplikationen kanndurch Betätigen des Fahrpedals über diemomentane Soll-Geschwindigkeit hinausbeschleunigt werden. Wird das Fahrpedalwieder losgelassen, regelt der Fahrge­schwindigkeitsregler die letzte gültigeSoll-Geschwindigkeit wieder ein.

Tritt der Fahrer bei eingeschaltetemFahrgeschwindigkeitsregler auf das Kupp­lungs- oder Bremspedal, so wird derRegelvorgang abgeschaltet. Bei einigenApplikationen kann auch über das Fahr­pedal ausgeschaltet werden.

Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspritzung I 79

Bei ausgeschaltetem Fahrgeschwindig­keitsregler kann mithilfe der Wiederauf­nahmestellung des Bedienhebels die letztegültige Soll-Geschwindigkeit wieder einge­stellt werden.

Eine stufenweise Veränderung der Soll­Geschwindigkeit über die Bedienelementeist ebenfalls möglich.

FahrgeschwindigkeitsbegrenzungVariable BegrenzungDie Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung(FGB,auch Limiter genannt) begrenzt diemaximale Geschwindigkeit auf einen ein­gestellten Wert, auch wenn das Fahrpedalweiter betätigt wird. Dies ist vor allem beileisen Fahrzeugen eine Hilfe für den Fah­rer, der damit Geschwindigkeitsbegren­zungen nicht unabsichtlich überschreitenkann.

Die Fahrgeschwindigkeitsbegrenzungbegrenzt zu diesem Zweck die Einspritz­menge entsprechend der maximalenSoll-Geschwindigkeit, Sie wird durch denBedienhebel oder durch "Kick-down" ab­geschaltet. Die letzte gültige Soll-Geschwin­digkeitkann mit Hilfe der Wiederaufnahme­stellung des Bedienhebels wieder aufgeru­fen werden. Eine stufenweise Veränderungder Soll-Geschwindigkeit über den Bedien­hebel ist ebenfalls möglich.

Feste BegrenzungIn vielen Staaten schreibt der Gesetzgeberfeste Höchstgeschwindigkeiten für be­stimmte Fahrzeugklassen vor (z.B. fürschwere Nkw). Auch die Fahrzeugherstel­ler begrenzen die maximale Geschwindig­keit durch eine feste Fahrgeschwindigkeits­begrenzung. Sie kann nicht abgeschaltetwerden.

Bei Sonderfahrzeugen können auch festeinprogrammierte Geschwindigkeitsgren­zen vom Fahrer augewählt werden (z. B.wenn bei Müllwagen Personen auf denhinteren Trittflächen stehen).

80 I Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einsprit zung

Aktive RuckeldämpfungBei plötzlichen Lastwechseln regt dieDrehmomentänderung des Motors denFahrzeugantriebsstrang zu Ruckelschwin­gungen an. Fahrzeuginsassen nehmendiese Ruckelschwingungen als unange­nehme periodische Beschleunigungs­änderungen wahr (Bild 2, Kurve a). Auf­gabe des Aktiven Ruckeldämpfers (ARD)ist es, diese Beschleunigungsänderungenzu verringern (b). Dies geschieht durchzwei getrennte Maßnahmen:.. Bei plötzlichen Änderungen des vom

Fahrer gewünschten Drehmoments(Fahrpedal) reduziert eine genau abge­stimmte Filterfunktion die Anregungdes Triebstrangs (1).

.. Schwingungen des Triebstrangs werdenanhand des Drehzahlsignals erkanntund über eine aktive Regelung ge­dämpft. Diese reduziert die Einspritz­menge bei ansteigender Drehzahl underhöht sie bei fallender Drehzahl, umso den entstehenden Drehzahlschwin­gungen entgegenzuwirken (2).

Laufruheregelung/Mengenausgleichs­regelungNicht alle Zylinder eines Motors erzeugenbei einer gleichen Einspritzdauer das glei­che Drehmoment. Dies kann an Unter­schieden in der Zylinderverdichtung, Un­terschieden in der Zylinderreibung oderUnterschieden in den hydraulischen Ein­spritzkomponenten liegen. Folge dieserDrehmomentunterschiede ist ein unrunderMotorlaufund eine Erhöhung der Motor­emissionen.

Die Laufruheregelung (LRR)bzw. die Men­genausgleichsregelung (MAR)haben dieAufgabe, solche Unterschiede anhand derdaraus resultierenden Drehzahlschwan­kungen zu erkennen und über eine ge­zielte Anpassung der Einspritzmenge desbetreffenden Zylinders auszugleichen.Hierzu wird die Drehzahl nach der Ein­spritzung in einen bestimmten Zylindermit einer gemittelten Drehzahl verglichen.Liegt die Drehzahl des betreffenden Zylin­ders zu tief, wird die Einspritzmenge er­höht; liegt sie zu hoch, muss die Einspritz­menge reduziert werden (Bild 3).

Beispiel des Aktiven Rucke ldämpfers (ARD) Be ispiel der Laufruheregelung (LRR)

Solldrehzahl. 800 min-1rnlrv'

t 1000•""1" Istdrehzahlen :

• 800 Zyl. 1 Z~.2 Zyl. 3 Z~.4l' b min-1 800 790 820 790015 -, \ , /"

[!]mm' ~--

1' 1

~m 25 1:? Einspritz- / \m

b menge = + +Bild 2 E 20 .- I \ \.l'a Ohne aktivem c,

~Ruckeldämpfer ~ 0

m 0b mit aktivem Ruckel- 12 ~

Nrn~

dämpfer 0 1 2 s Q QFilterfunktion Zeitt _ " "z zaktive Korrektur

Die Laufruheregelung ist eine Komfort­funktion, deren primäres Ziel die Verbes­serung der Motorlaufruhe im Bereich derLeerlaufdrehzahl ist. Die Mengenaus­gleichsregelung soll zusätzlich zur Kom­fortverbesserung im Leerlauf die Emissio­nen im mittleren Drehzahlbereich durcheine Gleichstellung der Einspritzmengender Motorzylinder verbessern.

Für Nkw wird die Mengenausgleichs­regelung auch AZG (Adaptive Zylinder­gleichstellung) bzw. SRC(Smooth RunningControl) genannt.

BegrenzungsmengeWürde immer die vom Fahrer gewünschteoder physikalisch mögliche Kraftstoff­menge eingespritzt werden, könnten fol­gende Effekte auftreten:li>- zu hohe Schadstoffemissionen,li>- zu hoher Rußausstoß,li>- mechanische Überlastung wegen zu

hohem Drehmoment oder Überdreh­zahl,

li>- thermische Überlastung wegen zu hoherAbgas-, Kühlmittel-, Öl- oder Turbolader­temperatur oder

li>- thermische Überlastung der Magnet­ventile durch zu lange Ansteuerzeiten.

Um diese unerwünschten Effekte zu ver­meiden, wird eine Begrenzung aus ver­schiedenen Eingangsgrößen gebildet (z.B.

angesaugte Luftmasse, Drehzahl undKühlmitteltemperatur). Die maximaleEinspritzmenge und damit das maximaleDrehmoment werden somit begrenzt.

MotorbremsfunktionBeim Betätigen der Motorbremse vonNkw wird die Einspritzmenge alternativentweder auf Null- oder Leerlaufmengeeingeregelt. Das Steuergerät erfasst fürdiesen Zweck die Stellung des Motorbrems­schalters.

Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspritzung I 81

HöhenkorrekturMit steigender Höhe nimmt der Atmo­sphärendruck ab. Somit wird auch dieZylinderfüllung mit Verbrennungsluft ge­ringer. Deshalb muss die Einspritzmengereduziert werden. Würde die gleicheMenge wie bei hohem Atmosphärendruckeingespritzt, käme es wegen Luftmangelzu starkem Rauchausstoß.

Der Atmosphärendruck wird vom Umge­bungsdrucksensor im Steuergerät erfasst.Damit kann die Einspritzmenge in großenHöhen reduziert werden. Der Atmosphä­rendruck hat auch Einfluss auf die Lade­druckregelung und die Drehmoment­begrenzung.

ZylinderabschaltungWird bei hohen Motordrehzahlen ein ge­ringes Drehmoment gewünscht, muss sehrwenig Kraftstoff eingespritzt werden. Eineandere Möglichkeit zur Reduzierung desDrehmoments ist die Zylinderabschaltung.Hierbei wird die Hälfte der Injektorenabgeschaltet (UIS-Nkw,UPS, CR-System).Die verbleibenden Injektoren spritzendann eine entsprechend höhere Kraftstoff­menge ein. Diese Menge kann mit höhererGenauigkeit zugemessen werden.

Durch spezielle Software-Algorithmenkönnen weiche Übergänge ohne spürbareDrehmomentänderungen beim Zu- und Ab­schalten der Injektoren erreicht werden.

82 I Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einsprit zung

InjektormengenabgleichUm die hohe Präzision des Einspritzsys­tems weiter zu verbessern und über dieFahrzeuglebensdauer zu gewährleisten,kommen für Common Rail (CR)-und UISjUPS-Systeme neue Funktionen zum Ein­satz.

Für den Injektonnengenabgleich (IMA)wird innerhalb der Injektorfertigung fürje­den Injektoreine Vielzahl von Messdaten er­fasst, die in Form eines Datenmatrix-Codesaufden Injektor aufgebrachtwerden. BeimPiezo -Inline- Injektorwerden zusätzlichauch Informationen über das Hubverhaltendes Schaltventils (bestehend aus eigentli­chem Ventil, Koppler und Aktor) hinzuge­fügt. Diese Zusatzinformationenbestehenaus der ISA-Klasse(InjektorSpannungsab­gleich) und stellen sicher, dass der Injektorgenau mit derindividuell passenden Span­nung angesteuertwird. Siewerden währendder Fahrzeugfertigungin das Steuergerätübertragen. Während des Motorbetriebswerden diese Werte zur Kompensation vonAbweichungen im Zumess- undSchaltver­halten verwendet.

NullmengenkalibrierungVon besonderer Bedeutung für die gleich­zeitige Erreichung von Komfort- (Geräusch­minderung) und Emissionszielen ist diesichere Beherrschung kleiner Voreinsprit­zungen über die Fahrzeuglebensdauer.Mengendriften der Injektoren müssen des­halb kompensiert werden. Hierzu werdenin CR-Systemen der 2. und 3. Generationim Schubbetrieb gezielt in einen Zylindereine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt.Der Drehzahlsensor detektiert die darausentstehende Drehmomentanhebung alskleine dynamische Drehzahländerung.Diese vom Fahrer nicht spürbare Drehmo­mentsteigerung ist in eindeutiger Weisemit der eingespritzten Kraftstoffmengeverknüpft. Der Vorgang wird nacheinan­der für alle Zylinder und für verschiedeneBetriebspunkte wiederholt. Ein Lernalgo­rithmus stellt kleinste Veränderungen derVoreinspritzmenge fest und korrigiert die

Ansteuerdauer für die Injektoren entspre­chend für alle Voreinspritzungen.

MengenmittelwertadaptionFür die korrekte Anpassung von Abgas­rückführung und Ladedruck wird die Ab­weichung der tatsächlich eingespritztenKraftstoffmenge vom Sollwert benötigt.Die Mengenmittelwertadaption (MMA) er­mittelt dazu aus den Signalen von Lambda­Sonde und Luftmassenmesser den überalle Zylinder gemittelten Wert der einge­spritzten Kraftstoffmenge. Aus dem Ver­gleich von Sollwert und Istwert werdenKorrekturwerte berechnet (s. "Lambda­Regelung für Pkw-Dieselmotoren").

Die Lernfunktion MMAgarantiert imunteren Teillastbereich gleich bleibendgute Emissionswerte über die Fahrzeug­lebensdauer.

DruckwellenkorrekturEinspritzungen lösen bei allen CR-Syste­men Druckwellen in der Leitung zwischenDüse und Rail aus. Diese Druckschwingun­gen beeinflussen systematisch die Ein­spritzmenge späterer Einspritzungen(Vor-jHaupt-jNacheinspritzungen) inner­halb eines Verbrennungszyklus. Die Ab­weichungen späterer Einspritzungen sindabhängig von den zuvor eingespritztenMengen und dem zeitlichen Abstand derEinspritzungen, dem Raildruck und derKraftstofftemperatur. Durch Berücksich­tigung dieser Parameter in geeignetenKompensationsalgorithmen berechnetdas Steuergerät eine Korrektur.

Allerdings ist für diese Korrekturfunk­tion ein sehr hoher Applikationsaufwanderforderlich. Als Vorteil erhält man dieMöglichkeit, den Abstand von z. B. Vor­und Haupteinspritzung flexibel zur Opti­mierung der Verbrennung anpassen zukönnen.

Inj ektormengenabl:l eic h I 83

Kennlinien verscne­

dener Injektoren In

Abhangigkelt des Rad·

drucks.

Der IMA reocz.ert die

Streu brei re der Kenn­

linien.

EMI Emspnumengen·

indikator

Bild 1

Bild 2

Berechnung der lnjek­

tor-Ansteuerdauer aus

Sollmenge , Ralldruck

und Korrekturwerten

Bild 3Dar!;tellung der Pro­

zesskette 'KJm InJektor'

abgIelCh bei aoscntns zur Baneende­

Programmierung beim

Fahrzeughersreller

""'..

Zylinder 4

Zylinder "

Zylinder 3

Z}'1 inder 1

Ansleuerdauer-

Ans teuerdauer­kennfeld

•

18000..

~ EEPROMI AbglalChwette

A fruektonndtvrduellA InlektonndlVIduell

InlekronndlVlduell

parermare-ccceKlarsohrlft-Code

Einspr«zzell -...

Solimenge Q

BerOclGlchtl gung der Matnx cer derEInaomzoerecnn ung

lruektonndrvrduejl

aL...- ----J

t

a Prozesskette

BOSCH

Not w endigk ei t dieser Funktion

Die technisch en Aufw endungen für eine we i­

ter e Einengung der Fertigun gsto leranzen von

Injek toren steigen expo nent iell und ersc hei­

nen fin anziell unwir tschaftlich. Der IMA ste llt

d ie zielfü hrende l ösung da r, di e Gutaus br in­

gu ng zu erhöhen und gle ic hze it ig di e motori ­

sche Mengenzumessgenauigkeit und damit

die Emissio nen zu verbessern.

Funk ti on sbesch reibung

Der Injektormengenabgleich OMA) ist eine

Softwarefunktion zur Steigerung de r Men­

genzumessgeneuigkelt und gleichzeitig der

ln jektor-Gutausbringung arn Motor. Oie Funk­

tion hat di e Au fga be, di e Einspritzmenge fu r

jeden Inj ektor eines Cä-Svstems im gesam­

ten Kennfeld bete ich individuell au f de n Soll

wert zu korr igieren . Dad urch erg ib t s ich eine

Red uktion der Sys temtele ranzen un d des

Ermssionsst reubendes . Oie rür di e IMA benö­

t igt en Abg leic hw ert e s te llen di e Differenz

zum Sollwert des jeweil igen werkspruf punk­

tes dar un d w erden in versc hlüsselter Form

auf jeden Inj ektor beschriftet.

Mithilfe eines Korrekturkennfeld es, das

mit den Abg le ichwerte n eine Korrektur­

menge errechne t, w ird der gesamte moto­

risch relevante Bere ich korrigiert. Am Band ·

ende des Auto mo bil herste lle rs werden die

Eü c -Abgfetchw erte der verbauten Injekto ren

und di e Zuo rd nung zu den Zyli ndern über

Eo l.Progremmferung in das Steuergerät pro­

grammiert. Auc h bei einem Injektoraus­

tausch in der Kundendi enstwerkstatt werden

di e Abglei chwer te neu pro grammiert.

Messw erte bei der Prüfung

Bei de r Band endeprüfung wi rd jeder Injek tor

an mehr eren Punkten , die repräsentat iv fur

das St reuve rhalte n d ieses Inje ktortyps sind,

ge mess en , An di esen Punkten we rden d ie

Abw ekhungen zum Sol lwe r t (Abgle ichwer te)

ber echnet und anschließend auf dem Injek­

torkopf beschr ift et.

.. lnje ktormengenabglercn

84 I Elektronische Dieselregelung I Lambda-Rege lung

Lambda-Regelungfür Pkw-Dieselmotoren

AnwendungDie gesetzlich vorgeschriebenen Abgas­grenzwerte für Fahrzeuge mit Diesel­motoren werden zunehmend verschärft.Neben der Optimierung der innennoto­rischen Verbrennung gewinnen die Steue­rung und die Regelung abgasrelevanterFunktionen zunehmend an Bedeutung.Ein großes Potenzial zu Verringerung derEmissionsstreuungen von Dieselmotorenbietet hier die Einführung der Lambda­Regelung.

Die Breitband-Lambda-Sonde im Abgas­rohr (Bild 1, Pos. 7) misst den Restsauer-

stoffgehalt im Abgas. Daraus kann auf dasLuft-Kraftstoff-Verhältnis (Luftzahl A) ge­schlossen werden. Das Signal der Lambda­Sonde wird während des Motorbetriebsadaptiert. Dadurch wird eine hohe Signal­genauigkeit über deren Lebensdauer er­reicht. Auf dieses Signal bauen verschie­dene Lambda- Funktionen auf, die in denfolgenden Abschnitten erklärt werden.

Für die Regeneration von NOx-Speicher­katalysatoren werden Lambda-Regelkreiseeingesetzt.

Die Lambda- Regelung eignet sich für allePkw-Einspritzsysteme mit Motorsteuerge­räten ab der Generation EDC16.

Systemübersich t der Lambda- Regelung für Pkw -Dieselmot oren (Beispiel )

BOSCH 0

GrundfunktionenDruckkompensationDas Rohsignal der Lambda-Sonde hängtvon der Sauerstoffkonzentration im Abgassowie vom Abgasdruck am Einbauort derSonde ab. Deshalb muss der Einfluss desDrucks auf das Sondensignal ausgeglichen(kompensiert) werden.

Die Funktion Druckkompensation enthältje ein Kennfeld für den Abgasdruck undfür die Druckabhängigkeit des Messsignalsder Lambda-Sonde. Mithilfe dieser Mo­delle erfolgt die Korrektur des Messsignalsbezogen auf den jeweiligen Betriebspunkt.

AdaptionDie Adaption der Lambda-Sonde berück­sichtigt im Schub die Abweichung dergemessenen Sauerstoffkonzentration vonder Frischluft-Sauerstoffkonzentration(ca. 21 %). So wird ein Korrekturwert"erlernt". Mit dieser erlernten Abweichungkann injedem Betriebspunkt des Motors

Elektronische Dieselregelung I Lambda-Regelung I 85

die gemessene Sauerstoffkonzentrationkorrigiert werden. Damit liegt über die ge­samte Lebensdauer der Lambda-Sonde eingenaues, driftkompensiertes Signal vor.

Lambda-basierte Regelung derAbgasrückführungDie Erfassung des Sauerstoffgehalts imAbgas ermöglicht - verglichen mit einerluftmassenbasierten Abgasrückführung ­ein engeres Toleranzband der Emissionenüber die Fahrzeugflotte. Damit könnenim Abgastest für zukünftige Grenzwerteca. 10 ...20 % Emissionsvorteil gewonnenwerden.

MengenmittelwertadaptionDie Mengenmittelwertadaption liefert eingenaues Einspritzmengensignal für dieSollwertbildung abgasrelevanter Regel­kreise. Den größten Einfluss auf die Emis­sionen hat dabei die Korrektur der Abgas­rückführung.

Prinzipie Iier Ablauf der Mengenmittelwe rtadap tion inder Betriebsart "I nd irect Control"

Motor

Lambda-Sonde

Heißfilm­Lufbnassenmesser

Einspritzsystem

Motordrehzahlsensor

Turbolader

Steuergerät

+

+

86 I Elektronische Dieselregelung I Lambda- Regelung

Die Mengenmittelwertadaption arbeitetim unteren Teillastbereich. Sie ermittelteine über alle Zylinder gemittelte Mengen­abweichung.

Bild 2 (vorherige Seite) zeigt die grundsätz­liche Struktur der Mengenmittelwertadap­tion und deren Eingriff auf die abgasrele­vanten Regelkreise.

Aus dem Signal der Lambda-Sonde unddem Luftmassensignal wird die tatsächlicheingespritzte Kraftstoffmasse berechnet.Die berechnete Kraftstoffmasse wird mitdem Einspritzmassensollwert verglichen.Die Differenz wird in einem Adaptions­kennfeld in definierten .Lernpunkten" ge­speichert. Damit ist sichergestellt, dasseine betriebspunktspezifische Einspritz­mengenkorrektur auch bei dynamischenZustandsänderungen ohne Verzögerungbestimmt werden kann. Die Korrektur­mengen werden im EEPROM des Steuerge­räts gespeichert und stehen bei Motorstartsofort zur Verfügung.

Grundsätzlich gibt es zwei Betriebsartender Mengenmittelwertadaption, die sich inder Verwendung der ermittelten Mengen­abweichung unterscheiden:

Betriebsart .Jtulirect comrot"In der Betriebsart Indired Control (Bild 2)wird ein genauer Einspritzmengensollwertals Eingangsgröße in verschiedene abgas­relevante Soll-Kennfelder verwendet. DieEinspritzmenge selbst wird in der Zumes­sung nicht korrigiert.

Betriebsart .Direct comrot"In der Betriebsart Direct Controlwird dieMengenabweichung zur Korrektur derEinspritzmenge in der Zumessung verwen­det, sodass die wirklich eingespritzteKraftstoffmenge genauermit der Soll-Ein­spritzmenge übereinstimmt. Hierbei han­delt es sich (gewissennaßen) um einen ge­schlossenen Mengenregelkreis.

Prinzipieller Ab lauf der Volllastrauch begrenzung mithiIfe der Lambda-Regelung

Motor

Heißfilm­Luhmassenmesser

Motordrehzahlsensor

Einspritzsystem

Steuergerät

Haud-b renz smen e

VolliastrauchbegrenzungBild 3 zeigt das Prinzipbild der Regel­struktur für die Vo111astrauchbegrenzungmit einer Lambda-Sonde. Ziel ist die Er­mittlung der maximalen Kraftstoffmenge,die eingespritzt werden darf, ohne einenbestimmten Rauchwert zu überschreiten.

Mit den Signalen des Luftmassenmessersund des Motordrehzahlsensors wird derLambda-SollwertAsoLL über ein Rauch­begrenzungskennfeld ermittelt. Aus die­sem Wert wird zusammen mit der Luft­masse der Vorsteuerwert für die maximalzulässige Einspritzmenge errechnet.

Dieser heute in Serie realisierten Steue­rung wird eine Lambda-Regelung über­lagert. Der Lambda-Regler berechnet ausder Differenz zwischen dem Lambda­SollwertAsoLL und dem Lambda-IstwertAIS Teine Korrekturkraftstoffmenge. DieSumme aus Vorsteuer- und Korrektur­menge ist ein exakter Wert für die maxi­male Vo111ast-Kraftstoffmenge.

Mit dieser Struktur ist eine gute Dynamikdurch die Vorsteuerung und eine verbes­serte Genauigkeit durch den überlagertenLambda-Regelkreis erreichbar.

Erkennung unerwünschter VerbrennungMithilfe des Signals der Lambda-Sondekann eine unerwünschte Verbrennungim Schubbetrieb erkannt werden. Diesewird dann erkannt, wenn das Signal derLambda-Sonde unterhalb eines berech­neten Schwellwertes liegt. Bei unerwünsch­ter Verbrennung kann der Motor durchSchließen einer Regelklappe und des Ab­gasrückführventils abgestellt werden. DasErkennen unerwünschter Verbrennungstellt eine zusätzliche Sicherheitsfunktionfür den Motor dar.

Elektronische Dieselregelung I Lambda-Regelung I 87

ZusammenfassungMit einer lambdabasierten Abgasrück­führung kann die Emissionsstreuung einerFahrzeugflotte aufgrund von Fertigungs­toleranzen oder Alterungsdrift wesentlichreduziert werden. Hierfür wird die Men­genmittelwertadaption eingesetzt.

Die Mengenmittelwertadaption liefert eingenaues Einspritzmengensignal für dieSollwertbildung abgasrelevanter Regel­kreise. Dadurch wird die Genauigkeitdieser Regelkreise erhöht. Den größtenEinfluss auf die Emissionen hat dabei dieKorrektur der Abgasrückführung.

Zusätzlich kann durch den Einsatz einerLambda-Regelung die Vo111astrauchmengeexakt bestimmt und eine unerwünschteVerbrennung detektiert werden.

Die hohe Genauigkeit des Signals derLambda-Sonde ermöglicht darüber hinausdie Darstellung eines Lambda-Regel­kreises für die Regeneration von NOx­Speicher-Katalysatoren.

88 I Regeln und Steuern

Bild 1Regelkreis

b Steuerkette

Wi rkungsplan

einer digitalen

Regelung

w Führ ungsgroße

x Regelg roße

XA Ste ue rgroß e

y Stellgroße

X1. 11 Störg roß en

T Abtastzeit

digi tal e Signal ­

werte

A Analog

o Digi tal

Anwendung

Die Funktionen Regeln und Steuern haben für

die verschiedenen Systeme im Kraftfahrzeug

eine herausragende Bedeutung.

Die Benennung Steuerung erfolgt vielfach

nicht nur für den Vorgang des Steuerns,

sondern auch für die Gesamtanlage, in der

die Steuerung stattfindet (deshalb auch die

generelle Benennung Steuergerät, obwohl

solch ein Gerät auch die Regelung vor­

nimmt). Demnach laufen in den Steuergerä­

ten Rechenprozesse sowohl für Steuerungs­

ais auch für Regelungsaufgaben ab.

Regeln

Das Regeln bzw. die Regelung ist ein Vor­

gang, bei dem eine Größe (Regelgröße x)

fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe

(Fuhnmgsgröße wd verglichen und abhängig

vom Ergebnis dieses Verg leichs im Sinne ei­

ner Angleichung an die Führungsgröße be­

einflusst wird. Der sich dabei ergebende

Wirkungsablauf findet in einem geschlosse­

nen Kreis (Regelkreis) statt.

Die Regelung hat die Aufgabe, trotz stö­

render Einflüsse den Wert der Regelgröße

an den durch die Führungsgröße vorgege­

benen Wert anzugleichen.

Der Regelkreis (Bild la) ist ein in sich ge­

schlossener Wirkungsweg mit einsinniger

Wirkungsrichtung. Die Regelgröße x wirkt in

einer Kreisstruktur im Sinne einer Gegen­

kopplung auf sich selbst zurück. Im Gegen-

Regelungs- und Steuer ungseinrichtungen

satz zur Steuerung berücksichtigt eine Rege­

lung den Einfluss aller Störgrößen (Z1, Z2) im

Regelkreis. Beispiele für Regelsysteme im Kfz

sind:

li>- Lambda-Regelung,

li>- Leerlaufdrehzahlregelung,

li>- ABS-j ASR-jESP-Regelung,

li>- Klimaregelung (Innenraumtemperatur).

SteuernDas Steuern bzw. die Steuerung ist der Vor­

gang in einem System, bei dem eine oder

mehrere Größen als Eingangsgrößen andere

Größen aufgrund der dem System eigentüm ­

lichen Gesetzmäßigkeit beeinflussen. Kenn­

zeichen für das Steuern ist der offene Wir­

kungsablauf über das einzelne Übertragungs­

glied oder die Steuerkette.

Die Steuerkette (Bild lb) ist eine Anord­

nung von Gliedern, die in Kettenstruktur auf­

einander einwirken. Sie kann als Ganzes

innerhalb eines übergeordneten Systems mit

weiteren Systemen in beliebigem wirkungs­

gemäßem Zusammenhang stehen. Durch

eine Steuerkette kann nur die Auswirkung

der Störgröße bekämpft werden, die vom

Steuergerät gemessen wird (z. B. zd; andere

Störgrößen (z. B. Z2) wirken sich ungehindert

aus. Beispiele für Steuersysteme im Kfz sind:

li>- Elektronische Getriebesteuerung (EGS).

li>- Injektormengenabgleich und Druck-

wellenkorrektur bei der Einspritzmengen­

berechnung.

MomentengeführteEDC-Systeme

Die Motorsteuerung wird immer enger indie Fahrzeuggesamtsysteme eingebunden.Fahrdynamiksysteme (z.B. ASR),Komfort­systeme (z. B. Tempomat) und die Getrie­besteuerung beeinflussen über den CAN­Bus die Elektronische Dieselregelung EDC.Andererseits werden viele der in der Mo­torsteuerung erfassten oder berechnetenInformationen über den CAN-Bus an an­dere Steuergeräte weitergegeben.

Um die Elektronische Dieselregelung künf­tig noch wirkungsvoller in einen funktio­nalen Verbund mit anderen Steuergeräteneinzugliedern und weitere Verbesserun­gen schnell und effektiv zu realisieren,wurden die Steuerungen der neuestenGeneration einschneidend überarbeitet.Diese momentengefiihrte Dieselmotor­steuerung wird erstmals ab EDC16 einge­setzt. Hauptmerkmal ist die Umstellungder Modulschnittstellen auf Größen, wiesie im Fahrzeug auch auftreten.

Kenngrößen eines MotorsDie Außenwirkung eines Motors kann imWesentlichen durch drei Kenngrößen be­schrieben werden: Leistung P, Drehzahl nund Drehmoment M.

Bild 1 zeigt den typischen VerlaufvonDrehmoment und Leistung über derMotordrehzahl zweier Dieselmotorenim Vergleich. Grundsätzlich gilt der phy­sikalische Zusammenhang:

P=2·J(·n·M

Es genügt also völlig, Z.B. das Drehmomentals Führungsgröße unter Beachtung derDrehzahl vorzugeben. Die Motorleistungergibt sich dann aus der obigen Formel.Da die Leistung nicht unmittelbar gemes­sen werden kann, hat sich für die Motor­steuerung das Drehmoment als geeigneteFührungsgröße herausgestellt.

Elektronische Dieselregelung I Momentengeführte EDC-Systeme I 89

MomentensteuerungDer Fahrer fordert beim Beschleunigenüber das Fahrpedal (Sensor) direkt eineinzustellendes Drehmoment. Unabhängigdavon fordern andere externe Fahrzeug­systeme über die Schnittstellen ein Dreh­moment an, das sich aus dem Leistungs­bedarfder Komponenten ergibt (z. B.Klima­anlage, Generator). Die Motorsteuerungerrechnet daraus das resultierende Motor­moment und steuert die Stellglieder desEinspritz- und Luftsystems entsprechendan. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:li>- Kein System hat direkten Einfluss auf

die Motorsteuerung (Ladedruck, Ein­spritzung, Vorglühen). Die Motorsteue­rung kann so zu den äußeren Anforde­rungen auch noch übergeordnete Opti­mierungskriterien berücksichtigen (z.B.Abgasemissionen, Kraftstoffverbrauch)und den Motor dann bestmöglich an­steuern.

li>- Viele Funktionen, die nicht unmittelbardie Steuerung des Motors betreffen,können für Diesel- und Ottomotorsteu­erungen einheitlich ablaufen.

li>- Erweiterungen des Systems könnenschnell umgesetzt werden.

Beispiel des Drehmoment- und Leistungs­verlaufs zw eier Pkw-Dieselmotorenmit ca 2,2 I Hubraum über der Drehzahl

IN'

75

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5 50ti..~

25

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i: 300

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0 ~0 1000 2000 3000 4000 nun 1 0 Bild 1z

Motordrehzahl z a Baujahr 1968zb Baujahr 1998

90 I Elektronische Dieselregelung I Momentengef ührte EDC-Systeme

Ablauf der MotorsteuerungDie Weiterverarbeitung der Sollwertvor­gaben im Motorsteuergerät sind in Bild 2schematisch dargestellt. Zum Erfüllenihrer Aufgaben benötigen alle Steuerungs­funktionen der Motorsteuerung eine Füllevon Sensorsignalen und Informationenvon anderen Steuergeräten im Fahrzeug.

VortriebsmomentDie Fahrervorgabe (d.h. das Signal des Fahr­pedalsensors) wird von der Motorsteue­rung als Anforderung für ein Vortriebs­moment interpretiert. Genauso werden dieAnforderungen der Fahrgeschwindigkeits­regelung und -begrenzung berücksichtigt.

