Diesel-Einspritzdüse, wie sie in einem MAN V8 Dieselmotor verbaut ist

Die Common-Rail-Direkteinspritzung ist ein Direkteinspritzsystem , das auf einem Hochdruck-Kraftstoffverteilerrohr basiert, welches Magnetventile mit Kraftstoff versorgt . Dieser Druck liegt typischerweise über 2.000  bar , 200  MPa oder 29.000  psi . Im Gegensatz dazu versorgt eine Niederdruck- Kraftstoffpumpe die Einspritzdüsen (oder Pumpendüsen). Die Hochdruckeinspritzung bietet gegenüber der früheren Niederdruck-Einspritzung Vorteile hinsichtlich Leistung und Kraftstoffverbrauch, indem der Kraftstoff in Form einer größeren Anzahl kleiner Tröpfchen eingespritzt wird. Dadurch ergibt sich ein deutlich größeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Dies führt zu einer verbesserten Verdampfung an der Oberfläche der Kraftstofftröpfchen und somit zu einer effizienteren Vermischung von Luftsauerstoff mit dem verdampften Kraftstoff, was eine vollständigere Verbrennung zur Folge hat .

Die Common-Rail-Einspritzung findet breite Anwendung in Dieselmotoren . Sie bildet auch die Grundlage für Benzin-Direkteinspritzsysteme , die in Benzinmotoren eingesetzt werden .

Geschichte

Common-Rail-Einspritzsystem an einem Volvo-Lkw-Motor

1916 leistete Vickers Pionierarbeit beim Einsatz mechanischer Common-Rail-Systeme in U-Boot-Motoren der G-Klasse . Pro 90°-Drehung ermöglichten vier Kolbenpumpen einen konstanten Einspritzdruck von 210 bar (21 MPa). Die Kraftstoffzufuhr zu den einzelnen Zylindern wurde durch Ventile in den Einspritzleitungen unterbrochen. [ 1 ] Von 1921 bis 1980 verwendete Doxford Engines ein Common-Rail-System in seinen Gegenkolben-Schiffsmotoren . Hierbei erzeugte eine Mehrzylinder-Kolbenpumpe einen Druck von etwa 600 bar (60 MPa; 8.700 psi), wobei der Kraftstoff in Druckspeichern aufbewahrt wurde. [ 2 ] Die Druckregelung erfolgte über einen einstellbaren Pumpenhub und ein Überdruckventil. Nockenwellenbetätigte mechanische Steuerventile versorgten die federbelasteten Brice/CAV/Lucas-Einspritzdüsen, die den Kraftstoff seitlich in den Brennraum zwischen den Kolben einspritzten. Frühe Motoren besaßen zwei Nockenwellen, eine für Vorwärts- und eine für Rückwärtsfahrt. Spätere Motoren hatten zwei Einspritzdüsen pro Zylinder, und die letzte Baureihe der turbogeladenen Motoren mit konstantem Druck war mit vier Einspritzdüsen ausgestattet. Dieses System diente zur Einspritzung von Dieselkraftstoff und Schweröl (600 cSt, erhitzt auf ca. 130 °C).

Common-Rail-Motoren werden schon seit Längerem in Schiffen und Lokomotiven eingesetzt . Der Cooper-Bessemer GN-8 ( ca. 1942) ist ein Beispiel für einen hydraulisch betriebenen Common-Rail-Dieselmotor, auch bekannt als modifizierter Common-Rail-Motor.

Der Prototyp des Common-Rail-Systems für Automobilmotoren wurde Ende der 1960er Jahre von Robert Huber aus der Schweiz entwickelt und die Technologie von Dr. Marco Ganser an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und später von der Ganser-Hydromag AG (gegr. 1995) in Oberägeri weiterentwickelt.

Der erste Common-Rail-Dieselmotor, der in einem Straßenfahrzeug eingesetzt wurde, war der MN 106-Motor des ostdeutschen VEB IFA Motorenwerke Nordhausen . Er wurde 1985 in einen IFA W50 eingebaut . Aufgrund fehlender finanzieller Mittel wurde die Entwicklung eingestellt und eine Serienproduktion nie erreicht. [ 3 ]

Das erste erfolgreich in Serie gefertigte Fahrzeug mit Common-Rail-System wurde 1995 in Japan verkauft. Dr. Shohei Itoh und Masahiko Miyaki von der Denso Corporation entwickelten das Common-Rail-System ECD-U2, das im Hino Ranger- Lkw verbaut wurde. [ 4 ] Denso beansprucht, 1995 das erste kommerzielle Hochdruck-Common-Rail-System auf den Markt gebracht zu haben. [ 5 ]

