Nocken-kanten- und Nockenzeitgesteuerte

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1 Nocken-kanten- und Nockenzeitgesteuerte Systeme Ulrich Projahn Zusammenfassung Aufbau und Antrieb der Nocken-kanten- und Nocken-zeitgesteuerten Einspritzsysteme werden beschrieben und der Vorgang der Mengenzumessung erläutert. Die unterschiedlichen Verteilereinspritzpumpenbauarten mit Axialund Radialkolbenhochdruckpumpe, mit kantengesteuerter Zumessung und elektromagnetischem Stellwerk sowie die nockenzeitgesteuerte Pumpe werden dargestellt und behandelt. Den Schwerpunkt der Einzelpumpensysteme bilden Unit Injector und Unit Pump. Kraftstoffzumessung, Einspritzvorgang und Spritzbeginnregelung werden am Beispiel Unit Injector ausführlich dargelegt. Inhalt 1 Reiheneinspritzpumpen Verteilereinspritzpumpen Einzelpumpensysteme... 4 Literatur... 6 U. Projahn (*) BMS, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Deutschland Ulrich.Projahn@de.bosch.com 1 Reiheneinspritzpumpen Die Reiheneinspritzpumpe wird seit 1927 gefertigt und wurde im Lauf der Jahre immer weiterentwickelt und an die sich ändernden Bedürfnisse angepasst. Sie gilt als robust (Anschluss an Schmierölkreislauf des Motors) und wartungsfreundlich. Anwendungsgebiete sind Motoren mit bis zu zwölf Zylindern für alle Arten von Nutzfahrzeugen und Industriemotoren mit Leistungen bis zu 200 kw pro Zylinder und Einspritzdrücken von bis zu bar. Reiheneinspritzpumpen für Pkw werden heute nicht mehr produziert. In der Reiheneinspritzpumpe, Abb. 1, sind die Pumpenelemente, bestehend aus Pumpenzylinder und Pumpenkolben, entsprechend der Anzahl der vorhandenen Motorzylinder in einem eigenen Gehäuse zusammengefasst. Die Pumpenkolben werden durch eine pumpeneigene Nockenwelle bewegt, die ihrerseits durch den Steuerrädertrieb des Motors angetrieben wird. Die Mengenzumessung erfolgt ausschließlich über Kantensteuerung durch Verdrehen der Pumpenkolben. Jeder Pumpenkolben hat eine schräge Steuerkante, so dass in Verbindung mit der zylinderseitigen, ortsfesten Steuerbohrung, abhängig von der Winkelposition des Pumpenkolbens, ein unterschiedlicher Förderhub und damit eine unterschiedliche Einspritzmenge gefördert bzw. eingestellt werden kann. Der Gesamtkolbenhub ist dabei jeweils konstant und entspricht der Nockenerhebung. Am Hochdruckausgang der Reihenpumpe trennt ein Druckventil den Hochdruckbereich in der Pumpe von der Einspritz- # Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 H. Tschöke et al. (Hrsg.), Handbuch Dieselmotoren, VDI Reference, DOI / _22-1 1

2 2 U. Projahn leitung und dem Düsenhalter, so dass nach der Einspritzung im System Leitung Düse der dort befindliche Kraftstoff vorgespannt bleibt, das heißt ein gewisser Standdruck vorhanden ist. Oft ist in dieses Druckventil eine Rückströmdrossel integriert, die dafür sorgt, dass es zu keinem Nachspritzer mit nur geringem Einspritzdruck kommt. Die Verdrehung des Kolbens erfolgt bei allen Zylindern gleichzeitig über eine Regelhülse, die mit einer längsbeweglichen Regelstange formschlüssig verbunden ist. Die Fördermenge kann damit zwischen Nullförderung und