Nach dieser Auswahl des Soll-Vortriebs­moments erfolgt gegebenenfalls beiBlockiergefahr eine Erhöhung bzw. beidurchdrehenden Rädern eine Reduzierungdes Sollwerts durch das Fahrdynamik­system (ASR,ESP).

Weitere externe MomentanforderungenDieDrehmomentanpassung des Antriebs­strangs mussberücksichtigtwerden (Trieb­strangübersetzung). Siewirdim Wesent­lichen durch die Übersetzungsverhältnisseimjeweiligen Gang sowie durch den Wir­kungsgrad des Wandlersbei Automatikge­trieben bestimmt. BeiAutomatikfahrzeugengibtdieGetriebesteuerungdieDrehmoment­anforderung während des Schaltvorgangsvor, um mitreduziertem Moment ein mög­liehstruckfreies, komfortables und zugleichein das Getriebe schonendes Schalten zu er­möglichen. Außerdem wirdnoch ermittelt,welchen Drehmomentbedarfweitere vomMotor angetriebene Nebenaggregate (z. B.Klimakompressor, Generator, Servopumpe)haben. Dieser Drehmomentbedarfwird ausderbenötigten Leistung und Drehzahl ent­wedervon diesen Aggregaten selbstodervon der Motorsteuerung ermittelt,

Die Motorsteuerung addiert die Momen­tenanforderungen auf. Damit ändert sichdas Fahrverhalten des Fahrzeugs trotzwechselnder Anforderungen der Aggregateund Betriebszustände des Motors nicht.

Innere MomentanforderungenIn diesem Schritt greifen der Leerlauf­regler und der aktive Ruckeldämpfer ein.

Um Z.B. eine unzulässige Rauchbildungdurch zu hohe Einspritzmengen oder einemechanische Beschädigung des Motorszu verhindern, setzt das Begrenzungs­moment, wenn nötig, den internen Dreh­momentbedarfherab. Im Vergleich zu denbisherigen Motorsteuerungssystemen er­folgen die Begrenzungen nicht mehr aus­schließlich im Kraftstoff-Mengenbereich,sondern je nach gewünschtem Effektdirekt in der jeweils betroffenen physika­lischen Größe.

Die Verluste des Motors werden eben­falls berücksichtigt (z. B. Reibung, Antriebder Hochdruckpumpe). Das Drehmomentstellt die messbare Außenwirkung des Mo­tors dar. Die Steuerung kann diese Außen­wirkung aber nur durch eine geeigneteEinspritzung von Kraftstoff in Verbindungmit dem richtigen Einspritzzeitpunkt so­wie den notwendigen Randbedingungendes Luftsystems erzeugen (z. B. Ladedruck,Abgasrückführrate). Die notwendige Ein­spritzmenge wird über den aktuellen Ver­brennungswirkungsgrad bestimmt. Dieerrechnete Kraftstoffmenge wird durcheine Schutzfunktion (z.B. gegen Überhit­zung) begrenzt und gegebenenfalls durchdie Laufruheregelung verändert. Währenddes Startvorgangs wird die Einspritzmengenicht durch externe Vorgaben (wie z. B.den Fahrer) bestimmt, sondern in der sepa­raten Steuerungsfunktion "Startmenge"berechnet.

Ansteuerung der AktorenAus dem schließlich resultierenden Soll­wert für die Einspritzmenge werden dieAnsteuerdaten für die Einspritzpumpenbzw. die Einspritzventile ermittelt sowieder bestmögliche Betriebspunkt des Luft­systems bestimmt.

Elektronische Dieselregelung I Momentengefü hrte EDC-Systeme I 91

Ablauf der Motorsteuerung bei der momentengeführten Dieselrege lung

Sensor­signale

D ExterneVorgaben

D InterneAbläufe

••• Datenüber­tragung mitCAN mäglidl

Vortriebsmoment

Fahrerwunsch : Auswahl des Soll-- Fahrpedalsensor, ---- .. Vortriebsmoments- Fahrgeschwindigkeits-

regelung ,

- Fahrgeschwindigkeits-begrenzung. +

Vorgabe des Koordinati on desFahrdynamiksystems:

---- .. Vortriebsmoments-ASR,

- ESP. Daten-austausch

Weitere externe Momentanforderungen .j, WITriebstrangübersetzung I ~ Koordination des

V orgabe desAntriebstrangmoments

WGetriebesteu ergeräts---- ..

Motorbelastung durch ---- .. WNebenaggregate

Innere Momentanforderungen

'"ILeerlaufregelung I ~ Steuerung des

IAktiver Ruckeldämpfer IMotormoments

~ (innere Funktionen)

IBegren zungsmoment I ~

Startmenge I...

IWirkungsgrad Motor I ~ I,Start" Fahr-

I I Mengen-, betrieb

Begren zungsmenge ~vorgabe

ILaufruheregelung I ~

Ansteuerung der Aktoren I I

Vorgabe: Vorgabe:- Ladedruck, - Förderbeginn ,- Abgasrückführrate, - Spritzversteller,

- Raildruck,... Ge nach System).

... ...Luftsystem

l"JIR~1Einspritzsystem

lffi~ ffi~- Lader , - Einspritz-- Abgasrück- pumpe,

führung. - Injektoren.

92 I Elektronische Dieselregelung I Datenaustausch mit andere n Systeme n

Datenaustausch mit anderenSystemen

Kraftstoff-VerbrauchssignalDas Motorsteuergerät (Bild 1, Pos. 3) er­mittelt den Kraftstoffverbrauch und gibtdas Signal über CAN an das Kombiinstru­ment oder einen eigenständigen Bord­rechner (6). Dort kann dem Fahrer dermomentane Kraftstoffverbrauch oder dieRestreichweite angezeigt werden. ÄltereSysteme geben das Kraftstoff-Verbrauchs­signal als PWM-Signal aus (Puls-Weiten­Moduliertes Signal).

Steuerung des StartersDer Starter (8) kann vom Motorsteuergerätangesteuert werden. Die EDCstellt damitsicher, dass der Fahrer nicht in den laufen­den Motor starten kann. Der Starter wirdnur so lange betätigt, wie es notwendig ist,damit der Motor sicher hochläuft. Durchdiese Funktion kann der Starter leichterund somit kostengünstiger ausgelegt wer­den.

Glühzeitsteuergerät GZSDas Glühzeitsteuergerät (5) erhält vomMotorsteuergerät die Information überZeitpunkt und Dauer des Glühvorgangs.Das Glühzeitsteuergerät steuert die Glüh­kerzen an und überwacht den Glühvor­gang. Für die Diagnosefunktion meldet esStörungen an das Motorsteuergerät zu­rück. Die Vorglüh-Kontrollleuchte wirdmeist vom Motorsteuergerät angesteuert.

Elektronische WegfahrsperreUm eine unbefugte Benutzung zu verhin­dern, kann der Motor erst gestartet wer­den, wenn ein zusätzliches Steuergerät fürdie Wegfahrsperre (7) das Motorsteuerge­rät frei schaltet.

Der Fahrer kann dem Steuergerät derWegfahrsperre Z.B. über eine Fernbedie­nung oder den Glüh-Start-Schalter ("Zünd­schlüssel") signalisieren, dass er berech­tigt ist, das Fahrzeug zu nutzen. Es schaltetdann das Motorsteuergerät frei, sodassMotorstart und Fahrbetrieb möglich sind.

Mögliche Komponen ten f ür den Datenaustausch mit der Elekt ronischen Dieselregelung

Bild 11 ESP-Steuergerät

(mit ABS und ASRj

2 Getriebesteuergerät

3 Motorsteuergerät

(EDe )

4 Klimasteuergerät

5 Glühzeitsteuergerät

6 Kombiins trument

mit

Bordrechner

7 Steuergerät der

Wegfahrsperre

8 Starter

9 Generator

10 Klimakompressor

Externer MomenteneingriffBeim externen Momenteneingriffwird dieEinspritzmenge von einem anderen Steu­ergerät (z.B. für Getriebesteuerung, ASR)beeinflusst. Es teilt dem Motorsteuergerätmit, ob und um wie viel das Drehmomentdes Motors (und damit die Einspritz­menge) geändert werden soll.

Steuerung des GeneratorsÜber eine genormte serielle Schnittstellekann die EDC den Generator (9) fernsteu­ern und überwachen. Eine Steuerung derRegelspannung ist genauso möglich wiedas komplette Abschalten des Generators.Das Ladeverhalten des Generators kann,Z.B.bei schwacher Batterie, durch eineAnhebung der Leerlaufdrehzahl unter­stütztwerden. Auch eine einfache Diag­nose des Generators ist über diese Schnitt­stelle möglich.

KlimaanlageUm bei hohen Außentemperaturen eineangenehme Innentemperatur zu erhalten,kühlt die Klimaanlage die Luft für denFahrzeuginnenraum mithilfe eines Klima­kompressors (10) ab. Sein Leistungsbedarfkann je nach Motor und Fahrsituation biszu 30 % der Motorleistung betragen.

Elektronische Dieselregelung I Serielle Datenübertragung mit CAN I 93

Serielle Datenübertragungmit CAN

Kraftfahrzeuge sind mit einer ständigwachsenden Zahl von elektronischenSystemen ausgestattet. Diese benötigeneinen intensiven Daten- und Informations­austausch, wobei die Anforderungen anDatenmengen und Geschwindigkeit immergrößer werden.

CAN(Controller Area Network) ist ein spe­ziell für die Anwendung im Kraftfahrzeugentwickeltes lineares Bussystem (Bild 1).Es wird inzwischen auch in anderen Berei­chen eingesetzt (z.B. in der Haustechnik).

Die Daten werden auf einer gemein­samen (Bus-)Leitung seriell, d.h. hinter­einander übertragen. Alle CAN-Teilnehmerhaben Zugriff auf den Bus. Über eine CAN­Schnittstelle in den Steuergeräten könnendiese Stationen Daten senden und empfan­gen. Durch die vernetzung werden wesent­lich weniger Leitungen benötigt, da aufeiner Busleitung eine Vielzahl Daten aus­getauscht werden können und die Datenmehrfach gelesen werden können. Bei her­kömmlichen Systemen erfolgt der Daten­austausch über einzeln zugeordneteDatenleitungen von Punkt zu Punkt.

Sobald der Fahrer das Fahrpedal ganzdurchdrückt oder rasch betätigt (und da­mit also ein maximales Drehmomentwünscht), kann der Klimakompressorkurzzeitig vom Motorsteuergerät abge­schaltet werden. Dadurch steht die volleMotorleistung für den Antrieb zur Ver­fügung. Da nur kurzzeitig abgeschaltetwird, hat dies keinen merklichen Einflussauf die Innenraumtemperatur des Fahr­zeugs.

Lineare Busst rukt ur

Gelriebesleuerungstation 1

ABS/ASR/ESPstation 3

Molorsleuen.ngstat ion 2

~

~~Kombilllsiruneni ~station 4 @

§

94 I Diagnose I Überwachung im Fahrbet r ieb (On- Board-Diagnose)

Diagnose

Die Zunahme der Elektronik im Kraft­fahrzeug, die Nutzung von Software zurSteuerung des Fahrzeugs und die erhöhteKomplexität moderner Einspritzsystemestellen hohe Anforderungen an das Diag­nosekonzept, die Überwachung im Fahr­betrieb (On-Board-Diagnose) und dieWerkstattdiagnose (Bild 1). Basis derWerkstattdiagnose ist die geführte Feh­lersuche, die verschiedene Möglichkeitenvon Onboard- und Offboard-Prüfmetho­den und Prüfgeräten verknüpft. Im Zugeder Verschärfung der Abgasgesetzgebungund der Forderung nach laufender Über­wachung hat auch der Gesetzgeber dieOn-Board-Diagnose als Hilfsmittel zurAbgasüberwachung erkannt und eine her­stellerunabhängige Standardisierung ge­schaffen. Dieses zusätzlich installierteSystem wird OBD-System (On Board Diag­nostic System) genannt.

Diagnosesystem

Offbüard­Pro/gerat

Überwachung im Fahrbetrieb(On-Board-Oiagnose)

ÜbersichtDie im Steuergerät integrierte Diagnosegehört zum Grundumfang elektronischerMotorsteuerungssysteme. Neben derSelbstprüfung des Steuergeräts werdenEin- und Ausgangssignale sowie dieKommunikation der Steuergeräte unter­einander überwacht.

Unter einer On-Board-Diagnose deselektronischen Systems ist die Fähigkeitdes Steuergeräts zu verstehen, sich auchmithilfe der "Software-Intelligenz" ständigselbst zu überwachen, d.h. Fehler zu er­kennen, abzuspeichern und diagnostischauszuwerten. Die On-Board-Diagnose läuftohne Zusatzgeräte ab.

Überwachungsalgorithmen überprüfenwährend des Betriebs die Eingangs- undAusgangssignale sowie das Gesamtsystemmit allen Funktionen auf Fehlverhaltenund Störungen. Die dabei erkannten Feh­ler werden im Fehlerspeicher des Steuer­geräts abgespeichert. Die abgespeicherteFehlerinformation kann über eine serielleSchnittstelle ausgelesen werden.

Steuergerate

Diagnose I Überwachung im Fahrbet rieb (On-Board-Diagnose) I 95

Überwachung der EingangssignaleDie Sensoren, Steckverbinder und Verbin­dungsleitungen (Signalpfad) zum Steuer­gerät (Bild 2) werden anhand der aus­gewerteten Eingangssignale überwacht.Mit diesen Überprüfungen können nebenSensorfehlern auch Kurzschlüsse zurBatteriespannung U Batt und zur Massesowie Leitungsunterbrechungen festge­stellt werden. Hierzu werden folgendeVerfahren angewandt:li>- Überwachung der Versorgungsspan­

nung des Sensors (falls vorhanden).li>- Überprüfung des erfassten Wertes auf

den zulässigen Wertebereich (z. B.0,5 ...4,5 V).

li>- Bei Vorliegen von Zusatzinformationenwird eine Plausibilitätsprüfung mit demerfassten Wert durchgeführt (z. B. Ver­gleich Kurbelwellen- und Nockenwellen­drehzahl).

li>- Besonders wichtige Sensoren (z. B.Fahrpedalsensor) sind redundant aus­geführt. Ihre Signale können somitdirekt miteinander verglichen werden.

Überwachung der AusgangssignaleDie vom Steuergerät über Endstufen ange­steuerten Aktoren (Bild 2) werden über­wacht. Mit den Überwachungsfunktionenwerden neben Aktorfehlem auch Leitungs­unterbrechungen und Kurzschlüsse er­kannt. Hierzu werden folgende Verfahrenangewandt:li>- Überwachung des Stromkreises eines

Ausgangssignals durch die Endstufe. DerStromkreis wird auf Kurzschlüsse zurBatteriespannung UBatt , zur Masse undaufUnterbrechung überwacht.

li>- Die Systemauswirkungen des Aktorswerden direkt oder indirekt durcheine Funktions- oder Plausibilitätsüber­wachung erfasst. Die Aktoren desSystems, z. B. Abgasrückführventil,Drosselklappe oder Drallklappe, werdenindirekt über die Regelkreise (z.B.permanente Regelabweichung) und­teilweise zusätzlich über Lagesensoren(z.B. die Stellung der Turbinengeo­metrie beim Turbolader) überwacht.

Systemb ild ei nes elektronische n Systems (Beispiel Common Rail)

Injektoren

Glühzeitsteuergerät

Drosselklappensteller

zusätzlicheEndstufen

Ladedrucksteller

Diagnoselampe

CAN CAN-Schnittstelle

Aktoren

'--- ---l'-''O' Rail-DruckregelventilHochdruckpumpe

-j Atqasncknmsteäer

III

nmKommunikation

ISO-SChnittstelle

Endstufen (z. S. Diagnose)

Diagnose

Sensorauswertung

Signalverarbeitung

Steuergerät

Luftmassemesser

Drucksensoren(Ladedruck, Raildruck)

Drehzahlsensoren(Ktrtelweje,Nockenwelle)

Temperatursensoren(Ladelutt-,Abgas -,Motortemperatur)

sensoren Wld Sollwertgeber

Fahrpedalsensormit Leergasschalterund Kickdown-SChalter

Schalteingänge(Kupplungsschaller,Klemme 15, Fahr­geschwindigkeitsregler)

96 I Diagnose I Überwachung im Fahrbet r ieb (On- Board-Diagnose)

Überwachung der internenSteuergerätefunktionenDamit die korrekte Funktionsweise desSteuergeräts jederzeit sichergestellt ist,sind im Steuergerät Überwachungsfunk­tionen in Hardware (z.B. "intelligente"Endstufenbausteine) und in Software reali­siert. Die Überwachungsfunktionen über­prüfen die einzelnen Bauteile des Steuer­geräts (z. B. Mikrocontroller, Flash­EPROM,RAM).Viele Tests werden sofortnach dem Einschalten durchgeführt. Wei­tere Überwachungsfunktionen werdenwährend des normalen Betriebs durch­geführt und in regelmäßigen Abständenwiederholt, damit der Ausfall eines Bau­teils auch während des Betriebs erkanntwird. Testabläufe, die sehr viel Rechner­kapazität erfordern oder aus anderenGründen nicht im Fahrbetrieb erfolgenkönnen, werden im Nachlaufnach "Motoraus" durchgeführt. Auf diese Weise wer­den die anderen Funktionen nicht beein­trächtigt. Beim Common Rail System fürDieselmotoren werden im Hochlauf oderNachlauf z. B. die Abschaltpfade der Injek­toren getestet. Beim Ottomotor wird imNachlauf z. B. das Flash- EPROMgeprüft.

Überwachung derSteuergerätekommunikationDie Kommunikation mit den anderenSteuergeräten findet in der Regel über denCAN-Bus statt. Im CAN-Protokoll sindKontrollmechanismen zur Störungserken­nung integriert, sodass Übertragungsfehlerschon im CAN-Baustein erkannt werdenkönnen. Darüber hinaus werden im Steuer­gerätweitere Überprüfungen durchgeführt.Da die meisten CAN-Botschaften in regel­mäßigen Abständen von den jeweiligenSteuergeräten versendet werden, kann z. B.der Ausfall eines CAN-Controllers in einemSteuergerät mit der Überprüfung dieserzeitlichen Abstände detektiert werden. Zu­sätzlich werden die empfangenen Signalebei Vorliegen von redundanten Infonnatio­nen im Steuergerät anhand dieser Infonna­tionen wie alle Eingangssignale überprüft.

FehlerbehandlungFehlererkennungEin Signalpfad wird als endgültig defekteingestuft, wenn ein Fehler über eine de­finierte Zeit vorliegt. Bis zur Defekteinstu­fung wird der zuletzt als gültig erkannteWert im System verwendet. Mit derDefekteinstufung wird in der Regel eineErsatzfunktion eingeleitet (z. B.Motor­temperatur-Ersatzwert T = 90°C).

Für die meisten Fehler ist eine Heilungbzw. Intakt-Erkennung während des Fahr­zeugbetriebs möglich. Hierzu muss derSignalpfad für eine definierte Zeit als in­takt erkannt werden.

FehlerspeicherungJeder Fehler wird im nichtflüchtigen Be­reich des Datenspeichers in Form einesFehlercodes abgespeichert. Der Fehler­code beschreibt auch die Fehlerart (z. B.Kurzschluss, Leitungsunterbrechung,Plausibilität, Wertebereichsüberschrei­tung). Zu jedem Fehlereintrag werden zu­sätzliche Informationen gespeichert, z. B.die Betriebs- und Umweltbedingungen(Freeze Frame), die bei Auftreten des Feh­lers herrschen (z. B. Motordrehzahl, Mo­tortemperatur).

Notlauffunktionen (Limp horne)Bei Erkennen eines Fehlers können nebenErsatzwerten auch Notlaufmaßnahmen(z. B. Begrenzung der Motorleistung oder-drehzahl) eingeleitet werden. Diese Maß­nahmen dienenli>- der Erhaltung der Fahrsicherheit,li>- der Vermeidung von Folgeschäden oderli>- der Minimierung von Abgasemissionen.

On Board Diagnostic Systemfür Pkw und leichte Nkw

Damit die vom Gesetzgeber gefordertenEmissionsgrenzwerte auch im Alltag ein­gehalten werden, müssen das Motorsystemund die Komponenten ständig überwachtwerden. Deshalb wurden - beginnend inKalifornien - Regelungen zur Über­wachung der abgasrelevanten Systemeund Komponenten erlassen. Damit wirddie herstellerspezifische On-Board-Diag­nose hinsichtlich der Überwachung emis­sionsrelevanter Komponenten und Sys­teme standardisiert und weiter ausgebaut.

GesetzgebungOBD I (CARB)

1988 trat in Kalifornien mit OBD I die ersteStufe der CARE-Gesetzgebung (CaliforniaAir Resources Board) in Kraft. Diese ersteOBD-Stufe verlangt:li>- Die Überwachung abgasrelevanter

elektrischer Komponenten (Kurz­schlüsse, Leitungsunterbrechungen)und Abspeicherung der Fehler imFehlerspeicher des Steuergeräts.

li>- Eine Fehlerlampe (Malfunction IndicatorLamp, MIL), die dem Fahrer erkannteFehler anzeigt.

li>- Mit Onboard-Mitteln (z. B. Blinkeodeüber eine Diagnoselampe) muss aus­gelesen werden können, welche Kom­ponente ausgefallen ist.

OBD II (CARB)

1994 wurde mit OBD11 die zweite Stufeder Diagnosegesetzgebung in Kalifornieneingeführt. Für Fahrzeuge mit Dieselmoto­ren wurde OBD11 ab 1996 Pflicht. Zusätz­lich zu dem Umfang OBDI wird nun auchdie Funktionalität des Systems überwacht(z. B. Prüfung von Sensorsignalen aufPlausibilität).

OBD 11 verlangt, dass alle abgasrelevan­ten Systeme und Komponenten, die beiFehlfunktion zu einer Erhöhung der schäd­lichen Abgasemissionen führen können(Überschreitung der OBD-Grenzwerte),

Diagnose I On Board Diagnost ic System für Pkw und leichte Nkw I 97

überwacht werden. Zusätzlich sind auchalle Komponenten, die zur Überwachungemissionsrelevanter Komponenten einge­setzt werden bzw. die das Diagnoseergeb­nis beeinflussen können, zu überwachen.

Für alle zu überprüfenden Komponen­ten und Systeme müssen die Diagnose­funktionen in der Regel mindestens einmalim Abgas- Testzyklus (z. B. FTP 75) durch­laufen werden. Darüber hinaus wird gefor­dert, dass alle Diagnosefunktionen auchim täglichen Fahrbetrieb ausreichend häu­fig ablaufen. Für viele nicht kontinuierlichlaufenden Überwachungsfunktionen istseit Modelljahr 2005 eine im Gesetz defi­nierte Überwachungshäufigkeit ("In UseMonitor Performance Ratio") im täglichenFahrbetrieb vorgeschrieben.

Seit Einführung der OBD11 wurde dasGesetz in mehreren Stufen überarbeitet(updates). Die letzte Überarbeitung er­folgte mit dem "Biennal-Review", neueAnforderungen werden in drei Stufen ein­geführt.

Neben Kalifornien haben neun weitereus-nundessraaten die CARB-Gesetz­gebung übernommen oder planen diesezu übernehmen.

OBD (EPA)

In 40 US-Bundesstaaten gelten die Gesetzeder Bundesbehörde EPA(EnvironmentalProtection Agency). Der Umfang dieser Di­agnose entspricht im Wesentlichen OBD11.

EOBD (EU)

Die auf europäische Verhältnisse ange­passte OBDwird als EOBD bezeichnet undlehnt sich an die EPA-OBD an .

Die EOBDgilt seit januar 2000 für allePkw und leichte Nkw mit Ottomotoren biszu 3,5 t. Seit januar 2003 gilt die EOBDauch für Pkw und leichte Nkwmit Diesel­motoren. Die EOBD-Gesetzgebung wirdderzeit für die Einführung der Emissions­stufen Euro 5 und Euro 6 überarbeitet undes gibt erste Entwürfe dazu. Es ist miteiner deutlichen Verschärfung der EOBD­Grentwerte zu rechnen.

98 I Diagnose I Diagnose in der Werksta tt

Diagnose in der Werkstatt

Aufgabe dieser Diagnose ist die schnelleund sichere Identifikation der fehlerhaftenkleinsten tauschbaren Einheit. Dabeiwerden die Onboard-Informationen undOffboard-Prüfmethoden und -Prüfgerätein der geführten Fehlersuche verknüpft.Hilfestellung dabei gibt die ElektronischeService-Infonnation (ESI[tronic]). Sieenthält für viele möglichen Probleme (z. B.Motor ruckelt) und Fehler (z. B. Kurz­schluss Motortemperatursensor) Anlei­tungen für die weitere Fehlersuche.

Geführte FehlersucheWesentliches Element ist die geführteFehlersuche. Der Werkstattmitarbeiterwird- ausgehendvom Symptom (Fahrzeug­symptom oder Fehlerspeichereintrag) -

n Ablau f einer geführten Fehlersuche mit CAS[plus]

Identifikation

Fehlersuchenach Kundenbeanstandung

Fehlerspeicher auslesenund anzeigen

Komponentenprüfungaus Fehlercodeanzeige starten

mithilfe eines symptomabhängigen,ergebnisgesteuerten Ablaufs geführt. Ge­nutzt werden Onboard- (Fehlerspeicher­einträge) sowie Offboard-Möglichkeiten(Stellglieddiagnose und Offboard-Prüf­geräte).

Die geführte Fehlersuche, Auslesen desFehlerspeichers, Werkstatt-Diagnosefunk­tionen und die elektrische Kommunikationmit Offboard-Prüfgeräten erfolgen mithilfevon i. Allg. pe-basierten Diagnosetestern.Das kann ein spezifischer Werkstatt-Testerdes Fahrzeugherstellers oder ein univer­seller Tester (z. B. KTS650 von Bosch)sein.

Auslesen der Feh lers pe ichereinträgeDie während des Fahrbetriebs abgespei­cherten Fehlerinformationen (Fehlerspei­chereinträge) werden bei der Fahrzeug­inspektion oder -reparatur in der Kunden­dienstwerkstatt über eine serielle Schnitt­stelle ausgelesen. Das Auslesen derFehlereinträge kann mithilfe des Diagno­setesters durchgeführt werden. Der Werk­stattmitarbeiter erhält Angaben über:li>- Fehlfunktion (z. B. Motortemperatur­

sensor),li>- Fehlercode (z. B. Kurzschluss nach

Masse, Signal nicht plausibel, Fehlerstatisch vorhanden),

li>- Umweltbedingungen (Messwerte zumZeitpunkt der Fehlerspeicherung, z. B.Drehzahl, Motortemperatur usw.).

Bild 1

Das System CAS[ plus)

(Computer Aided

Service) verknüpft die

steue rgeräte-Diagnose

mit der SIS-Fehlersuch­

anleitung für eine noch

effektivere Fehlers uche.

Oie für Diagnose und

Reparatur entscheiden­

den Werte erscheinen

dabei sofort auf einer

Bildschi rmansicht.

SO-Istwerte und Multimeter-Istwertein der Komponentenprüfung anzeigen

Soll-flstwerte-Vergleich ermöglichtFehlerbestimmung

Reparatur durchführen,Teilebestimmung,

Schaltpläne usw. in ESI[tronic]

Defektes Teil austauschen

Fehlerspeicher löschen

Nach dem Auslesen des Fehlerspeichers inder Werkstatt und der Fehlerbehebungkann der Fehlerspeicher mit dem Testge­rät wieder gelöscht werden.

Für die Kommunikation zwischen Steuer­gerät und Tester muss eine geeigneteSchnittstelle definiert sein.

Stellglied- DiagnoseUm in den Kundendienstwerkstätten ein­zelne Stellglieder (Aktoren) gezielt aktivie­ren und deren Funktionalität prüfen zukönnen, ist im Steuergerät eine Stellglied-

Dioeno... I Diag"ose i" der Werkstatt I 99

Darstellung ~o" PrOlIU""liOMn mit dem ~TS 650

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In,.",o< ZyIon<Io, 2In,.."" ZylorIdo, 3

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~~-_ ....-Motorölsensor Öltemp.

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yIind.. . ........,."", sto~ <10, .....pnsu"ll mit2.Arib<uehmrlFll"""'ESC

d~===i

Wt'rksl au-Dtagnoscfu nkt iOl1<'11Fehler, die die On- Board-Inagnosc nit' hterkennen kann , lassen steh mit hilfe vonunterstüt zenden Funktinm-n eingreuzeu.DipS(' Wt' rkst at t-Iliagllost'fu nkt iolwn Silldim Molorst l'Ut'rgt' rä1 implenu-nttert undwerden vOl11 lliaguost'tl's le rges1<'ue r1.

Werks lart- Iitagn osefu nkt ionou laufenemwed..r nach dem Sta r t durch den Diag­noscn-s tor volls tändig autark im Steu er­gt'riit ah und melden nach Ik l'ndi gu llg dasErgehnis an de n Iliaguos"'l'sl l'r zurück,mh-r der- Diagllo st't l' sll'r Oht' rnißllllt dir­Ahlaufsleueru ng, M('sst!alensamr nlungund Auswt'rtung. Das Steuergerät führtdann nur d it, einz..lnen B..fe hlt, au s.

Offboard·PrUfgerätDie Diagnosel11iiglidtkl'itl' ll werden durchNUlZUTlg VOll Zusallst'nso r ik, l' r üfgt'riilt' llund ex ternen Ausw"rtt~g l' rii l t'n crwenert.Dit' Uffboard -Pr üfgr-rän- wertk-n im Fehler­fall in der werkstan a n das Fahrzeug ada p­nert.

/leis/,;" /

Beim Ko mpressionstest wird d ie Rinspr tt ­zung ah gesdHlll t'1, währeudd..r Motorvo m Sta rlt'rgpsr hk-ppt wtnt.nas M01or­stouergerät erfasst kurbclwelh-nsynrhronrue urc hzahlw cnc. Aus den Dreh zah l-sr-hw ankuugen. tl. h. de m unrcrsclncdzwisd wll nledr tgstem und höchstemDrehzahlwert , kamt efm- Aussagt' überd ie Knr upression der t' inzt'hwll Zylintlt' rurnl da mit ii1wr den Zus la n,1d,' s MotorslWlroff" 11 werden.

Diagn ose cut ha uen. Dieser Testmoduswird mu de m Ina gnosctcsu-r eingeleitet

und funktio nier t nur bei ste he ndem Fahr­l" ug unt erhalb t' i!ll'r hestlnt nucu Motor ­drehxahl urh-r ht'i Motorsttllstand . unteranderem ist es hk-r nutruögl i..h, dieFunk­tio n der Stpllg1i"dp r akususeh tz. B. Kli-..ken des Ventfls), oprtsch (z . II. B,'w"g ungt' int' r Klap pt') Ollt'r d u rch a nd pr, ' Metho­

den, wie Messuu g vo n r-lektnschen Signa·k-n, zu übe-rprüfen.

100 I Diagnose I Diagnosefunkt ionen

Diagnosefunktionen

Beispiel BIP-RegelungBei UI -Systemen wird der Einspritzvor­gang unter anderem über die BIP-Regelungüberwacht (ElP: Begin ofInjection Period;siehe auch Kapitel "Elektronische Diesel­regelung").

Dafür erfasst das Steuergerät den Verlaufdes Ansteuerstroms für die Magnetventileder Injektoren. In dem Moment, in dem dieMagnetventilnadel schließt, zeigt der Mag­netventilstrom einen charakteristischenVerlauf(ElP-Signal, Bild 3). Das BIP-Signalgibt somit eine Rückmeldung über dentatsächlichen Förderbeginn. Diese Infor­mation dient dem Steuergerät zur Regelungdes Förderbeginns und zur Feststellungetwaiger Funktionsstörungen des Magnet­ventils.

