Dieseleinspritzsysteme

Selbstzündung und innere Gemischbildung

Der Dieselmotor verdichtet zunächst Luft. Gegen Ende des Verdichtungstakts und – je nach Strategie – bis in den Arbeitstakt hinein wird Kraftstoff so eingespritzt, dass er zerstäubt, verdampft, sich mit der heißen Luft mischt und selbst entzündet. Einspritzbeginn, eingespritzte Menge, Druckverlauf, Düsenlochgeometrie, Luftbewegung und Brennraumform bestimmen gemeinsam den Verbrennungsablauf.

Moderne schwere Nutzfahrzeugmotoren arbeiten überwiegend mit direkter Einspritzung in den Hauptbrennraum. Historische Vor- und Wirbelkammerverfahren gehören ebenfalls zur Dieselentwicklung, stehen bei heutigen schweren Lkw-Motoren jedoch nicht im Mittelpunkt.

• Die eingespritzte Kraftstoffmenge beeinflusst das erzeugte Motordrehmoment.
• Feine Zerstäubung vergrößert die für Verdampfung und Mischung wirksame Oberfläche.
• Der Einspritzverlauf beeinflusst Druckanstieg, Geräusch, Verbrauch und Rohemissionen.
• Luftpfad, Einspritzung und Abgasnachbehandlung müssen zusammen geregelt werden.

Reihen- und Verteilereinspritzpumpen

Bei der Reiheneinspritzpumpe besitzt jeder Zylinder ein eigenes, in einem gemeinsamen Pumpengehäuse angeordnetes Pumpenelement. Eine Nockenwelle bewegt die Pumpenkolben; Druckventile und einzelne Hochdruckleitungen führen den Kraftstoff zu den Düsenhaltern. Mechanische Regler oder spätere elektronische Stellglieder beeinflussen Fördermenge und Förderbeginn.

Die Verteilereinspritzpumpe erzeugt den Hochdruck zentral und verteilt den Kraftstoff nacheinander auf die Zylinder. Sie baut kompakter und vereint Förderpumpe, Hochdruckerzeugung, Verteilung und Regelung in einer Einheit. Bauart und elektronische Unterstützung unterscheiden sich je nach Generation deutlich.

Quellenhinweis: Bosch Automotive Aftermarket · Diesel-Systemfamilien

Pumpe-Leitung-Düse und Pumpe-Düse richtig trennen

Beim Unit-Pump- beziehungsweise Pumpe-Leitung-Düse-System arbeitet für jeden Zylinder eine eigene, vom Motor mechanisch angetriebene Hochdruckpumpe. Eine kurze, genau abgestimmte Hochdruckleitung verbindet sie mit dem Düsenhalter. Bei elektronisch geregelten Ausführungen ermöglicht ein schnell schaltendes Magnetventil die Festlegung von Einspritzbeginn und -menge.

Beim Unit-Injector- beziehungsweise Pumpe-Düse-System sind Pumpenelement und Einspritzdüse zu einer im Zylinderkopf sitzenden Einheit zusammengefasst. Eine äußere Hochdruckleitung zwischen Pumpe und Düse entfällt. PLD und Pumpe-Düse sind deshalb verwandte, aber konstruktiv nicht identische Systeme.

Der Actros-Motor OM 502 LA steht auf dieser Website beispielhaft für die elektronisch geregelte PLD-Architektur. Die genaue Ausführung hängt von Baumuster, Baujahr und Abgasstufe ab.

Quellenhinweis: Bosch Mobility · Unit Pump und Unit Injector · Mercedes-Benz Public Archive · OM 502 LA und PLD

Common Rail: Druck speichern, Einspritzung flexibel steuern

Common Rail trennt die Hochdruckerzeugung weitgehend vom einzelnen Einspritzvorgang. Die Hochdruckpumpe verdichtet den Kraftstoff, der gemeinsame Speicher – das Rail – versorgt die Injektoren. Sein Volumen dämpft die durch Pumpenförderung und Einspritzung entstehenden Druckschwankungen. Sensor, Druckregelung und gegebenenfalls Druckbegrenzung überwachen beziehungsweise schützen den Hochdruckpfad.

