Einspritzventile / Injektoren

 

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Einspritzung im Dieselkraftfahrzeug

Durch die Selbstzündeigenschaft des Diesel-Motors wird der Zündbeginn bzw. Verbrennungsbeginn durch Einspritzen von Kraftstoff in den vorverdichteten Brennraum realisiert.

• Einspritzung in den Brennraum kurz vor OT (angesaugte Luft vorverdichtet, dadurch auch erwärmt)

• Kraftstoff muss erst verdampfen und sich mit der komprimierten Luft vermischen (erste Gemischbildung), bevor es zünden kann. (Zündverzug dauert ca. 1ms)
• sollte der Zündverzug mehr als 1ms dauern, kann es zu einer nagelnden oder klopfenden Verbrennung führen (vgl. Klopfen Otto-Motor durch falschen Zündwinkel)
• bei verlängertem Zündverzug sammelt sich unverbrannter Kraftstoff im Brennraum und verbrennt (später) unkontrolliert mit 10- 12facher Brenngeschwindigkeit - erhöhte Belastung des Kurbeltriebs, erhöhte Geräuschentwicklung
   

• durch steigende Hitze im Brennraum und vermischten Kraftstoff beginnt die Verbrennung. Siede-Temperatur (150°C bis 390°C) - Zündtemperatur Diesel: 220° C (Quellen hier, und hier, und hier)
  

• während der Verbrennung wird erneut (dosiert) Kraftstoff eingespritzt. (zweite Gemischbildung/ Vermischung) (dauert ca. 16° - 20° KW, Leerlauf ca. 4° - 5° KW)

• je höher der Lastwunsch/ Leistungsabforderung, desto länger die Einspritzzeit, da Injektoren nicht mengenmäßig (nur bedingt durch bspw. Raildruckerhöhung) sondern nur zeitmäßig (längere Antacktung durch Steuergerät, längere Öffnungszeit) variabel sind in der Förderleistung (daher bis zu 20°KW)

 

Gemisch

20% bis 50% Luftüberschuss im Volllastbereich (Lambda 1,2 bis 1,5)

400% bis 500% ! Luftüberschuss im Leerlauf (Lambda 5 bis 6)

(Sprungsonde hat einen zu kleinen Messbereich, daher muss hier eine Breitbandlambdasonde (misst bis zu Lambda 3) verbaut werden.)

 

 PDE - Pumpe-Düse Einheit (1.Gen. Magnetventil)

Voreinspritzung

• Einspritznocken drückt (mit Rollenschlepphebel) auf den Pumpenkolben
• Kraftstoffdruck wird erhöht
• Kraftstoff wird in den Kraftstoff-Vorlauf gedrück (Spülung/ Kühlung)
• Steuergerät steuert Magnetventil an (über Spannunsknick "BIP" kann Stellung überprüft werden bzw. Einspritzbeginn bestimmt werden)
  
• Verbindung zwischen Hochdruckraum und Kraftstoffzulauf wird unterbrochen
• Krafstoffdruck im Hochdruckraum steigt (durch herunterfahrenden Pumpenkolben)
•  Ab 180 bar ist die Kraft durch den Kraftstoffdruck größer als die Federkraft der Düsennadelfeder
  
•  Feder wird zusammengedrückt, Düsennadel hebt sich aus dem Ventilsitz (Voreinspritzung beginnt)
• Düsennadel fährt gegen ein hydraulik-Polster (Kraftstoff) (1/3 ungedämpft, 2/3 gedämpft)
  
• damit es nicht ungebremst in den Sitz gepresst wird
• um die (Vor-)Einspritzmenge genau zu dosieren
  
•  Pumpenkolben erzeugt so viel Druck, dass der Ausweichkolben nach unten gedrückt wird
• Kraftstoff aus dem Hochdruckraum kann in Richtung Düsennadelfederkammer fließen
• schlagartiger Druckabbau führt zum Schließen der Düsennadel (Ende Voreinspritzung)

 

 Haupteinspritzung

•  Verbindung zwischen Hochdruckraum und Düsenfeder-Kammer sorgt dafür, dass die Federkraft durch die Kraft der Kraftstoffdrucks unterstützt wird
• Druck auf die Düsennadel steigt
• herunterfahrender Pumpenkolben kann einen höheren Druck erzeugen (ca. 300 bar)
• wenn erzeugter Druck 300 bar übersteigt, ist die Kraft des Drucks größer als durch Feder+ unterstützender Kraftstoffdruck
• Düsennadel wird angehoben
• Haupteinspritzung beginnt
• während der Einpritzung steigt Druck auf 2050bar an
• weil Druck durch Pumpenkolben nicht vollständig entweichen kann (sondern nur durch die extremn kleinen Düsenöffnungen)

• Steuergerät steuert Magnetventil nicht mehr an
• Kraftstoff kann aus dem Hochdruckraum in den Kraftstoff-Vorlauf entweichen
• Düsennadel schließt
• Haupteinspritzung ist beendet

 

PDE - mit Piezo (2. Gen. Piezo)

• Piezo-Stapel ("Stack") verbaut
• Piezo Elemente dehnen sich bei anliegender Spannung (100 V - 200 V) um ca. 0,04mm aus
• Piezo-Aktor übersetzt die 0,04mm auf 0,1mm (notwendiger Schaltweg des Ventils)

 

