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Diesel  

Das Common Rail System (CR, CRE, CRI, CRS)

Beschreibung des Aufbaus und der Funktion des Common Diesel Direkt Einspritzsystems

Kurze Geschichte des Common Rail Diesel Systems

Common-Rail wurde von einem Forschungsunternehmen der Fiat-Gruppe namens Elasis in Neapel entwickelt. 1993 hatten sie den Prototyp ihrer neuen Einspritzung fertig. Probleme mit den Toleranzen der Injektoren vereitelten jedoch eine geplante Serienfertigung.

Bosch kaufte Ende 1993 die Patente und entwickelte das Common-Rail-System zur Serienreife weiter. Fiat durfte als 1. im Oktober 1997, mit dem zur Fiat-Gruppe gehörenden Alfa 156, mit der Common-Rail auf den Markt kommen.

Mercedes führte 1998 mit dem 220 CDI als deutscher Hersteller das neue System ein.

 HDI Common Rail Peugeot
Common Rail System von Peugeot (HDi) Gut zu erkennen: Die Hochdruckpumpe, die Rail und die Injektoren

Einspritzung beim Common Rail Diesel System

Der Einspritzzeitpunkt und die Kraftstoffmenge werden zylinderindividuell (ähnlich der Motronic) berechnet und über schnell schaltende Magnetventile (Injektoren) eingespritzt.

Diese Technik ermöglicht einen günstigen Kraftstoffverbrauch und niedrige Abgas-Emissionen.

Die Einspritzung wird in drei Gruppen unterteilt:

  • Voreinspritzung, für einen ruhigen Motorlauf
  • Haupteinspritzung, für einen guten Drehmomentverlauf
  • Nacheinspritzung,  für einen geringen NOx- Wert .

Im Gegensatz zur Vor- und Haupteinspritzung wird der Kraftstoff bei der Nacheinspritzung nicht verbrannt, sondern durch Restwärme im Zylinder verdampft. Dieses angereicherte Abgas-Kraftstoffgemisch wird im Ausstoßtakt über die Auslassventile zur Abgasanlage gebracht. Der Kraftstoff im Abgas dient in geeigneten NOx Katalysatoren als Reduktionsmittel für das Stickoxid (siehe Diesel Abgas).

Diesel Bauteile Common Rail

Hochruckpumpe und Piezo Injektor (Modell 2014) Bild Bosch

Video Common Rail System von Bosch


Das Common Rail System, eine Innovation von Bosch, steht für den sauberen, sparsamen und starken Dieselmotor unserer Zeit und ist heute praktisch Standard in allen Diesel-Pkw weltweit. Die Entkopplung von Druckerzeugung und Einspritzung revolutionierte den Dieselmotor. Sie ermöglichte, den Kraftstoff permanent mit einem im Kennfeld wählbaren Druck zur Einspritzung bereitzuhalten, deren Beginn und Dauer präzise zu steuern sowie in Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung zu unterteilen.

Die Common Rail Hochdruckpumpe

Es kommen meist Drei-Kolbenpumpen mit einem zentralen Exzenter zum Einsatz (siehe Bild). Diese werden bei verschiedenen Herstellern mit Elementabschaltung versehen um Kraftstoff zu sparen oder bei Überhitzung des Rücklaufes die Leistung zu reduzieren. Seit kurzem werden von der Firma  Delphi auch Zweischeiben-Radialkolben-Pumpen verwendet. Diese erzeugen Hochdruck wie die VR-Pumpe von Bosch.

Funktion bei Audi:

Die Antriebswelle mit ihrem Exzenternocken bewegt die Pumpenkolben der drei Pumpenelemente sinusförmig auf und ab. Die Zahnradpumpe drückt Kraftstoff durch die Drosselbohrung des Magnetventils für Kraftstoffdosierung N290 in den Kraftstoffbereitstellungsraum bzw. den Schmier- und Kühlkreislauf der Hochdruckpumpe.

