Common-Rail-Systeme. Thomas Becker, Christian Seibel und Martin Bernhaupt. Inhalt. 1 Aufbau

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1 Common-Rail-Systeme Thomas Becker, Christian Seibel und Martin Bernhaupt Zusammenfassung Common Rail Einspritzsysteme werden heute in allen Anwendungen vom Pkw- bis zum Großdieselmotor eingesetzt, in spezifischer Ausführung auch für den Betrieb mit Schweröl. Nach einer Beschreibung des generellen Aufbaus des Common Rail Systems in konventioneller Bauart und mit Druckübersetzer werden die beiden Teilsysteme Niederdruck- und Hochdruckkreislauf detailliert dargestellt. Die Hauptkomponenten werden aufgezeigt und die Großdieselsysteme betreffenden Besonderheiten erläutert. Im Anschluss erfolgt eine ausführliche Darstellung der verschiedenen, in Anwendung befindlichen, Verfahren zur Druckregelung. Auf den Aufbau und die Funktion eines Common Rail Systems für den Betrieb mit Schweröl wird abschließend eingegangen. T. Becker (*) C. Seibel DS-B1/ENS5, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Deutschland M. Bernhaupt DS-B2/ELS, Robert Bosch GmbH, Hallein, Österreich Inhalt 1 Aufbau Niederdrucksystem Hochdrucksystem Druckregelung Schweröl-Common Rail System Literatur Aufbau Im Gegensatz zu nockengetriebenen EinspritzsystemensindbeimCommonRailSystemDruckerzeugung und Einspritzung entkoppelt. Die Druckerzeugung erfolgt unabhängig vom Einspritzzyklus durch eine Hochdruckpumpe, die den unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff in ein Speichervolumen ( Rail ) fördert. Das Rail ist über kurze Hochdruckleitungen mit den Injektoren der einzelnen Motorzylinder verbunden. Die Injektoren werden über elektrisch angesteuerte Ventile betätigt und spritzen den Kraftstoff zum gewünschten Zeitpunkt in den Brennraum des Motors ein. Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge sind dabei nicht an die Förderphase der Hochdruckpumpe gekoppelt. Durch die Funktionstrennung von Druckerzeugung und Kraftstoffeinspritzung ergeben sich gegenüber nockengetriebenen Systemen folgende Vorteile: Dauernd zur Verfügung stehender, drehzahlund lastunabhängiger Einspritzdruck; dies # Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2016 H. Tschöke et al. (Hrsg.), Handbuch Dieselmotoren, Springer Reference Technik, DOI / _25-1 1

2 2 T. Becker et al. erlaubt flexible Wahl von Einspritzbeginn, -menge und -dauer. Hohe Einspritzdrücke und damit gute Gemischbildung auch bei niederen Drehzahlen und Lasten möglich. Hohe Flexibilität bezüglich Mehrfacheinspritzungen, sowohl in ihrer Anzahl, als auch im Abstand untereinander. Einfacher Anbau an den Motor. Deutlich niedrigere Antriebs-Drehmomentspitzen. Common Rail Systeme werden in allen Applikationen von DI-Motoren für Pkw und Nfz (onund off-highway) bis hin zu Großmotoren eingesetzt. Die Systemdrücke liegen heute bei bar. Entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen der diversen Märkte bzw. Strategien zur Emissionsreduzierung stehen angepasste Komponenten und Funktionen zur Verfügung. Das Common Rail System lässt sich in folgende Teilsysteme aufteilen, Abb. 1: Niederdrucksystem mit den Komponenten der Kraftstoffversorgung bzw. Kraftstoffrückführung (Kraftstofftank, Kraftstofffilter, Vorförderpumpe, Kraftstoffleitungen, Modul zur Ansteuerung der Vorförderpumpe), Hochdrucksystem mit den Komponenten Hochdruckpumpe, Rail, Injektoren, Raildrucksensor, Druckregelventil oder Druckbegrenzungsventil, Hochdruckleitungen. Elektronische Dieselregelung mit Steuergerät, Sensoren und Aktoren. Die vom Motor angetriebene, kontinuierlich arbeitende Hochdruckpumpe baut den gewünschten Systemdruck auf und hält ihn weitgehend un- Abb. 1 Common Rail System. 1 Kraftstofftank; 2 Vorförderpumpe mit Siebfilter; 3 Kraftstofffilter; 4 Hochdruckpumpe mit Zumesseinheit; 5 Rail; 6 Druckregelventil; 7 Raildrucksensor; 8 Injektor; 9 Steuergerät mit Eingängen für die Sensoren und Ausgängen für die Aktoren; 10 Kraftstofftemperatursensor; 11 Glühstiftkerze