Moderne Common-Rail-Systeme werden von einem Motorsteuergerät geregelt , das die Einspritzdüsen elektrisch statt mechanisch steuert. Prototypen wurden in den 1990er-Jahren von Magneti Marelli , dem Centro Ricerche Fiat in Bari und Elasis entwickelt und vom Physiker Mario Ricco ( Fiat-Gruppe ) weiterentwickelt. Da sich Fiat zu dieser Zeit in einer schwierigen finanziellen Lage befand, wurde die Entwicklung von der Robert Bosch GmbH zur Verfeinerung und Serienproduktion übernommen . [ 6 ] Der erste Pkw mit diesem System war der Alfa Romeo 156 von 1997 mit einem 2,4-Liter- JTD-Motor . [ 7 ] Noch im selben Jahr führte Mercedes-Benz das System im Modell W202 ein . Im Jahr 2001 hielt die Common-Rail-Einspritzung mit der Einführung des 6,6-Liter-Duramax-LB7-V8-Motors im Chevrolet Silverado HD und GMC Sierra HD Einzug in Pick-ups. Im Jahr 2003 brachten Dodge und Cummins Common-Rail-Motoren auf den Markt, Ford folgte 2008 mit dem 6,4-Liter-Powerstroke. Heute verwenden fast alle nicht-kommerziellen Dieselfahrzeuge Common-Rail-Systeme.

Anwendungen

Das Common-Rail-System eignet sich für alle Arten von Pkw mit Dieselmotoren, vom Kleinwagen (wie dem Fiat Panda ) bis zur Oberklasse (wie dem Audi A8 ). Die wichtigsten Anbieter moderner Common-Rail-Systeme sind Bosch , Delphi Technologies , Denso und Siemens VDO (heute im Besitz der Continental AG ). [ 8 ]

Verwendete Akronyme und Markenbezeichnungen

Bosch Common-Rail-Diesel-Einspritzdüse aus einem Volvo-Lkw-Motor

Die Automobilhersteller bezeichnen ihre Common-Rail-Motoren mit ihren eigenen Markennamen :

Prinzipien

Diagramm des Common-Rail-Systems

Magnet- oder Piezoventile ermöglichen eine präzise elektronische Steuerung von Einspritzzeitpunkt und -menge. Der höhere Druck, den die Common-Rail-Technologie bietet, sorgt für eine bessere Kraftstoffzerstäubung . Um die Motorgeräusche zu reduzieren , kann das Motorsteuergerät kurz vor der Haupteinspritzung eine kleine Menge Dieselkraftstoff einspritzen (Pilot-Einspritzung). Dadurch werden Explosionsgefahr und Vibrationen verringert sowie Einspritzzeitpunkt und -menge für Schwankungen der Kraftstoffqualität, Kaltstarts usw. optimiert. Einige moderne Common-Rail-Systeme führen bis zu fünf Einspritzungen pro Hub durch. [ 9 ]

Common-Rail-Motoren benötigen je nach Umgebungstemperatur eine sehr kurze bis gar keine Aufwärmzeit und erzeugen im Vergleich zu älteren Systemen weniger Motorgeräusche und Emissionen. [ 10 ]

Dieselmotoren nutzten historisch gesehen verschiedene Formen der Kraftstoffeinspritzung. Zwei gängige Typen sind die Direkteinspritzung und die Verteiler-/Reihenpumpensysteme . Obwohl diese älteren Systeme eine genaue Steuerung der Kraftstoffmenge und des Einspritzzeitpunkts ermöglichen, sind sie durch mehrere Faktoren eingeschränkt:

  • Sie werden über die Nockenwelle angetrieben, und der Einspritzdruck ist proportional zur Motordrehzahl. Das bedeutet typischerweise, dass der höchste Einspritzdruck nur bei der höchsten Motordrehzahl erreicht wird und der maximal erreichbare Einspritzdruck mit sinkender Motordrehzahl abnimmt. Dieser Zusammenhang gilt für alle Pumpen, auch für solche in Common-Rail-Systemen. Bei Direkteinspritz- oder Verteilersystemen ist der Einspritzdruck an den Momentandruck eines einzelnen Pumpvorgangs ohne Druckspeicher gekoppelt, wodurch dieser Zusammenhang deutlicher und problematischer wird.
  • Die Anzahl und der Zeitpunkt der Einspritzvorgänge, die während eines einzelnen Verbrennungsvorgangs gesteuert werden können, sind begrenzt. Zwar sind mit diesen älteren Systemen mehrere Einspritzvorgänge möglich, dies ist jedoch deutlich schwieriger und kostspieliger.
  • Bei einem typischen Verteiler-/Reiheneinspritzsystem beginnt die Einspritzung bei einem vordefinierten Druck (oft als Öffnungsdruck bezeichnet) und endet bei einem anderen vordefinierten Druck. Diese Eigenschaft resultiert aus den „einfachen“ Einspritzdüsen im Zylinderkopf, die sich bei Drücken öffnen und schließen, die durch die Federvorspannung des Kolbens in der Düse bestimmt werden. Sobald der Druck in der Düse einen vordefinierten Wert erreicht, hebt sich der Kolben und die Einspritzung beginnt.

