Pumpe-Düse-System

Das Pumpe-Düse-System ist ein Einspritzsystem für Verbrennungsmotoren.

Historie

Ursprünglich ist das Pumpe-Düse-System eine Entwicklung der Detroit Diesel Company, DDC, welche heute zur Daimler AG gehört. Die englisch Unit Injector System (UIS) genannte Einheit wurde in den 1930er Jahren entwickelt und erstmals in den späten 1930er Jahren für den Einsatz in verhältnismäßig langsamlaufenden Schiffs- Eisenbahn- und LKW-Dieselmotoren eingesetzt. Wesentliche Eigenart ist die Vorhaltung einer Einspritzpumpe für jeden Zylinder mit sehr kurzen Druckleitungen zur Einspritzdüse. Der Antrieb erfolgte mechanisch über Stößelstangen.

Im Hinblick auf die gesetzlich geforderte Reduzierung der Abgasemmissionen waren die im PKW-Bereich bis dahin üblichen Dieselkraftstoff-Einspritzsysteme (Verteiler- und Reiheneinspritzpumpe) vorwiegend wegen der relativ langen Hochdruckleitungen und der damit verbundenen technologischen Begrenzung der Druckgradienten nicht weiter entwicklungsfähig.

Daher wurde die Pumpe-Düse-Bauart von Bosch für Volkswagen aufgegriffen, weiterentwickelt und ab Ende der 1990er Jahre in PKW-Dieselmotoren des Volkswagen-Konzerns eingesetzt.

In Konkurrenz mit den zeitgleich entwickelten Common-Rail-Einspritzsystemen handelt es sich - rückblickend betrachtet - um eine Übergangstechnologie. Mittlerweile sind die erreichbaren Einspritzdrücke von CR-Systemen ebenbürtig. Ab 2008 wird Volkswagen vorwiegend aus Kosten- als auch aus Komfortgründen seine Dieselmotoren nach und nach mit Common-Rail-Technik ausstatten.

Prinzip

Anders als beim Common-Rail-System wird beim Pumpe-Düse-System der Einspritzdruck separat für jeden Zylinder erzeugt. Das geschieht mittels eines Kolbens (Plunger), der durch je einen eigenen Nocken auf der Nockenwelle und einen Kipphebel betätigt wird. Der Nocken ist so geformt, dass der Kolben mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Damit wird ein über die Zeit steiler Druckanstieg generiert, der für den Einspritzprozess günstig ist. Der Druckaufbau im Raum unter dem Kolben, dem Plungerraum, kann durch Öffnen und Schließen eines Magnetventils oder eines durch einen Piezo-Aktor betätigten Ventils gesteuert werden. Ist das Ventil geschlossen, baut der Kolben Druck auf und der Kraftstoff wird durch das Einspritzventil eingespritzt. Durch Öffnen des Steuerventils wird der Einspritzvorgang abgebrochen, wobei für eine möglichst saubere Verbrennung durch ein schnelles Abbrechen des Einspritzvorgangs ermöglicht wird. Piezo-Aktoren arbeiten dabei bis zu dreimal schneller als Magnetsteller. Zum Beispiel verfügte der VW Passat 2.0 TDI Baujahr 2005 (140 PS) über eine Pumpe-Düse-Einspritzung mit piezo-betätigten Ventilen, die einen Spitzendruck von 220 MPa (2.200 bar) erreichte.

Vorteile

Weil der Druck in der PDE (Pumpe-Düse-Einheit) – und damit der Einspritzdruck – durch die Nocken der Nockenwelle ermöglicht wird, ist die dafür benötigte Antriebsenergie nur in dem für die Einspritzung relevanten Bereich aufzubringen. Verglichen mit dem Common-Rail-System ist der Umfang der Komponenten (keine Hochdruckpumpe, kein Rail) geringer und fehlertoleranter – der Ausfall einer Pumpe-Düse-Einheit führt nicht zwangsläufig zum Stillstand des Motors.
Der hohe Druck begünstigt die feinste Vernebelung des durch die Einspritzventile eingebrachten Kraftstoffes. Kleinere Tröpfchen bedeuten kleineres Verhältnis von Volumen zur Oberfläche, was günstig für eine geringere Rußbildung ist.
PD-Diesel haben aufgrund des hohen Einspritzdrucks einen sehr guten Wirkungsgrad und liefern bei geringem Verbrauch bis zu mittleren Drehzahlen ein sehr hohes Drehmoment.
Das nichtdichtende Plungerprinzip der PDE ermöglicht den Einsatz nahezu sämtlicher Kraftstoffe (Benzin, Alkohol, Ethanol, LPG, Biokraftstoffe, etc.).

Nachteile

Aufgrund der o.g. Nockenabhängigkeit kann eine Einspritzung (zeitlich, d.h. über den Winkel betrachtet) nur ausgelöst werden, wenn auch der Nocken die Pumpe antreibt. Das bedeutet, der Bereich der möglichen Einspritzzeitpunkte ist in einen bestimmten Bereich um den oberen Totpunkt eingeschränkt, was zwar dem Wirkungsgrad, aber nicht der Laufruhe zugute kommt (siehe unten).
Verhältnismäßig hoher Aufwand, da prinzipbedingt jeder Motorzylinder über eine eigene Pumpe verfügt.
Aufgrund des hohen Einspritzdrucks und der eingeschränkten Möglichkeit, Einspritzdruck, -zeitpunkt und -menge in feinen Schritten zu verändern, gilt der Motorlauf als wenig kultiviert.
Die dynamische Belastung durch den wechselnden Druckaufbau in den einzelnen PDE benötigen eine entsprechende Dimensionierung der Nockenwelle und deren Antriebskonstruktion z.B. Stirnradgetriebe anstatt Zahnriemen.

Zukünftige Entwicklung

Mittlerweile haben die Common-Rail-Systeme bezüglich des Höchstdrucks (mehr als 2000 bar) aufgeschlossen. Die Herstellkosten eines PD-Motor neuester Generation sind ca. 100 Euro höher als bei einem vergleichbaren Dieselmotor mit Common-Rail-Einspritzung.