Liegt das BIP-Signal außerhalb des er­warteten Schließzeitpunkts ("Regelgrenze"oder "ElP-Fenster"), so liegt ein Fehlervorund es erfolgt ein Eintrag in den Fehler­speicher des Steuergeräts. Mithilfe einesgeeigneten Diagnosetestersbesteht dieMöglichkeit, die zeitliche Abweichung destatsächlichen Förderbeginns von seinemerrechneten Sollwert auszulesen.

Ein vorzeitiges Schließen des Magnet­ventils kann u. a. folgende Ursachen haben:li>- Ungenügende Kraftstoffbefüllung des

Unitlnjectors aufgrund von unzurei­chendem Kraftstoffdruck im Nieder-

BIP-Erkennung_1_3

t-'E

~ 4

~~c~

"Zeitt ___

drucksystem (z. B. durch verstopftenKraftstofffilter, undichte Kraftstoff­schläuche oder defekte Vorförder­pumpe)

li>- Undichtigkeiten desUnitlnjectors selbst

Mögliche Ursachen für ein verspätetesSchließen des Magnetventils sind u. a.:li>- Verwendung von nichtnormgerechtem

Kraftstoffund Verunreinigungen desKraftstoffs

li>- Bewegung der Magnetventilnadelist durch Partikel oderinfolge vonVerschleißbehindert

Bild 3

1 BIP-Fenster

2 BIP-Signal

3 Anzusstrommveau

4 Haltestromniveau

102 I Diesel-Einspritzsysteme im Überblick I Bauart en

Diesel-Einspritzsysteme im Überblick

DasEinspritzsystem spritzt den Kraft­stoffunterhohem Druck, zum richtigenZeitpunkt und in der richtigen Menge inden Brennraum ein. WesentlicheKompo­nenten desEinspritzsystems sind die Ein­spritzpumpe, die denHochdruckerzeugt,sowie die Einspritzdüsen, die-außerbeim Unit Injector System - überHoch­druckleitungen mit derEinspritzpumpeverbunden sind. Die Einspritzdüsen ragenin den Brennraum der einzelnen Zylinder.

Bei den meisten Systemen öffnet die Düse,wenn der Kraftstoffdruck einen bestimm­ten Öffnungsdruck erreicht und schließt,wenn er unter dieses Niveau abfallt. Nurbeim Common Rail System wird die Düsedurch eine elektronische Regelungfremd­gesteuert.

Bauarten

Die Einspritzsysteme unterscheiden sichi. W.inder Hochdruckerzeugung undinderSteuerung von Einspritzbeginn und -dauer.Während ältere Systeme z. T.noch reinme­chanischgesteuertwerden, hat sich heutedie elektronische Regelung durchgesetzt.

ReiheneinspritzpumpenStan dar d -ReiheneinspritzpumpenReiheneinspritzpumpen (Bild 1) habenjeMotorzylinder ein Pumpenelement, dasaus Pumpenzylinder (1) und Pumpenkol­ben (4) besteht. Der Pumpenkolben wirddurch die in der Einspritzpumpe integrierteundvom Motor angetriebene Nockenwelle(7) in Förderrichtung (hiernach oben) be­wegt und durch die Kolbenfeder (5) zurück­gedrückt. Die einzelnen Pumpenelementesindin Reihe angeordnet (daher der NameReiheneinspritzpumpe).

Der Hub des Kolbensist unveränderlich.Verschließt die Oberkante des Kolbens beider Aufwärtsbewegung die Ansaugöffnung(2), beginnt der Hochdruckaufbau. DieserZeitpunktwirdFörderbeginngenannt.Der Kolben bewegt sich weiter aufwärts.Dadurch steigt der Krafts toffdruck, die Düseöffnet und Kraftstoffwird eingespritzt.

Gibt die im Kolben schräg eingearbeiteteSteuerkante (3) die Ansaugöffnungfrei,kann Kraftstoffabfließen und der Druckbricht zusammen. Die Düsennadel schließtund die Einspritzung istbeendet.

Der Kolbenweg zwischen Verschließenund Öffnen der Ansaugöffnungistder Nutz­hub.

Hubsch iebe r

Verstellweg durch

Stellwelle

10

9+--fj' rl

b

"~-7

bI- -+-tX

lf-+ - 3+ -+- 4

Funkt ionsprinzi p der Reiheneinspritz pumpe

"~-7

10

1'L'J.r- l __ 1

- -,

(Förderbeginn)

10 Kraftstofffluss zur

Einspritzdüse

X Nutzhub

Bild 1

Standard -Reihen­

einspritzpumpe

Hubschieber-

Reiheneinsp ritz­

pumpe

1 Pumpenzylinder

2 Ansaugöffnung

3 Steuerkante

4 Pumpenkolben

5 Kolbenfeder

6 Verdrehweg durch

Regelstange

(Einsp ritzmenge)

7 Antriebsnocken

8

9

Diesel-Einspritzsysteme im Überblick I Bauarten I 103

Funktionsprin zip der kantengesteuerten Axial kolben -Verteilerei nspritzpu mpen

Bild 2

1 Spritzverstelle rweg

am Rollenring

2 Rolle

3 Hubscheibe

4 Axialko lben

5 Regelsch iebe r

6 Hochdruckraum

7 Kraftstofff luss zur

Einspritzdüse

8 Steuersch litz

X Nutzhub

Je größer der Nutzhub ist, desto größeristauch die Förder- bzw. Einspritzmenge.

Zur drehzahl- undlastabhängigen Steu­erung der Einspritzmenge wird über eineRegelstange der Pumpenkolben verdreht.Dadurch verändert sich die Lage der Steuer­kante relativ zur Ansaugöffnung und damitder Nutzhub. Die Regelstange wird durcheinen mechanischen Fliehkraftregler oderein elektrisches Stellwerkgesteuert.

Einspritzpumpen, die nach diesem Prin­zip arbeiten, heißen .jcanrengesreuert".

Hubschieber-ReiheneinspritzpumpenDie Hubschieber-Reiheneinspritzpumpehat einen aufdem Pumpenkolben gleiten­den Hubschieber (Bild 1, Pos. 8), mit demder Vorhub- d. h. der Kolbenweg bis zumVerschließen der Ansaugöffnung- übereine Stellwelleverändertwerden kann. Da­durch wird der Förderbeginn verschoben.

Hubschieber-Reiheneinspritzpumpen wer­den immer elektronisch geregelt. Einspritz­menge undSpritzbeginn werden nach be­rechneten Sollwerten eingestellt.

Bei der Standard-Reiheneinspritzpumpehingegen ist der Spritzbeginn abhängigvonder Motordrehzahl.

VerteilereinspritzpumpenVerteilereinspritzpumpenhaben nur einHochdruckpumpenelementfür alle Zylin­der (Bilder 2 und3). Eine Flügelzellen­pumpe fordert den Kraftstoffin den Hoch­druckraum (6). Die Hochdruckerzeugungerfolgt durch einen Axialkolben (Bild 2,Pos. 4) odermehrere Radialkolben (Bild 3,Pos.4). Einrotierender zentraler Verteiler­kolben öffnet und schließt Steuerschlitze(8) undSteuerbohrungen undverteilt soden Kraftstoffaufdie einzelnen Motorzy­linder. Die Einspritzdauer wird über einenRegelschieber (Bild 2, Pos. 5) oder über einHochdruckmagnetventil (Bild 3, Pos. 5)geregelt.

Axialkolben-VerteilereinspritzpumpenEine rotierende Hubscheibe (Bild 2, Pos. 3)wirdvom Motor angetrieben. Die Anzahlder Nockenerhebungen aufder Hubschei­benunterseite entspricht der Anzahl derMotorzylinder. Sie wälzen sich aufdenRollen (2) des Rollenrings ab undbewirkendadurch beim Verteilerkolbenzusätzlichzur Drehbewegung eine Hubbewegung.Während einer Umdrehung der Antriebs­welle macht der Kolben so viele Hübe, wieMotorzylinder zu versorgen sind.

104 I Diesel-Einspritzsysteme im Überblick I Bauarten

Funkt ionsprinzip de r magnetventi Igesteuer ten Radialkol ben-Vertei lereinspri tzpumpen

Bild 3

Spntzve rsteIlerweg

am Nockenr ing

2 Rolle

3 Nockenr ing

4 Radialko lben

5 Hochdru ck-

magnetvent il

6 Hochdr uckraum

7 Kraftst off fluss zur

Einspritz düse

8 Steuerschl itz

4 -j-j+---fF

3- - '"

8 6

Bei derkantengesteuerten Axialkolben­Verteilereinspritzpumpe mit mecha­nischem Fliehkraft-Drehzahlregler oderelektronisch geregeltem Stellwerk be­stimmt ein Regelschieber (5) den Nutzhubund dosiert dadurch die Einspritzmenge.

Ein Spritzverstellerverstellt den Förder­beginn der Pumpe durch Verdrehen desRollenrings.

Radialkolben-VerteilereinspritzpumpenDie Hochdruckerzeugung erfolgt durcheine Radialkolbenpumpe mit Nockenring(Bild 3, Pos. 3) und zwei bis vier Radialkol­ben (4). Mit Radialkolbenpumpen könnenhöhere Einspritzdrücke erzieltwerdenals mit Axialkolbenpumpen. Sie müssenjedoch eine höhere mechanische Festigkeitaufweisen.

Der Nockenring kann durch den Spritz­versteller(l)verdrehtwerden, wodurchder Förderbeginn verschoben wird. Ein­spritzbeginn und Einspritzdauer sindbeider Radialkolben-Verteilereinspritzpumpeausschließlich magnetventilgesteuert.

Magnetventilgesteuerte Verteilereinspritz­pumpenBei magnetventilgesteuerten Verteilerein­spritzpumpen dosiert ein elektronischgesteuertes Hochdruckmagnetventil (5)die Einspritzmenge undverändert denEinspritzbeginn. Ist das Magnetventil ge­schlossen, kann sich im Hochdruckraum (6)Druck aufbauen. Ist es geöffnet, entweichtder Kraftstoff, sodass kein Druck aufgebautund dadurch nicht eingespritztwerdenkann. Ein oder zwei elektronische Steuer­geräte (Pumpen- undggf. Motorsteuerge­rät) erzeugen die Steuer- und Regelsignale.

Einzeleinspritzpumpen PFDie vor allem für Schiffsmotoren, Diesel­lokomotiven, Baumaschinen und Klein­motoren eingesetzten Einzeleinspritzpum­pen PF (Pumpe mit Fremdantrieb) werdendirektvon der Motornockenwelle angetrie­ben. Die Motornockenwelle hat-nebenden Nocken für die Ventilsteuerung desMotors- Antriebsnocken für die einzelnenEinspritzpumpen.

Die Arbeitsweise der Einzeleinspritz­pumpe PF entspricht ansonsten im Wesent­lichen der Reiheneinspritzpumpe.

Diesel-Einspritzsysteme im Überblick I Bauarten I 105

Unit Injector System UISBeim UnitInjectorSystem, UIS (auchPumpe-Düse-Einheit, PDE,genannt), bil­den die Einspritzpumpe und die Einspritz­düse eine Einheit(Bild4). Pro Motorzylin­derist ein Unit Injectorin den Zylinderkopfeingebaut. Erwird von der Motornocken­welle entweder direkt über einen Stößeloder indirekt über Kipphebel angetrieben.

Durch die integrierte Bauweise des UnitInjectors entfälltdie bei anderen Einspritz­systemen erforderlich Hochdruckleitungzwischen Einspritzpumpe und Einspritz­düse. Dadurch kann das Unit InjectorSystem aufeinen wesentlich höherenEinspritzdruck ausgelegtwerden. Dermaximale Einspritzdruckliegt derzeitbei2200bar.

Das Unit Injector System wird elektronischgesteuert. Einspritzbeginn und -dauerwerden von einem Steuergerätberechnetund über ein Hochdruckmagnetventilgesteuert.

Unit Pump System UPSDas UnitPump System, UPS (auch Pumpe­Leitung-Düse, PLD, genannt), arbeitetnachdem gleichen Verfahren wie das UnitInjector System (Bild 5). Im Gegensatzzum Unit Injector System sindhierjedochdie Düsenhalterkombination (2) und dieEinspritzpumpe über eine kurze Hoch­druckleitung (3) miteinander verbunden.Die Trennungvon Hochdruckerzeugungund Düsenhalterkombination erlaubt eineneinfacheren Anbau am Motor. Je Motor­zylinderist eine Einspritzeinheit (Ein­spritzpumpe, Leitung und Düsenhalter­kombination) eingebaut. Sie wirdvon derNockenwelle des Motors (6) angetrieben.

Auch beim Unit Pump System werden Ein­spritzdauer und Einspritzbeginn mit einemschnell schaltenden Hochdruckmagnet­ventil (4) elektronisch geregelt.

Funkt ionspri nzip de r Hochdruckkomponentendes Unit Injec tor Systems

Funktionsprin zip der Hochd ruckkompone ntendes Unit Pump Systems

3

Bild 4

1 Antr iebs nocken

2 Pumpenk olben

3 Hochd ruck-

magnetvent il

4 Einspritzdüse

BildS

1 Einspritzdüse

2 Düsenhalter-

kombination

3 Hochdruckleitung

4 Hochd ruck-

magnetvent il

5 Pumpenkolbe n

6 Antr iebs nocken

4

f5

• •• •• •• ••

---4

106 I Diesel-Einspritzsysteme im Überblick I Bauarten

Common Rail System CRSBeim Hochdruckspeicher-EinspritzsystemCommon Rail sind Druckerzeugung undEinspritzungvoneinander entkoppelt. Diesgeschiehtmithilfe eines Speichervolumens,das sich aus der gemeinsamen Verteiler­leiste (Common Rail) und den Injektorenzusammensetzt (Bild 6). Der Einspritzdruckwirdweitgehend unabhängig von Motor­drehzahl und Einspritzmenge von einerHochdruckpumpe erzeugt. Das Systembietet damit eine hohe Flexibilitätbei derGestaltung der Einspritzung.

Das Druckniveau liegt derzeitbei bis zu1600 bar (Pkw) bzw.1800 bar (Nkw).

Funk tionsweiseEine Vorförderpumpe fördert Kraftstoffüber ein Filter mit Wasserabscheider zurHochdruckpumpe. Die Hochdruckpumpesorgtfür den permanent erforderlichenhohen Kraftstoffdruck im Rail.

Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge so­wie Raildruck werden in der elektronischen

Funkt ionsprinzip des Common Rail Systems

Dieselregelung (EDC, Electronic DieselControl) abhängig vom Betriebszustand desMotors und den Umgebungsbedingungenberechnet.

Die Dosierung des Kraftstoffs erfolgt überdie Regelung von Einspritzdauer und Ein­spritzdruck. Über das Druckregelventil,das überschüssigen Kraftstoffzum Kraft­stoffbehälter zurückleitet, wird der Druckgeregelt. In einerneueren CR-Generationwird die Dosierungmit einer Zumesseinheitim Niederdruckteil vorgenommen, welchedie Förderleistung der Pumpe regelt.

Der Injektor ist überkurze Zuleitungen ansRail angeschlossen. Bei früheren CR-Gene­rationenkommenMagnetventil-Injektorenzum Einsatz, währendbeim neuesten SystemPiezo- Inline-Injektoren verwendetwer­den. Bei ihnen sind die bewegten Massenund die innere Reibungreduziert, wodurchsich sehrkurze Abstände zwischen den Ein­spritzungen realisieren lassen. Dies wirktsich positiv aufdie Emissionen aus.

Bild 6

1 Hochdruckpumpe

2 Rail

3 Injektor

4 EDC-Steuergerät

Diesel-Einspritzsysteme im Überblick I 107

EInsatzgebiete

Dieselmoto ren zeichnen sich durch ihre

hohe Wirtschaftlichkeit aus. Seit dem Pro­

duktionsbeginn der ersten Serien-Einspritz­

pumpe von Bosch im Jahre 1927 werden die

Einspritzsysteme ständig w eiterentwicke lt.

Anforderungen

Schärfer werdende Vorschriften für Abgas­

und Geräuschemissionen und der Wunsch

nach niedrigerem Kraftstoffverbrauch stellen

immer neue Anforderungen an die Einspritz­

anlage eines Dieselmotors.

Dieselmotoren werden in vielfältigen Aus ­

führungen eingesetzt , z. B. als

l>- Antrieb für mobile Stromerzeuger

(bis ca. 10 kWjZylinder),

l>- schnell laufende Motoren für Pkw und

leichte Nkw (b is ca. 50 kWjZylinder),

I>- Motoren für Bau-, Land - und Forstwirt­

schaft (bis ca. 50 kWjZylinder) ,

l>- Motoren für schwere Nkw, Busse und

Schlepper (bis ca . 80 kWjZylinder) ,

l>- Stationärmotoren, z. B. für Notstrom­

aggregate (bis ca. 160 kWj Zylinder) ,

l>- Motoren für Lokomotiven und Schiffe

(b is zu 1000 kWjZylinder).

Grundsätzlich muss die Einspritzanlage den

Kraftstoff für eine gute Gemischaufbereitung

je nach Diesel-Verbrennungsverfahren

(Direkt- oder Indirekteinspritzung) und

Betriebszustand mit hohem Druck (heute

zwischen 350 und 2200 bar) in den Brenn­

raum des Dieselmotors einspritzen und

dabei die Einspritzmenge mit der größtmög­

lichen Genauigkeit dosieren. Die Last - und

Drehzahlregelung des Dieselmotors wird

über die Kraftstoffmenge ohne Drosselung

der Ansaugluft vorgenommen.

Die mechanische Regelung für Diesel­

Einspritzsysteme wird zunehmend durch

die Elektronische Dieselregelung (EDC)

verdrängt. Im Pkw und Nkw werden die

neuen Dieseleinspritzsysteme ausschließ­

lich durch EDC geregelt.

Anwend ungsgebiete der 8osch -Diesel-Einspritzsysteme

PF t f'f t ff t ff t ff f PF fVE .. VE ..... VE ..iil; VE - VE - VE -iill..mI; ...Vf "I. Vf ..6 Vf "1.1

Vf "1.1Vf -01.1

UIS

~UIS

~UIS 1 UIS 1 UIS 1UPS , UPS , UPS •UPs •ff IR) PF IRI

r

CR .tl CR .tl CR .tl CR .tl CRu CR~ "~~TTTT TTTT TTTT TTTT mm . Q~~

M, MW,

A, P, H,

ZWM,

cw Reiheneinsp ritz­

pumpen mit

anste igender

Baugrö ße

PF EinzeIeinspr itz-

pumpen

VE Axialkolben­

Vertei lerein­

spritzpum pen

VR Radi alko lben­

Verte ile rein­

spritzpu mpen

UIS Unit Injector

System

UPS Unit Pump

Syst em

CR Commo n Rail

Syste m

f;M. ~~M.

A~~AIP_ PIH_MW_ MW_

-~W_!M.

108 I Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme I Einzeleinspritzp umpen PF

Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme

Dieselmotoren mit Einzelzylinder-Syste­menhabenfürjedenMotorzylindereineEinspritzeinheit. Diese Einspritzeinhei­ten lassen sich gut an den entsprechendenMotoranpassen. Die kurzenEinspritz­leitungen ermöglichen einbesondersgutes Einspritzverhalten unddie höchs­tenEinspritzdrücke.

Ständig steigende Anforderungenhabenzur Entwicklung verschiedener Diesel­einspritzsysteme geführt, die aufdie jewei­ligen Erfordernisse abgestimmt sindModerne Dieselmotoren sollen schadstoff­arm undwirtschaftlich arbeiten, hohe Leis­tungen undhohe Drehmomente erreichenund dabei leise sein.

Grundsätzlich werden bei Einzelzylinder­Systemen drei verschiedene Bauartenunterschieden: die kantengesteuertenEinzeleinspritzpumpen PF und die mag­netventilgesteuerten Unit Injector undUnitPump Systeme. Diese Bauarten unterschei­den sich nichtnur in ihrem Aufbau, sondernauch in ihren Leistungsdaten undihrenAnwendungsgebieten (Bild 1).

Einzeleinspritzpumpen PF

AnwendungDie Einzeleinspritzpumpen PF sindbeson­ders wartungsfreundlich. Sie werden im"OffHighway"-Bereich eingesetzt:li>- Einspritzpumpen für Dieselmotoren

von 4...75 kWjZylinderfürkleine Bauma­schinen' Pumpen, Traktoren und Strom­aggregate und

li>- Einspritzpumpen für Großmotoren ab75 kWjZylinder bis zu einer Zylinderleis­tungvon 1000 kW. Diese Pumpen ennög­liehen die Förderungvon Dieselkraftstoffundvon Schweröl mithoher Viskosität.

Aufbau und ArbeitsweiseDie Einzeleinspritzpumpen PF haben diegleiche Arbeitsweise wie die Reihenein­spritzpumpen PE. Sie haben ein Pumpen­element, bei dem die Einspritzmenge übereine Steuerkante verändertwerden kann.

Die Einzeleinspritzpumpen werdenmitje einem Flansch am Motorbefestigtundvon der Nockenwelle für die Ventil­steuerung des Motors angetrieben. Daherleitet sich die Bezeichnung Pumpe mit

Bauar ten und Anwend ungsgebiete der Einzelzyl inder-Systeme

Mengen-~

steuerung

Regelung

Bauart

unsatz-äbereich

-OOaumaschinen0-tIl'umperß-äraktorenä-~tromaggregate0

-älokcrnotlvenä-~chiffe

magnetventilgesteuert

-ächwere Nkw0 -rn'kw0-tEau- und Landmaschinen0 -mJkw-äokomonverö-~chiffe

Frem da nl rieb I' F ab.Sil' werden au ch Ster-k­p umpen genann t.

Kleine PF-Einspr tta pumpcn gibl es a uch in2-, 3 - und 4-Zylimk r-Y(·rsiOTw n. DiI' üblicheB<l uwctsc ist jedoch die Ein zylind er- ver­sion, die als ~:im\l'll'inspril zp umpe ht' :f.l' ieh ·net wird.

RegelungWiI' bei den Rcihcnctnsprttzpumpen grl'i fletne im Motor in legrit' rl t'lk g(' ls lange indas Pumpenelement de r Etnsp r tI zp umpcnein. Ein Regl e-r- verschiebt di (' Rl'gl'ls la ngl'und vorä nder t so d i\' Fördor- bzw. Ein­spritzmenge.

Be! c roü mo toron iSIder Regfl'r unmit tel­bar am Mo torgehä use bcfcsüg t. Dabei fln ­den mocha msch- hyd raulische, elektrom­seIl\' oder seltener rein mec-hanische Rl'gkrVerwendung.

Zwis c-hen d i(' Rl'gp ls la ngl' der Einzel­einsp rt tzp umpen und d as Oht' r lra gunb'S·g('s tilnge zum lk gfl'r is t bei großen 1'1' ­Pumpen em federndes Zwis chengliedgcschalrct, sodass die Rl'gl'1ung der üb r fgen

pumpen hei e inem eventuellen Blockieren

P,45 in Common R.iI Sy.~m

Systemübers k hl der Ei...elzyl;nder ·Sysl<lme I Einl eleinspr il.l pumpen P, ! 109

des Y('rs ll' lIm('cha nis mus einer einzelnen

Pump\' g('wäh rl('is l(' l hll' ih l .

Kraftstoffversorgungnc r Kra ftsto ff wird durch d nc zahnrad ­Vorförderpumpc d en Einzclcinsprttzp um­pen zugl' füh rl. Dil' sl' fiin l(' r l ('ine etwa3...5- mal so große f\.k ngl' Kra fts toffwiediemaxi male Volllastfördermon ge aller- Ein­spntzpumpen. Der Kraftstoffelruc k bet rägtetw a S... 10 bar.

Eine Hlterungdes Kraftstoffsd urch Pom ­filll ' r mil Pon'ngrii r~' n von 5...:m pmhäl lPar tikel vom Einspr il :f.sysll' m tern.Diesokönn ten sonst z uemem vorzeitigen ver­schjcjß dcr hoch pr äztsenüaurcüc des Ein ­spntzsystcms führen.

Ein satz im Common RaU Sy stem~:i nzelemspru zp u mpen werden a uch alsHcx-hdr uckp umpen fürCommo n Rai l Svs ­reme der 2. undx . GI' m' ra lion fürrruck­und Off -Htgh wav-Ap plika Honen verwendetund wettcrc m wickclI. Bild 2 zeigtdenRtnsat zdcr 1'1'4 3 tn cmem Common Ra tlSystem fü r I'incn Sec-hzylinder-Molor.

110 I Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme I Unit Injector System UIS und Uni t Pump System UPS

Unit Injector System UIS undUnit Pump System UPS

Die Einspritzsysteme Unit Injector SystemUIS undUnit Pump System UPS erreichenim Vergleich zu den anderen Dieselein­spritzsystemen derzeit die höchsten Ein­spritzdrücke. Sie ermöglichen eine präziseEinspritzung, die optimal an denjeweiligenBetriebszustand des Motors angepasstwer­den kann. Damit ausgerüstete Dieselmoto­ren arbeiten schadstoffarm, wirtschaftlichundleise und erreichen dabei eine hoheLeistung und ein hohes Drehmoment.

AnwendungsgebieteUnit Injector System UISDas Unit Injector System (auch Pumpe­Düse-EinheitPDEgenannt) ging 1994fürNkw und 1998 für Pkw in Serie. Es ist einEinspritzsystem mit zeitgesteuerten Ein­zeleinspritzpumpen für Motoren mit Die­sel-Direkteinspritzung (DI). Dieses Systembietet eine deutlich höhere Flexibilität zurAnpassung des Einspritzsystems an denMotor als konventionelle kantengesteuerteSysteme. Es deckt ein weites Spektrum mo­derner Dieselmotoren für Pkw und Nkw ab:li>- Pkw undleichteNkw: Einsatzbereiche

von Dreizylinder-Motoren mit 1,2IHub­raum, 45 kW (61 PS) Leistung und195 Nm Drehmomentbis hinzu 10­Zylinder-Motoren mit 5lHubraum,230kW (312 PS) Leistung und 750 NmDrehmoment.

.. SchwereNkwbis 80 kW/Zylinder.

Da keine Hochdruckleitungen notwendigsind, hatderUnitInjector ein besondersgutes hydraulisches Verhalten. Deshalblassen sich mit diesem System die höchstenEinspritzdrücke erzielen (bis zu 2200 bar).Beim Unit Injector System für Pkw ist einemechanisch-hydraulische Voreinspritzungrealisiert. Das Unit Injector System fürNkw bietet die Möglichkeit einer Vorein­spritzungim unteren Drehzahl- und Last­bereich.

UnitPump System UPSDas Unit Pump System wird auch Pumpe­Leitung-Düse PLD genannt. Auch die Be­zeichnung PF..MVwurde bei Großmotorenverwendet.

Das Unit Pump System istwie das UnitInjector System ein Einspritzsystem mitzeitgesteuerten Einzeleinspritzpumpenfür Motoren mit Diesel-Direkteinspritzung(DI). Es wird in folgenden Bauformen ein­gesetzt:li>- UPS 12 fürNkw-Motorenmitbis zu

6 Zylindern und 37 kW/Zylinder,li>- UPS20fürschwereNkw-Motorenmit

bis zu 8 Zylindern und65 kW/Zylinder,li>- SP (Steckpumpe) für schwere Nkw­

Motoren mit biszu 18 Zylindern und92 kW/Zylinder,

li>- SPS (Steckpumpe sma11)für Nkw­Motoren mit biszu 6 Zylindern und40 kW/Zylinder,

li>- UPSfürMotoreninBau-undLand­maschinen, Lokomotiven und Schiffenim Leistungsbereich bis500 kW/Zylinderundbis zu20 Zylindern.

AufbauSystembereicheDas Unit Injector System und das Unit PumpSystem bestehen aus vier Systembereichen(Bild 3),li>- Die ElektronischeDieselregelungEDCmit

den Systemblöcken Sensoren, Steuer­gerät und Stellglieder (Aktoren) umfasstdie gesamte Steuerung und Regelung desDieselmotors sowie alle elektrischen undelektronischen Schnittstellen.

li>- Die Kraftstoffversorgung (Niederdruck­teil) stellt den Kraftstoffmit dem notwen­digen Druck und Reinheit zur Verfügung.

li>- DerHochd11lckteilerzeugtden erforder­lichen Einspritzdruck und spritzt denKraftstoffin den Brennraum des Motorsein.

li>- Die Luft-undAbgassysteme umfassen dieLuftversorgung, die Abgasrückführungund die Abgasnachbehandlung.

Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme I Unit Injec tor System UIS und Unit Pump System UPS I 111

UnterschiedeDerwesentliche Unterschied zwischen demUnitInjectorSystem und dem Unit PumpSystem bestehtim motorischen Aufbau(Bild4).

Beim Unit Injedor System bilden Hoch­druckpumpe und Einspritzdüse eineEinheit - den .Ltnit Injector". Fürjeden Mo­torzylinderist ein Injektor in den Zylindereingebaut. Da keine Einspritzleitungen vor­handen sind, können sehrhohe Einspritz-

drücke und ein sehrguter Einspritzverlauferreichtwerden.

Beim Unit Pump System sind die Hoch­druckpumpe- die .Unit Pump" - und dieDüsenhalterkombination getrennte Bau­gruppen, die durch eine kurze Hochdruck­leitungmiteinanderverbunden sind. Da­durch ergeben sich Vorteile bei der Anord­nungim Motorraum, beim Pumpenantriebundbeim Kundendienst.

Elektronische Dieselregelung EDC: Motorsteuerung, Sensoren, Schnittstellen

Luft- und AbgassystemeKraftstoffversorgu ng0(Niederdrucktei l)

Systembereiche Unit Injec tor System und Unit Pump System

0~

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Bild 4

a Unit Injector System

für Pkw

Unit Injecto r System

fü rN kw

c Unit Pump Syste m

für Nkw

1 Kipp hebel

2 Nockenwelle

3 Hochd ruc kmagriet-

ventil

4 Unit Injector

5 Brennraum des

Motors

~6 Düsenhalter-

" kom bination~

kurze Hoc hdr uck-w

=' leitu ng"~ 8 Unit Pump

c

Motor

b

ft 12

li 3

4

5

o

Hochdruckerzeugung Unit Injec tor System und Unit Pump System

+- Signale

... Dieselkraftstoff

a

112 I SystemübersichtderEinzelzylinder-Systeme I Systembild UIS für Pkw

Systembild UIS für Pkw

Bild 5 zeigt alle Komponenten eines UnitInjector Systems für einen Zehnzylinder­Pkw-Dieselmotormit Vollausstattung.Jenach Fahrzeugtyp und Einsatzartkommeneinzelne Komponenten nicht zur Anwen­dung.

Um eine übersichtlichere Darstellung zuerhalten, sind die Sensoren undSollwert­geber (A) nicht an ihrem Einbauort darge­stellt. Ausnahme bilden die Komponentender Abgasnachbehandlung (F), daihre Ein­bauposition zum Verständnis der Anlagenotwendigist.

Bild S

Motor, Motorst euerung und Hochdruck­

Einspritzkompon enten

24 Verteilerrohr

25 Nockenwelle

26 Unit tnjector

27 Glühstiftkerze

28 Dieselmotor (01)

29 Motorsteuergerät (Master)

30 Motorsteuergerät (Slave)

M Drehmoment

A Sensoren und Sollwertg eber

1 Fahrpedalsensor

2 Kupplungsschalter

3 Bremskontakte (2)

4 Bedrentel I f ür Fahrgeschwind igkeitsregler

5 Glüh-Start-Schalter ("ZÜ ndsch loss")

6 Fahrgeschwindigkeitssensor

7 Kurbelwellendrehzahlsensor ( indukt iv)

8 Motortemperatursensor (im Kühlmittelkreislauf)

9 Ansauglufttemperatursensor

10 Ladedrucksensor

11 Heißfilm-Luftmassenmesser (Ansaugluft)

B Schnitt stellen

12 Kombiinstrument mit Signalausgabe für KraftstoffVer-

brauch, Drehzahl usw.

