Dieselmotor-Management 978-3-322-80332-0, 978-3-322-80331-3

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Dieselmotor-Management Robert Bosch GmbH

Robert Bosch GmbH

DieselmotorManagement 4. Oberarbeitete und erweiterte Auflage

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© Robert Bosch GmbH, 2004

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Test Equipment (AA/PDT5). Nachdruck, Vervielfaltigung und Obersetzung, 2. Auflage 1998

auch auszugsweise, nur mit unserer vorherigen

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schriftlichen Zustimmung und mit Quellenangabe

Auflage August 2002

gestattet.

4., Oberarbeitete und erweiterte Auflage Oktober 2004

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2004. Softcover reprint of the hardcover 4th edition 2004

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ISBN-13: 978-3-322-80332-0 001: 10.1007/978-3-322-80331-3

ND1

e-ISBN-13: 978-3-322-80331-3

"Mein Motor macht immer no ch groBe Fortschritte ... " Dieses Zitat Rudolf Diesels aus dem Jahr 1895 ist aktueller denn je. Seit Einfuhrung der ersten Reiheneinspritzpumpen im Jahr 1927 werden diese Fortschritte wesentlich von Bosch gepragt. Vor allem durch Verbesserungen in der Diesel-Einspritztechnik wurden giinstige Drehmomentverlaufe und hohe Leistungen bei gleichzeitig verringertem Kraftstoffverbrauch moglich. Die Einfuhrung der Hochdruckeinspritzsysteme Unit Injector sowie Common Rail sind weitere Meilensteine in der Dieseleinspritztechnik und haben maBgeblich zum Dieselboom bei Pkw in Westeuropa beigetragen. Die neueste Entwicklung von Bosch, mit der Dieselmotoren noch leiser, sparsamer, sauberer oder auch leistungsstarker werden, ist der Piezo-Inline-Injektor fiir das Common Rail System. Moderne Dieselmotoren schaffen in Verbindung mit den Bosch-Dieseleinspritzsystemen die Bedingungen fur eine verbesserte Verbrennung des Kraftstoffs. Daraus ergeben sich geringere Emissionen. Zukiinftige Abgasnormen sind - zumindest bei groBeren Pkw - jedoch nicht mehr ohne zusatzliche Abgasnachbehandlungssysteme erfiillbar. An Bedeutung gewinnt der Partikelfilter, mit dem die Partikelemissionen drastisch reduziert werden konnen. Diese Entwicklungen der Dieseltechnik werden in der iiberarbeiteten und aktualisierten 4. Auflage des vorliegenden Fachbuches "Dieselmotor-Management" ausfiihrlich dargestellt. Den Schwerpunkt bildet dabei die detaillierte Beschreibung der Einspritzsysteme mit ihren Komponenten. Urn Platz fiir neue Themen zu schaffen, wurden die mechanischen Regler fur Reiheneinspritzpumpen herausgenommen. Diese Beschreibungen sind im Heft "Diesel-Reiheneinspritzpumpen" aus der Bosch-Schriftenreihe "Fachwissen Kfz-Technik" enthalten. Gegeniiber der 3. Auflage wurden folgende Themen neu aufgenommen oder aktualisiert und erweitert: • Geschichte des Dieselmotors, • Common Rail System, • Innermotorische Emissionsminderung, • Systeme zur Abgasnachbehandlung, • Elektronische Dieselregelung (EDC), • Starthilfesysteme, • Diagnose (On-Board-Diagnose). Mit diesen Erweiterungen und Oberarbeitungen gibt die 4. Auflage des Fachbuches "Dieselmotor-Management" dem Leser einen umfassenden Einblick in die aktuelle Technologie der Dieseleinspritzung. Die Redaktion

6

Inhall

10 Geschichte des Diesel-

82 Kraftstoffversorgung

motors 11 Rudolf Diesel 12 Gemischbildung der ersten Dieselmotoren 13 Einsatz der ersten Fahrzeug-Dieselmotoren

Niederdruckteil 82 Ubersicht 84 Kraftstofffilter

86 Kraftstoffpumpe 90 Sonstige Komponenten 92 Zusatzventile fOr

16 Bosch-Dieseleinspritzung

150 Systemubersicht der Verteilereinspritzpumpen

150 150 152 154

Anwendungsgebiete AusfOhrungen Kantengesteuerte Systeme Magnetventilgesteuerte Systeme

Reiheneinspritzpumpen

158 Kantengesteuerte 20 Einsatzgebiete

94 Systemubersicht der

der Dieselmotoren

20 Eigenschaftskriterien 20 Anwendungen 23 Motorkenndaten

Reiheneinspritzpumpen

94 94 95 95

Anwendungsgebiete Ausflihrungen Aufbau

159 161 164 167

Regelung

Verteilereinspritzpumpen Einsatzbereiche und Einbau Aufbau Niederdruckteil Hochdruckpumpe mit Verteiler

24 Grundlagen 24 27 28 31 34 37 38

des Dieselmotors Arbeitsweise Drehmoment und Leistung Motorwirkungsgrad BetriebszusUinde Betriebsbedingungen Einspritzsystem

98 Vorforderpumpen fur 98 99 101 101 101

Anwendung Aufbau und Arbeitsweise Handpumpen Vorreiniger Falltankbetrieb

50 Systeme zur 50 51 60 61

Fullungssteuerung Ubersicht Aufladung Drallklappen Motoransaugluftfilter

Dieseleinspritzung 64 Gemischverteilung 66 Parameter der Einspritzung 75 DUsen- und DUsenhalterAusfOhrung

76 Diesel-Einspritzsysteme im Oberblick

Anpassvorrichtungen Lastinformation Fordersignalsensor

208 Magnetventilgesteuerte

Abstellvorrichtungen Elektronische Dieselregelung 207 Diesel-Diebstahl-Schutz

123 Betrieb der Reiheneinspritzpumpen

124 Regler fur 124 126 126 127 128 131 136 142 144

Drehzahlregler Spritzversteller Mechanische

Aufbau und Arbeitsweise AusfOhrungen Reiheneinspritzpumpen PE fOr andere Kraftstoffe

Reiheneinspritzpumpen

64 Grundlagen der

Verteilereinspritzpumpen Ubersicht

einspritzpumpen PE Einbau und Anlrieb

102 Standard-Reihen103 103 112 122

176 178 185 188 201 202 203 204

Brennraume

42 Kraftstoffe 42 Dieselkraftstoff 48 Alternative Kraftstoffe

176 Aufschaltgruppen fUr

Reiheneinspritzpumpen

Steuerung und Regelung Einwirkung des Reglers Definitionen P-Grad des Reglers Aufgaben des Reglers

Verteilereinspritzpumpen

208 208 210 212 214 216

Elektrisches Stellwerk

76 Bauarten 146 HubschieberReiheneinspritzpumpen

147 Aufbau und Arbeitsweise

Einbau und Antrieb Aufbau und Arbeitsweise Niederdruckleil Hochdruckteil der Axialkolben-Verteilereinspritzpumpe

220 Hochdruckteil der Radialkolben-Verteilereinspritz-

Reglerarten ReglerUbersicht Spritzversteller

Einsatzbereiche Bauformen

pumpe

224 226 228 234 235

Druckventile Hochdruckmagnetventil Spritzverstellung Steuergerat Zusammenfassung

Inhalt

236 Systemiibersicht der Einzelzylindersysteme 236 Einzeleinspritzpumpen PF 238 Unit Injector System UIS und Unit Pump System

306 Weiterentwicklung der DOse

UPS 240 Systembild UIS fUr Pkw

308 Diisenhalter 308 Obersicht 310 Standard-DOsenhalter 311 Stufenhalter

242 Systembild UIS/UPS fUr Nkw

312 Zweifeder-DOsenhalter 313 DOsenhalter mit Nadelbewegungssensor

244 Einzeleinspritzpumpen PF 244 Aufbau und Arbeitsweise 246 BaugrllBen 248 Unit Injector System UIS 248 Einbau und Antrieb 249 Aufbau

314 Hochdruckverbindungen 314 HochdruckanschlOsse 315 Hochdruck-Kraftstoffleitungen 318 Starthilfesysteme 318 Obersicht

360 Unit Injector System UIS fUr Pkw 361 Unit Injector System UIS und Unit Pump System UPS fUr Nkw 362 Common Rail System fUr Pkw 363 Common Rail System fUr Nkw 364 Datenverarbeitung 366 Regelung der Einspritzung 377 Zusatzliche Sonderanpassungen 378 Lambda-Regelung fUr Pkw-Dieselmotoren 383 MomentengefUhrte EDC-Systeme

319 GIOhsysteme

386 Regelung und Ansteuerung von Aktoren

258 Unit Pump System UPS

324 Innermotorische

387 Ersatzfunktionen 388 Datenaustausch mit

258 Einbau und Antrieb 258 Aufbau 260 Stromgeregelte Einspritz-

Emissionsminderung 325 Brennverfahren 327 Weitere EinflOsse auf die

252 Arbeitsweise 256 Hochdruckmagnetventil

verlaufsformung CCRS 262 Systemiibersicht

Schadstoffemission 329 Entwicklung homogener Brennverfahren

Common Rail 262 Anwendungsgebiete 263 Aufbau

330 AbgasrOckfUhrung 333 KurbelgehauseentiOftung

264 Arbeitsweise 268 Common Rail System fUr Pkw

334 Abgasnachbehandlung

273 Common Rail System fUr Nkw 276 Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

335 NOx-Speicherkatalysator 338 Selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden 344 Partikelfilter DPF 352 Diesel-Oxidationskatalysator 354 Elektronische Dieselregelung EDC

276 Obersicht 278 Injektor

354 SystemObersicht

288 Hochdruckpumpen 294 Rail (Hochdruckspeicher)

357 Reiheneinspritzpumpen 358 Kantengesteuerte Axial-

296 Druckregelventil 297 Druckbegrenzungsventil 298 Einspritzdiisen 300 ZapfendOsen 302 LochdOsen

kolben-Verteilereinspritzpumpen 359 Magnetventilgesteuerte Axial- und RadialkolbenVerteilereinspritzpumpen

anderen Systemen 389 Serielle DatenObertragung mitCAN 394 Applikation Pkw-Motoren 398 Applikation Nkw-Motoren 403 Applikationstools 406 Steuergeriit 406 Einsatzbedingungen 406 Aufbau 406 Datenverarbeitung 412 Sensoren 412 Einsatz im Kraftfahrzeug 413 Temperatursensoren 414 Mikromechanische Drucksensoren 417 Hochdrucksensoren 418 Induktive Motordrehzahlsensoren 419 Drehzahlsensoren und inkrementale Drehwinkelsensoren 420 Hall-Phasensensoren 422 Fahrpedalsensoren 424 HeiBfilm-Luftmassenmesser HFM5

7

8

Inhall

426 Planare Breitband-LambdaSonde LSU4 428 Halb-Differenzial-Kurz-

480 Japan-Gesetzgebung (schwere Nkw) 481 USA-Testzyklen fOr Pkw und LOT

schlussringsensoren 429 TankfOllstandsensor

483 Europaischer Testzyklus

430 Diagnose

483 Japan-Testzyklus fOr Pkw

fOr Pkw und LOT und LOT

430 Oberwachung im Fahrbetrieb (On-Board-

System fOr Pkw und leichte Nkw 440 On Board Diagnostic System fOr schwere Nkw

Typzulassung 489 Abgas-Messgerate 491 Abgasmessung in der 493 Abgasuntersuchung (TrObungsmessung) 494 Sachwortverzeichnis

450 Einspritzpumpen-

494 Sachworte 499 AbkOrzungen Redaktionelle Kiisten 37 GroBenordnungen der

gesteuerten Verteiler-

Einspritzung 40 M-Verfahren

460 DOsenprOfung

41

462 Abgasemission

466 Obersicht

81

Geschichte(n) 91

Flugzeug-Dieselmotoren der

109 ReiheneinspritzpumpenGeschichte(n)

172 Off-Highway-Anwendungen

476 Japan-Gesetzgebung (Pkw/LDT) 477 USA-Gesetzgebung (schwere Nkw) 478 EU-Gesetzgebung (schwere Nkw)

411 Von Steuergeraten wird viel verlangt

480 Ozon und Smog

Kraftstoffen Diesel-Einspritz-

472 EPA-Gesetzgebung

(Pkw/LDT)

382 Regeln und Steuern 402 MotorprOfstand

465 Treibhauseffekt

113 Dieselrekorde 1978

474 EU-Gesetzgebung

der Begriff? 373 Injektormengenabgleich

in der Praxis

468 CARB-Gesetzgebung (Pkw/LDT) (Pkw/LDT)

356 Elektronik ... woher kommt

46 KenngroBen von

1920er- und 1930er-Jahre 466 Abgasgeseagebung

Priizisionstechnik 317 Kavitation im Hochdruck-

441 Weltweiter Service

464 Nebenbestandteile (Schadstoffe)

Diesel-Einspritztechnik 307 Dieseleinspritzung ist

Kraftstoffverbrauch

462 Obersicht 462 Hauptbestandteile

295 Sauberkeitsanforderungen 299 Dimensionen der

377 Race-Trucks

452 PrOfung von

einspritzpumpen

des Unit Injectors

Kraftstoffsystem

448 PrOf- und Testgerate

456 PrOfung von kanten-

261 Vergangenheit und Zukunft

im Oberblick 277 Der Piezo- Effekt

486 AbgasprOfung fOr die

446 Diagnose in der Werkstatt

Reiheneinspritzpumpen

225 Mikromechanik

486 Abgas-Messtechnik

442 Werkstattgeschaft

PrOfstande

von Bosch 211 Dieselrekorde 1998

267 Dieselboom in Europa 272 Diesel-Einspritzsysteme

Motoren-Entwicklung 442 Werkstatt-Technik

elektronisch geregelten Verteilereinspritzpumpen

484 Testzyklen fOr schwere Nkw

Diagnose) 433 On Board Diagnostic

209 Stammbaum der

125 Regler-Geschichte(n) 175 Dieselrekorde 1972 177 Stammbaum der mechanisch geregelten Verteilereinspritzpumpen von Bosch 206 MessgroBen am Dieselmotor

Autoren

Einsatzgebiete der Dieselmotoren Dipl.-Ing. Joachim Lackner, Dr.-Ing. Herbert Schumacher, Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber. Grundlagen des Dieselmotors Dr.-Ing. Thorsten Raatz , Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber. Kraftstoffe Dr. rer. nat. Jarg Ullmann. Systeme zur Fiillungssteuerung Dr.-Ing . Thomas Wintrich, Dr.-Ing. Michael Durst (Filterwerk Mann + Hummel, Ludwigsburg) , Dipl.-Betriebsw. Meike Keller. Grundlagen der Dieseleinspritzung Dipl.-Ing. Jens Olal Stein, Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber. Kraftstoffversorgung Dipl.-Ing. (FH) Roll Ebert, Dr.-Ing. Gunnar-Marcel Klein (Filterwerk Mann + Hummel, Ludwigsburg) , Dipl.-Betriebsw. Meike Keller, Ing. grad. Peter Schelhas, Dipl.-Ing. Klaus Ortner, Dr.-Ing. Ulrich Projahn . Reiheneinspritzpumpen und ihre Regler Henri Bruognolo, Dr.-Ing. Ernst Ritter. Kantengesteuerte Verteilereinspritzpumpen und ihre Aufschaltgruppen Dipl.-Ing. (FH) Helmut Simon. Magnetventilgesteuerte Verteilereinspritzpumpen Dipl.-Ing. Johannes Feger, Dr. rer. nat. Dietmar Ottenbacher.

Einzeleinspritzpumpen Dr. techn. Theodor Stipek.

Sensoren Dipl.-Ing. Joachim Berger.

Unit Injector und Unit Pump Systeme Dipl.-Ing. Roger Potschin, Dipl.-Ing. (HU) Carlos AlvarezAvila, Dr.-Ing. Ulrich Projahn , Dipl.-Ing. Nestor RodriguezAmaya.

Diagnose Dr.-Ing . Gunter Driedger, Dr. rer. nat. Waiter Lehle, Dipl.-lng.Wollgang Schauer.

Common Rail Dipl.-Ing. Felix LandhauBer, Dr.-Ing. Ulrich Projahn, DipHng. Thilo Klam, Dipl.-Ing. (FH) Andreas Rettich, Dr. techn. David Holzer, Dipl.-Ing. (FH) Andreas Koch, Dr.-Ing. Patrick Mattes, Dipl.-Ing. Werner Bruhmann, DipHng. Sandro Soccol , Ing. Herbert Strahberger, Ing. Helmut Sattmann.

Einspritzdiisen und Diisenhalter Dipl.-Ing. Thomas Kugler. Hochdruckverbindungen Kurt Sprenger. Starthilfesysteme Dr. rer. nat. Wollgang DreBler. Elektronische Dieselregelung Dipl.-Ing. Felix LandhauBer, Dr.-Ing. Andreas Michalske, Dipl.-Ing. (FH) Mikel Lorente Susaeta, Dipl.-Ing. Martin Grosser, Dipl.-Inlorm. Michael Heinzelmann , Dipl.-Ing. Johannes Feger, Dipl.-Ing. Lutz-Martin Fink, Dipl.-Ing. Wollram Gerwing, Dipl.-Ing. (BA) Klaus Grabmaier, Dipl.-Math. techn. Bernd IlIg, Dipl.-Ing. (FH) Joachim Kurz, Dipl.-Ing. RainerMayer, Dr. rer. nat. Dietmar Ottenbacher, Dipl.-Ing. (FH) Andreas Werner, Dipl.-Ing. Jens Wiesner, Dr.lng. Michael Walther.

Werkstatt-Technik Dipl.-Wirtsch.-Ing. Stephan Sohnle, Dipl.-Ing. Rainer Rehage, Rainer Heinzmann, Roll Warner, Gunter Mauderer, Hans Binder. Innermotorische Emissionsminderung Dipl.-Ing. Jens Olal Stein. Abgasnachbehandlung Dr. rer. nat. Norbert Breuer, Priv.-Doz. Dr.-Ing. Johannes K. Schaller, Dr. rer. nat. Thomas Hauber, Dr.-Ing. RallWirth, Dipl.-Ing. Stelan Stein. Abgasgesetzgebung Dr.-Ing. Stelan Becher, Dr.-Ing. Torsten Eggert. Abgas-Messtechnik Dipl.-Ing. Andreas Kreh , Dipl.-Ing. Bernd Hinner, Dipl.-Ing. Rainer Pelka sowie die Redaktion in Zusammenarbeit mit den zustandigen Fachabteilungen unseres Hauses. Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH, Stuttgart.

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Geschichte des Dieselmotors

Rudolf Diesel

Geschichte des Dieselmotors Bereits im Jahr 1863 unternahm der Franzose Etienne Lenoir eine Versuchsfahrt mit einem Fahrzeug, das von einer von ihm entwickelten Gasmaschine angetrieben wurde. Dieser Antrieb erwies sich aber als untauglich fiir den Einbau und Antrieb von Fahrzeugen. Erst mit Nikolaus August OUos Viertaktmotor mit Magnetziindung war der Betrieb mit fliissigem Kraftstoff und somit der mobile Einsatz moglich. Der Wirkungsgrad dieser Motoren war allerdings gering. Die Leistung des Rudolf Diesel bestand darin, einen Motor mit vergleichsweise sehr viel hoherem Wirkungsgrad theoretisch zu entwickeln und seine Idee bis zur Serienreife zu verfolgen.

.Es I8t melne leste Uber· zeugung. dass de, Automobllmotor kommen

WI,d, und dann betrachte ICh m 'ne Lebensaul· gabe al. beendet." (Zltat yon RudO/f DlCscl

kun

VOr

selnem Tod)

Mit weiteren Verbesserungen im Bereich der Einspritzung und Gemischbildung setzte sich Diesels Erfindung aber bald durch und es gab fur Schiffs- und Stationarmotoren keine Alternativen mehr.

Rudolf Diesel baute 1897 in Zusammenarbeit mit der Maschinenfabrik AugsburgNiirnberg (MAN) den ersten funktionierenden Prototypen eines Verbrennungsmotors, der mit billigem Schwerol betrieben werden konnte. Das Gewicht dieses ersten Dieselmotors betrug allerdings rund 4,5 Tonnen bei einer Hohe von drei Metern. Deshalb war an einen Einsatz dieses Motors fur Landfahrzeuge vorerst noch nicht zu denken. Patenturkunde fOr den Dieselmotor und dessen erste AusfOhrung aus dem Jahr t894

Robert Bosch GmbH, Dieselmotor-Management © Robert Bosch GmbH and Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004

Geschichte des Dieselmotors

Rudolf Diesel Rudolf Diesel (1858-l913), gebiirtig aus Paris, fasste mit l4 Jahren den Entschluss, Ingenieur zu werden. Er schloss sein Examen am Polytechnikum Miinchen als Bester der bis dahin Examinierten ab. Idee eines neuen Motors Die Idee Diesels war, eine Maschine mit einem wesentlich hoheren Wirkungsgrad gegenuber der damals popularen Dampfmaschine zu konstruieren. Eine Maschine, die sich am isothermischen Kreisprozess orientiert, soUte nach der Theorie des franzosischen Physiker Sadi Carnot mit einem hohen Wirkungsgrad von uber 90 % betrieben werden konnen. Diesel entwickelte seinen Motor zunachst auf dem Papier, basierend auf Carnots Vorlagen. Sein Ziel war, einen leistungsstarken Motor bei vergleichsweise kleinen Abmessungen zu entwerfen. Von der Funktion und der Leistungsfahigkeit seines Motors war Diesel absolut uberzeugt. Diesels Patent Diesel schloss seine theoretischen Studien l890 ab und meldet am 27. Februar l892 beim Kaiserlichen Patentamt zu Berlin ein Patent auf "Neue rationelle Warmekraftmaschinen" an. Am 23. Februar l893 erhielt er die Patenturkunde DRP 67207 mit dem Titel "Arbeitsverfahren und Ausfiihrungsart fur Verbrennungsmaschinen ", datiert auf den 28. Februar l892. Diesen neuen Motor gab es zunachst nur in der Theorie. Die Richtigkeit von Diesels Berechnungen wurde mehrfach bestatigt, an der technischen Realisierbarkeit bestanden bei den Motorenherstellern jedoch Zweifel. Realisierung des Motors Die im Motorbau erfahrenen Firmen wie die Gasmotoren-Fabrik Deutz AG schreckten vor dem Diesel-Projekt zuruck. Die erforderlichen Kompressionsdrucke von 250 bar lagen jenseits dessen, was technisch realisierbar erschien. Nach langem Bemuhen kam es

Rudolf Diesel

schlieBlich l893 zu einer Zusammenarbeit zwischen Diesel und der Maschinenfabrik Augsburg-Niirnberg (MAN). Der abgeschlossene Vert rag enthielt aUerdings Konzessionen Diesels an den Idealmotor. Der Hochstdruck wurde von 250 auf 90 bar, spater dann auf 30 bar gesenkt. Diese aus mechanischen Grunden erforderliche Absenkung des Drucks beeintrachtigte natiirlich die Zundfahigkeit betrachtlich. Der von Diesel zunachst vorgesehene Kohlestaub als Kraftstoff wurde allerdings verworfen. SchlieBlich begann man im Fruhjahr l893, den ersten, ungekuhlten Versuchsmotor zu bauen. Als Kraftstoff war zunachst Petroleum vorgesehen. Man verwendete aber Benzin, weil man der Meinung war, dass sich dies er Kraftstoffleichter selbst entzundet (das war ein Irrtum). Das Prinzip der Selbstziindung - d. h. Einspritzen des Kraftstoffs in die wahrend der Kompression hoch verdichtete und erwarmte Verbrennungsluft - wurde bei diesem Motor bestatigt. Beim zweiten Versuchsmotor wurde der Kraftstoff nicht direkt, sondern mithilfe von Druckluft eingespritzt und zerstaubt. Zudem erhielt er eine Wasserkuhlung. Doch erst mit dem dritten Versuchsmotor - einer Neukonstruktion mit einer einstufigen Luftpumpe zur Drucklufteinblasung gelang der Durchbruch. Am l7. Februar l897 fiihrte Prof. Moritz Schroder von der Technischen Hochschule Munchen die Abnahmeversuche durch. Die Messergebnisse bestatigten den fur eine Verbrennungskraftmaschine seinerzeit hohen Wirkungsgrad von 26,2 %. Patentstreitigkeiten und Auseinandersetzungen mit dem Diesel-Konsortium hinsichtlich der Entwicklungsstrategie sowie Misserfolge beanspruchten die geistigen und korperlichen Krafte des genialen Erfinders. Vermutlich sturzte er sich auf einer Kanaluberfahrt nach England am 29. September 1913 in die Fluten.

11

12

Geschichte des Diesefmotors

Gemischbifdung der ersten Dieselmotoren

Gemischbildung der ersten Dieselmotoren Drucklufteinblasung

Rudolf Diesel hatte nicht die Moglichkeit, den Kraftstoff auf die fUr Strahlausbreitung, Strahlzerfall und Tropfenbildung erforderlichen Drucke zu verdichten. Der erste Dieselmotor aus dem Jahr 1897 arbeitete deshalb mit Drucklufteinblasung, bei der der Kraftstoff mithilfe von Druckluft in den Zylinder eingebracht wurde. Dieses Verfahren wandte spater auch Daimler fUr seine Lkw-Dieselmotoren an. Das Einspritzventil besaB einen Anschluss fur die Druckluft (Bild 1, Pos. 1) sowie einen Anschluss fur die KraftstoffzufUhrung (2). Ein Kompressor erzeugte die Druckluft, die in das Ventil einstromte. Bei geoffneter Einspritzduse (3) riss die in den Brennraum einstromende Luft den Kraftstoff mit und erzeugte in dieser Zweiphasenstromung die fUr eine schnelle Tropfenverdampfung und damit fUr die Selbstentzundung erforderlichen feinen Tropfchen. Ein Nocken sorgte fUr die kurbelwellensynchrone Betatigung der Einspritzduse. Die einzuspritzende Kraftstoffmenge wurde uber den Kraftstoffdruck gesteuert. Da der EinspritzEinspritzvenlil fOr die Druckluf1einblasung aus der Entslehungszen des Dieselmotors (1895)

Blld 1 1

DruckluhzulUhrung

2

KtaftstoftzufOhrung

3

Einspnt2dose

BUd 2 (B'ldquelle: o.,mfeoChrysler) Blennstof!venhf

GIOhsporafe zum Anwiirmen der Vor' kammer

3

Vor1

=

Geschichte des Oieselmotors

Dusen und Dusenhalter

Die Entwicklung der Einspritzdiisen und Diisenhalter verlief parallel zur Pumpenentwicklung. Zunachst wurden Zapfendiisen fur Vorkammermotoren eingesetzt. Mit dem Einsatz der Bosch-Pumpe fur den direkteinspritzenden Dieselmotor kamen Anfang 1929 die Lochdiisen hinzu. Diisen und Diisenhalter wurden in ihrer GroBe immer sofort den neu aufgenommenen PumpengroBen angepasst. Die Motorenhersteller wiinschten dann bald auch, dass der Diisenhalter mit der Diise in gleicher Weise in den Zylinderkopf eingeschraubt werden kann wie die Ziindkerze beim Ottomotor. Bosch stellte sich auf diesen Wunsch ein und fertigte einschraubbare Diisenhalter.