maximaler Menge reguliert werden. Die Regelstange selbst wird durch den mit der Einspritzpumpe verbundenen Regler bewegt. Der Regler kann entweder ein mechanischer Fliehkraftregler sein, der die Regelstange drehzahlabhängig verschiebt und damit insbesondere die Endabregelung realisiert oder ein elektronischer Regler, der über ein elektromagnetisches Stellwerk auf die Regelstange wirkt. Zur Anpassung der Einspritzmenge an die unterschiedlichsten Betriebsbedingungen sind bei mechanisch geregelten Pumpen Aufschaltgruppen notwendig, zum Beispiel ein ladedruckabhängiger Volllastanschlag. Zur sicheren Versorgung der Pumpenelemente mit Kraftstoff ist eine Niederdruckförderpumpe an der Reihenpumpe angebaut, die durch einen speziellen Nocken auf der pumpeneigenen Nockenwelle betätigt wird. Diese Förderpumpe versorgt den Saugraum der Reihenpumpe mit Kraftstoff unter einem Druck bis ca. 3 bar. Anspruchsvollere neue Abgasemissionsgrenzwerte für Nutzfahrzeugmotoren führten zur Entwicklung der Hubschieberpumpe. Mit ihr kann neben der Einspritzmenge auch der Einspritzbeginn unabhängig von der Motordrehzahl verändert werden. Dazu wird über eine elektromagnetisch gesteuerte Stellwelle der Pumpenzylinder im Bereich der Steuerkanten (Hubschieber) verschoben. Zusätzliche Freiheitsgrade, wie sie aufgrund der weltweit gestiegenen gesetzlichen Rahmenbedingungen für alle Anwendungen hinsichtlich Abgasemission und Verbrauch gefordert werden, lassen sich technisch mit Reiheneinspritzpumpensystemen nicht mehr realisieren. Daher werden diese zunehmend durch Common Rail Einspritzsysteme ersetzt. 2 Verteilereinspritzpumpen Die Verteilereinspritzpumpe ist, neben der Reiheneinspritzpumpe, die zweite kompakte Pumpenbauart. Anwendungsgebiete sind Motoren mit bis zu sechs Zylindern für Pkw, Schlepper sowie leichte und mittlere Nutzfahrzeuge mit bis zu 50 kw pro Zylinder. Die Verteilerpumpe besteht aus Niederdruck-Förderpumpe, Hochdruckförderpumpe mit Verteiler, Spritzverstellereinheit, Abb. 1 Reihenpumpe, Bauart P, Robert Bosch GmbH. 1 Druckventilhalter; 2 Füllstück; 3 Druckventilfeder; 4 Pumpenzylinder; 5 Druckventil; 6 Saug- und Steuerbohrung; 7 Steuerkante; 8 Pumpenkolben; 9 Regelhülse; 10 Kolbenfahne; 11 Kolbenfeder; 12 Federteller; 13 Rollenstößel; 14 Nockenwelle; 15 Regelstange

3 Nocken-kanten- und Nocken-zeitgesteuerte Systeme 3 Drehzahl-/Mengen-Regler, elektrische Abstellvorrichtung (Pumpen mit Regelschieber) und Funktionsaufschaltgruppen (mechanisch geregelte Pumpen). Die Hochdruckpumpe kann als Axialkolben- (bis 1550 bar an der Einspritzdüse) oder Radialkolbenpumpe (bis 2000 bar an der Einspritzdüse) ausgeführt sein. Verstellung des Einspritzbeginns Die last- und drehzahlabhängige Spritzbeginnanpassung übernimmt in der Verteilerpumpe der Spritzversteller, der den Rollenring bei der Axialkolbenpumpe bzw. den Nockenring bei der Radialkolbenpumpe bis zu ca. 20 Grad Nockenwinkel (von extremer Spät- bis zu extremer Frühlage) verdrehen kann. Das Verdrehen der Ringe erfolgt über Druckbeaufschlagung oder -entlastung des Spritzverstellerkolbens mit dem drehzahlproportionalen Druck, erzeugt von