3 Common-Rail-Systeme 3 abhängig von Motordrehzahl und Einspritzmenge aufrecht. Aufgrund der nahezu gleichförmigen Förderung sind Baugröße und Spitzendrehmoment der Hochdruckpumpe kleiner als bei konventionellen Einspritzsystemen. Die Hochdruckpumpe ist als Radialkolbenpumpe, für Nfz und Großmotoren teilweise auch als Reihen- oder Einzelsteckpumpe (Antrieb über Motornockenwelle) ausgeführt. Zur Regelung des Raildrucks kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz. Die Druckregelung kann hochdruckseitig über ein Druckregelventil oder saugseitig mithilfe verschiedener Konzepte erfolgen: durch eine in die Pumpe integrierte Zumesseinheit (bei Einzelsteckpumpen in separatem Bauteil untergebracht), durch ein fördersynchron zumessungsbegrenzend wirkendes, am Pumpeneingang platziertes elektrisches Saugventil, oder bei reduzierten Anforderungen durch Vorsteuerung der Vorförderpumpe. Zweistellersysteme kombinieren die Vorteile beider Verfahren. Die Injektoren sind über kurze Hochdruckleitungen mit dem Rail verbunden. Über das Motorsteuergerät wird das im Injektor integrierte Schaltventil angesteuert, um die Einspritzdüse zu öffnen und wieder zu schließen. Öffnungsdauer und Systemdruck bestimmen die eingespritzte Kraftstoffmenge. Sie ist damit unabhängig von der Motorbzw. Pumpendrehzahl. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Systemen mit und ohne Druckübersetzung. Bei Systemen mit Druckübersetzung, Abb. 2, wird der von der Hochdruckpumpe erzeugte Druck (250 bis 1200 bar) über einen Stufenkolben im Injektor auf maximal 2700 bar verstärkt. Dadurch sind nur wenige Teile im Injektor mit dem Höchstdruck belastet. Das übrige System operiert mit dem niedrigeren Systemdruck von bis zu 1200 bar. Der Druckübersetzer kann über ein eigenes Steuerventil separat angesteuert werden. Zusammen mit dem Steuerventil der Düsennadel kann damit eine flexible Einspritzverlaufsformung (Boot, Rampe und Rechteck) für die Haupteinspritzung realisiert wer- Abb. 2 Druckübersetztes Common Rail System.1 Rail; 2 Druckbegrenzungsventil; 3 Raildrucksensor; 4 Injektor mit Druckverstärker; 5 Hochdruckpumpe mit integrierter Vorförderpumpe und Zumesseinheit; 6 Kraftstofffilter; 7 Eingänge für die Sensoren; 8 Ausgänge für die Aktoren; 9 Kraftstofftank; 10 realisierbare Einspritzverlaufsformung ( square, ramp, boot ); 11 Steuergerät

4 4 T. Becker et al. den [1]. Die heute überwiegend eingesetzten Systeme arbeiten ohne Druckübersetzung. 2 Niederdrucksystem Im Niederdruckkreislauf ist die Kraftstoffversorgung der Hochdruckpumpe vom Tank und die Rückführung der Leck- und Überlaufmengen zum Tank zusammengefasst. Den prinzipiellen Aufbau zeigt Abb. 3, die wesentlichen Komponenten sind: Kraftstoffbehälter, Kraftstoffvorfilter mit Handpumpe (optional), Kraftstoffhauptfilter und Wasserabscheider, Kühler für das Steuergerät (optional), Vorförderpumpe, Kraftstoffkühler und Starthilfepumpe (optional) und Druckhalteventil (DHV)/Rückschlagventil (RSV) an Injektorrücklaufleitung. Als Vorförderpumpen kommen Elektrokraftstoffpumpen (EKP, Abb. 4) oder mechanische Zahnradpumpen (ZP, Abb. 5) bzw. zukünftig auch elektrische Zahnradpumpen (ezp) [2] zum Einsatz. Systeme mit EKP werden ausschließlich bei Pkw und leichten Nfz verwendet, aber teilweise auch bei Großdieselmotoren. Die EKP wird meist im Kraftstofftank (Intank-Pumpe), optional aber auch in der Zuleitung zur Hochdruckpumpe (Inline-Pumpe) verbaut. Beginnend mit dem Startvorgang schaltet die EKP ein. Damit ist sichergestellt, dass bei Motorstart der notwendige Druck im Niederdruckkreis vorhanden ist. Die Förderung des Kraftstoffs erfolgt meist kontinuierlich und unabhängig von der Motordrehzahl, überschüssiger Kraftstoff fließt über ein Überströmventil zum Tank zurück. Die EKP wird oft auch entsprechend dem Motorbedarf geregelt, um entweder Kraftstoff zu sparen, oder aber eine kostengünstige saugseitige Hochdruckregelung zu erreichen. Als Pumpenelement werden meist Rollenzellenpumpen (Schema s. Abb. 4) verwendet. Der Elektromotor wird durch den Kraftstoff gekühlt, womit sich eine hohe