Das Motorsteuergerät bestimmt für jeden Zylinder Einspritzbeginn, Dauer und mögliche Teileinspritzungen. Je nach System arbeiten Magnetventil- oder Piezo-Injektoren. Zulässiger Druck und Zahl der Einspritzungen sind keine allgemeingültigen Konstanten, sondern hängen von Systemgeneration, Motor und Betriebszustand ab.

Beim OM 471 der ersten Actros-MP4-Generation wurde Common Rail mit der als X-Pulse bezeichneten Druckverstärkung am Injektor kombiniert. Dadurch lässt sich der Einspritzverlauf zusätzlich formen; spätere Motorengenerationen dürfen bei Druckwerten und Ausführung nicht ungeprüft mit der ersten Generation gleichgesetzt werden.

Quellenhinweis: Bosch Mobility · Common Rail für Nutzfahrzeuge · Bosch Mobility · Hochdruckrail · Mercedes-Benz Public Archive · OM 471 und X-Pulse

Vom Tank bis zum Brennraum

Ein typischer Kraftstoffpfad führt vom Tank über Vorförderung, Wasserabscheider und Filter zur Hochdruckerzeugung. Danach gelangt der Kraftstoff je nach System über einzelne Leitungen und Pumpenelemente oder über Rail und Injektoren in den Brennraum. Leckkraftstoff sowie zur Schmierung und Kühlung durchströmender Kraftstoff können über einen Rücklauf zum Tank geführt werden. Die tatsächliche Anordnung ist fahrzeugabhängig.

Der Niederdruckkreis ist für die Hochdruckseite entscheidend. Luftzutritt, Wasser, verunreinigter Kraftstoff, ein zugesetzter Filter oder unzureichende Vorförderung können Druckaufbau und Einspritzmenge verändern. Sauberkeit ist nicht nur eine Wartungsfrage: Schon kleine Partikel können präzise Passungen und Ventilsitze beeinträchtigen.

Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung im Systemverbund

Elektronisch flexible Systeme können einen Verbrennungszyklus in mehrere zeitlich getrennte Einspritzungen gliedern. Eine Voreinspritzung kann den Druckanstieg und das Verbrennungsgeräusch beeinflussen; die Haupteinspritzung liefert den wesentlichen Energieanteil. Späte oder Nacheinspritzungen können – abhängig vom Motorkonzept – Abgastemperatur und Abgasnachbehandlung unterstützen.

Diese Begriffe beschreiben mögliche Strategien, keine immer gleiche Abfolge. Das Steuergerät koordiniert Einspritzung mit Luftmasse, Ladedruck, Abgasrückführung, Temperaturgrenzen, Partikelfilter und SCR-System. Eine Änderung an einem Teilpfad kann deshalb mehrere Messwerte und Regelkreise zugleich beeinflussen.

Quellenhinweis: Bosch Mobility · flexible Common-Rail-Einspritzung · Daimler Truck · OM 471 und Abgasnachbehandlung

Diagnose und Sicherheit am Hochdrucksystem

Eine systematische Diagnose beginnt mit Kraftstoffqualität, Tankentlüftung, Vorförderung, Wasserabscheidung und Filterzustand. Danach folgen – nach Herstellervorgabe – Soll-/Istwerte des Drucks, Druckaufbau beim Start, elektrische Ansteuerung, Rücklauf- oder Leckmengen und die mechanische Plausibilität. Ein Fehlercode oder eine Druckabweichung belegt für sich allein weder einen defekten Injektor noch eine defekte Pumpe.

Hochdruckkraftstoff kann die Haut durchdringen und schwere Verletzungen verursachen. Restdruck darf nur mit dem vorgeschriebenen Verfahren abgebaut werden. Leitungen werden nicht bei laufendem Motor gelöst, und Undichtigkeiten niemals mit der Hand gesucht. Prüfungen und Reparaturen gehören in fachkundige Hände mit geeigneter Ausrüstung.

Quellenhinweis: John Deere · Sicherheit an Common-Rail-Hochdrucksystemen