Dieselmotor-Management

Kein anderer Verbrennungsmotor wird so vielfältig eingesetzt wie der Dieselmotor1). 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 entzündet. Die im Dieselkraftstoff enthaltene chemische Energie wird vom Dieselmotor über Wärme in mechanische Arbeit umgesetzt.

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 Abgaszusammensetzung. Deshalb kommt neben dem Einspritzsystem auch den Systemen, die die Zylinderfüllung1) 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 hängen in entscheidendem Maße davon ab, wie der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Die wichtigsten Kriterien sind hierbei: der Zeitpunkt und die Zeitdauer der Einspritzung, die Zerstäubung und Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum, der Zeitpunkt des Verbrennungsbeginns, die zugeführte Kraftstoffmasse je Grad Kurbelwellenwinkel und die Gesamtmenge des zugefuhrten Kraftstoffs entsprechend der Motorbelastung. Für die einwandfreie Funktion des Dieselmotors und des Einspritzsystems muss das Zusammenspiel aller Einflussgrößen optimiert sein.

Dieselmotoren zeichnen sich durch ihre hohe Wirtschaftlichkeit aus. Seit dem Produktionsbeginn der ersten Serien-Einspritzpumpe von Bosch im Jahre 1927 wurden die Einspritzsysteme ständig weiterentwickelt.

Die Kraftstoffversorgung hat die Aufgabe, den benötigten Kraftstoff zu speichern, zu filtern und der Einspritzanlage bei allen Betriebsbedingungen einen bestimmten Versorgungsdruck zur Verfügung zu stellen. Bei einigen Anwendungen wird der Kraftstoffrücklauf zusätzlich gekühlt.

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 Kraftstoff-Vorförderpumpe versorgt die Reiheneinspritzpumpe unter allen Betriebsbedingungen mit ausreichend Dieselkraftstoff. Außerdem „spült“ sie die Einspritzpumpe mit Kraftstoff zur Kühlung, indem der Kraftstoff Wärme aufnimmt und über das Überströmventil in den Kraftstoffbehälter zurückfließt. Neben den hier beschriebenen Vorförderpumpen werden auch Vorförderpumpen für Vielstoffbetrieb sowie Elektrokraftstoffpumpen eingesetzt. Bei einigen wenigen Anwendungen kann die Reiheneinspritzpumpe ohne Vorförderpumpe im „Falltankbetrieb“ versorgt werden.

Reiheneinspritzpumpen zählen zu den Klassikern der Dieseleinspritztechnik. Seit 1927 bringen diese zuverlässigen Einspritzpumpen den Dieselmotor in Schwung. Dabei sind sie ständig weiterentwickelt und an das entsprechende Einsatzgebiet angepasst worden. Reiheneinspritzpumpen sind für den Einsatz in Stationärmotoren, Nkw sowie Bau- und Landmaschinen vorgesehen. Sie ermöglichen hohe Zylinderleistungen bei Dieselmotoren von 2... 12 Zylindern. In Verbindung Drehzahlregler, Spritzversteller und verschiedene Zusatzkomponenten bietet die Reiheneinspritzpumpe ein großes Maß an Flexibilität. Reiheneinspritzpumpen für Pkw werden heute nicht mehr produziert.

Die Diesel-Einspritzpumpe muss dem Motor bei unterschiedlichen Belastungen und unterschiedlichen Betriebsbedingungen und Betriebszuständen immer die richtige Kraftstoffmenge zum richtigen Zeitpunkt zumessen. Auch bei einer festen Regelstangenstellung würde der Motor seine Drehzahl nicht genau beibehalten. Für den Betrieb der Reiheneinspritzpumpe ist deshalb entweder ein mechanischer Fliehkraftregler oder ein elektronischer Regler erforderlich.

Der Verminderung der Schadstoffe im Abgas wird bei Nutzfahrzeugen wachsende Aufmerksamkeit beigemessen. Bei Nkw-Dieselmotoren leisten hierzu hoher Einspritzdruck und optimaler Spritzbeginn einen wesentlichen Beitrag, was zur Entwicklung einer neuen Generation von Hochdruck-Reiheneinspritzpumpen führte: der Hubschieber-Reiheneinspritzpumpe (Bild 1). Sie kann neben der Einspritzmenge auch den Einspritzbeginn unabhängig von der Motordrehzahl verändern. Damit hat sie gegenüber der Standard-Reiheneinspritzpumpe einen zusätzlichen Freiheitsgrad. Hubschieber-Reiheneinspritzpumpen werden ausschließlich elektronisch geregelt.

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 Einbauvolumen. Die Verteilereinspritzpumpen erfüllen diese Forderungen. Sie bestehen aus einem kleinen, kompakten Aggregat, das Förderpumpe, Hochdruckpumpe und Regelung umfasst.

