Dieselmotor-Management

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.

Der Dieselmotor ist, wie alle Verbrennungsmotoren, eine Wärmekraftmaschine, in der chemisch gebundene Energie über einen Verbrennungsprozess in mechanische Energie umgewandelt wird. Dazu wird die für die Verbrennung benötigte Luft im Brennraum so hoch verdichtet, dass die entstehende Brennraumtemperatur ausreicht, den eingespritzten Kraftstoff selbst zu entzünden. Ein Teil der freigesetzten Wärme wird über den Kurbeltrieb in mechanische Energie umgesetzt, der Rest wird über Kühlmittel, Abgas oder direkt an die Umgebung abgeführt. Der Dieselmotor ist die Verbrennungskraftmaschine mit dem höchsten effektiven Wirkungsgrad. Der damit verbunde-ne niedrige Kraftstoffverbrauch, die vergleichsweise schadstoffarmen Abgase und das vor allem durch Voreinspritzung verminderte Geräusch verhalfen dem Dieselmotor zu großer Verbreitung. Die Palette reicht heute vom kleinen Einzylinder-Stationär-Motor mit wenigen Kilowatt Leistung bis hin zum Großdieselmotor für Lokomotiven und Schiffe mit Leistungen im Megawattbereich.

Aufbau, Arbeitsweise, die verschiedenen Betriebszustände- und Bedingungen werden detailliert dargestellt und erläutert. Die verschiedenen Einsatzgebiete und ihre spezifischen Besonderheiten werden nachfolgend aufgezeigt.

Die Kraftstoffversorgung hat die Aufgabe, den benötigten Kraftstoff vom Tank in definierter Menge, einem vorgegebenen Druck und unter allen statischen und dynamischen Betriebsbedingungen zur Hochdruckpumpe zu fördern, die bei allen Dieseleinspritzsystemen die Schnittstelle zwischen Nieder- und Hochdruckkreislaufs bildet. Der Niederdruckkreislauf beinhaltet als wesentliche Komponenten Kraftstoffbehälter, Niederdruck-Kraftstoffleitungen, Förderpumpe und Kraftstofffilter und kann je nach verwendetem Einspritzsystem, Motorvariante und Systemanforderungen stark unterschiedlich ausgeführt sein. Anhand der Darstellung eines umfassenden Fördersystems werden die Struktur und die prinzipielle Funktionsweise beschrieben, bevor auf den Aufbau und die Funktion der Einzelkomponenten detailliert eingegangen wird.

Dem Thema Kraftstoff ist ein eigener Abschnitt gewidmet. Zusammensetzung, Eigenschaften und Normen von Dieselkraftstoffen für Fahrzeug- und Schiffsanwendungen werden erläutert. Biogene Kraftstoffkomponenten, rein paraffinische Kraftstoffe und Additive werden dabei ebenso abgedeckt wie Methan, Dimethyl- und Oxymethylenether sowie allgemein die Option, synthetische Kraftstoffe herzustellen.

Für die Verbrennung von Kraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen wird Verbrennungsluft benötigt. Diese muss vor dem Eintritt in den Brennraum aufbereitet werden, wobei die Strömungsverluste und die Erwärmung der Luft beim Durchströmen der Verbrennungsluftführung möglichst gering zu halten sind. Der dazu notwendige Aufbau der Funktionsgruppe „Verbrennungsluftführung“ mit seinen möglichen Komponenten wird detailliert dargestellt und beschrieben. In den nachfolgenden Abschnitten wird dann auf die einzelnen Komponenten ausführlich eingegangen. Einen breiten Raum nehmen dabei die Aspekte Aufladung, Ladeluftkühlung und Abgasrückführung ein. Die Aufladung ermöglicht es, den Luftmassenstrom durch den Motor zu vergrößern, womit mehr Kraftstoff verbrannt und damit mehr Energie umgesetzt werden kann. Durch die Ladeluftkühlung wird die Luftdichte und damit des Sauerstoffangebot der Verbrennungsluft erhöht. Bei aufgeladenen Dieselmotoren verbessert die Ladeluftkühlung außerdem die Rohemission des Abgases. Die Abgasrückführung ist eine sehr wirksame Maßnahme zur innermotorischen Absenkung der NO_X-Stickoxidemissionen beim Dieselmotor. Möglich sind die interne Rückführung des Abgases über geänderte Steuerzeiten und externe Rückführung. Bei Letzterer wird das Abgas aus dem Abgastrakt entnommen und gekühlt oder ungekühlt der Verbrennungsluft beigemischt.