Bosch·Oieseleinspritzung

Bosch kam bei der Entwicklung der Dieseleinspritzpumpen seine Erfahrung in der Feinmechanik (z. B. bei der Fertigung von Schmierpumpen) zugute. Seine Produkte konnten nicht "nach den reinen Grundsatzen des Maschinenbaus" hergestellt werden. Das verhalf ihm zu einem Marktvorteil. Bosch hatte damit einen wesentlichen Anteil daran, dass sich der Dieselmotor zu dem entwickeln konnte, was er heute ist.

Bosch·Einspfltzpumpe mit angebautem Aiehkraftregler

Regler fur die Einspritzpumpe

Da der Dieselmotor nicht wie der Ottomotor selbstregelnd ist, sondern zum Aufrechterhalten einer bestimmten Drehzahl und zum Schutz vor dem Dberdrehen mit SelbstzerstOrung einen Regler benotigt, mussten die Fahrzeug-Dieselmotoren von Anfang an mit solch einer Vorrichtung ausgestattet werden. Die Motorenfabriken stellten diese Regler zunachst selbst her. Bald kam jedoch der Wunsch auf, den Antrieb fur den Regler, der durchweg ein Fliehkraftregler war, einzusparen und diesen mit der Einspritzpumpe zusammenzubauen. Dieser Forderung kam Bosch im Jahr 1931 mit dem Bosch-Regler nach.

Werbeplakat fUr die Bosch·Oieseleinspritzung

Verbreitung der BoschDieseleinspritztechnik

Bis August 1928 waren schon tausend Bosch-Einspritzpumpen ausgeliefert. Als der Aufschwung des Fahrzeug-Dieselmotors begann, stand Bosch gut vorbereitet da und konnte die Motorenfabriken mit einer ausgereiften Einspritzausriistung bedienen. Als sich die Bosch-Pumpen und -Diisen bewahrt hatten, verzichteten die meisten Firmen ganz auf die Eigenherstellung dieses Zubehors.

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19

Einsatzgebiete der Dieselmotoren

20

Eigenschaftskriterien, Anwendungen

Kein anderer Verbrennungsmotor wird SO vielfaltig eingesetzt wie der Die elmotor I) Dies ist vor allem auf seinen hohen Wirkungsgrad und der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit zuruckzufiihren. Die wesentlichen Einsatzgebiete fur Dieselmotoren sind: • Stationarmotoren, • Pkw und leichte Nkw, • schwere Nkw, • Bau- und Landmaschinen, • Lokomotiven und • Schiffe. Dieselmotoren werden als Reihenmotoren und V-Motoren gebaut. Sie eignen sich grundsatzlich sehr gut fur die Aufladung, da bei ihnen im Gegensatz zum OUomotor kein Klopfen auftritt (siehe Kapitel "Systeme zur Fullungssteuerung").

Eigenschaftskriterien Folgende Merkmale und Eigenschaften sind fur den Einsatz eines Dieselmotors von Bedeutung (Beispiele): • Motorleistung, • spezifische Leistung, • Betriebssicherheit, • Herstellungskosten, • Wirtschaftlichkeit im Betrieb, • Zuverlassigkeit, • Umweltvertraglichkeit, • Komfort und • Gefalligkeit (z. B. Motorraumdesign). Je nach Anwendungsbereich ergeben sich fur die Auslegung des Dieselmotors unterschiedlich Schwerpunkte.

Anwendungen Stationarmotoren

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Je hoher dies er ist, umso lauter wird das Verbrennungsgerausch. Eine Voreinspritzung von ca. 1 mm 3 (fUr Pkw) macht den Ztindverzug der Haupteinspritzung fast zu Null und verringert damit wesentlich das Verbrennungsgerausch. Schubbetrieb

Im Schubbetrieb wir der Motor von augen tiber den Triebstrang angetrieben (z. B. bei Bergabfahrt). Es wird kein Kraftstoff eingespritzt (Schubabschaltung). Stationarer Betrieb

Das vom Motor abgegebene Drehmoment entspricht dem tiber die Fahrpedalstellung angeforderten Drehmoment. Die Drehzahl bleibt konstant. Instationarer Betrieb

Das vom Motor abgegebene Drehmoment entspricht nicht dem geforderten Drehmoment. Die Drehzahl verandert sich. Obergang zwischen den Betriebszustanden

Andert sich die Last, die Motordrehzahl oder die FahrpedalsteUung, verandert der

min- 1

no

Motordrehzahl n

-

Motor seinen Betriebszustand (z. B. Motordrehzahl, Drehmoment). Das Verhalten eines Motors kann mit Kennfeldern beschrieben werden. Das Kennfeld in Bild 5 zeigt an einem Beispiel, wie sich die Motordrehzahl andert, wenn die Fahrpedalstellung von 40 % auf 70 % verandert wird. Ausgehend vom Betriebspunkt A wird tiber die Volllast (B-C) der neue Teillast-Betriebspunkt D erreicht. Dort sind der Leistungsbedarf und die vom Motor abgegebene Leistung gleich. Die Drehzahl erhoht sich dabei von nA auf nD.

Betriebsbedingungen Der Kraftstoff wird beim Dieselmotor direkt in die hochverdichtete, heige Luft eingespritzt, an der er sich selbst entztindet. Der Dieselmotor ist daher und wegen des heterogenen Luft-Kraftstoff-Gemischs - im Gegensatz zum Ottomotor - nicht an Ztindgrenzen (d. h. bestimmte Luftzahlen A) gebun den. Deshalb wird die Motorleistung bei konstanter Luftmenge im Motorzylinder nur tiber die Kraftstoffmenge geregelt.

Grundlagen des Dieselmotors

Das Einspritzsystem muss die Dosierung des Kraftstoffs und die gleichmaBige Verteilung in der ganzen Ladung iibernehmen - und dies bei allen Drehzahlen und Lasten sowie abhangig von Druck und Temperatur der Ansaugluft. Jeder Betriebspunkt benbtigt somit • die richtige Kraftstoffmenge, • zur richtigen Zeit, • mit dem richtigen Druck, • im richtigen zeitlichen Verlauf und an der richtigen Stelle des Brennraums. Bei der Kraftstoffdosierung miissen zusatzlich zu den Forderungen fUr die optimale Gemischbildung auch Betriebsgrenzen beriicksichtigt werden wie zum Beispiel: • Schadstoffgrenzen (z. B. Rauchgrenze), • Verbrennungsspitzendruck-Grenze, • Abgastemperaturgrenze, • Drehzahl- und Volllastgrenze • fahrzeug- und gehausespezifische Belastungsgrenzen und • Hbhen-/Ladedruckgrenzen. Rauchgrenze

triibung vor. Da die Gemischbildung zum groBen Teil erst wahrend der Verbrennung ablauft, kommt es zu brtlichen Dberfettungen und damit zum Teil auch bei mittlerem Luftiiberschuss zu einem Anstieg der Emission von RuBpartikeln. Das an der gesetzlich festgelegten Volllast -Rauchgrenze fahrbare Luft -Kraftstoff-Verhaltnis ist ein MaB fiir die Giite der Luftausnutzung. Verbrennungsdruckgrenze

Wahrend des Ziindvorgangs verbrennt der teilweise verdampfte und mit der Luft vermischte Kraftstoff bei hoher Verdichtung mit hoher Geschwindigkeit und einer hohen ersten Warmefreisetzungsspitze. Man spricht daher von einer "harten" Verbrennung. Dabei entstehen hohe Verbrennungsspitzendriicke, und die auftretenden Krafte bewirken periodisch wechselnde Belastungen der Motorbauteile. Dimensionierung und Dauerhaltbarkeit der Motor- und Antriebsstrangkomponenten begrenzen somit den zulassigen Verbrennungsdruck und damit die Einspritzmenge. Dem schlagartigen Anstieg des Verbrennungsdrucks wird meist durch Voreinspritzung entgegengewirkt.

Der Gesetzgeber schreibt Grenzwerte u. a. fUr die Partikelemissionen und die AbgasKraftstoH·Einspntzmenge In Abhllngigkelt von Drehzahl und Lasl mil zusalzhcher Temperalur· und

AlmosphllrendtUCi

Systeme zur Fiillungssteuerung

ｏｵ･ｊｓｃｨｮｾｬ＠

eines Roots·Laders

2

Mechani che trtimung lader Neben den mechanischen Verdrangerladern gibt es noch Stromungslader (Radialverdichter), deren Verdichter ahnlich wie beim Abgasturbolader aufgebaut ist. Urn die erforderliche hohe Umfangsgeschwindigkeit zu erreichen, werden sie iiber ein Getriebe angetrieben. Diese Lader bieten iiber einen breiten Drehzahlbereich giinstige Liefergrade und konnen besonders bei kleinen Motoren als Alternative zur Abgasturboladung angesehen werden. Mechanische Stromungslader werden auch mechanische Kreisellader (MKL) genannt. Sie werden selten bei mittelgroBen bis groBen PkwMotoren eingesetzt.

Aufladung

59

durch ergibt sich im dynamischen Betrieb ein hoheres Motordrehmoment und ein besseres Ansprechverhalten als beim Abgasturbolader. Mit einem variablen Getriebe kann auch das Motorverhalten bei Lastwechseln verbessert werden. Da die zum Antrieb des Verdichters notwendige Leistung (ca. 10 ... 15 kW bei Pkw) jedoch nicht als effektive Motorleistung zur Verfiigung stehen kann, steht diesen Vorteilen ein etwas hoherer Kraftstoffverbrauch als bei der Aufladung mit einem Abgasturbolader entgegen. Dieser Nachteil wird gemindert, wenn der Verdichter iiber eine von der Motorsteuerung geschaltete Kupplung bei niedrigen Motorlasten und Motordrehzahlen abgeschaltet werden kann. Dies erhoht jedoch die Herstellkosten. Ein weiterer Nachteil der mechanischen Aufladung ist der groBere erforderliche Bauraum. Dynamische Aufladung

Ladedrucksteuerung Ein Bypass kann beim mechanischen Lader den Ladedruck steuern. Ein Teil des verdichteten Luftstroms gelangt in die Zylinder und bestimmt die Fiillung. Der andere Teil stromt iiber den Bypass zuriick zur Ansaugseite. Die Ansteuerung des Bypassventils iibernimmt das Motorsteuergerat.

Eine Aufladung kann schon alleine durch Nutzung dynamischer Effekte im Saugrohr erzielt werden. Diese dynamische Aufladung spielt beim Dieselmotor keine so groBe Rolle wie beim Ottomotor. Beim Dieselmotor liegt das Hauptaugenmerk bei der Gestaltung des Saugrohrs auf einer gleichmaBigen Verteilung der Luft auf aUe Zylinder und der Verteilung des riickgefiihrten Abgases. AuBerdem spielt der Drall im Motorzylinder eine wichtige RoUe. Bei den relativ niedrigen Drehzahlen des Dieselmotors wiirde eine gezielte Auslegung des Saugrohrs fiir eine dynamische Aufladung extrem lange Saugrohre erfordern. Da gegenwartig fast alle Dieselmotoren mit einem Lader ausgeriistet sind, ware nur ein Vorteil zu erwarten, wenn bei instationaren Vorgangen der Lader noch nicht geniigend Druck liefert.

Vor- und achteile der mechani chen Aufladung Wegen der direkten Kopplung von Verdichter und Kurbelwelle wird beim mechanischen Lader bei einer Drehzahlerhohung der Verdichter unverzogert beschleunigt. Da-

Generell wird das Ansaugrohr beim Dieselmotor moglichst kurz gehalten. Die Vorteile hiervon sind: • verbessertes dynamisches Verhalten und • ein besseres Regelverhalten der Abgasriickfiihrung.

Blld 10 1

Gehause

2

Drehkolben

60

Sysleme zur Fullungssleuerung

Drallklappen

Drallklappen Fur die Gemischbildung spielen die StromungsverhaItnisse im Motorzylinder eine bedeutende Rolle. Diese werden wesentIich beeinflusst durch • die durch die Einspritzstrahlen erzeugte Luftbewegung, • die Bewegung der in den Zylinder einstromenden Luft und • die Kolbenbewegung. Beim dralluntersWtzen Brennverfahren wird die Luft wahrend des Ansaug- und Verdichtungstaktes in eine Drehbewegung (Drall) versetzt, um eine gute und schnelle Gemischbildung zu erreichen. Mit geeigneten Klappen und Kanalen kann der Drall entsprechend der Motordrehzahl und Last verandert werden. Die Einlasskanale sind als Fullungskanal (Bild 1, Pos. 5) und Drallkanal (2) ausgelegt, wobei der Fullungskanal durch eine Klappe (Drallklappe; Pos. 6) verschlossen werden kann. Die Klappe wird vom Motorsteuergerat Kennfeld-abhangig gesteuert. Neben EinlasskanalabschaJlung (BeispieJ)

Slid 1 I EinlaSSllenll1 2 OmllkanaJ 3 Motor>yilnder 4 KoIben 5 FtlllungskanaJ 6 Klappe

4

einfachen Systemen mit den beiden Stellungen "Auf' und "Zu" gibt es auch lagegeregeIte Systeme, bei den en Zwischenstellungen angefahren werden konnen. Bei niedrigen Motordrehzahlen ist die DrallkIappe geschlossen. Die Luft wird uber den Drallkanal angesaugt, es entsteht ein starker Drall bei ausreichender Zylinderfullung. Bei hohen Drehzahlen offnet die Klappe und gibt den Fullungskanal (5) frei, um eine groBere Zylinderfullung zu ermoglichen und die Motorleistung zu verbessern. Dabei verringert sich gleichzeitig der Drall. Durch die Kennfeld-abhangige Steuerung des Dralls konnen im unteren Drehzahlbereich die NO x- und Partikel-Emissionen erheblich gesenkt werden. Die durch die KanalabschaItung bedingten Stromungsverluste fuhren zu einer erhohten Ladungswechselarbeit. Durch die erzielbare bessere Gemischbildung und Verbrennung kann der dadurch entstehende Kraftstoff-Mehrverbrauch jedoch weitestgehend kompensiert werden. Abhangig von Motorlast und Drehzahl wird ein Kompromiss zwischen Emissions-, Verbrauchsund Leistungsoptimierung angestrebt. Die EinlasskanalabschaItung wird zurzeit bei einigen PkwMotoren eingesetzt und spieIt eine zunehmend wichtige Rolle im EmissionsminderungsKonzept. Moderne Lkw-Dieselmotoren hingegen konnen generell mit sehr niedrigen Drallwerten arbeiten, da aufgrund der kIeineren Drehzahlspanne und groBerer Brennraume die Energie der Einspritzstrahlen fur die Gemischbildung ausreicht.

Systeme zur Fiillungssteuerung

Motoransaugluftfilter Der Luftfilter filtert die Motoransaugluft und verhindert damit das Eindringen von mineralischen Stauben und Partikeln in den Motor und in das Motorbl. Dadurch reduziert er den VerschleiB z. B. in den Lagern, an den Kolbenringen und an den Zylinderwanden. AuBerdem schlitzt er den empfindlichen Luftmassenmesser (HFM) und verhindert dort Staubablagerungen, die zu falschen Signalen, einem erhbhten Kraftstoffverbrauch und erhbhten Schadstoffemission en flihren kbnnten. Typische Luftverunreinigungen sind z. B. 01nebel, Aerosole, DieselruB, Industrieabgase, Pollen und Staub. Die vom Motor mit der Luft angesaugten Staubteilchen besitzen einen Durchmesser von ca. 0,01 Ilm (RuBpartikel) bis ca. 2 mm (Sandkbrner). Filtermedium und Aufbau

Bei den Luftfiltern handelt es sich meist urn Tiefenfilter, die die Partikel - im Gegensatz zu den Oberflachenfiltern - in der Struktur des Filtermediums zurlickhalten. Tiefenfilter mit hoher Staubspeicherfahigkeit sind immer dann vorteilhaft, wenn groBe Volumenstrbme mit geringen Partikelkonzentrationen wirtschaftlich gefiltert werden mlissen. Luftfilter erreichen massebezogene Gesamtabscheidegrade von bis zu 99,8 % (Pkw) bzw. 99,95 % (Nkw). Diese Werte sollten unter alien herrschenden Bedingungen eingehalten werden kbnnen, auch unter den dynamischen Bedingungen, wie sie im Ansaugtrakt des Motors herrschen (Pulsation). Filter mit unzureichender Qualitat zeigen dann einen erhbhten Staubdurchbruch. Die Auslegung der Filterelemente erfolgt individuell flir jeden Motor. Damit bleiben die Druckverluste minimal und auch die hohen Abscheidegrade sind unabhangig vom Luftdurchsatz. Bei den Filterelementen, die es als Flachfilter oder in zylindrischen Ausflihrungen gibt, ist das Filtermedium in gefalteter Form eingebaut, urn auf kleinstem

Motoransaugluftfilter

61

Raum ein Maximum an Filterflache unterbringen zu kbnnen. Durch entsprechende Pragung und Impragnierungen erhalten diese bisher zumeist auf Zellulosefasern basierenden Medien die erforderliche mechanische Festigkeit und eine ausreichende Wassersteifigkeit und Bestandigkeit gegen Chemikalien. Die Elemente werden nach den vom Fahrzeughersteller festgelegten Intervallen gewechselt. Die Forderungen nach kleinen, leistungsstarken Filterelementen (weniger Bauraum) bei gleichzeitig verlangerten Serviceintervallen treibt die Entwicklung neuer, innovativer Luftfiltermedien voran. Neue Luftfiltermedien aus synthetischen Fasern (Bild 1) mit teilweise stark verbesserten Leistungsdaten sind bereits in Serie eingeflihrt. Bessere Werte als mit reinen Zellulosemedien werden auch mit "CompositeQualitaten" (z. B. Papier mit MeltblownAuflage) und speziellen Nanofaser-Filtermedien erreicht, bei denen auf einer relativ groben Stlitzschicht aus Zellulose ultradlinne Fasern mit Durchmessern von nur 30 .. .40 nm aufgebracht sind. Neue Faltstrukturen mit wechselseitig verschlossenen Kanalen, ahnlich wie bei den DieselruBfiltern, stehen kurz vor der Markteinflihrung. Konische, ovale und stufige sowie trapezfbrmige Geometrien erganzen die Standardbauformen, urn den immer knapper werden den Bauraum im Motorraum optimal ausnutzen zu kbnnen.

Blld 1 SynthellsChes Hoch· lel$lungs·Filte,,,hes mil kont,nuleriich zunehmen· der Dlchte und abneh· mendem Faserdurch· messe' Obe, den Oue,·

schm" von der Ansaugzu, Re,nlultse,te. O uelle: Freudenberg Vl,esoloHe KG

Systeme zur Fullungssteuerung

62

Motoransaugluftfilter

Schalldampfer

Fruher wurden die Luftfiltergehause fast ausschlieBlich als "Dampferfilter" ausgefUhrt. Das groBe Volumen ist bei diesen Gehausen fUr akustische Zwecke ausgelegt. Mittlerweile werden zunehmend die beiden Funktionen "Filtration" und "Akustikl Motorgerauschreduzierung" getrennt und die einzelnen Resonatoren separat optimiert. So lasst sich auch das Filtergehause in seinen AusmaBen minimieren. Dadurch entstehen sehr tlache Filter, die z. B. in die Designabdeckungen der Motoren integriert werden konnen, wahrend die Resonatoren an weniger zuganglichen Stellen im Motorraum Platz finden. Luftfilter fUr Pkw

Das Pkw-Luftansaugmodul (Bild 2) umfasst neben dem Gehause (l und 3) mit dem zylindrischen Luftfilterelement (2) die gesamten ZufUhrleitungen (5 und 6) und das

Ansaugmodul fUr Pkw (Be,sp,el)

Blld2 1 2

GeNlusedeckel Filt",element

3 4

FiltergehAuse Saugmodul

5 8

ZufOhrle.tung Zufuhrle.tung

Saugmodul (4). Dazwischen verteilt sind Helmholtz-Resonatoren und Lambda-Viertelrohre fUr die Akustik. Mithilfe dieser kompletten Systemoptimierung lassen sich die Einzelkomponenten besser aufeinander abstimmen und die immer scharfer werdenden Anforderungen an die Akustik (Larmpegel) einhalten. Zunehmend nachgefragt werden Bauteile zur Wasserabscheidung, die in das Luftansaugsystem integriert werden. Sie dienen vor allem dem Schutz des Luftmassenmessers (HFM), der den Luftmassenstrom misst. Wassertropfchen, die bei ungunstiger Anordnung des Ansaugstutzens, bei starkem Regen, schwallartigem Spritzwasser (z. B. bei Gelandefahrzeugen) oder Schneefall mit angesaugt werden und zum Sensor gelangen, konnen zu einer fehlerhaften Erfassung der ZylinderfUllung fUhren.

Systeme zur Fiillungssteuerung

Zur Abscheidung der Wassertropfen kommen in die Ansaugleitung eingebaute Prallbleche oder zyklon-ahnliche Konstruktionen ("Schalkragen") zum Einsatz. Je kiirzer der Weg vom Lufteinlass bis zum Filterelement ist, urn so schwieriger wird eine Lasung, da nur sehr geringe Stramungsdruckverluste erlaubt sind. Man kann aber auch entsprechend aufgebaute Filterelemente einsetzen, welche die Wassertropfen sammeln (koaleszieren) und den Wasserfilm noch vor dem eigentlichen Partikelfilterelement nach auBen ableiten. Ein speziell dazu konstruiertes Gehause unterstiitzt dies en Vorgang. Diese Anordnung kann auch bei sehr kurzen Rohluftleitungen erfolgreich zur Wasserabscheidung eingesetzt werden.

Motoransaugluftfilter

Papierluftfihe, fU, Nkw (Beispiel)

Blld 3 LuftBuBlnll 2 Lufie'nlnll :3 F,ltG'G,nsat2 4 SIUt2rch, 1

Luftfilter fUr Nkw

Bild 3 zeigt einen wartungsfreundlichen und gewichtsoptimierten Luftfilter aus Kunststoff fur Nutzfahrzeuge. Neben einer haheren Abscheideleistung sind die dazu passenden Filterelemente so dimensioniert, dass Serviceintervalle von iiber 100000 km maglich sind. Sie liegen damit deutlich uber denen von Pkw. In Landern mit hohen Staubbelastungen, aber auch bei Baumaschinen und in der Landwirtschaft, ist dem Filterelement ein Vorabscheider vorgeschaltet. Dieser Abscheider trennt die grobe, massereiche Staubfraktion ab und erhaht somit die Standzeit des

63

Feinfilterelements erheblich. Im einfachsten Fall handelt es sich urn einen Leitschaufelkranz, der die einstramende Luft in Rotation versetzt. Durch die Fliehkraft werden die groben Staubpartikel abgeschieden. Aber erst vorgeschaltete, auf das nachfolgende Filterelement optimierte Minizyklonbatterien schapfen das Potenziai von Fliehkraftabscheidern in Nkw-Luftfiltern richtig aus.

5

GehAuse

6

Slaublopf

64

Grundlagen der Dieseleinspritzung

Gemischverteilung

Grundlagen der Dieseleinspritzung Die Verbrennungsvorgange im Dieselmotor, und damit die Motorleistung, der Kraftstoffverbrauch, die Abgaszusammensetzung und das Verbrennungsgerausch, hangen in entscheidendem MaBe von der Aufbereitung des Luft-Kraftstoff-Gemischs ab. Fur die Qualitat der Gemischbildung sind in erster Linie folgende Parameter der Kraftstoffeinspritzung ausschlaggebend: • Einspritzbeginn • Einspritzverlauf und -dauer • Einspritzdruck • Anzahl der Einspritzungen Beim Dieselmotor werden die Abgas- und Gerauschemissionen zu einem wesentlichen Teil durch innermotorische MaBnahmen reduziert, d. h. durch Steuerung des Verbrennungsablaufs.

Blld 1 Bet ,Glasmotoren'

Bis in die 1980er-Jahre wurde bei Fahrzeugmotoren die Einspritzmenge und der Einspritzbeginn ausschlieBlich mechanisch geregelt. Die Einhaltung der aktuellen Abgasgrenzwerte erfordert jedoch eine sehr prazise und an den Betriebszustand des Motors angepasste Festlegung der Einspritzparameter fur die Vor- und Haupteinspritzung wie Einspritzmenge, -druck und -beginn. Das ist nur mit einer elektronischen Regelung realisierbar, welche die EinspritzgroBen abhangig von Temperatur, Drehzahl, Last, geografischer Hohe usw. berechnet. Die Elektronische Dieselregelung (EDC) hat sich heute fur Dieselfahrzeuge allgemein durchgesetzt.

Gemischverteilung LuftzahlA. Zur Kennzeichnung dafur, wie weit das tatsachlich vorhandene Luft -Kraftstoff-Gemisch vom stochiometri chen l ) Massenverhaltnis abweicht, wurde die Luftzahl A. (Lambda) eingefuhrt. Die Luftzahl gibt das Verhaltnis von zugefuhrter Luftmasse zum Luftbedarf bei stochiometrischer Verbrennungan: A. =

Masse Luft . . Masse Kraftstoff · stOchlOmetnsches Verhiiltms

A. = 1: Die zugefuhrte Luftmasse entspricht der theoretisch erforderlichen Luftmasse, die notwendig ist, urn den gesamten Kraftstoff zu verbrennen. A. < 1: Es herrscht Luftmangel und damit feUes Gemisch. A. > 1: Es herrscht Luftuberschuss und damit mageres Gemisch.