Überschreitet der Förderdruck den Öffnungsdruck des Sicherheitsventils (0,5 … 1,5 bar), kann die Zahnradpumpe Kraftstoff durch die Einlassventile in die Pumpenelemente drücken, bei denen sich der Kolben nach unten bewegt (Saughub). Wird der untere Totpunkt eines Kolbens überschritten, schließt das Einlassventil wegen des Druckabfalls. Der Kraftstoff im Pumpenelement kann nicht mehr entweichen. Er kann nun über den Förderdruck der Zahnradpumpe hinaus komprimiert werden. Der sich aufbauende Druck öffnet das Auslassventil beim Überschreiten des sich im Rail befindlichen Druckes. Der komprimierte Kraftstoff gelangt in den Hochdruckkreis. Das Pumpenelement fördert solange Kraftstoff, bis der obere Totpunkt erreicht wird (Förderhub).

Weil der Hochdruck im Rail quasi auf Vorrat erzeugt wird, kann der Pumpenexzenter im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen auf langsamen Druckanstieg ausgelegt werden. Die Drehmomentspitzen betragen deshalb etwa 1/10 der Einspritzpumpen. Entsprechend kann die Belastung des Pumpenantriebs verringert werden. Sowohl die Förderpumpe, als auch die Hochdruckpumpe müssen in der Förderleistung überdimensioniert sein, damit sowohl beim Start, als auch beim Übergang auf Volllast ein schneller Druckaufbau möglich ist. Es werden nur ca. 30% der geförderten Hochdruckmenge eingespritzt. Weil die Restmenge aus hohen Drücken in den Rücklauf geht, können dort bei geringen Kraftstoffmengen im Tank Kraftstofftemperaturen bis 140°C auftreten. Deshalb werden  bei den meisten Fahrzeugen mit CR-Systemen Kraftstoffkühler im Rücklauf verbaut, die die Temperaturen auf ca. 80°C absenken. CR Pumpe Audi

CR Pumpe Audi

Raildruckregelung der Common Rail

 

Der Raildruck wird vom Druckregelventil eingeregelt und vom Raildrucksensor überwacht.

Das Kugelventil wird im Ruhezustand von einer Feder auf seinen Sitz gedrückt. Die Federkraft hält die Kugel bis ca. 100 bar auf seinem Sitz. Zur Erzeugung höherer Drücke wird die Federkraft durch einen Elektromagneten mit getaktetem Gleichstrom unterstützt. Durch Veränderung des Tastverhältnisses kann vom Steuergerät jeder gewünschte Druck von ca. 250 bar im Leerlauf bis 1.350 bar bzw. 1.600 bar bei der 2.Generation erzeugt werden. Bei stromlosem Magnetventil springt der Motor nicht an. Ein niedrigerer Einspritzdruck führt zu einer Verlängerung der Spritzdauer und zu einer weicheren Verbrennung, was bei niedrigen Drehzahlen und kleinen Einspritzmengen zu einem ruhigen Motorlauf beiträgt. Bei hohen Drehzahlen und großen Einspritzmengen muss wegen der kürzeren Zeit und zur Absenkung des Partikelausstoßes der Einspritzdruck erhöht werden. CR Druckregelventil

CR Druckregelventil Audi

Piezo Düse

Piezo Düse mit Strahlbildern

Injektor der Common Rail


(zum detaillierten Bericht über den Injektor)
Mit dem CRS3-25 Common-Rail-System (großes Bild oben) stellt Bosch seinen ersten Piezo-Injektor für Pkw vor, der mit einem Druck von 2.500 bar arbeitet. Durch die optimierte Einspritzung wird der Kraftstoff noch feiner zerstäubt und kann besser verbrennen. Das führt unter anderem dazu, dass der Verbrauch sinkt.
Die Injektoren sind durch Hochdruckleitungen mit dem Druckspeicher verbunden. Im Injektor werden über ein Ventil der Einspritzbeginn und das Spritzende der Düse festgelegt. Die Betätigungskräfte zum Öffnen und Schließen des Ventils werden von einem Elektromagneten erzeugt.