Der Dieselmotor ist ein Selbstzündungsmotor mit innerer Gemischbildung. Daher ist für eine effiziente und schadstoffarme Verbrennung die physikalisch-chemische Aufbereitung des Luft-Kraftstoffgemischs von zentraler Bedeutung. Die optimale Zerstäubung des Kraftstoffs sowie seine zeitlich und örtlich exakte Zumessung sind, neben der Luftbewegung im Brennraum, dafür entscheidend. Der dazu erforderliche Einspritzdruck, die exakte Mengendosierung und die gewünschte Strahlausbreitung mit schnellem Strahlzerfall und Bildung sehr feiner Tröpfchen muss durch das Einspritzsystem bereitgestellt werden. Nach Erläuterung der Zusammenhänge von Zerstäubung und Verbrennung werden die wesentlichen Einspritzparameter der dieselmotorischen Verbrennung dargestellt und deren Wirkung detailliert beleuchtet.

Abgeleitet von den Grundfunktionen eines Dieseleinspritzsystems werden im nachfolgenden Abschnitt die verschiedenen Einspritzsystembauarten schematisch dargestellt und erörtert.

Aufgrund ihrer großen Flexibilität haben sich zwischenzeitlich Speichereinspritzsysteme in allen Motoranwendungen durchgesetzt. Neben den bei Nutzfahrzeugen noch in Verwendung befindlichen magnetventilgesteuerten Einzelpumpensystemen wird daher schwerpunktmäßig auf die Common-Rail-Systeme eingegangen. Aufbau und Funktion des Gesamtsystems sowie dessen Steuerung und Regelung werden ausführlich aufgezeigt und beschrieben. Die Besonderheiten für Einspritzsysteme für Großdieselanwendungen werden, einschließlich des Betriebs mit Schweröl, ebenfalls behandelt.

Nach Aufschlüsselung der verschiedenen Bosch-Common-Rail-Systeme im Hinblick auf Druck, Anwendung und Bauart von Injektor und Hochdruckpumpe erfolgt eine detaillierte Beschreibung von Aufbau und Funktion der jeweiligen Hochdruckkomponente.

Die Injektoren sorgen für die zeit- und mengengerechte Dosierung der eingespritzten Kraftstoffmenge. Nach Darstellung der verschiedenen Bauarten werden Grundfunktion und Ansteuerung von Injektoren mit Magnetventil, mit und ohne Druckübersetzer sowie Piezo-Aktuator ausführlich beschrieben.

Über die Hochdruckpumpe wird dem System die benötigte Kraftstoffmenge auf dem betriebspunktabhängig gewünschten Druckniveau bereitgestellt. Nach der detaillierten Beschreibung der Grundfunktion einer Hochdruckpumpe, deren Kopplung an den Motor und die Realisierung einer bedarfsgerechten Mengensteuerung wird auf den Aufbau und die Funktion der verschiedenen Pumpenbauarten für Pkw- und Nfz-Anwendungen eingegangen.

Der Kraftstoffspeicher (Rail) dient dazu, den Kraftstoff bei hohem Druck zu speichern, die Injektoren mit der nötigen Kraftstoffmenge zu versorgen und Druckschwankungen infolge Befüllung und Entnahme zu dämpfen. Aufbau und Funktion von Rail, Druckregel- und Druckbegrenzungsventil werden ausführlich dargestellt und erläutert.