13 Klimakompressor mit Bedienteil

14 Diagnoseschnittstelle

15 Glühzeitsteuergerät

CAN Controller Area Network

(serieller Datenbus im Kraftfahrzeug)

Über den CAN-Bus im Bereich "Schnitt­stellen" (B)istder Datenaustausch zu denverschiedensten Bereichen möglich:li>- Starter,li>- Generator,li>- elektronische Wegfahrsperre,li>- Getriebesteuerung,li>- Antriebsschlupfregelung ASRundli>- Elektronisches Stabilitäts-Programm

ESP.

Auch das Kombiinstrument (12) und dieKlimaanlage (13) können über den CAN­Bus angeschlossen sein.

Für die Abgasnachbehandlungwerden dreimögliche Kombinationssysteme aufgeführt(a,boderc).

c Kraftstoffversorgung (Nied erdruckt eil)

16 Kraftstofffilter mit Überströmventil

17 Kraftstoffbehälter mit Vorfilter und Elektrokraftstoff-

pumpe EKP (Vorförderpumpe)

18 Füllstandsensor

19 Kraftstoffkühler

20 Druckbegrenzungsventil

D Additivsystem

21 Additivdosiereinheit

22 Additivtank

E Luftversorgung

31 Abgasrückführkühler

32 Ladedrucksteller

33 Abgasturbolader (h ier mit vanab ler ruro inen-

geornetne VTG)

34 Saugrohrklappe

35 Abgasrückführsteller

36 Unterdruckpumpe

F Abgasnachbehandlung

38 Breitband-Lambda-Sonde LSU

39 Abgastemperatursensor

40 Oxidationskatalysator

41 Partikelfilter

42 Differenzdrucksensor

43 NOx-Speicherkatalysator

44 Breitband-Lambda-Sonde, optional No-sensor

Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme I Syste mbild UIS f ür Pkw I 113

Diesel-Einspr itzan lage für Pkw mit Unit Inject or System

F

29

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28 JM

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114 I Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme I Systembild UISjU PS fü r Nkw

Systembild UIS!UPS für Nkw

Bild 6 zeigt alle Komponenten eines UnitInjector Systems für einen Sechszylinder­Nkw -Dieselmotor.je nach Fahrzeugtyp undEinsatzartkommen einzelne Komponentennicht zur Anwendung.

Die Bereiche der Elektronischen Diesel­regelung EDC(Sensoren, Schnittstellen undMotorsteuerung), Kraftstoffversorgung,Luftversorgung und Abgasnachbehand­lung sindbeim Unit Injector undUnit PumpSystem sehr ähnlich. Sie unterscheiden sichlediglich im Hochdruckteil.

Um eine übersichtlichere Darstellung zuerhalten, sindnur die Sensoren und Soll­wertgeber an ihrem Einbauort dargestellt,

Bild 6Moto r, Motorst euerung und Hochdruck­

Einspritzkompon enten

22 Unit Pump und Düsenhalterkombination23 Unit tnjector

24 Nockenwelle25 Kipphebel

26 Motorsteuergerät

27 Relais28 Zusatzaggregate tz. 8. Retarder, Auspuffklappe für

Motorbremse , Starter, lüfter)

29 Dieselmotor (01)

30 Flammkerze (alternat iv Grid-Heater)

M Drehmoment

A Sensoren und Sollwertg eber

1 Fahrpedalsensor2 Kupplungsschalter3 Bremskontakte (2)

4 Motorbremskontakt

5 Feststellbremskontakt6 Bedienschalter (z. B. Fahrgeschwindigkeitsregler,

Zwischendrehzahlregelung, Drehzahl- und

Dreh momentred uktion )

7 Schlüssel-Start-Stopp ("Zündschloss")8 Turbo laderdrehzahlsensor9 Kurbelwellendrehzahlsensor ( indukt iv)

10 Nockenwellendrehzahlsensor

11 Kraftstofftemperatursensor12 Motortemperatursensor (im Kühlmittelkreislauf)

13 Ladelufttemperatursensor

14 Ladedrucksensor

15 lüfterdrehzahlsensor16 luftfilter-D ifferenzdrucksensor

B Schnitt stellen

17 KIimakompressor mit Bedienteil

18 Generator19 Diagnoseschnittstelle

deren Einbauposition zum Verständnis derAnlage notwendig ist.

Über den CAN-Bus im Bereich "Schnitt­stellen" (B)istder Datenaustausch zu denverschiedensten Bereichen möglich (z. B.Getriebesteuerung, Antriebsschlupfrege­lung ASR,Elektronisches Stabilitätspro­gramm ESP,Ölgütesensor, Fahrtschreiber,Abstandsradar, Fahrzeugmanagement,Bremskoordinator, Flottenmanagement­bis zu30 Steuergeräte). Auch der Generator(18) und die Klimaanlage (17) können überden CAN-Bus angeschlossen sein.

Für die Abgasnachbehandlung werdendrei mögliche Kombinationssysteme aufge­führt(a, boderc).

20 SCR-Steuergerät

21 LuftkompressorCAN Controller Area Network (serieller Datenbus im

Kraftfahrzeug) (bis zu 3 Busse)

c Kraftst offversorgung (Niederdruckteil)

31 KraftstofNorförderpumpe32 Kraftstofffilter mit Wasserstands- und Drucksensoren

33 Steuergerätekühler

34 Krattstotfbehalter mit Vorfilter35 Füllstandsensor

36 Druckbegrenzungsventil

D Luftversorgung37 Abgasrückführkühler

38 Regelklappe

39 Abgasrückfü ursteuer mit Abgasrückfüh rvenu I und

Positionssensor40 Ladeluftkühler mit Bypass für Kaltstart41 Abgasturbolader (h ier VTG) mit Positionssensor

42 Ladedrucksteller

E Abgasnachbehandlung43 Abgastemperatursensor

44 Oxidationskatalysator

45 Differenzdrucksensor46 katalytisch beschichteter Partikelfilter (CSF)

47 Rußsensor48 Füllstandsensor

49 Reduktionsmitteltank

50 Reduktionsmittelförderpumpe51 Reduktionsmitteldüse

52 NOx-Sensor53 SCR-Katalysator54 NH]-Sensor

Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme I Systembild UISlUP S f ür Nkw I 115

n Diesel-Einspritzanlage für Nkw mit Unit Injector System bzw. Unit Pump System

32

28

M

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26

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52 oderv~ oder

47

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116 I Uni! Injectot System I [ inbau und Antri eb

Unit Injector System UIS

') Da. sehadvolumen

iot da. Kraft .tof f­

volumen. da.

_dIchtet wi'd

Ill'im l Jnillnjl'c lor Sysh'm (l JIS) b ild enElu sp rit zpu mpc.J hwhd ruck - l\Ia~twt­

w r uü u nd Ein spri lzdOSl' (' im' Einhl' il.n as Un il lnj l'eto rSysle m wi rd daher-a uchI' ump<.·-Il OSI' -Einhelt (1'111-:) ~l' lla nn I. llil 'kom pakte nauwersc- mi l sehr- kurzen, imlIa un-ll inh'~ril'rll'n Hor-hd ru ck tet 1un genzwisch en Pumpe u nd J-:insprilzd üsl' ­l' r h'khll' r t d il'l la r sld!un~hiihl'n' r Ein­sprftzdrürke ~1'~I'nOhl'r anderen Ein­s pr itz sys ll' rnl' n, da d asSr'hadvol umen I)u nd d am! t d rexom pres sion sve rl uste ~l' ­

rin W'r sind . 1H.'r Spitzeudriu-k h l'im tJlSva ruert dt'rZI' it j t' nach Pum p<.·nl YJlzwr­seln-u llIu(lu nd zzuubar.

Einbau und Antrieb

J" Motorz)'lind..r ist " in Un it Injr-rtordirektim Zylim h'rku p f,' ing" ha llt (Bild 1). FürPkw ,,>i h t I'S zwei Ausführun gr-n des lJni lInj ,' clors (UI- I , 111 -2), dil' su-h - !w i gl" i<"l1l'r

Funktion - in ih...·r Grü ßl' unn-rscheiek-n .Bd m z -veout-xrc ror wt«! EI,·r UI- I mun-l se-nu-s Spannk jot zes mit dn"r NdgungVOll ca. 2(}"irn Zylinderkopfdes Motor sfixierf.Boim 4 -V" lltil -Molor wird w" gpndl' s w·ringp ...-n v,· ]" füg h a...·n gauraum sder

klvim- re' Injek tor (U! -2) t' ingI'SI' lz l, rh-r mitIh 'h nsehra ulw n Sl' nk ",' ch t im Zylind"rko pfIw f,' s tigt wtr rl.

Ili.. Motor no okenwelh- (2)h ai fü r j r-dr-n

Unit l njot-tor eim-n Anmebsno ckcn.DerNockenhub wird durrheiru-n Kip plw hE·1( I)a uf d..njE·WE·i1iJ.:,' n Pumpenkullwn (fi) über­tragen. rx-r Ein spr itzvr-rtau f wird dur chdil' Form EI,·r Amru-bsuock en bectnll usst .Ilk M' sind so g,· foren t. dass sich der rum­Iw nkoll)(·n lu-im J\ nsa ugou des Kraft st off s(Aufwär tslx-wegung) langsanu-r bc Wl'g t a lswäh...-nd der Emspruzung (Ahwiir ls lww,··gung), um l' im ' rSl' ils,' ill unbeahsidllig ll'SAusau ge-nvont.uuxu ver fundem und ande­

rerseirs eine-große Fiird" rra tt' zu erreir-lu-n.

Einbau du Unit Iniectors (Nk",)

--~---,

•Bild 1, Kipph ebel, Motornocken",el le

5a St«ke•

• UM Inje<:to. 7 "5 Ein.pritzd li ... •• PumPl'n kolbe n sr Brennraum ",

de. Moto rs,

Unit Injector System I Aufbau I 117

Dieim Betrieb an der Nockenwelle angrei­fenden Kräfte regen diese zu Drehschwin­gungen an, wodurch Einspritzcharakteri­stik und Dosierung der Einspritzmenge be­einträchtigtwerden. Eine steife Auslegungdes Antriebs der Einzelpumpen (Antriebder Nockenwelle, Nockenwelle, Kipphebel,Kipphebellagerung) ist zur ReduzierungdieserSchwingungenzwingendnotwendig.

Da der Unit Injectorim Zylinderkopfeingebautist, ist erhohen Temperaturenausgesetzt. Zur Kühlung durchspültrelativkühler Kraftstoffden Injektor undfließtzum Niederdruckteil zurück.

Der Körper desUnit Injectors dient alsPumpenzylinder. Die Einspritzdüse (Bild2,Pos. 7)istin den SchaftdesVnitInjectorsintegriert. Schaft und Körper sindmittelseiner Spannmutter (13) miteinanderver­bunden.

Die Rückstellfeder (1) drückt den Pumpen­kolben gegen den Kipphebel (8) und diesengegenden Antriebsnocken(9). Währenddes Betriebswird dadurch ein ständigerKontaktvon Pumpenkolben, Kipphebelund Nocken gewährleistet.

Aufbau

Der Kraftstoffzulauferfolgtbeim VI fürPkw über rund 500 lasergebohrte Zulauf­bohrungen in derStahlhülse des Injektors.Durch die Bohrungen, die einen Durch­messervon wenigeralsO,1 mm haben, wirdder Kraftstoffim Zulaufgefiltert.

Beim Unit Injectorfür Nkw ist das Magnet­ventil in den Injektor integriert. Beim VI fürPkw hingegen ist es aufgrund derkleinerenAbmessungen des Injektors außen am Pum­penkörperangebracht.

Der Aufbau des Injektorsfür Pkw und Nkwist aufden folgenden Seiten dargestellt.

Einbau des Unit Injec tors im Zylinderkopf (Nkw)

9 Bild 2

• 1 Rückstellfeder

A 2 Stecker3

3 Hochd ruckrau m

• (Elementraum)

5 I lll . 4 Magnetspule

~ /

11 5 Magnetvent iIkörpe r

1. 6 Magnetventilnadel6

ß7 Einspritzdüse

8 Kipphebel

9 Antriebsnocken

». 10 Spannelemen t

7 13 ~ 11 Kranstottr ücklauf

14 ~ 12 Krafts toffzulauf~

13 Spannmutter"~ 14 Gaswechselve ntil

118 I Unit Injector System I Aufbau

Aufbau des Unit Injectors für Pkw (für Einsatz im 2-Ventil-Motor)

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24 - - - - - - - - ­23 - - - - - - - - -

Beim 4-Venti l-Motor

steht der Unit Injector

senkrech t im Zylinder­

kopt.

Bild 3

1 Kugelbolzen

2 Rückstellfeder

3 Pumpenkolben

4 Pumpenkörper

5 Stecker

6 Magnetkern

7 Ausgleichsfeder

8 Magnetventi lnade l

9 Anker

10 Spule des Elektro-

magneten

11 Kraftstoffrücklauf

12 Dichtung

13 Zulaufbohrungen

(lasergebohrte

Löcher als Filter)

14 hydraulischer An-

schlag (Dämpf ungs­

einheit)

15 Nadelsitz

16 Dichtscheibe

17 Brennraum

des Motors

18 Düsennadel

19 Spannmutter

20 integr ie rte Ein-

spritzdüse

21 Zylinderkopf

des Motors

22 Druckfeder

(Düsentecer)

23 Speicherk olben

(Ausweich kolben)

24 Speicherraum

25 Hochdruckraum

(Elementraum)

26 Magnetventilfeder

Unit Injector System I Aufbau I 119

Aufbau des Unit Injectors für Nkw

Bild 4

1 Gle itsche ibe

2 Rückstellfeder

3 Pumpenk olbe n

4 Pumpenkörpe r

5 Stecker

6 Hochdruckraum

(Element raum)

Zylinde rkopf

des Motors

8 Kraftstoffrück lauf

9 Kraftstoffzulauf

10 Federha lte r

11 Druckbolze n

12 Zwischensche ibe

13 integrier te

Eins pr itzdüse

14 Spannmutter

15 Anker

16 Spule des

Elekt romag neten

17 Magnetvent ilnadel

18 Magnetvent ilfeder

i'---'11--I-'ff- - + - 18

i~-l---t--15

m - - -T- 18~tt:~I--J:W--+-17

3- - - - - -

4-----~

2- - - - - -

5

7- - --+-

8----',,-.J~

10- - - --'__-iH~-

14 - - - - - + - -jj-.

13- - - - - -\-- -H-f-.

120 I Unit Injector System I Arbeitsweise des UI f ür Pkw

Arbeitsweise des UI für Pkw

VoreinspritzungBeim UI für Pkw wird durch einen Speicher­kolben und eine Dämpfungseinheit einemechanisch-hydraulisch gesteuerte Vor­einspritzung realisiert.

Saughub (Bild 5a)Der Pumpenkolben (4) wirdbeim Drehendes Antriebsnockens (3) über die Rückstell­federnach obenbewegt. Der unter ständi­gem Überdruck stehende Kraftstofffließtaus dem Niederdruckteil der Kraftstoff­versorgung über die Zulaufbohrung (1) inden Injektor. Das Magnetventil istgeöffnet.Über den geöffneten Magnetventilsitz (11)gelangt der Kraftstoffin den Hochdruck­raum (5).

Vorhub(Bild5b)Der Pumpenkolben bewegt sich durch dieDrehung des Antriebsnockens nach unten.Das Magnetventil istgeöffnet, und derKraftstoffwird durch den Pumpenkolben inden Niederdruckteil der Kraftstoffversor­gung zurückgedrückt(2). Mit dem zurück­fließenden Kraftstoffwirdauch Wänne ausdem Injektor abgeführt, d h. der Injektorwirdgekühlt.

Förderhub und EinspritzungDas Steuergerätbestromt die Spule desElektromagneten zu einem bestimmtenZeitpunkt, sodass die Magnetventilnadel inden Magnetventilsitz (11) gedrückt und dieVerbindung zwischen Hochdruckraum undNiederdruckteil verschlossen wird. DieserZeitpunktwird als Begin o!Injection Period(BIP) bezeichnet; er entsprichtjedoch nichtdem tatsächlichen Beginn der Einspritzung,sondern dem Förderbeginn.

Beginn der Voreinspritzung (Bild Sc)Der Kraftstoffdruck im Hochdruckraumsteigt durch die VolumenverdrängungdesPumpenkolbens an. Für die Voreinsprit­zung liegt der Düsenöffnungsdruck bei ca.180 bar. Bei Erreichen dieses Drucks wird

die Düsennadel (9) angehoben und die Vor­einspritzungbeginnt. In dieser Phase wirdder Hub der Düsennadel durch eine Dämp­fungseinheit hydraulischbegrenzt (sieheAbschnitt .Düsennadeldämpfung").

Der Speicherkolben (6) bleibt zunächstin seinem Sitz, denn die Düsennadel öffnetwegen ihrergrößeren hydraulisch wirk­samen Fläche, aufdie der Druck einwirkt,zuerst.

Ende der Voreinspritzung (BildSd)Durch den weiter ansteigenden DruckwirdderSpeicherkolben nach unten gedrücktundhebt nun auch aus seinem Sitz ab. EineVerbindung zwischen Hochdruckraum(5) und Speicherraum (7) wird hergestellt.Der dadurchverursachte Druckabfall imHochdruckraum, der erhöhte Druck imSpeicherraum und die gleichzeitige Erhö­hung der Vorspannung der Druckfeder (8)bewirken, dass die Düsennadel schließt. DieVoreinspritzungist beendet. Der Speicher­kolben kehrt im Gegensatz zur Düsennadelnichtinseine Ausgangsposition zurück, daer dem Kraftstoffdruck im geöffneten Zu­stand eine größere Angriffsfläche bietet alsdie Düsennadel.

Die Voreinspritzmengevonca.1,5mm3

wird im Wesentlichen durch den Öffnungs­druck und den Hub des Speicherkolbensbestimmt.

HaupteinspritzungDie Haupteinspritzung erfordert einenhöheren Öffnungsdruck an der Düse als dieVoreinspritzung. Dieshat zwei Ursachen:Zum einenwird durch die Auslenkung desSpeicherkolbenswährend der Voreinsprit­zung die Vorspannung der Düsenfedererhöht. Zum anderen muss durch das Aus­weichen des Speicherkolbens Kraftstoffausdem Federhalterraum über eine Drosselin den Niederdruckteil der Kraftstoff­versorgung gedrängtwerden, sodass derKraftstoffirn Federhalterraum stärkerkomprimiertwird(pressure backing). Daspressure-backing-Niveau ergibt sich aus

Funkt ionspr inzip der Einspr it zung beim UIS f ür Pkw: Voreinspritzung

Unit Injector System I Arbeitsweise des UI f ür Pkw I 121

c

b

d

Bild S

Saughub

Vorhub

cöroernub.

Beginn der

Voreinspritzung

Fördertlub:

Ende der

Voreinspritzung

1 Kraftstoffzulauf

2 Kraftstoffrücklauf

3 Antriebsnocken

4 Pumpenkolben

5 Hochdruckraum

(Elementraum)

6 Speicherkolben

7 Speicherraum

8 Federhalterraum

9 Düsennadel

10 Magnetventilnactel

11 Magnetventilsitz

122 I Unit Injector System I Arbeitsweise des UI f ür Pkw

der Größe der Drossel im Federhalter undlässt sich somitvariieren (kleine Drossel­große Druckzunahme - große Differenz desDüsenöffnungsdrucks für Vor- und Haupt­einspritzung). Dadurchist es möglich,einen sinnvollen Kompromiss zwischeneinem niedrigen Öffnungsdruck der Vor­einspritzung (aus Geräuschgründen) undeinem möglichsthohen Öffnungsdruckder Haupteinspritzungspeziell bei Teillast(emissionsreduzierend) zu erreichen.

Der zeitliche Abstand zwischen Vor- undHaupteinspritzungist hauptsächlich durchden Hub des Speicherkolbens (der seiner­seitsdie Vorspannung der Druckfeder be­stimmt) und die Motordrehzahl festgelegt.Er beträgt ca. 0,2 ...0,6ms.

Fortsetzung des Förderhubs (Bild 6a)Beginn derHaupteinspritzungAufgrund derfortgesetzten Bewegung desPumpenkolbens steigt der Druck im Hoch­druckraum weiter an. Mit Erreichen desDüsenöffnungsdrucks vonjetzt ca. 300 barwird die Düsennadel angehoben und Kraft­stoffin den Brennraum eingespritzt (tat-

sächlicherSpritzbeginn). Durch die hoheFörderrate des Pumpenkolbens steigt derDruckwährend des gesamten Einspritz­vorgangs weiter an. In derÜbergangsphasezwischen Förderhub und Resthub (s. u.)wird dermaximale Druck erreicht.

Ende der HaupteinspritzungZum Beenden der Haupteinspritzung wirdderStromfluss durch die Spule des Elektro­magneten abgeschaltet; das Magnetventilöffnetnach einerkurzen Verzögerungszeitundgibt die Verbindung zwischen Hoch­druckraum und Niederdruckbereich frei.Der Druck bricht zusammen. Mit Unter­schreiten des Düsenschließdrucks schließtdie Einspritzdüse undbeendet den Ein­spritzvorgang. Danach kehrt auch der Spei­cherkolben in seine Ausgangslage zurück.

Resthub (Bild 6b)Derrestliche Kraftstoffwirdwährend derweiteren Abwärtsbewegung des Pumpen­kolbens in den Niederdruckteil zurückge­fördert. Dabei wirdwieder Wänne aus demInjektor abgeführt.

Funkt ionsprinzip der Einspr itz ung beim UIS f ür Pkw: Haupteinsp rit zung

Bild 6

Förderhub:

Haupte: nspritzu ng

Resthub

1 Kraftstoffzulauf

2 Kraftstoffrüc klauf 23 Antriebsnocken

4 Pumpenkolben

5 Hochdruckraum

(Elementraum)

6 Speicherkolben

7 Speicherraum

8 Federhalterraum

9 Düsennadel

10 Magnetventil naoel

11 Magnetventilsitz

• 8 ,-\-- 3

DüsennadeldämpfungWährend der Voreinspritzungwird derHub der Düsennadel durch eine Dämp­fungseinheit hydraulisch begrenzt, umdie geringe erforderliche Einspritzmengegenau dosieren zukönnen (siehe AbschnittVoreinspritzung). Der Düsennadelhubwirddafür aufca. ein Drittel des Gesamthubs derHaupteinspritzungbegrenzt.

Die Dämpfungseinheit wird durch einenDämpfungskolben gebildet, der sich ober­halb der Düsennadel befindet (Bild 7,Pos. 4). Die Düsennadel öffnet zunächstungedämpft, bis der Dämpfungskolben(4) die Bohrung der Dämpfungsplatte (3)

Vorei nsp ritzung: ungedämpft er Hub

2

3

4

5

Unit Injector System I Arbeitsweise des UI f ür Pkw I 123

erreicht. Der über der Düsennadel befind­liehe Kraftstoffbildetnun ein hydraulischesPolster (Bild 8, Pos. 2), daernur über einenschmalen Leckspalt (1) in den Düsenfeder­raumgedrücktwerden kann. Die weitereAufwärtsbewegung der Düsennadel wirddadurch begrenzt.

Während der Haupteinspritzungist dieWirkung der Düsennadeldämpfung ver­nachlässigbar gering, da aufgrund des hö­heren Druckniveausviel größere Öffnungs­kräfte aufdie Düsennadel wirken.

EigensicherheitEinzelpumpensysteme sind eigensicher, daim Fehlerfall maximal eine unkontrollierteEinspritzung erfolgen kann:li>- Bleibt das Magnetventilgeöffnet, kann

nicht eingespritzt werden, da der Kraft­stoffin den Niederdruckteil zurückfließtundkein Druck aufgebautwerden kann.

li>- Bei ständig geschlossenem Magnetventilkann kein Kraftstoffin den Hochdruck­raumgelangen, da die Füllung des Hoch­druckraums nur über den geöffnetenMagnetventilsitz erfolgen kann. Indiesem Fall kann höchstens einmal ein­gespritzt werden.

Arbeitsweise des UI für Nkw

voreinsp ritzun s. hydraulische Dämpfung

2

Das Unit Injector System für Nkw (Bild 9)hathinsichtlich der Haupteinspritzungprinzipiell die gleiche Funktionsweise wiedas Pkw-System. Unterschiede bestehenbezüglich der Voreinspritzung: Das UnitInjectorSystem für Nkw bietetim unterenDrehzahl- und Lastbereich die Möglichkeiteiner elektronisch gesteuerten Voreinsprit­zung, die durch zweimaliges Ansteuern desMagnetventils realisiertwird.

Bild 7

1 Düsenfederraum

2 Federhalter

3 Dämpfungsplatte

4 Dämpfungskolben

5 Düsennadel

Bild S

1 Leckspalt

2 hydraulisches

Polster

124 I Unit Injector System I Arbeitsweise des UI f ür Nkw

Funkt ionsprinz ip des Unit Injec tors für Nkw und der Unit Pump

a

\8b

...•11 ••••

~

2- - - --=--- 11-

3- - - -

c

't O:r~---1D

'O:C·~'----"'DEinspritzdruck

{IJ 21lJOT

I 7Kurbelwellenwinkel ----

Hochdruckmagnetventil

Das Hochdruckmagnetventil steuertDruckaufbau, Einspritzzeitpunkt und Ein­spritzdauer.

Unit Injector System I Hochdruckmagnetvent il I 125

Magnetkern (15), Spule (6) und der elek­trischen Kontaktierungmit dem Stecker (8).

Der Ankeristander Ventilnadel befestigtbzw. mit dieserkraftschlüssig verbunden.Zwischen Magnetjoch undAnkeristin derRuhelage ein Ausgangs- oder Restluftspalt.

AufbauVentilDas Ventil besteht aus der Ventilnadel(Bild 10, Pos. 2), dem Ventilkörper (12) undder Ventilfeder(l).

Die Dichtfläche des Ventilkörpers istkegelig angeschliffen (10). Die Ventilnadelbesitzt ebenfalls eine kegelige Dichtfläche(11). Der Winkel an der Nadel ist etwasgrößer als der des Ventilkörpers. Beige­schlossenem Ventil, wenn die Nadel gegenden Ventilkörpergedrücktwird, berührensich Ventilkörperund Ventilnadellediglichaufeiner Linie, dem Ventilsitz. Durch dieseDoppelkegeldichtung dichtet das Ventilsehrgut ab. Ventilnadel und Ventilkörpermüssen durch Präzisionsbearbeitung sehrgenau aufeinander abgestimmt sein.

Mag netDer Magnet besteht aus dem festen Ma­gnetjoch und dem beweglichen Anker(16).Das Magnetjoch seinerseits besteht aus

I Hochdruckmagnetvent i l f ür Pkw Unit Injector

X 12 13 14 15 16

ArbeitsweiseGeöffnetes Ven tilDas Magnetventil istgeöffnet, solange esnicht angesteuert wird, d. h., wenn durchdie Spule des Magneten kein Strom fließt.Die von der Ventilfeder aufdie Ventilnadelausgeübte Kraft drückt diese gegen den An­schlag. Hierdurchist der Ventildurchfluss­querschnitt (9) zwischen Ventilnadel und

Ventilkörperim Bereich des Ventilsitzesgeöffnet. Somit sind Hochdruck- (3) undNiederdruckbereich (4) der Pumpe mitein­anderverbunden. In dieser Ruhelage kannKraftstoffvon und zum Hochdruckraumfließen.

Geschlossenes Ven tilWenn eine Einspritzung erfolgen soll, wirddie Spule vom Steuergerät angesteuert.Der Anzugstrom erzeugt einen Magnetflussin den Magnetkreisteilen (Magnetkern,Magnetscheibe und Anker). Dieser Magnet-

9 10 11

17

Bild 10

1 Ventilfeder

2 Ventilnadel

3 Hochdruckbereich

4 Niederdruck-

bereich

5 Ausgleichsscheibe

6 Spule des

Elektromagneten

7 Kapsel

8 Stecker

9 Venti Idurchfl uss­

quersehrritt

10 Dichtfläche

des Ventil körpers

11 Dichtfläche

derVen tilnadel

12 integrierter

Ventilkörper

13 uterwurrrnutter

14 Magnetscheibe

15 Magnetkern

16 Anker

17 Ausgleichsfeder

126 I Unit Injector System I Hochdruckmagnetvent i l

fluss erzeugt eine magnetische Kraft, dieden Ankerin Richtung Magnetscheibe (14)anzieht und dabei die Ventilnadel in Rich­tungVentilkörpermitbewegt. Der Ankerwird so weit angezogen, bis sich Ventilnadelund Ventilkörperim Dichtsitz berührenund so das Ventil geschlossen ist. ZwischenAnker und Magnetscheibe bleibt ein Rest­luftspalt.

Die Magnetkraftrnuss nichtnur denAnker anziehen, sondern gleichzeitig dievon der Ventilfederausgeübte Kraft über­winden undihrentgegenhalten. Außerdemmuss die Magnetkraftdie Dichtflächenmit einerbestimmten Kraft aneinanderdrücken, um auch dem Druck aus dem Ele­mentraum standzuhalten.

Bei geschlossenem Magnetventil wirdwährend der Abwärtsbewegung des Pum­penkolbens Druck im Hochdruckraumaufgebaut und eskann eingespritztwerden.Wenn die Einspritzung beendetwerdensoll, wird der Strom durch die Spule ab­geschaltet, der Magnettluss und somit dieMagnetkraftbrechen zusammen. Die Fe­derkraft drückt die Ventilnadelgegen denAnschlagin die Ruhelage. Der Ventilsitz istgeöffnet und der Druck im Hochdruckraumwird abgebaut.

Anste uer ungZum Schließen des Hochdruckmagnet­ventils wird dieses mit einem relativhohenAnzugstrom (Bild 11, a) mit steil ansteigen­der Flanke angesteuert. Dies gewährleistetkurze Schaltzeiten des Magnetventils undeine genaue Dosierung der Einspritzmenge.

Beigeschlossenem Ventil kann der An­zugstrom aufeinen Haltestrom (c) reduziertwerden, um das Ventil geschlossen zu hal­ten. Sowirddie Verlustleistung (Wärme)durch den Stromfluss reduziert. Der er­forderliche Haltestrom istumso kleiner,jenäher sich der Anker an der Magnetscheibebefindet, da ein kleiner Abstandeinegrö­ßere magnetische Kraft bedingt.

Zwischen Anzugstrom- und Haltstrom­phase wirdkurzzeitig für die Erkennungdes Magnetventil-Schließzeitpunkts mitkonstanter Spannung angesteuert (BIP­Erkennung, Phase b).

Um am Ende der Einspritzung ein defi­niertes und schnelles Öffnen des Magnet­ventils zu erreichen, wird durch Anlegeneinerhohen Klemmenspannung eineSchne111öschung derim Magnetventilgespeicherten Energie durchgeführt(Phased).

Ansteuersequen z des Hochdruckmagnetvent ils

1'I\agnetventil-0 tstrom IM

d

Zeit ! _

Einsc haltsi gna l

Magnetventil-0 tnadelhub hM

Bild 11

Anzugstrom

(UISjUPS für Nkw:

12...20 A;

UIS für Pkw: 20 Al

8lP-Erkennun g

Haltestrom

(UISjUPS für Nkw:

8...14 A;

UIS für Pkw: 12 Al

Schnelllöschung

DI... H lnsprltz-G.."lIlcht. I 127

,w~

f"""SpO'ic.......-lI~yS!t'<J'I1il

(~R.>iI

,...f,,~~""..,I<ol~""IO'ill>rO'in,,,,itHl~.~

'''''E,,,...Vr!<'PumpSyo,,",,,,

-,-,,-~...... _~..----

Ende 1922 begann bei~h d ie Ent­

wicklung eines Einspr'tzsystems für Diesel·

mctceen . Die techn ischen Voraussetlun-

gen waren günstig : Bos<:h voerfugte übe r

ErfahrunSen mit Verbrennungsmotoren, die

Fert igungslechnik war hoch entwickelt und

vor allem konnten Kenntni sse, die man bei

der Fert igung von Schmierpumpen gKa/Tl""

melt hane, elOgeseut _den. Den no<:h w....

dies fUr Boseh ein großes Wagnis, da es viele

Aufgaben zu lOsen gab.