einer in der Hochdruckpumpe integrierten Flügelzellen-Vorförderpumpe. Der Druck auf diesem Kolben kann mit Hilfe eines pulsweitenmoduliert angesteuerten Magnetventils in Verbindung mit einem Spritzbeginnsensor genau eingestellt werden. Daneben gibt es als Spritzverstellervariante den Nachlauf- Spritzversteller mit einem in den Verstellkolben integrierten Steuerkolben. Dies führt zu einer verbesserten Regeldynamik, da der Steuerkolben unabhängig von Reibungseinflüssen an Rollenring und Spritzverstellerkolben reagiert. Man unterscheidet Verteilereinspritzpumpen mit mechanischer und mit elektronischer Regelung, bei denen es kantengesteuerte Ausführungen mit Drehmagnetstellwerk und Ausführungen mit Magnetventilsteuerung gibt. Die elektronisch geregelte Verteilereinspritzpumpe, Abb. 2, benötigt, im Gegensatz zur mechanischen Variante, keine separaten Funk- Abb. 2 Elektronisch geregelte Verteilereinspritzpumpe in Axialkolbenbauart (kantengesteuerte Mengenzumessung und elektromagnetisches Stellwerk), Typ VE, Robert Bosch GmbH. 1 Förderpumpe; 2 Rollenring; 3 Spritzversteller; 4 Hubscheibe; 5 Regelschieber; 6 Magnetventil für Spritzverstellung; 7 Druckventilhalter; 8 Verteilerkolben; 9 elektrisches Abstellventil; 10 elektrisches Mengenstellwerk mit Rückmeldesensor; 11 Stellwelle

4 4 U. Projahn tionsaufschaltungen, da sie über Sensoren und das Steuergerät Menge und Spritzbeginn regeln kann. Das Mengenstellwerk ist ein Drehmagnetsteller mit einem Induktivgeber, der eine sehr genaue Information über die Position des Regelschiebers an das Motorsteuergerät liefert. Dies ermöglicht eine genaue und flexible Mengenzumessung. Die besonderen Vorteile der magnetventilgesteuerten Verteilereinspritzpumpe, Abb. 3, liegen in einer hohen Genauigkeit (Abgleichmöglichkeit durch Baueinheit von Steuergerät und Pumpe), einer hohen Mengendynamik (zylinderindividuelle Mengenzumessung) und einer Förderratenbeeinflussung durch variablen Förderbeginn. Der Schließzeitpunkt des 2/2-Hochdruckmagnetventils bestimmt den Förderbeginn, sein Öffnungszeitpunkt legt über den Kolbenhub die Fördermenge fest. Die Steuerung von Förderbeginn und Förderende (Förderdauer) erfolgt über die Verarbeitung von Winkel- und Drehzahlsignalen pumpen- und motorinterner Sensoren im Pumpensteuergerät. Während kantengesteuerte Einspritzpumpen nicht geeignet sind Voreinspritzungen durch Unterbrechung der Förderphase zu erzeugen, ist dies mit magnetventilgesteuerten Verteilereinspritzpumpen möglich. Dazu wird das Magnetventil der Pumpe zweimal über das Pumpensteuergerät angesteuert. Zunächst für die Voreinspritzmenge (typischerweise 1,5 2 mm 3 /Einspritzung), danach für die Haupteinspritzmenge. In Pkw und Nutzfahrzeugen wurden die Verteilereinspritzpumpen weitgehend von den Common Rail Systemen verdrängt 3 Einzelpumpensysteme Zylindermodulare Einzelpumpensysteme mit mechanischer Regelung finden Anwendung bei Kleinmotoren und Motoren im Off-Highway-Bereich einschließlich Großmotoren für Lokomotiven- und Schiffsantriebe. Bei Großmotoren gibt es auch Sonderbauarten, die die Verwendung von Abb. 3 Elektronisch geregelte Verteilereinspritzpumpe in Radialkolbenbauart mit Magnetventilsteuerung, Typ VP44, Robert Bosch GmbH. 1 Drehwinkelsensor; 2 Antriebswelle; 3 Flügelzellenpumpe; 4 Spritzversteller; 5 Radialkolbenpumpe (a Nockenring; b Rolle; c Förderkolben; d Verteilerwelle; e Rollenschuh); 6 Spritzversteller- Taktventil; 7 Verteilerwelle; 8 Hochdruckanschluss; 9 Hochdruckmagnetventil; 10 elektronisches Steuergerät