Motorleistungsdichte erreichen lässt. Im Anschlussdeckel ist ein Rückschlagventil integriert, das ein Leerlaufen der Kraftstoffleitungen nach dem Abschalten der Pumpe verhindert. Elektrische Vorförderpumpen haben gegenüber mechanisch angetriebenen Vorförderpumpen Vorteile hinsichtlich Startverhalten bei heißem Kraftstoff, beim Erststart und nach dem Motorservice (z. B. Filterwechsel). ZP werden in Pkw-, Nfz- und Großdieselmotor-Systemen als Vorförderpumpe angewandt, für schwere Nfz kommen derzeit ausschließlich mechanische ZP zur Anwendung. Die ZP ist zumeist in die Hochdruckpumpe integriert und wird über deren Antriebswelle angetrieben. Somit fördert die ZP erst beim Drehen des Motors, d. h. sie muss so ausgelegt sein, dass im Startfall ein genügend schneller Druckaufbau erfolgt. Für hohe Drehzahlen (Fördermenge ist annähernd proportional zur Motordrehzahl) ist daher eine Mengenbegrenzung notwendig. Dies wird i. d. R. durch Drosselung auf der Saugseite der ZP oder durch interne Zirkulation der Überströmmenge realisiert. Elektrische Zahnradpumpen verbinden die Vorteile der Mengenbedarfsregelung wie verbesserte Startfähigkeit und höhere energetische Effizienz mit der höheren Laufzeit für den Einsatz in Nfz-Anwendungen. Zum Schutz des Einspritzsystems vor Verunreinigungen im Kraftstoff (Feststoffteilchen, Wasser) und damit zur Sicherstellung der geforderten Lebensdauer muss ein auf die jeweiligen Einsatzbedingungen abgestimmter Kraftstofffilter verwendet werden. Vorfilter mit integriertem Wasserabscheider werden vor allem für Nfz in Ländern mit schlechter Kraftstoffqualität und bei Industriemotorapplikationen verwendet. Hinsichtlich ihrer Abscheidecharakteristik werden sie an den Hauptfilter angepasst. Der Hauptfilter ist i. d. R. druckseitig zwischen Vorförderpumpe und Hochdruckpumpe angeordnet. Im Niederdruckteil der Hochdruckpumpe befinden sich ein stufenlos regelbares Magnetventil, die Zumesseinheit bzw. ein elektrisch schaltendes Saugventil im Zulauf zum Hochdruckelement der Pumpe sowie das Überströmventil. Ein optionales Charakteristikum ist die Nullförderdrossel. Die Zu-

5 Common-Rail-Systeme 5 Abb. 3 Niederdruckkreislauf für Pkw (oben, saug- und hochdruckseitige Druckregelung) und Nfz (unten, saugseitige Druckregelung). 1 Kraftstoffbehälter; 2 Vorförderpumpe elektrisch/mechanisch; 3 Kraftstofffilter (Vor- und Hauptfilter) mit Wasserabscheider; 4 Hochdruckpumpe; 5 Zumesseinheit; 6 Überströmventil; 7 Rail; 8 Injektoren;

6 6 T. Becker et al. Abb. 4 Einstufige Elektrokraftstoffpumpe (links) und schematische Darstellung der Rollenzellenpumpe (rechts). 1 Druckseite; 2 Rückschlagventil; 3 Motoranker; 4 Pumpenelement; 5 Druckbegrenzungsventil; 6 Saugseite; 7 Zulauf; 8 Nutscheibe; 9 Rolle; 10 Grundplatte; 11 Druckseite der Entlüftung bzw. garantieren eine ausreichende Schmiermenge. Falls vorhanden, wird über eine Nullförderdrossel die bei geschlossener Zumesseinheit auftretende Leckagemenge abgeführt und damit ein ungewollter Raildruckanstieg verhindert bzw. ein schneller Druckabbau sichergestellt. Die Rückführung des heißen Rücklaufstroms stellt thermische Anforderungen an die meist in Kunststoff ausgeführten Rücklaufleitungen. Sie transportieren den verdichteten und wieder entspannten Kraftstoff zum Tank/der Pumpe zurück. In die Sammelleitung der Injektor-Rücklaufleitungen integrierte Druckhalteventile sorgen für definierte (Nieder-)druck-Randbedingungen der Injektoren. Abb. 5 Mechanische Zahnradpumpe. 