| Diesel | Technik |
Das Common Rail
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Kurz zur Geschichte:
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.
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Common Rail System von Peugeot (HDi) Gut zu erkennen: Die Hochdruckpumpe, die Rail und die Injektoren |
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"Common Rail" bedeutet wörtlich übersetzt "gemeinsame Leitung". Das Common-Rail-System wird auch als Speichereinspritzsystem bezeichnet. Die Druckerzeugung und die Kraftstoffeinspritzung sind beim Common-Rail-System voneinander getrennt (entkoppelt). Eine separate Hochdruckpumpe erzeugt kontinuierlich Druck. Anders ausgedrückt: Während herkömmliche Diesel-Direkteinspritzer den Kraftstoffdruck für jeden Einspritzvorgang aufs neue erzeugen, wird er beim Common-Rail-System unabhängig von der Einspritzfolge aufgebaut und steht in der Kraftstoffleitung permanent zur Verfügung. Der Druck wird in der so genannten Rail (= Schiene, Leitung) gespeichert und über kurze Einspritzleitungen den Injektoren einer Zylinderbank zur Verfügung gestellt (siehe Bild oben). Durch den ständig anstehenden hohen Druck von maximal 1.350 bar (1.600 bar 2. Generation) lässt sich ein sehr genauer Einspritzverlauf erzielen (siehe Diagramm). Diagramm Druckvergleich der Systeme, blau = CR, rot = PD, grün = VE |
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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:
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 DieselAbgas). |
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| Die Hochdruckpumpe: | ||||
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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).
CR Pumpe Audi
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Raildruckregelung |
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Der Raildruck wird vom Druckregelventil eingeregelt und vom Raildrucksensor überwacht. CR Druckregelventil Audi
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.
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| Injektor (siehe Bericht über den Injektor) | ||||
| 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 1
– Düsenfeder |
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Siemens Piezodüse |
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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.
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.
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| Common-Rail bei PSA Peugeot/Citroen: | ||||
 (Bilder Peugeot) |
 Der Kolben hat eine Strömungsmulde für die Verwirbelung der angesaugten Luft und eine Kraftstoffmulde für die Einspritzung |
 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. |
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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.
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DDE 5.0 Bosch im BMW |
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| 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
Ein weiteres Common Rail Systembild
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| Die Vorteile der Common-Rail: | ||||
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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.
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Quellen: Audi, Bosch, Mercedes
Wiesinger
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