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About this book

Der Dieselmotor und die Einspritzanlage bilden eine untrennbare Einheit. Außerdem spielt die Elektronik eine wichtige Rolle, um die wachsenden Forderungen nach geringem Schadstoffausstoß und geringem Kraftstoffverbrauch zu erfüllen. Jüngstes Beispiel hierfür ist das Speichereinspritzsystem Common Rail, das mit dem Piezo-Inline-Injektor die Möglichkeiten zur Verbrauchsreduzierung entscheidend verbessert. Auch die aktuellen Maßnahmen zur innermotorischen Emissionsminderung, aber auch zur nachträglichen Schadstoffreduzierung wie Partikelfilter, SCR-Katalysator, Speicherkatalysator und Oxidationskatalysator werden ausführlich erklärt.

Table of Contents

Frontmatter

Geschichte des Dieselmotors

Bereits im Jahr 1863 unternahm der Franzose Etienne Lenoir eine Versuchsfahrt mit einem Fahrzeug, das von einer von ihm entwickelten Gasmaschine angetrieben wurde. Dieser Antrieb erwies sich aber als untauglich für den Einbau und Antrieb von Fahrzeugen. Erst mit Nikolaus August Ottos Viertaktmotor mit Magnetzündung war der Betrieb mit flüssigem Kraftstoff und somit der mobile Einsatz möglich. Der Wirkungsgrad dieser Motoren war allerdings gering. Die Leistung des Rudolf Diesel bestand darin, einen Motor mit vergleichsweise sehr viel höherem Wirkungsgrad theoretisch zu entwickeln und seine Idee bis zur Serienreife zu verfolgen.

Konrad Reif

Einsatzgebiete der Dieselmotoren

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

Konrad Reif

Grundlagen des Dieselmotors

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.

Konrad Reif

Kraftstoffe

Dieselkraftstoffe werden durch stufenweise Destillation aus Rohöl gewonnen. Sie bestehen 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.

Konrad Reif

Systeme zur Füllungssteuerung

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 - Zylinderfüllung) 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.

Konrad Reif

Grundlagen der Dieseleinspritzung

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.

Konrad Reif

Diesel-Einspritzsysteme im Überblick

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

Konrad Reif

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil

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

Konrad Reif

Systemübersicht der Reiheneinspritzpumpen

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.

Konrad Reif

Vorförderpumpen für Reiheneinspritzpumpen

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 auchVorförderpumpen für Vielstoffbetrieb sowie Elektrokraftstoffpumpen eingesetzt. Bei einigen wenigen Anwendungen kann die Reiheneinspritzpumpe ohne Vorförderpumpe im „Falltankbetrieb“ versorgt werden.

Konrad Reif

Standard-Reiheneinspritzpumpen PE

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.

Konrad Reif

Regler für Reiheneinspritzpumpen

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.

Konrad Reif

Hubschieber-Reiheneinspritzpumpen

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.

Konrad Reif

Systemübersicht der Verteilereinspritzpumpen

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.

Konrad Reif

Kantengesteuerte Verteilereinspritzpumpen

Kantengesteuerte Verteilereinspritzpumpen sind ausschließlich Axialkolbenpumpen. Sie haben nur ein Hochdruckelement für alle Motorzylinder und sind daher sehr kompakt. 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.

Konrad Reif

Aufschaltgruppen für Verteilereinspritzpumpen

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.

Konrad Reif

Magnetventilgesteuerte Verteilereinspritzpumpen

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.

Konrad Reif

Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme

Dieselmotorenmit EinzelzylinderSystemenhabenfür jeden Motorzylinder eine Einspritzeinheit. Diese Einspritzeinheiten lassen sich gutandenentsprechenden Motoranpassen. Die kurzen Einspritzleitungenermöglichen ein besonders gutes Einspritzverhaltenunddie höchsten Einspritzdrücke.

Konrad Reif

Einzeleinspritzpumpen PF

Die Einzeleinspritzpumpen PF eignen sich für Klein-, Mittel-, und Großmotoren. Sie werden im „Off-Highway“-Bereich (Landund Baumaschinen, stationäre Anlagen wie Pumpen und Stromaggregate, Lokomotiven sowie kleine und große Schiffe) eingesetzt. Verwendung finden sie bei Direkteinspritzund 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.