'I Das slOcluometnsche Verh

Itnos beschretbl, woe vlel

kg lult benOtogt w erden, um 1 kg Kraltstolf vollsttlndog zu verb in g/16

ｾ＠

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a

Ur·Stellung

b

OT· Stellung

1

Nocken

2

RoUe

3 4

RoIlenst06eI unterer Fedeneller

5 6 7

RegelhUlse

8

Pumpenkolben

9

Pumpenzyllnder

KoIbenfed r ober r Federteller

Standard-Reiheneinspritzpumpen PE

106

Aufbau und Arbeitsweise

Arbeitsweise des Pumpenelements (Hubphasenfolge) Die Drehbewegung der Nockenwelle wird direkt in eine Hubbewegung des Rollenst6Bels und somit auch in eine Hubbewegung des Pumpenkolbens umgewandelt.

Den F6rderhub in Richtung des oberen Totpunkts OT iibernimmt der Nocken. Eine Kolbenfeder bewerkstelligt die Riickfuhrung in Richtung des unteren Totpunkts UT. Sie ist so dimensioniert, dass die Rolle auch bei maximaler Drehzahl nicht vom Nocken abspringt; denn ein Abspringen und mit ihm ein Wiederaufprallen der Rolle im Dauerbetrieb wiirde zwangslaufig zu einer Beschadigung der Nockenlaufbahn bzw. der Rolle fuhren.

Das Pump en element arbeitet nach dem tiberstr6mprinzip mit Schragkantensteuerung (Bild 6). Dieses Prinzip wird fur die Reiheneinspritzpumpen PE und fiir die Einzeleinspritzpumpen PF angewandt. lm unteren Totpunkt des Pumpenkolbens sind die Zulaufbohrungen im Pumpenzylinder offen. Durch sie kann der unter dem F6rderpumpendruck stehende Kraftstoff vom Saugraum in den Hochdruckraum str6men. In der Aufwartsbewegung verschlieBt der Pumpenkolben die Zulaufbohrungen. Man bezeichnet diese Phase des Kolbenhubes als Vorhub. lm weiteren Verlauf der Hubbewegung wird der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum erh6ht, was zu einer Offnung des Druckventils iiber dem

Hubphasenfolgen Unterer

2

Vorhub

3

Totpunkt

Blld 6 Hochdruck· oder ElementrBum Kraltstoflzulauf

2 3

Pumpenzyl,nder

4

Pumpenkolben

5 6

Steuerkants Kraf1stof/rOcklauf

Entlaslunlls- 4

Nutzhub

Resthub

5

hub

6

Oberer Totpunkt

Kraftstolf flIeBt

Hubbewegung

Hubbewegung

Hubbewegung

Hubbewegung

vom Saugraum

des Pumpen-

des Pumpen·

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umkeh,des

der Einspnlz-

kolbens vom

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kolbensvom

Pumpenkolbens

pumps 'n d n

unteren Totpunkt

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Zulaufbohrung

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Zulaufbohrung

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A

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III

Standard-Reiheneinspritzpumpen PE

Aufbau und Arbeitsweise

107

FOrdermengemegelung

Blld 7

>-

a

b

c

a

NullfOrderung

b

TellfOrderung

c

VollfOrderung

I 2

Zulaullbohrung

f'ympenzyhncler

3

ｦＧｹｭｰ･ｮｾｯｉ｢＠

4 5

Steuerkante gezahnle Regelslange

Pumpenelement fUhrt. Bei der Verwendung eines Gleichraumventils GRV (Beschreibung im Abschnitt "Druckventile") durchlauft der Kolben noch den Entlastungshub. Nach dem Offnen des Druckventils stromt der Kraftstoff wahrend des Nutzhubes durch die Druckleitung zur Einspritzduse. Diese spritzt den Kraftstoff schlieBlich fein dosiert in den Brennraum des Motors ein. Gibt die Steuerkante des Pumpenkolbens die Steuerbohrung bzw. die Zulautbohrung wieder frei, so ist der Nutzhub beendet. Von diesem Zeitpunkt an wird kein Kraftstoff mehr zur Einspritzduse gefordert, da der Kraftstoff wahrend des Resthubes durch die Uingsnut vom Hochdruckraum in den Saugraum zuruckgedruckt wird und so der Druck im Pumpenelement zusammenbricht. Nach einer Bewegungsumkehr im oberen Totpunkt flieBt der Kraftstoff so lange durch die Langsnut vom Saugraum in den Hochdruckraum zuruck, bis die Steuerkante die Steuerbohrung bzw. die Zulautbohrung wieder verschlieBt. Bei weiterem Kolbenriicklauf entsteht im Pumpenzylinder ein Unterdruck. Mit der Freigabe der Zulaufbohrung stromt wieder Kraftstoff in den Hochdruckraum. Der Zyklus beginnt von vorn.

Fordermengenregelung

Die Kraftstoffmenge Hisst sich durch das Verandern des Nutzhubes steuern (Bild 7). Hierzu verdreht die Regelstange (5) den Pumpenkolben (3) so, dass mit der schrag verlaufenden Steuerkante (4) des Pumpenkolbens der Zeitpunkt des Forderendes und damit die Fordermenge verandert werden kann (Absteuern). Bei der Endstellung fUr die Nullforderung (a) befindet sich die Langsnut direkt vor der Ansaugbohrung. Dadurch ist der Druckraum wahrend des gesamten Hubes mit dem Saugraum verbunden. Es wird also kein Kraftstoff gefordert. In diese Stellung werden die Pumpenkolben gebracht, wenn der Motor abgestellt werden soli. Fur die Teilforderung (b) wird je nach Stellung des Pumpenkolbens fruher abgesteuert. Bei Vollforderung (c) wird erst beim Erreichen des maximalen Nutzhubes abgesteuert, also erst mit dem Erreichen der groBtmoglichen Fordermenge. Die Bewegungsubertragung zwischen Regelstange und Pumpenkolben kann - wie in Bild 7 dargestellt - uber eine gezahnte Regelstange und ein auf der Regelhiilse aufgeklemmtes Zahn egment 1) oder iiber eine Regelstange mit Fuhrungsschlitzen und einem Stift bzw. einem KugeJkop(2 ) erfolgen.

')

PE .. Auncl PF(R)·f'ympen

"'l

PE .. M, MW. p. R, ZW(M)und CW·f'ympen

Standard-Reiheneinspritzpumpen PE

108

Aufbau und Arbeitsweise

Pumpenkolbenvarianten

Pumpenelement mit LeckruckfUhrung

1st die Einspritzpurnpe an den Schrnierolkreislauf des Motors angeschlossen, so fiihrt der Leckkraftstoff unter Urnstanden zu einer Verdiinnung des Motorols. Elernente rnit einer Leckriickfuhrung zurn Saugraurn der Einspritzpurnpe verrneiden dies weitgehend. Es gibt zwei Varianten: • Eine Ringnut irn Kolben (Bild 8a, Pos. 3) sarnrnelt den Leckkraftstoff und fiihrt ihn iiber sinnvoll angeordnete Nuten irn Kolben (2) in den Saugraurn zuriick. • Der Leckkraftstoff tlieEt iiber eine Ringnut irn Purnpenzylinder (Bild 8b, Pos. 4) und iiber eine Bohrung (1) in den Saugraurn zuriick.

Spezielle Anforderungen wie Gerauschreduzierung oder Schadstoffrninderung irn Abgas rnachen die lastabhangige Veranderung des Forderbeginns notwendig. Purnpenkolben, die zusatzlich zu der unten liegenden Steuerkante (Bild 9, Pos.l) iiber eine oben liegende Steuerkante (2) verfiigen, errnoglichen eine lastabhangige Steuerung des Forderbeginns. Urn das Startverhalten einiger Motortypen zu verbessern, werden spezielle Purnpenkolben rnit einer Startnut (3) verwendet. Diese Startnut - als zusatzliche Aussparung an der Oberkante - wirkt nur in der Startstellung der Purnpenkolben. Sie ergibt - relativ zur Kurbelwellenstellung - einen urn 5... 10° spateren Forderbeginn. Pumpenkolbenvarianten

Pumponelemente mit Led

.)

Sch,ldberger.

F"ednch; Bosch und der

D,ese/molo,; Stuttgart. 1950

Regie, fOr Reiheneinsp,itzpumpen

126

Einwirkung des Regie,s, Definitionen

Definitionen

Einwirkung des Reglers Alle Reiheneinspritzpumpen haben je Motorzylinder ein Pumpenelement, das aus Pumpenzylinder (Bild 1, Pos 8) und Kolben (9) besteht. Die eingespritzte Kraftstoffmenge lasst sich mit dem Verdrehen des Pumpenkolbens verandern (siehe Kapitel "Standard-Reiheneinspritzpumpe PE"). Der Regler verdreht iiber die Regelstange (7) gemeinsam alle Pumpenkolben, sodass die Einspritzmenge zwischen Nullforderung und maximaler Einspritzmenge verandert werden kann. Der Regelstangenweg 5 verhalt sich proportional zur eingespritzten Kraftstoffmenge und somit zum Drehmoment, das der Motor erzeugt. Die Steuerkanten im Kolben konnen verschieden angeordnet sein. Bei Ausfiihrungen mit nur unten liegender Schragkante beginnt die Forderung stets beim gleichen Kolbenhub, endet aber je nach Drehlage friiher oder spater. Mit einer oben liegenden Schragkante kann der Forderbeginn verandert werden. Daneben gibt es auch Ausfiihrungen mit oben und unten liegender Schragkante.

Nulllast

Nulllast bezeichnet alle Betriebszustande des Motors, bei denen der Motor nur seine innere Reibung iiberwindet. Er gibt kein Drehmoment ab. Die Fahrpedalstellung kann beliebig sein. Alle Drehzahlbereiche bis hin zur Abregeldrehzahl sind moglich. Leerlauf

Leerlaufbezeichnet die unterste Nulllastdrehzahl. Das Fahrpedal ist dabei nicht betatigt. Der Motor gibt kein Drehmoment ab. Er iiberwindet nur die innere Reibung. In einigen Quellen wird der gesamte Nulllastbereich als Leerlauf bezeichnet. Die obere Nulllastdrehzahl (Abregeldrehzahl) wird dann obere Leerlaufdrehzahl genannt. Volllast

Bei Volllast ist das Fahrpedal ganz durchgetreten. Der Motor gibt stationar sein maximal mogliches Drehmoment ab. Instationar (ladedruckbegrenzt) gibt der Motor das mit der zur Verfiigung stehenden Luft maximal mogliche (niedrigere) Volllast-Drehmoment

EinWl,kung des Regie's

E::J I

Blld 1 1

Pumpenanlneb

:2

Spntzverslelle,

3 4 5

Pumpengehause

6

7 8 9

Nockenwelle

R....lergehlluse Verslellhebel Regelslango Pumpenzyllnde, Pumpenkolben

2

3

4

5

Regler fijr Reiheneinspritzpumpen

ab. Alle Drehzahlbereiche von der Leerlaufdrehzahl bis zur Nenndrehzahl sind moglich. Bei der Abregelung reduziert der Regler selbststandig die Einspritzmenge und dam it das Drehmoment.

Definitionen, P-Grad des Reglers

P-Grad des Reglers Jeder Motor hat eine Drehmomentkennlinie entsprechend seiner maximalen Belastbarkeit. Zu jeder Drehzahl gehort ein bestimmtes maximales Drehmoment.

Teil/ast

Teillast umfasst alle Bereiche zwischen Nulllast und Volllast. Der Motor gibt ein Drehmoment zwischen Null und dem maximal moglichen Drehmoment ab. Teil/ast bei Leerlaufdrehzahl

In diesem besonderen Fall halt der Regler die Leerlaufdrehzahl. Der Motor gibt ein Drehmoment ab. Dies kann bis zur Volllast gehen. Schubbetrieb

Im Schubbetrieb wird der Motor von auBen iiber den Triebstrang angetrieben (z. B. bei Bergabfahrt) . Stationarer Betrieb

Das vom Motor abgegebene Drehmoment entspricht dem erforderlichen Drehmoment. Die Drehzahl bleibt stabil.

Wird der Motor bei unveranderter Verstellhebelstellung entlastet, so darf die Drehzahl im Regelbereich nur urn ein bestimmtes, vom Motorhersteller zugelassenes MaB ansteigen (z. B. von Volllastdrehzahl nvauf Nulllastdrehzahl no> Bild 2). Der Drehzahlanstieg ist proportional zur Lastanderung, d. h. er ist umso groBer, je groBer die Entlastung ist. Man spricht deshalb von Proportional- oder P-Grad und von Reglern mit P-Verhalten. Der P-Grad des Reglers wird im Allgemeinen auf die obere Volllastdrehzahl bezogen. Diese entspricht der Nenndrehzahl. Der P-Grad 0 errechnet sich wie folgt:

0= nno - nvo nvo od er in %:

Instationarer Betrieb

Das vom Motor abgegebene Drehmoment entspricht nicht dem erforderlichen Drehmoment. Die Drehzahl verandert sich. Indizes

Die in den folgenden Bildern und Formeln verwendeten Indizes bedeuten: I Leerlauf, n Nulllast, v Volllast, unterer Wert und o oberer Wert. Daraus ergibt sich z. B.: nnu untere Nulllastdrehzahl (= Leerlaufdrehzahl nl) nn eine beliebige Nulllastdrehzahl nno obere Nulllastdrehzahl nv eine beliebige Volllastdrehzahl nvo obere Volllastdrehzahl (Nenndrehzahl)

mit nno obere Nulllastdrehzahl nvo obere Volllastdrehzahl Volllastdrehzahlen mit den entsprechend n abgeregelten Nulllastdrehzahlen

Nm

M""",

.--

i"-

Ji

t 11 1I\Jnu n

t nv no

Motordrehzahl

t n wno 11 min- I

127

128

Regler fUr Reiheneinspritzpumpen

P-Grad des Regie,s, Aufgaben des Reglers

Da die Pumpendrehzahl bei Viertaktmotoren der halben Motordrehzahl entspricht, kann sowohl mit der Pumpen- als auch mit der Motordrehzahl gerechnet werden.

Drehzahlerhl)hung be, verschiedenem P-Grad

Nm ,.--------,,...-------, " r'\"Irill:

a

b

Beispiel (Pumpendrehzahlen): nno = 1000 min-l, nvo = 920 min- l

Bild 5 zeigt die Auswirkung des Proportionalgrades an einem praktischen Beispiel: Bei konstant eingestellter Solldrehzahl andert sich die tatsachliche Drehzahl bei Veranderung der Belastung (z. B. Steigungsanderung) im Rahmen des P-Bereichs.

Blld 3 a

KIelner P-Grad

b

groBe, P-Grad

MotOfdrehzahl

P-Grad eines Drehzahlreglers RaV

Im Allgemeinen lasst sich durch einen groBeren P-Grad ein stabileres Verhalten des ganzen Regelkreises aus Regler, Motor und angetriebene Maschine oder Fahrzeug erzielen. Andererseits ist der P-Grad durch die Arbeitsbedingungen begrenzt.

%r-------------, 100 80

Beispiele fur P-Grade: • ca. 0.. .5 % fur Stromerzeuger, • ca. 6 ... 15 % fur Fahrzeuge.

40

20

Blld4 Verlau! be, verSCh,ede-

ｏｾ＠

nen m,l dem VerSlell-

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______________________ 400

hebel e,nge81elllen Drehzahlen

ｾ＠

Einnuss des P·Grsdes auf die D,ehzahl bei BelaSlungsllnderungen

min-I . - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - , GrOOter Drehzahl-

"

I

unterschied

c

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600 800 1000 1200 min-I ｾ＠ ::> Pumpendrehzahl

Istdrehzahl

P- 8ereich

ｎｭｾ］＠

I c

ZeilI

Aufgaben des Reglers Jeder Regler hat als Grundaufgabe die Begrenzung der vom Motorhersteller zugelassene Enddrehzahl. Da der Dieselmotor oh ne Drosselung der Zylinderfullung mit Luftuberschuss arbeitet, wiirde er ohne diese Begrenzung "durchgehen" und geschadigt werden. Andere Aufgaben sind je nach Reglerart das Konstanthalten bestimmter Drehzahlen wie der Leerlaufdrehzahl bzw. der Drehzahlen innerhalb eines bestimmten oder des gesamten Drehzahlbereichs zwischen Leerlauf- und Enddrehzahl. Daruber hinaus kann der Regler noch weitere Aufgaben erfullen, wobei die Moglichkeiten des elektronischen Reglers wesentlich umfangreicher sind als die des mechanischen Reglers.

Regie, fU, Reiheneinsp,itzpumpen

An den Regler werden auch Steuerungsaufgaben gestellt, wie z. B. • automatische Freigabe oder Sperrung der fur das Starten notwendigen groBeren Kraftstoffmenge (Startmenge), • Veranderung der Volllastmenge abhangig von der Drehzahl (Angleichung), • Veranderung der Volllastmenge abhangig vom Lade- oder atmospharischen Druck. Hierzu sind zum Teil Zusatzeinrichtungen erforderlich, auf die spater naher eingegangen wird.

Regelbereich Enddrehzahl ｭＮＭｾ＠

i a:

! ｯｾ｟＠

Enddrehzahlregelung

Die obere Volllastdrehzahl nyO darf bei Entlastung entsprechend dem zulassigen P-Grad hochstens auf die obere Nulllastdrehzahl nno ansteigen (Bild 6). Der Regler erreicht dies durch eine Zurucknahme der Regelstange in Richtung "Stopp". Den Bereich nyO - nno nennt man Enddrehzahlabregelung. Die Drehzahlerhohung von nyO auf nno ist umso groBer, je groBer der P-Grad des Reglers ist.

Aufgaben des Regie,s

n"" nno min-1 ｾ＠ Molordrehzahl :>

Regelbereich Zwischendrehzahl (Alldrehzehlregler)

mmr------------------------, geregeller Bereich Cl CD

ｾ＠

c:

CD Cl

c:

S.,

Zwischendrehzahlregelung

Wenn die Aufgabe es erfordert (z. B. bei Kraftfahrzeugen mit Nebenantrieb) kann der Regler auch bestimmte Drehzahlen zwischen Leerlauf- und Enddrehzahl entsprechend des P-Grades konstant halten (Bild 7). Die Drehzahl n wiirde also, bei aktivierter Zwischendrehzahlregelung ZDR, je nach Belastung innerhalb des Leistungsbereichs des Motors nur zwischen ny (bei Volllast) und nn (bei unbelastetem Motor) schwanken. Leerlaufregelung

Auch im untersten Drehzahlbereich des Dieselmotors kann eine Drehzahlregelung stattfinden (Bild 8) - die Leerlaufregelung LLR. Oh ne Regler wurde die Drehzahl entweder bis zum Stillstand fallen oder aber sie wiirde sich standig bis zum Durchgehen des Motors erhohen. Wenn die Regelstange nach dem Starten eines kalten Dieselmotors aus der Startiage in die Stellung B zuruckkehrt, ist der Rei-

la:

n... n nn nvo Motordrehzahl

Regelbereich Leerlaufdrehzahl

mm .-----------------------....,

geregeller Bereich

I.l l!f

a:

Volllast - -----------1

ｴＭＫｾ

I

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Nulllasl ---..-.

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--I,

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o '----'-__'--__........____________...1 min- 1 ｾ＠

Molordrehzahl

:>

129

Regler tijr Reiheneinspritzpumpen

130

Bild9 a

Ksaftsloflbedarf des

b

VoIllastlO,dermenge

Molors ohne AnglelChung C

Aufgaben des Reglers

bungswiderstand des Motors noch verhaltnismaBig graB. Die notwendige Kraftstoffmenge, urn den Motor in Gang zu halten, ist daher etwas groBer und die Drehzahl etwas niederer, als dies dem Leerlaufeinstellpunkt L entspricht. Wahrend des Warmlaufs verringert sich die Eigenreibung des Motors sowie der Antriebswiderstand der vom Motor getriebenen Aggregate wie Generator, Luftkompressor, Einspritzpumpe usw. Dadurch nimmt die Drehzahl zu und die Regelstange geht auf L zuruck. Die Leerlaufdrehzahl fur den warmen Motor ist erreicht.

Kraftstoffbedarls· und FOrderrnengenkennl,nien

augm toren

Blld 11 a

MII AnglelChung

b

ohne AnglelChung

Der Kraftstoffbedarf des nicht aufgeladenen Dieselmotors nimmt im Allgemeinen mit steigender Drehzahl ab (geringerer relativer Luftdurchsatz, thermische Grenzbedingungen, veranderte Gemischbildung). Die Fordermenge der Bosch-Einspritzpumpe nimmt hingegen bei gleicher Stellung der Regelstange in einem bestimmten Bereich bei steigender Drehzahl zu (Drosse!wirkung an der Steuerbohrung des Pumpenelements). Zu vie! eingespritzter Kraftstoffbedeutet jedoch Rauchentwicklung bzw. Dberhitzung des Motors. Die eingespritzte Kraftstoffmenge muss also dem Kraftstoffbedarf angeglichen werden (Bild 9). Bei Reglern mit Angleichung wird die Rege!stange im Angleichbereich urn den festge!egten Angleichweg in Richtung "Stopp" verschoben (Bild 10). Mit steigender Drehzahl (von n1 nach n2) verringert sich also die Fordermenge (positive Angleichung oder

ell

2500min-' i9 :::>

Motordrehzahl

Angleichung

Die Angleichung ermoglicht eine optimale Ausnutzung der im Zylinder vorhandenen Verbrennungsluft. Angleichung ist kein eigentlicher Regelvorgang, sondern eine der Steuerungsaufgaben, die dem Regler ubertragen werden. Sie wird ausgelegt flir die Volllastfordermengen, d. h. die groBte im belastbaren Bereich des Motors geforderte und rauchfrei verbrennende Kraftstoffmenge.

N

"2

1500

1000

angogllchene VoIl· Ｑ｡ＮｦｾＬ､･ｮｧ＠

c

n,

Regelstangenwegverlauf m,t positive, Angleichung (im Regelsinn)

mm

ａｮｧｾ＠

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beg,nn-

ende- ｾ＠

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a:

l

:.1 AnglelCh- Angleich-

n, 1000

J. J, 1

'2 nvo

1500 Motordrehzahl

Drehmornenlverlauf elnes D,eselmolors

Nm

r-------------, Anglelchbeg,nn

Anglelchende

n, 1000

1500

Motordrehzahl

Regler fUr Reiheneinspritzpumpen

Angleichung im Regelsinn), bei fallender Drehzahl (von n2 nach nl) erhoht sie sich. Angleichvorrichtungen sind je nach Reglertyp verschieden angeordnet und ausgefiihrt. Einzelheiten enthalt die jeweilige Reglerbeschreibung. Bild 11 zeigt den Verlauf des Drehmoments eines Dieselmotors mit Angleichung und oh ne Angleichung, wobei im ganzen Drehzahlbereich das groBte Drehmoment ohne Dberschreitung der Rauchgrenze erreicht wird.

Aufgaben des Reglers, Reglerarten

131

Reglerarten Standig steigende Anforderungen an die Abgasemissionen, an die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, an den Fahrkomfort und die vom Motor zu erbringende Leistung pragen die Entwicklung der Dieseltechnik. Mit dies en Anforderungen steigen die Anspriiche, die an das Einspritzsystem und insbesondere an den Regler gestellt werden. Aus den verschiedenen Regelaufgaben ergeben sich verschiedene Reglerarten:

• Enddrehzahlregler

Aufgeladene Motorcn Bei Motoren mit Abgasturbolader mit hOherem Aufladegrad steigt der Kraftstoffbedarf fUr Volllast im unteren Drehzahlbereich so stark an, dass der natiirliche Fordermengenanstieg der Einspritzpumpe nicht mehr geniigt. Bier muss abhangig von Drehzahl oder Ladedruck eine Angleichung vorgenommen werden, die je nach den Verhaltnissen allein mit dem Regler oder dem ladedruckabhangigen Volllastanschlag oder beiden zusammen erreicht wird. Man nennt diese Angleichung negativ. Letztere bedeutet verstarkte Zunahme der Fordermenge bei Drehzahlerhohung (Bild 12). Im Gegensatz hierzu steht die iibliche positive Angleichung mit Verringerung der Einspritzmenge bei steigender Drehzahl.

haben die Aufgabe, nur die Bochstdrehzahl zu begrenzen.

• Leerlauf-Enddrehzahlregler regeln auBer der Enddrehzahl auch die Leerlaufdrehzahl. Sie regeln nicht den dazwischenliegenden Bereich. Die Beeinflussung der Einspritzmenge erfolgt dort mit dem Fahrpedal. Diese Regler werden vorwiegend im Kfz eingesetzt.

• Alldrehzahlregler (friiher Verstellregler genannt) regeln neben der Leerlauf- und Enddrehzahl auch den dazwischenliegenden Drehzahlbereich.

• Stufendrehzahlregler sind eine Kombination von LeerlaufEnddrehzahl- und Alldrehzahlregler.

• Aggregatsregler eignen sich fUr Stromerzeugungsaggregate, ausgelegt nach DIN 6280 bzw. ISO 8528.

FllrdermengenkeMl,n,en

Mechanische Regler

mm 3 r-----------------------, Hub

Der mechanische Regler fUr Reiheneinspritzpumpen wird wegen seiner Fliehgewichte auch Fliehkraftregler genannt. Er ist iiber ein Gestange und den Verstellhebel mit dem Fahrpedal verbunden (Bild 1 nachste Seite).