1927 wurden d 'e ersten E,nspr itzpumpen

,n sene herge1tel lt . DoePrazision dieser

Pumpen war damals einmalig. Sie waren

klein , leicht und ermOglichten t.ohere

Drehzahlen des Dieselmotors. Diese Reihen­

einspritlpumpen wurden ab 1932 in Nkw

und ab 1936 auch in Pkw e,ngesetzt. Die

Entwicklung des Dieselmotors und der

Einspritzanlagen ging seuber Ul\Clufhörlich

weiter.

Im Jahr 1962 gab die von Bos<:h ent ­

wickelte Verteilereinspritzpumpe mit auto­

matis<:hem Spritzyersteller dem Diesel,

motor neuen Auftrieb. Mehr als zwei

Jahrzehnte spater folgte die 'IOn Bosch

in langer Forschungsarbeit zur Serieme ife

gebrach te elektronische Reselung der

Dieseleinspritzung.

Die immer geneuere Dosierung kleins ter

Kraftstoffmengen zum exakt richtigen

Zeitpunkt und die Steigerung des Einspritz·

drucks isl eine stllnd ige Herausfo rderung für

die Entwickler, Dies führte zu vteien neuen

rnncveucnee bei den ElnsprilzsyMemen(siehe Bild).

In Verbrauch und Ausnutzung des Kraft·

stoffs ist der Selbstziinder nach wie vor

benchmark (d.h, er setzt den Maßstab).

Neue Einsprilzsysleme halfen weiteres

Potenzial zu heben . Zusatzlich wurden die

Motoren sUndisleislungsfähiger, während

die Geräusch· und Schadstoffemissionen

weiter abnahmen!

128 I Unlt Pump Sy>tem I Einbau und Antr;~b. Aufbau

Unit Pump System UPS

BIld 1

1 Stute ndü..... halt<"2 S....nn ' aum

des Moto~

3 Unlt Pump

~ Moto,nock"" ..., lle5 Oruckrohmuuen

6 Hod,d, uckl ..,lu n8

7 M. S"et ""nW8 AilckOlellfeder

9 RoliensMßel

Uas I ln ill' um p Sysh'm ({WS) wird lll'i Nkwun d Gr n15 molo r,' n "in).tl'sd:t.t, lJ il' Arh "its­wcrso der IJnit Pu mp (IJI' )ents p rtchtd, ' r d ,' s I Jn il l nj"etors( IJI) für Nkw. l mGI·ge nsalz zu m IJI sind bcl der t u ' j l'dodla.:i n spritzd Us,· u nd Injektor rä u mlic hgctrvmu und übereine kurze !-,·itUII).tmuetn audor wrbunden. u as uun Pu mpsysrem wir d rl aher auch I' um pt' -I.,·it ung ­nüS!' genan nt .

Einbau und Antrieb

I)it' Einspritzd üs., istheim ttni t Pum psvs n-m mi t einem Dti senhaltor in donZylilld.' rkop f'· i lll::t'haut, wä hrend sir-h.. imUni I Injecto r Sys tt' lIl direk t in dcnlujr-ktorintegriort is t.

Ilit' Pump.' wtrd sdllk h am Motorblocklw ft' slig-l (Bild t ) un d von einem Einsp ritz­necken (Biltl2, Pos. 13) a uf der M otor-no­

r-konwclh- ülwr t'i n" l1Rollenst ößel (21))direk t ang ctrh-ben . Ija s h i" l'" g,'g,' nülwrdemur fo lgrude Vortt'il .' ,

Einbau der Uni l Pump

~ keim- Zylinderkop f-NI'ukonstr-uktiouno twe ndi g,

~ s teifer An trt eb.da keim- Kipphebelr-r forderhe-hsin ti ,

~ t'i nfadw Handhabung b -un Kunden"d i.'IISI,da (!i ,' pumpen I' infaeh a usg, 'b a lltwerd..n können.

Aufbau

Im nogonsatz zum Unil lnj.'e tor wer denhl'i de r Uni I Purnp Hochdruckh-tmngcnzw isdw n Hochdruckpumpeund Einsp rt tz­dü se .. ing.' s.' tz1.ll i(· Leir ungen müssen demmaxirualou Pum pou drue-kum ld t'Tl z umTeil hoc-hfrequeuren Drucksc-hwa nkungonwährend der Emspruzpa uscn dauerha ftsrandhaln-n. Es werdendoshalb hod l[" sh'nah t101'1' Stahlroh rc t'ing" Sl'tZI. Die J.cltun ­gt'11werden miiglil"h s t kll r zausgt'l" gl undmü ssen fü r di t· " inzl' hlt'll Pu mpen t' illt'sMoto rs gh-ic-hl<l ng sein.

Unit Pump System I Auf bau I 129

Aufbau de r Unit Pump f ür Nkw

~----- 144 - - - -

5---A~

7

,. Bild 2

<? 201 Stufendüsenhalter

2 Druckrohrstutzen

3 Hochd ruckleitung

4 Anschluss

y 21 5 Hubansc hlag

6 Magnetven tilnadel

7 Platte

8 Pumpenkörper

9 Hochd ruckraum

22 {Element raumj

23 10 Pumpenkolben

11 Moto rbloc k

12 Rollenstößelbolzen

13 Nocken24 14 Federt eller

15 Magnetven tilfeder

16 Ventil gehäuse

25 mit Spule und

Magnetkem

17 Ankerplatte

26 18 Zwischen platte12 19 Dichtung

20 Kraftstoffzulauf27 21 Kranstottrüc klauf

22 Pumpenkolben-

Rückhaltesirinch-

13tung

_2em ~23 Stößelfeder

w 24 Stößelkörper~ 25 FedertellerQ

" 26 Rollenstößel~

27 Stößelrolle

130 I Unit Pump System IStromgeregelte Einsprit zver laufsfo rm ung CCRS

Stromgeregelte Einspritz­verlaufsformung CCRS

Ansteuersec uen z des Hochdruckmagnetven ti Isfür bootförmige Einspritz ung

oww

§§

d

Zeit t ___

Zeitt __

Zeit t ___

I I I Ir-- -:.I II

I

I

I

Einspr itzdruck

Mametventüst rom

Ma m etventünadelhub

Die beim Unit InjectorbeschriebeneArbeitsweise des Magnetventils führt zueinem dreieckfönnigen Einspritzverlauf.Bei einigen UnitPump Systemen wird durchkonstruktive Anpassung des Magnetventilsein bootförmiger Einspritzverlaufreali­siert. Dazu wird das Magnetventil mit einembeweglichen Hubanschlag(Bild4, Pos.L)ausgestattet, der zur Zwischenhubbegren­zung dient und so einen gedrosseltenSchaltzustand ("boot") ermöglicht.

Nach dem Schließen des Magnetventilswird der Magnetventilstrom aufeinZwischenniveau (Bild 3, Phase Cl) unterhalbdes Haltestroms (C2)zurückgefahren, so­dass die Ventilnadel aufdem Hubanschlagaufliegt. Damit wird ein Drosselspaltfreige­geben, wodurch derweitere Druckaufbaubegrenztwird Durch Anheben des Stromswird das Ventil wiedervollständig ge­schlossen und die boot-Phase beendet.

Dieses Verfahren derstromgeregeltenEinspritzverlaufsfonnungwirdauchCurrentControlledRate Shaping(CCRS)genannt.

Bild 3

Anzugstrom

(UPS für Nkw:

1L20Al

8 lP-Erkennung

Ci Haltestr om für

bootförmige Ein­

spritzung

C2 Haltestrom

{UPS für Nkw.

8...14 Al

d Schnell löschung

Funktionspri nzi p des UPS-Magnetven tils mit stromgeregelter Einspr itzverlaufsfo rmung

boot

offen

Bild 4

1 Hubanschlag

2 Magnetven t ilnade l

3 Magnetven t ilfeder

4 Gehäuse mit Spule

und Magnet kern

Hochdruckraum

(Elernentraum)

®J®~~~

qeschlossen !:ß---,r ,, ,, ,\ J, --_/

o

Dimensionen der Diesel-Einspritztechnik

Die Welt der Dieseleinspritzung ist eine Weltder Superlative,

Auf mehr als 1 Milliarde Offnungs- undSchließhübe kommt die DOsennadel eines

Nkw-Motors in ihrem .Einsprttzleben". Siedichtet bis zu 2200 bar sicher ab und mussdabei einiges aushalten:,. sie schluckt die Stöße des schnellen

Offnens und Schließens (beim Pkw ge­

schieht dies bis zu 10000-mal pro Minutebei Vor- und Nachainspritzungen).

,. sie widersteht den hohen Strömungs­

belastungen beim Einspritzen und,. sie hält dem Druck und der Temperatur im

Brennraum stand,

Was moderne Elnsprltzdüsen leisten. zeigen

folgende Vergleiche:,. In der Einspritzr-ammer herrscht ein Druck

von bis zu 2200 bar, Dieser Druck entsteht.wenn Sie einen Oberklassewagen aufeinen Fingernagel stellen würden.

Stecknadelkopf (:2mm~l-.

Dimensionen der Diesel-Einsorit ztechnik I 131

,. Die Einspritzdauer beträgt 1..,2 Milli­sekunden (ms). In einer Millisekunde

kommt eine Schallwelle aus einem Laut­sprecher nur ca. 33 cm weit.

,. Die Einspritzmengen variieren beim Pkw

zwischen 1 mmt (Voreinspritzung) und50 rnrna (volllastmenge): beim Nkw

zwischen 3 mms (Voreinspritzung) und350 mrre (votüastmenge) . 1 rnms ent­spricht dem Volumen eines halben Steck­

nadalkopts. 350 mmt ergeben die Mengevon 12 großen Regentropfen (30 rnrnsje

Tropfen), Diese Menge wird innerhalb von

2 rns mit 2000 kmjh durch eine Offnungmit weniger als 0,25 rnrna Querschnitt

gedrückt!,. Das Führungsspiel der DOsennadel beträgt

0.002 mm (2 IJm), Ein menschliches Haarist 30-mal so dick (0,06 mm).

Die ErfOliung all dieser Höchstleistungenerfordert ein sehr großes Know-how in Ent­wicklung, WerkstoffkUnde. Fertigung undMesstechnik,

Schall­geschwindigkeit 0,33 mime:

Einspritzmenge 1 ...350mm~

--- Einapritzzeit1 ...zme

132 I Kraftstoffsystem (Niederdruck) I Übersich t

Kraftstoffsystem (Niederdruck)

Die Kraftstoffversorgung speichertundfiltert den benötigten Kraftstoffund stelltihnderEinspritzanlagebeiallenBetriebs­bedingungen mit einembestimmtenversorgungsdruck zurVerfügung. Derfüreine sichere Befüllung derPumpe-Düse­Einheiten (Injektoren) undderUnit Pumperforderliche KraftstoffdmckimVor- undRücklaufwirdbeiPkw-Systemendurcheine Tandempumpe aufgebaut. Bei Nkw­Systemen wirddafüreine mechanischan­getriebene Zahnradpumpe eingesetzt. DerKraftstoffrücklaufwirdbei Unit Injector­Systemenfür Nkw (UISN) undUnit Pump­Systemen (UPS) optional gekühlt.

Übersicht

UIS für PkwDer Kraftstoffwirdbei denmeisten UnitInjector-Systemen für Pkw durch eineVorf6rderpumpe (ElektrokraftstoffpumpeEKP; Bild 1, Pos. 2) aus dem Tank indenNiederdruckkreis gefördert. Der Kraftstoffdurchfließt zunächst einen Kraftstofffilterundgelangt dann zur Tandempumpe. Diesekomprimiert den Kraftstoffundfördert ihn

Kraftstoffversorgung beim Unit Injector System für Pkw

4

mit erhöhtem Druck zu den Pumpe-Düse­Einheiten (UnitInjector; 5). Der Druck imVorlaufder Injektoren beträgt 7,5 barbei2-Ventil-Motoren und 10,5 barfür4-Ventil­Motoren. Im Unit Injectorkomprimierter,aber für die Einspritzung nicht benötigterKraftstofffließt vom Injektor über ein in dieTandempumpe integriertes Druckbegren­zungsventil zurück zum Kraftstoffbehälter.Da dieser Kraftstoffdurch die Verdichtungim Injektor erhitztist, muss er durch einenKraftstoffkühler (8) im Rücklaufgekühltwerden.

Im Rücklaufbefindet sich zwischen Pumpeund Kraftstoffkühler ein Temperatursensor(6) zur Erfassung der Kraftstofftemperatur.Da sich mit der Temperatur auch Dichte undViskosität des Kraftstoffs ändern, muss dieKraftstofftemperaturbei der Berechnungder Parameter der Einspritzung (Einspritz­zeitpunkt, Einspritzdauer) berücksichtigtwerden. Die Rücklauftemperatur bildetdabei die Temperaturverhältnisse im UnitInjector am besten ab. Zudem dient dieKraftstofftemperatur als Ersatzwert beidefektem Wassertemperaturfühler.

Bild 1

1 Kraftstoffbehälter

2 Vorförderpumpe

3 Krafts tofffilter

4 Tandempumpe

5 Unit Injector

6 Kraftstoff-

tem peratu rsensor

7 Vorwä rmventil

8 Kraftstoffkühler

6

UISN/UPS für NkwDas Unit Injector-System für Nkw (Bild 2)sowie das UnitPump-System unterschei­den sich vom DIS für Pkw im Wesentlichendadurch, dass anstelle der Tandempumpehier eine Zahnradpumpe (3) die Kraftstoff­forderung aus dem Tank in den Nieder­druckkreislaufübernimmt. Die im Nkw ein­gesetzte Zahnradpumpe ist selbstsaugend,sodass keine zusätzliche Elektrokraftstoff­pumpe als Vorf6rderpumpe im Tankbenö­tigtwird Der Druckim Vorlaufder Injekto­ren bzw. der Unit Pump liegtbei 2 ...6 bar.

Eine Kühlung des Rücklaufs wirdnurbeiBedarfeingesetzt.

Der Rücklaufvon überschüssigem Kraft­stoffaus den Injektoren oder aus den UnitPumps zurückin den Niederdruckkreis­lauferfolgt über ein Überströmventil. DasÜberströmventil sitzt direkt am Austrittdes Kraftstoffrücklaufs aus dem Motor undregelt den Druck im Niederdrucksystem aufden erforderlichen Zulaufdruckvor denUnitInjectorsbzw. UnitPumps. Es ist alsKegelsitzventil mit einem integrierten Spei­chervolumen ausgeführt.

Kraftstoffversorgung beim Unit Injec tor System für Nkw

Kraftstoffsystem (Niederdruck) I Tankeinbaueinheit I 133

Tankeinbaueinheit

Die Tankeinbaueinheit bestehtbei UIS fürPkw aus den Baugruppen Elektrokraft­stoffpumpe (EKP), VorratsbehälterundFüllstandsanzeiger (Schwimmer). Bei denSystemen für Nkw entfallt die EKP.

Die EKP fördert den Kraftstoffaus demTankin den Niederdruckkreis undge­währleistetdabei die schnelle Befüllungauch bei sehrniedrigen Drehzahlen, sowiedie Entlüftung des Kraftstoffsystemsnacheiner Tankleerfahrt. Die EKP sorgt zudemfür einen ausreichenden Kraftstoffdruckvor der Tandempumpe und verhindertsomit das Ausscheiden von im Kraftstoffgelöster Luft. Bei zu niedrigem DruckimKraftstoffvorlaufkönnen sich Luftblasenim Kraftstoffbilden, die zu Druckabfall undunzureichender Befüllung der Injektorenführen können.

Die EKPbefindetsichin dem Vorrats­behälter, der seinerseits durch eineSaugstrahlpumpe ständigmit Kraftstoffaus dem Tankbefülltwird. Aufdiese Weisekann die EKP stets Kraftstoffansaugen,auch wenn bei Kurvenfahrt oder Beschleu-

Bild 2

1 Kraftstoffbehälter

2 Vorf ilter

3 Kraftstoffpumpe

4 Kraftstofffilter

5 Kraftstoff-

tem peratu rsensor

6 Unit Injector

(oder Unit Pump)

9

• I11 ~= = =,.7

12

6

ft Jlr 1~ 5 ~y u r ~Y D4

3

134 I Kraftstoffsystem (Niederdruck) I Kraftstoffpumpe

nigungsvorgängen undniedrigem Tank­füllstanddergesamte im TankbefindlicheKraftstoffaufeine Seite gedrängtwird.

Bei Pkw -Systemen verhindert ein in dieTankeinbaueinheitintegriertes Rück­schlagventil, dass bei MotorstillstandKraftstoffvon der Tandempumpe zurückin den Tank fließt und das System leerläuft.Bei Systemen ohne Tankeinbaueinheit(z. B.bei Nkw -Systemen) wird ein separatesRückschlagventil im RücklaufzwischenKraftstofffilter und TandempumpejZahn­radpumpe eingesetzt. Es kann auch in dieZahnradpumpe integriert sein.

Kraftstoffpumpe

TandempumpeDie bei DIS-Pkw eingesetzte Tandempumpe(Bild 3) ist eine Baueinheit, die die Kraft­stoffpumpe sowie die Vakuumpumpe fürden Bremskraftverstärker umfasst. Sie istam Zylinderkopfdes Motors angebrachtundwird direktvon der Motornockenwelleangetrieben.

Als Kraftstoffpumpe wird dabei eineInnenzahnradpumpe oder eine Sperr­flügelpumpe eingesetzt. In die Kraftstoff­pumpe sindverschiedene Ventile undDrosseln integriert:

Tandempumpe

Bild 3

1 Kraftstoffzulauf

2 Innenzahnrad-

pumpe

3 Druck-

begrenzungsventi I

4 Sieb

5 Service-Bohrung

6 zum Unit tnjector

7 Drossel

8 Rücklauf vom

Injektor

9 Bypass

10 Druckbe grenzun gs­

venti l

11 Rücklauf zum Tank

12 Motor

D11lckbegrenzungsventilim Vorlau[(3):Das Druckbegrenzungsventil begrenztden maximalen Druck im Hochdruckteilauf7,5 barfür2-Ventil-Motoren und auf10,5 barbei4-Ventil-Motoren.

D11lckbegrenzungsventil imRücklau[(1 0):Der Rücklaufdruck wird über ein Druck­begrenzungsventil mit einem Öffnungs­druckvon 0,7 bar eingestellt.

Drossel(?): Die am Sieb (4) abgeschiedeneLuft steigt nach oben undgelangt über dieDrossel in den Rücklauf.

Bypass (9): IstLuftim Kraftstoffsystem (z. B.durch leer gefahrenen Kraftstoffbehälter),so bleibt das Niederdruckventil geschlos­sen. Die Luft, die überwiegend an dem Siebabgeschiedenwird, wird vom nachfließen­den Kraftstoffüber den Bypass aus demSystem gedrückt.

An der Kraftstoffpumpe befindet sich einAnschluss (Service-Bohrung; 5), über dender Kraftstoffdruck im Vorlaufund damitdas fehlerfreie Funktionieren der Kraft­stoffpumpe überprüftwerden kann.

12

Kraftstoffsystem (Niederdruck) I Kraftstoffpumpe I 135

InnenzahnradpumpeBei der Innenzahnradpumpe (Bild 4) erfolgtdie Kraftstoffförderung durch zwei inein­anderliegende Zahnräder. Das kleinere,innenliegende Zahnrad treibt eingrößeres,exzentrisch angeordnetes, innenverzahn­tes Außenzahnrad an. Die miteinanderkämmenden Zahnräder saugen den Kraft­stoffan, komprimieren ihn undfordernihn zur Druckseite. Die Berührungslinieder Zahnräder dichtet zwischen Saugseiteund Druckseite ab. Der Antrieb erfolgt überden Rotor der Vakuumpumpe, die in dieTandempumpe integriertist. Der Rotorwird seinerseits durch die Nockenwelleangetrieben.

Innenzah nrad pum pe

3 4

2

Bild 4

1 Saugöffnung

2 Auslass

3 Innenzahnrad

4 Außenzahnrad

Sperr flügelp umpe

Zahnrad pumpe

BildS

1 Rotor

2 Saugseite (Zulauf)

3 Feder

4 Sperrflügel

5 Druckseite

Bild 6

1 Saugseite

2 Ant riebszah nrad

3 Drucksei te

2

3

SperrflügelpumpeBei der Sperrflügelpumpe (Bild 5) für dasUIS bei Pkw pressen Federn (3) zwei Sperr­flügel (4) gegen einen Rotor (1). Dreht sichder Rotor, vergrößert sich das Volumen aufder Saugseite (2) und Kraftstoffwird in zweiKammern angesaugt. Aufder Druckseite(5) verkleinert sich das Volumen, und derKraftstoffwird aus zwei Kammern gefördert.

ZahnradpumpeBei UI-Systemen undUPS für Nkw wirdals Kraftstoffpumpe eine Zahnradpumpeeingesetzt (Bild 6). Zwei miteinanderkäm­mende' gegenläufig drehende Zahnräderfordern den Kraftstoffvon der Saugseite (1)zur Druckseite (3). Die Berührungslinie derZahnräder dichtet zwischen Saugseite undDruckseite ab.

Die Zahnradpumpe wird entweder direktüber die Nockenwelle oder durch Neben­aggregate angetrieben. Die Fördennengehängt vom Übersetzungsverhältnis sowievom Fördervolumenpro Umdrehung abundist annäherndproportional zur Mo­tordrehzahl. Die Mengenregelung erfolgtentweder durch Drosselregelung aufderSaugseite oder durch ein Überströmventilaufder Druckseite. ZumSchutz des Nieder­druckkreislaufs undinsbesondere desKraftstofffilters istin die Zahnradpumpeein Überdruckventil integriert.

136 I Kraftstoffsystem (Niederdruck) I Kraftstoffrücklau f

2

spritzsystem zugeführt. Durch die Erwär­mung des Filtermediums schmelzen dorteventuell vorhandene Paraffinkristalle,die anderenfalls eine Verstopfung desFilters verursachen können. Außerdemwird durch den stark reduzierten Kraft­stofffluss vom Tank die dem Filter zuge­führte Paraffinmenge reduziert.

Die Fahrbarkeitsgrenze kann durch dieKraftstoffrückführung um einige GradCelsius abgesenktwerden. Außerdem wirddem kalten Motornichtzusätzlich Wänneentzogen, um an den Kraftstoffkühler undden Tank abgeführt zuwerden.

Der Kraftstoffrücklaufzum Filter oderüber den Kühler zurück zum Tankwirdüber ein Wachsdehnelementin Abhängig­keitvon der Kraftstofftemperaturgeregelt(Bild 8).

Filt er mit Wachsdehnelemen t

Nkw-Syste mBei Nkw -Systemenwird der Kraftstoffrück­laufgeteilt: Ein Teil des Kraftstoffs fließtdirekt in den Tank zurück, während derandere Teil aufdie Saugseite der Zahnrad­pumpe geleitetwird Dadurch kann zumeinen der Temperaturanstiegim Tank be­grenztwerden, zum anderenwird der derZahnradpumpe zugeleitete Kraftstoffnichtzu sehr abgekühlt. Bei niedrigen Tempera­turen wird dadurch die Fahrbarkeitsgrenzeabgesenkt.

5

3

Kraftstoff-Kü hlkreisla ut

Die Kühlung ist so ausgelegt, dass dieTemperaturim Tank 80 ...90 °Cnicht über­schreitet. Dies dient einerseits dem Schutzder Tankeinbaueinheit und des Kraftstoff­behälters vor zu hohen Temperaturen(wichtiginsbesondere bei Kunststofftanks),andererseits kann dadurch eine übennä­ßige Kraftstoffalterunginfolge beschleu­nigter Oxidation des Kraftstoffs vermiedenwerden. Eine Absenkung der Kraftstofftem­peratur um 10°C vennindert die Oxidati­onsgeschwindigkeit ungefähr um die Hälfte(Arrhenius-Regel).

KraftstoffrückführungPkw -SystemBei niedrigen Außentemperaturen undkaltem Motorwird der zurückfließendeKraftstoffnicht über den Wännetauschergekühlt, sondern direkt in den Kraftstoff­filtergeleitet(Bild 1). Von dortwird er nacherneuter Filtration direktwieder dem Ein-

Kraftstoffrücklauf

Bild 7

1 Kraftstoffpumpe

2 Kraftstofftempera-

tursensor

3 Kraftstoffkühler

4 Kraftstoffbehälter

5 Ausgleichsbehälter

6 Motorkühlkreislauf

7 Kühlmittelpumpe

8 Zusatzkühler

Kühlung des Rücklaufs (nur für Pkw)Die Kühlung des Kraftstoffs im Rücklauferfolgt bei neueren Pkw -Systemen übereinen Luftwännetauscher am Unterbodendes Fahrzeugs. Die Kühlung über einenKraftstoff- Kühlkreislaufmit Wasserküh­ler (Bild 7) wirdbei neuenSystemen nichtmehr eingesetzt.

BildS

1 Kraftstofffilter

2 zum Motor

3 Rücklauf

4 Vorlauf

5 bei warmem Vorlauf:

Fenster geötrnet c­

Rücklaufzum Tank;

bei kaltem Vorlauf:

Fenster geschlossen

6 zur Schmutzseite

Kraftstoffverteilung

VerteilerrohrBei den meisten Pkw -Systemenwerden dieeinzelnen Injektoren über ein Kraftstoff­Verteilerrohr mit Kraftstoffversorgt. DasVerteilerrohrweistpro UnitInjector zweiQuerbohrungen aufundliegt so in der Vor­laufbohrung des Zylinderkopfs, dass zwi­schen beiden ein Ringspalt entsteht (Bild 9,Pos.4).

Bei Nkw-Systemen erfolgt die Kraftstoff­versorgung derUIN und derUP über in dasKurbelgehäuse eingegossene Zulaufboh­rungen. Die Tandempumpe (bei Nkw -Syste­men die Zahnradpumpe) fordert den Kraft­stoffin das Verteilerrohr bzw. in die Zulauf­bohrung im Kurbelgehäuse. Der Kraftstoffströmtin den Ringspalt undvermischt sichdortmit dem aus den Injektoren zurückflie­ßenden heißen Kraftstoff. Die Größen derQuerbohrungen sind so gewählt, dass sichim Ringspalt entlang des Verteilerrohrseine gleichmäßige Kraftstofftemperatureinstellt. Dies ist Voraussetzung dafür, dassalle Injektoren mitgleicher Kraftstoffmasseversorgtwerden und damit auch für einenrunden Motorlauf.

EinzelzuführungBei 5- und 10-Zylinder-UIS-Motoren sowiebei einigen UISN- undUPS-Ausführungenerfolgt die Kraftstoffzufuhr nicht über einVerteilerrohr im Zylinderkopf, sondern

Krafts toffverte ilerroh r f ür UIS-Pkw

Kraftstoffsystem (Niederdruck) I Kraftstoffverteilung I 137

über Einzelzuführungen. Die Vorlaufboh­rungim Zylinderkopfentfallt und der Kraft­stoffwird den einzelnen Pumpe-Düse-Ein­heiten über separate Leitungen zugeführt.

Weitere Komponenten

KraftstoffbehälterDer Kraftstoffbehälter speichert denKraftstoff. Ermuss korrosionsfest, explosi­onsgeschützt undbei doppeltem Betriebs­druck, mindestens aber 0,3 barÜberdruck,dicht sein. Auftretender Überdruck mussdurch geeignete Öffnungen oder Sicher­heitsventile entweichen. Bei Kurvenfahrt,Schräglage oder Stößen darfkein Kraftstoffaus dem Füllverschluss oder den Einrich­tungen zum Druckausgleich ausfließen.

KraftstoffleitungenFür den Niederdruckbereich werdenSchläuche aus Polyamid oder Metallrohreals Kraftstoffleitungen eingesetzt. Metall­rohre dürfen keine katalytisch wirkendenMaterialien wie z. B.Kupfer enthalten, weildiese die Kraftstoffalterungbeschleunigen.

Die Leitungen müssen so angeordnetsein, dassmechanische Beschädigungenverhindertwerden und abtropfender oderverdunstender Kraftstoffsich weder an­sammeln noch entzünden kann. Kraftstoff­leitungen dürfen bei Fahrzeugverwindung,Motorbewegung oder dergleichen nicht inihrer Funktion beeinträchtigtwerden.

2 3 4

Bild 9

1 Vor laufb ohrung im

Zylinderk opf

2 Querb ohrungen

3 Verte ilerro hr

4 Ringspa lt

138 I Kraftstoffsystem (Niederdruck) I Weitere Komponenten

Bild 10

1 Zulauf

2 Ablauf

3 Filterelement

4 Wasser-

ablassschraube

5 Deckel

6 Gehäuse

7 Stützroh r

8 Wasser-

speicherraum

DieselkraftstofffilterAufgab enZum Schutz des Einspritzsystems nimmtder Kraftstofffilter Verunreinigungenaus dem Kraftstoffaufund speichert siedauerhaft. Die LebensdauerauslegungdesEinspritzsystems kann nur durch eine Min­destreinheit des Kraftstoffs sichergestelltwerden. Partikel im KraftstoffkönnendieEinspritzanlage durch Erosion schädigen,freies Wasserkann zu Korrosion an Metall­oberflächenführen.

Aufb auAls Filtermedium werden spezielle Mikro­faserpapiere mit Harzimprägnierungeingesetzt, aufdie eine zusätzliche Kunst­faserschicht (Meltblown) aufgebrachtist.Die Porosität und die PorenverteilungdesFilterpapiers bestimmen den Schmutz­abscheidegrad und den Durchflusswider­stand des Filters.

Das Filtermedium wirdin einerbestimm­ten Geometrie in ein Gehäuse eingebaut.Beim Wickelfilter wird ein geprägtes Filter­papier in zahlreichen Lagen um ein Stütz­rohrgewickelt.

Beim Sternfilter (Bild 10) wird das Filter­papier stemförmigin das Gehäuse einge­bracht. Derverunreinigte Kraftstoffdurch­fließt den Filtervon außen nach innen.

PartikelfilterungDer Kraftstofffilterhält Partikel aus demKraftstoffzurück, um die verschleißgefähr­deten Komponenten des Einspritzsystemszu schützen. Das Einspritzsystem gibt dieerforderliche Filterfeinheitvor. Darüberhinaus muss der Kraftstofffilter auch eineausreichende Partikelspeicherkapazitätaufweisen, da er sonstvor Ende des Wech­selintervalls verstopfenkann. In diesemFall würde die Kraftstofff6rdennenge unddamit auch die Motorleistung sinken.

Dieselkraftstoffistnonnalerweise stärkerverunreinigt als Ottokraftstoff. Aus diesemGrund, aber auch wegen derhöheren Ein­spritzdrücke, benötigen Diesel-Einspritz-

systeme einen erhöhten Verschleißschutzund damit höhere Filtrierungskapazität.Dieselkraftstofffilter sind daher - im Gegen­satz zu Benzinfiltern - immer als Wechsel­filter ausgelegt.

Was serabsch eidungEine weitere Funktion des Dieselkraftstoff­filters ist die Abscheidungvon emulgiertemund ungelöstem Wasser aus dem Kraftstoffzur Vermeidung von Korrosionsschäden.Es ist ein Wasserabscheidegradvon 2': 93 %

(DIN ISO 4020) erforderlich.Der tatsächliche Abscheidegradim Be­

trieb kannjedoch beeinträchtigtwerdenli>- durch eine erhöhte Kraftstoff-Durch­

flussmenge,li>- durch Additive im Kraftstoff,li>- durch den Einsatz einer Vorförderpumpe

vor dem Filter (das Wasser wirdfeineremulgiert und infolgedessenweniger gutabgeschieden).

Die im Kraftstoffmitgeführten, feinstver­teilten Wassertröpfchen setzen sich aufdem Meltblown ab undfließen zu größerenTröpfchen zusammen (Koaleszenzeffekt).Da Wasser eine größere Dichte als derKraftstoffhat, sinken die Wassertröpfchenaufden Boden des Filters in den Wasser­sammelraum. Dortwird der Wasserstanddurch einen Sensor erfasst. Das Wasserwird über eine Ablassschraube abgelassen.

