Moderne Diesel-Einspritzsysteme: Common Rail und Einzelzylindersysteme (Reihe: Bosch Fachinformation Automobil) [2010 ed.] 3834813125, 9783834813121

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Konrad Reif (Hrsg.)

Moderne DieselEinspritzsysteme Common Rail und Einzelzylindersysteme Mit 133 Abbildungen Bosch Fachinformation Automobil

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TEUBNER

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothe k Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikat ion in der Deutsch en Natlc nalblblio graüe; deta illierte bib liografische Daten sind im Internet über abrufbar.

Der Inhalt dieses Buches erschien bisher unter den Titeln : Diesel-Speiche rein spri tzsystem Common Rail Diesel-Einspritzsys teme Unit Injector System und Unit Pump System herausgegeben von der Robert Bosch GmbH, Plochingen

1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg +Teubner Verlag I Springer Fachmed ien Wiesbaden Gmb H 2010 Lektorat : Outstran Kannenberg

I Elisabeth l ange

Vieweg +Teubner Verlag ist eine Mar ke von Springer Fachmedien. Springer Fachmed ien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Selence-Business Media. www.viewegteubner.d e Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrec htli ch geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgese tzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und stra fbar. Das gilt insbesondere für Vervielfält igungen, Ubersetzungen, Mikroverf ilmungen und d ie Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen . Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen. Handelsname n. Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berec htigt auch ohne besond ere Kennzeichnung nic ht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der warenreichen- und Markenschu tz-Gesetzgebung als fre i zu betrachten wären und daher von je derma nn benut zt werden dür ften . Umschlagges tal tung : KünkelLopka Medienentw ick lung, Heide lberg Tec hnische Redaktion : Gabriele McLemore Satz: FROMM MediaDesign, s erters/ r s. Druck und buchbindensehe Verarbeitung: Merce desDruck , Berlin Gedruc kt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier, Printed in Germany ISBN 978-3-8348-1312-1

Vorwort

Vorwort Die Technik im Kraftfahrzeug hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Der Einzelne, der beruflich mit dem Thema beschäftigt ist, muss immer mehr tun, um mit diesen Neuerungen Schritt zu halten. Mittlerweile spielen viele neue Themen der Wissenschaft und Technik in Kraftfahrzeugen eine große Rolle. Dies sind nicht nur neue Themen aus der klassischen Fahrzeug- und Motorentechnik, sondern auch aus der Elektronik und aus der Informationstechnik. Diese Themen sind zwar für sich in unterschiedlichen Publikationen gedruckt oder im Internet dokumentiert, also prinzipiell für jeden verfügbar; jedoch ist für jemanden, der sich neu in ein Thema einarbeiten will, die Fülle der Literatur häufig weder überblickbar noch in der dafür verfügbaren Zeit lesbar. Aufgrund der verschiedenen beruflichen Tätigkeiten in der Automobil- und Zulieferindustrie sind zudem unterschiedlich tiefe Ausführungen gefragt. Gerade heute ist es so wichtig wie früher: Wer die Entwicklung mit gestalten will, muss sich mit den grundlegenden wichtigen Themen gut auskennen. Hierbei sind nicht nur die Hochschulen mit den Studienangeboten und die Arbeitgeber mit Weiterbildungsmaßnahmen in der Pflicht. Der rasche Technologiewechsel zwingt zum lebenslangen Lernen, auch in Form des Selbststudiums. Hier setzt die Schriftenreihe .Bosch Fachinformation Automobil" an. Sie bietet eine umfassende und einheitliche Darstellung wichtiger Themen aus der Kraftfahrzeugtechnik in kompakter, verständlicher und praxisrelevanter Form. Dies ist dadurch möglich, dass die Inhalte von Fachleuten verfasst wurden, die in den Entwicklungsabteilungen von Bosch an genau den dargestellten Themen arbeiten. Die Schriftenreihe ist so gestaltet, dass sich auch ein Leser zurechtfindet, für den das Thema neu ist. Die Kapitel sind in einer Zeit lesbar, die auch ein sehr beschäftigter Arbeitnehmer dafür aufbringen kann. Die Basis der Reihe sind die fünf bewährten, gebundenen Fachbücher. Sie ermöglichen einen umfassenden Einblick in das jeweilige Themengebiet. Anwendungsbezogene Darstellungen, anschauliche und aufwendig gestaltete Bilder ermöglichen den leichten Einstieg. Für den Bedarf an inhaltlich enger zugeschnittenen Themenbereichen bietet die siebenbändige broschierte Reihe das richtige Angebot. Mit deutlich reduziertem Umfang, aber gleicher detaillierter Darstellung, ist das Hintergrundwissen zu konkreten AufgabensteIlungen professionell erklärt. Die schnelle Bereitstellung zielgerichteter Information zu thematisch abgegrenzten Wissensgebieten sind das Kennzeichen der 92 Einzelkapitel, die als pdf-Download zur sofortigen Nutzung bereitstehen. Eine individuelle Auswahl ermöglicht die Zusammenstellung nach eigenem Bedarf. Im Laufe der Neukonzeption dieser Schriftenreihe ist es nicht möglich, alle Produkte gleichzeitig inhaltlich neu zu bearbeiten. Dies geschieht demnach Zug um Zug. Der vorliegende Band "Moderne Diesel-Einspritzsysteme" behandelt die Einspritzsysteme .Common Rail' und .Untt Pump System" (Pumpe-Düse) und .Untt Injector System" (PumpeLeitung-Düse) einschließlich Kraftstoffversorgung, Hochdruckkomponenten und -verbindungen, Einspritzdüsen, Regelung und Diagnose. Er setzt sich aus den früheren gelben Heften "DieselSpeichereinspritzsystem Gommon Rail" und .Diesel-Einspritzeysteme Unit Injector System und Unit Pump System" in der bisherigen Form zusammen. Eine inhaltliche Neubearbeitung wird folgen. Neu erstellt wurde das Stichwortverzeichnis, um die Inhalte dieses Buchs rasch zu erschließen. Friedrichshafen, im Juni 201 0

Konrad Reif

I 5

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis Systemübersicht Common Rail Anwendungsgebiete . Aufbau

10 11

Arbeitsweise. Gommon Rail System für Pkw. Gommon Rail System für Nkw .

12 16 21

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil Übersicht. Kraftstoffpumpe .

26

Kraftstofffilter .

30

24

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems Übersicht. Injektor. Hochdruckpumpen . Rail (Hochdruckspeicher) . Hochdrucksensoren . Druckregelventil . Druckbegrenzungsventil .

32 34 45 54 55 56

57

Einspritzdüsen Lochdüsen . Weiterentwicklung der Düse.

60 64

Hochdruckverbindungen Hochdruckanschlüsse . Hochdruck-Kraftstoffleitungen .

66 67

Elektronische Dieselregelung EDC für Common Rail System übersicht. Gommon Rail System für Pkw.

70 72

Gommon Rail System für Nkw . Datenverarbeitung Regelung der Einspritzung. Lambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren

73 74 76 84

Momentengeführte EDG-Systeme . Datenaustausch mit anderen Systemen.

89

Serielle Datenübertragung mit GAN .

93

92

Diagnose Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) . On Board Diagnostic System für Pkw und leichte Nkw . Diagnose in der Werkstatt. Diagnosefunktionen .

94 97

98 100

Diesel-Einspritzsysteme im Überblick Bauarten. Diesel-Einspritzsysteme im Überblick.

102

107

I 7

8

I Inhaltsverzeichnis

System übersieht der Einzelzylinder-Systeme Einzeleinspritzpumpen PF . Unit Injector System UIS und Unit Pump System UPS. Systembild UIS für Pkw. Systembild UIS/UPS für Nkw .

108 110 112 114

Unit Injector System UIS

Einbau und Antrieb. Aufbau Arbeitsweise des U I für Pkw. Arbeitsweise des U I für Nkw . Hochdruckmagnetventil . Diesel-Einspritz-Geschichte .

116 117 120 123 125 127

Unit Pump System UPS

Einbau und Antrieb. Aufbau Strom geregelte Einspritzverlaufsformung CCRS . Dimensionen der Diesel-Einspritztechnik .

128 128 130 131

Kraftstoffsystem (Niederdruck) Übersicht. Tankeinbaueinheit . Kraftstoffpumpe . Kraftstoffrücklauf . Kraftstoffverteilung . Weitere Komponenten. Filtrationseffekte .

132 133 134 136 137 137 139

Elektronische Dieselregelung EDC für Unit Injector System Systemübersicht . Unit Injector System UIS für Pkw . Unit Injector System UIS und Unit Pump System U PS für Nkw Regelung der Einspritzung. Prinzipieller Ablauf der Elektronischen Dieselregelung . Momentengeführte EDC-Systeme . Zylindererkennung Lambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren

140 142 143 144 152 153 156 158

Abgasemissionen Entstehung von Schadstoffen. Innermotorische Emissionsminderung

162 164

Abkürzungen. Sachwortverzeichnis

168 170

Autorenverzeichnis

Autorenverzeichnis Diesel -Speichereinspritzsystem Common Rail

Diesel-Einspritzsysteme Unit InjectorSystem und Unit Pump System

Autoren Dipl.-Ing. Felix Landhäußer, Dr.-Ing. Ulrich Projahn, Dipl.-Inform. Michael Heinzelmann,

Autoren und Mitwirkende Dipl-Ing. (H U) Carlos Alvarez-Avila, Dipl.-Ing. Guilherme Bittencourt, Dr. rer. nat. Carlos Blasco Remacha, Dr.-Ing. Günter Driedger, Dipl.-Ing. Stefan Eymann, Dipl.-Ing. Alessandro Fauda, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Matthias Hickl, Dipl.-Ing. (FH) Andreas Hirt, Dipl.-Ing. (FH) Guido Kampa, Dipl.-Betriebsw. Meike Keller, Dr. rer nat. Walter Lehle, Dipl.-Ing. Rainer Merkle, Dipl.-Ing. Roger Potschin, Dr.-Ing. Ulrich Projahn, Dr. rer. nat. Andreas Rebmann, Dipl.-Ing. Walter Reinisch, Dipl.-Ing. Nestor Rodriguez-Amaya, Dipl.-Ing. Friedemann Weber, Dipl.-Ing. (FH) Willi Weippert, Dipl.-Ing. Ralf Wurm

Dr.-Ing. RalfWirth (Common Rail System),

Ing. grad. Peter Schelhas, Dipl.-Ing. Klaus Ortner (Kraftstoffpumpen),

Dr.-Ing. Juan Luis Hemandez Carabias (Kraftstofffilter) , Dipl.-Ing. Sandro Soccol, Dirk Dörhöfer (Hochdruckpumpen), Ing. Herbert Strahberger, Ing. Helmut Sattmann (Rail und Anbau-

komponenten),

Dipl.-Ing. Thilo Klam, Dipl.-Ing. (FH) Andreas Rettich, Dr. tecbn. David Holzer,

Dipl.-Ing. (FH) Andreas Koch (MagnetventilInjektoren), Dr.-Ing. Patrick Mattes (Piezo-Inline-Injektor),

Dipl.-Ing. Thomas Kügler (Einspritzdüsen), Dipl.-Ing. (FH) Mikel Lorente Susaeta, Dipl.-Ing. Martin Grosser, Dr.-Ing.Andreas Michalske (Elektronische Dieselregelung), Dr.-Ing. Günter Driedger, Dr. rer. nat. Walter Lehle, Dipl.-Ing. Wolfgang Schauer, Rainer Heinzmann (Diagnose)

Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH, Stuttgart.

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10

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..emübe /'$icht Common fI. i1

I

Anwer.dungsgebiete

Systemübersicht Common Rail ｬＧｲ ｵ ｮｾｷ ｮ a n d j(' Ein s pril zsys II il' ａｊｬ ｦｯｲ､ teme d l' S lli t' S('lmol o n; s ll' i,!;t' Jl s lä ndi,!;, lI ü h t' f l' In-ür-ke, sch 1ll' lIt' rt , ｓｩＺｾ ｨ｡ ｬｴ ｺ ｴ Ｇ ｩ ten u nd t' illl'lll'xih lt, Anpa ssu ng d t' s Einspritnt'rla u fs an rk-n Ilt' lrj(>h s zu sl a nd d es Moto r s ma d w n den ll it' S(' lm o lUr s parsam, sa uber u nd It'i s tung sslark. So hahcn Uit' S(' l molo rt'n au ch den Ein zu g in die' a u to nlOh ilt' o lw rkla sS(' ,!;I' f u ndt' n .

Eim' s d it'S1'r h o ch r-ntwiek elteu Eins pr itzsysremc is l d a s Spl'id lt' re inspritzsyslt' m t.ommon RaH (CH). lk r Itauptvor u-ü des Co m mo n Rail Sys tems h,' g t in den groß en Variauonsmögltchkciten hl'i der Gt's ta ltung rh-s Einspruzdr uck s und d, 'r Ein sprttzzenpunk te. lries wird durch di" Er nkoppl ung vo n nru ekcr zeug ung (Ho ch druck p umpe) und Ein s p rilw l1 g (lnj ek -

Anwendungsgebiete Da s Speu-hereinsp ruz sys tem Co m mo n Ra il fü r Motor.. n m il ll i" S1'!-lJirt 'klt' in s p r itz u n g(Direetlnjection, Ill) wird in folgr-nden Pahr zr-ugr-n Ｂ ｩ ｮｧ Ｂ ｓＱｾ ｴｺ ｴＬ ｾ pkw mit sehr spa r sa nu'n Drei zylmdet- . Mo tort'n vo n n,1I/ Hubra um, :l tl k W (4 1 PS) 1.l'i s lUng, J(Hl Nm Drehmomen t und e tm-m Kraft sroffw-r br auch von :i, 5 1/ 1(Hl k m h is h in z u Ad llzylintl l' rMo toren in Oberklassefa hr zeu gen mit "'I. 4 r Hubra u m , 1110 k W (245 1'S) I.t'i stll ng und sso Nm l)r.,)1I110 n1"ll1. ｾ l.eichte Nkw muLets tungcn bis xn kW/ Zyli ntl, 'r sowie ｾ schwere Nk w his hin zu Lo ko mo tiven und Schiffen mit I.d stul1g.. n bis ca . 2 0 0 k Wj Zyli nlk r.

tor ..n ) r-rn-ichr . Als ln-uck spcir-lu-r di " nt da lw i d as Rail.

