Dieselmotor-Management im Überblick

Kein anderer Verbrennungsmotor wird so vielfältig eingesetzt wie der Dieselmotor. Dies ist vor allem auf seinen hohen Wirkungsgrad und der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit zurückzuführen.

Der Dieselmotor ist ein Selbstzündungsmotor mit innerer Gemischbildung. Die für die Verbrennung benötigte Luft wird im Brennraum hoch verdichtet. Dabei entstehen hohe Temperaturen, bei denen sich der eingespritzte Dieselkraftstoff selbst ent zündet. Die im Dieselkraftstoff enthaltene chemische Energie wird vom Dieselmotor über Wärme in mechanische Arbeit um gesetzt.

Dieselkraftstoffe werden durch stufenweise Destillation aus Rohöl gewonnen. Sie be stehen aus einer Vielzahl einzelner Kohlenwasserstoffe, die etwa zwischen 180 °C und 370 °C sieden. Dieselkraftstoff zündet im Mittel mit ca. 350 °C (untere Grenze 220 °C) im Vergleich zum Ottokraftstoff (im Mittel 500 °C) sehr früh.

Beim Dieselmotor ist neben der eingespritzten Kraftstoffmasse die zugeführte Luftmasse eine entscheidende Größe für das abgegebene Drehmoment und damit für die Leistung sowie für die Abgas zusammen setzung. Deshalb kommt neben dem Einspritzsystem auch den Systemen, die die Zylinderfüllung 1) beeinflussen, eine besondere Bedeutung zu. Diese Systeme zur Füllungssteuerung reinigen die Ansaugluft und beeinflussen die Bewegung, die Dichte und die Zusammensetzung (z. B. den Sauerstoffanteil) der Zylinderfüllung.

Die Verbrennungsvorgänge im Dieselmotor – und damit die Motorleistung, der Kraftstoffverbrauch, die Abgaszusammensetzung und das Verbrennungsgeräusch – hängen in entscheidendem Maße von der Aufbereitung des Luft- Kraftstoff-Gemischs ab.

Das Einspritzsystem spritzt den Kraftstoff unter hohem Druck, zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Menge in den Brennraum ein. Wesentliche Komponenten des Einspritz systems sind die Einspritzpumpe, die den Hochdruck erzeugt, sowie die Einspritz düsen, die – außer beim Unit Injector System – über Hochdruckleitungen mit der Einspritzpumpe verbunden sind. Die Einspritz düsen ragen in den Brennraum der einzelnen Zylinder.

Kein anderes Einspritzsystem wird so vielseitig verwendet wie die Reiheneinspritzpumpen – der „Klassiker der Dieseleinspritztechnik“. Dieses System wurde ständig weiterentwickelt und an das entsprechende Einsatzgebiet angepasst. Deshalb werden auch heute noch zahlreiche Varianten eingesetzt. Die besondere Stärke dieser Pumpen ist ihre Robustheit und Wartungsfreundlichkeit.

Die Verbrennungsvorgänge im Dieselmotor hängen in entscheidendem Maße davon ab, wie der Kraftstoff von der Einspritzanlage aufbereitet wird. Die Einspritzpumpe spielt hierbei eine wesentliche Rolle. Sie erzeugt den zum Einspritzen benötigten Druck. Der Kraftstoff wird über Hochdruckleitungen zu den Einspritzdüsen gefördert und in den Brennraum eingespritzt. Kleine, schnell laufende Dieselmotoren erfordern eine Einspritzanlage mit hoher Leistungsfähigkeit, schnellen Einspritzfolgen, geringem Gewicht und kleinem Einbau volumen. Die Verteilereinspritzpumpen erfüllen diese Forderungen. Sie bestehen aus einem kleinen, kompakten Aggregat, das Förderpumpe, Hochdruckpumpe und Regelung umfasst.

Dieselmotoren mit Einzelzylinder-Systemen haben für jeden Motorzylinder eine Einspritzeinheit. Diese Einspritzeinheiten lassen sich gut an den entsprechenden Motor anpassen. Die kurzen Einspritzleitungen ermöglichen ein besonders gutes Einspritzverhalten und die höchsten Einspritzdrücke.

Die Anforderungen an die Einspritzsysteme des Dieselmotors steigen ständig. Höhere Drücke, schnellere Schaltzeiten und eine flexible Anpassung des Einspritzverlaufs an den Betriebszustand des Motors machen den Dieselmotor sparsam, sauber und leistungsstark. So haben Dieselmotoren auch den Einzug in die automobile Oberklasse gefunden.

Die elektronische Steuerung des Dieselmotors erlaubt eine exakte und differenzierte Gestaltung der Einspritzgrößen. Nur so können die vielen Anforderungen erfüllt werden, die an einen modernen Dieselmotor gestellt werden. Die „Elektronische Dieselregelung“ EDC (Electronic Diesel Control) wird in die drei Systemblöcke „Sensoren und Sollwertgeber“, „Steuergerät“ und „Stellglieder (Aktoren)“ unterteilt.