1 Saugseite; 2 Zahnrad; 3 Druckseite messeinheit bzw. das elektrische Saugventil dient der Regelung der Hochdruckmenge, mit dem Ziel nur den hochdruckseitigen Systemmengenbedarf auf den hohen Druck zu verdichten. Die von der Vorförderpumpe zuviel geförderte Kraftstoffmenge wird über das Überströmventil in den Tank bzw. vor die Vorförderpumpe zurück geleitet. Das Überströmventil sorgt dabei für ein definiertes Druckniveau vor der Zumesseinheit, beziehungsweise vor den Saugventilen Bei kraftstoffgeschmierten Pumpen dienen Drosseln im Überströmventil 3 Hochdrucksystem Der Hochdruckbereich des Common Rail Systems gliedert sich in die drei Bereiche Druckerzeugung, Druckspeicherung und Kraftstoffzumessung mit folgenden Komponenten: Hochdruckpumpe, Rail mit Drucksensor sowie Druckregel-, Druckbegrenzungs- oder Druckabbauventil, Hochdruckleitungen und Injektoren. ä Abb. 3 (Fortsetzung) 9 Druckbegrenzungs- oder Druckregelventil (dargestellt: Druckregelventil); 10 Rücklauf Druckregelventil; 11 Druckhalteventil (nur Pkw); 12 Rücklauf; 13 Electronic Pump Control, Modul zur Steuerung des EKP-Volumenstroms (optional); 14 Motorsteuergerät; 15 Nullförderdrossel; 16 Handpumpe; 17 Steuergerätekühler

7 Common-Rail-Systeme 7 Abb. 6 Modulares Common Rail System für Großdieselmotoren. 1 Tank mit Vorfilter; 2 Kraftstoffvorfilter; 3 Hochdruckpumpe mit integriertem Hochdruckspeicher und integrierter Vorförderpunpe; 4 Druckbegrenzungsventil; 5 Zumesseinheit; 6 Raildrucksensor; 7 Kraftstoffhauptfilter; 8 Injektor; 9 Drehzahlsensor Kurbelwelle; 10 Drehzahlsensor Nockenwelle; 11 Steuergerät; 12 Eingänge für die Sensoren; 13 Ausgänge für die Aktore Die Hochdruckpumpe wird vom Motor angetrieben. Das Übersetzungsverhältnis ist so zu wählen, dass die Fördermenge ausreicht, um die Mengenbilanz des Systems zu erfüllen. Außerdem sollte die Förderung einspritzsynchron erfolgen, um weitgehend gleiche Druckbedingungen zum Zeitpunkt der Einspritzung zu erreichen. Der von der Hochdruckpumpe verdichtete Kraftstoff wird über die Hochdruckleitung(en) in das Rail gefördert und von dort auf die angeschlossenen Injektoren verteilt. Das Rail hat neben der Speicherfunktion auch die Aufgabe, die maximalen Druckschwingungen zu begrenzen, die durch die pulsierende Pumpenförderung bzw. durch die Kraftstoffentnahme über die Injektoren entstehen, um so die Zumessgenauigkeit der Einspritzung sicherzustellen. Einerseits sollte das Railvolumen möglichst groß sein, um dieser Anforderung gerecht zu werden, andererseits muss es hinreichend klein sein, um einen schnellen Druckaufbau beim Start zu gewährleisten. Das Speichervolumen ist in der Auslegungsphase dahingehend zu optimieren. Bei Großdieselmotoren ist es aufgrund der großen Einspritzmengen und der damit verbundenen Düsendurchflüsse erforderlich, dass sich das dämpfende Speichervolumen so nahe wie möglich an der Düse befindet, um, im Hinblick auf die Mengentoleranz, die Druckspitzen zu minimieren. Weiterhin ist es oftmals schwierig ein separates Rail mit der erforderlichen Baugröße am Motor zu installieren. Durch Integration der erforderlichen Hockdruckvolumina in Hochdruckpumpe und Injektor können diese Probleme umgangen werden, beide Komponenten sind dann direkt über Hochdruckleitungen miteinander verbunden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ergibt sich dadurch, dass Baureihen eines Motortyps mit unterschiedlichen Zylinderzahlen mit geringem Aufwand modular dargestellt werden können und außerdem keine Railvarianten erforderlich sind. Der Systemaufbau eines Modularen

8 8 T. Becker et al. Abb. 7 Modulares Common Rail System für mittelschnelllaufende Großdieselmotoren mit Einzylinder- Steckpumpen. 1 Tank mit Vorfilter; 2 Förderpumpe; 3 Kraftstofffilter; 4 Zumesseinheit; 5 Raildrucksensor; 6 Pumpenspeicher; 7 Druckbegrenzungsventil; 8 Hochdruckpumpe; 9 Injektor; 10 Drehzahlsensor Kurbelwelle; 11 Drehzahlsensor Nockenwelle; 12 Steuergerät; 13 Eingänge für die Sensoren; 14 Ausgänge für die Aktoren Common Rail Systems (MCRS) ist in Abb. 6 dargestellt. Bei Motoren, die von konventionellen Einspritzsystemen (kanten- bzw. magnetventilgesteuerte Einzelpumpensysteme) auf ein Common Rail System umgerüstet werden, können anstelle einer Hochdruckpumpe in Reihenbauart auch Einzylinder-Steckpumpen zur Anwendung kommen. Die Steckpumpe kann dabei über den Nockenantrieb der konventionellen Pumpe (Motornockenwelle) angetrieben werden. Die Pumpen werden durch Hochdruckleitungen mit einem Sammelrail verbunden an das der erste Injektor angeschlossen ist (Abb. 7). 