Spe"' he, ,,,nsp ' il.zsySrem Cemmon Rail an ein em ｆｃｩｮｦｺｹ

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Systemübersicht Common Rail

Das Common Rail System bietet eine hohe Flexibilität zur Anpassung der Einspritzung an den Motor. Das wird erreicht durch: li>- Hohen Einspritzdruck bis ca. 1800 bar, zukünftig bis 2000 bar. li>- An den Betriebszustand angepassten Einspritzdruck (200...1800 bar). li>- Variablen Einspritzbeginn. li>- Möglichkeit mehrerer Vor- und Nacheinspritzungen (selbst sehr späte Nacheinspritzungen sind möglich). Damit leistet das Common Rail System einen Beitrag zur Erhöhung der spezifischen Leistung, zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs sowie zur Verringerung der Geräuschemission und des Schadstoffausstoßes von Dieselmotoren. Common Rail ist heute für moderne schnell laufende Pkw-DI-Motoren das am häufigsten eingesetzte Einspritzsystem.

I

Aufbau

I

Aufbau Das Common Rail System besteht aus folgenden Hauptgruppen (Bilder 1 und 2): li>- Niederdruckteil mit den Komponenten der Kraftstoffversorgung, li>- Hochdruckteil mit den Komponenten Hochdruckpumpe, Rail, Injektoren und Hochdruck- Kraftstoffleitungen, li>- Elektronische Dieselregelung (EDC) mit den Systemblöcken Sensoren, Steuergerät und Stellglieder (Aktoren). Kernbestandteile des Common Rail Systems sind die Injektoren. Sie enthalten ein schnell schaltendes Ventil (Magnetventil oder Piezosteller), über das die Einspritzdüse geöffnet und geschlossen wird So kann der Einspritzvorgang für jeden Zylinder einzeln gesteuert werden.

Systembereiche einer Motors teue rung mit Common Rail Einspritzsystem

Elektronische Dieselrege lung EDC: Motorsteuerung, Sensoren, Schnittstellen

1i

1 Luft- und Abgassysteme

Kraftstoffversorgung (Niederdruckteil)

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. Hochdrucktei l

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Hochdruckpumpe

2

Rail

3

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11

12

I

Systemübersicht Common Rail

I

Arbei tsweise

Die Injektoren sind gemeinsam am Rail angeschlossen. Daher leitet sich der Name "Common Rail" (englisch für "gemeinsame Schiene/Rohr") ab. Kennzeichnend für das Common Rail System ist, dass der Systemdruck abhängig vom Betriebspunkt des Motors eingestellt werden kann. Die Einstellung des Drucks erfolgt über das Druckregelventil oder über die Zumesseinheit (Bild 3).

Arbeitsweise Beim Speichereinspritzsystem Common Rail sind Druckerzeugung und Einspritzung entkoppelt. Der Einspritzdruck wird unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt. Die Elektronische Dieselregelung (EDC) steuert die einzelnen Komponenten an. Druckerzeugung

Der modulare Aufbau des Common Rail Systems erleichtert die Anpassung an die verschiedenen Motoren.

Bild 3 Hochd ruckseitige Druck regelung mit Druckregelventil für

Beis piele für d ie Hochd ruc kregelung von Common Rail Systemen

Pkw-Anwendung b

Saugseitige Druckregelung mit an der Hochdruckpumpe angeflanschter

Die Entkopplung von Druckerzeugung und Einspritzung geschieht mithilfe eines Speichervolumens. Der unter Druck stehende Kraftstoff steht im Speichervolumen des "Common Rail" für die Einspritzung bereit. Eine vom Motor angetriebene, kontinuierlich arbeitende Hochdruckpumpe baut den gewünschten Einspritzdruck auf. Sie erhält den Druck im Rail weitgehend unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge aufrecht. Wegen der nahezu gleichförmigen Förderung kann die Hochdruckpumpe deutlich kleiner und mit geringerem Spitzenantriebsmoment ausgelegt sein als bei konventionellen Einspritzsystemen. Das hat auch eine deutliche Entlastung des Pumpenantriebes zur Folge.

Zumesseinheit

Die Hochdruckpumpe ist als Radialkolbenpumpe, bei Nkw teilweise auch als Reihenpumpe ausgeführt.

(f ür Pkw und Nkw) Saugseitige Druckregelung mit Zumesseinheit und zusätzliche Regelung mit

Druckregelung

Druckregelventi I

Je nach System kommen unterschiedliche Verfahren der Druckregelung zur Anwendung.

(f ür Pkw)

1 Hochdruckpumpe

2 Kraftstoffzulauf 3 Kraftstoff rüc klauf 4 Druckregelventil 5 Rail

6 Raildrucksensor 7 Anschluss Injektor 8 Anschluss Kraft-

stottrücklaut Druckbegrenzungsventil

10 Zumesseinheit

11 Druckregelventi I

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Hochdruckseitige Regelung Bei Pkw-Systemen wird der gewünschte Raildruck über ein Druckregelventil hochdruckseitig geregelt (Bild 3a, Pos. 4). Nicht für die Einspritzung benötigter Kraftstoff fließt über das Druckregelventil in den Niederdruckkreis zurück. Diese Regelung ermöglicht eine schnelle Anpassung des Raildrucks bei Änderung des Betriebspunkts (z. B. bei Lastwechsel).

Systemübersicht Common Rail

Die hochdruckseitige Regelung wurde bei den ersten Common Rail Systemen angewandt. Das Druckregelventil ist vorzugsweise am Rail, bei einzelnen Anwendungen direkt an der Hochdruckpumpe angebaut.

proportional zur Einschaltzeit des Schaltventils und damit unabhängig von der Motor- bzw. Pumpendrehzahl (zeitgesteuerte Einspritzung).

Saugseitige Mengenregelung Eine weitere Möglichkeit, den Raildruck zu regeln, besteht in der saugseitigen Mengenregelung (Bild 3b). Die an der Hochdruckpumpe angeflanschte Zumesseinheit (10) sorgt dafür, dass die Pumpe exakt die Kraftstoffmenge in das Rail fördert, mit welcher der vom System geforderte Einspritzdruck aufrechterhalten wird. Ein Druckbegrenzungsventil (9) verhindert im Fehlerfall einen unzulässig hohen Anstieg des Raildrucks. Mit der saugseitigen Mengenregelung ist die auf Hochdruck verdichtete Kraftstoffmenge und somit auch die Leistungsaufnahme der Pumpe geringer. Das wirkt sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch aus. Außerdem wird die Temperatur des in den Kraftstoffbehälter rücklaufenden Kraftstoffs gegenüber der hochdruckseitigen Regelung reduziert.

Die Trennung der Funktionen Druckerzeugung und Einspritzung eröffnet gegenüber konventionellen Einspritzsystemen einen weiteren Freiheitsgrad bei der Verbrennungsentwicklung: der Einspritzdruck kann im Kennfeld weitgehend frei gewählt werden. Der maximale Einspritzdruck beträgt derzeit 1800 bar. Das Common RaHSystem ermöglicht mit Voreinspritzungen bzw. Mehrfacheinspritzungen eine weitere Absenkung von Abgasemissionen und reduziert deutlich das Verbrennungsgeräusch. Mit mehrmaligem Ansteuern des äußerst schnellen Schaltventils lassen sich Mehrfacheinspritzungen mit bis zu fünf Einspritzungen pro Einspritzzyklus erzeugen. Die Düsennadel schließt mit hydraulischer Unterstützung und sichert so ein rasches Spritzende.

Hydraulisches Leistungspotenzial

Zweistellersystem Das Zweistellersystem (Bild 3c) mit der saugseitigen Druckregelung über die Zumesseinheit und der hochdruckseitigen Regelung über das Druckregelventil kombiniert die Vorteile von hochdruckseitiger Regelung und saugseitiger Mengenregelung (s. Abschnitt "Common Rail System für Pkw"). Einspritzung

Die Injektoren spritzen den Kraftstoff direkt in den Brennraum des Motors ein. Sie werden über kurze Hochdruck-Kraftstoffleitungen aus dem Rail versorgt. Das Motorsteuergerät steuert das im Injektor integrierte Schaltventil an, das die Einspritzdüse öffnet und wieder schließt. Öffnungsdauer des Injektors und Systemdruck bestimmen die eingebrachte Kraftstoffmenge. Sie ist bei konstantem Druck

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Arbei tsweise

I

13

14

I

Systemübersicht Common Rail

I

Arbei tsweise

Steuerung und Regelung

Arbeitsweise Das Motorsteuergerät erfasst mithilfe der Sensoren die Fahrpedalstellung und den aktuellen Betriebszustand von Motor und Fahrzeug (siehe auch Kapitel "Elektronische Dieselregelung"). Dazu gehören unter anderem: .. Kurbelwellendrehzahl und -winkel, li>- Raildruck, li>- Ladedruck, .. Ansaugluft-, Kühlmittel- und Kraftstofftemperatur, li>- angesaugte Luftmasse, .. Fahrgeschwindigkeit usw. Das Steuergerät wertet die Eingangssignale aus und berechnet verbrennungssynchron die Ansteuersignale für das Druckregelventil oder die Zumesseinheit, die Injektoren und die übrigen Stellglieder (z.B. Abgasrückführventil, Steller des Turboladers). Die erforderlichen kurzen Schaltzeiten für die Injektoren lassen sich mit den optimierten Hochdruckschaltventilen und einer speziellen Ansteuerung erreichen. Das Winkel-Zeit-System gleicht den Einspritzzeitpunkt mit den Daten des Kurbelund Nockenwellensensors an den Motorzustand an (Zeitsteuerung). Die Elektronische Dieselregelung (EDC)erlaubt es, die Einspritzmenge exakt zu dosieren. Außerdem bietet die EDCdas Potenzial fürweitere Zusatzfunktionen, die das Fahrverhalten verbessern und den Komfort erhöhen. Grundfunktionen Die Grundfunktionen steuern die Einspritzung von Dieselkraftstoff zum richtigen Zeitpunkt, in der richtigen Menge und mit dem vorgegebenen Druck. Sie sichern damit einen verbrauchsgünstigen und ruhigen Lauf des Dieselmotors.

Korrekturfunktionen für die Einspritzberechnung Um Toleranzen von Einspritzsystem und Motor auszugleichen, stehen eine Reihe von Korrekturfunktionen zur Verfügung (s. Kapitel "Elektronische Dieselregelung"): li>- Injektonnengenabgleich, li>- Nullmengenkalibrierung, li>- Mengenausgleichsregelung, li>- Mengenmittelwertadaption. Zusatzfunktionen Zusätzliche Steuer- und Regelfunktionen dienen einer Reduzierung der Abgasemissionen und des Kraftstoffverbrauchs oder erhöhen die Sicherheit und den Komfort. Beispiele dafür sind: li>- Regelung der Abgasrückführung, li>- Ladedruckregelung, li>- Fahrgeschwindigkeitsregelung, li>- elektronische Wegfahrsperre usw. Die Integration der EDCin ein FahrzeugGesamtsystem eröffnet ebenfalls eine Reihe neuer Möglichkeiten, z. B. Datenaustausch mit der Getriebesteuerung oder der Klimaregelung. Eine Diagnoseschnittstelle erlaubt die Auswertung der gespeicherten Systemdaten bei der Fahrzeuginspektion. Steuergerätekonfiguration

Da das Motorsteuergerät in der Regel nur bis zu acht Endstufen für die Injektoren besitzt, werden für Motoren mit mehr als acht Zylindern zwei Motorsteuergeräte eingesetzt. Sie sind über eine sehr schnelle interne CAN-Schnittstelle im "Master Slave"-Verbund gekoppelt. Dadurch steht auch mehr Mikrocontrollerkapazität zur Verfügung. Einige Funktionen sind jeweils fest einem Steuergerät zugeordnet (z. B. Mengenausgleichsregelung). Andere können bei der Konfiguration flexibel einem Steuergerät zugeordnet werden (z.B. die Erfassung von Sensoren).

ｾ

Dieselboom in Europa

DIeselboom In Europa

Einsatz des Dieselmotors

Das Drehmoment - und nicht etwa die Mo-

Zu Beginn der Automobilgeschichte war der Ottomotor das Antriebsaggregat für Straßen-

torleistung - ist entscheidend für die Durch-

fahrzeuge. Im Jahr 1927 wurden schließlich

zugskraft des Motors. Im Vergleich zu einem Ottomotor ohne Aufladung kann auch mit ei-

die ersten Nkw, 1936 dann auch Pkw mit

nem leistungsschwächeren Dieselmotor mehr

Dieselmotoren ausgeliefert.

.Fahrspaß" erreicht werden. Das Image des

Im Nkw-Bereich konnte sich der Dieselmotor aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit und

"lahmen Stinkers" trifft auf Dieselfahrzeuge der neuen Generationen nicht mehr zu.

Langlebigkeit durchsetzen. Im Pkw-Bereich hingegen führte der Dieselmotor lange Zeit

Umweltverträglichkeit

noch ein Schattendasein. Erst mit den direkt

Die Rauchschwaden, die Dieselfahrzeuge

einspritzenden modernen Dieselmotoren mit Aufladung - das Prinzip der Direkteinsprit-

früher im höheren Lastbetrieb produzierten,

zung wurde schon bei den ersten Nkw-Diesel-

gehören der Vergangenheit an. Möglich wurde das durch verbesserte Einspritzsys-

motoren angewandt - hat sich das Erschei-

teme und die Elektronische Dieselregelung

nungsbild des Diesels gewandelt. Mittlerweile

(EDC). Die Kraftstoffmenge kann mit diesen

liegt der Diesel-Anteil an neu zugelassenen

Systemen exakt dosiert und an den Motor-

Pkw in Europa bei annähernd 50%.

betriebspunkt und die Umgebungsbedingungen angepasst werden. Mit dieser Technik

Merkmale des Dieselmotors

werden die aktuell gültigen Abgasnormen

Was zeichnet den Dieselmotor der Gegen-

erfüllt. Oxidationskatalysatoren, die Kohlen-

wart aus, dass er in Europa einen derartigen Boom erlebt?

monoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) aus dem Abgas entfernen, sind beim Diesel-

Wirtschaftlichkeit

motor Standard. Mit weiteren Systemen zur

Zum einen ist der Kraftstoffverbrauch gegen-

Abgasnachbehandlung, wie z. 8. Partikelfilter

über vergleichbaren Ottomotoren immer noch geringer - das ergibt sich aus dem

und No--Spelcherkatalysatoren. werden auch zukünftige verschärfte Abgasnormen erfüllt -

höheren Wirkungsgrad des Dieselmotors.

auch die Normen der US-Gesetzgebung.

