Common-Rail-Einspritzung

Bei der Common-Rail-Einspritzung, die auch „Speichereinspritzung” genannt wird, handelt es sich um Einspritzsysteme für Verbrennungsmotoren, bei denen eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau bringt. Der unter Druck stehende Kraftstoff füllt ein Rohrleitungssystem, das bei Motorbetrieb ständig unter Druck steht.

Begriffsherkunft

Der Begriff Common Rail stammt aus dem Englischen und steht für gemeinsame Schiene. Er beschreibt die Verwendung einer gemeinsamen Kraftstoff-Hochdruckleitung mit entsprechenden Abgängen zur Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff.

Anwendungsbereich

Einspritzung beim Common-Rail-Verfahren

Die Grundidee ist die vollständige Trennung der Druckerzeugung vom eigentlichen Einspritzvorgang. Nur in diesem Fall ist eine ausschließlich durch Kennfelder gesteuerte Einspritzung möglich. Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge werden durch die Motorelektronik gesteuert. Die elektrischen Signale steuern ein elektrisch betätigtes Ventil je Zylinder, das in die Einspritzdüse eingebaut ist. Durch die kurzen Wege zwischen Ventil und Einspritzdüse ergeben sich kurze Druckanstiegszeiten, was dem Verbrennungsprozess und dessen Steuerung zugute kommt. Es sind verschiedene Einspritzungen realisierbar, z. B. Voreinspritzung, Haupteinspritzung und Nacheinspritzung. In Abhängigkeit vom Steuergerät sind diese frei steuerbar.

Unterschiede zur klassischen Einspritzung

Motoren mit Reihen- oder Verteilereinspritzpumpe weisen für jeden Zylinder eine eigene Hochdruckleitung zwischen Einspritzpumpe und Einspritzdüse auf. Diese Hochdruckleitungen sind untereinander nicht verbunden. Die Einspritzung wird direkt durch den entsprechenden Kolben der Einspritzpumpe ausgelöst.

Bei klassischen Einspritzpumpen ist die Einspritzmenge und -dauer vom Kolbenhub (und damit vom Kurbelwinkel) abhängig. Das erlaubt genau einen Einspritzvorgang pro Arbeitstakt, der durch spezielle Düsengestaltung (Vorhub) zusätzlich variiert werden kann. Durch die Common-Rail-Technik ist es möglich, die Einspritzmenge und -dauer unabhängig vom Kurbelwinkel zu gestalten und so auch eine Mehrfacheinspritzung zu ermöglichen.

Kurz vor dem Siegeszug der Common-Rail-Einspritzsysteme wurden auch bereits Verteilereinspritzpumpen (BOSCH-VP44-Radialkolbenpumpe sowie VP30- und VP37-Axialkolbenpumpe) mit Hochdruckmagnetventilen zur Mengenzumessung versehen. Diese Technik ermöglicht es, den direkt an den Kurbelwinkel gekoppelten Einspritzverlauf während der Verdichtungsphase des Kraftstoffes durch Öffnen und Schließen des Ventils zu beeinflussen. Damit gelang es, auch in der VE-Pumpen-Technik bis zu drei Einspritzvorgänge pro Arbeitstakt zu realisieren. Die möglichen Freiheitsgrade eines Common-Rail-Systems wurden damit jedoch nicht erreicht.

Geschichte

Common-Rail-Systeme wurden für Direkteinspritzungen für Dieselmotoren entwickelt. Einspritzsysteme für Benzinmotoren arbeiten bei Multipoint-Einspritzungen nach demselben Prinzip, jedoch bei wesentlich geringerem Einspritzdruck.

Das Prinzip ist aus der Forschung der ETH Zürich in den Jahren 1976 bis 1992 entstanden, wurde dort jedoch niemals an einem Fahrzeug eingesetzt. Durch kontinuierliches Pumpen von Dieseltreibstoff in ein zentrales Druckrohr wird der Einspritzdruck erzeugt. Dieses Hochdruck-Verteilerrohr (Rail) dient gleichzeitig als Reservoir für die Versorgung aller Einspritzventile.