Anglelchung

negabv

POSltlV

Blld 12 a

Spritzversteller

..,'? min-1

Motordrehzahl

ｾ＠ :lE

::0

=

Zur Steuerung des Spritzbeginns und zur Kompensation der Druckwellenlaufzeit in der Einspritzleitung dient ein Spritzversteller, der den Forderbeginn der Einspritzpumpe mit steigender Drehzahl in Richtung "Friih" verstellt.

b

KrahstoHbedarl des Mot"",

Volllaslf/lrdermenge ohne Angleochung

c

angeghchene VolI· lasll/lrdermenge

et

negatrve

Angleochung Co

POSIt"'" Angle,chung

132

Regler fUr Reiheneinspritzpumpen

Reglerarten

Elektronische Regelung

Die elektronische Dieselregelung EDC erfullt die gestiegenen Anspruche an das Regelsystem. Sie ermoglicht elektrisches Messen sowie flexible elektronische Datenverarbeitung. Regelkreise mit elektrischen Stellern bieten im Vergleich zu herkommlichen mechanischen Reglern sowohl verbesserte als auch neue Reglerfunktionen wie z. B. die Laufruheregelung. AuBerdem ermoglicht die elektronische Dieselregelung den Datenaustausch mit anderen elektronischen Systemen wie z. B. der Getriebesteuerung und gestattet eine umfangreiche elektronische Diagnose. Die Systemblocke und Komponenten des EDC-Systems fur Reiheneinspritzpumpen werden im Kapitel "Elektronische Dieselregelung" gezeigt. Die Bilder 1 und 2 zeigen prinzipiell die Regelkreise mit mechanischer und elektronischer Regelung. Die detaillierten Darstellungen der Regelkreise fur die StandardReiheneinspritzpumpen und HubschieberReiheneinspritzpumpen sind auf der nachsten Doppelseite zu finden.

Vorteile der elektronischcn Rcgelung Dcr Einsatz cincs elektronisch geregelten Einspritzsystems bietet folgende Vorteile: • Durch vielfaltige Funktionen und Datensatze wird ein optimales Motorverhalten in jedem Betriebspunkt erreicht. • Klare Trennung der Einzelfunktionen: Reglercharakteristik und Einspritzmengenverlauf sind nicht mehr voneinander abhangig; deshalb bieten sich vielfaltigere Einflussmoglichkeiten bei der Applikation. • Erweiterte Verarbeitung von EinflussgroBen, die bisher mechanisch nicht berucksichtigt werden konnten (z. B. Kompensation der Kraftstofftemperatur, lastunabhangige Leerlaufdrehzahlregelung). • Hohe Regelgenauigkeit und -konstanz uber die gesamte Motorlaufzeit durch Reduzierung von Toleranzeinflussen. • Verbessertes Fahrverhalten: Die umfangreichen Datensatze (z. B. Kennfelder) und Parameter ermoglicht eine Optimierung des Systems Motor/Fahrzeug.

Regelkre,. m,l m"""""iscl>er Oieselregelung

Blld 1 O,eselmolor

1 2

R"heoe,nsprrtz'

pumpe Fahrpedal

ｰｾ＠

2

Regler

..

""" Soll-Orehzahl Molordrehzahl

'

"M

SpnlZVe

Regler tur Reiheneinspritzpumpen

• Erweiterter Funktionsumfang: Funktionen wie Fahrgeschwindigkeits- und Zwischendrehzahlregelung sind ohne groBen Zusatzaufwand realisierbar. • Kopplung mit anderen elektronischen Fahrzeugsystemen erOffnet Moglichkeiten, die das Fahrzeug in Zukunft insgesamt komfortabler, wirtschaftlicher, umweltfreundlicher und sicherer machen (z. B. Elektronische Getriebesteuerung EGS, Antriebsschlupfregelung ASR). • Deutliche Reduzierung des Raumbedarfs beim Pumpeneinbau, da mechanische Aufschaltgruppen an der Einspritzpumpe entfallen. • Varianten nach Bedarf: Datensatze oder Parameter werden erst am Ende des Produktionsbandes bei Bosch oder auch beim Motor- bzw. Fahrzeughersteller individuell im Steuergerat programmiert. Dadurch lasst sich ein Steuergerate-Typ fur verschiedene Motor- und Fahrzeugvarianten einsetzen. icherheit konzcpt Aus Sicherheitsgrunden bringt eine Ruckstellfeder die Regelstange bei stromlosem Stellwerk in die Stellung "Nullforderung". Regelkreise mit elektrooiscner Die$elregelung

Reglerarten

133

Selbstiiberwachung: Die Elektronische Dieselregelung EDC umfasst eine Selbstuberwachung der Sensoren, des Stellwerks und des Mikrocontrollers im Steuergerat. Zusatzliche Sicherheit bieten weitgehend redundante Funktionen. Das Diagnosesystem ermoglicht das Auslesen erkannter Fehler uber ein Testgerat oder bei alteren Systemen uber eine Diagnoselampe. Ersatzfunktionen: Im System sind umfassende Ersatzfunktionen integriert. Fallt zum Beispiel der Drehzahlsensor aus, dient das Signal der Klemme W des Drehstromgenerators als Ersatz fur die Drehzahlinformation. Beim Ausfall wichtiger Sensoren leuchtet eine Warnleuchte auf. Abstellfunktion: Zusatzlich zur Sperrwirkung der Regelstange in Stopp-Position sperrt im stromlosen Zustand ein im Kraftstoffzulauf angebrachtes Magnetventil die Kraftstoffversorgung. Dieses separate Elektrische Abstellventil ELAB oder Elektro-Hydraulische Abstellvorrichtung EHAB unterbricht die Kraftstoffzufuhr auch dann, wenn z. B. das Kraftstoff-Mengenstellwerk ausfallt und stellt so den Motor ab.

1 Blld 2 Fahrzeugsensoren

(z. B_FahrgescnWlndogkelt)

I

e

7

2

MolorserlSOren

(•. B. Motor· ternperalur) 3

Sensoren des Eonspntzsystoms

2

(z. B. Spntzbeg,nn)

3

Ansleueraognale

4 5

Diagnose·

6

Fahrpedal und Soil·

scnMtstelle

6

4

5

o

wertgeber (&halter) 7

Oatenkommunlka·

toon (z. B. GIOhze,l· steuerung)

p. Almosphliren· luftdruck

134

Regler fUr Reiheneinsprilzpumpen

Regle,at1en

Regelkrei c Start, Leerlauf, Motorleistung, RuB emission und Fahrverhalten werden entscheidend durch die eingespritzte Kraftstoffmenge beeinflusst. Dementsprechend sind Kennfelder fur Start, Leerlauf, Volllast, Fahrpedalcharakteristik, Rauchbegrenzung und Pumpencharakteristik im Steuergerat einprogrammiert.

Sensoren die Solleinspritzmenge bzw. den Sollwert fur die Regelstangenposition der Reiheneinspritzpumpe. Dieser Sollwert ist die FuhrungsgroBe des Regelkreises. Ein Lageregler im Steuergerat, der die Ist-Stellung der Regelstange und damit die Regelabweichung erfasst, sorgt fur eine korrekte und schnelle Einstellung der erforderlichen Regelstangenposition.

Als ErsatzgroBe fur die Kraftstoffmenge wird der Weg der Regelstange verwendet. Fur das Fahrverhalten kann eine von mechanischen Drehzahlreglern bekannte RQ- oder RQV-Regelcharakteristik vorgegeben werden.

Verschiedene einzuregelnde Drehzahlen konnen gewahlt werden: Leerlaufdrehzahl, feste Zwischendrehzahl fur z. B. Nebenantriebe und eine bestimmte Drehzahl fur z. B. die Fahrgeschwindigkeitsregel ung.

Dber den Fahrpedalsensor nimmt der Fahrer Einfluss auf das Drehmoment bzw. die Drehzahl (Bild 3). Das Steuergerat ermittelt unter Berucksichtigung der gespeicherten Datensatze und der Istwerte der

Entsprechend dem ermittelten Sollzustand gibt das Steuergerat elektrische Signale an das Regelweg-Stellwerk der Einspritzpumpe. Die vom Rechner ausgegebene Soll-Einspritzmenge wird anhand des Lageregel-

Regelkreis der Einspritzmenge

Elekl ,onische Dieselregalung EDC der $ Iandard-Reihilneinspritzpumpe

Kraftstoff

'7

Luft Kupplu!l9

ELAB ElnIAus

I

ｾ＠

Relhenelnaprltz· pumpe

-

s....

-

S ｾ＠ well
zwischen unterer eingeslelltet Nullleistungsdrehzahl und de, Nulllelstungsd,ehzahl, die "ich n&ch Entlastung eus dam Nennletstungspunkt be, gleicher SoIlwerte.nslellung e'g.b!.

D", Differenz beKle< Drehzahlen wird in Prazenl der Nenndrehzahl ausgedrUcl...

"'"'" 0

::E :>

Kantengesteuerte Verteilereinspritzpumpen

lauf (6) gefordert und iiber eine Bohrung in den Pumpeninnenraum gedriickt. Das Volumen der Zelle nimmt wahrend der Drehung wegen der exzentrisch angeordneten Innenflache des Exzenterrings ab. Dadurch wird der Kraftstoff komprimiert. Ein Teil des Kraftstoffs gelangt iiber eine zweite Bohrung zum Druckregelventil (siehe Bild 1). Zulauf und Ablauf werden wegen ihrer Form auch "Saugniere" und "Druckniere" genannt.

Niederdruckleil

165

ROgelzellen·Ftlrderpumpe zur N,ederdrucldllrderung

Druckregelventil

Da die Fliigelzellen-Forderpumpe mit zunehmender Pumpendrehzahl mehr Kraftstoff fordert, steigt auch der Pumpeninnenraumdruck proportional zur Drehzahl an. Dieser Druckanstieg ist fur die Funktion des hydraulischen Spritzverstellers notwendig, (siehe Kapitel "Aufschaltgruppen fur Verteilereinspritzpumpen"). Urn einen auf den Motor und den Spritzversteller abgestimmten Druckanstieg zu erreichen, ist ein Druckregelventil notwendig. Mit ihm kann der Pumpeninnenraumdruck in Abhangig-

Blld 2 I

Pumpeninnenraum

2 3

Exzenlemng

4

Kra'19tofttulau'

5

Pumpengehause

.'"

6

Kraftsloffablaul

":>

8

AnlnebsweUe

9

RUgel

""chelfOrm'ge Zelle (Saugn'ere)

8

ｾ＠

(Druckmere)

7

Sche,benfeder

10 ROgelrad

Bauleole der ROgelzellen·FOrderpumpe aul der Anlriebswelle

Blld 3 Anlnebswelle

2

. ., > 6

ｾ＠

'"

::!'

::>

3 4 5 6

RUgelrad RUgel Exzentemng SIOlzring Zahnrad fur ReglerBnlneb

7

Klaue mr Anlneb der Hochdruck· pumpe

166

Kantengesteuerle Verleilereinspritzpumpen

Niederdruckleil

Oruckregelvenld

ObeslrOrndrossel

Blld 4 1

Venldkllrper

2 3

Vonlllkoli>en

Druckfeder

4

Bohrung

5

Zulaul voo de< Flugelzel1en·

FOrderpumpe

6

ROckiauf lur Augelzellen-

FOrderpumpe

Blld 5 1 G Muse 2 Rher 3 Regletdeckel 4 KtahsloHzulauf 5

Orosselbohrung

6

Ruckiauf zum KtaftsloHi>ehllller

.ｾ＠..

>-

er to Vorte,lerkolben

11 Verte,lerkllrper (auch Verte,lerkopl

oder Verto,lernansch genannt)

12 Druckvenlll t 3 Auslass zur Druckle,tung

Ol

oberer TOlpunkt des Pumpen·

2

34

5 6 7

8 9

10 11

12

13

kolbeM

UT unterer Totpunkt des Pumpen· kolbens

168

Kantengesteuerte Verteilereinspritzpumpen

Hochdruckpumpe mit Verteiler

Pumpenverband mit VerteolerkOrper

3 4

2

6

5

7

B

Bild2 1 Antnebswelle 2

lAhnrad fUr Reglerantneb

3

Klaue

4

Kteuzscheibe

5

Rollenrlng

6

Klaue

7

Hubschelbe

8 9

Verteilerkolbenlu6

Nocken

10 Verle,lerkolben 11 Federbrilcke 12 Regelsctlleber 13 KolbenrOckholleder 14 FOhrungsstilt 15 Verle,lerkOrper 16 Oruckventll

(AusIass zur Oruckle1tung)

9

9 _.16 Verle1lerkOrper·

10

11

12

13

14

15

16

8augruppe

in Richtung "unterer Totpunkt" (UT) sorgen die beiden symmetrisch angeordneten KolbenrUckholfedern (Bild 2, Pos. 13). Sie stUtzen sich am Verteilerkorper (15) ab und wirken Uber eine FederbrUcke (11) auf den Verteilerkolben (10). AuBerdem verhindern die KolbenrUckholfedern ein Abspringen der Hubscheibe (7) von den Rollen des Rollenrings (5) infolge hoher Beschleunigung. Die KolbenrUckholfedern sind in ihrer Hohe genau aufeinander abgestimmt, damit der Verteilerkolben bei seiner Bewegung im Verteilerkorper nicht verkantet.

Hub cheiben und

ckenformcn

Die Anzahl der Nocken und Rollen richtet sich nach der Zylinderzahl des Motors und dem benOtigten Einspritzdruck (Bild 3). Die

Nockenform beeinflusst den Einspritzdruck und die maximal mogliche Einspritzdauer. Die hierzu entscheidenden Kriterien sind Nockenhub und Hubgeschwindigkeit. Je nach Gestaltung des Brennraums und Verbrennungsverfahrens des Motors (DI oder IDI) muss eine individuelle Abstimmung der Einspritzbedingungen erfolgen. Aus diesem Grund wird fUr jeden Motortyp eine spezielle Nockenbahn errechnet, die dann auf der Stirnseite der Hubscheibe gefertigt wird. Die so festgelegte Hubscheibe ist ein spezieller Bestandteil der entsprechenden Verteilereinspritzpumpe. Hubscheiben sind deshalb zwischen verschiedenen VE-Pumpenvarianten nicht austauschbar.

Kantengesteuerte Verteilereinspritzpumpen

Verteilerkorper

Im mit dem Pumpengehause verschraubten Verteilerkorper (Bild 4, Pos. 3) sind der Verteilerkolben (5) und die Verteilerbuchse (2) fein ineinander eingepasst (eingelappt). Auch der Regelschieber (1) ist genau zum Verteilerkolben "gepaart". 50 dichten diese Bauteile auch bei sehr hohen Drucken ab. Geringe Leckverluste sind unvermeidlich und mit Rucksicht auf die 5chmierung des Verteilerkolbens sogar notwendig. Aufgrund der genauen Passungen darf nur die vollstandige Verteilerkorper-Baugruppe ausgewechselt werden, keinesfalls Verteilerkolben, Verteilerkorper oder Regelschieber fur sich allein.

Hochdruckpumpe mit Verteiler

169

Blld3

Unterschledliche Rollen·/Nockenpaarungen

a

Drel«vlindermotor Auch d'e SecI1s·

Rollenrlng

Hubscheibe

zyllnderausfUhrung

@ @ @ @

wrrd jade «We,le

(d)

a

b

c

Im Verteilerkorper sind auBerdem das elektrische Abstellventil (ELAB, hier nicht dargestellt) zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr, die Verschlussschraube (4) mit Entluftungsschraube (6) und die Druckventile (7) befestigt.

d

151

mOghch. Dann

Auslassbohrung zum Pumpenlnnenmum h,n kurzgeschlossen. b

Vierzyllndermotor FO, Zweizyi,nder' moloren Wlrd jade mede Auslass· bohrung zum Pum· penlnnenraum hln iwrzgeschlossen.

c

Fiinfzyllndermotor o'e blau e,ngelArbten RoIlen enllallen

be. lol·Molo,en, da hIe, d ,EinSp

Aufschaltgruppen fUr Verteilereinspritzpumpen

Regelgenauigkeit Als MaB fur die Genauigkeit der Drehzahlregelung eines Reglers bei Entlastung des Motors gilt der Proportionalgrad (P-Grad). Er ist die prozentuale Drehzahlzunahme, wenn der Dieselmotor bei unveranderter Verstellhebellage (Fahrpedal) entlastet wird. Die Drehzahlerhohung darf dann im Regelbereich einen bestimmten Wert nicht uberschreiten. Als Maximalwert gilt die obere Leerlaufdrehzahl. Sie stellt sich ein, wenn der Dieselmotor von seiner hochsten Drehzahl unter Volllast bis auf seine Nulllast entlastet wird. Der Drehzahlanstieg ist proportional zur Lastanderung. Er ist umso groBer, je groBer die Lastanderung ist.

oder in %:

Saugmolor -

E tl .1:

Lruiermolor

0.. U> I:

in

Blld 7 a

Laderbetneb

b

Saugbelneb

PI

unterer l.adedruck

I':> oberer Ladedruck

b

ｾ＠

E P1 Motordrehzahl n

P2 mbar " Ladedruck P - -

::J

Aufschaltgruppen fUr Verteilereinspritzpumpen

Oberseite des LDA ist die Ausgangsstellung von Membrane und Verstellbolzen definiert.

Arbeitsweise Im unteren Drehzahlbereich reicht der vom Abgasturbolader erzeugte Ladedruck nicht aus, urn die Federkraft zu iiberwinden. Die Membran befindet sich in der Ausgangsstellung. Sobald der steigende Ladedruck Pt. auf die Membran wirkt, bewegt sich die Membran und damit auch der Verstellbolzen mit dem Steuerkegel entgegen der Federkraft der Druckfeder nach unten. Bei dieser vertikalen Bewegung des Verstellbolzens andert der Abtaststift seine Lage, wodurch der Umlenkhebel urn seinen Dreh-

Mechanische Anpassvorrichlungen

193

punkt Ml eine Drehbewegung ausfiihrt. Durch die wirksame Zugkraft der Regelfeder besteht zwischen Spannhebel, Umlenkhebel, Abtaststift und Steuerkegel eine kraftschliissige Verbindung. Infolgedessen folgt der Spannhebel der Drehbewegung des Umlenkhebels, sodass Start- und Spannhebel eine Drehbewegung urn ihren gemeinsamen Drehpunkt ausfiihren und den Regelschieber in Richtung Mehrmenge verschieben. Die Kraftstoffmenge wird somit der erhohten Luftmasse im Brennraum des Motors angepasst.

Ax.alkolbenoVertelieremspnllpumpe mll ladecryckablollngigem Volllastanschlag

Slid B 1 RegeHecer

2 Reglerdeckel 3 Umlenkhebel 4 Ablastallh 5 EmSlellmutler 6 Eonslellbolzen

7 Ladecruckanschluss

8 Membran 9 Druckfecer 10 BelOhung 11 Verstellbolzen 12 Sleuerkegol 13 Elnslellschroube fUr Volllostmenge 14 ElnSletlhebel ｾ＠

15 Spannhebel

ｾ＠

16 Starthebel

ｾ＠

ｾ＠

::E

=

PI. Ladecruck M, Drehpunkt fOr 3

194

Aufschaltgruppen fUr Verteilereinspritzpumpen

Mechanische Anpassvorrichlungen

Bei sinkendern Ladedruck driickt die Druckfeder unterhalb der Mernbran den Verstellbolzen nach oben. Die Verstellbewegung der Reglerrnechanik erfolgt in entgegengesetzter Richtung, und die Kraftstoffmenge wird entsprechend dern sich andernden Ladedruck reduziert. Bei Ausfall des Laders geht der LDA in seine Ausgangsstellung zuriick und begrenzt die Volllastrnenge so, dass eine rauchfreie Verbrennung gewahrleistet ist. Die Volllastrnenge rnit Ladedruck wird rnit der Volllastanschlagschraube irn Reglerdeckel eingestellt.

Atmospharendruckabhangige Anpassung

In H6henlagen ist die angesaugte Luftrnasse wegen der geringeren Luftdichte kleiner. Die eingespritzte Volllastrnenge kann nicht vollstandig verbrannt werden. Es kornrnt zu Rauchentwicklung, und die Motorternperatur steigt. Urn dies zu verhindern, ist ein atrnospharendruckabhangiger Volllastanschlag von Vorteil. Er verandert die Volllastrnenge in Abhangigkeit vorn Urngebungsluftdruck.

Axialkolben-Ver1eilereinspr.tzpumpe mit ladedruckabMngigem Volllastanschlag (Schnittbild)

'--------,

Aufschaltgruppen fur Verteilereinspritzpumpen

Mechanische Anpassvorrichtungen

Atmo pharcndruckabhangiger Volllastan chlag ADA

Lastabhangige Anpassung

Aufbau

Aufgabe

Der konstruktive Aufbau des ADA der Verteilereinspritzpumpe ist identisch mit dem des Ladedruckabhangigen Volllastanschlags. Hinzu kommt eine Steuerdose, die an einem Unterdrucksystem (z. B. Servobremssystem) angeschlossen ist. Die Steuerdose sorgt fur einen konstanten Referenzdruck von 700 mbar (Absolutdruck).

Der Einspritzzeitpunkt - und somit der Forderbeginn - muss in Abhangigkeit von der Belastung des Dieselmotors in Richtung "Friih" oder "Spat" verstellt werden. Der lastabhangige Forderbeginn (friiher auch LAFB genannt) ist so ausgelegt, dass bei fallender Last (z. B. von Volllast auf Teillast) und bei unveranderter Drehzahl-Verstellhebellage eine Verstellung des Forderbeginns in Richtung "Spat" vorgenommen wird. Bei zunehmender Last erfolgt eine Verstellung des Forderbeginn-Zeitpunkts in Richtung "Friih". Mit dies er Anpassung erzielt man einen weicheren Motorlauf und sauberes Abgas in Teillast und Leerlauf. Einspritzpumpen mit LFB konnen an der fertigungsbedingt eingepressten Kugel erkannt werden (Bild 10, Pos. 10).

Arbeitsweise Die obere Membranseite des ADA wird vom Atmospharendruck beaufschlagt. An der Unterseite liegt der durch die Steuerdose konstant gehaltene Referenzdruck an. Verringert sich der Atmospharendruck (z. B. durch Fahren in groBer Hohe), so bewegt sich der Verstellkolben in vertikaler Richtung weg vom unteren Anschlag. Uber den Umlenkhebel wird wie beim LDA ein Herabsetzen der Einspritzmenge erreicht.

195

La tabhangigcr Forderbeginn LFB

Reglergruppe mit lastabhllngtgem FOrderbeginn (Aulbau)

3 Blld 10 1 Rag Ifeder

2 Reglennuffe 3 Spannhebel

4

4 Slanhebel 5 Regclsch'eber 6 Vene,lerkolben 7 Ragleracnse

M2

8 Flrehgewrcht 9 PumpengehluS8

5

10 Kugel

6

>;j;

... ｾ＠

:0

::r

=

11 Drehzahl-Verstell· hebel

M. Drehpun

t

Illr 3 und 4.

Aufschaltg,uppen fur Verteilereinspritzpumpen

196

Mechanische Anpassvorrichtungen

Aujbau Die Anpassung "Lastabhangiger Forderbeginn" (Bild 10) wird durch Modifikationen an Reglermuffe (2), Reglerachse (7) und Pumpengehause (9) realisiert. Hierbei ist die Reglermuffe mit einem zusatzlichen Steuerquerschnitt und die Reglerachse mit einer Ringnut, einer Langsbohrung sowie mit zwei Querbohrungen versehen. Im Pumpengehause ist eine weitere Bohrung vorhanden, sodass durch diese Anordnung eine Verbindung von Pumpeninnenraum zur Saugseite der Fliigelzellen-Forderpumpe gegeben ist.

Arbeitsweise Der Spritzversteller verstellt bei steigender Drehzahl infolge steigenden Pump en inn enraumdrucks den Forderbeginn in Richtung "Friih". Mit einer durch den LFB verursachten Druckminderung im Pumpeninnenraum lasst sich eine (relative) Verschiebung nach "Spat" erzielen. Die Steuerung erfolgt von der Ringnut der Reglerachse und dem lA$labMngig , FO,derbeg,nn (Atb8ll.weise)

Blld 11

a

Startsteltung (Au.· gangsstetlung)

b

2

VoUlaslstetlung

3

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Aufsteuerung

(Orucksenkung ,m d

5

8

Ungsbohrung de, RegteJachse Reglerachse Steuerquerschn,tt der Regletmuffe Reglermuffe Oueobohrung dllf Reglllfachse Steue,kanle de, Rongnut de, Regie" achs. Oueoboh"JOg de, Reglllf8chse Magnetvenl,l

9

AOgei>ellenpumpe

2

3 4

5

6

7

67

Abschaltbare,

Laslabhllngoge, Rlrdetbeg,nn ALFB

Durch diese Druckverringerung ergibt sich eine neue Lage des Spritzverstellerkolbens. Dadurch wird der Rollenring zwangslaufig in Pumpendrehrichtung verdreht, was eine Forderbeginnverstellung in Richtung "Spat" zur Folge hat. Bleibt die Verstellhebellage gleich und die Last erhoht sich wieder, so verringert sich die Drehzahl. Die Fliehgewichte bewegen sich nach innen und die Reglermuffe wird so verschoben, dass der Steuerquerschnitt der Reglermuffe verschlossen wird. Der Kraftstoff im Pumpeninnenraum kann nicht mehr zur Saugseite £lieBen und der Innenraumdruck erhoht sich. Der Spritzverstellerkolben fiihrt eine Bewegung entgegen der Spritzverstellerfederkraft aus, der Rollenring wird entgegen der Pumpendrehrichtung verstellt und der Forderbeginn wieder in Richtung "Friih" verlegt.

a

Innen,aum)

1st diese Drehzahl erreicht und die Last kleiner als Volllast, so steigt die Drehzahl weiter an. Dann bewegen sich die Fliehgewichte (8) nach auBen und verschieben die Reglermuffe. Damit wird zum einen im Rahmen der normalen Regelfunktion die Fordermenge reduziert, und zum andren wird der Steuerquerschnitt der Reglermuffe von der Steuerkante der Ringnut in der Reglerachse aufgesteuert (geoffnet, Bild 11). Ein Teil des Kraftstoffs £lieBt jetzt iiber die Langs- und Querbohrungen der Reglerachse zur Saugseite und bewirkt im Pumpeninnenraum eine Druckverringerung.

4

!wrz vor de, Auf· Sleuerung

Steuerquerschnitt der Reglermuffe. Mit dem Drehzahl-Verstellhebel (11) kann eine bestimmte Volllastdrehzahl vorgegeben werden.

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Abschaltbarcr La tabhangiger Forderbeginn >-

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Der LFB kann zur Senkung der HC-Emissionen bei kaltem Motor abgeschaltet werden « 60° C). Dazu wird ein Magnetventil (8) geschlossen, sodass kein Kraftstoff ab£lieBen kann. Das Magnetventil ist stromlos geoffnet.