I Dieselkraftstofffil ter mit Sterneinsa tz

Filtermechanismen

Die Reinigungswirkung des Kraftstofffilters

beruht zum Teil auf dem Siebeffekt, d. h.

darauf, dass die Schmutzpartikel aufgrundihrer Größe die kleinen Poren des Filter­

mediums nicht passieren können. Doch auch

Partikel, die so klein sind, dass sie zwischen

den einzelnen Fasern des Filtermediums

hindurchgespült werden können, werden

am Filter abgeschieden. Sie bleiben im

Innern des Filtermediums an einzelnen Fa­

sern haften. Dabei unterscheidet man drei

Mechanismen:

Beim Sperreffekt werden die Partikel mit

der Kraftstoffströmung um die Faser herum

gespült, berühren diese jedoch am Rand

und werden durch Van-der-Waals-Kräfte dort

gehalten. Dies funktioniert umso besser, je

näher ein Partikel an einer Filterfaser vorbei­

zieht. Kraftstoff- und Ölfilterung beruhen in

erster Linie auf diesem Effekt.

Andere Partikel folgen aufgrund ihrer Mas­

senträgheit nicht dem Kraftstoffstrom um

die Filterfaser, sondern stoßen frontal auf sie

(Trägheits- oder Aufpralleffekt). Je schwerer

und schneller ein Partikel ist, desto eher

kann es durch diesen Effekt aus dem Kraft­

stoff herausgefiltert werden.

Beim Diffusionseffekt berühren sehr kleine

Partikel aufgrund ihrer Eigenbewegung, der

Brown'schen Molekularbewegung, zufällig

eine Filterfaser, an der sie haften bleiben.

Dieser Effekt ist nur bei Partikeln wirksam,

die kleiner sind als ca. 0,5 IJm.

Van-der-Waals-Kraft

Die Van-der-Waals-Kraft beruht auf der Anzie­

hungskraft zwischen elektrischen Dipolen.

Durch eine ungleichmäßige Verteilung der

freien Elektronen eines Moleküls kann die­

ses vorübergehend auf der einen Seite eine

positive, auf der anderen Seite eine negative

Partialladung aufweisen. Das Molekül bildet

so einen temporären Dipol, der eine Anzie­

hungskraft auf andere Moleküle mit ungleich­

mäßiger Ladungsverteilung ausübt.

Die Van-der-Waals-Kraft zwischen zwei

Molekülen ist äußerst schwach. Dennoch

hält sie nicht nur Schmutz ~partikel im Kraftstofffil ~ter, sondern auch den CGecko an der Decke: dP~ .. A_!"fSeine Füße sind mit ~ - ~Millionen feinster Här-

chen bewachsen - diese ergeben zusammen ~

eine so enorme Kontaktfläche mit dem Un- '"

tergrund, dass alleine intermolekulare Kräfte 8den Gecko halten können. ~

Filtrationseffekte I 139

o

~oz~

140 I Elektronische Dieselregelung I Systemübersicht

Elektronische Dieselregelung EDCfür Unit Injector SystemDie elektronische Steuerung des Diesel­motors erlaubt eine exakte und differen­zierte Gestaltung derEinspritzgrößen.Nur so können die vielen Anforderungenerfüllt werden, die an einen modemenDieselmotor gestellt werden. Die Elektro­nischeDieselregelungEDC (ElectronicDiesel Control) wirdin die drei System­blöcke Sensoren/Sollwertgeber, Steuer­gerätundStellglieder(Aktoren)unter­teilt.

Systemübersicht

AnforderungenDie Senkung des Kraftstoffverbrauchs undder Schadstoffemissionen (NOx, CO, HC,Partikel) bei gleichzeitiger Leistungsstei­gerungbzw. Drehmomenterhöhung derMotoren bestimmt die aktuelle Entwick­lung aufdem Gebiet der Dieseltechnik. Kon­ventionelle indirekt einspritzende Motoren(IDI) konnten die gestellten Anforderungennicht erfüllen.

Stand der Technik sindheute direkt ein­spritzende Dieselmotoren (DI) mithohenEinspritzdrücken für eine gute Gemischbil­dung. Die Einspritzsysteme unterstützenmehrere Einspritzungen: Voreinspritzung(VE), Haupteinspritzung (HE) und Nachein­spritzung (NE). Die Einspritzungen werden

zumeist elektronisch gestellt (VE bei UIS­Pkwjedochmechanisch).

Weiterhin wirken sich die hohen An­sprüche an den Fahrkomfort aufdie Ent­wicklung moderner Dieselmotoren aus.Auch an die Schadstoff- und Geräuschemis­sionen werden immerhöhere Forderungengestellt.

Daraus ergeben sich gestiegene An­sprüche an das Einspritzsystem und dessenRegelung in Bezugauf:li>- hohe Einspritzdrücke,li>- Einspritzverlaufsfonnung,li>- Voreinspritzung undgegebenenfalls

Nacheinspritzung,li>- Anpassung von Einspritzmenge, Lade­

druck und Spritzbeginn an denjewei­ligen Betrlebszustand,

li>- temperaturabhängige Startmenge,li>- lastunabhängige Leerlaufdrehzahl-

regelung,li>- geregelte Abgasrückfiihrung,li>- Fahrgeschwindigkeitsregelung,li>- geringe Toleranzen der Einspritzzeit

und -menge undhohe Genauigkeitwäh­rend der gesamten Lebensdauer (Lang­zeitverhalten),

li>- UnterstützungvonAbgasnachbehand­lungssystemen.

Systemblocke der EDC (Beispiel UISjU PSj

Uni! Injector

Aktoren

Funktons­rechner

Steuergerät

.n.ADC

sensoren und Sollwertgeber

Fahrpedalsensor~Luftmassensensor •Ladedru::ksensor -00'---=1Partkeffilter- +. ~

~:;::~::,~~~ -: ~ ~IE~L3.~~nal-~:~:~!i~)e" 0:_ D~bg..d::.:~::;ellerRaps-Methyl-Sensor H Drosselklappenstejler

Drehzensensoren~~ ß KlImakompressor(Kulbelw,"" Nock'OW~"') r 11111,-&1 zusetaneecmBremsschajer _ ~~ Lufler

Kuppl""9=he'" - ~9ßl3!'--iJi\ Abg.a"üo~ühl,Kuhl"",Startschalter _ 11IL....{]--1):: Kraflstoffkühlung

GIÜ.ch'A'Nitsteuergerät~r~~ StartersteuerungQMO . L _ --'I1............-"'IIII~ M::Jtortagersteuerung~ Diaprjoselampe

Die herkömmliche mechanische Drehzahl­regelung erfasst mit diversen Anpassvor­richtungen die verschiedenen Betriebszu­stände undgewährleistet eine hohe Qualitätder Gemischaufbereitung. Sie beschränktsich allerdings aufeinen einfachen Regel­kreis am Motor undkann verschiedenewichtige Eintlussgrößen nichtbzw. nichtschnell genug erfassen.

Die EDC entwickelte sich mit den steigen­den Anforderungen zu einerkomplexenelektronischen Motorsteuerung, die eineVielzahl von Daten in Echtzeitverarbeitenkann. Über die reine Motorsteuerunghin­aus wird eine Reihe von Komfortfunktionen(z. B. Fahrgeschwindigkeitsregler) unter­stützt. Die EDCkann Teil eines elektroni­schen Fahrzeuggesamtsystems sein (driveby wire). Durch die zunehmende Integra­tion der elektronischen Komponenten kanndie komplexe Elektronik aufengstem Raumuntergebrachtwerden.

ArbeitsweiseDie Elektronische Dieselregelung (EDC)ist durch die in den letztenJahren starkgestiegene Rechenleistung der verfügbarenMikrocontrollerinder Lage, die genanntenAnforderungen zu erfüllen.

Im Gegensatz zu Dieselfahrzeugen mitkonventionellen mechanisch geregeltenEinspritzpumpen hat der Fahrerbei einemEDC-System keinen direkten Einfluss aufdie eingespritzte Kraftstoffmenge, z.B.über das Fahrpedal und einen Seilzug. DieEinspritzmenge wirdvielmehr durch ver­schiedene Einflussgrößen bestimmt. Diessindz.B.:li>- Fahrerwunsch(Fahrpedalstellung),li>- Betriebszustand,li>- Motortemperatur,li>- Eingriffe weiterer Systeme (z.B. ASR),li>- Auswirkungen aufdie Schadstoff-

emissionen usw.

Die Einspritzmenge wird aus diesen Ein­flussgrößen im Steuergerät errechnet.Auch der Einspritzzeitpunktkann variiertwerden. Diesbedingt ein umfangreiches

Elektronische Dieselregelung I Systemübe rsicht I 141

Überwachungskonzept, das auftretendeAbweichungenerkenntundgemäßdenAuswirkungen entsprechende Maßnahmeneinleitet (z. B.Drehmomentbegrenzungoder Notlaufim Leerlaufdrehzahlbereich).In der EDC sind deshalb mehrere Regel­kreise enthalten.

Die Elektronische Dieselregelung er­möglicht auch einen Datenaustausch mitanderen elektronischen Systemen wiez. B.Antriebsschlupfregelung (ASR), Elek­tronische Getriebesteuerung (EGS)oderFahrdynamikregelung mit dem Elektroni­sehen Stabilitäts-Programm (ESP). Damitkann die Motorsteuerung in das Fahrzeug­Gesamtsystem integriertwerden (z. B.Motormomentreduzierungbeim Schaltendes Automatikgetriebes, Anpassen desMotormoments an den Schlupfder Räderusw.).

Das EDC-System istvollständig in dasDiagnosesystem des Fahrzeugs integriert.Es erfüllt alle Anforderungen derOBD(On -Board-Diagnose) und EOBD(EuropeanOBD).

SystemblöckeDie Elektronische Dieselregelung (EDC)gliedert sich in drei Systemblöcke (Bild 1):

1. Sensoren undSollwertgeber erfassen dieBetriebsbedingungen (z. B. Motordrehzahl)und Sollwerte (z. B. Schalterstellung). Siewandeln physikalische Größen in elektri ­sehe Signale um.

2. Das Steuergerätverarbeitetdie Infor­mationen der Sensoren und Sollwertgeberin mathematischen Rechenvorgängen(Steuer- und Regelalgorithmen). Es steuertdie Stellglieder mit elektrischen Ausgangs­signalen an. Ferner stellt das Steuergerätdie Schnittstelle zu anderen Systemen undzur Fahrzeugdiagnose her.

3. Stellglieder(Aktoren) setzen die elektri­schen Ausgangssignale des Steuergerätsin mechanische Größen um (z. B. Hub derMagnetventilnadel).

142 I Elektronische Dieselregelung I Unit Injector System UIS f ür Pkw

Unit Injector System UIS für Pkw

Übersich t der EDe-Komponenten f ür Unit Injector Systeme im Pkw

,,,.

nittstelleranose

-apeal untonnr ator apr ranose

I-1 Abgasrückführsteller

I-1 Ladedrucksteller

Aktoren

ste la pe

-~I Klimaabschaltung

I Zusätzliche Klein--1leistungsendstUfen

(z.B. Klimaanlagen­abschaltung, Lüfter,Zusatzheizung)

Glührelais­steuerung

Förderbeginn, -dauer

Unit Injector (max 5rxo 8:euergerät)

Funktionen:

- Leerlaufregelung

- Laufruheregler

- Aktiver Ruckeldämpfer

- externerMomenteneingriff

- Wegtahrsperre

- Mengenregelungund -begrenzung

- Fahrgeschwindig­keitsregelung (FGR)

- Förderbeginn-undFörderdauerberechng

- Förderbeginn­korrektur (BIP)

- zusätzlicheSonderanpassungen'

Spannungsversorgung

Magnetventilendstufen

Leistungsendstufen

Signalausgänge

CAN-Kommunikation

Diagnose­Kommunikation

End-of-Une­Programmierung

Diagnosefunktionen:

- Systemdiagnose

- Ersatzfunktionen

- Motordiagnose

Signaleingänge

Sensorauswertung

Umgebungsdrucksensor

Steuergerät EDC16U

{

+

ress alter

~----

le e

uppun ss alter

- e uestn or erun-ape

e rstu EnS alterrares mr­eitsre e1un

Lufttemperatur

Motortemperatur(Kühlmittel)

Kraftstofftemperatur

flJJgastemperatur

Ladedruck

Luftmasse

Fahrpedalsensor mitLeergasschalterundKickdownschalter(2, Sensor')

Motordrehzahl (KW)(Kurbelwelle)

Motordrehzahl (NW)u. Zylindererkennung(Nockenwelle)

Fahrgeschwindigkeit(auchüber CANmöglich)

I etrelas­tatus

etne eem an

li aen an

Haupt­1-----" relais

12V

BOSCH

nittstelle

re a lsinal- i nal

Eingangssignale Kommunikation

'cotonel

Elektronische Dieselregelung I UIS und UPS für Nkw I 143

Unit Injector System UISund Unit Pump System UPS für Nkw

Übersich t der EDe-Komponen ten f ür Unit Injector System und Unit Pump System im Nkw

,i i i

Daqnoselampe

tso-scmmsteae(z. B. Daqrose)

Aktoren

Motorbremse

zusatzrcne Endstulen(z.B Ventilatorsteuerung,Rammstartanlage)

Ladedru::ksteller

Förderbeginn, -dauer

L

Up* (max 8 pro Steuergerät)

00'"UI* (max.8 pro Steuergerät)

Spannungsversorgung

MagnetventilerdstulenLeistungsendstulenSignala.usgängeCAN-Kommunikation

Daqrose-Kommunkat

Ero-ot-Lne- ~--.~+,~

Programmierung

SignaleingängeSensorauswertungUmgebungsd rucksenso r

Funktonen- Leer1aulregelung-Zwischerdrehzahl-regelung

- externerMomenteneingriff

-Weglahrsperre

- Mengenregelung und-begrenzung

- FahrgeschwirdigkBits-regelung(FGR)

- FahrgeschwirdigkBits­begrenzung

-ZylinderabschaRung- Förderbeginn- undFörderdauerberechng

- Förderbeginn­korrektur(BIP)

-zusätzlicheSorderanpassungen*

peoroseiusoonen

- systemoeorose-Abgleich- Ersatz/unktionen

- Motord~mse

Steuergerät MS 6.2

Ladedruck

Motortemperatur(Kühlmittel)

Fahrgeschwirdigkeit """'"(auch überCAN ~,,:~mögli:;h)

Fahrpedalsensormit LeergasschaRerurd KickrbwnschaRer*

Bremskontakte

LadelufUemperatur

Motordrehzahl (NW)u. Zylirdererkenraajq(Nockenwelle)

Ivbtordrehzahl(KW)(KurbelINeIle)

Kraftstolltemperatur

Kupplungskontakt

TurboladerDrehzahlsignal

Multifunktons­senalter

MehrstulenschaRermr Fahrgeschwirdig­keitsregelLJr(! (FGR)

Motorbrems­kontakt

Feststellbrems­kDnta~

Klemme15 +

Haupt­+----~ relais

24V (12V*)+

CAN-&hnittstelle

Eirgang lürPWMSignaie

DrehzahlsignalTDSignal

EingangssignaleBOSCH

Kommunikation

'optoret o

144 I Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspritzung

Regelung der Einspritzung

Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die EDC­Funktionen, die beim UIS/UPS undbeianderen Einspritzsystemen realisiert sindBild4 zeigt den Ablaufder Einspritzberech­nungmit allen Funktionen. Einige Funktio­nen sindSonderausstattungen. Sie könnenbei Nachrüstungen auch nachträglich vomKundendienstimSteuergerätaktiviertwerden.

1

Damit der Motorinjedem Betrlebszustandmit optimaler Verbrennung arbeitet, wirddiejeweilspassende EinspritzmengeimSteuergerät berechnet. Dabei müssen ver­schiedene Größen berücksichtigtwerden.Bei einigen magnetventilgesteuerten Ver­teilereinspritzpumpen erfolgt die Ansteu­erung der Magnetventile für Einspritz­menge undSpritzbeginn über ein separatesPumpensteuergerätPSG.

Einspritzsystem Reihenein- Kanten-

splitzpumpen gesteuerteVerteilerein­

spritzpumpenPE VE-EDC

Magnetventil­

gesteuertevertejeretn­spritzpumpenVE-M, VR-M

Unit InjectorSystem und

Unit Pump

SystemUIS, UPS

Common Railsystem

eR

Begre nzungsmenge

Externe r Momente neingriff • cIFahrgeschwind igkeits-

begrenzung • cIFahrgeschwind igkeits-

regelung

Höhenkorrektur

laded ruckregelu ng

Leerlaufregelung

Zwischend rehzahl regel ung • cIAktive Ruckeldämpfung . ' 1BIP-Regelung

Einlasskanalabschaltu ng . ' 1Elektron ische Wegfah rsperre . ' 1Gesteuerte Voreinspritzu ng . ' 1Glühzeitste uerung . ' 1 . ' 1KIimaabsc haltung . ' 1KühImittelzusatzheizung . ' 1 . ' 1Laufruheregel ung . ' 1Mengenausgle ichsregelu ng . ' 1Lüfte ransteuerung

Regelung der Abgas-

rückführung . ' 1Spri tzbegin nregelu ng

mit Sensor . 1) 3)Tabelle 1

' I Nur Hubschieber-Zyl inderabschal tung • ' I • ;1 • ;1

Reiheneinsp rit z- Inkrementwi nke 1-

Lernenpumpen

' I nur Pkw Inkrementwi nke 1-

cI nurNkw Verschleifen . ' 1

Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspritz ung I 145

o Berechnung der Einspr itzung im Steuergerät

Anforderungen

Fahrpedalsensor(Vorgabe des Fahrers)

I

Fahrgeschwindigkeitsregler,Fahrgeschwindigkeits­

begrenzer

Vorgabe vonanderen Systemen

(z. B. ABS, ASR, ESP)

1CAN

Berechnungen

Externer Momenteneingriff Auswahl der gewünschtenEinspritzmenge

I +/- J

Leerlaufregler (LLR)bzw. Mengenausgleichs­

regler (MAR)

Laufruheregler

II

Startmenge

RegelungFörderbeginn

1

Begrenzungsmenge

Aktiver Ruckeldämpfer

+

+

Start l, Fahrbetrieb,

SChalter

Mengenzumessung(Pumpenkennfeld)

Ansteuerung

Ansteuerung der Magnetventile

146 I Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspritzung

StartmengeBeim Startenwirddie Einspritzmenge ab­hängigvon der Kühlmitteltemperatur undder Drehzahl berechnet. Die Signale fürdie Startmenge werden vom Einschaltendes Fahrtschalters (Bild4, SchaltergehtinStellung "Start") bis zum Erreichen einerMindestdrehzahl ausgegeben.

Der Fahrerhat aufdie Startmenge keinenEinfluss.

FahrbetriebIm normalen Fahrbetriebwirddie Ein­spritzmenge abhängigvon Fahrpedal­stellung (Fahrpedalsensor) und Drehzahlberechnet (Bild 4, Schalterstellung "Fahr­betrieb"). Die Berechnung stützt sich aufKennfelder, die auch andere Einflussgrö­ßen berücksichtigen (z. B. Kraftstoff-, Kühl­mittel- und Ansauglufttemperatur). Fah­rerwunsch und Motorleistung sind somitbestmöglich aufeinander abgestimmt.

LeerlaufregelungAufgabe derLeerlaufregelung (LLR) ist es,im Leerlaufbei nichtbetätigtem Fahrpedaleine definierte Solldrehzahl einzuregeln.Diese SolIdrehzahl kannje nach Betriebs­zustanddes Motors variieren; so wirdzum Beispiel bei kaltem Motormeist einehöhere Leerlaufdrehzahl eingestellt als beiwarmem Motor. Zusätzlichkann z.B. bei zuniedriger Bordspannung, eingeschalteterKlimaanlage oderrollendem Fahrzeugebenfalls die Leerlauf-Solldrehzahl ange­hoben werden. Da der Motorim dichtenStraßenverkehrrelativ häufig im Leerlaufbetrieben wird(z. B. "Stop andGo" oderHalt an Ampeln), sollte die Leerlaufdreh­zahl aus Emissions- und Verbrauchsgrün­den möglichstniedrig sein. Dies bringtjedoch Nachteile für die Laufruhe desMotors undfürdas Anfahrverhalten mitsich.

Die Leerlaufregelung muss bei der Ein­regelung der vorgegebenen Solldrehzahlmit sehr stark schwankenden Anforderun­gen zurechtkommen. Der Leistungsbedarfdervom Motor angetriebenen Nebenaggre­gate istin weiten Grenzen variabel.

Der Generator beispielsweise nimmtbei niedriger Bordspannungviel mehrLeistungaufals bei hoher; hinzu kommenAnforderungen des Klimakompressors,der Lenkhilfepumpe, der Hochdruckerzeu­gungfür die Dieseleinspritzungusw. Zu die­sen externen Lastmomenten kommtnochdas interne Reibmoment des Motors, dasstark von der Motortemperatur abhängtund ebenfalls vom Leerlaufregler ausgegli­chen werden muss.

Zum Einregeln der Leerlauf-Solldrehzahlpasst der Leerlaufregler die Einspritz­menge so lange an, bis die gemesseneIstdrehzahl gleich dervorgegebenen Soll­drehzahl ist.

Enddrehzahlregelung (Abregelung)Aufgabe der Enddrehzahlregelung (auchAbregelung genannt) ist es, den Motorvorunzulässig hohen Drehzahlen zu schützen.Der Motorhersteller gibthierzu eine zu­lässige Maximaldrehzahl vor, dienichtfürlängere Zeit überschritten werden darf, dasonst der Motor geschädigtwird

Die Abregelung reduziert die Einspritz­menge oberhalb des Nennleistungspunktesdes Motors kontinuierlich. Kurz oberhalbdermaximalen Motordrehzahl findet keineEinspritzung mehr statt. Die Abregelungmuss abermöglichstweich erfolgen, umein ruckartiges AbregeIn des Motors beimBeschleunigen zu verhindern (Rampen­funktion). Dies istumso schwierigerzureali­sieren,je dichter Nennleistungspunkt undMaximaldrehzahl zusammenliegen.

ZwischendrehzahlregelungDie Zwischendrehzahlregelung (ZDR)wirdfür Nkw und Kleinlastermit Nebenabtrie­ben (z. B. Kranbetrieb) oder für Sonder­fahrzeuge (z. B.Krankenwagen mit Strom­generator) eingesetzt. Ist sie aktiviert,wird der Motor aufeine lastunabhängigeZwischendrehzahlgeregelt.

Die Zwischendrehzahlregelungwirdüber das Bedienteil der Fahrgeschwin­digkeitsregelung bei Fahrzeugstillstandaktiviert. AufTastendruck lässt sich eineFestdrehzahl im Datenspeicherabrufen.Zusätzlich lassen sich über diesesBedien­teil beliebige Drehzahlen vorwählen.

Bei Pkw mit automatisiertem Schalt­getriebe (z. B.Tiptronic) wird die ZDR zurRegelung der Motordrehzahl während desSchaltvorgangs eingesetzt.

FahrgeschwindigkeitsregelungDer Fahrgeschwindigkeitsregler (auchTempomatgenannt) ermöglicht das Fahrenmit konstanter Geschwindigkeit. Erregeltdie Geschwindigkeit des Fahrzeugs aufeinen gewünschten Wert ein, ohne dassder Fahrer das Fahrpedal betätigen muss.Dieser Wertkann über einen Bedienhe-bel oder über Lenkradtasten eingestelltwerden. Die Einspritzmenge wird erhöhtoderverringert, bis die gemessene Ist­Geschwindigkeit der eingestellten Soll­Geschwindigkeit entspricht.

Bei einigen Fahrzeugapplikationen kanndurch Betätigen des Fahrpedals über diemomentane Soll-Geschwindigkeithinausbeschleunigtwerden. Wird das Fahrpedalwieder losgelassen, regelt der Fahrge­schwindigkeitsregler die letzte gültige Soll­Geschwindigkeitwiederein.

Tritt der Fahrerbei eingeschaltetemFahrgeschwindigkeitsregler aufdasKupplungs- oder Bremspedal, so wird derRegelvorgang abgeschaltet. Bei einigenApplikationen kann auch über das Fahr­pedal ausgeschaltetwerden.

Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einsprit zung I 147

Bei ausgeschaltetem Fahrgeschwindig­keitsreglerkann mithilfe der Wieder­aufnahmestellung des Bedienhebels dieletzte gültige Soll-Geschwindigkeitwiedereingestelltwerden. Eine stufenweise Ver­änderung der Soll-Geschwindigkeit überdie Bedienelemente ist ebenfallsmöglich.

FahrgeschwindigkeitsbegrenzungVariable BegrenzungDie Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung(FGB, auch Limitergenannt) begrenzt diemaximale Geschwindigkeit aufeinen ein­gestellten Wert, auchwenn das Fahrpedalweiterbetätigtwird. Diesistvorallem beileisen Fahrzeugen eine Hilfe für den Fahrer,der damit Geschwindigkeitsbegrenzungennicht unabsichtlich überschreiten kann.

Die Fahrgeschwindigkeitsbegrenzungbegrenzt die Einspritzmenge entsprechendder maximalen Soll-Geschwindigkeit.Sie wird durch den Bedienhebeloderdurch "Kick-down" abgeschaltet. Die letztegültige Soll-Geschwindigkeitkann mitHilfe der Wiederaufnahmestellung desBedienhebels wieder aufgerufen werden.Eine stufenweise VeränderungderSoll­Geschwindigkeit über den Bedienhebel istebenfallsmöglich.

Feste BegrenzungIn vielen Staaten schreibt der Gesetzgeberfeste Höchstgeschwindigkeiten für be­stimmte Fahrzeugklassen vor(z. B.fürschwere Nkw). Auch die Fahrzeugherstellerbegrenzen die maximale Geschwindigkeitdurch eine feste Fahrgeschwindigkeits­begrenzung. Sie kann nicht abgeschaltetwerden.

Bei Sonderfahrzeugen können auchfesteinprogrammierte Geschwindigkeitsgren­zen vom Fahrer angewähltwerden (z. B.wennbei Müllwagen Personen aufden hin­teren Trittflächen stehen).

148 I Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspritzung

Aktive RuckeldämpfungBei plötzlichen Lastwechseln regt die Dreh­momentänderung des Motors den Fahr­zeugantriebsstrang zu Ruckelschwingun­gen an. Fahrzeuginsassennehmen dieseRuckelschwingungenals unangenehmeperiodische Beschleunigungsänderungenwahr (Bild 5, Kurve a). Aufgabe des AktivenRuckeldämpfers (ARD) ist es, diese Be­schleunigungsänderungen zu verringern(b). Diesgeschieht durch zwei getrennteMaßnahmen:li>- Bei plötzlichen Änderungen des vom

Fahrergewünschten Drehmoments(Fahrpedal) reduziert eine genau abge­stimmte Filterfunktion die Anregungdes Triebstrangs (1).

li>- Schwingungen des Triebstrangswerdenanhand des Drehzahlsignals erkanntund über eine aktive Regelung gedämpft.Diese reduziert die Einspritzmengebei ansteigender Drehzahl und erhöhtsie bei fallender Drehzahl, um so denentstehenden Drehzahlschwingungenentgegenzuwirken (2).

LaufruheregelungjMengenausgleichs­regelungNicht alle Zylinder eines Motors erzeugenbei gleicher Einspritzdauer das gleicheDrehmoment. Dies kann an Unterschiedenin der Zylinderverdichtung, in der Zylinder­reibung oderin denhydraulischen Ein­spritzkomponenten liegen. Folge dieserDrehmomentunterschiede ist ein unrunderMotorlaufund eine Erhöhung der Motor­emissionen.

Die Laufruheregelung (LRR) bzw. dieMengenausgleichsregelung (MAR) hat dieAufgabe, solche Unterschiede anhand derdaraus resultierenden Drehzahlschwan­kungenzu erkennen und über eine Anpas­sung der Einspritzmenge des betreffendenZylinders auszugleichen. Hierzu wird dieDrehzahl nach der Einspritzungin einenbestimmten Zylindermit einer gemitteltenDrehzahl verglichen. Liegt die Drehzahldes betreffenden Zylinders zu tief, wird dieEinspritzmenge erhöht; liegt sie zuhoch,muss die Einspritzmenge reduziertwerden(Bild 6).