5 Nocken-kanten- und Nocken-zeitgesteuerte Systeme 5 Schweröl erlauben, s. Kap. Schwerölbetrieb von Schiffs- und Stationärmotoren. Weiterentwicklungen sind auch als Hochdruckpumpen in Common Rail Systemen in Verwendung [1]. Kennzeichnend für diese Systeme ist, dass der Antrieb für die Pumpenkolben über spezielle Nocken auf der Motornockenwelle erfolgt. Daher leitet sich auch der Begriff PF-Pumpe (Pumpe mit Fremdantrieb) ab. Die Anordnung der Einzylinderpumpen unmittelbar bei den zugeordneten Motorzylindern erlaubt sehr kurze Einspritzleitungen, was den Systemwirkungsgrad auf Grund geringerer hydraulischer Verluste verbessert. Die identischen Komponenten vereinfachen die Anpassung an Motorbauform und Zylinderzahl sowie die Ersatzteilhaltung. Ihre Grundfunktion entspricht der mechanisch geregelten Reihenpumpe mit Regelstange. Eine freie Anpassung des Spritzbeginns ist daher nur mit hohem konstruktivem Aufwand möglich. Dies führte zur Entwicklung der magnetventilgesteuerten Einzelpumpensysteme Unit Injector System (auch: Pumpe-Düse-Einheit PDE) und Unit Pump System (auch: Pumpe-Leitung-Düse PLD), die lange Zeit die dominierenden Einspritzsysteme im Nutzfahrzeugbereich waren. Anwendungen im Pkw-Bereich blieben auf das Unit Injector System beschränkt. Aufgrund gestiegener Anforderungen an die Flexibilität des Einspritzsystems und des Antriebsgeräuschs wurden UI- und UP-Systeme in den letzten Jahren mehr und mehr von Common Rail Systemen abgelöst. Im Unit Injector System (UIS) bilden die druckerzeugende Pumpe und das Einspritzventil eine Baueinheit, wodurch das Totvolumen minimiert und sehr hohe Einspritzdrücke (bis 2200 bar bei Volllast) erreicht werden können, Abb. 4. Je Motorzylinder ist im Zylinderkopf ein Injektor (bestehend aus Hochdruckpumpe, Einspritzdüse und Magnetventil) eingebaut, dessen Düse in den Verbrennungsraum hineinragt. Die Motornockenwelle besitzt für jeden Unit Injector einen Antriebsnocken, dessen Hub über einen Kipphebel auf den Pumpenkolben übertragen wird. Dieser bewegt sich dadurch mit Unterstützung der Rückstellfeder auf und ab. Während des Saughubs (Pumpenkolben bewegt sich nach oben) fließt der im Niederdruckteil unter ständigem Überdruck stehende Kraftstoff in den Hochdruckraum Abb. 4 Unit Injector für Nkw, Robert Bosch GmbH, Einbau im Zylinderkopf. 