Aufschaltgruppen fiir Verteilereinspritzpumpen

Kaltstartanpassung Die Kaltstartanpassung verbessert die Kaltstarteigenschaften des Dieselmotors durch Verstellen des Forderbeginns in Richtung "Friih". Sie erfolgt entweder durch den Fahrer vom Fahrzeuginnenraum iiber einen Seilzug oder automatisch durch eine temperaturabhangige Verstelleinrichtung (Bild 13). Me hani her Kalt tartbe chleuniger K B am Rollenring Aufoau Der KSB ist am Pumpengehause angebracht. Hierbei ist der Anschlaghebel (Bild 13, Pos. 3) iiber eine Welle (Bild 12, Pos. 12) mit dem inneren Hebel verbunden, an dem ein Kugelkopf (3) exzentrisch angeordnet ist und in den Rollenring eingreift. Die Ausgangsposition des Anschlaghebels ist durch den Anschlag und die Schenkelfeder (13) vorgegeben. An der Oberseite des Anschlaghebels ist der Seilzug befestigt, der eine Verbindung zur manuellen bzw. zur automatischen Verstelleinrichtung herstellt. Die automatische Verstelleinrichtung ist mit einem Halter an der Verteilereinspritzpumpe befestigt (Bild 13), wahrend sich die manuelle Betatigungseinrichtung im Fahrzeuginnenraum befindet. Es gibt auch eine Ausfiihrung, bei der die Verstelleinrichtung am Spritzverstellerkolben eingreift.

Mechanische Anpassvorrichtungen

197

Der Kugelbolzen greift am Rollenring in eine Langsnut ein. Damit kann der Spritzverstellerkolben den Rollenring erst ab einer bestimmten Drehzahl noch weiter in Richtung "Friih" verstellen. Mechanlscher Kahstartbeschleuniger (Schnitt)

Slid 12 t Hebel 2

Emstelllenster

3

Kug Ikopl

4 Ulngsnut 5 PumpengehAuse 6 Rollenring 7 Rollen des Rollel\' rIngs

8 SpnlzVersteller· kolben

9 Botzen 10 Gleltstern 11

SprllzVerstellerfeder

12 Welle 13 Schenkelleder

Mechanischer Kahstartbeschleuniger. Verstell(Kaltstellung) einrichtung automatisch ｢･ｴｾｩｧ＠

2

Arbeitsweise Automatischer und manuell betatigter Kaltstartbeschleuniger unterscheiden sich nur durch die auBere Verstelleinrichtung. Die Arbeitsweise ist gleich. Bei nicht betatigtem Seilzug driickt die Schenkelfeder den Anschlaghebel gegen den Anschlag. Kugelkopf und Rollenring (6) befinden sich in der Ausgangsstellung. Die Betatigungskraft am Seilzug bewirkt, dass der Anschlaghebel und die Welle sowie der inn ere Hebel mit dem Kugelbolzen verdreht werden. Durch diese Drehbewegung verandert der Rollenring seine Lage, und der Forderbeginn erfolgt zu einem friiheren Zeitpunkt.

Blld 13 KlemmstOck

3

4 5

6

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Seilzug

3 4 5

Anschlaghebel

6

YOI1 KOhlmlttel· un

9 elnsl ellbnres KSB· Steuerventti 10 Steue,kolben 11

Spntzversteller

12 ROckstellfeder

Aufschaltgruppen fur Verteilereinspritzpumpen

200

Mechanische Anpassvorrichtungen

Leiselaufeinrichtung Mit Rticksicht auf die Abgaszusammensetzung wird der Kraftstoff in moglichst kurzer Zeit in den Brennraum des Motors eingespritzt, d. h. das System arbeitet mit hohen Forderraten. Eine hohe Forderrate macht sich, je nach Auslegung, besonders im Leerlaufbereich durch "Leerlaufnageln" bemerkbar. Dieser Erscheinung kann durch die Verlangerung der Einspritzzeit und dem damit verbundenen ruhigeren Verbrennungsverlauf im Leerlaufbereich begegnet werden. BUd 18 I ohne Lelseiaul 2 mn Le....lauf

Leiselaufeinrichtung (Wirkung)

o

1 0 - - --

Au£bau und Arbeitsweise

Der Verteilerkolben bei Verteilereinspritzpump en mit integrierter Leiselaufeinrichtung besitzt zwei Langsbohrungen (Bild 19, Pos.3 und 5), die durch den Ringnut (6) miteinander verbunden sind. Die Langsbohrung 3 besitzt einen Absteuerquerschnitt (7) mit einer darunter liegenden Drossel im Bereich des Regelschiebers (1). Bewegt sich der Verteilerkolben in Richtung OT, so taucht der Absteuerquerschnitt (7) der Bohrung 3 nach Durchlaufen des Hubes h1 frtiher aus dem Regelschieber als der Absteuerquerschnitt (2) der Bohrung 5. Da die Bohrungen 3 und 5 tiber die Ringnut (6) verbunden sind, leckt dabei ein Teil des Kraftstoffs vom Hochdruckraum in den Pumpeninnenraum zurtick. Dies verringert

Absteuerquerschnltt

5 6

Bohrung 3 RQckschlagvenll1 zur EinspntzdUse Bohrung 5 R,ngnut

7

Absteuerquerschmtt

h, Hub I h, Hub 2 OT Oberer Totpunkt des Vertellerkolbens

7

i

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die Forderrate (d. h. es wird weniger Kraftstoff pro Grad Nockenwelle gefordert). Die gleiche Einspritzmenge wird dabei auf etwa doppelt so viel Grad NW eingespritzt (Bild 18). Im Volllastbereich befindet sich der Regelschieber naher am Verteilerkorper. Dadurch ist Abstand h2 kleiner als Abstand h1 • Beim Kolbenhub in Richtung OT wird jetzt die Ringnut (6) verdeckt, bevor der Absteuerquerschnitt (7) aus dem Regelschieber taucht, d. h. die Verbindung zwischen Bohrung 3 und Bohrung 5 besteht nicht mehr, wodurch die Leiselaufeinrichtung im Volllastbereich ohne Wirkung ist.

Blld 19 I RegeIsctlleber 2

10· NW

Nockenwellenwinkel_

Leiselaufeinrichtung (Schniu)

3 4

_

6

Aufschaltg,uppen fUr Verteilereinsprilzpumpen

Lasti nformation Lastschalter

Die Lastschalter sind am Drehzahl-Verstellhebel der Verteilereinspritzpumpe angebracht. Sie schalten Baugruppen auBerhalb der Einspritzpumpe elektrisch mit einem Mikroschalter oder pneumatisch mit einem Ventil ein oder ab. Sie werden hauptsachlich fur die Ansteuerung eines Abgasruckfuhrventils eingesetzt. Dort iiffnen oder schlieBen sie das Ventil je nach Laststellung des Drehzahl-Verstellhebels. Der Mikroschalter und das pneumatische Ventil konnen mit zwei verschiedenen Elemen ten betatigt werden: • Anschlagwinkel in Blechausfuhrung mit einer Schaltstufe oder • Schaltnocken in Aluminium-DruckgussAusfUhrung. Der am Verstellhebel aufgeschraubte Anschlagwinkel bzw. Schaltnocken bestimmt in Abhangigkeit von der Verstellhebellage den Schaltpunkt. Dieser Schaltpunkt entspricht einem bestimmten Punkt im Pumpenkennfeld (Drehzahl und Fordermenge). Wegen des unterschiedlichen Aufbaus konnen an der Einspritzpumpe maximal zwei Mikroschalter oder ein pneumatisches Ventil angebracht sein. Potenzoomete, und Mduoschailer

Lastinformation

201

Mikroschalter Der elektrische Mikroschalter ist ein zweipoliger Ein-/Ausschalter. Er besteht aus einem Blattfedersystem mit Kipphebelmechanism us. Auf das Blattfedersystem wirkt ein Schaltstift. Ein "Zusatzbetatiger" (Bild 1, Pos. 6) verringert den mechanischen VerschleiB und ermoglicht einen fUr alle Anwendungen an Verteilereinspritzpumpen einheitlichen Betatigungshub. Pneumalisches Ventil Das pneumatische Ventil (Bild 2) unterbricht den Luftstrom einer Leitung, in der Unterdruck herrscht. Potenziometer

Urn mehrere Punkte im Drehzahl-/Lastkennfeld zu erhalten, kann auch ein Potenziometer eingesetzt werden. Es ist oben am Drehzahl-Verstellhebel angebracht und uber Klauen verbunden (Bild O. Wird an das Potenziometer eine Versorgungsspannung angelegt, so liefert es ein stetiges elektrisches Spannungssignal in linearer Abhangigkeit von der Verstellhebellage. Bei entsprechender Reglerauslegung ist dann in einem gewissen Kennfeldbereich eine gute Lastinformation gegeben. Blld 1 M,ktoschalle,

2

Anschl8gWInkel

3

llichzahl.vcrslell·

Pneumatisches Vent,l

hebet

5

4

Poterwomete,

5

elekl"scher Anschluss

6

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Blld 2

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Pneumallsche

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AnschlUsse

2

Einslellschraube 10, Unlerdruck

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4

8etatigungshebel

5 6

Bel hgungsrolfe

Venl,l

Orehzahl·Verslell· hebel

Aufschaltgruppen fur Yerteilereinspritzpumpen

202

Fordersignaisensor

Fordersignalsensor

FOrdersignalsensor (WjrkunglKennlinie)

Anwendung Der Fordersignalsensor (FSS) ist ein dynamischer Drucksensor, der anstelle der Entliiftungsschraube in der Zentralverschlussschraube der Verteilereinspritzpumpe eines Dieselmotors sitzt (Bild 2). Er erfasst den Druck im Elementraum. Das Sensorsignal kann zur Ermittlung von Forderbeginn (FB), Forderdauer (FD) und der Pumpendrehzahl n verwendet werden.

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Druckv rtauf om 8ementtaum

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Der Messbereich des Fordersignalsensors reicht von 0 ... 40 MPa bzw. 0 ... 400 bar. Er ist somit fUr IDI-Einspritzpumpen geeignet. Dieser Sensor ist ein "dynamischer Sensor". Das heiBt, er misst nicht den statischen Druck sondern registriert Druckanderungen.

Blld 1 a

Ｍ

Aufbau und Arbeitsweise Der Fordersignalsensor arbeitet nach dem piezoelektrischen Prinzip. Der Druck im Elementraum wirkt auf eine Sensormesszelle (Bild 2, Pos. l3). Diese enthalt eine Piezokeramik. In dieser Keramik werden bei Druckanderungen elektrische Ladungen verschoben. Diese Ladungsverschiebungen erzeugen kleine elektrische Spannungen, die von der im Sensor integrierten Schaltung

slgnalsensors

Blld 2

(11) in ein Rechtecksignal umgewandelt werden (Bild 1).

1 Sche,be

2 3 4 5

Feder

FOrdersignalsensor (Aufbau)

D,chlungsmasse KonlaklShh

G.nause

123

6 Kon'aklfeder 1 KabelgehAuse 8 AnschlU$$ Ye

Einzeleinspritzpumpen PF

und Schwerol rnit hoher Viskositat (Bild 3). Bis zu einern purnpenseitigen Spitzendruck von etwa 1200 bar sind die Purnpenzylinder rnit einer durchgehenden Kolbenbohrung ausgefuhrt. Bei Anwendungen rnit hoherern Druck werden Sacklochzylinder verwendet, urn die Verforrnungen unter der Wirkung des hohen Kraftstoffdrucks irn Elernentkopfbereich gering zu halten (Bild 4). Die Purnpenkolben sind syrnrnetrisch ausgefiihrt, urn eine zentrierte Fiihrung in den Purnpenzylindern zu gewahrleisten. Prallschrauben in unrnittelbarer Nahe der Steuerbohrungen des Purnpenzylinders schiitzen das Gehause vor Beschadigungen durch die energiereichen Absteuerstrahlen beirn Forderende. Das Druckventil ist zurn Purnpenzylinder und zurn Flansch hin iiber gelappte Planflachen hochdruckfest abgedichtet. An der Regelstange ist eine Regelweganzeige angebracht.

BaugroBen

247

In den Purnpenzylinder konnen rnehrere ringforrnige Nuten eingearbeitet sein, die folgende Aufgaben erfiillen: Die dern Purnpenraurn nachstgelegene oberste Nut dient als Leckriickfiihrung (5) und bringt den durch den Elernentspalt gelangenden Leckkraftstoff iiber eine Bohrung irn Purnpenzylinder zuriick in den Saugraurn. Darunter kann eine Sperrnut angeordnet sein, in die iiber ein Feinfilter und eine Bohrung Sperrol aus dern Motorolkreislauf rnit 3... 5 bar hineingepresst wird. Dieser Druck ist bei norrnalen Betriebsdrehzahlen hoher als der Druck irn Purnpensaugraurn und verhindert ein Verdiinnen des Motorschrnierols durch den Kraftstoff. Zwischen den beiden Nuten kann eine weitere Nut zur Abfiihrung von Mischol- einern Gernisch aus Kraftstoff und Sperrol- angeordnet sein (13). Das Mischol wird in einen gesonderten Auffangtank abgeleitet. Der RollenstOBel der Einspritzpurnpe vorn Typ PFR bzw. die Fiihrungsbuchse der Einspritzpurnpe vorn Typ PF und die Regelhiilse werden bei Einspritzpurnpen fiir Schwerolbetrieb iiber einen gesonderten Anschluss rnit Motorol geschrniert. Blld 3

Einzeleinspritzpumpe Typ PF 10

Einzeleinspritzpuml'l' Typ PFR 1CY

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Drvckvenl,l EntlUltungsschl1lube

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Pumpenzyl,nder

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Puml'l'nkolben

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Regelstange

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Rlhrungsbuchse

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8 11d4 1 F1ansch 2 Vorlaulvenlol 3 Pumpenzyllnder 4 Pumpenkolben 5 LeckrOcldOhrung 6 Reg Is.ang 7 Pumpenfeder 8 Puml'l'ngeMuse 9 RoIlenst06e1 10 Druckhalt ventll 11 EntlUftungsschraube t2 Prallschraube 13 M,schlllabfilhrung 14 Regelhulse

Unit Injector System

248

Einbau und An\rieb

Unit Injector System U IS

,)

Cas Schadvolumen ,si das Kraltsloff· Yolumen, das verdlChlel WIld

Beim Unit Injector System (UIS) bilden Einspritzpumpe, Hochdruck-Magnetventil und Einspritzduse eine Einheit. Das Unit Injector System wird daher auch PumpeDuse-Einheit (PDE) genannt. Die kompakte Bauweise - mit sehr kurzen, im Bauteil integrierten Hochdruckleitungen zwischen Pumpe und Einspritzduse - erleichtert die Darstellung h6herer Einspritzdrucke gegenuber anderen Einspritzsystemen, da da chadvolumen I) und damit die Kompressionsverluste geringer sind. Der Spitzendruck beim UIS variiert derzeit je nach Pumpentyp zwischen 1800 und 2200 bar fur Nkw bzw. bis 2050 bar fur Pkw.

Einbau und Antrieb Je Motorzylinder ist ein Unit Injector direkt im Zylinderkopf eingebaut (Bild 1). Fur Pkw gibt es zwei Ausfuhrungen des Unit Injectors (UI-l, UI-2), die sich - bei gleicher Funk-

tion - in ihrer Gr6Be unterscheiden. Beim 2-Ventil-Motor wird der UI-l mittels eines Spannklotzes mit einer Neigung von ca. 20 0 im Zylinderkopf des Motors fixiert. Beim 4-Ventil-Motor wird wegen des geringeren verfugbaren Bauraums der kleinere Injektor (UI-2) eingesetzt, der mit Dehnschrauben senkrecht im Zylinderkopf befestigt wird. Die Motornockenwelle (2) hat fur jeden Unit Injector einen Antriebsnocken. Der Nockenhub wird durch einen Kipphebel (1) auf den jeweiligen Pumpenkolben (6) ubertragen. Der Einspritzverlauf wird durch die Form der Antriebsnocken beeinflusst. Diese sind so geformt, dass sich der Pumpenkolben beim Ansaugen des Kraftstoffs (Aufwartsbewegung) langsamer bewegt als wahrend der Einspritzung (Abwartsbewegung), urn einerseits ein unbeabsichtigtes Ansaugen von Luft zu verhindern und andererseits eine groBe Forderrate zu erreichen.

E1nbau des UnillnJ8Clors (Nkw)

Blld 1 1 KJpphebel 2

MolornockenwcUe

3

Steeker

4

UnIt Injector

5 6 7

Emspntzdilse Pumpenkolben Brennmum

des Motam

Robert Bosch GmbH, Dieselmotor-Management © Robert Bosch GmbH and Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004

Unit Injector System

Die im Betrieb an der Nockenwelle angreifenden Krafte regen diese zu Drehschwingungen an, wodurch Einspritzcharakteristik und Dosierung der Einspritzmenge beeintrachtigt werden. Eine steife Auslegung des Antriebs der Einzelpumpen (Antrieb der Nockenwelle, Nockenwelle, Kipphebel, Kipphebellagerung) ist zur Reduzierung dieser Schwingungen zwingend notwendig. Da der Unit Injector im Zylinderkopf eingebaut ist, ist er hohen Temperaturen ausgesetzt. Zur Kuhlung durchspult relativ kuhler Kraftstoff den Injektor und flieBt zum Niederdruckteil zuruck.

Aufbau Der Kraftstoffzulauf erfolgt beim UI fUr Pkw uber rund 500 lasergebohrte Zulaufbohrungen in der Stahlhulse des Injektors. Durch die Bohrungen, die einen Durchmesser von weniger als 0,1 mm haben, wird der Kraftstoff im Zulauf gefiltert.

Aufbau

249

Der Korper des Unit Injectors dient als Pumpenzylinder. Die Einspritzduse (Bild 2, Pos. 7) ist in den Schaft des Unit Injectors integriert. Schaft und Korper sind mittels einer Spannmutter (13) miteinander verbunden. Die Ruckstellfeder (1) druckt den Pumpenkolben gegen den Kipphebel (8) und dies en gegen den Antriebsnocken (9). Wahrend des Betriebs wird dadurch ein standiger Kontakt von Pumpenkolben, Kipphebel und Nocken gewahrleistet. Beim Unit Injector fur Nkw ist das Magnetventil in den Injektor integriert. Beim UI fur Pkw hingegen ist es aufgrund der kleineren Abmessungen des Injektors auBen am Pumpenkorper angebracht. Der Aufbau des Injektors fUr Pkw und Nkw ist auf den folgenden Seiten dargestellt.

Einbau des Unit Inlectors om Zylinderkopf (Nkw)

8

9 Blld 2

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1 RiIcI

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Hauptelnspnaung

1

Pumpenkolben

2

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3 4 5 6 7

SpelCher1ipscha.llung de< Ansteue

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RoIlenbolzen 12 konkaver Nocken

294

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

Rail (Hochdruckspeicher) Aufgabe

Der Hochdruckspeicher (Rail) hat die Aufgabe, den Kraftstoffbei hohem Druck zu speichern. Dabei sollen Druckschwingungen, die durch die pulsierende Pumpenforderung und die Einspritzungen entstehen, durch das Speichervolumen gedampft werden. Damit ist sichergestellt, dass beim Offnen des Injektors der Einspritzdruck konstant bleibt. Einerseits muss das Speichervolumen grog genug sein, urn dies er Anforderung gerecht zu werden. Andererseits muss es klein genug sein, urn einen schnellen Druckaufbau beim Start zu gewahrleisten. Zur Optimierung werden in der Auslegungsphase Simulationsrechnungen durchgefUhrt. Neben der Funktion der Kraftstoffspeicherung hat das Rail auch die Aufgabe, den Kraftstoff auf die Injektoren zu verteilen. Aufbau

Das rohrformige Rail (Bild 1, Pos. 1) kann wegen der unterschiedlichen Motoreinbaubedingungen verschiedenartig gestaltet sein. Es hat Anbaumoglichkeit fUr den Raildrucksensor (5) und das Druckbegrenzungsventil bzw. Druckregelventil (2).

Common Rail mil Anbaukomponenlen

BUd 1 1 Rad 2 3

Druckregelventll Rucldauf vom Rrul rum Krahstoff·

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5

Zulauf 'on de< Hochdrucl

.

301

Temperaturen iiber 220°C an der Einspritzdiise bewirken ebenfalls ein starkes Verkoken. Warmeschutzplattchen oder -schutzhiilsen (Bild 2), die die aus dem Brennraum zuflieBende Warme zum Zylinderkopf ableiten, schaffen Abhilfe.

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6

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332

Innermolorische Emissionsminderung

AbgasrGckfGhrung

Da beim Dieselmotor das Abgas in den sehr niedrigen Lastpunkten ohnehin eine niedrige Temperatur aufweist, fuhrt eine Abkiihlung des zuriickgefuhrten Abgases bei den zur Reduzierung der NOx-Emissionen notwendigen hohen AGR-Raten zu einer instabilen Verbrennung, die zu einem signifikanten Anstieg der HC- und CO-Emissionen fuhrt. Insbesondere in der kalten Anfangsphase der Pkw-Emissionstests, in denen der Oxidationskatalysator seine Anspringtemperatur noch nicht erreicht hat, ist ein abschaltbarer AGR-Kiihler sehr wirkungsvoll, urn durch eine Erhohung der Brennraumtemperaturen und damit Stabilisierung der Verbrennung die HC- und CO-Rohemissionen zu senken und die Abgastemperatur zu erhohen. Dadurch erreicht der Oxidationskatalysator schneller die notwendige Betriebstemperatur. Einfluss der AG R aut die EmisslOnen und den Kraf1sloffverbrauch

g/kWh

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AbgasriicklGhrrate

Ausblick AGR iiber variablen Ventiltrieb Zur Erzielung eines bestmoglichen dynamischen Betriebsverhaltens ware eine iiber einen variablen Ventiltrieb erzielte interne AGR geeignet. Denkbar waren hier z. B. eine Erhohung des Restgasanteils im Zylinder durch friihzeitiges "Auslass schlieBen" oder ein Offnen der Auslassventile wahrend der Ansaugphase bzw. ein Offnen der Einlassventile wahrend des Ausschiebens. Hiermit ware eine Anpassung der AGR-Rate von einem Arbeitszyklus zum nachsten bei entsprechender Ansteuerung des Ventiltriebs moglich. Nachteil ist die hohe Temperatur des riickgefuhrten Abgases, wodurch die moglichen AGR-Raten deutlich begrenzt sind. Ox-Emi ion minderung konzepte Sowohl bei den Pkw als auch bei den Nkw stellt die Einhaltung zukiinftiger Emissionsgrenzwerte hohe Anspriiche an das Abgaskonzept der Dieselmotoren. Die wichtigste MaBnahme zur Senkung der NOx-Rohemissionen wird weiterhin die Abgasriickfuhrung sein, sodass die AGR- Raten in Verbindung mit einer ErhOhung der AGR-Vertraglichkeit der Brennverfahren weiter ansteigen werden. Die Regelung der AGR muss sehr schnell und prazise fur jeden Zylinder gleich erfolgen, urn niedrigste Emissionen in Verbindung mit bestmoglicher Fahrbarkeit zu erreichen. Hierzu erscheint eine Kombination aus interner AGR mittels variablem Ventiltrieb geregelt und Niederdruck-AGR sehr geeignet .

Inne,moto,ische Emissionsminde,ung

Kurbelgehauseentluftung Blowby-Gas

Kurbelgeha use- Entliiftungsgase entstehen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors als "Blowby-Gas", das aus dem Brennraum durch konstruktiv bedingte Spalte zwischen Zylinderwand und Kolben, Kolben und Kolbenringen, durch die RingstOBe der Kolbenringe und durch Ventildichtungen in das Kurbelgehause stromt. Die Kurbelgehausegase konnen, bezogen auf die Abgase des Motors, ein Vielfaches an Kohlenwasserstoffkonzentrationen enthalten. Neben Produkten vollstandiger und unvollstandiger Verbrennung, Wasser( dampf) , RuB und Kraftstoffresten enthalt dieses Gas auch Motorol in Form kleinster Tropfchen. Insbesondere bei aufgeladenen Dieselmotoren und direkteinspritzenden Ottomotoren konnen die Motorolanteile mit dem im Blowby enthaltenen RuB zu Ablagerungen aufTurboladern, im Ladeluftkiihler, an Ventilen und im nachgeschalteten RuBfilter (Ascheablagerungen aus anorganischen Additivbestandteilen des Motorols) und damit zu Funktionsbeeintrachtigungen fiihren.

6

Entluftung

Bei der geschlossenen Entliiftung wird der belastete Gasstrom aus dem Kurbelgehause durch ein Entliiftungssystem mit zusatzlichen Komponenten (z. B. Olabscheider, Druckregeleinrichtungen, Riickschlagventile) der angesaugten Verbrennungsluft zugefiihrt, wodurch sie in den Brennraum zur Verbrennung gelangen. Bei offenen Entliiftungssystemen wird das gereinigte Gas direkt in die Umgebung abgegeben. Die Nutzung offener Systeme ist durch die Gesetzgebung aber nur noch in Ausnahmefallen zugelassen.

Tropfenspektrum des gasgetragenen 61anteits im Blowby·Gas

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Blld 1 1 Motor

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2

OlrOcldauf

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Unterdruck·

Cl I:

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Bereich 3

12

10

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Bereich 1 ke,"e zusAtzhchen MaBnahmen

3000

3500

Drehzahl [1/min) 1) n!chl alia MaBnahmen gloldtzOtbg orlordortlCh

4000 •

Bereich6 ke,"" Regeneration alloin duTCh mOlorische MaIlnahmen mOgllCh

351

352

Abgasnachbehandlung

Diesel·Oxidationskatalysator

Diesel-Oxidationskatalysator Funktionen

Der Diesel-Oxidationskatalysator (Diesel Oxidation Catalyst, DOC) erfullt verschiedene Funktionen fur die Abgasnachbehandlung: • Senkung der CO- und HC-Emissionen • Reduktion der Partikelmasse • Oxidation von NO zu N0 2 • Einsatz als katalytischer Brenner

enkung der 0 - und H -Emi ionen Am DOC werden Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlendioxid (C0 2 ) und Wasserdampf (H 20) oxidiert. Die Oxidation am DOC erfolgt ab einer gewissen Grenztemperatur, der Lightoff-Temperatur, fast vollstandig. Die Lightoff-Temperatur liegt je nach Abgaszusammensetzung, Stromungsgeschwindigkeit und Katalysatorzusammensetzung bei 170... 200 QC. Ab dieser Temperatur steigt der Umsatz innerhalb eines Temperaturintervalls von 20 ... 30 QC auf uber 90 %.