Beispiel des Aktiven Ruckeldämpfers (ARD) Beispiel der Laufr uheregelung (LRR)

"lyl. 3820

/

Solldrehzahl 800 min- 1

"lyl.4790

/

I gdrehza~en:0

Elzyl. 1 lyl.2800 790

".\~=;n

min-1' - - - - - - - - - - ,

11000c

~'" 800

@

"mm' ~--

tI

a I

~~~

25 I

• bBildS E 20

"ohne akt iven~

Ruckeldämpfe r c 0CO ~b mit aktivem Ruckel- 12

~dampfe t 0 1 2 s QFilte rfunktion leit t __ ~

aktive Korrektu rz

Hnsprttz-ä / I \

~

Die Laufruheregelung ist eine Komfort­funktion, deren primäres Ziel die Ver­besserung der Motorlaufruhe im Bereichder Leerlaufdrehzahl ist. Die Mengen­ausgleichsregelung soll zusätzlich zurKomfortverbesserung im Leerlaufdie Emis­sionen im mittleren Drehzahlbereich durcheine Gleichstellung der Einspritzmengender Motorzylinderverbessern.

Für Nkw wird die Mengenausgleichs­regelung auch AZG(Adaptive Zylinder­gleichstellung) bzw. SRC(SmoothRunningControl) genannt.

BegrenzungsmengeWürde immer die vom Fahrergewünschteoderphysikalisch mögliche Kraftstoff­menge eingespritztwerden, könntenfolgende Effekte auftreten:li>- zu hohe Schadstoffemissionen,li>- zu hoher Rußausstoß,li>- mechanische Überlastung wegen zu

hohem Drehmoment oder Überdrehzahl,li>- thennische Überlastungwegen zu hoher

Abgas-, Kühlmittel-, ÖI- oder Turbo­ladertemperatur oder

li>- thermische Überlastung der Magnet­ventile durch zu lange Ansteuerzeiten.

Um diese unerwünschten Effekte zuvermeiden, wird eine Begrenzung ausverschiedenen Eingangsgrößen gebildet(z. B. angesaugte Luftmasse, Drehzahl undKühlmitteltemperatur). Die maximale Ein­spritzmenge und damit dasmaximale Dreh­momentwerden somitbegrenzt.

MotorbremsfunktionBeim Betätigen der Motorbremse vonNkw wird die Einspritzmenge alternativentweder aufNull- oder Leerlaufmengeeingeregelt. Das Steuergerät erfasstfürdiesen Zweck die Stellung des Motorbrems­schalters.

Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspritz ung I 149

HöhenkorrekturMit steigender Höhe nimmt der Atmosphä­rendruck ab. Somitwird auch die Zylinder­füllungmitVerbrennungsluftgeringer.Deshalb muss die Einspritzmenge reduziertwerden. Würde die gleiche Menge wie beihohem Atmosphärendruck eingespritzt,käme eswegen Luftmangel zu starkemRauchausstoß.

Der Atmosphärendruck wirdvom Umge­bungsdrucksensorim Steuergerät erfasst.Damitkann die Einspritzmenge in großenHöhenreduziertwerden. Der Atmosphä­rendruckhat auch Einfluss aufdie Lade­druckregelung und die Drehmomentbe­grenzung.

ZylinderabschaltungWirdbei hohen Motordrehzahlen ein ge­ringes Drehmomentgewünscht, muss sehrwenig Kraftstoffeingespritztwerden. Eineandere Möglichkeit zur Reduzierung desDrehmoments ist die Zylinderabschaltung.Hierbei wird die Hälfte der Injektorenabgeschaltet(UIS-Nkw, UPS, CommonRail-System). Die verbleibenden Injektorenspritzen dann eine entsprechendhöhereKraftstoffmenge ein. Diese Menge kann mithöherer Genauigkeit zugemessen werden.

Durch spezielle Software-Algorithmenkönnen weiche Übergänge ohne spürbareDrehmomentänderungen beim Zu- undAbschalten der Injektoren erreichtwerden.

150 I Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspr itz ung

Regeneration von Abgasnachbehand­lungssystemenDie Abgasgrenzwertewerdenin Zukunftnichtmehr allein durch innennotorischeMaßnahmen zu erfüllen sein. Diesmachtden Einsatz von Abgasnachbehandlungs­systemen wie Dieselpartikelfi1teroder NOx­Katalysatoren erforderlich. Diese Systemespeichern Schadstoffe ein undmüssenzu bestimmten Zeitpunkten regeneriertwerden. Dazu sind definierte Abgastempe­raturen erforderlich, die im normalen Fahr­betrieb in der Regel selten erreichtwerden.Die EDCstellt Funktionen zur Bestimmungder Regenerationszeitpunkte zur Verfü­gung undleitet Maßnahmen zur Erhöhungder Abgastemperatur ein(z. B.angelagerteNacheinspritzung, Spätverstellung derHaupteinspritzung).

Inkrementwinkel-Lemen (UIS-Pkw)Für eine genaue Mengenzumessung benö­tigt das Unit Injector System eine genaueWinkelinfonnation. Die Genauigkeit wirdjedochdurch Winkeltoleranzen beein­trächtigt, die durchUngenauigkeiten desKurbelwellen-Geberrades selbst, durchden Sensor oder durch Einflüsse andererKomponenten aufdas Winkelgebersystemverursacht werden können.

Mit dem Inkrementwinkel-Lernver­fahrenwerdendie Winkeltoleranzen desKurbelwellen-Geberrades eingelernt. DasEinlernen findet im Schubbetriebbei an­nähernd konstanter Motordrehzahl statt.Die gemessenen Winkelabweichungenwerden um Störeffekte bereinigt und diekorrigierte Winkelinfonnationwirdfür dieAnsteuerung der Injektoren verwendet.

Inkrementwinkel-Verschleifen (UIS-Pkw)Das Winkelsystem extrapoliert aus denZahnflanken des Kurbelwellengeberseine höher aufgelöste Winkelinfonnation.Aufgrund der Dynamik im Drehzahlsignalkommt es hierbeijeder neuen Zahnflankezu einem Springen der Winkelinfonna­tion. Dies führt bei Einspritzsystemenmitwinkelbasierter Mengenzumessung

zu schwankenden Einspritzmengen. DieFunktionInkrementwinkel-Verschleifenpasst die Winkelberechnung derart an,dass an Zahnflanken keine Sprünge mehrauftreten. Die Winkeldifferenz zwischensteuergeräte-interner Winkelinformationund der des Kurbelwellengebers wirdbiszur nächsten Zahnflanke an den Wert desKurbelwellengebersangeglichen.

SpritzbeginnregelungDer Spritzbeginn hat einen starken Ein­fluss aufLeistung, Kraftstoffverbrauch,Geräuschemissionen und Abgasverhalten.Sein Sollwerthängt von der Motordrehzahlund der Einspritzmenge ab. Eristim Steuer­gerätin Kennfeldern gespeichert. Weiter­hinkann eine Korrekturin Abhängigkeitvon der Kühlmitteltemperatur und demUmgebungsdruck erfolgen.

Fertigungs- und Anbautoleranzen derUnit Injector-Einheit an den Motor sowieVeränderungen der Magnetventile wäh­rend der Laufzeitkönnen zugeringenUnterschieden der Magnetventilschalt­zeiten und damit zu unterschiedlichenSpritzbeginnenführen. Die Dichte und dieTemperatur des Kraftstoffshaben eben­falls Einfluss aufden Spritzbeginn. DieseEinflüsse müssen durch eine Regelstrategiekompensiertwerden, um die Abgasgrenz­werte einzuhalten. Folgende Regelungenwerden eingesetzt (Tabelle 2):

2Regelung • ~

.~ ob i = =.~ =

~.= • ~..

ä ~ = ~o ~ ili.= =....~

~ ~~~ =• • 0 ·0~=z ~ ~

Einspritzsystem

Reiheneins ~p,~,,~, p~c~m~p~e~c­kantengesteuerte ver-te i lerei nspri tzpumpe n

magnetventilgeste uertevertel lereinsp ritzpum pen

Common Rail

Unit lnjector/Unit Pump

Elektronische Dieselregelung I Regelung der Einspritz ung I 151

Daneben gibt es eine Reihe redundanter(zusätzlicher) Abstellpfade (z. B. Elek­trischesAbstellventil, ELAB, derkanten­gesteuerten Verteilereinspritzpumpen).

Die Systeme Unit Injector undUnit Pumpsind eigensicher, d. h. es kann höchstensein Mal ungewollt eingespritzt werden.Deshalb sindhierkeine zusätzlichen Ab­stellpfadenötig.

AbstellenDas Arbeitsprinzip Selbstzündung hatzur Folge, dass der Dieselmotornur durchUnterbrechen der Kraftstoffzufuhr zumStillstandgebrachtwerden kann.

o

VentilAnsteuer­Ende

Ventil­Schließzeitpunkt= BIP

Anzugsstrom

,.(I I Haltestrom

I Reg;;;enZe

VentilAnsteuer­Beginn

BIP-Erkennung

Bei der elektronischen Dieselregelung wirdder Motor über die Vorgabe des Steuerge­räts "Einspritzmenge Null" abgestellt(z. B.keine Ansteuerung der Magnetventile oderRegelstangenposition .jvullförderung").

BIP-RegelungDie BIP-Regelung wirdbei den magnet­ventilgesteuerten Systemen Unit Injector(UIS) undUnitPump (UPS) eingesetzt.Der Förderbeginn - oder kurzBIP (BeginofInjection Period) - ist als der Zeitpunktdefiniert, ab dem dasMagnetventilge­schlossen ist. Ab diesem Zeitpunktbeginntder Druckaufbau im Pumpenhochdruck­raum. Nach Überschreiten des Düsennadel­öffnungsdrucks öffnet die Düse und derEinspritzvorgang beginnt (Spritzbeginn).Die Kraftstoffzumessung findet zwischenFörderbeginn und Ansteuerende desMagnetventils statt undwird Förderdauergenannt.

Durch den direkten Zusammenhangzwischen Förder- und Spritzbeginn genügtes für eine exakte Regelung des Spritzbe­ginns, Kenntnis über den Zeitpunkt desFörderbeginns zuhaben.

Um eine zusätzliche Sensorik(z.B.einen Nadelbewegungssensor) zu ver­meiden, wird der Förderbeginndurcheine elektronische Auswertung desMagnetventilstroms detektiert (erkannt).Im Bereich des erwarteten Schließzeit­punkts des Magnetventils wird die Ansteu­erung mitkonstanter Spannung durch­geführt (BIP-Fenster, Bild 7). InduktiveEffekte beim Schließen des Magnetventilsführen zu einer charakteristischen Ausprä­gung des Magnetventilstroms. Diese wirdvom Steuergerät erfasst und ausgewertet.Die Abweichung vom erwarteten Sollwertdes Schließzeitpunkts wirdfür jede ein­zelne Einspritzung abgespeichert undfür die darauffolgende Einspritzsequenzals Kompensationswert verwendet.

Bei Ausfall eines BIP-Signals schaltet dasSteuergerät aufgesteuerten Betriebum.

Zelt

152 I Elektronische Dieselregelung I Prinzipieller Ablauf der Elektronischen Dieselregelung

Kraftstoff-Regelkreis 1 (Einspritzkomponente)_ Kraftstoff-Regelkreis 2 (Motor)_ "Umweg" über den Fahrer

~ Luft-Regelkreis-----... Daten- und Signalfluss

EDC-Steuergerät Datenaustausch mitanderen Systemen- Antriebsschlupfregelung,

Ansteuerung der- Getriebesteuerung,

Einspritzkomponente- Klimasteuerung

- - .,.+

ICAN II

+Regelung der

FRegelung und

Einspritzung Ansteuerung der -übrigen Stellglieder

.•. .,. :::;

Anforderungen Sensoren unddes Fahrers Sollwertgeber- Fahrerwunsch,

~- Fahrpedalsensor,

- Tempomat, - Drehzahlsensor,- Motorbremse - Schalter

' ~ J!~~..::~~~........................... ......

System zurFüllungssteuerung

.......... ..... = - Aufladung, .-I \u u u~>······ ··· - Abgasrückführung•~ Loft

c: Stellglieder (Aktoren)(/";>. ll' - elektropneumat. Wandler, .-- Dauerbremsanlage,

Kraftstoff - Lüfter,- Glühzeitsteuerung

Einspritzkomponenten- Reiheneinspritzpumpen,

~- Verteilereinspritzpumpen, -- Unit Injector / Unit Pump,- Common Rail Hochdruck-

pumpe und Injektoren,- Düsenhalter und Düsen

Elektronische Dieselregelung I Momentengeführte EDe-Systeme I 153

MomentengeführteEDC-Systeme

Die Motorsteuerung wird immer enger indie Fahrzeuggesamtsysteme eingebun­den. Fahrdynamiksysteme (z. B.ASR),Komfortsysteme (z.B. Tempomat) und dieGetriebesteuerungbeeinflussen über denCAN-Bus die Elektronische DieselregelungEDC. Andererseits werden viele derin derMotorsteuerung erfassten oder berechne­ten Informationen über den CAN-Bus anandere Steuergeräte weitergegeben.

Um die Elektronische Dieselregelungkünf­tignoch wirkungsvollerin einenfunktio­nalen Verbundmit anderen Steuergeräteneinzugliedern undweitere Verbesserungenschnell und effektiv zurealisieren, wurdendie Steuerungen derneuesten Generationeinschneidend überarbeitet. Diese momen­tengeführte Dieselmotorsteuerungwirderstmals ab EDC16 eingesetzt. Hauptmerk­mal ist die Umstellung der Modulschnitt­stellen aufGrößen, wie sieim Fahrzeugauch entsprechend auftreten.

MomentensteuerungDer Fahrerfordertbeim Beschleunigenüber das Fahrpedal (Sensor) direkt eineinzustellendes Drehmoment. Unabhängigdavon fordern andere externe Fahrzeug­systeme über die Schnittstellen ein Dreh­moment an, das sich aus dem Leistungsbe­darfder Komponenten ergibt (z. B. Klima­anlage, Generator). Die Motorsteuerungerrechnet daraus das resultierende Mo­tonnoment und steuert die StellgliederdesEinspritz- und Luftsystems entsprechendan. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:li>- Kein System hat direkten Einfluss aufdie

Motorsteuerung (Ladedruck, Einsprit­zung, Vorglühen). Die Motorsteuerungkann so zu den äußeren Anforderungenauch noch übergeordnete Optimierungs­kriterien berücksichtigen (z.B. Abgas­emissionen, Kraftstoffverbrauch) undden Motor dann bestmöglich ansteuern.

li>- Viele Funktionen, die nicht unmittelbardie Steuerung des Motors betreffen,können für Diesel- und Ottomotor­steuerungen einheitlich ablaufen.

li>- Erweiterungen des Systems könnenschnell umgesetztwerden.

Beispiel des Drehmoment- und Leistungs­verlaufs zweier Pkw-Dieselmotorenmit ca. 2,2 lHubraum über der Drehzahl

Bild S

Baujahr 1968

Baujahr 1998

1000 2000 3000 4000 nun 1Motordrehzah l

0-a

~

-a -100

200

oo

C 300"EoE..

<5

75

kW

25

~c.a 50

~

Kenngrößen eines MotorsDie Außenwirkung eines Motors kann imWesentlichen durch drei Kenngrößen be­schrieben werden: Leistung P, Drehzahl nundDrehmomentM.

Bild 8 zeigt den typischen VerlaufvonDrehmoment und Leistung über der Motor­drehzahl zweier Dieselmotoren im Ver­gleich. Grundsätzlich gilt derphysikalischeZusammenhang:

P=2·rr·n·M

Es genügt also, z. B. das Drehmoment alsFührungsgröße unter Beachtung der Dreh­zahl vorzugeben. Die Motorleistung ergibtsich dann aus der obigen Formel. Da dieLeistungnicht unmittelbargemessen wer­den kann, hat sichfür die Motorsteuerungdas Drehmoment alsgeeignete Führungs­größe herausgestellt.

154 I Elektronische Dieselregelung I Momentengefü hrte EücSysteme

Ablauf der MotorsteuerungDie Weiterverarbeitung der Sollwertvor­gaben im Motorsteuergerät sindin Bild 9schematisch dargestellt. Zum Erfüllen ihrerAufgaben benötigen alle Steuerungsfunk­tionen der Motorsteuerung eine Fülle vonSensorsignalen und Informationen vonanderen Steuergeräten im Fahrzeug.

VortriebsmomentDie Fahrervorgabe (d. h. das Signal desFahrpedalsensors) wirdvon der Motorsteu­erungals Anforderung für ein Vortriebs­momentinterpretiert. Genauso werden dieAnforderungen der Fahrgeschwindigkeits­regelung und -begrenzungberücksichtigt.

Nach dieser Auswahl des Soll-Vortriebs­moments erfolgtgegebenenfa1ls beiBlockiergefahreine Erhöhung bzw. beidurchdrehenden Rädern eine Reduzierungdes Sollwerts durch das Fahrdynamik­system (ASR, ESP).

Weitere externe MomentanforderungenDie Drehmomentanpassung des Antriebs­strangs muss berücksichtigtwerden (Trieb­strangübersetzung). Sie wird im Wesent­lichen durch die Übersetzungsverhältnisseimjeweiligen Gang sowie durch den Wir­kungsgrad des Wandlers bei Automatik­getrieben bestimmt. Bei Automatikfahrzeu­gen gibt die Getriebesteuerung die Dreh­momentanforderung während des Schal t­vorgangs vor, um mitreduziertem Momentein möglichstruckfreies, komfortables undzugleich das Getriebe schonendes Schaltenzu ermöglichen. Außerdem wird ermittelt,welchen Drehmomentbedarfweitere vomMotor angetriebene Nebenaggregate (z. B.Klimakompressor, Generator, Servopumpe)haben. Dieser Drehmomentbedarfwirdaus der benötigten Leistung und Drehzahlentwedervon diesen Aggregaten selbstodervon der Motorsteuerung ermittelt.

Die Motorsteuerung addiert die Moment­anforderungen. Damit ändert sich dasFahrverhalten des Fahrzeugs trotzwech­selnder Anforderungen der Aggregate undBetriebszustände des Motors nicht.

Innere MomentanforderungenIn diesem Schrittgreifen der Leerlaufreglerund der aktive Ruckeldämpfer ein.

Um z. B.eine unzulässige Rauchbil-dung durch zuhohe Einspritzmengenoder eine mechanische Beschädigung desMotors zuverhindern, setzt das Begren­zungsmoment, wennnötig, den internenDrehmomentbedarfherab. Im Vergleich zuden bisherigen Motorsteuerungssystemenerfolgen die Begrenzungen nichtmehr aus­schließlich im Kraftstoff- Mengenbereich,sondernje nach gewünschtem Effekt direktin derjeweilsbetroffenenphysikalischenGröße.

Die Verluste desMotorswerdenebenfallsberücksichtigt(z. B. Reibung, Antrieb derInjektoren). Das Drehmoment stellt diemessbare Außenwirkung des Motors dar.Die Steuerungkann diese Außenwirkungaber nur durch eine geeignete Einspritzungvon Kraftstoffin Verbindungmit dem rich­tigen Einspritzzeitpunkt sowie den notwen­digen Randbedingungen des Luftsystemserzeugen (z. B. Ladedruck, Abgasrück­führrate). Die notwendige Einspritzmengewird über den aktuellen Verbrennungswir­kungsgrad bestimmt. Die errechnete Kraft­stoffmenge wird durch eine Schutzfunktion(z. B.gegen Überhitzung) begrenzt undge­gebenenfa1ls durch die Laufruheregelungverändert. Während des Startvorgangswird die Einspritzmenge nicht durchexterne Vorgaben (wie z. B. den Fahrer)bestimmt, sondern in der separaten Steue­rungsfunktion "Startmenge" berechnet.

Ansteuerung der AktorenAus dem resultierenden Sollwertfür dieEinspritzmenge werden die Ansteuerdatenfür die Einspritzpumpen bzw. die Einspritz­ventile ermitteltsowie derbestmöglicheBetriebspunkt des Luftsystems bestimmt.

Elektronische Dieselregelung I Momentengeführte EücSysterne I 155

D Ablauf der Motorsteuerung bei der momentengeführten Dieselregel ung

Vatriebsmoment

Fahrerwunsch:-BFahrpedalsenscrß-BFahrgeschwindigkeits-0oregelung,

-BFahrgeschwindigkeits-0obegrenzung.

Auswahl des 5011-0

Vortriebsmoments

Daten-0austausch

Fahr 0betrieb

Koordination des0

Antriebstrangmoments

I Startmenge I..~ L.

---.---.

Koordinatien des 0

____ .. Vortriebsmoments

Begren zungsmenge

Vorgabe deslillFahrdynamiksystems:

-®'\SR,0

-BESP.

IWirkungsgrad Motcr

Innere Mome ntanfcrderu ngen

ILeerlaufregelung I~--.Is;::;;;;~';;---l

IAktiver Ruckeldämpfer I

IBegrenzungsmoment I---••~====~l--J

IMotorbelastung durch0

Nebenaggregate

Weitere externe Momen ta nforde runge n

ITriebstrangUbersetzung ---~~.r::;::::~:;--I

IVorgabe des 0

Getriebesteuergeräts

Sensor-äsignale

Laufruheregelung

Anste uerung der Aktoren I I

D ExtereäVorgaben

D lnteneäAbläufe

••• Detenübe-ätragung mi1ßJCANmöglich

Vorgabe:-~dedruck,0

-~bgasri.ickfuhrrateß

-0..0o

Luftsystem-8laderli;J-®'\bgasruck-00fuhrung ..

Vorgabe:-0"örderbeginn,0

-~pritzversteller,0

-0:bildrud<ß

-0 ..Ge nach System).

Hnspritzwstem-BEinspritz-0opumpe€]

-0njektoren ..

156 I Elektronische Dieselregelung I Zylindererken nung

Zylindererkennung

Stellung der NockenwelleDamit das Motorsteuergerätbei Motorstartden richtigen Injektor ansteuern kann,muss es erkennen, welcher Zylinder sichzunächst im Verdichtungstaktbefindet.Dazu wird die Stellung der Nockenwellemittels eines Hall- Phasensensors (Hall­Geber) ermittelt. Für einen Vierzylinder­Motor trägt das Geberrad der Nocken­welle (Bild 10)im Abstandvonjeweils 90°unterschiedliche Markierungen, die deneinzelnen Zylindern zugeordnet sind Ausdem Signal des Hallgebers, das durch dieeinzelnen vorbeidrehenden Zähne erzeugtwird, erkennt das Steuergerät denjeweilsim Verdichtungstaktbefindlichen Zylinder.

I Geberrad der Nockenwelle

Die Form des Nockenwellen-Geberradshängtvon der Anzahl der Motorzylinderundvon Anforderungen wie Schnellstart­und Notlauffähigkeit ab.

Stellung der KurbelwelleDie genaue Stellung der Kurbelwelle wirdmittels eines Drehzahlsensors (Bezugs­markensensor) ermittelt. Sie dient zurBerechnung des Einspritzzeitpunkts undder Einspritzmenge. Das Geberradfür denDrehzahlsensor (Bild 11) hat zwei gegen­überliegende Zahnlücken als Bezugs­marken zur Ermittlung der Kurbelwellen­stellung, sodass die Information über dieKurbelwellenposition bereits nach einerhalben Kurbelwellenumdrehung vorliegt.Für einen Vierzylinder-Motoristmitdie-

Geberrad f ür d ie Motordrehzahl

Auswertung der Signale von Phasensensor und Drehzahlsensor (Bezugsmarkensensor)

Bild 10

Beispiel für einen

Vierzyli nde r-Motor

fürUIS-Pkw. Die

Synchron isationsmarke

ist für die Notlauf­

funktion des Motors

erforderlich.

1 Nockenwellenumdrehung

Signal des Winkelgebers oo8Q

"w

Elektronische Dieselregelung I Zylindere rkennung I 157

sem Kurbelwellensensor ein Schnellstartmöglich. Abhängig von der Zylinderzahlwerden auch Kurbelwellengeberrädermiteiner oder drei Zahnlücken eingesetzt.

Zylindererkennung bei Motorstart(Schnellstarf]Durch die Signale von Phasensensor undDrehzahlsensor (Bild 12) erhält das Motor­steuergerätbereits innerhalb der erstenhalben Kurbelwellenumdrehung die Infor­mation, welcher Zylindersichim Verdich­tungstaktbefindet, sowie ein Bezugssignal,das die Stellung der Kurbelwelle zu denZylindern angibt. Aus diesen Infonnatio­nen errechnet es, zuwelchem Zeitpunktdie Magnetventile der einzelnen Zylinderangesteuertwerden müssen.

Redundanter StartLiefert der Nockenwellensensor ein un­plausibles odergarkein Signal, so wird diePhasenlage des Motors über Testeinsprit­zungen bestimmt: Wird derjenige UnitInjector angesteuert, der sich gerade imVerdichtungstakt befindet, so führt dieszum Druckaufbau im Injektor und zurKraftstoffeinspritzungin den zugehörigenZylinder. Die einsetzende Verbrennungwird durch einen Anstieg im Drehzahlsig­nal detektiert. Wirdhingegen ein Injektorangesteuert, der sich in einer anderenPhase als dem Verdichtungstaktbefindet,kommt es nicht zur Verbrennung. Überdie Zylindernummer für die erfolgreicheTesteinspritzungwirddie Phasenlage desMotors bestimmt.

NotlaufIst das Hauptgebersystem (Drehzahlsen­sor) ausgefallen, so kann der Motor weiterüber das redundante Gebersystem (Pha­sensensor) betrieben werden. Dazu mussdas Nockenwellen-Geberrad ein für denNotlaufgeeignetes Muster aufweisen. EswerdenNockenwellen-Geberrädermitäquidistantenü Winkelmarken (Segment­marken) nach Anzahl der Zylinder undeiner zusätzlichen Marke für die Synchro­nisation eingesetzt (Bild 10). Bewährthatsich eine Synchronisationsmarke, die denBereich zweier angrenzender Segment­marken im Verhältnis 1:4 teilt.

Gegenüber dem Normalbetrieb kommt esim Notbetriebzu leicht erhöhten Toleran­zen des Förderbeginns und der Einspritz­menge, da aufgrund der reduzierten Anzahlvon Winkelmarken die Ansteuerereignisseungenauer gesetzt werden.

1) Äquidistante Win kel­

marken haben unter­

einander Jeweils den

gleichen Abstand.

Für einen Vier­

zylinder-Motor sind

die Marken Jeweils

um 90° versetzt.

158 I Elektronische Dieselregelung I Lambda- Regelung für Pkw-Dieselmotoren

Lambda-Regelungfür Pkw-Dieselmotoren

AnwendungDie gesetzlichvorgeschriebenen Abgas­grenzwerte für Fahrzeuge mit Diesel­motoren werden zunehmend verschärft.Neben der Optimierung derinnennoto­rischen Verbrennunggewinnen die Steu­erung und die Regelung abgasrelevanterFunktionen zunehmend an Bedeutung. Eingroßes Potenzial zu Verringerung der Emis­sionsstreuungenvonDieselmotoren bietethier die Einführung der Lambda-Regelung.

Die Breitband-Lambda-Sonde im Abgas­rohr (Bild 13, Pos. 7) misst den Restsauer-

stoffgehaltim Abgas. Daraus kann aufdasLuft-Kraftstoff-Verhältnis (Luftzahl ä)

geschlossen werden. Das Signal derLambda-Sonde wirdwährend des Motor­betriebs adaptiert. Dadurch wird eine hoheSignalgenauigkeit über deren Lebensdauererreicht. Aufdiesem Signal bauen verschie­dene Lambda-Funktionen auf, die in denfolgenden Abschnitten erklärtwerden.

Für die Regenerationvon NOx-Speicher­katalysatoren werden Lambda-Regelkreiseeingesetzt.

Die Lambda-Regelung eignet sich für allePkw-Einspritzsysteme mit Motorsteuerge­räten ab der Generation EDC16.

Systemübersicht der Lambda-Regelung fü r Pkw -Dieselmotoren (Beispiel)

BOSCH I}

6

Bild 13

1 Dieselmotor

2 Einspri tz-

komponente

3 Regelklappe

4 Heißfilm-

t.un massenmesse r

Turbolader

{h ier VTG-Lader)

6 EDC-Motor-

steuerge rät ~~

Breitband -Lambda - 8Sonde <

"8 Abgasrückfü hrventi I~

Elektronische Dieselregelung I Lambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren I 159

GrundfunktionenDruckkompensationDas Rohsignal der Lambda-Sonde hängtvon der Sauerstoffkonzentration im Abgassowie vorn Abgasdruck am Einbauort derSonde ab. Deshalbmuss der Einfluss desDrucks aufdas Sondensignal ausgeglichen(kompensiert) werden.

Die Funktion Druckkompensation. enthältje ein Kennfeld für den Abgasdruck undfürdie Druckabhängigkeit des Messsignals derLambda-Sonde. Mithilfe dieser Modelleerfolgt die Korrektur des Messsignals be­zogen aufdenjeweiligen Betriebspunkt.

kann injedem Betriebspunkt des Motorsdie gemessene Sauerstoffkonzentrationkorrigiertwerden. Damitliegtüberdiege­samte Lebensdauer der Lambda-Sonde eingenaues, driftkompensiertes Signal vor.

Lambda-basierte Regelung derAbgasrückführungDie Erfassung des Sauerstoffgehalts imAbgas ermöglicht- verglichen mit einerluftrnassenbasierten Abgasrückführung ­ein engeres Toleranzband der Emissionenüber die Fahrzeugflotte. Damitkönnenim Abgastestfür zukünftige Grenzwerteca. 10 ...20 % Emissionsvorteilgewonnenwerden.

AdaptionDie Adaption der Lambda-Sonde berück­sichtigtim Schub die Abweichung dergemessenen Sauerstoffkonzentration vonder Frischluft-Sauerstoffkonzentration(ca.21 %). So wird ein Korrekturwert"erlernt". Mit dieser erlernten Abweichung

MengenmittelwertadaptionDie Mengenmittelwertadaption liefertein genaues Einspritzmengensignal fürdie Sollwertbildung abgasrelevanterRegelkreise. Den größten Einfluss aufdieEmissionen hat dabei die Korrektur der

Prinzipieller Ablau f der Mengenmitte Iwertadaption in der Bet riebsart "I ndirect Control"

Motor steuergerät

o

+

+l+-trl-- -<;>

tvbtordrEtlzahlSffisor

Einspritzsystem

160 I Elektronische Dieselregelung I Lambda- Regelung für Pkw-Dieselmotoren

Abgasrückführung. Die Mengenmittelwert­adaption arbeitetim unteren Teillastbe­reich. Sie ermittelteine über alle Zylindergemittelte Mengenabweichung.

Bild 14 zeigt die grundsätzliche Strukturder Mengenmittelwertadaption und derenEingriffaufdie abgasrelevanten Regel­kreise.

Aus dem Signal der Lambda-Sonde unddem Luftmassensignal wird die tatsächlicheingespritzte Kraftstoffmasse berechnet.Die berechnete Kraftstoffmassewirdmitdem Einspritzmassensollwertverglichen.Die Differenz wird in einem Adaptions­kennfeld in definierten "Lernpunkten"gespeichert. Damitist sichergestellt, dasseine betriebspunktspezifische Einspritz­mengenkorrekturauch bei dynamischenZustandsänderungen ohne Verzögerungbestimmtwerden kann. Die Korrektur­mengen werden im EEPROM des Steuer­geräts gespeichert und stehen bei Motor­start sofort zur Verfügung.

Grundsätzlichgibt es zwei Betriebsartender Mengenmittelwertadaption, die sich inder Verwendung der ermittelten Mengen­abweichung unterscheiden:

Betriebsart.JtulirectCctürel''In der BetriebsartIndirect Controlwirdein genauer Einspritzmengensollwert alsEingangsgröße in verschiedenen abgas­relevanten Soll- Kennfeldern verwendet.Die Einspritzmenge selbstwirdinder Zu­messungnichtkorrigiert.

Betri ebsart.Direct Contro I"In der BetriebsartDiredControl wird dieMengenabweichung zur Korrektur der Ein­spritzmenge in der Zumessungverwendet,sodass die wirklich eingespritzte Kraft­stoffmenge genauermit der Soll- Einspritz­menge übereinstimmt.

Prinzipieller Abl auf der Voillast- Rauchbegrenzung mit hiIfe der Larnbda-Regelung

Steueroerat

Heißfilm-!ilLuftmassenmesser

Mctordrehzahlsensor

Einspritzsystem

RaLKhb2 renzu sme e

Volllast-RauchbegrenzungBild 15 zeigt das Prinzipbild der Regel­struktur für die Vo111ast-Rauchbegrenzungmit einer Lambda-Sonde. Ziel ist die Ennitt­lung der maximalen Kraftstoffmenge, dieeingespritztwerden darf, ohne einen be­stimmten Rauchwert zu überschreiten.

Mit den Signalen des Luftmassenmessersund des Motordrehzahlsensorswird derLambda-Sollwert.Ls-i j über ein Rauch­begrenzungskennfeld ermittelt. Ausdiesem Wertwird zusammen mit der Luft­masse der Vorsteuerwertfür die maximalzulässige Einspritzmenge errechnet.

Dieser Steuerungwird eine Lambda­Regelung überlagert. Der Lambda-Reglerberechnet aus der Differenz zwischendem Lambda-Sollwert.äe.s j und demLambda-IstwertÄ1s Teine Korrekturkraft­stoffmenge. Die Summe aus Vorsteuer- undKorrekturmenge ist ein exakter Wert für diemaximale Vo111ast-Kraftstoffmenge.