Konrad Reif

Unit Injector System UIS

BeimUnit Injector System(UIS) bilden Einspritzpumpe,HochdruckMagnetventilundEinspritzdüse eine Einheit. DasUnit Injector Systemwirddaherauch PumpeDüseEinheit (PDE) genannt. Die kompakteBauweise – mit sehr kurzen,im Bauteil integrierten Hochdruckleitungen zwischenPumpeundEinspritzdüse – erleichtert dieDarstellung höherer Einspritzdrücke gegenüberanderenEinspritzsystemen, dadas Schadvolumen) unddamit dieKompressionsverluste geringer sind.DerSpitzendruckbeimUIS variiert derzeit jenachPumpentypzwischen 1800und2200 bar.

Konrad Reif

Unit Pump System UPS

Das Unit Pump System (UPS) wird bei Nkw und Großmotoren eingesetzt. Die Arbeitsweise der Unit Pump (UP) entspricht der des Unit Injectors (UI) für Nkw.Im Gegensatz zum UI sind bei der UP jedoch Einspritzdüse und Injektor räumlich getrennt und über eine kurze Leitung mit einander verbunden. Das Unit Pump System wird daher auch Pumpe-Leitung-Düse genannt.

Konrad Reif

Systemübersicht Common Rail

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.

Konrad Reif

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

Der Hochdruckbereich des Common Rail Systems gliedert sich in die drei Bereiche Druckerzeugung, Druckspeicherung und Kraftstoffzumessung. Die Hochdruckpumpe übernimmt die Druckerzeugung. Die Druckspeicherung erfolgt im Rail, an dem der Raildrucksensor und das Druckregelbzw. Druckbegrenzungsventil angebaut sind. Für die zeitund mengengerechte Einspritzung sorgen die Injektoren. HochdruckKraftstoffleitungen verbinden alle Bereiche miteinander.

Konrad Reif

Einspritzdüsen

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.

Konrad Reif

Düsenhalter

Düsenhalter bilden zusammen mit den dazugehörigen Einspritzdüsen die Düsenhalterkombination 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.

Konrad Reif

Hochdruckverbindungen

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 Hochdruckleitungens.

Konrad Reif

Starthilfesysteme

Die Startwilligkeit von Dieselmotoren sinkt bei niedrigen Temperaturen. Leckund Wärmeverluste senken in den kalten Zylindern den Kompressionsdruck und damit die Temperatur der verdichteten Luft. Für kalte Motoren gibt es eine Außentemperaturgrenze, unterhalb derer ein Motorstart ohne Zusatzeinrichtungen nicht mehr möglich ist.

Konrad Reif

Innermotorische Emissionsminderung

Bei der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs entstehen als Nebenprodukt überwiegend die Schadstoffe NO

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, 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.

Konrad Reif

Abgasnachbehandlung

Bisher wurde die Emissionsminderung beim Dieselmotor vorwiegend durch innermotorische 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 Abgasnachbehandlung (nachmotorische Emissionsminderung) entwickelt.

Konrad Reif

Elektronische Dieselregelung EDC

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.

Konrad Reif

Steuergerät

Mit der Digitaltechnik ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Steuerung und Regelung elektronischer Systeme im Kraftfahrzeug. Viele Einflussgrößen können gleichzeitig mit einbezogen werden, sodass sich die Systeme bestmöglich 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. Das EDC-Steuergerät umfasst alle Steuer- und Regelalgorithmen für das Motormanagement.

Konrad Reif

Sensoren

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.

Konrad Reif

Diagnose

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.

Konrad Reif

Werkstatt-Technik

Mehr als 30 000 Kfz-Werkstätten in aller Welt sind mit Werkstatt-Technik, d. h. Prüftechnik und Werkstatt-Software von Bosch, ausgestattet. Der Werkstatt-Technik kommt dabei eine wachsende Bedeutung zu, denn sie leitet und unterstützt bei Diagnose und Fehlersuche.

Konrad Reif

Abgasemission

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.

Konrad Reif

Abgasgesetzgebung

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 vomWind 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.

Konrad Reif

Abgas-Messtechnik

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.

Konrad Reif

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