Reduktion der Partikelma se Die vom Dieselmotor emittierten Partikel bestehen zum Teil aus Kohlenwasserstoffen, die bei steigenden Temperaturen vom Partikelkern desorbieren. Durch Oxidation dieser Kohlenwasserstoffe im DOC kann die Partikelmasse (PM) urn 15 .. .30 % reduziert werden.

Oxidation von 0 zu O2 Eine wesentliche Funktion des DOC ist die Oxidation von NO zu NO z. Ein hoher NOr Anteil am NO x ist fur eine Reihe von nachgelagerten Komponenten (Partikelfilter, NSC, SCR) wichtig. Im motorischen Rohabgas betragt der NOr Anteil am NO x in den meisten Betriebspunkten nur etwa 1: 10. NO z steht mit NO in Anwesenheit von Sauerstoff (0 2) in einem temperaturabhangigen Gleichgewicht. Dieses Gleichgewicht liegt bei niedrigen Temperaturen « 250 QC) aufseiten von

N0 2• Oberhalb von etwa 450 QC ist hingegen NO die thermodynamisch bevorzugte Komponente. Aufgabe des DOC ist es, bei niedrigen Temperaturen das N0 2 : NO-Verhaltnis durch Einstellen des thermodynamischen Gleichgewichts zu erhohen. Je nach Katalysatorbeschichtung und Zusammensetzung des Abgases gelingt dies ab einer Temperatur von lS0 ... 230 QC, sodass die Konzentration von N0 2 in diesem Temperaturbereich stark ansteigt. Entsprechend dem thermodynamischen Gleichgewicht sinkt die NOz-Konzentration mit steigenden Temperaturen wieder ab.

Katalyti cher Brenner Der Oxidationskatalysator kann auch als katalytische Heizkomponente ("katalytischer Brenner", "Cat-Burner") eingesetzt werden. Dabei wird die bei der Oxidation von CO und HC frei werdende Reaktionswarme zur Erhohung der Abgastemperatur hinter DOC genutzt Die CO- und HCEmissionen werden zu dies em Zweck uber eine motorische Nacheinspritzung oder uber ein nachmotorisches Einspritzventil gezielt erhOht. Katalytische Brenner werden z. B. zur Anhebung der Abgastemperatur bei der Partikelfilter-Regeneration eingesetzt. Als Naherung fur die bei der Oxidation freigesetzte Warme gilt, dass je 1 Vol.-% CO die Temperatur des Abgases urn etwa 90 QC steigt. Da die Temperaturerhohung sehr schnell erfolgt, stellt sich im Katalysator ein starker Temperaturgradient ein. Im ungunstigsten Fall erfolgen der CO- bzw. HC-Umsatz und die Warmefreisetzung nur im vorderen Bereich des Katalysators. Die dadurch entstehende Werkstoffbelastung des keramischen Tragers und des Katalysators begrenzt den zulassigen Temperaturhub auf etwa 200 ... 250 QC.

Abgasnachbehandlung

Aufbau

truktureller Aufbau Oxidationskatalysatoren bestehen aus einer Tragerstruktur aus Keramik oder Metall, einer Oxidmischung ("Washcoat") aus Aluminiumoxid (Al Z0 3), Ceroxid (CeOz) und Zirkonoxid (ZrOz) sowie aus den katalytisch aktiven Edelmetallkomponenten Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh). Primare Aufgabe des Washcoats ist es, eine groEe Oberflache fur das Edelmetall bereitzustellen und die bei hohen Temperaturen auftretende Sinterung des Katalysators, die zu einer irreversiblen Abnahme der Katalysatoraktivitat fuhrt, zu verlangsamen. Die hochporose Struktur des Washcoats muss ihrerseits stabil gegentiber Sinterungsprozessen sein. Die ftir die Beschichtung eingesetze Edelmetallmenge, haufig auch als Beladung bezeichnet, wird in glft 3 angegeben. Die Beladung liegt im Bereich 50 ... 90 glft3 (1,8 .. .3,2 glT). Da nur die Oberflachenatome chemisch aktiv sind, ist es ein Ziel der Entwicklung, moglichst kleine Edelmetallpartikel (GroEenordnung einige nm) zu erzeugen und zu stabilisieren, umso den Edelmetalleinsatz zu minimieren. Uber den strukturellen Autbau des Katalysators und die Wahl der Katalysatorzusammensetzung lassen sich wesentliche Eigenschaften wie Anspringverhalten (Light-offTemperatur), Umsatz, Temperaturstabilitat, Toleranz gegentiber Vergiftung, aber auch die Herstellungskosten, in groEen Bereichen verandern.

Diesel-Oxidationskatalysator

gegendruck sowie die mechanische Stabilitat des Katalysators. Au legung Das Katalysatorvolumen VKat wird abhangig vom Abgasvolumenstrom festgelegt, der seinerseits proportional zum Hubvolumen VHub des Motors ist. Typische Werte ftir die Auslegung eines Oxidationskatalysators sind VKa.lVHub = 0,6 ... 0,8. Das Verhaltnis von Abgasvolumenstrom zu Katalysatorvolumen wird als Raumgeschwindigkeit (Einheit: h- 1) bezeichnet. Typische Werte fur einen Oxidationskatalysator betragen 150000... 250000 h-l. Betriebsbedingungen Wesentlich fur eine wirkungsvolle Abgasnachbehandlung sind neben dem Einsatz des richtigen Katalysators auch die richtigen Betriebsbedingungen. Diese konnen durch das Motormanagement in einem weiten Bereich eingestellt werden.

Bei zu hohen Betriebstemperaturen treten Sinterungsprozesse auf, d. h., aus mehreren kleineren Edelmetallpartikeln entsteht ein groEeres Partikel mit entsprechend kleinerer Oberflache und dadurch herabgesetzter Aktivitat. Aufgabe des Abgastemperaturmanagements ist es deshalb, die Haltbarkeit des Katalysators durch Vermeidung zu hoher Temperaturen zu verbessern. CO· und HC-Umsatz in AbMngigkeil von der Kalaiy9aIOrtemp..ralur

100% 80 Cl

Innere Struktur Wesentliche Parameter des Katalysators sind die Dichte der Kanale (angegeben in cpi, Channels per inch Z), die Wandstarke der einzelnen Kanale und die AuEenmaEe des Katalysators (Querschnittsflache und Lange). Kanaldichte und Wandstarke bestimmen das Aufwarmverhalten, den Abgas-

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Kommunlkation

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361

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Elektronische Dieselregelung

Common Rail System fUr Pkw

Common Rail System fur Pkw Obe,sichl de, EDC-Komponenlen fOr Common Rail Sysleme im Pkw

Fahrpedalsensor mil ｌ･ｲｧ｡ｳ｣ｨｾ＠ und Kid«lownschaller Motordreh7.ah1 (KW) (Kurbelwelle) Motordreh7.ah1 (NW) u. Zytindererllennung (Nockenwetle) Raildruck

Ladedruck

Ladetufttemperatur Motortemperatur (KOhlmitteij Abgastemperatur'

Luflmasse oder AbgashubrOckmetder ｾｌｊｭ＠

Fahrgeschwindigkeil

KJemme 15

KJemmeSO' Kupplungsschalter (ahem. PIN-Kontakt bei Au1omatikgetriebe) Mehrstufenschalter fOr HOchstgescl1windigkeitsbegrenzung (HGB) u. Fahrgescl1windigkeitsregelung (FGR) Sensoren und SoIlwertgeber 'optional

Steuergertit

Injektoren (max. 8 pro Steuergertit)

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Sensorauswertung Umgebungsdrucksensor Funk1ionen: - Leer1aufregelung - Zwischendrehzahlregelung - Laufruheregelung - Aktiver Ruckeldampfer - extemer Momenteneingriff - Wegfahrsperre - Mengenregelung und -begrenzung - Fahrgeschwindigkeitsregelung (FGR)' - Fahrgeschwindig· keitsbegrenzung' - ｚｹｴ ｩ ｮ､･ｲ｡｢ｳ｣ｨｾｧ＠ - Kraftstoffmengenregelung - Raildruckregelung - Spritzbeginnsteuerung - Steuerung der Voreinspritzung - Steuerung der Nacheinspritzung' - zusatzliche

Rail-Druckregelventil Hochdruckpumpe

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AbgasriickfOhrsteller

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Ladedrucksteller'

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Drosselk1appensteller

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Zusatzheizung'

E"1ll1asskanalUmschaHung'

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LOftersteuerung' I

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Sonderanpassungen'

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Diagnoselunktionen: - Sys1erndiagnose - Ersatzfunktionen - Motordiagnose

Starter' zusiitzliche Endstufen' Aktoren

Magnetventilendstufen Leistungsendstufen Signalausg8nge CAN- Kommunikation Dia\1lOS&"Kommunikation End-of-Unep

GIOhzeitsteuergeriU Drehzahlsignal (TO) Diagnoselampe CAN-Schnittstelle

BOSCH

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Kommunikation

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Elekt,onische Diesel,egelung

Common Rail System f(i, Nkw

Common Rail System fur Nkw Obetsichl de, EDC·Komponenlen fll' Common Rail Sysleme Im Nkw

FahrpedaJsensor mn l.eergasschalter und KickdownschaJter Molordrehzahl (KW) (Kurbelwelle) Molordrehzahl (NW) u. Zylindererkennung (Nockenwelle) Raildruck Ladedruck

Ladelufttemperatur Motortemperatur (Kuhlmittel) Krafts!offtemperatur Differenzdruck (Partikelfilter) Abgaslemperatur

Luftmasse oder Abgashubruckmelder (AHRY-

Steuergeriit EDC16fEDC7

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Signalelngange Sensorauswertung Funktionen : - Leer1aufregelung - Zwischendrehzahlregeiung - Lautruheregelung - Aktiver Ruckeldalf1lfer - extemer Momenleneingriff - Wegfahrsperre - Mengenregelung und -begrenzung - FahrgeschwHl0lQkeitsregelung (FGR)" - Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung - Zylinderabschaltung - Raildruckregelung - Sprftzbeginnsteuerung - Steuerung der Mehrfacheinspritzung

Zumesseinheit Hochdrudlpumpe

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AbgasrUckfijhrsteller Ladedruckstetler f VTG' ZusatzheizungKaltstartsyslem Kraftstoffheizung' EinlasskanalUmschaltungMotorbremsventil'f Retarder

- zusiitzliche

Sonderanpassungen-

Liiftersteuerung

Klemme15 Klemme50' Kupplungsschaller (altem. P/N-Kontakt bei Automatikgetriebe)

Dl8gnosefunktJonen: On-Bord-Diagnose (OBD) Ersatzfunktionen Motordiagnose

LUtterkupplung Starter

zusiitzliche

Motorbremsschalter Fahrgeschwindigken Mehrstulenschalter fUr HOchstgeschwindigkeitsbegrenzung (HGB) u. Fahrgeschwindigkeitsregelung (FGR)

EndsMen' MagnetvenbiendsMen Leistungsendstufen Signalausgange CAN -Kommunikation Diagnose-Kommunikation End -of- Une Programmierung

Ak\Ofen

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ISO-SchnittsteUe (z. B. Diagnose)

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Gluhzeitsteuergeriit" DrehzahlsignaJ (TO) Diagnoselampe

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CAN-Schnittstelle Kommunikation

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364

Eleklronische Dieselregelung

Datenverarbeitung

Datenve ra rbe itu n9 Die wesentliche Aufgabe der Elektronischen Dieselregelung (EDC) ist die Steuerung der Einspritzmenge und des Einspritzzeitpunkts. Das Speichereinspritzsystem Common Rail regelt auch no ch den Einspritzdruck. AuBerdem steuert das Motorsteuergerat bei alien Systemen verschiedene Stellglieder an. Die Funktionen der Elektronischen Dieselregelung miissen auf jedes Fahrzeug und jeden Motor genau angepasst sein. Nur so konnen alle Komponenten optimal zusammenwirken (Bild 2). Das Steuergerat wertet die Signale der Sensoren aus und begrenzt sie auf zulassige Spannungspegel. Einige Eingangssignale werden auBerdem plausibilisiert. Der Mikroprozessor berechnet aus diesen Eingangsdaten und aus gespeicherten Kennfeldern die Lage und die Dauer der Einspritzung und setzt diese in zeitliche Signalverlaufe urn, die an die Kolbenbewegung des Motors angepasst sind. Das Berechnungsprogramm wird "Steuergerate-Software" genannt.

Funktionsdarstellung am Beispiel eine, St,omregelung

Ust

L5011

Wegen der geforderten Genauigkeit und der hohen Dynamik des Dieselmotors ist eine hohe Rechenleistung notwendig. Mit den Ausgangssignalen werden Endstufen angesteuert, die geniigend Leistung fUr die Stellglieder liefern (z. B. Hochdruck -Magnetventile fUr die Einspritzung, AbgasriickfUhrsteller und Ladedrucksteller). AuBerdem werden noch weitere Komponenten mit Hilfsfunktionen angesteuert (z. B. Gliihrelais und Klimaanlage). Diagnosefunktionen der Endstufen fUr die Magnetventile erkennen auch fehlerhafte Signalverlaufe. Zusatzlich findet iiber die Schnittstellen ein Signalaustausch mit anderen Fahrzeugsystemen statt. lm Rahmen eines Sicherheitskonzepts iiberwacht das Motorsteuergerat auch das gesamte Einspritzsystem.

Elektronische Dieselregelung

Datenverarbeitung

Prinzipieller Ablaul der Elektroniscl1en Dieselregelung

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Kraf1stoff- Regelkreis 1 ( Einspritzkomponente) Kraf1stoff-Regelkreis 2 (Motor) .Umweg" Ober den Fahrer

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EDC-Steuergerat

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Lull-Regelkreis Oaten- und 5ignalfluss

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Datenaustausch mit anderen Systemen - Antriebsschluplregelung. - Getriebesteuerung. - Klimasteuerung ...

Ansteuerung der Einspritzkomponente

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Regelung der Einspritzung

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des Fahrers

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- Fahrerwunsch. - Tempomat. - Motorbremse ...

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Motor

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Regelung und Ansteuerung der Obrigen Stellglleder

Sensoren und Sollwertgeber - Fahrpedalsensor. - Drehzahlsensor. - SchaHer ...

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Lull

Einspritzkomponenten - Reiheneinspritzpumpen. - Verteilereinspritzpumpen . - Unit Injector I Unit Pump. - Common Rail Hochdruckpumpe und Injektoren. - DOsenhalter und DOsen.

- Aufladung. - AbgasrQck10hrung .

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S1ellglieder (Aldoren) - elektropneumat. Wandler. - Dauerbremsanlage. - LOIter. - GIOhzeitsteuerung ...

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Kraftstoll

System zur FOllungssteuerung

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365

366

Elekt,onische Diesel,egelung

Regelung de, Einspritzung

Regelung der Einspritzung TabelIe 1 gibt eine Funktionsiibersicht der verschiedenen Regelfunktionen, die mit den EDC-Steuergeraten moglich sind. Bild 1 zeigt den Ablauf der Einspritzberechnung mit alIen Funktionen. Einige Funktionen sind Sonderausstattungen. Sie konnen bei Nachriistungen auch nachtraglich vom Kundendienst im Steuergerat aktiviert werden.

Damit der Motor in jedem Betriebszustand mit optimaler Verbrennung arbeitet, wird die jeweils passende Einspritzmenge im Steuergerat berechnet. Dabei miissen verschiedene GroBen beriicksichtigt werden. Bei einigen magnetventilgesteuerten Verteilereinspritzpumpen erfolgt die Ansteuerung der Magnetventile fUr Einspritzmenge und Spritzbeginn iiber ein separates Pumpensteuergerat PSG.

FunktionsUbersicht de, EDC·Varianten 10, Kraftfahrzeuge

BegrenzlJngsmenge

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Externer Momentene'ngriff

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FahrgeschwindigkMS· begrenzung Fahrgeschwind'9keits· regelufIQ HOhenkorrektur LadedruckregelufIQ LeerlaulregelufIQ Zwischendrehzahlregelung Akllve Ruckeld!mpfung

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BI P·RegelufIQ Einlasskanalabschaltung Eleklron,sche Weglahrsperre Gesleuerle Vore,nsp,itzung GIUhze,Isleue,ung

KQhlmJl1etzus.atzhetlUng

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laufruheregelufIQ

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LOheransteuerung

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Regelung de, Abgas· rtlckKihrung ｓｾｉｺ｢･ｧＧｮｲｬｵ＠

mltSensor

Elektronische Dieselregelung

Regelung der Einspritzung

Berechnung der Einsprib:ung om Steuergerat

Anforderungen Fahrpedalsensor (Vorgabe des Fahrers)

Fahrgeschwindigkeitsregler, Fahrgeschwindigkeits' begrenzer

Vorgabe von anderen Systemen (z. B . A BS, ASR. ESP)

CAN Berechnungen Externer Momenteneingriff

Auswahl der gewOnschten E,nsprotzmenge

+/-

Leerlaulregler (LLR) bzw. Mengenausgleochs· regie. (MAR)

Begrenzungsmenge

Laulruheregler

Akt,ver Ruckeldllmple.

+

Start Startmenge

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Fahrbetneb

Schalter

Regelung Spritzbeglnn bzw. Fllrderbeglnn

Mengenzumessung (Pumpenkennfeld)

Ansteuerungen

Ansteuerung der Magnetventile

Signal an Pumpensleuergerlll

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Elektronische Dieselregelung

Regelung der Einspritzung

Startmenge

Beirn Starten wird die Einspritzrnenge abhangig von der Kiihlrnittelternperatur und der Drehzahl berechnet. Die Signale fur die Startrnenge werden vorn Einschalten des Fahrtschalters (Bild 1, Schalter geht in Stellung »Start") bis zurn Erreichen einer Mindestdrehzahl ausgegeben. Der Fahrer hat auf die Startrnenge keinen Einfluss. Fahrbetrieb

Irn norrnalen Fahrbetrieb wird die Einspritzrnenge abhangig von Fahrpedalstellung (Fahrpedalsensor) und Drehzahl berechnet (Bild 1, Schalterstellung»Fahrbetrieb"). Die Berechnung stiitzt sich auf Kennfelder, die auch andere EinflussgroBen beriicksichtigen (z. B. Kraftstoff-, Kiihlrnittel- und Ansaugluftternperatur). Fahrerwunsch und Motorleistung sind sornit bestrnoglich aufeinander abgestirnrnt.

Die Leerlaufregelung rnuss bei der Einregelung der vorgegebenen Solldrehzahl rnit sehr stark schwankenden Anforderungen zurechtkornrnen. Der Leistungsbedarf der vorn Motor angetriebenen Nebenaggregate ist in weiten Grenzen variabel. Der Generator beispielsweise nirnrnt bei niedriger Bordspannung viel rnehr Leistung auf als bei hoher; hinzu kornrnen Anforderungen des Klirnakornpressors, der Lenkhilfepurnpe, der Hochdruckerzeugung fur die Dieseleinspritzung usw. Zu diesen externen Lastrnornenten kornrnt noch das interne Reibrnornent des Motors, das stark von der Motorternperatur abhangt und ebenfalls vorn Leerlaufregler ausgeglichen werden rnuss. Zurn Einregeln der Leerlauf-Solldrehzahl passt der Leerlaufregler die Einspritzrnenge so lange an, bis die gernessene Istdrehzahl gleich der vorgegebenen Solldrehzahl ist.

Leerlaufregelung

Enddrehzahlregelung (Abregelung)

Aufgabe der Leerlaufregelung (LLR) ist es, irn Leerlauf bei nicht betatigtern Fahrpedal eine definierte Solldrehzahl einzuregeln. Diese Solldrehzahl kann je nach Betriebszustand des Motors variieren; so wird zurn Beispiel bei kaltern Motor rneist eine hOhere Leerlaufdrehzahl eingestellt als bei warrnern Motor. Zusatzlich kann z. B. bei zu niedriger Bordspannung, eingeschalteter Klirnaanlage oder rollendern Fahrzeug ebenfalls die Leerlauf-Solldrehzahl angehoben werden. Da der Motor irn dichten StraBenverkehr relativ haufig irn Leerlauf betrieben wird (z. B. »Stop and Go" oder Halt an Ampeln), sollte die Leerlaufdrehzahl aus Ernissions- und Verbrauchsgriinden rnoglichst niedrig sein. Dies bringt jedoch Nachteile fur die Laufruhe des Motors und fur das Anfahrverhalten rnit sich.

Aufgabe der Enddrehzahlregelung (auch Abregelung genannt) ist es, den Motor vor unzulassig hohen Drehzahlen zu schiitzen. Der Motorhersteller gibt hierzu eine zulassige Maxirnaldrehzahl vor, die nicht fur langere Zeit iiberschritten werden darf, da sonst der Motor geschadigt wird. Die Abregelung reduziert die Einspritzrnenge oberhalb des Nennleistungspunktes des Motors kontinuierlich. Kurz oberhalb der rnaximalen Motordrehzahl findet keine Einspritzung rnehr statt. Die Abregelung rnuss aber rnoglichst weich erfolgen, urn ein ruckartiges Abregeln des Motors beim Beschleunigen zu verhindern (Rampenfunktion). Dies ist urnso schwieriger zu realisieren, je dichter Nennleistungspunkt und Maxirnaldrehzahl zusarnrnenliegen.

Elektronische Dieselregelung

Zwischendrehzahlregelung

Die Zwischendrehzahlregelung (ZDR) wird fur Nkw und Kleinlaster mit Nebenabtrieben (z. B. Kranbetrieb) oder fUr Sonderfahrzeuge (z. B. Krankenwagen mit Stromgenerator) eingesetzt. 1st sie aktiviert, wird der Motor auf eine lastunabhangige Zwischendrehzahl geregelt. Die Zwischendrehzahlregelung wird uber das Bedienteil der Fahrgeschwindigkeitsregelung bei Fahrzeugstillstand aktiviert. Auf Tastendruck lasst sich eine Festdrehzahl im Datenspeicher abrufen. Zusatzlich lassen sich uber dieses Bedienteil beliebige Drehzahlen vorwahlen. Des Weiteren wird sie bei Pkw mit automatisiertem Schaltgetriebe (z. B. Tiptronic) zur Regelung der Motordrehzahl wahrend des Schaltvorgangs eingesetzt.

Regelung der Einspritzung

Bei ausgeschaltetem Fahrgeschwindigkeitsregler kann mithilfe der Wiederaufnahmestellung des Bedienhebels die letzte gultige Soll-Geschwindigkeit wieder eingestellt werden. Eine stufenweise Veranderung der SollGeschwindigkeit uber die Bedienelemente ist ebenfalls maglich. Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung

Variable Begrcnzung Die Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung (FGB, auch Limiter genannt) begrenzt die maximale Geschwindigkeit auf einen eingestellten Wert, auch wenn das Fahrpedal weiter betatigt wird. Dies ist vor allem bei leisen Fahrzeugen eine Hilfe fUr den Fahrer, der damit Geschwindigkeitsbegrenzungen nicht unabsichtlich uberschreiten kann.

Fahrgeschwindigkeitsregelung

Der Fahrgeschwindigkeitsregler (auch Tempomat genannt) ermaglicht das Fahren mit konstanter Geschwindigkeit. Er regelt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf einen gewunschten Wert ein, ohne dass der Fahrer das Fahrpedal betatigen muss. Dieser Wert kann uber einen Bedienhebel oder uber Lenkradtasten eingestellt werden. Die Einspritzmenge wird so lange erhaht oder verringert, bis die gemessene Ist-Geschwindigkeit der eingestellten Soll-Geschwindigkeit entspricht. Bei einigen Fahrzeugapplikationen kann durch Betatigen des Fahrpedals uber die momentane Soll-Geschwindigkeit hinaus beschleunigt werden. Wird das Fahrpedal wieder losgelassen, regelt der Fahrgeschwindigkeitsregler die letzte gultige SollGeschwindigkeit wieder ein. Tritt der Fahrer bei eingeschaltetem Fahrgeschwindigkeitsregler auf das Kupplungsoder Bremspedal, so wird der Regelvorgang abgeschaltet. Bei einigen Applikationen kann auch uber das Fahrpedal ausgeschalten werden.

Die Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung begrenzt zu diesem Zweck die Einspritzmenge entsprechend der maximalen SollGeschwindigkeit. Sie wird durch den Bedienhebel oder durch "Kick-down" abgeschaltet. Die letzte gultige Soll-Geschwindigkeit kann mit Hilfe der Wiederaufnahmestellung des Bedienhebels wieder aufgerufen werden. Eine stufenweise Veranderung der Soll-Geschwindigkeit uber den Bedienhebel ist ebenfalls maglich.

Fe le Bcgrenzung In vielen Staaten schreibt der Gesetzgeber feste Hachstgeschwindigkeiten fUr bestimmte Fahrzeugklassen vor (z. B. fUr schwere Nkw) . Auch die Fahrzeughersteller begrenzen die maximale Geschwindigkeit durch eine feste Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung. Sie kann nicht abgeschaltet werden. Bei Sonderfahrzeugen kannen auch fest einprogrammierte Geschwindigkeitsgrenzen vom Fahrer angewahlt werden (z. B. wenn bei Mullwagen Personen auf den hinteren Trittflachen stehen).

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Elektronische Dieselregelung

Regelung der Einspritzung

Aktive Ruckeldampfung

Bei plOtzlichen Lastwechseln regt die Drehmomentanderung des Motors den Fahrzeugantriebsstrang zu Ruckelschwingungen an. Fahrzeuginsassen nehmen diese Ruckelschwingungen als unangenehme periodische Beschleunigungsanderungen wahr (Bild 2, Kurve a). Aufgabe des Aktiven Ruckeldampfers (ARD) ist es, diese Beschleunigungsanderungen zu verringern (b). Dies geschieht durch zwei getrennte MaBnahmen: • Bei pli:itzlichen Anderungen des vom Fahrer gewiinschten Drehmoments (Fahrpedal) reduziert eine genau abgestimmte Filterfunktion die Anregung des Triebstrangs (l). • Schwingungen des Triebstrangs werden anhand des Drehzahlsignals erkannt und iiber eine aktive Regelung gedampft. Diese reduziert die Einspritzmenge bei ansteigender Drehzahl und erhoht sie bei fall ender Drehzahl, urn so den entstehenden Drehzahlschwingungen entgegenzuwirken (2).