1985 wurde in der DDR ein entsprechend modifizierter W50-LKW im Strassenverkehr-Dauerbetrieb erfolgreich erprobt, die Entwicklung 1987 aber wegen fehlender Kapazitäten zur Produktionseinführung abgebrochen. Der entsprechende Prototypmotor ist heute im Industriemuseum Chemnitz zu besichtigen.

Ende der Achtziger Jahre begann, basierend auf den Ergebnissen der ETH, die Vorbereitung des Unijet-Systems. Die Anlage wurde von Magneti Marelli, dem Centro Ricerche Fiat und Elasis nach dem Prinzip Common Rail entwickelt. Diese Phase wurde im Jahr 1994 abgeschlossen. Für letzte Entwicklungsarbeiten und den Übergang zur industriellen Fertigung wurde mit Bosch zusammengearbeitet. So kam elf Jahre nach dem Fiat Croma TD i.d. im Oktober 1997 ein weiteres Fahrzeug auf den Markt: der Alfa Romeo 156 JTD.

1998 folgte Mercedes Benz mit dem C220 CDI als erster deutscher Hersteller dieser Entwicklung.

Im Bereich der Groß-Dieselmotoren wird durch die "Firma L'Orange" seit 1996 Common-Rail-Einspritzung für die "MTU Motoren der Baureihe 4000" produziert. L'Orange ist das weltweit einzige Unternehmen, das Common-Rail-Technologie auch für Schwerölmotoren fertigt.

Bei den Benzin-Pkw ist VW (in Zusammenarbeit mit dem Zulieferer Bosch) ein Verfechter der Direkteinspritzung. In den letzten Jahren wurde ein Großteil des Motorenprogramms auf die von VW/Audi FSI bzw. TFSI genannte Technik umgestellt. Den ersten Serien-Pkw mit geschichteter Benzindirekteinspritzung brachte Mitsubishi mit dem Carisma im Jahr 1997 auf den Markt.

Heutige Anbieter von Common-Rail-Systemen sind Bosch, L'Orange, Delphi, Denso, Magneti Marelli und Siemens-VDO. Bei Opel trägt das System die Bezeichnung Common Rail Diesel Turbo Injection (CDTI).

Siehe auch : D-CAT

Das Diesel-Common-Rail-System

Systemübersicht

Common-Rail-Hochdruckpumpe

Das Diesel-Common-Rail-System wird als Speichereinspritzung bezeichnet. Das komprimierbare Volumen des Kraftstoffes im Common-Rail liegt in der Größenordnung der Kraftstoffmenge einer Einzeleinspritzung (abgesehen von der Kraftstoffmenge die wegen Leckageverluste in den Injektoren ausgeglichen werden muss). Daher muss eine Hochdruckpumpe dauernd für die Aufrechterhaltung des Druckes sorgen. Die Hochdruckpumpe ist in der Regel mechanisch mit dem Motor gekoppelt und wird beispielsweise durch die Nockenwelle angetrieben. Zur Druckregelung wird außer der Pumpe ein Überströmventil (Druckbegrenzer) verwendet, das den Rail mit dem Kraftstofftank verbindet und einen Rückfluss von Kraftstoff ermöglicht, wenn der Druck im Rail zu hoch wird. Daran angeschlossen ist ein Kraftstoffkühler, da sich das Diesel durch die Kompression auf bis zu 140° C erhitzt und bei einem Rücklauf über die Hochdruckpumpe diese zerstören würde.

Speicher

Der Speicher soll den pulsierenden Förderstrom der Hochdruck-Einspritzpumpe beruhigen. Weil die Einspritzmengen je Einspritzvorgang sehr klein sind, kann die elastische Längs- und Querdehnung der metallischen Hochdruckleitungen als Pufferspeicher genutzt werden.