An Einspritzsysteme für Großdieselmotoren werden besondere Anforderungen gestellt. Nach deren Darstellung werden die, auf dieser Basis entwickelten, Systemkomponenten des modularen Common-Rail-Systems in Aufbau und Funktion umfassend veranschaulicht und beschrieben. Neben den üblichen Common-Rail-Komponenten, wie Injektor und Hochdruckpumpe, werden auch Bauelemente für den Betrieb mit Schweröl behandelt.

Die Geometrie und die fertigungstechnische Präzision der Einspritzdüse sind maßgeblich für Sprayausbildung und Gemischaufbereitung und damit für Verbrennungseffizienz und -qualität verantwortlich. Aufbau, Düsenbauarten und deren Auslegung sowie Weiterentwicklungen werden ausführlich dargestellt. Abschließend werden noch Düsenhalter und Hochdruckverbindung erläutert.

Die Startfähigkeit von Dieselmotoren sinkt bei niedrigen Temperaturen. Leck- und Wärmeverluste führen zu geringerem Kompressionsdruck und damit zu einer niedrigeren Temperatur der verdichteten Luft. Geeignete Starthilfesysteme ermöglichen trotzdem ein einwandfreies Kaltstart- und -laufverhalten von Dieselmotoren. Nach einem Abriss zur Kraftstoffzündung werden die Glühsysteme bestehend aus Glühstiftkerzen und Glühzeitsteuergerät für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge eingehend dargestellt und beschrieben. Nachfolgend werden Start- und Zündhilfesysteme für Nfz behandelt und abschließend wird noch auf das Kaltstart- und Kaltlaufverhalten sowie die Kaltlaufemissionen bei Pkw-Motoren eingegangen.

Zunächst werden die wichtigsten Abgasbestandteile vorgestellt und deren Entstehung erläutert. Im Detail werden anschließend die innermotorischen Maßnahmen diskutiert, die ergriffen werden können, um die Abgasrohemissionen des Motors zu reduzieren. Diese Maßnahmen werden außerdem im Hinblick auf ihr Reduktionspotenzial gegenüber den aus der Verbrennung resultierenden Geräuschemissionen und dem spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Dieselmotors bewertet.

Nach einer einleitenden Beschreibung des Begriffs Abgasnachbehandlung wird der aktuelle Aufbau von Abgasnachbehandlungssystemen für Dieselmotoranwendungen in Pkw, leichten und schweren Nutzfahrzeuganwendungen sowie mobilen Arbeitsmaschinen ausführlich erläutert.

Abgasnachbehandlungssysteme sind, je nach Anforderung an die Emissionsminderung, aus Systemen zur Eindosierung von Hilfsstoffen (wässrige Harnstofflösung, Kraftstoff), Partikelfilter und verschiedenen Katalysatoren (Diesel-Oxidations-Katalysator, SCR- und NSC-Katalysator) aufgebaut. Die in Verwendung befindlichen Einzelkomponenten werden charakterisiert und hinsichtlich ihrer Funktion und Auslegungsmerkmale beschrieben. Detailliert wird anschließend auf Auslegung, Einsatzrandbedingungen, Wechselwirkung zwischen motorischen Betriebsparametern und den einzelnen Abgasnachbehandlungskomponenten untereinander sowie die Systemintegration eingegangen.