Warme Vor- und Wirbelkammer-Dieselmotoren und Direkteinspritzmotoren (DI) starten bei niedrigen Außentemperaturen bis ≥ 0 °C spontan. Hier wird die Selbstentzündungs temperatur für Dieselkraftstoff von 250 °C beim Start mit der Anlassdrehzahl erreicht. Kalte Vor- und Wirbelkammermotoren benötigen bei Umgebungstemperaturen < 40 °C bzw. < 20 °C eine Starthilfe, DI-Motoren erst unterhalb 0 °C.

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

Düsenhalter bilden zusammen mit den dazugehörigen Einspritzdüsen die Düsenhalterkombination (DHK). Für jeden Motorzylinder ist je eineDüsenhalterkombination im Zylinderkopf eingebaut (Bild 1). Sie sind ein wichtiger Bestandteil des Einspritzsystems und beeinflussen die Motorleistung, das Abgas- und das Geräuschverhalten wesentlich. Damit sie ihre Aufgaben optimal erfüllen, müssen sie durch unterschiedliche Ausführungen an den Motor angepasst sein.

Bisher wurde die Emissionsminderung beim Dieselmotor vorwiegend durch inner motorische Maßnahmen bewirkt. Bei vielen Diesel-Fahrzeugen werden die vom Motor freigesetzten Emissionen (Rohemissionen) jedoch die zukünftig in Europa, den USA und Japan geltenden Emissionsgrenzwerte überschreiten. Die erforderlichen hohen Minderungsraten lassen sich voraussichtlich nur durch eine effiziente Kombination von innermotorischen und nachmotorischen Maßnahmen erreichen. Analog zur bewährten Vorgehensweise bei Benzinfahrzeugen werden deshalb auch für Dieselfahrzeuge verstärkt Systeme zur Abgas - nachbehandlung (nachmotorische Emis sions minderung) entwickelt.

Bei der Verbrennung des Luft-Kraftstoff- Gemischs entstehen als Nebenprodukt überwiegend die Schadstoffe NOX, Ruß, CO und HC. Die Menge dieser Schadstoffe, die im Rohabgas (Abgas nach der Verbrennung vor der Abgasreinigung) enthalten ist, hängt stark vom Motorbetrieb ab. Neben der Brennraumform und dem Luftpfad (Aufladung, Abgasrückführung, Drallsteuerung) besitzt das Einspritzsystem eine Schlüsselfunktion bei der Emissionsminderung.

Mit dem zunehmenden Energieverbrauch, der vor allem durch fossile Brennstoffe gedeckt wird, ist die Luftverschmutzung zu einem schwerwiegenden Problem geworden. Die Qualität unserer Atemluft ist von vielen Einflussgrößen abhängig. Neben den Emissionen von Industrie,Haushalten und Kraftwerken sind auch die Emissionen aus dem Straßenverkehr von großer Bedeutung. Sie betragen in Industrienationen ca. 20% der Gesamtemissionen.

Vorreiter im Bestreben, die von den Kraftfahrzeugen verursachten Schadstoffemissionen gesetzlich zu begrenzen, war der US-Bundesstaat Kalifornien. Anlass dazu war nicht zuletzt, dass in der Großstadt Los Angeles aufgrund der geografischen Lage die Abgase nicht vom Wind weggetragen wurden, sondern wie eine Dunstglocke über der Stadt liegen blieben. Die dadurch hervorgerufene Smogbildung wirkte sich negativ auf die Gesundheit der Bevölkerung aus und führte auch zu massiven Sichtbehinderungen.

Im Rahmen der Typprüfung zur Erlangung der allgemeinen Betriebserlaubnis von Pkw und leichten Nkw wird die Abgasprüfung am Fahrzeug auf Rollenprüfständen durchgeführt. Die Prüfung unterscheidet sich damit von Abgasprüfungen, die z.B. im Rahmen der Feldüberwachung mit Werkstatt- Messgeräten durchgeführt werden.

Die Zunahme der Elektronik im Kraftfahrzeug, die Nutzung von Software zur Steuerung des Fahrzeugs und die erhöhte Komplexität moderner Einspritzsysteme stellen hohe Anforderungen an das Diagnosekonzept, die Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) und die Werkstattdiagnose (Bild 1). Basis der Werkstattdiagnose ist die geführte Fehlersuche, die verschiedene Möglichkeiten von Onboard- und Offboard-Prüfmethoden und Prüfgeräten verknüpft. Im Zuge der Verschärfung der Abgasgesetzgebung und der Forderung nach laufender Überwachung hat auch der Gesetzgeber die On-Board-Diagnose als Hilfsmittel zur Abgasüberwachung erkannt und eine herstellerunabhängige Standardisierung geschaffen. Dieses zusätzlich installierte System wird OBD-System (On Board Diagnostic System) genannt.