AUDI 3,3 l V8 CR TDI
Technische Daten

Anzugsstrom > 20 A max. 300 µs
Ansteuerung bis maximal 80 Volt
Druckbereich 120 … 1350 bar
Ø der Spritzlöcher der Einspritzdüse 6 x 0,15 mm

Benennung

1 – Düsenfeder
2 – Ventilsteuerraum
3 – Ablaufdrossel
4 – Magnetventilanker
5 – Kraftstoffrücklauf - zum Tank
6 – elektrischer Anschluß Magnetventil
7 – Magnetventil
8 – Kraftstoffzulauf - Hochdruck vom Rail
9 – Ventilkugel
10 – Zulaufdrossel
11 – Ventilsteuerkolben
12 – Zulaufkanal zur Düse
13 – Kammervolumen
14 – Düsennadel

In der zweiten Common-Rail-Generation mit 1600 bar Einspritzdruck werden neben den bisherigen Injektoren mit Magnetventilen, so genannte Piezosteller (Siemens, Bosch) eingeführt werden. Diese versprechen noch schnellere Schaltzeiten. Statt des Elektromagneten wird zur Ventilbetätigung ein Piezoelement eingesetzt, welches durch eine 3x kürzere Ansprechzeit Vorteile bringt. Für den Piezo-Injektor wird ein Piezopaket von 350 übereinander gestapelten Keramikschichten verwendet. Jede einzelne Schicht wird durch eine Steuerspannung von 45V, die durch Elektronik aus dem Bordnetz erzeugt wird um 0,11 Mikrometer, also um 0,00011mm gestreckt, so dass sich das 7x7x30mm große Piezopaket um insgesamt 40 Mikrometer also um 0,04 mm ausdehnt. Dies genügt um die Ventilnadel des Einspritzventils zu öffnen. Von Bosch wurde das Piezopaket in den die Düse integriert und wird deshalb auch als Inline-Injektor bezeichnet.

Piezo Düse Siemens

Siemens Piezodüse

Common Rail 3.Generation Audi A8 V6 3.0
Common Rail 3. Generation von Bosch im AUDI A8 V6 3.0 mit Piezo-Inline-Injektoren

Damit wird der Diesel, noch strengere Abgasnormen erfüllen können. Außerdem wird er noch sparsamer und wirtschaftlicher werden. Die dritte Generation soll ab 2004 mit Drücken bis 1800 bar arbeiten.

Der erste Piezoinjektor wurde von Siemens VDO erfunden und 2002 im Peugeot 307 erstmals in Serie eingesetzt.

Common-Rail bei PSA Peugeot/Citroen:

Common Rail Die Gemischaufbereitung erfolgt über eine elektronisch gesteuerte Hochdruckpumpe und das Common-Rail-System, wobei Einspritzdüsen mit elektrohydraulisch (Bosch) oder piezoelektrisch (Siemens) angesteuertem Steuerkopf zum Einsatz kommen.

Das Common-Rail-System, das bei allen Turbodiesel-Direkteinspritzern von Peugeot verwendet wird, erlaubt in dieser neuen Anwendung hohe Einspritzdrücke von bis zu 1500 bar.
Der Kolben hat eine Strömungsmulde für die Verwirbelung der angesaugten Luft  und eine Kraftstoffmulde für die Einspritzung

Der Hochdruck wird von einer Hochdruckpumpe in Radialausführung erzeugt. Ein Druckregelventil sorgt für einen betriebspunktabhängigen, vorgegebenen Druck im Hochdruckkreis. Die elektronische Motorsteuerung regelt den Einspritzdruck je nach Drehzahl und Last des Triebwerks. Sensordaten von Kurbelwelle (Motordrehzahl und Winkelstellung) und Nockenwelle (Position 1. Zylinder in der Verdichtungsphase) dienen dem elektronischen Steuergerät des Motors als Basis für eine präzise und bedarfsgerechte Einstellung des jeweiligen Einspritzdrucks. Temperaturfühler informieren über Motor-, Luft- und Kraftstofftemperatur. U.a. kann damit der Raildruck beeinflusst werden. Der Beschleunigungswunsch des Fahrers wird per Fahrpedalsensor (E-Gas) ermittelt.