Erreichbare Drücke

Der Raildruck (also der Druck im Druckspeicher) von zur Zeit bis zu 180 MPa (1800 bar) kann für sehr hohe Einspritzdrücke genutzt werden. An einer weiteren Erhöhung auf 200 MPa (2000 bar) und mehr wird gearbeitet.

Bei Bosch wird als Neuerung an einem druckübersetzten Common-Rail-System gearbeitet. Dabei wird der Einspritzdruck mit Hilfe des anstehenden Druckes im Druckspeicher während der Einspritzphase auf Drücke von bis zu 250 MPa (2500 bar) erhöht. Die Druckübersetzung wird durch einen im Injektor integrierten Druckübersetzer mit Steuerfunktionen ausgeführt. Das Prinzip wird auch als Amplified Pressure Common Rail System (APCRS) bezeichnet. Vorteilhaft ist dabei die geringere Belastung der Hochdruckpumpe. Nachteilig ist der höhere Aufwand, der durch komplexe Injektoren entsteht.

Zweck und Vorteile

Das Hauptziel ist die Optimierung des Verbrennungsprozesses vor dem Hintergrund einer weiteren Verbesserung der Motorlaufeigenschaften und einer weiteren Reduzierung der Partikelemissionen. Durch den sehr hohen Druck von bis zu 2000 bar wird der Kraftstoff sehr fein zerstäubt, was zu einer besseren Verbrennung führt. Die kleineren Tröpfchen haben aber auch feineren Feinstaub in den Emissionen zur Folge. Der Gesetzgeber interessiert sich jedoch nicht für die Partikelgröße, sondern nur für das Gesamtgewicht aller Partikel. Die Kanzerogenität wird dabei außer Acht gelassen. Die vom Verbrennungsmotor angetriebene Hochdruckpumpe bringt den vom Vorfördersystem, welches bei den aktuellen 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 die gemeinsame Hochdruck-Rail (Kraftstoffsammelschiene) angeschlossen, welche mit dem Druckspeicher verbunden ist, und spritzen den Kraftstoff direkt in den Brennraum.

Der wohl wichtigste Vorteil eines CR-Systems ist die im Vergleich zur Direkteinspritzung mittels Einspritzpumpe (z. B. VP44 von Bosch) oder Pumpe-Düse-System (z. B. UI von Bosch für VW) völlige Entkoppelung zwischen Druckerzeugung und Einspritzsteuerung. Es gibt keine Komponenten mehr, die synchron mit der Kurbelwelle angetrieben werden müssen. Dies hat auch bauliche Vorteile, da für die Druckerzeugereinheit keine Rücksicht mehr auf die Lage eines vorhandenen Nebenantriebes (Zahnriemen, Steuerkette) genommen werden muss. Dieser Vorteil wird bis heute jedoch von keinem Massenhersteller genutzt, die Common-Rail-Hochdruckpumpe wird noch immer an der selben Stelle verbaut wie die mechanisch gesteuerten Einspritzpumpen und von der selben Steuerkette/Zahnriemen angetrieben wie die Nockenwelle. Dies liegt darin begründet, dass es den geringsten finanziellen Aufwand in der Konstruktion bringt, spätere Wartungsarbeiten werden außer acht gelassen.

Nachteile

Weiterhin hat eine Common-Rail-Einspritzanlage systembedingt folgende Nachteile:

• Zum permanenten Aufrechterhalten des hohen Rail-Druckes muss eine gewisse Leistung vom Motor aufgebracht werden. Je nach Common-Rail-System, Drehzahl und Leistungsbedarf des Motors muss der Druck im Speicher aufgebaut werden. Daraus resultiert eine Verringerung des gesamtmotorischen Wirkungsgrades sowie in manchen Fällen die Notwendigkeit einer Kraftstoffkühlung. Diese Verringerung des Wirkungsgrades wird bei neueren Common-Rail-Systemen durch eine bedarfsgerechte Hochdruckförderung mit Einsatz eines Saugdrosselmagnetventils kompensiert. Gleichzeitig kann auf eine Kraftstoffkühlung wegen der geringeren Rücklaufmengen in den Tank verzichtet werden.
• Bei einem Versagen des Einspritzventils (Verklemmen oder Verschmutzen der Düse) ist es möglich, dass permanent Kraftstoff in den Brennraum fließt (bei klassischen Systemen dagegen nur im Arbeitstakt). Eine zusätzliche Absicherung des Systems ist nicht in allen Fällen möglich - je nach Störfall treten diese sogenannten „Dauereinspritzer” auf und zerstören in kurzer Zeit den Motor. Einspritzdüsen verschmutzen mit der Zeit. Durch Stadtverkehr kann das schon nach 60.000km der Fall sein. Der Fachmann spricht von einer Verkokung. Die Folge daraus ist eine schlechtere Vernebelung, also ein schlechtes Spritzbild. Daraus entsteht zum Beispiel ein unruhiger Motorlauf oder ein erhöhter Rußwert bei der Abgasprüfung, wodurch auch ein Fahrzeug schonmal durch die Abgasuntersuchung (AU) fallen kann. Abhilfe bringen hier Reinigungsmittel, die dem Kraftstoff beigemischt werden. Als andere Möglichkeit können die ausgebauten Injektoren/Einspritzdüsen in ein spezielles Reinigungsmittel gestellt werden. Bei erhöhten Rußwerten und unruhigem Motorlauf kann unter Umständen auch die Motorelektronik den Fehler merken und den Motor "lahmlegen". Bei Großmotoren erfolgt für diesen Störfall eine Absicherung durch Mengenbegrenzungsventile, die eine Dauereinspritzung und somit eine Zerstörung des Motors verhindern.

Einspritzsteuerung

Die Öffnung der Injektoren („Einspritzdüsen”) wird nicht wie bei Verteilereinspritzanlagen oder Hubschieber-Reiheneinspritzanlagen durch den Kraftstoffdruck ausgelöst, sondern durch elektrische Ansteuerung, wobei der Kraftstoffdruck jedoch die wesentliche Kraft zum Heben der Düsennadel liefert. Über die Zeitdauer und die Stromstärke der Injektoransteuerung können der Einspritzverlauf beeinflusst sowie extrem kurze Öffnungszeiten erreicht werden, die eine oder mehrere Voreinspritzungen vor der Haupteinspritzung ermöglichen. Voreinspritzungen sind als Einmalvorgang auch mit elektronisch beeinflussbaren Verteilerpumpen sowie beim System Pumpe-Düse möglich. Sie heizen den Brennraum gewissermaßen vor und führen damit zu einem insgesamt weicheren Verbrennungsablauf zusammen mit der Haupteinspritzung. Weiterhin kann mit Hilfe dieser Voreinspritzung die Stickoxidbildung verringert werden, da durch die Voreinspritzung der Sauerstoffgehalt der Zylinderfüllung reduziert wurde sowie die maximale Verbrennungstemperatur. Außerdem wird damit der Anstieg der Verbrennungstemperatur im Zeitverlauf $dT_{zyl}/dt$ etwas kleiner.

Insbesondere bei den modernsten Systemen mit piezoelektrisch betätigten Injektoren arbeitet man mit mehreren Voreinspritzungen. Pumpe-Düse-Injektoren der ersten Generation wurden im Gegensatz dazu magnetisch betätigt; die zweite Generation verfügt ebenfalls über piezogesteuerte Injektoren. 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 Betriebszustand des Verbrennungsmotors.

Mittlerweile sind zum Abreinigen der Rußpartikelfilter auch bis zu zwei Nach-Einspritzungen vorgesehen, um den Abgasen für den Abreinigungs-Vorgang zeitweise einen höheren Energiegehalt mitzugeben.

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 bzw. Einspritzdauer 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.

Mittlerweile ist ein jahrelanger Systemkampf entschieden: „Common Rail” hat gegen „Pumpe-Düse” gewonnen. Der VW-Konzern als bisheriger Verfechter kündigte im Dezember 2005 die Einstellung des Pumpe-Düse-Konzepts an. Nach 2006 sollen neuentwickelte Dieselmotoren im VW-Konzern nur noch mit Common Rail ausgerüstet werden.