Mit dieser Strukturist eine gute Dynamikdurch die Vorsteuerung und eine verbes­serte Genauigkeit durch den überlagertenLambda-Regelkreis erreichbar.

Erkennung unerwünschter VerbrennungMithilfe des Signals der Lambda-Sondekann eine unerwünschte Verbrennungim Schubbetrieb erkannt werden. Diesewird dann erkannt, wenn das Signal derLambda-Sonde unterhalb eines berechne­ten Schwellwertesliegt. Bei unerwünsch­ter Verbrennung kann der Motor durchSchließen einer Regelklappe und des Ab­gasrückführventils abgestellt werden. DasErkennen unerwünschter Verbrennungstellt eine zusätzliche Sicherheitsfunktionfür den Motor dar.

Elektronische Dieselregelung I Lambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren I 161

ZusammenfassungMit einer lambdabasierten Abgasrückfüh­rungkann die Emissionsstreuung einerFahrzeugflotte aufgrund von Fertigungs­toleranzen oder Alterungsdriftwesentlichreduziertwerden. Hierfürwird dieMengenmittelwertadaption eingesetzt.

Die Mengenmittelwertadaption liefertein genaues Einspritzmengensignal fürdie Sollwertbildung abgasrelevanterRegelkreise. Dadurch wird die Genauigkeitdieser Regelkreise erhöht. Den größtenEinfluss aufdie Emissionen hat dabei dieKorrektur der Abgasrückführung.

Zusätzlich kann durch den Einsatz einerLambda-Regelung die Vo111ast-Rauch­menge exakt bestimmt und eine uner­wünschte Verbrennung detektiert werden.

Die hohe Genauigkeit des Signals derLambda-Sonde ermöglicht darüberhinausdie Darstellung eines Lambda-Regelkreisesfür die Regeneration von NOx-Speicher­Katalysatoren.

162 I Abgasemissionen I Entstehung von Schadstoffen

Abgasemissionen

Bei derVerbrennung des Luft-Kraftstoff­gemisches entstehen durch vollständigeReaktionWassenlampfundKohlen­dioxid, die zusammenca. 10 %bis maxi­mal 20 % des Abgasesausmachen. Fernerbesteht derAbgasvolumenstrom zu min­destens 80 %bis über90 %aus Luftstick­stoffundüberschüssigem Sauerstoff, diean der Reaktion nicht beteiligt sind

Entstehung von Schadstoffen

Zu einem kleinen Anteil entstehen bei derdieselmotorischen Verbrennung als Neben­bestandteile die Schadstoffeli>- Kohlenwasserstoffe (HC),li>- Kohlenmonoxid(CO),li>- Stickoxide (NOx),li>- Schwefeldioxid Gö-),li>- Partikel (Ruß, HC, Abrieb, Wasser­

tröpfchen).

durch Kraftstoffaus dem Sackloch­volumen der Einspritzdüse,

li>- Desorption aus dem Schmieröl ins­besondere im Schiebebetrieb.

Kohlenmonoxid (CO)Kohlenmonoxid tritt als Zwischenproduktbei der Oxidationvon Kohlenwasserstof­fen zu CO2 auf. Es entsteht zum einen alsDissoziationsproduktbei Temperaturenvon über 1000°C, wie sie zum Zeitpunkt derHauptumsetzung kurz nach dem oberenTotpunkt des Kolbens im Brennraum auf­treten. In Wandnähe undwährendderwei­teren Expansion kann die Reaktionskettezur CO2 - Bildung unterbrochen werden, so­dass CO-Emissionen im Abgasverbleiben.

Zum anderen entsteht Kohlenmonoxidbei Oxidation unter Sauerstoffmangel. Auf­grund des Betriebs mit Luftüberschuss sinddie CO-Emissionen bei Dieselbrennverfah­ren sehrgering.

1) Kohlenwasserstoffe

mit aufgebrochener

Einfach bi ndu ng,

die daher sehr reak­

tionsfreudig sind

Der Anteil der Schadstoffe variiert inAbhängigkeitvom Lastzustand undbeträgtbei Teillastca.O,l %desAbgasvolumen­stromes.

Kohlenwasserstoffe (HC)Kohlenwasserstoff-Emissionen entstehenaus unvollständigverbranntem oderunverbranntem Kraftstoffsowie aus demSchmieröl. Dabei gibt es verschiedeneEntstehungsmechanismen:li>- Flammenauslöschungan den Brenn­

raumwänden aufgrundniedriger Wand­temperaturen,

li>- vermehrter Kraftstoffwandauftrag, miteinerfür die Verbrennung zugeringenVerdampfungsrate,

li>- das Nichtzünden des Kraftstoff- Luft­gemisches oder das Flammenlöschenaufgrund zu geringer lokaler Sauerstoff­konzentration, hervorgerufen durchZonen mit sehrgroßem Abgasrückfiihr­anteil,

li>- eine schlechte Gemischaufbereitung,hervorgerufen durch zu große Kraft­stoffmengenbei schlechter Zerstäubung,durch Nachspritzen des Injektors oder

Stickoxide (NOx)Beim Verbrennungsprozessim Motor ent­stehthauptsächlich Stickstoffoxid (NO),das sich in Luft langsam in Stickstoffdioxid(N0 2) umwandelt. Bei der Bildung vonStickstoffoxid (NO) unterscheidetman dreiMechanismen:li>- Brennstoff-NO,li>- promptes NO,li>- thermisches NO.

Brennstoff-NO entsteht durch Oxidationdes im Brennstoffenthaltenen Stickstoffs.Aufgrund des geringen Stickstoffanteils imBrennstoffsinddie darausresultierendenStickoxid-Emissionen vernachlässigbargering.

Promptes NObildetsichin der Flam­menfrontin brennstoffreichen Bereichen.Bei der Verbrennung entstehen als Zwi­schenprodukte CH-Radikaler), die mit demLuftstickstoffzu Zyaniden (z. B.BlausäureHCN) reagieren. Diese oxidieren in weite­ren Reaktionsschritten zu NO.Der Anteilvon promptem NObeträgt 5 %bis 10 % derNOx-Emissionen.

Abgasemissionen I Ent stehung von Schadstoffen I 163

Thermisches NO entstehtbei einer starkendothermen Reaktion. Erstbei Tempe­raturen von über 1750"Cwird eine nen­nenswerte NO-Bildung in Ganggesetzt.Dabei wird die Aktivierungsenergie für diegeschwindigkeitsbestimmende Teilreak­tion, das Aufbrechen der Dreifachbindungdes Stickstoffmoleküls, bereitgestellt. DieNO-Bildung hängtwesentlich von der Tem­peratur und der Verweildauer bei hoherTemperatur ab sowie von der Sauerstoff­konzentration am Ort der Verbrennung.

Bei einem Luftverhältnisvon.ä = 0,95wird die maximale Flammentemperaturerreicht. Bei Erhöhung der Sauerstoff­konzentration undkonstanter Temperaturerhöht sich die thermische NO-Bildung,sodass unter Berücksichtigungder gegen­läufigen Effekte bei ä = 1,1 die maximaleNO-Konzentration vorliegt.

Im Umkehrschluss kann eine effektiveNO-Reduzierung bei einer durch die Dreh­zahl vorgegebenen Verweildauernur durchAbsenkung der Verbrennungstemperaturund Beschränkung der Sauerstoffkonzent­ration erzieltwerden.

Schwefeldioxid (S02)

Schwefeldioxid entsteht durch Oxidationdes im Kraftstoffenthaltenen Schwefels.Seit2005 schreibt die EU-Gesetzgebung dieVerwendungvon schwefelarmen Kraftstof­fen mitmaxima150 ppm Schwefelgehaltvor.

Partikel, insbesondere RußAls Partikel entstehen neben Abrieb undWassertröpfchen bei unvollständigerVerbrennung Kohlenstofftei1chen, diedurch Aneinanderkettung zu Rußpartikelnwachsen. An die Rußpartikellagern sichunverbrannte Kohlenwasserstoffe sowieSchmieröl-Aerosole an.

Die Partikelemissionen sindvorwiegendein Problem des Dieselmotors. Auch beiglobalem Luftüberschuss im Brennraumfindet aufgrundinhomogener Zonen lokaleine Verbrennung unter Sauerstoffmangelstatt. Dies führt in einer ersten Phase zustarker Rußbildung. Gleichzeitig erfolgteine Rußoxidation, die durch hohe Brenn­raumtemperaturen undLadungsbewe­gung unterstütztwird. Daher betragendie Rußemissionen im Abgas nur einenBruchteil der im Brennraum entstandenenRußmasse.

Abgaszusam menset zung fü r Pkw-Dieselmotor im Teillast bereich (Rohemissionen )

"""=- - - +( lca 0,1%Sch_

Bild 1

Angaben in Gewichts­

prozent.

Die Konzentrationen

der Abgasbes tandteile,

insbeson dere der

Schadstoffe, können

abweichen; sie hängen

u.a. von oen Bet r iebs­

bedingunge n des

Motors und den Um­

gebungsbed ingungen

(z. B, Luftfeuchtigkeit)

ab.

Mit NOx-Speicherkataly­

sator bzw. Parti kelfil ter

können die NQ,:- und

Partikelemissionen um

mehr als 90 % gesenkt

werden,

5tickoxido (NOx)

Kohlenmonoxid (CO)

/1'--"11 Partikel

r==~ Kohl• .........-(HC)

co. 7%Kohlendioxid (CD,)

co. 3% Wosser (H,O)

ca. 75% Stickstoff(~

ca.15%Sau.rslDII (Cl,)

I

164 I Abgasemissionen I Innermotorische Emissionsminderung

InnermotorischeEmissionsminderung

Ziel derinnennotorischen Emissionsmin­derungist die Reduzierung der Schadstoffeim Rohabgas (Abgasnach der Verbrennung,vor der Abgasnachbehandlung). Durcheine Kombination von innennotorischenundnachrnotorischen Maßnahmen (Ab­gasnachbehandlung) werden die Emissi­onen soweit abgesenkt, dass die jeweilsgeltenden Emissionsgrenzwerte nicht über­schritten werden. Durch eine weitgehendeReduzierung der Rohemissionen lässtsich der Zusatzaufwandfür die Abgasnach­behandlung einschränken.

BrennverfahrenDem Brennverfahren und dessen Abstim­mung kommen beim DieselmotorhöchsteBedeutung hinsichtlich der erzielbarenLeistung, des Verbrauchs und der Emissi­onenzu.

Die Motorleistungwird durch die maxi­mal zulässige Schwarzrauchzahl (Abgas­trübung als Maßfür den Rußpartikelaus­stoß) und die maximal zulässige Abgas­temperatur begrenzt. Die Werkstoffei­genschaften des Turboladers definieren

den Grenzwert der Abgastemperatur amEintrittin die Turbine.

Die dieselmotorische Verbrennungwirddurch drei Phasen charakterisiert:li>- Zündverzug,d.h. die Zeit zwischen Ein­

spritzbeginn undZündbeginn,li>- vorgemischte Verbrennung,li>- Diffusionsflamme (mischungskontrol­

lierte Verbrennung).

Ein kurzer Zündverzug und damit einegeringe eingespritzte Kraftstoffmengeinnerhalb der ersten Phase sindnotwen­dig, um das Verbrennungsgeräusch zube­grenzen. Nach Einsetzen der Verbrennungist eine gute Gemischbildung erforderlich,um niedrige Ruß- und NOx-Emissionen zuerzielen. Entscheidenden Einfluss aufdiePhasen der Verbrennung habenli>- Druck und Temperatur im Brennraum,li>- die Masse, Zusammensetzung und

Bewegung der Ladung,li>- der Einspritzdruckverlauf.

Die genannten Größen werden einerseitsdurch motorspezifische Parameter undandererseits durch die veränderbaren Be­triebsparameter eingestellt.

_ Einf lussgrößen des Brennverfahrens

Einspritzsystem• Typ

/• Einspritzdruck

\• Einspritzrate• Düsengeometrie

Motorgeometrie

~Luftsystem

• Brennraum • Aufladekonzept• Verdichtungsverhältnis • Abg3.srücklührung• Hub! Bohrungsverhältnis • Ladungswechsel• Drall • Ladungsbewegung

Startsystem KÜhlsystem• Glühkonzept • Kühlmittel 0• Starter • Kühlerkonzept 0

<; ~8m

"w

EinspritzsystemHinsichtlich des Brennverfahrens hat dasEinspritzsystem eine Schlüsselrolle, dadurch den Einspritzzeitpunkt und den Ein­spritzverlaufdie Lage des Verbrennungs­schwerpunkts sowie die Gemischbildungbestimmtwerden. Diese Größen bestimmenihrerseits maßgeblich die Emissionen undden Wirkungsgrad.

Für eine gute Gemischbildung sindbe­sonderskleine Düsenlöcher mit strömungs­optimierten Geometrien in Verbindungmithohen Einspritzdrückengünstig, daso derKraftstoffim Brennraum gut aufbereitetund damit der ZündverzugverkürztwirdWährend der Diffusionsverbrennungführtdie gute Zerstäubung zueinervenninder­ten Rußbildung.

LuftsystemDie Gemischbildung wird luftseitig durchdie Ladungsbewegung beeinflusst, dieihrerseits von der Einlasskanalgeometrieund der Brennraumfonn abhängt. ZurAnpassung an die Einspritzsystementwick­lung (höhere Einspritzdrücke, größereDüsenlochzahl) werden Niedrigdrallver­fahren entwickelt, bei denen durch den Ein­satz einer Drallklappe lastpunktabhängigdie Ladungsbewegung in der Kolbenmuldeeingestelltwird.

Die Einhaltung zukünftiger, weiterverschärfter NOx-Emissionsgrenzwerteerfordert sehrhohe Abgasrückführraten inVerbindung mitweiter gesteigerten Brenn­raumladungen. Dies erfordert Systeme,die in der Lage sind, vergleichsweise hoheLadedrücke mithohen undpräzisen, füralle Zylindergleichen AGR-Raten sowiemöglichstniedrigen Einlasstemperaturenbereitzustellen.

Abgasrückführung(AGR)Die wirkungsvollste innennotorische Maß­nahme zur Absenkungvon Stickoxidemissi­onenbei Dieselmotoren ist die Abgasrück­führung (AGR). Dabei werden die externeunddieinterneAGR unterschieden. Beiderinternen AGRverbleibt beim Ladungs-

Abgasemissionen I Innermotorische Emissionsminderung I 165

wechsel ein Restgasanteil im Brennraum.Dieser Anteil kann über die Steuerzeitender Ventile verändertwerden.

Bei der externen AGRwird dem Abgas­strom ein Anteil entnommen, über einenWännetauschergekühlt und zusammenmit der Frischluft dem Brennraum wie­der zugeführt. Bei derheute serienmäßigeingesetzten Hochdruck-AGRerfolgt dieEntnahme abgasseitig vor der Turbine desAbgasturboladers und die Zumischung zu­luftseitig hinter dem Verdichter.

Die NOx-mindernde Wirkung der AGRbe­ruht aufden folgenden Mechanismen:li>- Dieverminderte Sauerstoffkonzentra­

tion verlangsamt den Verbrennungspro­zess; dadurch werden die lokalen Spit­zentemperaturen gesenkt. Zusätzlichwird durch das reduzierte Sauerstoffan­gebot auch der Reaktionspartnerfür diethennische NO-Bildung verknappt.

li>- Gleichzeitig wird durch den Abgasrück­führanteil die Masse der Brennraum­ladung erhöht. Bei der Wänneübertra­gung der Verbrennungsenergie aufdiegrößere Gasmasse entstehen vergleichs­weise niedrigere Spitzentemperaturen,sodass die thennische NO-Bildung ge­mindertwird.

li>- Die zurückgeführten, dreiatomigen Ab­gaskomponenten H20 und COe besitzeneine höhere spezifische Wärmekapazitätals Frischluft. Das Verbrennungsgasge­misch kann dadurch mehr Energie beigleicher Temperaturerhöhung aufneh­men; die lokalen Spitzentemperaturenwerden dadurch abgesenkt.

li>- Dadie Reaktionsendprodukte H20 undCO2 bereits zu Beginn der Verbrennungin nennenswerten Konzentrationen vor­liegen, vermindert sich die Geschwindig­keit, mit der die Teilreaktionen in Rich­tung chemisches Gleichgewicht ablaufen.

Bei zugroßer Abgasrückführrate steigensowohl der Kraftstoffverbrauch als auch dieSchadstoffemissionen, die infolge von Luft­mangel entstehen (CO, HC, Ruß), an.

166 I Abgasemissionen I Innermotorische Emissionsminderung

Zielkonflikt bei der EmissionsminderungDurch die Abgasrückführung (AGR) lassensich wirkungsvoll die NOx-Emissionenreduzieren. Gleichzeitig steigen die Ruß­emissionen durch die Luft- bzw.Sauer­stoffreduzierung an (Bild 3). Die mit zu­nehmender AGRreduzierte Umsatzrateder Verbrennungführt zu einem sanfterenDruckanstieg im Zylinder (Bild 6); dadurchwird auch das Verbrennungsgeräuschgünstig beeinflusst (Bild4). Bei weiter stei­gendem AGR-Anteil und dadurch weiterabgesenkten NOx-Emissionen wird die Ver­brennung zunehmendverschleppt. Auf­grundeineslokalen Luftmangels undver­langsamter Reaktionsprozesse entstehendann neben Ruß auch HC undCO (BildS).

Ruß-jNOx-KompromissAls Kompromiss dergegenläufigen Ruß- j

NOx-Emissionen wurde bei Pkw- Diesel­motoren ein Ruß/Nöy-Massenverhältnisvon 1:10 als Auslegungspunktdefiniert(Bild 3). In mittleren undhöherlastigenBetriebspunkten erfolgt die Auslegungentsprechenddiesem Verhältnis, das sichso in der aktuellen Emissionsgesetzgebung(Euro 4) wiederfindet.

Bei Niedriglastpunkten mithohem Luft­überschuss undgeringen mittleren Brenn­raumtemperaturen werden bei hohenAGR-Raten zuerst die Grenzen für HC undCO überschritten, bevor der Ruß/Nöy-

Einf luss der AGR auf die Ruß-j NOx-Emissionen

NOx

_

- AGR-Rate

Auslegungspunkterreichtwird. Eineweitere Steigerung der AGRführt dannzu einerinstabilen Verbrennung, die miteinem unruhigen Motorlaufeinhergeht.

So zeichnet sich bei dem konventionellenDieselbrennverfahren stets ein Emissions­kompromiss in Abhängigkeitvom Last­punkt ab.

Die Spitzentemperaturwährendder Ver­brennungund damit die thennische NO­Bildung werden neben der AGR-Rate auchdurch die Lage des Verbrennungsschwer­punkts bestimmt. Das Optimum der Ruß- j

NOx-Emissionenwird durch eine Spätver­stellung der Einspritzung im Vergleich zumwirkungsgradoptimalen Spritzbeginn er­reicht. Dabei bewirkenbeide Parameter, dieSpätverstellung der Einspritzung und dieErhöhung der AGR-Rate, einengeringfügi­gen Kraftstoffmehrverbrauch.

EinflussvonEinspritzdruck und Einspritz­ratenfonnungEine Steigerung des Einspritzdrucksver­bessert die Gemischaufbereitung (räum­liehe Verteilung, Verdampfung und Venni­schung des Kraftstoffs mit der Brennraum­ladung). Die Verbrennung läuft schnellerunter einerverbesserten Rußoxidation ab.Dabei steigen zunächst die NOx-Emissionenauch in Betriebspunkten mitAGR an. Durchdie verbesserte Verbrennungnimmtaber

Einfl uss de r AGR auf das Verb rennungsgerausch

r; Zielgeräusch

\ zunehmendeVoreinspritzmenge

NOx ­- AGR-Rate

auch die AGR-Verträglichkeit zu, sodassdurch die Einstellung einer höheren AGR­Rate insgesamt ein günstigerer Ruß/Nöy­

Kompromiss erzieltwerden kann.Durch eine Erhöhung des Einspritz­

drucks steigt auch die Einspritzrate wäh­rend der Zündverzugsphase. Dadurcherhöht sich der Anteil dervorgemischtenVerbrennung und das Verbrennungsge­räusch steigt. Zur Kompensation der Ge­räuscherhöhung ist es erforderlich, ent­weder über die Anpassung des Düsen­durchflussesoder über die Abstimmungder Voreinspritz-Charakteristik die wäh­rend des Zündverzugs eingespritzte Kraft­stoffmenge zu kontrollieren.

DerUnit Injectorbietet zusätzlich die Mög­lichkeit, über die Ratenformung des Ein­spritzverlaufs die Einspritzrate währendder Zündverzugsphase zubegrenzen undwährend der Diffusionsverbrennung mitvergleichsweise großer Einspritzrate undhohem Druck einzuspritzen.

Einfluss der VoreinspritzungDie Voreinspritzung dientin erster Liniedazu, das Verbrennungsgeräusch beidirekteinspritzenden Dieselmotoren zukontrollieren. Bei der präzise dosiertenVoreinspritzung wird eine geringe Kraft­stoffmenge (1...4 mme in Abhängigkeitvom Lastpunkt) vor der Haupteinsprit-

Einf luss der AGR auf die Bildung vo n He

Abgasemissionen I Innermotorische Emissionsminderung I 167

zung gegen Ende der Verdichtungsphaseeingespritzt. Dadurch wird eine Vor­konditionierung des Brennraums undsomit ein Druck- und Temperaturanstiegbewirkt, wodurch die Zündverzugszeitder Haupteinspritzungverkürztwird. Diewährenddervorgemischten Verbrennungumgesetzte Kraftstoffmasse wird dadurchreduziert. Diesführt zu einem weicherenVerbrennungsdruckanstieg und somit zueinem abgesenkten Verbrennungsgeräusch(Bild4).

In niedrigeren Teillastpunkten undwäh­rend der Wannlaufphase des Motors wirdmit der Voreinspritzungdurch eine Verbes­serung der Zünd- und Brennbedingungenzusätzlich eine Reduzierung der HC-Emis­sionen erreicht. Durch eine sorgfältigeAbstimmung der Voreinspritzungkönnenneben dem Verbrennungsgeräusch undden HC-Emissionen auch die Ruß- und Nöy­

Emissionengesenktwerden.

Erst die gemeinsame Optimierung derEinzelparameter des Brennverfahrensermöglichtes, die Verbrennung derartzu kontrollieren, dass überverschiedeneDrehzahl-Last-Kombinationen geringsteEmissionen undkomfortable Verbren­nungsgeräusche bei einem günstigen Ver­brauch erzieltwerden.

Einf luss der AGR auf den Zylinderdruck

NOx _----------- AGR-Rate

0-....,....::::~r-====:::::::j

zunehmendeVoreinspritzmenge

'-----------' 0

~

~Q

"wKurbelwinkel (Grad)

Bild 6

ohne Abgas­

rückführung

mit Abgas­

rückführung

168 I Abkürzungen und Sachwortverzeichnis I Abkürzun gen

Abkürzungen

AAG R: Abqaerücktuhunq

ARD: Aktiver Ruckeldämpter

ASR: Antriebsschlupfregelung

AZG: Adaptive Zylindergleichstellung(Mengenausgleichsregelung für Nkw)

B

BI P: Begin of Injection Period (bezeichnet denFörderbeginn)

CCAN: Controller Area Network

CAR B: California Air Resources BoardCCRS: Current Controlled Rate Shaping (strom­

geregelte Einspritzverlaufsformung)

CR: Common Rail

CRS: Common Rail System

DDFPM: Diagnose-Fehlerpfad-Management

DI: Direct Injection (Dieselmotor mit Direkt-

einspritzung)DOC: Diesel Oxidation Catalyst (Diesel-

Oxidationskatalysator)

DPF: DieselpartikelfilterDSCH ED: Diagnose-Funktions-SchedulerDSM: Diagnose-System-Management

DVAL: Diagnose-Validator

EECE: Economic Commission for Europe

(Europäische Wirtschaftskommission derVereinten Nationen)

EDC: Electronic Diesel Control (Elektronische

Dieselregelung)EGS: Elektronische Getriebesteuerung

EKP: Elektrokraftstoffpumpe

ELAB: Elektrisches AbstellventilEOBD: European OBD, europäische On-Board­

DiagnoseEOL: Programmierung: End-Of-Line-Programmie­

rung

EPA: Environmental Protection Agency(US-Umwelt-Bundesbehörde)

EPROM: Erasable Programmable Read Only

Memory (löschbarer programmierbarerNur-Lese-Speicher)

ESI (trcnic): Elektronische Serviceinformation

(Bosch)

ESP: Elektronisches Stabilitätsprogramm

EURO I, 11, 111, IV,V: Abgasnormen der EU

FFG B: Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung, Limiter

FG R: Fahrgeschwindigkeitsregler (auch: Tempo-rnat)

G

G LP: Glow Plug (Oluhstittkerze)

GST: Gestufte StartmengeGZS: Oluhzeitsteuerqerät

HHD: Hochdruck

HDV: Heavy-Duty Vehicle

HE: HaupteinspritzungHG B: HöchstgeschwindigkeitsbegrenzungH-Kat: Hydrolyse-Katalysator

IIC: Integrated Circuit, integrierte Schaltung

IDI: Indirect Injection (Dieselmotor mit indirekter

Einspritzung)

IMA: Injektormengenabgleich

KKW: Kurbelwellenwinkel

LLDR: Ladedruckregelung

LDT: Light-Duty Truck

LLR: Leerlaufregelung

LRR: LaufruheregelungLS F: (Zweipunkt-) Finger-Lambda-SondeLSU: Breitband-Lambda-Sonde Universal

MMAR: MengenausgleichsregelungMI: Main Injection

MI L: Malfunction Indicator Lamp

(Diagnoselampe)

MMA: Mengenmittelwertadaption(Lambda-Regelung)

MV: Magnetventil

NND: NiederdruckNE: Nacheinspritzung

Nkw: Nutzkraftwagen

NSC: NOx Storage Catal yst

NTC: Negative Temperature Coefficient

NW: Nockenwellenwinkel

oOBD: On-Board-Diagnose

OHW: Off-HighwayOT: Oberer Totpunkt (des Kolbens)

p

PDE: Pumpe-Düse-Einheit(= Unit Injector System, UIS)

PF: PartikelfilterPF: Pumpe mit Fremdantrieb, Einzeleinspritzpumpe

PI: Pilot Injection (auch: Voreinspritzung, VE)PLD: Pumpe-leitung-Düse

(= Unit Pump System, UPS)

Pkw: Personenkraftwagen

PSG: Pumpensteuergerat

PTe: Positi ve Temperature Coefficient

PWM: Pulsweitenmodulation

RRAM: Random Access Memory, Schreib-Lese­

SpeicherRZP: Rollenzellenpumpe

SSCR: Selective Catalytic Reduction (selective

katalytische Reduktion)

SE: Sekundärelektronen

Abkürzungen und Sachwortverzeichnis I Abkürzungen I 169

SEFI: Sequentielle EinspritzungSEM: Sekundärelektronenmikroskop5 Re: Smooth Running Control (Mengen­

ausgleichsregelung für Nkw)

uUI: Unit InjectorU15: Unit Injector System

(= Pumpe-Düse-Einheit, PDE)

UI5N: Unit Injector System für Nkw

UP: Unit PumpUP5: Unit Pump System

(= Pumpe-leitung-Düse, PLD)

UT: Unterer Totpunkt (des Kolbens)

VVE: VoreinspritzungVE-Pumpe: Axialkolben-Verteilereinspritzpumpe

VK: VorkammerVR-Pumpe: Radialkolben-VerteilereinspritzpumpeVTG: Variable Turbinengeometrie (Turbolader)

WWK: Wirbelkammer

ZZDR: Zwischendrehzahlregelung

170 I Abkürzungen und Sachwortverzeichnis I Sachwortverzeichnis

Sachwortverzeichnis

AAbgasemission 162

Abgasnachbehandlungssystem 150

Abqasruckfuhrunq (AGR) 70,85,159,

161,165Abqasruckfuhrventil 95

Abschalten 38

Abstellen 151

Adaption 85, 159aktive Ruckeldampfung 80, 148

Aktoren 71

Aktormodul 42

Anzugsstromphase 38

Axialkolben-Verteilereinspritzpumpe103

B

Begrenzungsmenge 81, 149Benzin-Raildrucksensor 55

Betriebszustand 71

BI P-Regelung 100, 151Bremsflussigkeits-Drucksensor 55

Brennraum 60Brennverfahren 164

Busstruktur 93

CCAN (Controller Area Network) 93

CAN-Bus 89, 96, 153

CO 140

CO2 165

Common Rail (CR) 10, 16, 34, 54, 60,70,72,95,106,109

Common Rail für Nkw 21

DDampfblase 69

Diagnose 94

Dichtkegel 66

Dieselkraftstofffilter 25, 138Diesel-Raildrucksensor 55

Dieselregelung (EDC) 74

Drehzahlsensor 156

Druckbegrenzungsventil 57

Druckerzeugung 1 2Druckkompensation 85, 159

Druckregelung 12

Druckregelventil 47, 56

Druckwellenkorrektur 82Düsenqeometne 63Düsenkuppe 62Düsemadel 36

EEDC-Funktion 144

Einspritzdüse 58, 111

Einspritzende 36

Einspritzsystem 165Einspritzventil 90

Einspritzverlaufsformung CCRS 130

Einzeleinspritzpumpe PF 104, 108 f.

Einzelzufuhrung 137Elektrokraftpumpe 16

Elektrokraftstoffpumpe 26

elektronische Dieselregelung (EDC) 11, 53,

70 f., 92, 140f.

Enddrehzahlregelung 78, 146EOBD 97

EPROM 96

FFahrbetrieb 78, 146

Fahrgeschwindigkeit 79

Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung 79,147

Fahrgeschwindigkeitsregelung 79,147

Fahrpedal 89Fahrpedalsensor 95

Fehlererkennung 96

Fehlerspeichereintrag 98

Fehlerspeicherung 96Filtermedien 31

Förderleistung 47

G

Gasblase 69Getriebesteuerung 90

GIUhrelais 74Olohzeitsteuerqerät GZS 92

HH20 165

Haltestromphase 38

Haupteinspritzung 120, 122

Hauptfilter 30HC 140Heißfilm-Luftmassenmesser 158

Hochdruckanschluss 66

Hochdruckbereich 32, 41Hochdruck-Kraftstoffleitung 67

Hochdruckkreis 52

Hochdruckmagnetventil 125 f.

Hochdruckpumpe 11, 45, 50, 53, 109, 111

Hochdruck-Radialkolbenpumpe 45Hochdruckregelung 12, 16

Hochdruckschaltventil 14

Hochdrucksensor 55

Hochdruckspeicher 54

Hochdruckteil 11

Höhenkorrektur 81, 149

Hubschieber-Reiheneinspritzpumpe 103

IInjektor 34

Injektormengenabgleich 82Inkrementwinkel-Lemen 150

Inkrementwinkel-Verschleifen 150

Innenzahnradpumpe 135

innermotorische Emissionsminderung 164

KKavitation 69Kennfeldvariante 36

Kohlenmonoxid (CO) 162

Kohlenwasserstoff (HC) 162

Koppler 42Kraftstoffbehälter 24, 137

Kraftstofffilterung 21

Kraftstoffleitung 25, 137

Kraftstoffpumpe 25 f., 134Kraftstoffrüokführunq 136

Kraftstoffrucklauf 136

Kraftstoffverteilung 137

LLambda-Regelung 84, 86 f., 158, 160Lambda-Sonde 87

Laufruheregelung 80, 148

Leerlaufregelung 78, 146Lochdüse 60

Luftsystem 165

MMagnetventilgesteuerte Verteilereinspritz-

pumpe 104

Magnetventil-Injektor 34 f.

Mehrfacheinspritzung 64

Mengenausgleichsregelung 80

Mengenkennfeld 37Mengenmittelwertadaption 82, 85, 159, 161

Mengenregelung 13

Momentensteuerung 153

Motorbremsfunktion 81 , 149Motorstart 157

Motorsteuergerät 74

Motorsteuerung 90

NNiederdruck 11

Niederdruckbereich 41

Niederdruckkreis 52

Niederdruckrail mit Ventil 42

Abkürzungen und Sachwortverzeichnis I Sachwortverzeich nis I 171

Niederdruckteil 24

Nockenwelle 156Notlauf 157

Notlauffunktion (Limp home) 96

NOx 140,165- Kompromiss 166

- Speicherkatalysatoren 84Nullmengenkalibrierung 82

oOBD I 97OBD 11 97

Offnungsphase 38On-Board-Diagnose 94, 141

p

Paraffin 29

Partikel 163

Partikelanalysesystem (SEM) 33

Partikelfilterung 30, 138Phasensensor 156

Piezoaktor 41Piezo-Effekt 44

Piezo-Inline-Injektor 40, 43

Piezosteller 11Piezo-Stellmodul 40

Pumpenelement 27, 52

RRadialkolbenpumpe 46, 48 ff.

Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe 104

Raildruck 83

Redundanter 157

Regelkreis 88Reiheneinspritzpumpe 102

Reihenkolbenpumpe 53

Resthub 122

Ruß 163Ruß-Kompromiss 166

SSacklochdüse 61 f.

Schadstoffe 162Schwefeldioxid (S02) 163

serielle Datenubertrequnq 93

Sitzlochdose 62

Speichereinspritzsystem 24, 32Spentluqelpumpe 135

Spritzbeginnregelung 150

Spritzdauer 41

Spritzloch 61

Startmenge 78, 146Stellglied-Diagnose 98

Stellglieder 71

Steuergerät 71, 141Stickoxide (NOx) 162

172 I Abkürzungen und Sachwortverzeichnis I Sachwortverzeichnis

Strahlform 63

Synchronisierung 52

TTandempumpe 134

UUnit Injector System UIS 105, 110,

116 f., 124 f., 132

Unit Pump System UPS 105,110,128 f.

Verbrennungsgerausch 166

Verteilerrohr 137

Volilast-Rauchbegrenzung 87, 161

Voreinspritzung 120, 123, 167

Vorfilter 31

Vorförderpumpe 132 f.

Vortriebsmoment 90

WWasserabscheider 31

Wasserabscheidung 30, 138

Werkstatt-Diagnosefunktion 99 f.

ZZahmadkraftstoffpumpe 28

Zahnredpumpe 16 , 135

Zumesseinheit (ZME) 48 f., 51

Zweistellersystem 13

Zwischendrehzahlregelung 79, 147

Zylinderabschaltung 81, 149