4 Druckregelung Als Eingangsgröße zur Druckregelung dient das Signal des Raildrucksensors, mit dem der aktuelle Kraftstoffdruck im Rail ermittelt wird. Zur Druckregelung kommen verschiedene Verfahren zur Anwendung (Abb. 8): 4.1 Hochdruckseitige Regelung Der gewünschte Raildruck wird über ein Druckregelventil (Proportional-Magnetventil, das über das Steuergerät angesteuert wird) hochdruckseitig geregelt. In diesem Fall fördert die Hochdruckpumpe unabhängig vom Kraftstoffbedarf die maximale Fördermenge. Der überschüssige Kraftstoff fließt über das Druckregelventil in den Niederdruckkreis zurück. Diese Regelung ermöglicht zwar eine schnelle Anpassung des Raildrucks bei Änderung des Betriebspunkts, die permanente Maximalförderung und das Abführen des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs sind energetisch und thermisch betrachtet nachteilig. Wegen des ungünstigen energetischen Verhaltens ist die Anwendung eines solchen Systems auf niedrige

9 Common-Rail-Systeme 9 Abb. 8 Hochdruckregelung von Common Rail Systemen. 1 Hochdruckpumpe; 2 Kraftstoffzulauf bzw. -rücklauf; 3 Kraftstoffrücklauf; 4 Druckregelventil; 5 Rail; 6 Raildrucksensor; 7 Anschlüsse der Injektoren; 8 Zumesseinheit; 9 Druckbegrenzungsventil Druckbereiche (max bar) begrenzt. Diese Art der Regelung wurde bei den ersten Common Rail Systemen für Pkw angewandt. Das Druckregelventil ist meist am Rail, bei einzelnen Anwendungen auch an der Hochdruckpumpe angebaut. 4.2 Saugseitige Regelung Die Regelung des Raildrucks erfolgt bei diesem Verfahren niederdruckseitig über die an der Hochdruckpumpe angeflanschte Zumesseinheit oder das elektrische Saugventil (je ein esv pro Hochdruckelement der Pumpe). Durch die saugseitige Mengenregelung wird nur die Kraftstoffmenge in das Rail gefördert, mit welcher der geforderte Raildruck aufrechterhalten wird. Dadurch muss im Vergleich zur hochdruckseitigen Regelung weniger Kraftstoff auf Hochdruck verdichtet werden, die Leistungsaufnahme der Pumpe ist damit geringer. Das wirkt sich einerseits positiv auf den Kraftstoffverbrauch aus, andererseits ist die Temperatur des in den Tank zurücklaufenden Kraftstoffs niedriger. Diese Art der Druckregelung wird überwiegend bei Nfz-Systemen und Großmotoren angewandt. Um im Fehlerfall (z. B. Ausfall der Zumesseinheit) einen unzulässigen Druckanstieg zu verhindern, ist am Rail ein Druckbegrenzungsventil angebaut. Übersteigt der Druck einen definierten Wert, dann wird über einen beweglichen Kolben eine Ablaufbohrung freigegeben. Diese ist so ausgelegt, dass sich über alle Motordrehzahlen hinweg ein Raildruck einstellt, der deutlich unterhalb des maximalen Systemdrucks liegt. Durch diese Notfahrfunktion (limp-home-funktion) wird eine eingeschränkte Weiterfahrt zur nächsten Servicestation ermöglicht, eine Eigenschaft, die insbesondere bei gewerblichen Anwendungen (Transport, Agrar, Baumaschinen, Stromerzeugung und Marine) außerordentlich wichtig ist. In Systemen mit leckagelosen Injektoren werden an Stelle des passiven Druckbegrenzungsventils auch elektrisch gesteuerte Druckabbauventile oder Druckregelventile eingesetzt, welche neben der Druckbegrenzung zusätzlich den Druckabbau im Schubbetrieb ermöglichen. 4.3 Saug- und hochdruckseitige Regelung Wenn der Druck nur auf der Niederdruckseite eingestellt werden kann, dauert der Druckabbau im Rail bei negativen Lastwechseln u. U. zu lange. Dies gilt insbesondere bei Verwendung von Injektoren mit geringer innerer Leckage, wie z. B. Piezoinjektoren. Um die Dynamik für die Druckanpassung an die veränderten Lastbedingungen zu beschleunigen, wird zusätzlich ein am Rail angebautes Druckregelventil verwendet. Mit diesem Zweistellersystem werden die Vorteile der niederdruckseitigen Regelung mit dem günstigen dynamischen Verhalten der hochdruckseitigen Regelung kombiniert. Ein weiterer Vorteil gegenüber der ausschließlich niederdruckseitigen Regelung ergibt sich dadurch, dass man bei kaltem Motor nur die hoch-