Zum anderen werden Dieselkraftstoffe in Typischer Drehmoment- und Leistungsverlauf eines Pkw -Dieselmot ors

vielen europäischen Ländern geringer besteuert. Für Vielfahrer ist der Diesel somit trotz des höheren Anschaffungspreises die

Nm

wirtschaftlichere Alternative.

kW

360

100

320

90

mit Aufladung. Dadurch kann schon im nied-

E 280

80

rigen Drehzahlbereich eine hohe Zylinder-

§

240

70 ｾ

ｾ

200

60

160

50

Fahrspaß Nahezu alle aktuellen Dieselmodelle arbeiten ｾ

•

füllung erreicht werden. Entsprechend hoch

E s:

kann auch die zugemessene Kraftstoffmenge sein, wodurch der Motor ein hohes Dreh-

o

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moment erzeugt. Daraus ergibt sich ein Dreh40

momentverlauf, der das Fahren mit hohem Drehmoment schon bei niedrigen Drehzahlen ermöglicht.

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1000

2000

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Motordrehzahl

4000

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15

16

I

Systemübersicht Common Rail

I

Common Rail System für Pkw

Common Rail System für Pkw Kraftstoffversorgung

Bei Common Rail Systemen für Pkw kommen für die Förderung des Kraftstoffs zur Hochdruckpumpe Elektrokraftstoffpumpen oder Zahnradpumpen zur Anwendung. Systeme mit Elektrokraftstoffpumpe Die Elektrokraftstoffpumpe - als Bestandteil der Tankeinbaueinheit im Kraftstoffbehälter eingesetzt (Intank) oder in der Kraftstoffzuleitung verbaut (Inline) - saugt den Kraftstoff über ein Vorfilter an und fördert ihn mit einem Druck von 6 bar zur Hochdruckpumpe (Bild 3). Die maximale Förderleistung beträgt 190 I/h. Um einen schnellen Motorstart zu gewährleisten, schaltet die Pumpe schon bei Drehen des Zündschlüssels ein. Damit ist sichergestellt, dass bei Motorstart der nötige Druck im Niederdruckkreis vorhanden ist. In der Zuleitung zur Hochdruckpumpe ist der Kraftstofffilter (Feinfilter) eingebaut. Systeme mit Zahnradpumpe Die Zahnradpumpe ist an die Hochdruckpumpe angeflanscht und wird von deren Antriebswelle mit angetrieben (Bilder 1 und 2). Somit fordert die Zahnradpumpe erst bei Starten des Motors. Die Förderleistung ist abhängig von der Motordrehzahl und beträgt bis zu 400 I/h bei einem Druck bis zu 7 bar. Im Kraftstoffbehälter ist ein KraftstoffVorfilter eingebaut. Der Feinfilter befindet sich in der Zuleitung zur Zahnradpumpe. Kombinationssysteme Es gibt auch Anwendungen, die beide Pumpenarten einsetzen. Die Elektrokraftstoffpumpe sorgt insbesondere bei einem Heißstart für ein verbessertes Startverhalten, da die Förderleistung der Zahnradpumpe bei heißem und damit dünnflüssigerem Kraftstoff und niedriger Pumpendrehzahl verringert ist.

Hochdruckregelung

Beim Common Rail System der ersten Generation erfolgt die Regelung des Raildrucks über das Druckregelventil. Die Hochdruckpumpe (Ausführung CP1) fordert unabhängig vom Kraftstoffbedarf die maximale Fördennenge, das Druckregelventil führt überschüssig geförderten Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter zurück. Das Common Rail System der zweiten Generation regelt den Raildruck niederdruckseitig über die Zumesseinheit (Bilder 1 und 2). Die Hochdruckpumpe (Ausführung CP3 und CP1H)muss nur die Kraftstoffmenge fordern, die der Motor tatsächlich benötigt. Der Energiebedarf der Hochdruckpumpe und damit der Kraftstoffverbrauch sind dadurch geringer. Das Common Rail System der dritten Generation ist durch die Piezo- InlineInjektoren gekennzeichnet (Bild 3). Wenn der Druck nur auf der Niederdruckseite eingestellt werden kann, dauert bei schnellen negativen Lastwechseln der Druckabbau im Rail zu lange. Die Dynamik für die Druckanpassung an die veränderten Lastbedingungen ist zu träge. Dies ist insbesondere bei Piezo-Inline-Injektoren aufgrund der nur geringen inneren Leckagen der Fall. Einige Common Rail Systeme enthalten deshalb neben der Hochdruckpumpe mit Zumesseinheit zusätzlich ein Druckregelventil (Bild 3). Mit diesem Zweistellersystem werden die Vorteile der niederdruckseitigen Regelung mit dem günstigen dynamischen Verhalten der hochdruckseitigen Regelung kombiniert. Ein weiterer Vorteil gegenüber der ausschließlich niederdruckseitigen Regelmöglichkeit ergibt sich dadurch, dass bei kaltem Motor eine hochdruckseitige Regelung vorgenommen werden kann. Die Hochdruckpumpe fordert somit mehr Kraftstoff als eingespritzt wird, die Druckregelung erfolgt über das Druckregelventil. Der Kraftstoffwird durch die Komprimierung erwärmt, wodurch auf eine zusätzliche Kraftstoffheizung verzichtet werden kann.

Systemübersicht Common Rail

I

Common Rail System f ür Pkw

.

Beispiel für ein Common Rail System der zwei ten Genera tion für ei nen Vierzylindermotor

I

17

Bild 1 1

Hochdruckpumpe CP3 mit angebauter Zahnrad-Vorto rderpumpe und Zumesseinheit Krafts tofffilte r mit

•

Wasserabsche ider und He izung (op tional )

li=== =H== = ='9 = = = ===1CJ'=V=9 =iJ'==n= =t=='J 2 7

3

Kraftstoffbehälter

4

Vor filter

5

Rail

6

Raild r ucksensor

7

Mag netventi lInjektor

8

Druckbegrenzungsventil

Be ispiel f ür ein Common Rail System der zwei ten Genera tion mit Zweistellersystem für einen V8-Motor

Bild 2 1

Hoc hdr uc kpum pe CP3 mit angebauter Zahnrad-Vortorderpumpe und Zumesseinheit Krafts tofffilter mit Wasserabsche ider und Heizung ( opt io nalj

7

3

Kraftstoffbehälter

4

Vor fi lter

5

Rail

6 7

Raild r ucksensor MagnetventilI nj ekto r

8

Druckrege lventil

9

Funktionsblock (Verte iler)

.

Be ispiel f ür ein Common Rail System der dritten Gene ration mit Zweistellersystem fü r ei nen Vier zyli ndermo tor

Bild 3 1

Hochd ruckpumpe CP1H mit zumessein heit Krafts tofffilter mit Wasserabscheider und He izung

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( opt io nal j

7

3

Kraftstoffbehälter

4

Vorfilter

5

Rail

6 7

Halldrucksensor Piezo-Inline- Injektor

8

Druck regelvent il

9

Elekt rokraft stoffpu mpe

18

I

Systemübersicht Common Rail

I

Common Rail System für Pkw

System bild Pkw Bild 4 zeigt alle Komponenten eines Common RaH Systems für einen VierzylinderPkw-Dieselmotor mit vofjausstatrung.je nach Fahrzeugtyp und Einsatzart kommen einzelne Komponenten nicht zur Anwendung. Um eine übersichtlichere Darstellung zu erhalten, sind die Sensoren und Sollwertgeber (A) nicht an ihrem Einbauort dargestellt. Ausnahme bilden die Sensoren der Abgasnachbehandlung (F) und der Raildrucksensor, da ihre Einbauposition zum Verständnis der Anlage notwendig ist.

Bild 4

Über den CAN-Bus im Bereich "Schnittstellen" (B) ist der Datenaustausch zu den verschiedensten Bereichen möglich: ... Starter, ... Generator, ... elektronische Wegfahrsperre, ... Getriebesteuerung, ... Antriebsschlupfregelung (ASR)und ... Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP). Auch das Kombiinstrument (13) und die Klimaanlage (14) können über den CANBus angeschlossen sein. Für die Abgasnachbehandlung werden zwei mögliche Kombinationssysteme aufgeführt. Ein DPF-System (a) und ein Kombinatiossystem (b) mit Növ-Speicherkatalysator und Diesel-Partikelfilter (DPF). 15 Diag noseschnitt stelle

Motor, Motorsteuerung und Hochdruck-

16 Glühzei tsteuergerä t

Einspritzkomponenten

CAN Controller Area Network (serieller Datenb us im Kraftfahrzeu g)

17 Hochdruckpum pe 18 Zumesseinheit 25 Motorsteuergerät

C

26 Rail

19 Kraftsto fffilter mit Übers trömventil

27 Raildrucksensor 28 Druckregelventil (ORV-2 )

20 Kraftstoffbehälter mit Vorfilter und

29 Injektor

21 Füllstandsensor

Kraftstoffversora:ung (Niederdruckteil)

Elektrokraftstoffpumpe, EKP (Vorförderpumpe)

30 Glü hstiftkerze 31 Dieselmotor (01)

D

Additivsystem

M

Drehmoment

22 Additivdosiereinheit 23 Additiv-Con trol-Steuergerät

A

Sensoren und Sollwertgeber

24 Additivtank

1

Fahrpedalsensor

2

Kupplungsschalter

E

3

8remskontakte (2)

32 AbgasnJckführkühler

4

Bedienteil für Fahrgeschwindigkeitsregler

5

Glüh-Start-Schalter ("Zündschloss")

33 l aded rucksteller 24 Abgasturbolade r (hier mit variabler

Luftversorgung

Turbinengeometrie, VTG)

6

Fahrgeschwindigkei tssensor

7

Kurbelwe Ilend rehzahlse nsor (i ndu kuv )

35 Regelklappe

8

Nockenwellendrehzahlsensor (Induktiv- oder Hall-

36 Abgasrückführsteller

Sensor)

37 Unterd ruckpumpe

9

Motortemperatursensor (im Kühlrmttelkreislauf)

10 Ansauglufttemperatursensor 11 Ladedrucksensor

Abgasnachbehandlung 38 Breitband-Lambda-Sonde LSU

F

12 Heißfilm-Luftmassenmesser (Ansaugluft)

39 Abgastemperatursensor

B Schnittstellen

40 Oxidationskatalysator 41 Oiesel-Partikel filter (OPF)

13 Kombiinstrument mit Signalausgabe für

42 Differenzdrucksensor

KraftstoffVerbrauch, Drehzahl usw. 14 Klimakompressor mit Bedienteil

43 NOx-Speicherkatalysator 44 Breitband-Lambda-Sonde, option al NOx-Sensor

Systemübersicht Common Rail

Diesel- Einspri tzanlage für Pkw mit Common Rail Einsprit zsystem

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38

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I

Common Rail System f ür Pkw

I

19

20

I Diesel-Einspritzsysteme im Überblick

Einsatzgebiete

Anfo rderu nge n

Dieselmotoren zeichnen sich durch ihre

Schärfer werdende Vorschriften für Abgas-

hohe Wirtschaftlichkeit aus. Seit dem

und Geräuschemissionen und der Wunsch

Produktionsbeginn der ersten SerienEinspritzpumpe von Bosch im Jahre 1927

nach niedrigerem Kraftstoffverbrauch stellen immer neue Anforderungen an die Einspritz-

werden die Einspritzsysteme ständig

anlage eines Dieselmotors.

weiterentwickelt. Grundsätzlich muss die Einspritzanlage den Dieselmotoren werden in vielfältigen Ausführungen eingesetzt (8i ld 1), z. 8. als

Kraftstoff für eine gute Gemischaufbereitung je nach Diesel-Verbrennungsverfahren (Direkt-

li>- Antrieb für mobile Stromerzeuger

oder Indirekteinspritzung) und 8etriebs-

(bis ca. 10kWjZylinder),

zustand mit hohem Druck (heute zwischen

li>- schnell laufende Motoren für Pkw und

350 und 2050bar) in den 8rennraum des Diesel motors einspritzen und dabei die Ein-

leichte Nkw (bis ca. 50kWjZylinder), li>- Motoren für Bau-, Land- und Forst-

spritz menge mit de r größtmöglichen Genau igkeit dosieren. Die Last - und Drehzahlrege-

wirtschaft (bis ca. 50kWjZylinder),

lung des Dieselmotors wird über die Kraft-

li>- Motoren für schwere Nkw, 8usse und

Schlepper (bis ca. BOkWjZylinder),

stoffmenge ohne Drosselung der Ansaugluft

li>- Stationärmotoren, z. 8. für Notstrom-

vorgenommen.

aggregate (bis ca. 160kWjZylinder), Die mechan ische Regelung für Diesel-Ein-

li>- Motoren für Lokomotiven und Schiffe

(bis zu 1000kWjZylinder).

spritzsysteme wird zunehmend durch die Elektronische Diese lregelung (EDC) verdrängt. Im Pkw u nd Nkw werden die neuen Dieseleinspritzsysteme ausschließlich durch EDC gerege lt.

Anwen d ungsgebiete der Bosch-Diesel-Einspr it zsysteme

Bild 1

M, MW, A, P, H, ZWM , CW

ｾ

M

Reihene inspri tzpumpen mit

PF

ansteigender PF

Baugrö ße EinzeIeinspritz-

VE

pumpen VE

Axialk olb enVer teilerein-

VR

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PF

VE

41;

VR

ＭｯｉＮｾ

VE

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Radialkolben-

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Verteilerein-

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MW

spri tzpumpen VR

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t

PF

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VR

UIS

ｾ

1

UIS

UIS Unit Injector System System

cn

Common Rail Syste m

ｾ

CR

ｾ

CR

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-01.

, ,

VR

UPS CR

PF VE

spri tzpumpen

UPS Unit Pum p

iIAi PJH,a MW

ｾ

PF

ZWM. CW

t

PF VE

UIS

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UPS PFIR)

CR

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1

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Systemübersicht Common Rail

Common Rail System für Nkw

I

Common Rail System für Nkw

I

21

"Zahnradkraftstoffpumpe") zur Anwendung. Die Vorförderpumpe ist in der Regel an der Hochdruckpumpe angeflanscht (Bilder 1 und 2), bei verschiedenen Anwendungen ist sie am Motor befestigt.

Kraftstoffversorgung

Vorför der ung Common RaHSysteme für leichte Nutzfahrzeuge unterscheiden sich nur wenig von den Pkw-Systemen. Zur Vorförderung des Kraftstoffs werden Elektrokraftstoffoder Zahnradpumpen eingesetzt. Bei Common RaHSystemen für schwere Nkw kommen für die Förderung des Kraftstoffs zur Hochdruckpumpe ausschließlich Zahnradpumpen (s. Kapitel "Kraftstoffversorgung Niederdruckteil", Abschnitt

Kraftstofffilter ung Im Gegensatz zu Pkw-Systemen ist hier der Kraftstofffilter (Feinfilter) druckseitig eingebaut. Die Hochdruckpumpe benötigt daher auch bei angeflanschter Zahnradpumpe einen außen liegenden Kraftstoffzulauf.