Der Mikro-Computer steuert die Öffnungsdauer der Ventile - und damit die Menge des eingespritzten Kraftstoffs - variabel je nach Betriebszustand oder Leistungsbedarf. Schließt die Motorsteuerung die Magnetventile, ist die Kraftstoffeinspritzung sofort wieder beendet.

Common Rail BMW
DDE 5.0 Bosch im BMW
1 = Hochdruckpumpe, 2 = Mengenregelventil, 3 = Raildrucksensor, 4 = Druckregelventil, 5 = Hochdruckspeicher, 6 = Injektor, 7 = Nockenwellensensor, 8 = Heißfilmluftmassensensor, 9 = Kraftstofffilter, 10 = Ladedrucksensor, 11 = Zusatzförderpumpe, 12 = Bi-Metallventil,  13 = Kühlmittelsensor, 14 = Ansteuerung Abgasturbolader, 15 = Rücklaufdrossel, 16 = Kurbelwellensenor,  17 = Unterdruckverteiler, 18 = AGR-Druckwandler, 19 = Unterdruckspeicher, 20 = Kraftstofftank, 21 = elektrische Kraftstoffpumpe, 22 = Batterie, 23 = E-Gas

Die Vorteile der Common-Rail

 
  • Einspritzmenge und -zeitpunkt werden über das Magnetventil gesteuert
  • innerhalb des Kennfeldes frei wählbarer Einspritzdruck
  • hohes Druckangebot bei niedrigen Drehzahlen
  • flexibler Einspritzbeginn mit Vor-, Haupt und Nacheinspritzung
  • leichte Anpassung an die Gegebenheiten des Motors
  • durch Piloteinspritzung sanfter Druckanstieg und weichere Verbrennung (Nageln geringer) sowie besseres Abgas durch gründlichere Verbrennung

Sicherer Umgang mit den Common-Rail-Drücken

  • Bei laufendem Motor dürfen grundsätzlich keine Hochdruckleitungen gelöst werden. 
  • Ist beim Common Rail das Öffnen des Hochdruck-Kreislaufs erforderlich, müssen nach dem Abstellen des Motors Wartezeiten zum Abbau des Systemdrucks eingehalten werden. Bosch empfiehlt bei Common-Rail-Systemen der ersten Generation mit druckgeregelter Hochdruckpumpe mindestens 30 Sekunden zu warten. Neuere Speichereinspritzsysteme der zweiten Generation mit mengengeregelter Hochdruckpumpe stehen sogar bis zu fünf Minuten nach dem Abstellen des Motors noch unter Hochdruck.
  • Vor Prüfungen am laufenden Motor (Stellgliedtest, Ist-Werte-Abfrage) empfiehlt Bosch immer eine genaue Sichtprüfung aller Hochdruck führenden Teile. Leckagen deuten auf mögliche Gefahrenquellen für den Monteur hin. 
  • Auch wenn keine Undichtigkeiten am Hochdrucksystem zu erkennen sind, sollte der Werkstattfachmann bei Prüfungen am laufenden Motor den unmittelbaren Gefahrenbereich meiden.
Von der Düse zum Injektor  
 

Quellen: Audi, Bosch, Mercedes, Peugeot, BMW, Siemens, BBZ München Oberbayern, Wolfgang Diertl, diverse


Autor: Johannes Wiesinger
bearbeitet: 06.09.2015

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