10 10 T. Becker et al. druckseitige Regelung anwendet. Die Hochdruckpumpe fördert somit mehr Kraftstoff als eingespritzt wird, der überschüssige Kraftstoff wird dadurch deutlich schneller erwärmt, wodurch auf eine separate Kraftstoffheizung verzichtet werden kann. Hochdruckpumpe und Injektoren sind mit dem Rail über Hochdruckleitungen verbunden. Diese müssen dem maximalen Systemdruck und den zum Teil sehr hochfrequenten Druckschwankungen standhalten. Sie bestehen aus nahtlosen Präzisionsstahlrohren, die für sehr hohe Festigkeitsansprüche auch autofrettiert werden können. Aufgrund von Drosselverlusten und Kompressionseffekten beeinflussen Querschnitt und Leitungslänge Einspritzdruck und -menge. Daher müssen die Leitungen zwischen Rail und Injektor gleich lang und so kurz wie möglich gehalten werden. Die durch die Einspritzung entstehenden Druckwellen breiten sich in den Leitungen mit Schallgeschwindigkeit aus und werden an den Enden reflektiert. Dadurch beeinflussen sich dicht aufeinander folgende Einspritzungen (z. B. Vorund Haupteinspritzung) gegenseitig, was sich negativ auf die Zumessgenauigkeit auswirken kann. Weiterhin führen die Druckwellen zu einer erhöhten Injektorbelastung. Durch Einbau optimierter Drosseln in den Anschluss am Rail lassen sich diese Druckwellen deutlich reduzieren. Der Effekt auf die Zumessgenauigkeit wird bei Festlegung der Kennfelder oder durch eine entsprechende Software-Funktion (siehe Kap. Zumessfunktionen) ausgeglichen. Beim Modularen Common Rail System für Großdieselmotoren sind die Drosseln im Injektorspeicher-Zulauf angebracht, um die Beeinflussung der Einspritzung aufgrund der Druckpulsationen der Pumpenförderungen oder der Einspritzungen von Nachbarinjektoren zu minimieren. Das ist wichtig, da aufgrund von verschiedenen Motorzylinderzahlen einer Baureihe (L6, V8, V10, V12,...) eine einspritzsynchrone Pumpenförderung für alle Zylindervarianten oft nicht realisierbar ist. Die Hochdruckleitungen werden mit Klemmstücken, die in definierten Abständen angebracht sind, am Motor fixiert. Schwingungen (Motorvibration, Förderimpuls) übertragen sich damit nicht oder nur gedämpft auf Hochdruckleitungen und angeschlossene Komponenten. Die Injektoren werden über Spannelemente im Zylinderkopf befestigt und durch Kupferdichtscheiben zum Brennraum hin abgedichtet. Hinsichtlich der Verbindung des Injektors mit dem Rail bzw. dem Niederdruckkreis (Rücklauf) gibt es verschiedene, an das jeweilige Motorkonzept angepasste Bauarten (siehe Kap. Common Rail Injektoren für Diesel-Pkw und Nfz). Für Pkw und Light-Duty-Anwendungen wird der Hochdruckanschluss über einen integrierten Druckrohrstutzen (Dichtkegel an Hochdruckleitung und Überwurfmutter) realisiert. Der Rücklauf erfolgt über eine Steckverbindung am Kopf des Injektors oder ebenfalls über einen Schraubanschluss. Bei Motoren für schwere Nutzfahrzeuge und Großmotoren werden die entsprechenden Verbindungen über interne Anschlüsse hergestellt. Für den Hochdruckanschluss wird als Verbindungsglied zwischen Hochdruckleitung und Injektor ein separater Druckrohrstutzen eingesetzt. Über eine Schraubverbindung im Motorblock wird der Druckrohrstutzen in die kegelförmige Zulaufbohrung des Injektors gedrückt. Die Abdichtung erfolgt durch den Dichtkegel an der Druckrohrspitze. Am anderen Ende ist er über einen konventionellen Druckanschluss mit Dichtkegel und Überwurfmutter mit der Hochdruckleitung verbunden. Der im Druckrohrstutzen eingebaute wartungsfreie Filter hält grobe Verunreinigungen im Kraftstoff zurück. Der elektrische Kontakt des Injektors wird über Steck- oder Schraubverbindung hergestellt. Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge werden über das Steuergerät vorgegeben. Die Menge wird über die Ansteuerdauer der im Injektor eingebauten Aktoren bestimmt, der Einspritzzeitpunkt wird über das Winkel-Zeit-System der Elektronischen Dieselregelung (EDC, siehe Kap. Regelung und Steuerung der Dieseleinspritzsysteme) gesteuert. Zur Anwendung kommen elektro-magnetische und piezo-elektrische Aktoren. Die Verwendung von Piezostellern beschränkt sich heute ausschließlich auf Injektoren für Pkw- und LDV-Anwendungen.