.

Common Rail System fü r Nkw mit Hoc hd ruckpumpe CP3

7

5

Bild 1 1 Kraftstoffbehälter 2 Vorfilter 3 Kraftstofffilter

6

4 ZahnradVorförderpumpe Hochdruckpumpe CP3.4

6 Zumesseinheit 7 Raildrucksensor 8 Rail 9 Druck begrenzungs -

10

ventil 10 Injektor

.. ..

Common Rail System fü r Nkw mit Hoc hd ruckpumpe CPN2

11

Co

ｾ ｴｲ

7

8

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9

Bild 2 1 Kraftstoffbehälter 2 Vorfilter 3 Kraftstofffilter 4 Zahnrad-

Co

Vorförderpumpe Hochdruckpumpe CPN2.2

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6 Zumesseinheit

10

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7 Raildrucksensor 8 Rail 9 Druck begrenzungs-

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22

I

Systemübersicht Common Rail

I

Common Rail System für Nkw

System bild Nkw Bild 3 zeigt alle Komponenten eines Common Rail Systems für einen SechszylinderNkw- Dieselmotor. Je nach Fahrzeugtyp und Einsatzart kommen einzelne Komponenten nicht zur Anwendung. Um eine übersichtlichere Darstellung zu erhalten, sind nur die Sensoren und Sollwertgeber an ihrem Einbauort dargestellt, deren Einbauposition zum Verständnis der Anlage notwendig ist. Über den CAN-Bus im Bereich "Schnittstellen" (B) ist der Datenaustausch zu den verschiedensten Bereichen möglich (z. B.

Getriebesteuerung, Antriebsschlupfregelung ASR, Elektronisches Stabilitätsprogramm ESP, Ölgütesensor, Fahrtschreiber, Abstandsradar ACC, Bremskoordinator bis zu 30 Steuergeräte). Auch der Generator (18) und die Klimaanlage (17) können über den CAN-Bus angeschlossen sein. Für die Abgasnachbehandlung werden drei mögliche Systeme aufgeführt: ein reines DPF-Svstem (a) vorwiegend für den US-Markt, ein reines SCR-System (b) vorwiegend für den EU-Markt sowie ein Kombinationssystem (c).

Bild 3 Motor , Motorsteuerune:und Hochdruck-

20 SCR-Steuergerät

Einspritzkomponenten

21 l uft ko mpresso r

22 Hochdruckpumpe

CAN Controller Area Network (serieller Datenbus im Kraftfahrzeug) (bis zu 3 Busse)

29 Motorsteuergerät 30 Rail 31 Raildrucksensor

C

32 Injektor

23 KraftstoffVorförderpumpe 24 Kraftstofffilter mit Wasserstands- und

33 Relais

Dr uc ksensoren

34 Zusatzaggregate (z. B. Retarce r, Auspuffklappe für Moto rbremse, Starter, Lüfter)

Kraftstoffversore:ung (Niederdruckteil)

25 Steuergerätekühler

35 Dieselmotor (01)

26 Kraftstoffbehälter mit Vorfilter

36 Flammkerze (alter nat iv Grid-Heater)

27 Druckbegrenzungsventil

M

Drehmoment

28 Füllstandsensor

A

Sensoren und Sollwertgeber

D

Luftversorgung:

1 Fahrpedalsensor

37 AbgasnJckführkühler

2 Kupplungsschalter

38 Regelklappe 39 Abgas rückte hrsteller mit Abgasrückfü h tve nti I

3 Bremskontakte (2)

und Positionssensor

4 Motorbremskontakt 5 Feststellbremskontakt 6 Bed rensenalter (z. B. Fahrgeschwind igkeits-

40 ladeluftkühler mit Bypass f ür Kaltstart 41 Abgasturbolader (hier mit variabler Turbinengeometrie VTG) mit Positionssensor

regler, Zwischendrehzahlregelung, Drehzahl- und Drehmomentred uktion)

42 Laded rucksteller

7 Schlüssel -Start-Stopp ("Zündschloss") 8 Turboladerdrehzahlsensor

E

9 Kurbelwellendrehzahlsensor ( ind ukt iv)

43 Abgastemperatursensor

Abgasnachbehandlung

10 Nockenwellendrehzahlsensor

44 Oxidationskatalysator

11 Kraftstofftemperatursensor

45 Differenzdrucksensor

12 Motortemperatursensor (im Kühlmittelkreislauf)

46 katalytisch beschichteter Partikelfilter (CSF)

13 Ladelurtternpe ratursensor

47 Rußsensor

14 Laded r uc ksenso r

48 Füllstandsensor

15 Lüft erd rehzahlsensor

49 Red ukti o nsmittelt ank

16 Luftfi lter-Diffe renzd rucksensor

50 Reduktionsmittelförderpumpe 51 Reduktionsmitteldüse

B

Schnittstellen

52 NOx-Sensor

17 Klimakompressor mit Bedienteil

53 SCR-Katalysator

18 Generator

54 NH3-Sensor

19 Diagnoseschnittstelle

Systemübersicht Common Rail

Diesel- Einspri tzanlage fü r Nkw mit Common Rail System

I

Common Rail System f ür Nkw

I

23

24

I

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil

I

Übersich t

Kraftstoffversorgu ng Niederdrucktei I Die Kraftstoffversorgung hat die Aufgabe, den benötigten Kraftstoff zu speichern und zu filtern, sowie der Einspritzanlage bei allen Betriebsbedingungen Kraftstoff mit einem bestimmten Versorgungsdruck zur Verfügung zu stellen. Bei einigen Anwendungen wird der Kraftstoffrücklauf zusätzlich gekühlt. Grundsätzlich ist die Kraftstoffversorgung stark unterschiedlich je nach verwendetem Diesel- Einspritzsystem. Bild 1 zeigt den typischen Aufbau eines Common Rail Systems für Pkw.

Übersicht Die Kraftstoffversorgung umfasst folgende wesentlichen Komponenten (Bild 1): li>- Kraftstoffbehälter. li>- Vorfilter, li>- Steuergerätekühler (optional), li>- Kraftstofffilter, li>- Kraftstoffpumpe (Niederdruck), li>- Druckregelventil (Überströmventil), li>- Kraftstoffkühler (optional), li>- Niederdruck- Kraftstoffleitungen. Kraftstoffbehälter

Der Kraftstoffbehälter speichert den Kraftstoff. Er muss korrosionsfest und bei doppeltem Betriebsdruck, mindestens aber 0,3 bar Überdruck, dicht sein. Auftretender Überdruck muss durch geeignete Öffnungen oder Sicherheitsventile selbsttätig entweichen. Bei Kurvenfahrt, Schräglage oder Stößen darf kein Kraftstoff aus

Speichereinspritzsystem Common Rail an eine m Fünfzy linder-Dieselmoto r

I

t7 7

Bild 1 1 Kraftstoffbehälter 2 Vorfilter 3 Vorförderpumpe 4 Kraftstofffilter 5 NiederdruckKraftstoffl eit ungen 6 Hochdruckpumpe 7 HochdruckKraftstoffleitungen 8 Rail 9 Injektor 10 KraftstoffRückleitung 11 Kraftstofftemperatursensor 12 Steuergerät 13 Glühstiftkerze

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil

dem Füllverschluss oder den Einrichtungen zum Druckausgleich ausfließen. Der Kraftstoffbehälter muss getrennt vom Motor angebracht sein, sodass auch bei Unfällen eine Entzündung des Kraftstoffs vermieden wird. Kraftstoffleitungen

Für den Niederdruckteil können neben Metallrohren auch flexible, schwer brennbare Leitungen mit Strahlgeflechtannierung verwendet werden. Sie müssen so angeordnet sein, dass mechanische Beschädigungen verhindert werden und dass abtropfender oder verdunstender Kraftstoff sich weder ansammeln noch entzünden kann. Kraftstoffleitungen dürfen bei Fahrzeugverwindung, Motorbewegung oder dergleichen nicht in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Alle Kraftstoffführenden Teile müssen gegen betriebsstörende wärme geschützt sein. Bei Bussen dürfen Kraftstoffleitungen nicht im Fahrgast- oder Fahrerraum liegen. Der Kraftstoff darf nicht durch Schwerkraft gefordert werden.

spritzpumpen sowie teilweise beim Common Rail System ist die Kraftstoffpumpe in die Hochdruckpumpe integriert. Optional kann eine Kraftstoffpumpe zusätzlich als Vorförderpumpe vorgesehen werden.

Für die Vorförderung des Kraftstoffs werden bei Common Rail Systemen im Pkw-Bereich zunehmend Elektrokraftstoffpumpen (EKP) eingesetzt. Die EKP wird meist als IntankPumpe (im Kraftstoffbehälter), optional aber auch als Inline-Pumpe (in der Zuleitung zur Hochdruckpumpe) eingebaut. Elektrokraftstoffpumpen habe gegenüber den seither eingesetzten mechanisch angetriebenen Vorförderpumpen deutliche Vorteile bezüglich Heiß-, Erst- und Wiederstartverhalten sowie Funktionsvorteile bei niederen Kraftstofftemperaturen. Die EKP für Dieselanwendung unterscheidet sich von denen in OUo-Systemen dadurch, dass anstelle des Strömungspumpenelements ein Verdrängerpumpenelement und ein grobmaschigeres Saugsieb zum Einsatz kommt. Bei Bosch-Systemen ist dies ein Rollenzellenpumpenelement.

Dieselkraftstofffilter

Die mit hoher Präzision gefertigten Einspritzausrüstungen für Dieselmotoren reagieren empfindlich auf geringste Verunreinigungen im Kraftstoff. Das Kraftstofffilter hat folgende Aufgabe: li>- Reduzierung von Partikelverunreinigungen zur Vermeidung von Partikelerosion, li>- Abscheidung von emulgiertem und freiem Wasser zur Verhinderung von Korrosionsschäden.

Dieses System ist besonders robust und schmutzverträglich und für Dieselkraftstoff besonders gut geeignet, da hiermit einerseits die bei Kälte entstehenden Parafine noch durch das Saugsieb angesaugt werden können und andererseits der bei Dieselkraftstoff höhere Verschmutzungsgrad das Pumpenelement noch nicht schädigt. Die Intank-Pumpe ist in einer Tankeinbaueinheit integriert. Weitere Bestandteile dieser Einheit sind der Tankfüllstandsensor, ein saugseitiges Kraftstoffsieb, Auslaufschutzventile und ein Dralltopf als Kraftstoffreservoir. Im Gegensatz zu Ottokraftstoffsystemen

Das Kraftstofffilter muss auf das jeweilige Einspritzsystem abgestimmt sein.

stoffbehälters angeordnet sein, da er auch

Kraftstoffpumpe

stoff dient und zudem ein Filterwechsel er-

Die Kraftstoffpumpe saugt den Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter an und fördert ihn stetig zur Hochdruckpumpe. Bei den Axial- und Radialkolben-Verteilerein-

möglicht werden muss.

muss der Kraftstofffilter außerhalb des Kraftzur Abscheidung von Wasser aus dem Kraft-

I

Übersich t

I

25

26

I

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil

I

Krafts toffpumpe

Kraftstoffpumpe

Es gibt drei Bauarten: Elektrokraftstoffpumpen (für Pkw), li>- mechanisch angetriebene Zahnradkraftstoffpumpen und li>- Tandemkraftstoffpumpen (DIS, Pkw). li>-

Die Aufgabe der Kraftstoffpumpe im Niederdruckteil (vorförderpumpe) ist es, die Hochdruckkomponenten mit genügend Kraftstoff zu versorgen, und zwar li>- in jedem Betriebszustand, li>- mit geringem Geräuschniveau, li>- mit dem erforderlichen Druck und li>- über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs.

Sowohl bei der Axialkolben- als auch bei der Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe ist eine vorförderpumpe als Flügelzellenpumpe in der Einspritzpumpe integriert. Elektrokraftstoffpumpe

Die Kraftstoffpumpe saugt den Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter an und fordert stetig die erforderliche Kraftstoffmenge (Einspritz- und Spülmenge für Kühlung und Schmierung) in Richtung der Hochdruck-Einspritzanlage (60 ...500ljh, 300 ...700kPa bzw. 3...7 bar). Viele Pumpen entlüften sich selbst, sodass ein Starten auch nach leer gefahrenem Tank möglich ist. Einst uf ige Eie ktrokraftstoffpum pe

ｾＧＡ

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Ｍ

Ｍ

Ｖ

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B Bild 1 A

Pumpenelement

B

Elektromo tor

C

Ansch lussdecke l

1

Druc kseite

2

Motoranker

3

Pump ene lement

4

Druckbegrenzer

5

Saugseite

6

Rücksch lagvent il

4 - -++--

-++--:t---f

5

A

Die Elektrokraftstoffpumpe (EKP, Bilder 1 und 2) wird nur in Pkw und leichten Nkw eingesetzt. Neben der Förderung des Kraftstoffs hat sie im Rahmen einer Systemüberwachung auch noch die Aufgabe, im Bedarfsfall (z.B. bei Leckage durch Schlauchplatzer) die Kraftstoffförderung zu unterbrechen. Elektrokraftstoffpumpen gibt es für den Leitungseinbau (Inline) oder den Tankeinbau (Intank). Leitungseinbaupumpen befinden sich außerhalb des Kraftstoffbehälters in der Kraftstoffleitung zwischen Kraftstoffbehälter und Kraftstofffilter an der Bodengruppe des Fahrzeugs. Tankeinbaupumpen dagegen befinden sich im Kraftstoffbehälter selbst in einer speziellen Halterung, die üblicherweise zusätzlich noch ein saugseitiges Kraftstoffsieb, einen Tankfüllstandsensor, einen Dralltopf als Kraftstoffreservoir sowie elektrische und hydraulische Anschlüsse nach außen enthält. Beginnend mit dem Startvorgang des Motors läuft die Elektrokraftstoffpumpe stetig und unabhängig von der Motordrehzahl. Sie fördert den Kraftstoffkontinuierlich aus dem Kraftstoffbehälter über ein Kraftstofffilter zur Einspritzanlage. Überschüssiger Kraftstofffließt über ein Überströmventil zum Kraftstoffbehälter zurück. Eine Sicherheitsschaltung verhindert die Förderung bei eingeschalteter Zündung und stehendem Motor, um die Batterie zu schonen und Geräusche zu unterdrücken (Komfort). Elektrokraftstoffpumpen bestehen aus den folgenden drei Funktionselementen in einem Gehäuse:

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil

Pump en element (Bild 1, Pos. A) Pumpenelemente gibt es in verschiedenen Ausführungen, da das jeweils angewandte Funktionsprinzip vom Einsatzbereich der Elektrokraftstoffpumpe abhängt. Für Dieselanwendungen sind es meist Rollenzellenpumpen (RZP). Die Rollenzellenpumpe (Bild 2) ist eine Verdrängerpumpe. Sie besteht aus einer exzentrisch angeordneten Grundplatte (4), in der eine Nutscheibe (2) rotiert. In jeder Nut befindet sich eine lose geführte Rolle (3). Durch die Fliehkraft bei der Rotation der Nutscheibe und den Kraftstoffdruck werden die Rollen gegen die außen liegende Rollenbahn und die treibenden Flanken der Nuten gedrückt. Die Rollen wirken dabei als umlaufende Dichtungen. So bildet sich zwischen je zwei Rollen der Nutscheibe und der Rollenlautbahn eine Kammer. Die Pumpwirkung kommt dadurch zustande, dass sich das Kammervolumen nach Abschließen der nierenf6rmigen Zulauföffnung (1) kontinuierlich verkleinert.