Berspiel des Akl,ven RuckeldArnpfers (ARO)

Laufruheregelung/Mengenausgleichsregelung

Nicht alle Zylinder eines Motors erzeugen bei einer gleichen Einspritzdauer das gleiche Drehmoment. Dies kann an Unterschieden in der Zylinderverdichtung, Unterschieden in der Zylinderreibung oder Unterschieden in den hydraulischen Einspritzkomponenten liegen. Folge dieser Drehmomentunterschiede ist ein unrunder Motorlauf und eine Erhohung der Motoremissionen. Die Laufruheregelung (LRR) bzw. die Mengenausgleichsregelung (MAR) haben die Aufgabe, solche Unterschiede anhand der daraus resultierenden Drehzahlschwankungen zu erkennen und iiber eine gezielte Anpassung der Einspritzmenge des betreffenden Zylinders auszugleichen. Hierzu wird die Drehzahl nach der Einspritzung in einen bestimmten Zylinder mit einer gemittelten Drehzahl verglichen. Liegt die Drehzahl des betreffenden Zylinders zu tief, wird die Einspritzmenge erhoht; liegt sie zu hoch, muss die Einspritzmenge reduziert werden (Bild 3).

8eispial de. Laufnuheregelung (LRR) Solldrehzahl:

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Elektronische Dieselregelung

Die Laufruheregelung ist eine Komfortfunktion, deren primares Ziel die Verb esserung der Motorlaufruhe im Bereich der Leerlaufdrehzahl ist. Die Mengenausgleichsregelung soli zusatzlich zur Komfortverbesserung im Leerlauf die Emissionen im mittleren Drehzahlbereich durch eine Gleichstellung der Einspritzmengen der Motorzylinder verbessern. Fur Nkw wird die Mengenausgleichsregelung auch AZG (Adaptive-ZylinderGleichstellung) bzw. SRC (Smooth Running Control) genannt. Begrenzungsmenge

Wurde immer die vom Fahrer gewiinschte oder physikalisch mogliche Kraftstoffmenge eingespritzt werden, konnten folgende Effekte auftreten: • zu hohe Schadstoffemissionen, • zu hoher RuBausstoB, • mechanische Dberlastung wegen zu hohem Drehmoment oder Dberdrehzahl, • thermische Dberlastung wegen zu hoher Abgas-, Kuhlmittel-, 01- oder Turboladertemperatur oder • thermische Dberlastung der Magnetventile durch zu lange Ansteuerzeiten. Urn diese unerwiinschten Effekte zu vermeiden, wird eine Begrenzung aus verschiedenen EingangsgroBen gebildet (z. B. angesaugte Luftmasse, Drehzahl und Kuhlmitteltemperatur). Die maximale Einspritzmenge und damit das maximale Drehmoment werden somit begrenzt. Motorbremsfunktion

Beim Betatigen der Motorbremse von Nkw wird die Einspritzmenge alternativ entweder aufNull- oder Leerlaufmenge eingeregelt. Das Steuergerat erfasst fur diesen Zweck die Stellung des Motorbremsschalters.

Regelung der Einspritzung

Hohenkorrektur

Mit steigender Hohe nimmt der Atmospharendruck ab. Somit wird auch die ZylinderfUlIung mit Verbrennungsluft geringer. Deshalb muss die Einspritzmenge reduziert werden. Wurde die gleiche Menge wie bei hohem Atmospharendruck eingespritzt, kame es wegen Luftmangel zu starkem RauchausstoB. Der Atmospharendruck wird vom Umgebungsdrucksensor im Steuergerat erfasst. Damit kann die Einspritzmenge in groBen Hohen reduziert werden. Der Atmospharendruck hat auch Einfluss auf die Ladedruckregelung und die Drehmomentbegrenzung. Zylinderabschaltung

Wird bei hohen Motordrehzahlen ein geringes Drehmoment gewunscht, muss sehr wenig Kraftstoff eingespritzt werden. Eine andere Moglichkeit zur Reduzierung des Drehmoments ist die Zylinderabschaltung. Hierbei wird die Halfte der Injektoren abgeschaltet (UIS-Nkw, UPS, CR-System). Die verbleibenden Injektoren spritzen dann eine entsprechend hohere Kraftstoffmenge ein. Diese Menge kann mit hoherer Genauigkeit zugemessen werden. Durch spezielle Software-Algorithmen konnen weiche Dbergange oh ne spurbare Drehmomentanderungen beim Zu- und Abschalten der Injektoren erreicht werden.

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Elektronische Dieselregelung

Regelung der Einspritzung

Injektormengenabgleich

Mengenmittelwertadaption

Urn die hohe Prazision des Einspritzsystems weiter zu verbessern und tiber die Fahrzeuglebensdauer zu gewahrleisten, kommen ftir Common Rail (CR)- und UIS/UPS-Systeme neue Funktionen zum Einsatz. Ftir den Injektormengenabgleich (IMA) wird innerhalb der Injektorfertigung ftir jeden Injektor eine Vielzahl von Messdaten erfasst, die in Form eines Datenmatrix-Codes auf den Injektor aufgebracht werden. Beim Piezo-Inline-Injektor werden zusatzlich auch Informationen tiber das Hubverhalten hinzugeftigt. Diese Informationen werden wahrend der Fahrzeugfertigung in das Steuergerat tibertragen. Wahrend des Motorbetriebs werden diese Werte zur Kompensation von Abweichungen im Zumess- und Schaltverhalten verwendet.

Ftir die korrekte Anpassung von Abgasrtickfuhrung und Ladedruck wird die Abweichung der tatsachlich eingespritzten Kraftstoffmenge vom Sollwert benotigt. Die Mengenmittelwertadaption (MMA) ermittelt dazu aus den Signalen von Lambda-Sonde und Luftmassenmesser den tiber alle Zylinder gemittelten Wert der eingespritzten Kraftstoffmenge. Aus dem Vergleich von Sollwert und Istwert werden Korrekturwerte berechnet (s. "Lambda-Regelung ftir PkwDieselmotoren") . Die Lernfunktion MMA garantiert im unteren Teillastbereich gleich bleibend gute Emissionswerte tiber die Fahrzeuglebensdauer.

Nullmengenkalibrierung

Von besonderer Bedeutung fur die gleichzeitige Erreichung von Komfort- (Gerauschminderung) und Emissionszielen ist die sichere Beherrschung kleiner Voreinspritzungen tiber die Fahrzeuglebensdauer. Mengendriften der Injektoren mtissen deshalb kompensiert werden. Hierzu werden in CR-Systemen der 2. und 3. Generation im Schubbetrieb gezielt in einen Zylinder eine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt. Der Drehzahlsensor detektiert die daraus entstehende Drehmomentanhebung als kleine dynamische Drehzahlanderung. Diese vom Fahrer nicht sptirbare Drehmomentsteigerung ist in eindeutiger Weise mit der eingespritzten Kraftstoffmenge verkntipft. Der Vorgang wird nacheinander fur alle Zylinder und fur verschiedene Betriebspunkte wiederholt. Ein Lernalgorithmus stellt kleinste Veranderungen der Voreinspritzmenge fest und korrigiert die Ansteuerdauer fur die Injektoren entsprechend fur alle Voreinspritzungen.

Druckwellenkorrektur

Einspritzungen IOsen bei alien CR-Systemen Druckwellen in der Leitung zwischen Dtise und Rail aus. Diese Druckschwingungen beeinflussen systematisch die Einspritzmenge spaterer Einspritzungen (Vor-/Haupt-/ Nacheinspritzungen) innerhalb eines Verbrennungszyklus. Die Abweichungen spaterer Einspritzungen sind abhangig von den zuvor eingespritzten Mengen und dem zeitlichen Abstand der Einspritzungen, dem Raildruck und der Kraftstofftemperatur. Durch Berticksichtigung dieser Parameter in geeigneten Kompensationsalgorithmen berechnet das Steuergerat eine Korrektur. Allerdings ist fur diese Korrekturfunktion ein sehr hoher Applikationsaufwand erforderlich. Als Vorteil erhalt man die Moglichkeit, den Abstand von z. B. Vor- und Haupteinspritzung flexibel zur Optimierung der Verbrennung anpassen zu konnen.

Injekto,mengenabgleich

Funktionsbeschreibung Der Injektormengenabgleich (lMA) ist e n ie Softwarefunktion zur Stelgerung de, Mengenzumessgenauigkeit und gleichzeitig der Injektor-Gutausbringung am Motor. Die Funktion

EMI-Kennhni C :>

;;;

y--

50

CD

..J

25

P=2·J[·n·M

0 N·m

Es geniigt also vollig, z. B. das Drehmoment als FiihrungsgroBe unter Beachtung der Drehzahl vorzugeben. Die Motorleistung ergibt sich dann aus der obigen Forme!' Da die Leistung nicht unmittelbar gemessen werden kann, hat sich fiir die Motorsteuerung das Drehmoment als geeignete FiihrungsgroBe herausgestellt.

.,

ｾ＠

i: 300 E 0 E 200 .:=

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Cl

-a

100 0 0

1000

----

2000 3000 4000m,n" Motordrehulhl

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'"'" ｾ＠

:;

z

Blldl Baulah, 1968 b Baulah, 1998

a

384

Elektronische Dieselregelung

MomentengelOhrte EDC-Systeme

Ablauf der Motorsteuerung

Die Weiterverarbeitung der Sollwertvorgaben im Motorsteuergerat sind in Bild 2 schematisch dargestellt. Zum Erflillen ihrer Aufgaben benotigen alle Steuerungsfunktionen der Motorsteuerung eine Fiille von Sensorsignalen und Informationen von anderen Steuergeraten im Fahrzeug. Vortrieb moment Die Fahrervorgabe (d. h. das Signal des Fahrpedalsensors) wird von der Motorsteuerung als Anforderung flir ein Vortriebsmoment interpretiert. Genauso werden die Anforderungen der Fahrgeschwindigkeitsregelung und -begrenzung beriicksichtigt. Nach dieser Auswahl des Soll-Vortriebsmoments erfolgt gegebenenfalls bei Blockiergefahr eine Erhohung bzw. bei durchdrehenden Radern eine Reduzierung des Sollwerts durch das Fahrdynamiksystem (ASR, ESP). Weitere externe Momentanf, rderungen Die Drehmomentanpassung des Antriebsstrangs muss beriicksichtigt werden (Triebstrangiibersetzung). Sie wird im Wesentlichen durch die Dbersetzungsverhaltnisse im jeweiligen Gang sowie durch den Wirkungsgrad des Wandlers beiAutomatikgetrieben bestimmt. Bei Automatikfahrzeugen gibt die Getriebesteuerung die Drehmomentanforderung wahrend des Schaltvorgangs vor, urn mit reduziertem Moment ein moglichst ruckfreies, komfortables und zugleich ein das Getriebe schonendes Schalten zu ermoglichen. AuBerdem wird noch ermittelt, welchen Drehmomentbedarf weitere vom Motor angetriebene Nebenaggregate (z. B. Klimakompressor, Generator, Servopumpe) haben. Dieser Drehmomentbedarf wird aus der benotigten Leistung und Drehzahl entweder von diesen Aggregaten selbst oder von der Motorsteuerung ermittelt. Die Motorsteuerung addiert die Momentenanforderungen auf. Damit andert sich das Fahrverhalten des Fahrzeugs trotz wechselnder Anforderungen der Aggregate und Betriebszustande des Motors nicht.

Innere Momentanforderungen In diesem Schritt greifen der Leerlaufregler und der aktive Ruckeldampfer ein. Urn z. B. eine unzulassige Rauchbildung durch zu hohe Einspritzmengen oder eine mechanische Beschadigung des Motors zu verhindern, setzt das Begrenzungsmoment, wenn notig, den internen Drehmomentbedarf herab. Im Vergleich zu den bisherigen Motorsteuerungssystemen erfolgen die Begrenzungen nicht mehr ausschlieBlich im Kraftstoff-Mengenbereich, sondern je nach gewiinschtem Effekt direkt in der jeweils betroffenen physikalischen GroBe. Die Verluste des Motors werden ebenfalls beriicksichtigt (z. B. Reibung, Antrieb der Hochdruckpumpe). Das Drehmoment stellt die messbare AuBenwirkung des Motors dar. Die Steuerung kann diese AuBenwirkung aber nur durch eine geeignete Einspritzung von Kraftstoff in Verbindung mit dem richtigen Einspritzzeitpunkt sowie den notwendigen Randbedingungen des Luftsystems erzeugen (z. B. Ladedruck, Abgasriickflihrrate). Die notwendige Einspritzmenge wird iiber den aktuellen Verbrennungswirkungsgrad bestimmt. Die errechnete Kraftstoffmenge wird durch eine Schutzfunktion (z. B. gegen Dberhitzung) begrenzt und gegebenenfalls durch die Laufruheregelung verandert. Wahrend des Startvorgangs wird die Einspritzmenge nicht durch externe Vorgaben (wie z. B. den Fahrer) bestimmt, sondern in der separaten Steuerungsfunktion "Startmenge" berechnet. Ansteuerung der Aktoren Aus dem schlieBlich resultierenden Sollwert flir die Einspritzmenge werden die Ansteuerdaten flir die Einspritzpumpen bzw. die Einspritzventile ermittelt sowie der bestmogliche Betriebspunkt des Luftsystems bestimmt.

Elektronische Dieselregelung

Momente"gefUhrte EDC-Systeme

Ablauf de, MotorSteuerung bel der momentengefUhrten D1esel,egelung

Vortriebsmoment Falwefwunsch: - fahrpedalsensor,

---

- Fahrgeschwuldtgketts-

rege!ung.

..

Auswahl des SollVortriebsrnoments

- FaIvgesch\Nll1dJgkeotsbegranzungSensorsignaIe

ｾ＠

Vorgabedes Fahrdynamiksystems:

Koordination des Vortriebsrnoments

- - - "t"

- ASR. - ESP.

Daten-

austausch

+

Weltere exteme Momentanforderungen

I

Triebstrangubersetzung

I

Vorgabe des

ｾ Ｍ

I

GebiebesteueI'g

l =dUrcn

ｾ Ｍ

ｾ＠

Koordination des Antriebstrangmomenis

.

Ｋ＠

..

Innere Momentanforderungen I leertaufregelung

I

Aktiver Ruckeldimpfer

I Begrenzungsmoment

I I I

ｾ＠

Steuerung des Motormoments ｾ＠

fonnere Funkt"""",)

•'.

I Startmenge

I Begrenzungsmenge IlaufruheregelUng

I I I ｾ＠

DExteme Vorgaben

I

--- Daten!ibertragung mrt

CANmOgIich

luftsys12m

- lader,

I

- AbgastilckIilhrung _

I

Vorgabe:

- Rlrderbeg.ln,

- SpriIzversteller, - R"jldruck, - _. (je nach System).

...

O Inleme AbIliufe

Fahr· betneb

ｾ＠

+ --

I

Start " Mengen- , vorgabe ｾ＠

Ansteuenung der Aktoren Vorgabe: - l.adedruck, - AbgasrilckfUtvTle,

lu

ｾ＠

ｾ＠ I Wirkungsgrad Motor

-

4

ｾ＠

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""

::It

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Sensoren

Hochdrucksensoren Anwendung

Hochdrucksensoren werden im Kraftfahrzeug zur Druckmessung von Kraftstoffen und von Bremsfliissigkeit angewandt: iesel -Raildrucksen or Der Diesel-Raildrucksensor misst den Druck im Kraftstoffverteilerrohr (Rail) des DieselSpeichereinspritzsystems Common Rail. Der maximale Arbeitsdruck (Nenndruck) Pmax liegt bei 160 MPa (1600 bar). Der Kraftstoffdruck wird in einem Regelkreis geregelt. Er ist unabhangig von Last und Drehzahl annahernd konstant. Eventuelle Abweichungen vom Sollwert werden iiber ein Druckregelventil ausgeglichen.

417

Membran bei geringeren Driicken). Sobald der zu messende Druck iiber den Druckanschluss (4) auf die eine Seite der Membran wirkt, andern die Dehnwiderstande auf Grund der Membrandurchbiegung (ca. 20 !lm bei 1500 bar) ihren Widerstandswert. Die von der Briicke erzeugte Ausgangsspannung von 0... 80 mV wird iiber Verbindungsleitungen zu einer Auswerteschaltung (2) im Sensor geleitet. Sie verstarkt das Briickensignal auf 0.. .5 V und leitet es dem Steuergerat zu, das daraus mithilfe einer dort gespeicherten Kennlinie (Bild 2) den Druck berechnet. Hochdrucl

schelbe (Geoorrad) Lagemng

6 Anlflebswelle

420

Sensoren

Hall-Phasensensoren

Hall- Phasensensoren Anwendung

Die Nockenwelle ist gegeniiber der Kurbelwelle urn 1:2 untersetzt. Ihre Stellung zeigt an, ob sich ein zum oberen Totpunkt bewegender Motorkolben im Verdichtungs- oder im AusstoBtakt befindet. Der Phasensensor an der Nockenwelle (auch Phasengeber genannt) gibt diese Information an das Steuergerat.

ein Zweispurimpulsrad (Bild 3 b), urn in beiden Hall-Elementen ein gegensinniges Signal erzeugen zu konnen (Bild 4). Diese Sensoren werden bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit eingesetzt. Weitere Vorteile sind ein vergleichsweise groBer Luftspaltbereich und eine gute Temperaturkompensation.

Aufbau und Arbeitsweise

HaLl- tab en oren

Blld 1 PIlIHchenslrom IH HaJl'Strom Versoi

Malerl8l (Z) unter S2

:;!;

LOcks (Ll unler SI ,

ｾ＠

ｾ＠

'IS Stgnalbr8lle

422

Sensoren

Fahrpedalsensoren

Fahrpedalsensoren Anwendung Bei der herkbmmlichen Motorsteuerung gibt der Fahrer seinen Wunsch z. B. fur Beschleunigung, konstante oder verlangsamte Fahrt ein, indem er mit dem Fahrpedal die Drosselklappe des Ottomotors oder die Einspritzpumpe des Dieselmotors mechanisch uber einen Seilzug oder ein Gestange betatigt. Bei elektronischen Motorleistungssteuerungssystemen iibernimmt ein Fahrpedalsensor (auch Pedalwertgeber, PWG, genannt) die Funktion der mechanischen Verbindung. Er erfasst den Weg bzw. die Winkelposition des Pedals und ubermittelt

Kenn/inie elnes Fahrpedalsensors mn redundanlem Polenliomele,

v.--------------, 4,75 t -- - - - - - - - - --../

t Blld 1

POlenl.omeler 1 (Rlhrungspolenz",'

meler) Polell2lOmeler 2

2

I 0.75

(ha/be Spannung)

Pedalweg _

ca. 25 mm

sie elektrisch an das Motorsteuergerat. Alternativ zum einzelnen Sensor (Bild 2a) gibt es auch Fahrpedalmodule (b, c) als einbaufertige Einheiten, bestehend aus Fahrpedal und Fahrpedalsensor. Bei diesen Modulen entfallen Justierarbeiten am Fahrzeug. Aufbau und Arbeitsweise Potentiometri ch er Fahrpedal en or Wesentlicher Bestandteil ist ein Potentiometer, an dem sich in Abhangigkeit von der Fahrpedalstellung eine Spannung einstellt. Mithilfe einer gespeicherten Sensorkennlinie rechnet das Steuergerat diese Spannung in den relativen Pedalweg bzw. die Winkelstellung des Fahrpedals urn.

Fur Diagnosezwecke und fur den Fall einer Stbrung ist ein redundanter (doppelter) Sensor integriert. Er ist Bestandteil des Dberwachungssystems. Eine Sensorausfuhrung arbeitet mit einem zweiten Potenziometer, das in alien Betriebspunkten immer die halbe Spannung des ersten Potentiometers liefert, urn fur die Fehlererkennung zwei unabhangige Signale zu erhalten (Bild 1). Eine andere Ausfuhrung arbeitet anstelle des zweiten Potentiometers mit einem Leergasschalter, der dem Steuergerat die Leerlaufstellung des Fahrpedals signalisiert. Fur Fahrzeuge mit automatischem Getriebe kann ein weiterer Schalter ein elektrisches Kick-Down-Signal erzeugen.

8au/ormen des Fahrpedalsensors

11

Blld 2 a

E,nzelner ｆ｡ｨｲｰ･､ｾ＠

b

Mngendes Fahr·

sensor pedalmodul C

-

b

c

5cm

3

slehendes Fah,· pede/modul FMP l

I

Sensor

2

lahrzeugspezrfisches

3

Pedal PedaIDoclc

2

2

Sensoren

Hall-Winkcl en oren

Fahrpedalsensoren

423

Dieser Sensor lasst sich mechanisch gut in ein Fahr- oder Gaspedalmodul integrieren (Bild 5).

Der Hall-Winkelsensor vom Typ ARSl (Angle of Rotation Sensor) ist vom Grundprinzip des "Movable Magnet" abgeleitet. Er hat einen Messbereich von ca. 90° (Bilder 3 und 4). Der magnetische Fluss eines Rotors (Bild 4, Pos.1), der als eine etwa halbringformige dauermagnetische Scheibe ausgebildet ist, wird uber einen Polschuh (2), zwei weitere Flussleitstiicke (3) und die ebenfalls weichmagnetische Achse (6) zum Rotor zuruckgefiihrt. Hierbei wird der Fluss je nach Winkelstellung (fP) mehr oder weniger uber die beiden Flussleitstucke gefuhrt, in deren magnetischem Pfad sich auch ein Hall-Sensor (5) befindet. Damit Hisst sich eine im Messbereich weitgehend linea re Kennlinie erzielen.

Hall·Winkelsenso< ARS I (Ansichl)

Blld 3 Geh:iusedeckel

2

ROlorscheibe

.

3

AUSWer1eleklronlk

';\I

5

RUckslellleder

6

Anlenkelernenl

(dauermagnehsch)

ｾ＠

:J

ｾ＠

Beim Typ ARS2 kommt eine vereinfachte Anordnung oh ne weichmagnetische Flussleitstiicke zur Anwendung, bei der der Magnet auf einem Kreisbogen urn den HallSensor bewegt wird. Da der dabei entstehende, sinusfOrmige Kennlinienverlauf nur uber einen relativ kurzen Abschnitt eine gute Linearitat besitzt, platziert man den Hall-Sensor etwas auBerhalb der Mitte des Kreises. Dadurch weicht die Kennlinie von der Sinusform ab und besitzt einen langeren gut linearen Abschnitt von uber 180°.

rnlt Hall-Sensor

4

Gehauseunlenell

(z. B. Zahnred)

Hall-Winkelsensor ARS 1 (Aulbau mil Winkelslellungen a __ . d)

a Blld 4 ROlorschelbe (dauermagnehsch)

c

..

2

0

8

4

';\I

FlussleltstOck

4

LuflspaJl

5

Hall·Sensor

6

Achse

"

Drehwlnkel

(welchmagnehsch)

:J

ｾ＠

Polschuh

:2 3

Hall·Winkelsenso< ARS2

b

BUd 5

a

Einbau In da. Fahrpedalrnodul

b

Bauelemenle

1 :2

Hall-Sensor Pedalachse

3

Magnel

424

Sensoren

HeiBfilm-Luftmassenmesser H FM5

HeiBfilm· Luftmassenmesser HFM5 Anwendung Eine optimale Verbrennung im Rahmen der gesetzlich festgelegten Abgasgrenzwerte setzt voraus, dass die dazu im jeweiligen Betriebszustand notwendige Luftmasse prazise zugefuhrt wird. Zu diesem Zweck misst der HeiBfilm-Luftmassenmesser einen Teilstrom des tatsachlich durch das Luftfilter bzw. das Messrohr stromenden Luftmassenstroms sehr genau. Er beriicksichtigt auch die durch das Offnen und SchlieBen der Ein - und Auslassventile hervorgerufenen Pulsation en und Riickstromungen. Anderungen der Ansauglufttemperatur haben keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Aufbau Der HeiBfilm-Luftmassenmesser HFM5 ragt mit seinem Gehause (Bild 1, Pos. 5) in ein Messrohr (2), das je nach der fur den Motor benotigten Luftmasse unterschiedliche

Durchmesser haben kann (fur 370 ... 970 kg/h). Das Messrohr ist nach dem Luftfilter im Ansaugtrakt eingebaut. Es gibt auch Stecksensoren, die im Luftfilter montiert sind. Wesentliche Bestandteile des Sensors sind eine vom Messteilstrom der Luft im Einlass (8) angestromte Messzelle (4) sowie eine integrierte Auswerteelektronik (3). Die Elemente der Messzelle sind auf ein Halbleitersubstrat aufgedampft, die Elemente der Auswerteelektronik (Hybridschaltung) auf ein Keramiksubstrat aufgelOtet. Dadurch ist eine sehr kleine Bauweise moglich. Die Auswerteelektronik ist wiederum iiber elektrische Anschliisse (1) mit dem Steuergerat verbunden. Der Teilstrom-Messkanal (6) ist so geformt, dass die Luft ohne Verwirbelung an der Sensormesszelle vorbei und iiber den Auslass (7) in das Messrohr zuriickflieBen kann. Dadurch verbessert sich das Sensorverhalten bei stark pulsierenden Stromungen, und neben den Vorwartsstromungen werden auch Riickstromungen erkannt (Bild 2).

HelBfilm·Luftmassenmesser HFM5 (Schema)

Arbeitsweise Der HeiBfilm-Luftmassenmesser ist ein "thermischer Sensor". Er arbeitet nach folgendem Prinzip:

Blld 1 Elektnsche AnschlOsse (Sleeker)

2

3- - - -1-1

Messroh,· oder

Auf der Sensormesszelle (Bild 3, Pos. 3) beheizt ein zentral angeordneter Heizwiderstand eine mikromechanische Sensormembran (5) und halt sie auf einer konstanten Temperatur. AuBerhalb dies er geregelten Heizzone (4) fallt die Temperatur aufbeiden Seiten ab.