11 Common-Rail-Systeme 11 5 Schweröl-Common Rail System Bei mittelschnelllaufenden Motoren (450 min 1 < Motordrehzahl < 1400 min 1 ) insbesondere für Schiffsantriebe ist die Anwendbarkeit eines breiten Kraftstoffspektrums, u. a. von Schweröl bis 700 cst bei 50 C zu beachten. Die Forderungen nach geringem Kraftstoffverbrauch, reduzierten Abgasemissionen und verbesserter Laufkultur werden nicht nur von den Anwendern gestellt, sondern zeigen sich auch in den gesetzlichen Festlegungen. Zusätzliche Forderungen zu den bereits angeführten sind die Verwendbarkeit von unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten mit hohen Anteilen von Verunreinigungen und hoher Temperatur bis 160 C, die Möglichkeit zur Zylinderabschaltung und die Anpassung an individuelle Unterschiede an den einzelnen Motorzylindern, wie Kraftstofftemperatur oder Abnutzungszustand des Injektors. Durch ein an den Betrieb mit Schweröl angepasstes Common Rail System lassen sich die genannten Anforderungen umfassend erfüllen. Pluspunkte darüber hinaus sind die mögliche Anpassung an unterschiedliche Motorgrößen, Zylinderzahlen und -anordnungen. Die hohen Kraftstofftemperaturen und -verunreinigungen bedingen Werkstoffe und Baukonzepte, mit welchen die geforderten hohen Standzeiten erreicht werden können. Bei der Entwicklung eines Speichereinspritzsystems für Schweröl ist eine enge Zusammenarbeit zwischen den Herstellern von Motor und Einspritzsystem unerlässlich. Abb. 9 zeigt ein modulares Common Rail System für Schweröl, dessen Besonderheiten im Folgenden beschrieben werden. Die Kraftstoffversorgungsanlage ist mit einer Heizung (elektrisch oder Dampf) zur Vorwärmung des Kraftstoffs auf bis zu 160 C versehen. Die Erstbefüllung des Einspritzsystems am Motor erfolgt zur Gewährleistung einer vollständigen Entlüftung mit Diesel- Abb. 9 Modulares Common Rail System für Schweröl. 1 Tanksystem; 2 Förderpumpe; 3 beheizte Leitungen; 4 Kraftstofffilter; 5 Hochdruckpumpe mit Zumesseinheit; 6 Raildrucksensor; 7 Pumpenspeicher; 8 3/2-Wegeventil; 9 Speichereinheit; 10 Durchflussbegrenzer; 11 mechanischer Düsenhalter; 12 Spülventil; 13 Luft; 14 Druckbegrenzungsventil; 15 Drehzahlsensor Kurbelwelle; 16 Drehzahlsensor Nockenwelle; 17 Steuergerät; 18 Eingänge für die Sensoren; 19 Ausgänge für die Aktoren

12 12 T. Becker et al. kraftstoff. Vor Inbetriebnahme des Motors wird die Kraftstoffversorgungsanlage über eine besondere Spüleinrichtung mit vorgewärmtem Schweröl befüllt. Die Hochdruckpumpen, Druckspeicher und Magnetventile werden während des Betriebs und bei üblichen kurzen Motorstillsetzungen durch zirkulierendes, vorgewärmtes Schweröl dauernd beheizt. Im Falle einer längeren Stilllegung des Motors, beispielsweise bei Servicearbeiten, wird vor dem Abstellen für einen kurzen Zeitraum auf Dieselbetrieb umgeschaltet. Dadurch wird das Schweröl im Einspritzsystem verbraucht und das System mit dünnflüssigem Dieselöl befüllt. Eine Niederdruck-Kraftstoffpumpe fördert den Kraftstoff über elektromagnetisch angesteuerte Drosselventile zu den Hochdruckpumpen, welche über Druckventile den Kraftstoff in den Pumpenspeicher drücken. Von dort wird der Kraftstoff zu den in Serie geschalteten Speichereinheiten geführt. Die Speichereinheiten bestehen aus einem massiven Rohrteil, auf welchem an beiden Stirnseiten jeweils ein Speicherdeckel dichtend befestigt ist. Die Speicherdeckel enthalten einen radialen Anschluss für die Verbindungsleitung zur nächsten Speichereinheit. Weiterhin ist auf den Speicherdeckeln je eine Ventilgruppe mit einem 3/2-Wegeventil montiert, welche die Einspritzmenge über die Einspritzleitungen an die Injektoren zumisst. Durch die Zwischenschaltung des Pumpenspeichers, der von den Hochdruckpumpen beliefert wird, können die dynamischen Druckschwingungen niedrig gehalten werden. Die Fördermenge der Hochdruckpumpen wird unter Auswertung des vom Raildrucksensor gemeldeten Kraftstoffdruckes und dem jeweiligen Betriebszustand des Motors vom elektronischen Steuergerät berechnet. Das elektromagnetisch angesteuerte Drosselventil (Zumesseinheit) in der Niederdruckleitung bemisst die den Hochdruckpumpen zugeführte Kraftstoffmenge und regelt so den Kraftstoffdruck. Jede Speicherdeckel/Ventilgruppen-Kombination enthält Komponenten und Anschlüsse, die zur Kraftstoffzuführung und -weiterleitung sowie zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung an den Injektoren dienen. Auf dem