Verbreitung

Mit Ausnahme des Volkswagen-Konzerns und seiner Töchter, der für einen Teil ihrer Pkw-Dieselmotoren auf das konkurrierende System Pumpe-Düse setzte, verwenden inzwischen alle Pkw-Hersteller das Common-Rail-System für ihre Fahrzeuge. Ab 2007 will auch Volkswagen alle neu gefertigten Dieselmotoren auf Common-Rail-Einspritzung umstellen. Man versprach sich mit der Konkurrenz-Situation der Pumpe-Düse (gegen Bosch trat dabei Siemens-VDO an) einen regeren Wettbewerb und versuchte vor allem durch das technisch prinzipiell überlegene (da robustere und sparsamere) PD-System die Abgasgrenzwerte ohne Partikelfilter zu erreichen. Nach der Feinstaubdiskussion im Jahre 2005 lässt sich jedoch mittlerweile kaum noch ein Dieselfahrzeug verkaufen, das nicht serienmäßig mit einem Partikelfilter ausgestattet ist. Daher wurde der konstruktive und finanzielle Mehraufwand für ein PD-Aggregat überflüssig.

Wegen der Verwendung der Pkw-Dieselmotoren in leichten Nutzfahrzeugen steigt auch hier der Anteil der Common-Rail-Systeme.

In modernen schweren Nutzfahrzeugen ist Common-Rail mittlerweile Stand der Technik und auch in großen Stückzahlen im Serieneinsatz (Beispiel: MAN Nutzfahrzeuge).

Das Common-Rail-System kann auch für die Benzineinspritzung und Benzindirekteinspritzung verwendet werden. Es erlaubt so eine Vereinheitlichung von Diesel- und Benzineinspritzsystemen. Eine weitere Verbreitung ist daher zu erwarten. (Anm. die Systemdrücke sind dabei sehr unterschiedlich. Während bei Benzineinspritzung die Drücke bei etwa 100 bar liegen, sind es bei der Dieseleinspritzung bis zu 2500 bar. Dabei spielt die Dampfblasenbildung eine wichtige Rolle. Benzin- und Dieseleinspritzsysteme sind auch hinsichtlich der tribologischen Anforderungen an die Komponenten wie z.B. Gleitlager, Pumpenelemente, Beschichtungen unterschiedlich aufgebaut. Deshalb ist eine Vereinheitlichung der beiden Systeme technologisch und wirtschaftlich gesehen nicht sinnvoll.) Auf dem Markt sind mehrere Anbieter zu finden. Wichtige Qualitätsmerkmale bei Einspritzsystemen sind unter anderem Geschwindigkeit des Druckaufbaus, Wirkungsgrad, Einspritzmengenabweichung, Reglergüte, Geräuschemission und Dauerhaltbarkeit.

Neben der Anwendung in Kraftfahrzeugen (Schnellläufermotoren) findet die Common-Rail-Einspritzung auch bei den großen Dieselmotoren Verwendung. Unter „großen Dieselmotoren” sind Viertakt-Mittelschnellläufer und Zweitakt-Langsamläufer zu verstehen, die z.B. als Schiffsantriebe dienen.

Weblinks

• http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/diesel/commonrail.htm
• http://rb-k.bosch.de/de/einsatzgebiete/emissionen/dieselsysteme/einspritzmanagementpkw/crs.html - Common-Rail-Systeme für Pkw
• http://rb-k.bosch.de/de/einsatzgebiete/emissionen/dieselsysteme/einspritzmanagement-nfz-weniger-42t/crs.html - Common-Rail-Systeme für Nfz
• http://www.lorange.com Systeme für Großmotoren
• http://www.volkswagen.de/vwcms_publish/vwcms/master_public/virtualmaster/de3/unternehmen/Innovation/motoren/diesel-hochdruck-einspritzsysteme/common_rail.html - Volkswagen zu Common-Rail Technik