1 Gleitscheibe; 2 Rückstellfeder; 3 Pumpenkolben; 4 Pumpenkörper; 5 Stecker; 6 Hochdruckraum; 7 Zylinderkopf des Motors; 8 Kraftstoffrücklauf; 9 Kraftstoffzulauf; 10 Federhalter; 11 Druckbolzen; 12 Zwischenscheibe; 13 Einspritzdüse; 14 Spannmutter; 15 Anker (Hochdruckmagnetventil) 16 Spule des Elektromagneten; 17 Magnetventilnadel; 18 Magnetventilfeder der Pumpe. Zu einem vom Steuergerät bestimmten Zeitpunkt wird das Hochdruckmagnetventil geschlossen. Durch Auswertung des Stromverlaufs im Magnetventil wird der genaue Schließzeitpunkt (= elektrischer Spritzbeginn) ermittelt und zur Spritzbeginnregelung und Korrektur der Ansteuerimpulsdauer (Reduzierung der Mengentoleranzen) verwendet. Der Kraftstoff im Hochdruckraum wird durch den Pumpenkolben bis zum Erreichen des Düsenöffnungsdrucks (= tatsächlicher Spritzbeginn) komprimiert, die Düsennadel dadurch angehoben und der Kraftstoff in

6 6 U. Projahn Abb. 5 Unit Pump- System, Robert Bosch GmbH. 1 Einspritzdüsenhalter; 2 Druckrohrstutzen; 3 Hochdruckleitung; 4 Anschluss; 5 Hubanschlag; 6 Magnetventilnadel; 7 Platte; 8 Pumpenkörper; 9 Hochdruckraum; 10 Pumpenkolben; 11 Motorblock; 12 Rollenstößelbolzen; 13 Nocken; 14 Federteller; 15 Magnetventilfeder; 16 Ventilgehäuse mit Spule und Magnetkern; 17 Ankerplatte; 18 Zwischenplatte; 19 Dichtung; 20 Kraftstoffzulauf; 21 Kraftstoffrücklauf; 22 Pumpenkolben- Rückhalteeinrichtung; 23 Stößelfeder; 24 Stößelkörper; 25 Federteller; 26 Rollenstößel; 27 Stößelrolle den Verbrennungsraum eingespritzt. Infolge der hohen Förderrate des Pumpenkolbens steigt der Druck während des gesamten Einspritzvorgangs weiter an (dreieckförmiger Einspritzverlauf). Der maximale Spitzendruck wird kurz nach Abschalten des Elektromagneten erreicht, danach bricht der Druck sehr schnell zusammen. Die Dauer der Ansteuerung des Magnetventils bestimmt die eingespritzte Kraftstoffmenge. Durch eine elektronisch gesteuerte Voreinspritzung (zweifaches Ansteuern des Magnetventils) im unteren Drehzahl- und Lastbereich kann das Verbrennungsgeräusch deutlich verringert und das Kaltstartverhalten verbessert werden. Weiterhin ermöglicht das System ein Abschalten einzelner Zylinder, zum Beispiel im Teillastbereich. Das Unit Pump System (UPS) besteht aus der Hochdruckpumpe mit integriertem Magnetventil ähnlich der des Unit Injectors, einer kurzen Einspritzleitung, Druckrohrstutzen und konventioneller Düsenhalterkombination, Abb. 5. Die Steuerung von Spritzbeginn und Menge erfolgt analog dem Unit Injector System. Neben dem dreiecksförmigen Einspritzverlauf kann durch konstruktive Anpassung des Magnetventils (Zwischenhubbegrenzung mittels beweglichem Hubanschlag) auch ein bootförmiger Einspritzverlauf realisiert werden [2]. Literatur 1. Parche, M., Sassen, K.P., Leonhard, R., Alvarez-Avila, C.: Bosch 2000/2200 bar Common Rail System für Nutzfahrzeuge, 31. Wiener Motorensymposium (2010) 2. Maier, R., Projahn, U., Albrecht, W., Potschin, R., Storbeck, K.: Unit Injector/Unit Pump Effiziente Einzelpumpensysteme mit hohem Potential für künftige Emissionsforderungen, 3. Dresdner Motorensymposium (1999)

7 Nocken-kanten- und Nocken-zeitgesteuerte Systeme 7 Weiterführende Literatur Reif, K. (Hrsg.): Klassische Diesel-Einspritzsysteme: Reiheneinspritzpumpen, Verteilereinspritzpumpen, Düsen, mechanische und elektronische Regler. Springer Vieweg, Wiesbaden (2011) 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) Merker, G.P., Teichmann, R. (Hrsg.): Grundlagen Verbrennungsmotoren. 7. Aufl. Springer Vieweg, Wiesbaden (2014)