Weg aus dem Innenraum der Speichereinheit zur Ventilgruppe und von dort zum Injektor wird der Kraftstoff durch einen Durchflussbegrenzer geleitet. Ein federbelasteter Kolben führt in dieser Komponente bei jeder Einspritzung einen der Einspritzmenge proportionalen Hub aus und kehrt in der Spritzpause in seine Ausgangslage zurück. Wenn jedoch die Einspritzmenge einen festgelegten Grenzwert überschreiten sollte, so wird der Kolben am Ende seines Hubes an einen Dichtsitz an der Auslassseite gedrückt und verhindert dadurch eine Dauereinspritzung am Injektor. Die Ventilgruppe ist als 3/2-Wege-Ventil ausgeführt, welches über ein vom Steuergerät elektromagnetisch angesteuertes 2/2-Wege-Ventil betätigt wird und damit dem Hochdruckkraftstoff den Weg aus der Speichereinheit über den Durchflussbegrenzer zum Injektor freigibt. Die Hochdruckleitungen und Speichereinheiten sind doppelwandig ausgeführt, so dass bei Leckagen durch Bruch oder an den Anschlüssen kein Kraftstoff nach außen gelangen kann. Durch Schwimmerschalter erfolgt in einem solchen Fall die Warnung an das Bedienungspersonal. Zum Spülen des Hochdrucksystems ist nach der letzten der in Serie geschalteten Speichereinheiten ein Spülventil angeordnet. Das Spülventil wird über eine pneumatische Betätigung geöffnet. Das Schweröl wird nun von der Niederdruck- Kraftstoffpumpe durch die Drosselventile und Saugventile durch die Pumpenräume der Hochdruckpumpen über den Pumpenspeicher durch die Speichereinheiten und das geöffnete Spülventil zurück in den Kraftstofftank gepumpt. Nach ausreichender Erwärmung der Einspritzanlage wird das Spülventil geschlossen und der Motor gestartet. Das Spülventil dient auch zur Druckentlastung des Hochdruckteils der Einspritzanlage für den Fall von Wartungs- oder Reparaturarbeiten. Durch die Anordnung des 3/2-Wege-Ventils der Ventilgruppe und die Verwendung eines konventionellen Injektors ist ein Tausch der Einspritzdüsen als Verschleißteil an Bord des Schiffes wie bei konventionellen Einspritzsystemen möglich. Die modulare Aufgliederung der Baueinheiten und Zuordnung zu den einzelnen Motorzylindern verringert den Material-, Montage- und Serviceaufwand und ermöglicht kurze Leitungslängen zu den Injektoren.

13 Common-Rail-Systeme 13 Das Schweröl-Common Rail Einspritzsystem für mittelschnelllaufende Großdieselmotoren ist seit 2010 im Feldbetrieb. Es wurden deutliche Verbesserungen im Vergleich zum mechanischen System hinsichtlich Partikel- und NO x -Emissionen und Kraftstoffverbrauch erzielt, siehe auch Kap. Schwerölbetrieb von Schiffs- und Stationärmotoren. Literatur 1. Leonhard, R., Parche, M., Alvarez-Avila, C., Krauß, J., Rosenau, B.: Pressure-amplified common rail system for commercial vehicles. MTZ 70, (2009) 2. Schmid, L., Lengenfelder, T., Sassen, K., Sommerer, A.: CO2 Optimierung des Common-Rail Einspritzsystems für Nutzfahrzeugmotoren. 2. Internationaler Motorenkongress, Baden-Baden (2015) Weiterführende Literatur Reif, K., Dietsche, K.-H. (Hrsg.): Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 28. Aufl. Springer Vieweg, Wiesbaden (2014) Reif, K. (Hrsg.): Dieselmotor-Management. 5. Aufl. Springer Vieweg, Wiesbaden (2012) van Basshuysen, R., Schäfer, F. (Hrsg.): Handbuch Verbrennungsmotor. 7. Aufl. Springer Vieweg, Wiesbaden (2015) Dohle, U., Hammer, J., Kampmann, S., Boecking, F.: PKW Common Rail Systeme für künftige Emissionsanforderungen. MTZ 67-7/8, 552 ff. (2005) Egger, K., Klügl, W., Warga, J.W.: Neues Common Rail Einspritzsystem mit Piezo-Aktorik für Pkw- Dieselmotoren. MTZ 9, 696 ff. (2002) Dohle, U., Boecking, F., Groß, J., Hummel, K., Stein, J.O.: 3. Generation Pkw Common Rail von Bosch mit Piezo- Inline-Injektoren. MTZ 3, 180 ff. (2004) Leonhard, R., Warga, J.: Common Rail System von Bosch mit 2000 bar Einspritzdruck für Pkw. MTZ 69, (2008) Kendlbacher, C., Müller, P., Bernhaupt, M., Rehbichler, G.: Large engine injection systems for future emission legislations. CIMAC Congress, Bergen (2010) Kendlbacher, C., Blatterer, D., Bernhaupt, M.: Injection technology for marine diesel engines. In: 6th International MTZ-Conference Heavy-Duty-, On- and Off- Highway-Engines Injection Technology for Marine Diesel Engines, Kiel (2011) Kendlbacher, C., Lengenfelder, T., Blatterer, D., Bernhaupt, M., Meisl, C., Robert Bosch AG, Austria: The 2200 bar modular common rail injection system for large engine diesel & HFO engines. CIMAC Congress, Shanghai (2013)