I

27

Anschlu ssde ckel (Bild 1, Pos. C) Der Anschlussdeckel enthält die elektrischen Anschlüsse und den druckseitigen hydraulischen Anschluss. Ein Rückschlagventil (6) verhindert, dass sich die Kraftstoffleitungen nach dem Abschalten der Kraftstoffpumpe entleeren. Zusätzlich können im Anschlussdeckel Entstörmittel integriert sein. Leist ungsdaten einer einstu figen Elekt ro kraft stoff pu mpe

Bild 2

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6

7

8

v

Spannung

1

Saugseite (Zulauf)

2 3

Nutscheibe Rolle

4

Grundplatte

5

Dru ckseite

Bild 3 Parameter: Förderdruck Förder leist ung her Nieders pannung b

Ro llenze llenpumpe (Schema )

3

I

mit fortwährend gekühlt. Dadurch lässt sich eine hohe Motorleistung ohne aufwändige Dichtelemente zwischen Pumpenelement und Elektromotor erzielen.

Elektromotor (Bild 1, Pos. B) Der Elektromotor besteht aus einem Permanentmagnetsystem und einem Anker (2). Seine Auslegung hängt von der gewünschten Fördennenge bei gegebenem Systemdruck ab. Der Elektromotor wird ständig vom Kraftstoffumströmt und da-

2

Kraftstoffpumpe

Förderleistung in Abhängigkeit der Spannun g im

100

4

10

11

12

V

Normalbetrieb c

Spannung

Abhängigkeit der

% 0 -o

•

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"

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e» 0

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ｾ

1

1 bei 200 kPa 2 bei 250 kPa

9

1

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Spannung

I :

1

24

Wi rkungs grad in

11

12 Spannung

I,

V

ｾ

ｾ

z ｾ

3 bei 300 kPa 4 bei 350 kPa 5 bei 400 kPa 6 bei 450 kPa 7 bei 450 kPa 8 bei 500 kPa 9 bei 550 kPa 10 bei 600 kPa

Zahn rad k r aftstoffpu m pe nt« Zllhllrlld kr llflstolTp umJll' (ß ild.-r 4

und Ii) wir d zur versorg ung der Einxp rt tz-

kan n ein•.- Handpumpe ..nt w•.-d,'I" dire-k t an di.- Zahnradkr afts toff p umpe oder an di .. Niederdr uck leitung a ngeba ut sein.

module tll'r Einzelpumpeusys tetue (Nk w) und d ,-s Common Rall Sysl.' ms ü'k w, Nkw

und G,'läl1lk fllhr z"ug.,) ＨＧｪｬ ｧ ｬＧ ｳ ｬ Ｇｉ ｾ Ｎ ｉ Ｎ Sil' isl direkt am Mo to r b.{.' stigl in der Couunon Rafl Horh druck p um pe luregr lert. DI'r ATl trit' b er folg t über Kupplun g, zarmra d oder Zahn ri emen. Die w,'so-n llid w nll lllll' I" lI1,-n l'· sin, llw,-i miteinander k ämm ende, geg,'nläu lig d rl" hendr- zahnr äder, d ip deu Kr attstoff in d " 11 Zahnlü cken vo n der Saugseite (Bild ll, Pos. 1) zur l lrufk so-ilt- (5) för dern, ! li- Befüll- und Entlüftungsvorrichtungen: die Befüllung und Entlüftung des Kraftstoffsystems nach einem Filterwechsel erfolgt per Handpumpe. Sie ist meist im Filterdeckel integriert.

I

Kraftstofffil ter

I

31

32

I

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Übersicht

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems Der Hochdruckbereich des Common RaH Systems gliedert sich in die drei Bereiche Druckerzeugung. Druckspeicherung und Kraftstoffzumessung. Die Hochdruckpumpe übernimmt die Druckerzeugung. Die Druckspeicherung erfolgt im RaH, an dem der Raildrucksensor und das Druckregel- bzw. DmckbegrenzungsventH angebaut sind. Für die zeit- und mengengerechte Einspritzung sorgen die Injektoren. Hochdruck-Kraftstoffieitungen verbinden alle Bereiche miteinander.

1. Generation Pkw

1350 ..1450 bar

1. Generation Nkw

1400 bar

2. Generation

1600 bar

Pkw und Nkw

Tabelle 1

3. Generation Pkw

1800 bar

3. Generation Nkw

1800 bar

Übersicht Wesentliche Unterscheidungsmerkmale der verschiedenen Generationen von Common RaHSystemen bestehen in der Ausführung der Hochdruckpumpe und der Injektoren sowie in den erforderlichen Systemfunktionen (Tabelle 1).

Magnetven til · Injektor

Hoc hruckseit ige Druckregel ung mit Druckregelven til

Magnetven til · Injektor

Saugseitige Mengen regelu ng mit zwei Magnetven tilen

Magnetven til-

CPI CP2

Injekto r

CP3, CP1H Saugseitige Mengenregelung mit Zumessein heit

Piezo-InlineInjek tor

CP3, CP1H Saugseitige Mengenregelung mit Zumesseinhei t

Magnetventil-

CP3,3NH

Injek tor

Zumesseinheit

Speichereinspritzsystem Common Rail an einem Vierzylinder-Dieselmotor

3

2

ｾ

Bild 1 Heißfilm-LuftI rnas senrnesser

2 3 4 5

6

Motorsteuergerat Hochdruckpumpe Hochdruckspeicher (Rail) Injektor Kurbelwellend reh-

""

zahlsensor Motortem peratur8 9

sensor Kraftstofffi Iter Fah rpedalsensor

ｾ

w

:g Q

4

5

6

7

8

9

Z ｾ

ｾ

Sauberkeitsanforderungen

Sauberkeitsanforderungen

Reinigungsqualität

zes erhalten werden. Die genaue Identifizie-

Die enorm gestiegenen Leistungen neuer

rung der Partikel und Partikelquellen ist

.Aggregate, z. 8. das Common Rail System

Voraussetzung, um neue Entwicklungen in

zur Hochdruck-Dieseleinspritzung, erfordern

der Reinigungstechnik zu ermöglichen.

höchste Präzision in der mechanischen 8earbeitung, verbunden mit immer engeren Toleranzen und Passungen. Partikel rückstände aus dem Produktionsprozess können zu vermehrtem Verschlei ß bis hin zu einem Ausfall des Aggregats führen. Daraus ergeben sich hohe , eng tolerierte Anforderungen an die Reinigungsqualität, wo bei die zulässigen

1::1

Entwicklung der Partikel-Analyseverlahren Partikel Mikropartikel

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Lichtmikroskope

Partikelgrößen weiter sinken. Die Reinigungsqualität der 8auteile wird im Fertigungsprozess derzeit mit Lichtmikroskop-8ildanalyse-Systemen bestimmt. Diese

Prinzip des Partikelanalysesystems (SEM)

Elektronenmikroskope

Steigender Informationsgehalt - Anzahl Partikel

- EDX-Analyse - Anzahl Partikel - Größenverteilung - rohe Genauigkeit (Tiefenscharte)

- aronenveneuum

liefern Informationen über die Partikelgrößenverteilung. Um innovative Reinigungsverfahren entwickeln zu können, sind neben der Partikelgrößenverteilung noch weitere Informationen über die Art der Partikel und deren

Der Elektronenstrahlund seine Wirkmg

••

chemischer Zusammensetzung erforderlich. Diese zusätzlichen Informationen sind durch Elektronenmikroskope zu erhalten. Partikelanalysesystem (SEM)

8ei Bosch ist ein Partikelanalysesystem auf 8asis eines Elektronenmikroskops (SEM) im Einsatz. Dieses System erlaubt die automatisierte Analyse von Partikeln, die auf einem Erzeugnis haften. Als Ergebnis der Analyse

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und Höntgenstrahlung aus einigen urn Tiefe

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aus einigen nm Tiefe

Warme

Primärer Elektronenstrahl 20kV

_ Rückstreuelektr ooen zum BSE-Dedekt or (bis 21).;;eV) _ Sekundärelektronen zum S E-Dedektor (einige eV) o Rootgenstrahlung zum EDX-Dedektor (bis 10keV)

erhält man die Partikelgrößenverteilung, die chemische Zusammensetzung der Partikel sowie Abbildungen der einzelnen Partikel. Mittels dieser Informationen ist es möglich, die Partikelquellen zu identifizieren und Maßnahmen einzuleiten, um bestimmte Partikeltypen zu vermeiden , zu reduzieren oder gezielt abzuwaschen. Die Lösungsansätze basieren also nicht auf dem vermehrten Einsatz von Reinigungstechnik, sondern auf der Restschmutzvermeidung und Restschmutzreduzierung während des Fertigungsprozesses. Mit dem automatisierten Partikelanalysesystem (SEM ) verfügt die Reinigungstechnik über ein Analysesystem, mit dem wichtige Informationen über die Art des Restschmut-

Detektion der Wechselwirkungzwischen Elektronenstrahl mo Probe SE-Detektor

Sekundärelektronen der Proberobertlache werden in Bildsignale umgewandelt - plastische Abbildung der Obenlache (REM-Bilder) aSE-Detektor

ROckstreuelektronen werden in Bildsignale umgewandelt ｾ Phasenzusammensetzung -e Tapa Ivbde plastische Abbildung EDX-Detektor

Charakteristische Pimtgenstrahlung wird in .enerqtedispersives"Spektrum umgewardelt -e Identifikation chemischer Elemente

I

33

34

I

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Injektor

Injektor

Elektronischen Dieselregelung (EDC) gesteuert. Hierzu sind an der Kurbelwelle und zur Zylindererkennung (Phasenerkennung) an der Nockenwelle zwei Drehzahlsensoren notwendig. Die Absenkung der Abgasemissionen sowie die stetige Geräuschreduzierung von Dieselmotoren erfordert eine optimale Gemischautbereitung, weshalb von Injektoren sehr kleine Voreinspritzmengen sowie Mehrfacheinspritzungen gefordert werden.

Beim Common Rail Dieseleinspritzsystem sind die Injektoren über kurze Hochdruck-Kraftstoffleitungen mit dem Rail verbunden. Die Abdichtung der Injektoren zum Brennraum erfolgt über eine Kupferdichtscheibe. Die Injektoren werden über Spannelemente im Zylinderkopf angebracht. Die Common Rail Injektoren sind je nach Ausführung der Einspritzdüsen für den Gerade-jSchrägeinbau in Direkteinspritzung-Dieselmotoren geeignet.

Derzeit sind drei verschiedene Injektortypen im Serieneinsatz. li>- Magnetventil-Injektor mit einteiligem Anker, li>- Magnetventil-Injektor mit zweiteiligem Anker, li>- Injektor mit Piezosteller.

Die Charakteristik des Systems ist die Erzeugung von Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge. Spritzbeginn und Einspritzmenge werden mit dem elektrisch ansteuerbaren Injektor gesteuert. Der Einspritzzeitpunkt wird über das Winkel-Zeit-System der Magnetve nti I-Inje ktor (Funkt io ns pri nzi p)

c

Bil d 1 Ruhezustand Injektor öffnet Injektor schließt

12

4

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1 Kraftstoffrücklauf 2 Magnetspule 3 Uberhubfeder 4 Magnetanker 5 Ventilkugel 6 Ventilsteuerraum 7 Düsenfeder

5 6 14

7

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15

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8 Druckschulter der Düsennadel 9 Kammervolumen

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8

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9 16

13 Hochdruck-

anschluss

ｾ

10

14 Zulaufd rossel 15 Ventilkolben (Steuerkolben)

16 Düsennadel

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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

Magnetventil-Injektor

Aufbau Der Injektor kann in verschiedene Funktionsblöcke aufgeteilt werden: li>- die Lochdüse (s. Kapitel "Einspritzdüsen"), li>- das hydraulische Servosystem und li>- das Magnetventil. Der Kraftstoffwird vom Hochdruckanschluss (Bild ta, Pos. 13) über einen Zulaufkanal zur Einspritzdüse sowie über die Zulaufdrossel (14) in den Ventilsteuerraum (6) geführt. Der Ventilsteuerraum ist über die Ablaufdrossel (12), die durch ein Magnetventil geöffnet werden kann, mit dem Kraftstoffrücklauf (1) verbunden. Arbeitsweise Die Funktion des Injektors lässt sich in vier Betriebszustände bei laufendem Motor und fördernder Hochdruckpumpe unterteilen: li>- Injektor geschlossen (mit anliegendem Hochdruck), li>- Injektor öffnet (Einspritzbeginn), li>- Injektor voll geöffnet und li>- Injektor schließt (Einspritzende). Diese Betriebszustände stellen sich durch die Kräfteverteilung an den Bauteilen des Injektors ein. Bei nicht laufendem Motor und fehlendem Druck im Rail schließt die Düsenfeder den Injektor.

Injektor geschlossen (Ruhezustand) Der Injektor ist im Ruhezustand nicht angesteuert (Bild 1a). Die Magnetventilfeder (11) presst die Ventilkugel (5) in den Sitz der Ablaufdrossel (12). Im Ventilsteuerraum baut sich der Hochdruck des Rail auf. Derselbe Druck steht auch im Kammervolumen (9) der Düse an. Die durch den Raildruck auf die Stirnflächen des Steuerkolbens (15) aufgebrachten Kräfte und die Kraft der Düsenfeder (7) halten die Düsennadel gegen die öffnende Kraft, die an deren Druckschulter (8) angreift, geschlossen.