Sensoren dienen zur Erfassung physikalischer oder chemischer Größen, die zur Überwachung, Steuerung und Regelung von Motor- und Fahrzeugzustand erforderlich sind. Zusammen mit den Aktoren bilden sie die Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug mit seinen komplexen Antriebs-, Brems-, Fahrwerk- und Karosseriefunktionen und den elektronischen Steuergeräten als Verarbeitungseinheiten. Die von einem geeigneten Sensorelement erfassten physikalischen Größen werden durch eine Auswerteelektronik so umgesetzt, dass sie mit definierten Toleranzen über eine standardisierte Signalschnittstelle dem Steuergerät für die weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden können. Der Einsatz von Sensoren im Kraftfahrzeug erfordert in hohem Maße Unempfindlichkeit gegenüber mechanischen, klimatischen, chemischen und elektromagnetischen Einflüssen. Neben hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer ist auch eine hohe Genauigkeit notwendig. Diese wird durch die Entwicklung von speziellen Sensorelementen und den Einsatz digitaler und analoger Auswerteschaltungen in Sensor-spezifischen ASIC ermöglicht. Aufgaben, Aufbau und Funktionsweise der für einen optimalen Betrieb von Dieselmotoren eingesetzten Sensoren werden aufgezeigt und detailliert beschrieben.

Die eng tolerierten Anforderungen an Einspritzgenauigkeit und Spritzabstände lassen sich über die Produktlebensdauer wirtschaftlich nur durch den Einsatz geeigneter Steuer- und Regelalgorithmen gewährleisten. Die darauf basierenden Zumessfunktionen nutzen gezielt das spezifische Verhalten der Einspritzhydraulik und verwenden zur präzisen Mengenzumessung Signale bestehender Sensoren als Hilfsgrößen oder auch modellbasierte Ansätze. Die wichtigsten Zumessfunktionen werden vorgestellt, Aufbau und Funktion ausführlich beschrieben.

Nach einer allgemeinen Definition der Aufgabe „Applikation“ wird die prinzipielle Vorgehensweise bei Steuerungs- und Regelungsaufgaben beschrieben. Moderne, auf physikalischen Modellen basierende Regelungsverfahren werden im Anschluss erläutert. Die erforderlichen Applikationswerkzeuge und Prüfstände werden vorgestellt und moderne, auf statistischen Modellen basierende, Versuchsmethoden betrachtet. Zum Abschluss wird der Ablauf eines typischen Applikationsprojektes skizziert.

Mit der Digitaltechnik ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Steuerung und Regelung elektronischer Systeme im Kraftfahrzeug. Eine zentrale Funktion nimmt dabei das Motorsteuergerät ein, an das hohe Anforderungen bezüglich Funktionalität, Qualität und Lebensdauer, auch unter teilweise extremen Einsatzbedingungen, gestellt werden. Die dazu notwendige Hard- und Softwarearchitektur, die zugehörigen Bauelemente sowie die Aufbau- und Verbindungstechnik werden detailliert beschrieben. Abschließend wird noch auf die Themen funktionale Sicherheit und Tuningschutz eingegangen.

Unter dem Begriff konventionelle Einspritzsysteme werden alle Einspritzsysteme zusammengefasst, für die in der Erstausrüstung kein Bedarf mehr besteht. Hintergrund sind die für alle Motoranwendungen weltweit verschärften gesetzlichen Rahmenbedingungen hinsichtlich Abgasemission und Verbrauch, zu deren Erfüllung das Einspritzsystem zusätzliche Freiheitsgrade (frei wählbarer Einspritzdruck und Spritzbeginn, Mehrfacheinspritzung, geringe Spritzabstände, Kleinstmengen) gewährleisten muss. Diese lassen sich technisch mit Reihen- und Verteilereinspritzpumpen sowie mechanischen Einzelpumpensysteme und dem Unit-Injector-System für Pkw-Anwendungen nicht mehr realisieren. Aufbau und Funktion der genannten Einspritzsysteme werden daher in komprimierter Form wiedergegeben.