Bei Common-Rail-Systemen speichert eine Hochdruckpumpe einen Kraftstoffvorrat unter hohem Druck – bis zu und über 2.000 bar (200 MPa; 29.000 psi). Der Begriff „Common Rail“ rührt daher, dass alle Einspritzdüsen von einer gemeinsamen Kraftstoffleitung versorgt werden. Diese dient als Druckspeicher, in dem der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert wird. Dieser Speicher versorgt mehrere Einspritzdüsen mit Hochdruckkraftstoff. Dadurch vereinfacht sich die Aufgabe der Hochdruckpumpe, da sie lediglich einen Zieldruck aufrechterhalten muss (mechanisch oder elektronisch geregelt). Die Einspritzdüsen werden üblicherweise vom Motorsteuergerät (ECU) gesteuert. Werden die Einspritzdüsen elektrisch angesteuert, öffnet sich ein Hydraulikventil (bestehend aus Düse und Kolben) mechanisch oder hydraulisch und der Kraftstoff wird mit dem gewünschten Druck in die Zylinder eingespritzt. Da die Kraftstoffdruckenergie extern gespeichert und die Einspritzdüsen elektrisch angesteuert werden, entspricht der Einspritzdruck zu Beginn und am Ende der Einspritzung nahezu dem Druck im Druckspeicher (Kraftstoffverteilerrohr), wodurch eine quadratische Einspritzrate erzielt wird. Bei korrekter Dimensionierung von Druckspeicher, Pumpe und Leitungen sind Einspritzdruck und -rate bei jedem Einspritzvorgang identisch.

Common-Rail-Dieselmotoren der dritten Generation verfügen nun über piezoelektrische Injektoren für eine höhere Präzision und ermöglichen Kraftstoffdrücke von bis zu 2.500 bar (250 MPa; 36.000 psi). [ 11 ]

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Cummins, C. Lyle (2007). Dieselmotoren für die erste Tarnkappenwaffe . Carnot Press. S.  196–198 . ISBN 978-0-917308-06-2Die
  2. ^ „Doxford Engine Reference“ . Archiviert vom Original am 20.12.2007.
  3. ^ „Nordhäuser an Entwicklung des weltweit ersten Common-Rail-Diesels beteiligt – IFA-Museum eröffnet zur Nordhäuser Museumsnacht“ . meinanzeiger.de. 25. März 2015. Archiviert vom Original am 28.10.2020 . Abgerufen am 03.03.2022 .
  4. ^ „240 Meilensteine ​​der japanischen Automobiltechnologie – Common Rail ECD-U2“ . Jsae.or.jp. Archiviert vom Original am 8. September 2009. Abgerufen am 29. April 2009 .
  5. ^ „Diesel Fuel Injection“ . DENSO Global . Archiviert vom Original am 07.08.2011 . Abgerufen am 03.08.2011 .
  6. ^ „Fiat – Wiedergeburt eines Autoherstellers“ . economist.com . 24.04.2008. Archiviert vom Original am 08.09.2009 . Abgerufen am 01.05.2008 .
  7. ^ „Konferenz über neue Antriebstechnologien“ . autonews.com . Archiviert vom Original am 03.07.2013 . Abgerufen am 08.04.2008 .
  8. ^ „Denso zielt auf französische und US-amerikanische Automobilhersteller: Der weltweit viertgrößte Zulieferer will organisch wachsen, nicht durch Übernahmen . “ Europe.autonews.com . 17. Oktober 2005. Abgerufen am 16. Mai 2018 .
  9. ^ (Mehrtakt-Einspritzung) Siehe BMW Broschüre 2009 für die 3er Reihe
  10. ^ „Archivierte Kopie“ . www.carservicesalisbury.com . Archiviert vom Original am 14. Mai 2018. Abgerufen am 15. Januar 2022 .{{cite web}}: CS1 Wartung: Archivierte Kopie als Titel ( Link )
  11. ^ „DENSO entwickelt neues Diesel-Common-Rail-System mit dem weltweit höchsten Einspritzdruck | News | DENSO Global Website“ . DENSO Global Website . 26.06.2013. Archiviert vom Original am 13.10.2017.