Injektor öffnet (Einspritzbeginn) Der Injektor befindet sich in Ruhelage. Das Magnetventil wird mit dem "Anzugsstrom" angesteuert, was einem schnellen Öffnen des Magnetventils dient (Bild 1b). Die erforderlichen kurzen Schaltzeiten lassen sich durch eine entsprechende Auslegung der Ansteuerung der Magnetventile im Steuergerät mit hohen Spannungen und Strömen erreichen. Die magnetische Kraft des nun angesteuerten Elektromagneten übersteigt die Federkraft der Ventilfeder. Der Anker hebt die Ventilkugel vom Ventilsitz und öffnet nun die Ablaufdrossel. Nach kurzer Zeit wird der erhöhte Anzugsstrom auf einen geringeren Haltestrom des Elektromagneten reduziert. Mit dem Öffnen der Ablaufdrossel kann nun Kraftstoff aus dem Ventilsteuerraum in den darüber liegenden Hohlraum und über den Kraftstoffrücklauf zum Kraftstoffbehälter abfließen. Die Zulaufdrossel (14) verhindert einen vollständigen Druckausgleich, sodass der Druck im Ventilsteuerraum sinkt. Dies führt dazu, dass der Druck im Ventilsteuerraum kleiner ist als der Druck im Kammervolumen der Düse, der noch immer das Druckniveau des Rail hat. Der verringerte Druck im Ventilsteuerraum bewirkt eine verringerte Kraft auf den Steuerkolben und führt zum Öffnen der Düsennadel. Die Einspritzung beginnt. Injektor voll geöffnet Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel wird vom Durchflussunterschied zwischen der Zu- und Ablaufdrossel bestimmt. Der Steuerkolben erreicht seinen oberen Anschlag und verharrt dort auf einem Kraftstoffpolster (hydraulischer Anschlag). Das Polster entsteht durch den Kraftstoffstrom, der sich zwischen der Zuund Ablaufdrossel einstellt. Die Injektordüse ist nun voll geöffnet. Der Kraftstoff wird mit einem Druck, der annähernd dem Druck im Rail entspricht, in den Brennraum eingespritzt.

I

Inje ktor

I

35

36

I

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Injektor

Die Kräfteverteilung am Injektor ist ähnlich der Kräfteverteilung während der Öffnungsphase. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist bei gegebenem Druck proportional zur Einschaltzeit des Magnetventils und unabhängig von der Motor- bzw. Pumpendrehzahl (zeitgesteuerte Einspritzung). Injektor schließt (Einspritzende) Bei nicht mehr angesteuertem Magnetventil drückt die Ventilfeder den Anker nach unten, die Ventilkugel verschließt daraufhin die Ablaufdrossel (Bild lc). Durch das Verschließen der Ablaufdrossel baut sich im Steuerraum über den Zufluss der Zulaufdrossel wieder ein Druck wie im Rail auf. Dieser erhöhte Druck übt eine erhöhte Kraft auf den Steuerkolben aus. Diese Kraft aus dem Ventilsteuerraum und die Kraft der Düsenfeder überschreiten nun die Kraft auf die Düsennadel und die Düsennadel schließt. Der Durchfluss der Zulaufdrossel bestimmt die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel. Die Einspritzung endet, wenn die Düsennadel den Düsenkörpersitz wieder erreicht und somit die Spritzlöcher verschließt. Diese indirekte Ansteuerung der Düsennadel über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem wird eingesetzt, weil die zu einem schnellen Öffnen der Düsennadel benötigten Kräfte mit dem Magnetventil nicht direkt erzeugt werden können. Die dabei zusätzlich zur eingespritzten Kraftstoffmenge benötigte Steuermenge gelangt über die Drosseln des Steuerraums in den Kraftstoffrücklauf. Zusätzlich zur Steuermenge gibt es Leckagemengen an der Düsennadel- und der Ventilkolbenführung. Die Steuer- und die Leckagemengen werden über den Kraftstoffrücklauf mit einer Sammelleitung, an die auch Überströmventil, Hochdruckpumpe und Druckregelventil angeschlossen sind, wieder in den Kraftstoffbehälter zurückgeführt.

Kennfeldvarianten Kennfelder mit Mengenplateau Bei Injektoren wird im Kennfeld zwischen dem ballistischen und nichtballistischen Betrieb unterschieden. Der Verbund Ventilkolben/Düsennadel erreicht bei hinreichend langer Ansteuerdauer im Fahrzeugbetrieb den hydraulischen Anschlag (Bild 2a). Der Bereich, bis die Düsennadel den maximalen Hub erreicht, stellt den ballistischen Betrieb dar. Im Mengenkennfeld, bei dem die Einspritzmenge über die entsprechende Ansteuerdauer aufgetragen wird (Bild 2b), sind der ballistische und nichtballistische Bereich über einen Knick im Kennfeld voneinander getrennt. Ein weiteres Charakteristikum des Mengenkennfeldes ist das Plateau bei kleinen Ansteuerdauern. Dieses Plateau kommt durch das Prellen des Magnetankers beim Öffnen zustande. In diesem Bereich ist die Einspritzmenge unabhängig von der Ansteuerdauer. Dadurch können kleine Einspritzmengen stabil dargestellt werden. Erst nach abgeschlossenem Ankerprellen wird ein linearer Anstieg der Einspritzmenge mit zunehmender Ansteuerdauer erzielt. Einspritzungen mit kleiner Einspritzmenge (kleine Ansteuerdauer) werden als Voreinspritzung zur Geräuschminderung eingesetzt. Nacheinspritzungen dienen der Verbesserung der Rußoxidation in ausgewählten Betriebsbereichen. Kennfelder ohne Mengenplateau Die verschärfte Abgasgesetzgebung führte zur Anwendung der beiden Systemfunktionen Injektormengenabgleich (IMA) und Nullmengenkalibrierung (NMK)sowie kurze Spritzabstände zwischen Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung. Bei Injektoren ohne Plateaubereich kann über IMA im Neuzustand die Einspritzmenge der Voreinspritzung exakt eingestellt werden. Mithilfe der NMKkönnen die Mengendriften im unteren Druckbereich über die Laufzeit korrigiert werden. Notwendige Voraussetzung für die Anwendung dieser

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

bei den Systemfunktionen ist ein stetiger, linearer Mengenanstieg, d.h. der Entfall des Plateaus im Mengenkennfeld (Bild 2c). Wird zusätzlich der Verbund Ventilkolben/ Düsennadel im Nennbetrieb ohne Hubanschlag betrieben, dann handelt es sich hierbei um eine voll ballistische Arbeitsweise des Ventilkolbens ohne einen Knick im Mengenkennfeld.

eine Anpassung der Einstellparameter ist das Ankerschließprellen schneller abgeschlossen. Dadurch werden mit dem zweiteiligen Ankerkonzept kürzere Spritzabstände zwischen zwei Einspritzungen ennöglicht.

Injektorvarianten Bei den Magnetventil- Injektoren wird zwischen zwei verschiedenen Magnetventilkonzepten Düsennadelhübe und Mengenkennfe lde r eines Injektors mit Hubanschlag unterschieden: li>- Injektoren mit a einteiligem Anker - -.-.- - - - - - Verbund Ventilkolben/Düsennadel , am hydaulischen Anschlag (1-Feder-System), \ li>- Injektoren mit \...-- ncht baäistischer Berech zweiteiligem Anker \ (2-Feder-System).

t

----\-

Die kurzen Spritzabstände zwischen den Einspritzungen können sichergestellt werden, wenn der Anker beim Schließen sehr schnell in eine Ruheposition gelangt. Dies wird am Besten über einen zweiteiligen Anker mit Überhubanschlag realisiert. Beim Schließvorgang bewegt sich die Ankerplatte durch Formschluss nach unten. Das Durchfedern der Ankerplatte wird durch einen Überhubanschlag begrenzt, sodass der gesamte Anker schneller in eine Ruheposition gelangt. Durch die Entkoppelung der Massen beim Anker und

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-

bellistischer Berech

- -\ - - Stauchung durch Railduck

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Inje ktor

I

37

38

I

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Injektor

Ansteuerung des Magnetventil- Injektors Im Ruhezustand ist das Hochdruck-Magnetventil im Injektor nicht angesteuert und damit geschlossen. Der Injektor spritzt bei geöffnetem Magnetventil ein. Die Ansteuerung des Magnetventils wird in fünf Phasen unterteilt (Bilder 3 und 4).

Anzugsstrom wird mit einer Stromregelung auf ca. 20 A begrenzt.

Haltestromphase In der Haltestromphase wird der Strom auf ca. 13A abgesenkt, um die Verlustleistung im Steuergerät und im Injektor zu verringern. Beim Absenken von Anzugsstrom auf Haltestrom wird Energie frei. Sie wird dem Boosterspannungsspeicher zugeführt.

äffnungsphase Zum Öffnen des Magnetventils muss zunächst der Strom mit einer steilen, genau definierten Flanke auf ca. 20 A ansteigen, um eine geringe Toleranz und eine hohe Reproduzierbarkeit (Wiederholgenauigkeit) der Einspritzmenge zu erzielen. Dies erreicht man mit einer Boosterspannung von bis zu 50 V. Sie wird im Steuergerät erzeugt und in einem Kondensator gespeichert (Boosterspannungsspeicher). Durch das Anlegen dieser hohen Spannung an das Magnetventil steigt der Strom um ein Mehrfaches steiler an als beim Anlegen der Batteriespannung.

Abschalten Beim Abschalten des Stroms zum Schließen des Magnetventils wird ebenfalls Energie frei. Auch diese wird dem Boosterspannungsspeicher zugeführt. Nachladen über Hochsetzsteller Das Nachladen geschieht über einen im Steuergerät integrierten Hochsetzsteller. Bereits zu Beginn der Anzugsphase wird die in der Öffnungsphase entnommene Energie nachgeladen. Dies geschieht so lange, bis das ursprüngliche Energiepotenzial erreicht wird, das zum Öffnen des Magnetventils notwendig ist.

Anzugsstromphase In der Anzugsstromphase wird das Magnetventil von der Batteriespannung versorgt. Dies unterstützt das schnelle Öffnen. Der

Ansteuerse quenzen der Hochd ruckmagnetvent ile für eine Einspritzu ng

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Magnetventil strom I M

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Bild 3 a

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b

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EinspritzmengeQ

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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Inje ktor

I

39

40

I

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Injektor

Piezo-Inline-Injektor

Aufbau und Anforderungen Der Aufbau des Piezo- Inline- Injektors gliedert sich schematisch in die wesentlichen Baugruppen (Bild 5) .. Aktonnodul (3), .. hydraulischer Koppler oder Übersetzer (4), .. Steuer- oder Servoventil (5) und .. Düsenmodul (6). Bei der Auslegung des Injektors wurde darauf geachtet, dass eine hohe Gesamtsteifigkeit innerhalb der Stellerkette aus Aktor, hydraulischem Koppler und Steuerventil erreicht wird Eine weitere konstruktive Besonderheit ist die Vermeidung von mechanischen Kräften auf die Düsennadel, Konst ruk tive Ausfüh rung des Piezo-Inlin e-Inj ekto rs

3- - +-

4

• •

Bild 5

1 2

Kraftstoff rüc klauf Hochdruck-

ansemuss 3

Piezo-Stellmodul

4

hydraulischer Ko pp le r (Über-

se tze n 5

Servoventil

ｾ

(Ste ue rve ntil) 6

m it Düsennadel

7

ｾ

Düsenmodul Spri tz loch

7

ｾ Q

" ｾ

wie sie bei bisherigen Magnetventil- Injektoren über eine Druckstange auftreten können. In der Summe konnten damit die bewegten Massen und die Reibung wirkungsvoll reduziert und die Stabilität und Drift des Injektors gegenüber konventionellen Systemen verbessert werden. Zusätzlich bietet das Einspritzsystem die Möglichkeit, sehr kurze Abstände t.jrydrauhsch Null") zwischen den Einspritzungen zu realisieren. Die Anzahl und Ausgestaltung der Kraftstoffzumessung kann bis zu fünf Einspritzungen pro Einspritzzyklus darstellen und somit den Erfordernissen an den Motorbetriebspunkten angepasst werden. Durch die enge Kopplung des Servoventils (5) an die Düsennadel wird eine unmittelbare Reaktion der Nadel auf die Betätigung des Aktors erzielt. Die Verzugszeit zwischen dem elektrischen Ansteuerbeginn und der hydraulischen Reaktion der Düsennadel beträgt etwa 150 Mikrosekunden. Dadurch können die gegensätzlichen Anforderungen hohe Nadelgeschwindigkeiten mit gleichzeitiger Realisierung kleinster reproduzierbarer Einspritzmengen erfüllt werden. Analog zum Magnetventilinjektor wird zur Aktivierung einer Einspritzung eine Steuermenge über das Ventil abgesteuert. Bedingt durch das Design des Piezoinjektors beinhaltet der Injektor darüber hinaus keine direkten Leckagestellen vom Hochdruckbereich in den Niederdruckkreis. Eine Steigerung des hydraulischen Wirkungsgrads des Gesamtsystems ist die Folge. Arbeitsweise Funktion des 3/2-Servoventils im eR-Injektor Die Düsennadel in der Düse wird bei dem Piezo-Inline-Injektor über ein Servoventil indirekt gesteuert. Die gewünschte Einspritzmenge wird dabei über die Ansteuerdauer des Ventils geregelt. Im nicht angesteuerten Zustand befindet sich der Aktor in der Ausgangsposition mit geschlossenem Servoventil (Bild 6a). Das heißt, der

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

Hochdruckbereich ist vom Niederdruckbereich getrennt. Die Düse wird durch den im Steuerraum (3) anliegenden Raildruck geschlossen gehalten. Durch das Ansteuern des Piezoaktors öffnet das Servoventil und verschließt die Bypassbohrung (Bild 6b, Pos. 6). Über das Durchflussverhältnis von Ablauf- (2) und Zulaufdrossel (4) wird der Druck im Steuerraum abgesenkt und die Düse (5) geöffnet. Die anfallende Steuermenge fließt über das Servoventil in den Niederdruckkreis des Gesamtsystems. Um den Schließvorgang einzuleiten wird der Aktor entladen und das Servoventil gibt den Bypass wieder frei. Über die Zulauf- und Ablaufdrossel in Rückwärtsrichtung wird nun der Steuerraum wieder befüllt und der Steuerraumdruck erhöht. Sobald das erforderliche Druckniveau erreicht ist, beginnt die Düsennadel sich zu bewegen und der Einspritzvorgang wird beendet. Bedingt durch die oben beschriebene Ventilkonstruktion und der höheren Dynamik des Stellsystems ergibt sich gegenüber Injektoren mit konventioneller Bauart, d.h. Druckstange und 2/2-Ventil, eine deutlich verkürzte Spritzdauer, was sich günstig auf Emissionen und Motorleistung auswirkt.