Luftfiltergehluse· wand

3

Auswerteelcktronlk (Hybndschaltung)

4

SensormeSSlelie

5

Sensorgehluse

6

Tellslrom·Messkanal

7

Auslass Messled· strom QM

8

Elnlass Messled· stromQ..,

4 - --t- '--'-:ooI-+'r------'

5- - - -

-

8 - - --+----' 1an

Zwei symmetrisch zum Heizwiderstand stromauf- und stromabwarts auf der Membran aufgebrachte temperaturabhangige Widerstande (Messpunkte Mh M2 ), erfassen die Temperaturverteilung auf der Membran. Ohne Luftanstromung ist das Temperaturprofil (1) auf beiden Seiten gleich (Tt = T2).

Sensoren

Stromt Luft uber die Sensormesszelle, verschiebt sich das gleichmaBige Temperaturprofil auf der Membran (2). Auf der Ansaugseite ist der Temperaturverlauf steiler, da die vorbeistromende Luft diesen Bereich abkuhlt. Auf der gegenuberliegenden, dem Motor zugewandten Seite kuhlt die Sensormesszelle zunachst ab. Die vom Heizelement erhitzte Luft erwarmt dann aber im weiteren Verlauf die Sensormesszelle. Die Anderung der Temperaturverteilung fuhrt zu einer Temperaturdifferenz (I'!"T) zwischen den Messpunkten M1 und M2 • Die an die Luft abgegebene Warme und damit der Temperaturverlauf an der Sensormesszelle hangt von der vorbeistromenden Luftmasse ab. Die Temperaturdifferenz ist (unabhangig von der absoluten Temperatur der vorbeistromenden Luft) ein MaB fur die Masse des Luftstroms; sie ist zudem richtungsabhangig, sodass der Luftmassenmesser sowohl den Betrag als auch die Richtung eines Luftmassenstromes erfassen kann. Auf Grund der sehr dunnen mikromechanischen Membran reagiert der Sensor sehr schnell aufVeranderungen ( < 15 ms). Dies ist besonders bei stark pulsierenden Luftstromungen wichtig. Die Widerstandsdifferenz an den Messpunkten M1 und M2 wandelt die im Sensor integrierte Auswerteelektronik in ein fur das Steuergerat angepasstes analoges Spannungssignal zwischen 0 ... 5 V urn. Mithilfe der im Steuergerat gespeicherten Sensorkennlinie (Bild 2) wird die gemessene Spannung in einen Wert fur den Luftmassenstrom umgerechnet [kg/hJ. Die Kennliniencharakteristik ist so gestaltet, dass die integrierte Diagnose im Steuergerat Storungen wie z. B. eine Leitungsunterbrechung erkennen kann. lm HeiBfilmLuftmassenmesser HFM5 kann ein zusatzlicher Temperatursensor fur die Auswertung integriert sein.

HeiBfilm-Luftmassenmesser HFM5

425

Fur die Bestimmung der Luftmasse ist er nicht erforderlich. Fur bestimmte Fahrzeugapplikationen gibt es zusatzliche Vorkehrungen fur eine bessere Wasser- und Schmutzabscheidung (lnnenrohr, Schutzgitter). Hei6film-Luftmassenmesser (Ausgangsspannung In Abhllnglgkeot vom vorbelslrOmenden MeSSleolstrom)

vr------------------. RUckstrOmuog

6

1

I

VoIwlll1SSltOmung

5

ｯｾ＠

____________________ o 200 400 kg/h 600 ｾ＠

Luftmassenstrom

Hei8folm·Luftmassenmesser Ｈ ｍ ･ｳｰｮｾｬＩ＠

Blld 3 1

Temperalurpl'ofil ohne AnstrOmung

2

Temperalurprofil mll

3

Sensormesszelle

AnBtrOmung 4

Heouono

5

Sensonmembran

6

Messrohr mlt Lult-

7

massenmesser Anoaugluftslrom

M .. M, Messpunkle

rh 1",

Temperaturwerte

an den Messpunkten M, und M.

r ｔ･ｭｰｲ｡

ｬ ｵｲ､ｬｦ･ｾ＠

Sensoren

426

Planare Breitband-Lambda-Sonde LSU4

Planare Breitband-LambdaSon de LSU4 Anwendung

Mit der Breitband-Lambda-Sonde kann die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem groBen Bereich bestimmt und damit auf das Luft -Kraftstoff-Verhaltnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl A beschreibt dieses Luft -Kraftstoff-Verhiiltnis. Breitband-Lambda-Sonden kbnnen nicht nur im "stbchiometrischen" Punkt bei A = 1, sondern auch im mageren (A > 1) und feuen (A < 1) Bereich genau messen. Sie liefern im Bereich 0,7 < A < 00 (00 = Luft mit 21 % O 2 ) ein eindeutiges, stetiges elektrisches Signal (Bild 2).

Blld 1 1

Abgas

2

Abgasrohr

3 4

Heller

5

RegelelekllOnlk Rolorenzzelle ml' Reforenzluftkaoal

6 7

Ddfuslonsspall Nemsl'

Mit diesen Eigenschaften kommt die Breitband-Lambda-Sonde nicht nur bei Ottomotor-Managementsystemen mit Zweipunkt-Regelung (A = 1), sondern auch bei Regelkonzepten mit mageren und feUen Luft -Kraftstoff-Gemischen zum Einsatz. Sie eignen sich also auch fUr die LambdaRegelung von Ouomotor-Magerkonzepten, Dieselmotoren, Gasmotoren und Gasheizthermen (daher die Bezeichnung LSU: Lambda -Sonde-Universal). Die Sonde ragt in das Abgasrohr und erfasst den Abgasstrom aller Zylinder.

Fur eine genauere Regelung werden bei einigen Systemen auch mehrere Sonden eingesetzt, zum Beispiel in den einzelnen Abgasstrangen von V-Motoren. Aufbau

Die Breitband-Lambda-Sonde LSU4 (Bild 3) ist eine planare Zweizellen-Grenzstromson de. Ihre Messzelle (Bild 1) besteht aus einer Zirkondioxyd-Keramik (Zr02). Sie ist die Kombination einer Nernst-Konzentrationszelle (Sensorzelle, Funktion wie bei einer Zweipunkt-Lambda-Sonde) und einer Sauerstoff-Pumpzelle, die Sauerstoffionen transportiert. Die Sauerstoff-Pumpzelle (Bild 1, Pos. 8) ist zu der Nernst-Konzentrationszelle (7) so angeordnet, dass zwischen beiden ein Diffusionsspalt (6) von etwa 10 .. .50!-lm entsteht. Der Diffusionsspalt steht mit dem Abgas durch ein Gaszutrittsloch (10) in Verbindung; die porbse Diffusionsbarriere (ll) begrenzt dabei das NachflieBen der Sauerstoffmolekule aus dem Abgas. Die Nernst-Konzentrationszelle ist auf der einen Seite durch einen Referenzluftkanal (5) uber eine Offnung mit der umgebenden Atmosphare verbunden; auf der anderen Seite ist sie dem Abgas im Diffusionsspalt ausgesetzt.

Planare BrOltband·Lambda·Sonde (schematlscher Aufbau dor Mosszolle und Anordnung Im Abgasrohr)

-----i

Konzentratoonszelle

e

Sauerstoff· Plrmpzelle ml'

2

3

ｲ ｾ Ｍ

- - - -',

1

tnnerer und Du6erer Plrmpeiek'rode

9

I • I

L -I

porOse 5chutzscluch'

I ,4...

11 PGrOse Dlffus"",.·

bamere /p

1

1.\. 1 I

Pumpstrom

Up Pumpspannung

L _ _ _ _ _ ..I1

UH Hellspannung

Urw Referenzspannung (450 mY. entspricht l - 1) Us Sondenspannung

4- I

I - - - - - I

10 Gaszutnltsloch

9

8 7 6 5

Sensoren

Die Sonde liefert erst bei einer Betriebstemperatur von mindestens 600 ... 800 QC ein brauchbares Signal. Damit diese Betriebstemperatur schnell erreicht wird, ist die Sonde mit einem integrierten Heizer (3) versehen. Arbeitsweise Das Abgas gelangt durch das kleine Gaszutrittsloch der Pumpzelle in den eigentlichen Messraum (Diffusionsspalt) der Nernst-Konzentrationszelle. Damit die Luftzahl A im Diffusionsspalt eingestellt werden kann, vergleicht die Nernst-Konzentrationszelle das Gas im Diffusionsspalt mit der Umgebungsluft im Referenzluftkanal.

Planare Breitband·Lambda·Sonde LSU4

427

wird dagegen der Sauerstoff (durch katalytische Zersetzung von CO 2 und H 20 an der Abgaselektrode) aus dem Abgas der Umgebung in den Diffusionsspalt gepumpt (negativer Pumpstrom). Bei A = 1 muss kein Sauerstoff transportiert werden. Der Pumpstrom ist Null. Der Pumpstrom ist proportional der Sauerstoffkonzentration im Abgas und so ein (nicht lineares) MaB fUr die Luftzahl A (Bild 2).

ｂｲ･ｬｴ｢｡ｮ､Ｎｌｭｓｯ

Der gesamte Vorgang lauft auf folgende Weise ab: Durch Anlegen einer Pumpspannung Up an den Platinelektroden der Pumpzelle kann Sauerstoff aus dem Abgas im Diffusionsspalt hinein- oder herausgepumpt werden. Eine elektronische Schaltung im Steuergerat regelt diese an der Pumpzelle anliegende Spannung Up mithilfe der Nernst-Konzentrationszelle so, dass die Zusammensetzung des Gases im Diffusionsspalt konstant bei A = 1 liegt. Bei magerem Abgas pumpt die Pumpzelle den Sauerstoff nach auBen (positiver Pumpstrom). Bei fettem Abgas

F'umpstrom Jp einer Abhangigkell von der Lufllahl A des Abgases

ＭＲｾ

ｾ＠

0.7 1

__ｾ＠

2

__ｾ＠

3

ｾ＠

I

__ｾ＠

luftzahI "

Planare BreltbancHambda'Sonde LSU4 (Schncu)

Blld 3 Mosszelle (Kombc·

nation aus NemstKonzenlrslconszell und SauerSlo!f· F'umpzelle)

2

3

4

5

6

7

B

9

10

TT 11

12

>-

§ ;
-

ｾ＠

"::>:::E

2

Schle,ferleder

3 4

Wtderstandsplabne

Konlaktn,et

5 6

Lagersl,ft

7 6 9

Sehwimmerhebel

Doppelkonlakt Schwlmmer Boden des Ktalt· otoHbeh.l!lters

430

Diagnose

Uberwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose)

Diagnose Die Zunahme der Elektronik im Kraftfahrzeug, die Nutzung von Software zur Steuerung des Fahrzeugs und die erhohte Komplexitat moderner Einspritzsysteme stellen hohe Anforderungen an das Diagnosekonzept, die Oberwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) und die Werkstattdiagnose (Bild 1). Basis der Werkstattdiagnose ist die gefiihrte Fehlersuche, die verschiedene Moglichkeiten von Onboard- und Offboard-Priifmethoden und Priifgeraten verkniipft. Im Zuge der Verscharfung der Abgasgesetzgebung und der Forderung nach laufender Oberwachung hat auch der Gesetzgeber die On-Board-Diagnose als Hilfsmittel zur Abgasiiberwachung erkannt und eine herstellerunabhangige Standardisierung geschaffen. Dieses zusatzlich installierte System wird OBD-System (On Board Diagnostic System) genannt.

Oberwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) Obersicht Die im Steuergerat integrierte Diagnose gehort zum Grundumfang elektronischer Motorsteuerungssysteme_ Neben der Selbstpriifung des Steuergerats werden Ein- und Ausgangssignale sowie die Kommunikation der Steuergerate untereinander iiberwacht. Unter einer On-Board-Diagnose des elektronischen Systems ist die Fahigkeit des Steuergerats zu verstehen, sich auch mithilfe der "Software-Intelligenz" standig selbst zu iiberwachen, d. h. Fehler zu erkennen, abzuspeichern und diagnostisch auszuwerten. Die On-Board-Diagnose lauft ohne Zusatzgerate ab. Oberwachungsalgorithmen liberpriifen wahrend des Betriebs die Eingangs- und Ausgangssignale sowie das Gesamtsystem mit alien Funktionen auf Fehlverhalten und StOrungen_ Die dabei erkannten Fehler werden im Fehlerspeicher des Steuergerats abgespeichert. Die abgespeicherte Fehlerinformation kann liber eine serielle Schnittstelle ausgelesen werden.

Diagnosesyslem

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Steuerger.lte

Robert Bosch GmbH, Dieselmotor-Management © Robert Bosch GmbH and Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004

Diagnose

Oberwachung der Eingangssignale Die Sensoren, Steckverbinder und Verbindungsleitungen (Signalpfad) zum Steuergerat (Bild 2) werden anhand der ausgewerteten Eingangssignale iiberwacht. Mit diesen Oberpriifungen kiinnen neben Sensorfehlern auch Kurzschliisse zur Batteriespannung UBatt und zur Masse sowie Leitungsunterbrechungen festgestellt werden. Hierzu werden folgende Verfahren angewandt: • Oberwachung der Versorgungsspannung des Sensors (falls vorhanden). • Oberpriifung des erfassten Wertes auf den zuHissigen Wertebereich (z. B. 0,5 .. .4,5 V). • Bei Vorliegen von Zusatzinformationen wird eine Plausibilitatspriifung mit dem erfassten Wert durchgefiihrt (z. B. Vergleich Kurbelwellen- und Nockenwellendrehzahl). • Besonders wichtige Sensoren (z. B. Fahrpedalsensor) sind redundant ausgefiihrt. Ihre Signale kiinnen somit direkt miteinander verglichen werden.

Uberwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose)

Oberwachung der Ausgangssignale Die vom Steuergerat iiber Endstufen angesteuerten Aktoren (Bild 2) werden iiberwacht. Mit den Oberwachungsfunktionen werden neben Aktorfehlern auch Leitungsunterbrechungen und Kurzschliisse erkannt. Hierzu werden folgende Verfahren angewandt: • Oberwachung des Stromkreises eines Ausgangssignals durch die Endstufe. Der Stromkreis wird auf Kurzschliisse zur Batteriespannung UBatt , zur Masse und auf Unterbrechung iiberwacht. • Die Systemauswirkungen des Aktors werden direkt oder indirekt durch eine Funktions- oder Plausibilitatsiiberwachung erfasst. Die Aktoren des Systems, z. B. Abgasriickfiihrventil, DrosselkIappe oder DrallkIappe, werden indirekt iiber die Regelkreise (z. B. permanente Regelabweichung) und teilweise zusatzlich iiber Lagesensoren (z. B. die Stellung der Turbinengeometrie beim Turbolader) iiberwacht.

Systemblld eines elektronlschen Systems (Beispiel Common Rail'

Sensoren und SoIlwertgeber

Steuergeriit

Fahrpedalsensor mit l.eergasschaJter unci Kickdown-Schalter

Sensorauswertung

Drehzahlsensoren (Kurbelwelle, Noc:kenwelle)

Signalverarbeitung

Drucksensoren

Injekloren

RaiI·Drud

Abslellvenl,l ELA8 (besl,oml)

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Werkslatt·Technik

Grundein tellung Zuerst muss fiir die Verteilereinspritzpumpe die Grundeinstellung vorgenommen wer· den. Hierzu werden die folgenden Messungen bei einem definierten Betriebspunkt durchgefUhrt. Vorhubeinstellung Bei dies em Vorgang wird der Hub des Verteilerkolbens vom unteren Totpunkt UT bis zum Fbrderbeginn gepriift. Hierzu muss die Pumpe an den Kraftstoffzulauf des Priifstands angeschlossen sein. Aus der Zentralverschlussschraube wird die SechskantSchraube herausgedreht und eine Messvorrichtung mit Ablaufrohr und Messuhr eingeschraubt (Bild 1, Pos. O. Die Messuhr sitzt iiber einem MessfuB auf dem Verteilerkolben auf und misst dessen Hubbewegung. Der Pumpenantrieb (4) wird nun so lange von Hand verdreht, bis die Messuhr keine Bewegung mehr anzeigt. Der Verteilerkolben befindet sich nun im unteren Totpunkt UT. Durch den Zulaufdruck von ungefahr 0,5 bar tlieBt Priifbl in den Hochdruckraum hinter dem Verteilerkolben (5). Das Elektrische Abstellventil ELAB (9) wird bei dies em Priifschritt bestromt, es ist somit offen. Das Priifbl tlieBt deshalb aus dem Hochdruckraum heraus in die Messvorrichtung und tritt als Strahl aus dem Ablaufrohr aus. Der Pumpenantrieb wird nun von Hand in Laufrichtung der Pumpe gedreht. Wenn die Zulaufbohrung im Hochdruckraum geschlossen wird, tlieBt kein Priifbl mehr in den Hochdruckraum. Das dort verbliebene Priifbl tropft jetzt nur noch aus dem Ablaufrohr heraus. Dieser Punkt des Verteilerkolbens ist der Fbrderbeginn. An der Messuhr wird der Hubweg zwischen unterem Totpunkt UT und Fbrderbeginn abgelesen und mit dem Sollwert verglichen. Liegt der Messwert auBerhalb der Toleranz, muss die Pumpe zerlegt und die Kolbenhubscheibe, die zwischen Hubscheibe und Verteilerkolben sitzt, ausgewechselt werden.

PrUfung van kantengesteuerten Verteilereinspritzpumpen

Porderpumpendruck Der Fbrderpumpendruck bzw. der Pumpeninnenraumdruck hat Eintluss auf den Spritzversteller und muss deshalb iiberpriift werden. Die Dberstrbmdrossel (7) wird herausgeschraubt und an deren Stelle ein Adapter mit Anschluss fUr ein Manometer eingesetzt (8). In eine Einschraubvorrichtung im Adapter wird nun die Dberstrbmdrossel wieder eingesetzt. Somit kann der Pumpeninnenraumdruck vor der Drossel gemessen werden. In das Drucksteuerventil ist ein Stopfen eingepresst, der die Vorspannung der Druckfeder des Drucksteuerventils bestimmt und damit den Pumpeninnenraumdruck festlegt. Der Stopfen wird nun so weit in das Ventil eingepresst, bis der abgelesene Druckwert mit dem vorgegebenen Priifwert iibereinstimmt. Spritzverstellerweg Der Verschlussdeckel am Spritzversteller wird entfernt, urn eine SpritzverstellerwegMessvorrichtung mit Nonius-Skala (3) anschlieBen zu kbnnen. Auf dieser Skala kann der drehzahlabhangige Spritzverstellerweg abgelesen und mit den Sollwerten verglichen werden. Stimmt der gemessene Spritzverstellerweg nicht mit dem Sollwert iiberein, muss mit Einstellscheiben unter der Spritzverstellerfeder deren Federvorspannung korrigiert werden. Mengen-Grundeinstellung Bei konstanten Drehzahlen wird die Fbrdermenge der Einspritzpumpe fiir die Betriebspunkte • Leerlauf, • Volllast, • Endabregelung und • Start gemessen.

Die Mengenmessung erfolgt mit dem MGToder KMA-Aufsatz des EinspritzpumpenPriifstands (siehe Abschnitt "Einspritzpumpen -Priifstande"). Zuerst wird die im Pumpendeckel sitzende Volllastabregelschraube so angepasst,

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Werkslatt-Technik

PrUfung von kantengesteuerten Verteiiereinspritzpumpen

dass bei Endanschlag des Verstellhebels und definierter Drehzahl die richtige Volllastmenge gefordert wird_ Die Endabregelschraube muss hierbei zuriickgedreht werden, sodass dieser Anschlag keine Mengenbegrenzung verursachtlm nachsten Priifschritt wird bei Leerlaufanschlag des Verstellhebels die Fordermenge gemessen_ Die Leerlaufanschlagschraube muss gegebenenfalls so verstellt werden, dass die gemessene Fordermenge dem Sollwert entsprichtDie Einstellung der Volllastabregelschraube wird bei einer hohen Drehzahl vorgenommen. Die gemessene Fordermenge muss dem vorgegebenen Sollwert fur die Volllastmenge entsprechen. Bei der Priifung der Endabregelung wird die Drehzahlbegrenzung kontrolliert. Der Regler muss ab einer vorgegebenen Drehzahl die Einspritzmenge zunachst reduzieren und schlieBlich bis aufNull abregeln. Die Abregeldrehzahl wird mit der Endabregelschraube eingestellt. Fiir die Start-Fordermenge gibt es keine einfache Eingriffsmoglichkeit- Sie wird bei 100 min- 1 und Verstellhebel am Volllastabregelung-Anschlag gemessen. Die gemessene Fordermenge darf die durch einen Sollwert vorgegebene Menge nicht unterschreiten, da sonst kein sicherer Motorstart moglich ist. Oberprlifung Nachdem die Grundeinstellung vorgenommen ist, kann die Pumpe bei verschiedenen Betriebspunkten iiberpriift werden. Wie bei der Grundeinstellung werden • Forderpumpendruck, • Spritzverstellerweg und • Fordermenge (Fordermengenverlauf) gemessen. Bei der Oberpriifung werden mehrere Betriebspunkte angefahren. Zusatzlich kommt noch ein weiterer Priifschritt hinzu. Oberlaufmenge Die Fliigelzellen-Forderpumpe fordert mehr

Kraftstoff, als von den Einspritzdiisen abgespritzt werden kann. Das liberschiissige Priifol muss iiber die Oberstromdrossel zuriick zum Priifolbehalter gefuhrt werden. Diese Oberlaufmenge wird bei diesem Priifschritt gemessen. Zu diesem Zweck wird an die Oberstromdrossel ein Schlauch angeschlossen und in ein Messglas des MGTAufsatzes oder - je nach Messverfahren - an einen speziellen Anschluss am KMA-Aufsatz gefuhrt. Die innerhalb der Messdauer von 10 Sekunden anfallende Oberlaufmenge wird hochgerechnet auf Liter pro Stunde. Stimmen die gemessenen Werte nicht mit den Sollwerten iiberein, deutet dies aufVerschleiB der Fliigelzellen-Forderpumpe, ein falsches Oberstromventil oder eine innere Undichtheit hin. Dynamische Messung des Forderbeginns

Mit dem Dieselmotortester (z. B. Bosch ETD019.00) lasst sich die eingebaute Verteilereinspritzpumpe exakt zum Motor einstellen. Dieses Gerat misst Forderbeginn, Spritzverstellung und zugehorige Motordrehzahl, ohne dass hierzu die Hochdruckleitungen geoffnet werden miissen. Prlifung mit Piezo en or und troboskoplampe Ein Piezosensor (Bild 2, Pos. 4) wird auf die Hochdruckleitung des Einstellzylinders geklemmt. Wichtig dabei ist, dass der Sensor auf ein gerades Stiick Leitung und nicht an einer Kriimmung angebracht wird, dass er so nah wie moglich an der Einspritzpumpe sitzt und dass die Leitung sauber istBeim Forderbeginn entstehen in den Einspritzleitungen Pulsationen. Im Piezosensor entsteht dadurch ein elektrisches Signal. Mit diesem Signal werden die Lichtimpulse einer Stroboskoplampe (5) gesteuert. Mit der Stroboskoplampe wird nun das Schwungrad des Motors angeblitzt. Jedes mal, wenn der Einstellzylinder fordert, wird ein Lichtblitz erzeugt und macht die OT-Marke auf dem Schwungrad zum Zeitpunkt des Forderbeginns sichtbar. Dadurch, dass die Lichtblitze

Werkstalt-Technik

immer nur beim Forderbeginn des Einstellzylinders ausgelost werden, entsteht ein stehendes Bild. Auf der am Schwungrad oder am Kurbelwellenrad angebrachten Winkelmarkierung (6) ist nun der Forderbeginnwinkel bezogen auf die OT-Marke sichtbar. Am Dieselmotortester ist auBerdem auch noch die Motordrehzahl ablesbar. Einstellen des Forderbeginns

Weichen die gemessenen Werte fur den Forderbeginn von den Prufwerten ab, muss die Zuordnung der Einspritzpumpe zum Motor neu eingestellt werden. Fur diese Einstellarbeit muss der Motor abgestellt werden. Die Kurbelwelle wird so weit gedreht, dass sich der Einstellzylinder in der Forderbeginn-Stellung befindet. An der Kurbelwelle ist hierfur eine Markierung angebracht, die nun mit der Markierung am Kupplungsgehause fluchtet. Nun wird die Sechskantschraube in der Zentralverschlussschraube herausgedreht. In die Offnung wird - wie bei der Grundeinstellung auf dem Prufstand - eine Messvorrichtung mit Messuhr eingesetzt, mit der die Bewegung des Verteilerkolbens wahrend des Drehens des Motors beobachtet werden kann. Wenn der Motor entgegen der Laufrichtung ge-

PrOlung van kantengesteuerten Verteilereinspritzpumpen

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dreht wird (bei einigen Motoren muss in Laufrichtung weitergedreht werden), bewegt sich der Verteilerkolben in der Pumpe zuruck. Sobald der Zeiger der Messuhr sich nicht weiterbewegt, darf der Motor nicht mehr gedreht werden. Der Verteilerkolben hat jetzt den unteren Totpunkt erreicht. Jetzt wird die Messuhr auf Null gesetzt. AnschlieBend wird der Motor in Laufrichtung bis zur OT-Marke gedreht. Die Messuhr zeigt nun den Weg an, den der Verteilerkolben von seinem unteren Totpunkt bis zur OT-Marke des Einstellzylinders zuruckgelegt hat. Dieses MaB ist im Datenblatt der Einspritzpumpe genau festgelegt und muss eingehalten werden. Stimmt der von der Messuhr angezeigte Wert nicht mit dieser Sollvorgabe uberein, muss die Befestigungsschraube am Pumpenflansch gelOst, das Pumpengehause gedreht und die Messung wiederholt werden. Bei dieser Messung darf der Kaltstartbeschleuniger nicht betatigt sem. Messung der Leerlaufdrehzahl

Die LeerIaufdrehzahl wird beim betriebswarmen, unbelasteten Motor mit einem Motortester gemessen. Der vorgegebene Sollwert kann mit der Leerlaufanschlagschraube eingestellt werden.

PtO/ung des Farderbeginns mit Piezosensor und Stroboskoplampe

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1 Batterie

2 Ol8selteste' 3 Verteilereinspritz·

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pumpe 4 Piezosensor 5 Stroboskoplampe 6 Winkelmarkierung und OT·Ma,ke

Werkstatt·Technik

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Diisenpriifung

Dusenprufung HlJnde weg vom DusenSI,ahl!

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Ge/ah, .on Blulvergiltung!

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