Der Ausstoß von Schadstoffen, Treibhausgasen sowie der Kraftstoffverbrauch von Pkw- und Nutzfahrzeug-Dieselmotoren sind gesetzlich limitiert, wobei Regelungen und Standards kontinuierlich angepasst werden. Weltweit gelten vor allem die Gesetzgebungen aus Europa, USA und Japan, die auch von vielen weiteren Ländern, direkt oder in modifizierter Form, übernommen werden. Zur Ermittlung des Schadstoffausstoßes sind definierte Prüfzyklen vorgeschrieben, die auf dem Fahrzeug- bzw. Motorprüfstand zu ermitteln sind. Ergänzend dazu sind auch gesetzlich Vorgaben im realen Straßenverkehr einzuhalten, die mit Hilfe portabler Messgeräte direkt im Fahrzeug gemessen werden. Die Emissionsgesetzgebung in den Triademärkten, die zugehörigen Testzyklen und Rahmenbedingungen werden im Detail beschrieben. Abschließend werden noch die Regelungen zu Kraftstoffverbrauch und Treibhausgasemission aufgezeigt. Im nachfolgenden Abschnitt werden dann die Abgasmessung auf dem Fahrzeugprüfstand, auf der Straße und Aufbau sowie Funktionsweise der zur Messung eingesetzten Messtechnik ausführlich behandelt.

Die Komplexität der Einspritz- und Steuerungssysteme im Verbrennungsmotor stellt hohe Anforderungen an das Diagnosekonzept. Man unterscheidet dabei zwischen „On-Bord Diagnose“ (OBD) und „Werkstattdiagnose“. Die On-board-Diagnose wird seitens des Gesetzgebers gefordert und dient der Überwachung von emissionsrelevanten Komponenten und Systemen im Fahrbetrieb. Die nach Fahrzeugart und Ländern unterschiedlichen technischen Anforderungen werden dargestellt und hierzu beispielhaft Lösungen erläutert. Basis der Werkstattdiagnose ist die geführte Fehlersuche. Der Einsatz verschiedener On-Board- und Off-Board-Prüfmethoden und Prüfgeräten ermöglicht eine rasche Identifizierung des zu tauschenden Teils in der Werkstatt wodurch eine schnelle und sichere Reparatur des Fahrzeugs im Fehlerfall gewährleistet wird. Die zur Verfügung stehenden Elemente werden dargestellt und an Hand von Beispiellösungen illustriert.

Hybridisierte Pkw sind in der Verbindung mit Ottomotoren seit über einer Dekade weltweit verfügbar und zeigen insbesondere im innerstädtischen Betrieb deutliche Einsparpotentiale. Bei Diesel-Antriebssträngen spielen elektrische Hybride aufgrund der damit verbundenen höheren Kosten bislang nur eine untergeordnete Rolle. Es zeichnet sich aber ab, dass sowohl bei Pkw als auch bei Nutzfahrzeugen die Elektrifizierung der Antriebsstränge eine wichtige Rolle spielen und die Marktdurchdringung stark steigen wird. Die Gründe dafür liegen zum einen in der weltweiten Verschärfung der CO2-Gesetzgebung zum anderen in der Bestrebung, emissionsfreie Zonen oder Flotten vorzuschreiben. In diesem Zuge wird auch das Kosten-Nutzen-Verhältnis von Diesel-hybridischen Antriebssträngen zunehmend attraktiver. Im ersten Abschnitt werden Ursachen und Randbedingungen sowie technische Lösungen vorgestellt. Dabei werden auch die Rückwirkungen der Hybridisierung auf den Betrieb und die Auslegung von Komponenten des Einspritzsystems und der Abgasnachbehandlung aufgezeigt und beispielhaft dargestellt. Die Hybridisierung des Antriebstrangs von Nutzfahrzeugen ist Gegenstand des sich anschließenden Abschnitts. Auf Grund der spezifischen Anwendungen, den damit verbunden unterschiedlichen Lastzyklen und Systemanforderungen kommen in den einzelnen Nutzfahrzeugsegmenten verschiedene Konzepte zum Einsatz. Hierzu werden einige Konzepte und Anwendungsfälle beschrieben und deren Nutzen quantifiziert.