I

Inje ktor

I

41

Aufgrund der motorischen Anforderungen in Bezug auf EU4 wurden die Injektorkennlinien auf den Einsatz von Korrekturfunktionen (Injektonnengenabgleich, IMA, und Nullmengenkalibrierung, NMK) optimiert. So kann die Voreinspritzmenge beliebig nachgeführt und durch den vollballistischen Betrieb die Mengenstreuungen im Kennfeld über IMA minimiert werden (Bild 7).

-'-7

Einspr it zmengenkennfe Id des Piezo-I nline-Injektors

nm '' Hob

100

t

80

0

ｾ

i

_oＲ Ｌ ｾ ____0.:.3.J'

60

c

W

40

Bild 7 Einspritzmengen bei unterschied lichen Ein-

20

sp r itzdrücken 1600 bar

0,4

b

1200 bar

d

800 bar

0,8

Ansteuerdauer ____

1000 bar 250 bar Bild 6

Funkt io n des Servoven tils

Startpos ition

a

b

b

Düsennadel öffnet (Bypass gesch lossen, normale Funktion mit Ablaufund Zulaufdrosse l)

2-

-

-

-.

Düsennadel sch ließt (Bypass offen , Funkt io n m it zwei

4

Zulaufd rosseIn) Servovent il (Steuerve nti I)

5- --==" _

Raildruck

[==::J Lecköldruck

c::::J

Steuerraumdruck

2 3

Ab laufd ros sel

4

Zulaufdrosse l

5

Düsennade l

6

By pass

ste uerraum

42

I

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Injektor

Funktion des hydraulischen KoppZers Ein weiteres wesentliches Bauelement im Piezo- Inline- Injektor ist der hydraulische Koppler (Bild 8, Pos. 3), der folgende Funktionen erfüllen muss: .. Übersetzung des Aktorhubs, .. Ausgleich eines eventuell vorhandenen Spiels (z. B. durch Wännedehnung) zwischen Aktor und Servoventil, .. Fail-safe- Funktion (selbsttätige Sicherheitsabschaltung der Einspritzung im Fehlerfall einer elektrischen Dekontaktierung).

Das Aktonnodul und der hydraulische Koppler sind von Dieselkraftstoffumgeben, der über den Systemniederdruckkreis am Rücklauf des Injektors unter einem Druck von ca. 10 bar steht. Im nicht angesteuerten Zustand des Aktors steht der Druck im hydraulischen Koppler im Gleichgewicht mit seiner Umgebung. Längenänderungen aufgrund von Temperatur-

einflüssen werden durch geringe Leckmengen über die Führungsspiele der beiden Kolben (Bild 8) ausgeglichen, sodass zu jedem Zeitpunkt eine Kraftkoppelung zwischen Aktor und Schaltventil erhalten bleibt. Um nun eine Einspritzung zu erzeugen wird der Aktor so lange mit einer Spannung (110...150 V)beaufschlagt, bis die Öffnungskraft am Schaltventil überschritten wird. Dadurch steigt der Druck im Koppler an und eine geringe Leckagemenge fließt über die Kolbenführungsspiele aus dem Koppler in den Niederdruckkreis (10 bar) des Injektors. Bei mehrfacher, kurz aufeinander folgender Betätigung des Kopplers von bis zu mehreren Millisekunden « 2 ms) ergeben sich keine Auswirkung auf die Funktion des Injektors. Nachdem der Einspritzvorgang beendet ist, wird die Fehlmenge im hydraulischen Koppler wieder aufgefüllt. Dies geschieht nun in umgekehrter Richtung über die

Funkt io n des hydraulischen Kopplers

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...

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Wiederbefüllung PK Psystem

Zeit t -----..

ｾ

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z ｾ

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Inje ktor

I

43

Vorteile des Piezo- Inline -Injek tors Mehrfacheinspritzung mit flexiblem Einspritzbeginn und Abständen zwischen den Einzeleinspritzungen, li>- Darstellung sehr kleiner Einspritzmengen für die Voreinspritzung, li>- geringe Baugröße und niedriges Gewicht des Injektors (270 g gegenüber 490 g), li>- niedriges Geräusch (-3 dB [Al), li>- Verbrauchsvorteil (-3%), li>- geringere Abgasemissionen (-20%), li>- Steigerung der Motorleistung (+7 %).

Führungsspiele der Kolben durch den Druckunterschied zwischen hydraulischem Koppler und Niederdruckkreis des Injektors. Die Abstimmung der Führungsspiele und Niederdruckniveaus ist so gewählt, dass vor dem nächsten Einspritzzyklus der hydraulische Koppler wieder vollständig aufgefüllt ist.

li>-

Ansteuerung des Common Rail Piezo Inline -Inj ektors Die Ansteuerung des Injektors erfolgt über ein Motorsteuergerät, deren Endstufe speziell für diese Injektoren entwickelt wurde. Abhängig vom Raildruck des eingestellten Betriebspunkts wird eine Sollansteuerspannung vorgegeben. Die Bestromung erfolgt Ansteuersequen zen des pulsförmig (Bild 9), bis eine minimale Abweichung zwischen a Soll- und Regelspannung, gemessen am Aktor, erreicht wird. Die dafür erforderliche Energie wird aus einem Buffer-Kondensator innerhalb des Steuergeräts bereitgestellt.

Piezo-In line-Inje kto rs für eine Einspr itz ung

Spannung

t

Strom

b

jy--

-

-

..., Ventilhub

t

Kcoplercruck

c Bild 9 Strom- und

t

Spannungsverlauf bei Ansteuem des Injektors b

Verlauf des Venti lhubs und des

- 0,5

0,0

0,5

1,0

Zeitt - . .

1,5

Kopp lerd rucks c

Verlauf des Vent il hubs und der Einspr itzrate

44

I

Der Piezo-Effekt

"i:1

Der Piezo Effekt

Pierre Curie und sein Bruder Jacques ent-

Die Längenänderung ßX ergibt sich bei einer

deckten 1880 ein Phänomen, das zwar nur

angelegten Spannung U aus :

wenigen bekannt ist , aber heute Millionen Menschen täglich begleitet: den piezo-

U/6 '= ßX (Beispiel Quarz : Deformation von etwa 10-9 cm bei U = 10 V)

elektrischen Effekt. Er hält z. B. die Zeiger Der Piezo -Effekt w ird nicht nur in Quarz-

der Quarzuhr im Takt.

uhren und Piezo-Inline-Injektoren genutzt, Bestimmte Kristalle (z. B. Quarz und Turma-

sondern hat - als direkter oder inverser

lin) sind pie zoelektrisch: Durch Stauchung

Piezoeffekt - eine Vielzahl weiterer tech -

oder Streckung entlang bestimmter Kristall-

nischer Anwendungen:

achsen werden elektrische Ladungen auf der

Prinzip des

Piezoelektrische Sensoren werden z. B.

Kristalloberfläche induziert. Diese elektrische

zur Klopfregelung im Ottomotor eingesetzt,

Polarisierung entsteht dadurch, dass sich die positiven und negativen Ionen im Kristall

wo sie hochfrequente Schwingungen des Motors als Merkmal für klopfende Verbren-

unter der Krafteinwirkung relativ zueinander

nung detektieren. Die Umwandlung von

verschieben (s. Bild, Pos. b). Im Inneren

mechanischer Schwingung in elektrische

des Kristalls gleichen sich die verschobenen

Spannungen wird auch im Kristall-Tonab-

Ladungsschwerpunkte aus, zwischen den

nehmer des Plattenspielers oder bei Kristall -

Stirnflächen des Kristalls jedoch entsteht ein

mikrofonen genutzt. Beim Piezo-Zünder

elektrisches Feld. Stauchung und Dehnung des Kristalls erzeugen umgekehrte Feldrich-

Druck die zur Funkenerzeugung benötigte

(z. B. im Feuerzeug) ruft ein mechanischer Spannung hervor. Legt man andererseits eine Wechsel -

tungen. Wird andererseits an die St irn f lächen des

Piezo-Effekts (dargeste llt an eine r

Kristalls eine elektrische Spannung angelegt,

spannung an einen Piezo-Kristall, so schwingt

Einheit szelle)

so kehrt sich der Effekt um (inverser Piezo-

er mechanisch mit der Frequenz der Wechsel -

b

Effekt): Die positiven Ionen werden im elek-

spannung. Solche Schwingquarze werden z.B.

Quarzk rista ll Si0 2

trischen Feld in Richtung zur negativen Elekt-

als Stabilisatoren in elektrischen Schwing-

rode hin verschoben, die negativen Ionen zur

kreisen eingesetzt oder als piezoelektrische

Piezo-Effekt:

positiven Elektrode hin. Dadurch kontrahiert

Schallquelle zur Erzeugung von Ultraschall.

Bei Stauchung des Krista lls schie ben sich d ie negativen

oder expandiert der Kristall je nach Richtung der elektrischen Feldstärke (s. Bild , Pos. c).

Für den Einsatz als Uhrenquarz wird der Schwingquarz mit einer Wechselspannung angeregt, deren Frequenz einer Eigenfre-

o e-tonen nach ob en, di e positive n

Für die piezoelektrische Feldstärke E p gilt:

quenz des Quarzes entspricht. So ent st eht

Sie-Io nen nach

Ep

eine zeitlich äußerst konstante Resonanz -

unten :

ßX/x: relative Stauchung bzw. Dehnung piezoelektrischer Koeffizient, 6:

an der Krista ll-

=

o ber fl äche we rden

6-ßx!x

schwingung, deren Abweichung bei einem geeichten Quarz ca. 1/1000 Sekund e pro

Zahlenwerte 10 9 V/cm bis 10 11 V/cm

Jah r beträgt.

elektr isc he Lad unge n ind uzier t inverse r PiezoEff e kt :

a

ｾ

c

ｾ

+

Durc h d ie ange legte elektr ische Spannung werde n o e-ton en nach o ben, Sie-Ionen nach unten verschoben: der Krista ll ko ntra hiert.

+

---,------,--+

+ - +

+

+

(I)

t

». 0

ｾ

0

z

ｾ

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

Hochdruckpumpen Anforderungen und Aufgabe

Die Hochdruckpumpe ist die Schnittstelle zwischen dem Nieder- und dem Hochdruckteil. Sie hat die Aufgabe, immer genügend verdichteten Kraftstoffin allen Betriebsbereichen und über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs bereitzustellen. Das schließt das Bereitstellen einer Kraftstoffreserve mit ein, die für einen schnellen Startvorgang und einen raschen Druckanstieg im RaHnotwendig ist. Die Hochdruckpumpe erzeugt permanent, unabhängig von der Einspritzung, den Systemdruck für den Hochdruckspeieher (Rail). Deshalb muss der Kraftstoff im Vergleich zu herkömmlichen Einspritzsystemen - nicht im Verlauf der Einspritzung komprimiert werden. Als Hochdruckpumpe für die Druckerzeugung dienen für Pkw-Systeme 3-, 2- und 1-Stempel-Radialkolbenpumpen. Bei Nkw werden auch 2-Stempel-Reihenpumpen eingesetzt. Diese Bezeichnungen geben die Anzahl der Pumpenelemente an. Die Hochdruckpumpe ist vorzugsweise an derselben Stelle wie konventionelle Verteilereinspritzpumpen am Dieselmotor angebaut. Sie wird vom Motor über Kupplung, Zahnrad, Kette oder Zahnriemen angetrieben.

CPl CP1+ CP1 H CP1 H-OHW

1350 135 0 160 0/18 00 11 0 0

Krafts toff Kraftstoff Kraftstoff Kraftstoff

CP3 ,2 CP3,2+ CP3,3 CP3.4 CP3.4+

160 0 160 0 160 0/18 00 160 0 160 0

Kraftstoff Kraftstoff Kraftstoff Öl Kraftstoff

CP2 CPN2,2 CPN2,2+ CPN2.4

140 0 160 0 160 0 160 0

Öl Öl Öl Öl

CP4,1 CP4,2

180 0/ 20 00 180 0/ 20 00

Kraftstoff Kraftstoff

I

Hochdruckpumpen

Die Pumpendrehzahl ist somit mit einem festen Übersetzungsverhältnis an die Motordrehzahl gekoppelt. Die Pumpenkolben innerhalb der Hochdruckpumpe komprimieren den Kraftstoff. Mit drei Förderhüben pro Umdrehung ergeben sich bei der Radialkolbenpumpe außer bei der CP4 - überlappende Förderhübe (keine Unterbrechung der Förderung), geringe Antrieb-Spitzendrehmomente und eine gleichmäßige Belastung des Pumpenantriebs. Das Drehmoment erreicht bei Pkw-Systemen mit 16 Nm nur etwa 1/9 des für eine vergleichbare Verteilereinspritzpumpe benötigten Antriebsmoments. Damit stellt Common Rail an den Pumpenantrieb geringere Anforderungen als konventionelle Einspritzsysteme. Die zum Pumpenantrieb notwendige Leistung wächst proportional zum eingestellten Druck im Rail und zur Drehzahl der Pumpe (Fördennenge). Bei einem 2-Liter- Motor nimmt die Hochdruckpumpe bei Nenndrehzahl und einem Druck von 1350 bar im Rail (bei einem mechanischen Wirkungsgrad von ca. 90 %) eine Leistung von 3,8 kW auf. Die für Pkw eingesetzten HochdruckRadialkolbenpumpen werden mit Kraftstoff geschmiert. Bei den Nkw-Svstemen kommen kraftstoff- oder ölgeschmierte Radialkolbenpumpen, aber auch ölgeschmierte 2-Stempel-Reihenpumpen zum Einsatz. Ölgeschmierte Pumpen bieten eine größere Robustheit gegenüber schlechter Kraftstoffqualität. Hochdruckpumpen werden in verschiedenen Ausführungen in Pkw und Nkw eingesetzt. Innerhalb der Pumpengenerationen gibt es Ausführungen mit unterschiedlicher Förderleistung und Förderdruck (Tabelle 1). Tab ell e 1 H

erhöhter Druck bereich höhere Förderleistung

OHW Off-Hi ghway

I

45

46

I

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Hoc hd ruckpumpen

Radialkolbenpumpe CPl Aufba u Im Gehäuse der CP1 ist zentral die Antriebswelle (Bild 1, Pos. 1) gelagert. Radial dazu sind jeweils um 120 versetzt die Pumpenelemente (3) angeordnet. Der auf den Exzenter der Antriebswelle aufgesetzte Polygonring (2) zwingt die Pumpenkolben zur Auf- und Abbewegung. 0

