Common-Rail-Einspritzung
Bei der Common-Rail-Einspritzung handelt es sich um Einspritzsysteme für Verbrennungsmotoren, bei denen nur eine Einspritzpumpe verwendet wird. Der unter Druck stehende Kraftstoff wird anschließend über ein Rohrleitungssystem zu den einzelnen Zylindern verteilt.
Common-Rail-System wurden für Direkteinspritzungen für Dieselmotoren entwickelt. Die Direkteinspritzung für Benzinmotoren befindet sich noch im Anfangstadium seiner Entwicklung, obwohl erste Flugzeugmotoren (beispielsweise der der Me109) schon zu Zeiten des 2. Weltkrieges über Benzin-Direkteinspritzung verfügten und zuverlässig eingesetzt wurden.
Das Diesel-Common-Rail-System
Das Diesel-Common-Rail-System wird als Speichereinspritzung bezeichnet, obwohl sich der Druck von Flüssigkeiten aufgrund der sehr geringen Kompressibilität praktisch nicht speichern läßt.
Das komprimierbare Volumen des Kraftstoffes im Common-Rail liegt in der Größenordnung der Kraftstoffmenge einer Einzeleinspritzung. Daher muß eine Hochdruckpumpe dauernd für die Aufrechterhaltung des Druckes sorgen.
Der Raildruck (also der Druck im Druckspeicher) von zur Zeit bis zu 160 MPa (1600 bar) kann für sehr hohe Einspritzdrücke genutzt werden. An einer weiteren Erhöhung auf 200 MPa (2000 bar) und mehr wird gearbeitet.
Das Hauptziel ist hierbei die Optimierung des Verbrennungsprozesses vor dem Hintergund einer weiteren Verbesserung der Motorlaufeigenschaften sowie einer weiteren Reduzierung der Partikelemissionen. Die vom Verbrennungsmotor angetriebene Hochdruckpumpe bringt den vom Vorfördersystem, welches bei den aktuellsten Systemen zumeist auf einer elektrischen Vorförderpumpe beruht, aus dem Tank bereitgestellten Kraftstoff auf den erforderlichen und vom Steuergerät vorgegebenen Einspritzdruck im Druckspeicher. Die Injektoren (Einspritzdüsen) sind an das gemeinsame Hochdruckrail (Kraftstoffsammelschiene) angeschlossen, das mit dem Druckspeicher verbunden ist und spritzen den Kraftstoff direkt in den Brennraum.
Die Injektoren ("Einspritzdüsen") werden nicht wie bei Verteilereinspritzanlagen, Hubschieber-Reiheneinspritzanlagen oder Pumpe-Düse-Systemen durch den Kraftstoffdruck geöffnet, sondern werden elektrisch angesteuert. Über die Zeitdauer und die Stromstärke der Injektorbestromung kann der Einspritzverlauf beeinflußt werden sowie extrem kurze Öffnungszeiten erreicht werden, die eine oder mehrere Voreinspritzungen vor der eigentlichen Haupteinspritzung ermöglichen. Die Voreinspritzungen (ist als Einmalvorgang auch mit elektronisch beeinflussbaren Verteilerpumpen sowie beim System Pumpe-Düse möglich) heizen den Brennraum gewissermaßen vor und führen damit zu einem weicheren Verbrennungsablauf der Haupteinspritzung. Insbesondere bei den modernsten Systemen, mit piezoelektrisch betätigten Injektoren, arbeitet man mit mehreren Voreinspritzungen. Sowohl die Einspritzzeitpunkte als auch der jeweilige Einspritzdruck (auch in seinem zeitlichen Verlauf) können nahezu frei festgelegt werden. Dies erleichtert die Anpassung an den jeweiligen Betriebszstand des Verbrennungsmotors.
Die Einspritzdüsen ("Injektoren") werden entweder elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigt, angesteuert vom elektronischen Motorsteuergerät.
Das Steuergerät errechnet aus den Signalen mehrerer Temperaturfühler (Kühlwasser, Ladeluft und Schmieröl), Luftmassenmesser, Fahrpedalstellungsgeber, gegebenenfalls Lambdasonde, Drehzahl- und Phasengeber sowie Raildruckgeber die notwendige Einspritzmenge und betätigt die Injektoren mit den entsprechenden Steuerimpulsen für Spritzbeginn und -ende.
Zwar ist hinsichtlich Abgas- und insbesondere Laufverhalten von Dieselmotoren mit dem Common-Rail-System ein Quantensprung gelungen, es ist aber eine weitaus höhere Anzahl von Komponenten dazu notwendig, woraus sich extrem hohe Anforderungen an deren Zuverlässigkeit ergeben.
Weiterhin hat eine Common-Rail Einspritzanlage systembedingt folgende Nachteile: Zum permanenten Aufrechterhalten des hohen Rail-Druckes muß eine gewisse Leistung vom Motor aufgebracht werden. Da der Kraftstoff nur in sehr geringem Maße kompressibel ist, geht der größte Teil der dafür aufgewandten Arbeit in Wärme über. Daraus resultiert eine gewisse Verringerung des gesamtmotorischen Wirkungsgrades sowie die Notwendigkeit einer Kraftstoffkühlung.
Mit Ausnahme der VW AG, die für einen Teil ihrer Pkw-Dieselmotoren auf das konkurrierende System Pumpe-Düse setzt, verwenden alle Pkw-Hersteller das Common-Rail-System für ihre laufenden Dieselprojekte.
Artikel aus Common Rail
Die Common-Rail Technik ist eine noch recht neue Entwicklung auf dem Gebiet der Gemischaufbereitung in KFZ-Motoren. Beim Common-Rail-System sind die Druckerzeugung und die Kraftstoffeinspritzung voneinander getrennt. Eine separate, an beliebiger Stelle am Motor einbaubare Pumpe erzeugt kontinuierlich Druck. Dieser wird in einer Verteilerleiste gespeichert. Über Leitungen sind die Einspritzdüsen aller Zylinder parallel mit der Verteilerleiste verbunden. Ein konstanter Druck steht ununterbrochen an den Einspritzdüsen aller Zylinder zur Verfügung. Einspritzmenge und -zeitpunkt werden über Magnetventile an den einzelnen Einspritzdüsen gesteuert. Der maximale Einspritzdruck an der Düse liegt bei 1.350 bar.
Zum ersten Mal kam die Common-Rail Technik im Oktober 1997 im zur Fiat Gruppe gehörenden Alfa 156 zum Einsatz. 1998 folgte Mercedes mit dem 220 CDI als erster deutscher Hersteller dieser Entwicklung.