Kantengesteuerte Verteilereinspritzpumpen sind ausschließlich Axialkolbenpumpen. Sie haben nur ein Hochdruckelement für alle Motorzylinder. Steuerkanten, Bohrungen und Schieber verändern die Einspritzmenge. Ein hydraulischer Spritzversteller passt den Einspritzzeitpunkt an. Die Regelung erfolgt über mechanische Aufschaltgruppen oder über ein elektrisches Stellwerk (siehe Kapitel „Aufschaltgruppen für Verteilereinspritzpumpen“). Diese Einspritzpumpenbauart zeichnet sich durch ihre Wartungsfreundlichkeit, ihr geringes Gewicht und das kleine Einbauvolumen aus.

Die Aufschaltgruppen für die Axialkolben-Verteilereinspritzpumpen regeln den Förderbeginn und die Kraftstoffmenge, die in den Brennraum eingespritzt wird. Aufschaltgruppen bestehen aus mechanischen Reglern oder Stellern. Sie ermöglichen eine exakte Anpassung an alle Betriebszustände des Motors (z. B. Last, Drehzahl, Ladedruck). Bei Verteilereinspritzpumpen mit Elektronischer Dieselregelung EDC ersetzt ein elektrisches Stellwerk die mechanischen Aufschaltgruppen.

Immer strengere Emissionsgrenzen für Dieselmotoren und die Forderung nach einer weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führten zur Weiterentwicklung der elektronisch geregelten Verteilereinspritzpumpe. Die Hochdrucksteuerung mit einem Magnetventil erlaubt eine höhere Flexibilität bei Förderbeginn und Förderende und eine noch höhere Zumessgenauigkeit der Einspritzmenge als mit den kantengesteuerten Einspritzpumpen. Außerdem ist die Voreinspritzung und die zylinderindividuelle Mengenkorrektur möglich.

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 Einzeleinspritzpumpen PF eignen sich für Klein-, Mittel-, und Großmotoren. Sie werden im „Off-Highway“-Bereich (Land-und Baumaschinen, stationäre Anlagen wie Pumpen und Stromaggregate, Lokomotiven sowie kleine und große Schiffe) eingesetzt. Verwendung finden sie bei Direkteinspritz-und Kammermotoren. Bei Großmotoren ist auch der Schwerölbetrieb möglich. Für jeden Motorzylinder ist eine Pumpe in den Motor eingesteckt. Daher werden sie oft auch „Steckpumpen“ genannt. Einzeleinspritzpumpen zeichnen sich durch ihre Robustheit und Wartungsfreundlichkeit aus.

Der Unit Injector hat die Aufgabe, den Kraftstoff in allen Betriebsbereichen und über die gesamte Lebensdauer hinweg zu einem vom Steuergerät ermittelten Zeitpunkt, in der exakten Menge und unter dem erforderlichen Druck in den Motorzylinder einzuspritzen. Er ersetzt dabei die Düsen-halterkombination der herkömmlichen Einspritzsysteme. Dadurch sind keine Hochdruckleitungen erforderlich, was sich positiv auf das Einspritzverhalten auswirkt.

Die Aufgabe und die Arbeitsweise der Unit Pump für Nkw und Großmotoren entsprechen jener des Unit Injectors. Der einzige Unterschied zum Unit Injector liegt in der Anordnung einer kurzen Hochdruckleitung zwischen den Funktionseinheiten „Hochdruckerzeugung“ mit „Hochdruckmagnetventil“ und „Einspritzdüse“.

Die Anforderungen an die Einspritzsysteme des Dieselmotors steigen ständig. Höhere Drücke, schnellere Schaltzeiten und eine flexiblere Anpassung des Einspritzverlaufs an den Betriebszustand des Motors machen den Dieselmotor sparsam, sauber und leistungsstark. Außerdem wird das Einspritzsystem immer mehr in das Fahrzeug-Gesamtsystem integriert. So haben die Dieselmotoren auch den Einzug in die automobile Oberklasse gehalten.

Der Hochdruckbereich des Common Rail Systems gliedert sich in die drei Bereiche Druckerzeugung, Druckspeicherung und Kraftstoffzumessung (Bilder 1 und 2). Die Hochdruckpumpe mit Druckregelventil und optionalem Elementabschaltventil übernimmt die Druckerzeugung. Die Druckspeicherung erfolgt im Rail mit dem Raildrucksensor, dem Druckbegrenzungsventil und dem Durchflussbegrenzer. Für die zeit- und mengengerechte Einspritzung sorgen die Injektoren. Hochdruck-Kraftstoffleitungen verbinden alle Bereiche miteinander.