Voreinspritzung

• wie bei Magnetventil
• angesteuertes/ bestromtes Piezo-Ventil schließt (trennt Verbindung zwischen Hochdruckraum und Kraftstoffvorlauf - dadurch Druckaufbau)
  
• Einspritzung beginnt schon bei 130bar (frühere Voreinspritzung, daher auch bis zu 2 Voreinspritzungen möglich)

• Piezo-Ventil (durch Motorsteuergerät angesteuert) öffnet
• Weg zwischen Hochdruck und Kraftstoffvorlauf wird freigegeben
• Druck verringert sich, Düsennadel schließt, Voreinspritzung beendet

 Haupteinspritzung

• wie bei Magnetventil-Injektor
• Kraftstoff im Hochdruckraum unterstützt Federkraft
• Kraftstoff wird durch geschlossenes Rückschlagventil im Hochdruckraum gehalten
• Einspritzdruck steigt auf 2200bar (max Motorleistung)
• Piezo-Ventil öffnet (stellt Verbindnung zum Kraftstoffvorlauf her)
• Druckabbau - schließen der Düsennadel (Ende Haupteinspritzung - sofern keine Nacheinspritzung gewollt ist)
  
• Spülung/ Kühlung des Injektors durch durchfließen des Kraftstoffvorlaufs mit restlichem Kraftstoff
• Abführen des übrigen Kraftstoffs über Leck-Leitung/Rücklaufleitug
  

+ Nacheinspritzung

• meistens 2 Nacheinspritzungen
• zur Regeneration des Partikelfilters
• Ablauf wie Haupteinspritzung
• Einspritzdauer/ -druck deutlich kürzer/geringer

Common-Rail-System

notwendige Bauteile:

• Rail
• Druckregelventil
• Raildrucksensor
• Druckbegrenzungsventil
• Hochdruckpumpe
  

Vorförderpumpe versorgt Hochdruckpumpe mit 3 bar Vorförderdruck. Hochdruckpumpe fördert Hochdruck ins Rail. Druck wird (abhängig von Lastwunsch, Temperatur, Drehzahl, Ladedruck...) durch Druckregelventil (in Hochdruckpumpe) sowie Druckbegrenzungsventil (am Ende des Rails) eingestellt. Überwachung erfolgt durch das Motorsteuergerät mit Hilfe des Raildrucksensors.

Vorteile des Rail-Systems:

• Pulsierende Druckschwingungen durch (Hochdruck-)Pumpenförderung wird verringert. Rail wirkt wie ein hydraulischer Dämpfer.

• Rail hält immer einen Speicherdruck zur Verfügung - Einspritzdruck bleibt konstant

 

Raildrücke:

Leerlauf ca. 250 bar

Volllast bis zu 1350 bar (1. Gen.) bzw. 2200bar (2. Gen.)

Injektor (Magnetventil)

Magnetventil (-anker) verschließt die Ablaufdrossel durch Federkraft, welche im Ruhezustand auf diesen wirkt.

Bei Ansteuerung durch Motorsteuergerät wird ein relativ hoher Anzugstrom (20 A) aufgewendet, um Magnetventil entgegen der Federkraft zu öffnen.

Ablaufdrossel wird geöffnet. 

Magnetventil wird offen gehalten. (Haltestrom 12 A)

Druck oberhalb der Düsennadel sinkt. Der Druck unter der Düsennadel ist aber immer noch mit Raildruck beaufschlagt. Düsennadel wird durch den Raildruck (und den jetzt fehlenden Gegendruck oberhalb) angehoben (entgegen der Düsennadel-Feder-Kraft).

Einpritzung beginnt.

Sobald das Magnetventil nicht mehr angesteuert wird, drückt die Feder das Magnetventil nach unten und verschließt mit einer Kugel die Ablaufdrossel.

Der Druck oberhalb der Düsennadel steigt (durch verschlossene Drossel) wieder an. Druck unterstützt die Düsennadel-Feder-Kraft und die Düsennadel fährt wieder in ihren Sitz und beendet die Einspritzung.

 

Injektor (Piezo)

Vom Aufbau bis auf Austausch des Magnetventils gegen einen Piezo-Aktor eigentlich gleich.

Vorteil:

• bis zu 4x schnellere Schaltzeit (vgl. Magnetventil)
• in etwa 75% geringere Masse (bauartbedingt)

folglich: Reduzierung der Abgasgrenzwerte, mehrere Einspritzungen möglich, genauere Dosierung der Einspritzmenge

 Nachteil:

• (hohe Spannung von 110 - 148 V zur Ansteuerung des Piezo-Aktors muss vom Steuergerät erzeugt werden)
  
• in Rücklaufleitung muss ein Druck von ca. 10 bar gehalten werden, um Frei-Schwingen des Kopplermoduls zu verhindern

Kopplermodul: mechanisch - hydraulischer Übersetzer (übersetzt Druck sowie Wegstrecke zur Ansteuerung des Rücklaufventils des Piezo-Injektors)

Übersetzt den mechanischen Weg des Aktors mit Hilfe eines hydraulischen Kolbens in (Kraftstoff-) Druck. Dieser wird benötigt, um das Schaltventil zu öffnen.

Großer Koppler-Kolben wirkt auf kleine Schaltventilöffnung - hydraulische Übersetzung (vgl. Bremssystem: Tandemhauptbremszylinder - Kolbengröße und Kolbenweg im Verhältnis zu Kolbengröße und -weg innerhalb des Bremssattels)