Common-Rail-Einspritzung
Bei der Common-Rail-Einspritzung handelt es sich um Einspritzsysteme für Verbrennungsmotoren, bei denen eine ungesteuerte Hochdruckpumpe den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau bringt. Der unter Druck stehende Kraftstoff füllt ein Rohrleitungssystem, das bei Motorbetrieb ständig unter Druck steht.
Anwendungsbereich
Der Begriff Common Rail kommt 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.
Einspritzung beim Common-Rail Verfahren
Der Einspritzzeitpunkt und die -menge werden durch eine Motorelektronik gesteuert. Die elektrischen Signale steuern je Zylinder ein elektrisch betätigtes Ventil, das in die Einspritzdüse eingebaut ist. Durch die kurzen Wege zwischen Ventil und Einspritzdüse ergeben sich kurze Druckanstiegszeiten, was dem Verbrennungsprozess und dessen Steuerung zu Gute kommt. Es sind verschiedene Einspritzungen realisierbar, z. B. Voreinspritzung, Haupteinspritzung und Nacheinspritzung. In Abhängigkeit vom Steuergerät sind diese frei steuerbar.
Unterschied zur klassischen Einspritzung
Motoren mit Reihen- oder Verteilereinspritzpumpe weisen für jeden Zylinder eine eigene Hochdruckleitung zwischen Einspritzpumpe und Einspritzdüse auf. Diese Hochdruckleitungen sind dabei 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 erlaubte einen Einspritzvorgang pro Arbeitstakt, der durch spezielle Düsengestaltung (Vorhub) zusätzlich variiert werden konnte. Durch die Common-Rail-Technik ist es möglich, die Einspritzmenge und -dauer völlig unabhängig vom Kurbelwinkel zu gestalten und so auch eine Mehrfacheinspritzung zu ermöglichen.
Geschichte
Common-Rail-Systeme 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.
Für Diesel-PKW kam die Common-Rail Technik im Oktober 1997 im zur Fiat Gruppe gehörenden Alfa Romeo 156 JTD zum Einsatz. 1998 folgte Mercedes Benz mit dem 220 CDI als erster deutscher Hersteller dieser Entwicklung.
Die Entwicklung zur Serienreife betrieben Fiat, Magneti Marelli, Mercedes Benz und Bosch gemeinsam, wobei Fiat erhebliche Pionierarbeit leistete und somit als Erfinder des Common-Rail-Systems gilt.
Das Diesel-Common-Rail-System
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 durch Leckageverluste in den Injektoren ausgeglichen werden muß). Daher muß eine Hochdruckpumpe dauernd für die Aufrechterhaltung des Druckes sorgen.
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 (1805 bar) kann für sehr hohe Einspritzdrücke genutzt werden. An einer weiteren Erhöhung auf 200 MPa (2000 bar) und mehr wird gearbeitet. Als eine neue Form der Common Rail Einspritzung wird bei Bosch an einem druckübersetztem Common Rail System gearbeitet. Dabei wird der Einspritzdruck mit Hilfe des anstehenden Druckes im Druckspeicher während der Einspritzphase auf Drücken von bis zu 2500 bar erhöht. Die Druckübersetzung wird durch ein im Injektor integrierten Druckübersetzer mit Steuerfunktionen ausgeführt.
Zweck und Vorteile
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.
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 auf und abgebaut werden. Daraus resultiert eine gewisse Verringerung des gesamtmotorischen Wirkungsgrades sowie die Notwendigkeit einer Kraftstoffkühlung.
- 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). Dies erfordert eine zusätzliche Absicherung des Systems.
Einspritzsteuerung
Die Öffnung der Injektoren ("Einspritzdüsen") wird nicht wie bei Verteilereinspritzanlagen, Hubschieber-Reiheneinspritzanlagen oder Pumpe-Düse-Systemen durch den Kraftstoffdruck ausgelöst, sondern durch elektrische Ansteuerung, wobei der Kraftstoffdruck aber die Kraft zum Heben der Düsennadel liefert. 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. Weiterhin kann mit Hilfe dieser Voreinspritzung die Stickoxidbildung verringert werden, da durch die Voreinspritzung der Sauerstoffgehalt der Zylinderfüllung reduziert wurde sowie die maximale Verbrennungstemperatur und der Gradient der Verbrennungstemperatur nach der Zeit etwas kleiner sind.
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.
Verbreitung
Mit Ausnahme des Volkswagen-Konzerns und seiner Töchter, die für einen Teil ihrer Pkw-Dieselmotoren auf das konkurrierende System Pumpe-Düse (siehe auch Einspritzpumpe) setzt, verwenden inzwischen alle Pkw-Hersteller das Common-Rail-System für ihre Fahrzeuge.
Wegen der Verwendung der Pkw-Dieselmotoren in leichten Nutzfahrzeugen steigt auch hier der Anteil der Common-Rail-Systeme.
Das Common-Rail-System kann auch für die Benzineinspritzung und Benzindirekteinspritzung verwendet werden und erlaubt so eine Vereinheitlichung von Diesel und Benzineinspritzsystemen. Eine weitere Verbreitung ist daher zu erwarten.