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 Düsen-halterkombination DHK. Für jeden Motorzylinder ist je eine Düsenhalterkombination 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.

Die Hochdruck-Kraftstoffleitungen und ihre Anschlüsse stellen die Verbindungen zwischen Einspritzpumpe(n) und den Düsenhalterkombinationen der einzelnen Zylinder bei Reiheneinspritzpumpen, Verteilereinspritzpumpen und beim Unit Pump System her. Beim Common Rail System bilden sie die Verbindung zwischen der Hochdruckpumpe und dem Rail sowie zwischen dem Rail und den Injektoren. Das Unit Injector System benötigt keine Hochdruckleitungen.

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.

Sensoren erfassen Betriebszustände (z. B. Motordrehzahl) und Sollwerte (z. B. Fahrpedalstellung). Sie wandeln physikalische Größen (z. B. Druck) oder chemische Größen (z. B. Abgaskonzentration) in elektrische Signale um.

Mit der Digitaltechnik ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Steuerung und Regelung im Kraftfahrzeug. Viele Einflussgrößen können gleichzeitig mit einbezogen werden, sodass sich die Systeme optimal betreiben lassen. Das Steuergerät empfängt die elektrischen Signale der Sensoren, wertet sie aus und berechnet die Ansteuersignale für die Stellglieder (Aktoren). Das Steuerungsprogramm — die „Software“ — ist in einem Speicher abgelegt. Die Ausführung des Programms übernimmt ein MikroController. Die Bauteile des Steuergeräts werden „Hardware“ genannt.

Die wesentliche Aufgabe der Elektronischen Dieselregelung ist die Steuerung der Einspritzmenge und des Einspritzzeitpunkts. Das Speichereinspritzsystem „Common Rail“ regelt auch noch den Einspritzdruck. Außerdem steuert das Motorsteuergerät bei allen Systemen verschiedene Stellglieder an. Die Funktionen der Elektronischen Dieselregelung müssen auf jedes Fahrzeug und jeden Motor genau angepasst sein. Nur so können alle Komponenten optimal zusammenwirken (Bild 1).

Kraftfahrzeuge sind mit einer ständig wachsenden Zahl von elektronischen Systemen ausgestattet. Diese benötigen einen intensiven Daten- und Informationsaustausch, wobei die Anforderungen an Datenmengen und Geschwindigkeit immer größer werden.

Stellglieder (Aktoren) setzen die elektrischen Ausgangssignale des Steuergeräts in mechanische Größen um (z. B. Stellung des Abgasrückführventils oder der Regelklappe).

Die im Steuergerät integrierte Diagnose gehört zum Grundumfang elektronischer Motorsteuerungssysteme. Überwachungsalgorithmen prüfen während des normalen Betriebs die Eingangs- und Ausgangssignale. Außerdem wird das Gesamtsystem auf Fehlverhalten und Störungen hin überprüft. Dabei erkannte Fehler werden im Steuergerät abgespeichert. Bei der Fahrzeuginspektion in der Kundendienstwerkstatt werden diese gespeicherten Informationen über eine serielle Schnittstelle ausgelesen und ermöglichen so eine schnelle und sichere Fehlersuche und Reparatur.

Mehr als 10000 Bosch-Kundendienststellen in 132 Ländern sind für den Autofahrer da, wenn er Hilfe braucht — neutral und ohne Bindung an eine Fahrzeugmarke. Selbst in dünn besiedelten Ländern Afrikas und Südamerikas kann man mit schneller Hilfe rechnen. Überall gelten die gleichen Qualitätsstandards. Da versteht es sich von selbst, dass die Bosch-Garantie auf Kundendienstleistungen weltweit gilt.

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.

Um die immer strenger werdenden Abgasvorschriften einhalten zu können, wird die Abgasnachbehandlung — trotz der Fortschritte der innermotorischen Maßnahmen — zukünftig auch beim Dieselmotor immer mehr an Bedeutung gewinnen. Dies gilt vor allem für schwere Pkw und alle Nkw. Unterschiedliche Verfahren sind in der Entwicklung. Welche sich durchsetzen werden, ist derzeit noch offen.

Das ständig steigende Verkehrsaufkommen und die damit gestiegenen Umweltbelastungen, insbesondere durch den innerstädtischen Verkehr, wurden in der Vergangenheit zunehmend zu einem Problem. Die Abgasemissionen der Kraftfahrzeuge mussten deshalb begrenzt werden. Die Gesetzgeber legen die zulässigen Grenzwerte und die Prüfverfahren fest Jeder zugelassene Fahrzeugtyp muss diesen gesetzlichen Bestimmungen genügen.