Die Kraftübertragung zwischen Exzenterwelle und Pumpenkolben erfolgt über die Laufrolle, einen auf dem Exzenter der Welle gelagerten Gleitring, und die am Kolbenfuß befestigte Kolbenfußplatte. Arbeitsweise Kraj'tstof]Tdrderung und Komprimierung

Die vorförderpumpe - eine Elektrokraftstoffpumpe oder eine mechanisch angetriebene Zahnradpumpe - fördert Kraftstoffüber ein Filter mit Wasserabscheider zum Zulauf der Hochdruckpumpe (6). Bei Pkw-Systemen mit einer an der HochdruckHoc hd ruckp umpe CPl (Schema, Quersch nitt )

Bild 1 1

Antriebswelle

2

Polygonring

3

Pumpenelement

4

Ansaugventil (Einlassve nti I)

5

Auslassventil

6

Kraftstoffzulauf

7

Kolbenfußplatte

mit Exzenter

mit Pumpe nkolben

pumpe angeflanschten Zahnradpumpe befindet sich der Zulauf innerhalb der Pumpe. Hinter dem Zulaufist ein Sicherheitsventil angeordnet. Überschreitet der Förderdruck der vorförderpumpe den Öffnungsdruck (0,5 bis 1,5 bar) des Sicherheitsventils, so wird der Kraftstoff durch dessen Drosselbohrung in den Schmierund Kühlkreislauf der Hochdruckpumpe gedrückt. Die Antriebswelle mit ihrem Exzenter bewegt die drei Pumpenkolben entsprechend dem Exzenterhub auf und ab. Kraftstoffgelangt durch das Einlassventil (4) der Hochdruckpumpe in denjenigen Elementraum, bei dem sich der Pumpenkolben nach unten bewegt (Saughub). Wird der untere Totpunkt des Pumpenkolbens überschritten, so schließt das Einlassventil und der Kraftstoff im Elementraum kann nicht mehr entweichen. Er kann nun über den Förderdruck der Vorförderpumpe hinaus komprimiert werden. Der sich aufbauende Druck öffnet das Auslassventil (5), sobald der Druck im Rail

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cr rcu-h r ist; der komprimierte Krilflsl off gela ng t in d en It orhdruck kre!s. Die Hoch dnu-kansrhlüsse de r d rei l'u mperu-lcmcnu- sind lnnerhalh des I' ump t'n gt'h äu scs zusammengefass t, sodass nu r ei ne Hor-lulnn-kh-ltuug zu m Hai! fü hrt . Der Pumpenkolben för dert so I,mgt' Kra üs tof f h is der olwre Totp unkt ,'r r,'ich l wird (Förd crhub j.Danach fällt der Druck ab, sod ass das Auslassve ul il schließt . ncr im T01Vo lu l11,'n vcrhleihcnrh- Kraf tst off ents pa nnt s it'il; de r Pumpenkolben b,'w,'W sich narh unte n. Untcrsch rl'i ld tier Druck im EleIlWT11 · raunt den vor fönk-nlruck, iiffllt'l das ｾ Ｚ ｩｬ ﾭ lassvt'l1t il wieder und der- Vo rgan g h eginnt vo n III'U t' III. Ohers e tzu ngsver hälr nis lfie- Fiird'>rlllt'ug'>l'i nt'r Hor-hdrur-kp umpe ist prop onlonalzu Ihrer ltr t'hz ahl.Die Pumpendrehzahl isl wn-dcru m abhängf g VO ll lief Moto rd reh zahl. Sie wird bei th-r Ap plikation des Eillsprilzsyslt' ms an de n

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d es Common Rail Syotems

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HVt' rd id llllllg ,' ing,'h rad llt, Ener gte w r llln ' n; de-r Ges arutwirk ungs gr ad sink t. llils Ko r up r tmk-ren un d ansc hlit'1\e lldl.' Enls pillllll' n de s Kraftstoffs füh rt aurh zu m AuOlt'izt'n dt' s Krartslo ffs.

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Hochd ruckp umpe CP I , V.rianle mil angebaUlem Druüregelvt!"lil (3-D-O. rslellu ng)

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Bild 2 1 Flansch 2 Pumpengehäuoe 3 Zyli"de rkopf 4 Zulau fa"schlu.s-

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48

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Hoc hdr uc kkom p on . nt. n d.s Common Rail Sys '"", ,

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fbchdruckpu",p"n

Radi alko lb enpumpe C P 1 H .\1od ifika li o lll' lI Ein e Verbes serung d es energ erisc hen wirkungsgradcs ist d u rc h eine kr attstoff-

zulaufsctngc (sa ugscingc) Mengenregehm g d e r Ho ch druckp umpe rnö ghch.Hier bei wird der in di p Pumpenele ment e Ilie ｉ ｾ ｮ ､ ｦＧ Kra ft stnff d u rc h e in s tu fe nlos

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Aulbau der lumcs",inhe il

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10 Obe"t'Öf"",ntil Ｗｵｬｾ ｌｬｦｾ Ｂ ....illrr.. - einem Aluminiumgehäuse (2), das nur mit Niederdruck beaufschlagt ist, li>- ein bzw. zwei Pumpenelementen mit hochdruckfesten Zylinderköpfen (7) aus Stahl mit integriertem Hochdruckventil und Hochdruckanschluss sowie li>- einem Nockentriebwerk mit Rollenstößel (9), der die Drehbewegung der Nockenwelle (5) über die Nocken (12, Doppelnocken mit 180°-Versatz) in eine Hubbewegung des Hochdruckkolbens (8) im Zylinderkopfüberträgt. Die Nockenwelle wird im Anbauflansch und Gehäuse in zwei Gleitlagern geführt. Der Hochdruck wird im Pumpenelement erzeugt. Abhängig vom Hubraum und der Zylinderanzahl des Motors sowie dem Übersetzungsverhältnis werden 1- oder 2-Stempel-Pumpen eingesetzt. Um den Kraftstoftbedarfvon größeren Motoren zu decken, sind zwei Pumpenelemente erforderlich. Bei der 2-Stempel-Ausführung sind die Pumpenelemente in v-Form im 90°-Winkel zueinander angeordnet. Die große Überdeckungslänge zwischen Zylinderwand und Pumpenkolben führt zu geringen Leckageverlusten beim Komprimieren des Kraftstoffs. Zum anderen führen kurze Leckagezeiten durch die hohe Förderfrequenz (zwei Hübe pro Umdrehung pro Kolben) und das kleine Totvolumen im Zylinderkopf zu einer weiteren Wirkungsgradoptimierung der CP4 und damit zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Durch die 90° V-Anordnung der Zylinderköpfe bei der 2-Stempel- Pumpe gibt es keine Überlappung der Saughübe. Somit ist die Füllung der beiden Pumpenelemente identisch (Gleichförderung). Die CP4 führt keinen Hochdruck innerhalb des Gehäuses, sodass keine hochdruck- bzw. festigkeitssteigernden Maß-

I

Hochd r uc kpumpen

I

51

nahmen für das Gehäuse erforderlich sind. Sie hat nur sehr wenige Hochdruckverschneidungen im Zylinderkopf (d h. scharfkantige Bereiche durch Zusammentreffen mehrerer Bohrungen), die die Bauteile schwächen. Die gesamte Anzahl der Hochdruck- und Niederdruckschnittstellen im Pumpengehäuse ist aufgrund der geringeren Anzahl der Pumpenelemente signifikant reduziert. Die CP4 gibt es in EKP- und in ZP-Ausführung. Erstere arbeitet mit einer Elektrokraftstoffpumpe (EKP) als Vorförderpumpe, bei der ZP-Version ist die mechanische Zahnradpumpe (ZP) an der CP4 hinten angeflanscht. Die CP4 ist gleichermaßen für Rechts- und Linkslauf geeignet. In der Vorzugsausführung mit EKPist dazu keine Anpassung erforderlich. Die Verbindung vom Hockdruckanschluss zum Rail erfolgt mittels einer bzw. - bei der 2-Stempel-Pumpe - mit zwei Hochdruckleitungen. Der Hochdruck wird hier nicht wie bisher im Gehäuse zusammengefasst, sondern direkt vom Zylinderkopf nach außen geführt. Das Gehäuse muss daher nicht hochdruckfest sein.

Hoc hd ruckpu mpe CP4 (Aufbau )

Bild 8 1 Zumesseinheit (ZME) mit Magnetpro po rtion aIventil (MPROP) 2 Gehäuse 3 Anbauflansch 4 Gleitlager 5 Antriebswelle ( Nockenwelle ) 6 Wellendichtring 7 Zylinderkopf 8 Pumpenkolben 9RoilenstößeI 10 Rollenschuh 11 Laut rolle 12 Doppelnocken

52

I

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Hoc hd r uckpumpen

Arbeitsweise Niederdruckkreis Der gesamte von der Vorförderpumpe geförderte Kraftstoffwird durch den CP4Innenraum zum Überströmventil und zur Zumesseinheit (ZME,Bild 8, Pos. 1» geführt. Damit ist die zur Schmierung und Kühlung genutzte Kraftstoffmenge größer als bei den bisherigen Pumpen. Dadurch ist eine besonders effektive Kühlung der Pumpe möglich. Das Überströmventil steuert den Niederdruck vor, stellt damit ein definiertes Druckgefälle über die bei den Lager für gute Schmierung sicher und vermeidet Unterdruck in den Lagern bis zu hohen Drehzahlen. Der gesamte Niederdruckpfad ist aufgrund großer Querschnitte entdrosselt, sodass die Befüllung der Pumpenelemente auch bei hohen Drehzahlen sicher gewährleistet ist. Die Mengenzumessung erfolgt niederdruckseitig wie z. B. bei der CP3 mittels Zumesseinheit (ZME). H echdruckkreis

Der von der Zumesseinheit vorgesteuerte Kraftstoff gelangt in der Saugphase durch

das Saugventil (Bild 9, Pos. 3) in den Elementraum und wird während der anschließenden Förderphase auf Hochdruck verdichtet und durch das Rückschlagventil (6) und die Hochdruckleitung ins Rail gefördert. Synchronisierung Für die einspritzsynchrone Förderung ist jedem Motorzylinderhub individuell ein Pumpenelementhub zugeordnet. Während zwei Kurbelwellenumdrehungen muss die CP4 so oft fordern, wie Motorzylinder vorhanden sind. Daraus ergeben sich abhängig von der Zylinderzahl und der Pumpenausführung (Anzahl der Pumpenelemente) definierte Übersetzungsverhältnisse zwischen Motor- und Pumpendrehzahl (1,3/4,1/2,5/8).

Durch einen orientierten Anbau der Pumpe an den Motor (definierte Phasenorientierung zur Motorkolbenstellung) ergibt sich weiteres Potenzial zur Reduzierung der Einspritzmengenstreuung von Injektor zu Injektor bzw. von Motor zu Motor. Die Phasenlage wird so gewählt, dass zum Zeitpunkt der Einspritzung der Druckgradient der Pulsation im Rail gering ist. Dadurch ist bei einer leichten Verschiebung des Einspritzzeitpunktes die Mengenstreuung klein. Vorteile der CP4 Raildruck von über 2000 bar möglich für zukünftige Anwendungen. li>- Geringe Einspritzmengenstreuungen. li>- Auslegung für höchste Drehzahlen. li>- Aluminiumgehäuse muss nicht hochdruckfest sein, dadurch ist eine Gewichtsreduzierung gegenüber bisherigen Pumpen möglich. li>- Verringerte Verlustleistung führt zu Verbrauchsoptimierung. li>- Zwei Hübe pro Umdrehung durch Doppelnocken: Dadurch ist eine größere Fördennenge mit weniger Pumpenelementen möglich (CP3 hat drei Pumpenelemente). Der Aufbau der Pumpe ist aufgrund weniger Bauteile einfacher. li>-

Bild 9 1

Zy1inderkopf

2

Dichtscheibe

3

Saugve nt il (Einlassve nt iI)

4

Yersch lusss chra ube

5

0 -Ring

6

Rücksch lagventil

7

Dr uckfe de r

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Federha lter

(RSY) mit Kalotte

P = PZuiau Federraum SaugventH P $I PZuIa'. c:::J RSV-Bereich und RaH p. Pm""

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

Reihenkolbenpumpe CPN2 Arbeitsweise Bewegt sich der Pumpenkolben vom Aufba u Die ölgeschmierte, mengengeregelte Hochoberen Totpunkt in Richtung unteren Totdruckpumpe CPN2 kommt nur im Nkwpunkt, öffnet aufgrund des Kraftstoffdrucks (Vorförderdruck) das Einlassventil Bereich zur Anwendung. Es handelt sich (9). Infolge der Abwärtsbewegung des um eine 2-Stempel-Pumpe in ReihenbauPumpenkolbens wird der Kraftstoff in den art, d h., die bei den Pumpenelemente sind nebeneinander angeordnet (Bild 10). Für Elementraum gesaugt. Das Auslassventil Sonderanwendungen gibt es auch Varian(8) wird durch die Ventilfeder geschlossen. ten mit vier Pumpenelementen in ReihenBei der Aufwärtsbewegung des Pumpenanordnung. kolbens schließt das Einlassventil und der eingeschlossene Kraftstoffwird verdichDer Federteller verbindet den Pumpenkolben (20) formschlüssig mit dem Rollentet. Bei Erreichen des Raildrucks öffnet stößel (19). Über die Nocken (16) wird die das Auslassventil und der Kraftstoffwird Rotationsbewegung der Nockenwelle (17) über den Hochdruckanschluss (5) ins Rail in eine Hubbewegung der Pumpenkolben gefordert. Dadurch erhöht sich der Druck umgesetzt. Die Kolbenfeder (11) sorgt im Rail, sodass es zu Druckpulsationen kommt. Der Raildrucksensor misst den für die Rückführung des Pumpenkolbens. Oben am Pumpenelement ist das kombiDruck, die Elektronische Dieselregelung (EDC)berechnet daraus die Ansteuernierte Ein-/Auslassventil aufgesetzt. signale (PWM) für die Zumesseinheit. In der Verlängerung der Nockenwelle Diese regelt die zur Verdichtung bereitgebefindet sich die ins Schnelle übersetzte Zahnrad-vorförderpumpe (14), die den stellte Kraftstoffmenge entsprechend dem Kraftstoff über den Kraftstoffeinlass (12) aktuellen Bedarf. aus dem Tank ansaugt und über • Hochd r uc kpumpe CPN2-Ausführ ung den Kraftstoffauslass (13) zum Kraftstoff-Feinfilter leitet. Von 2 3 4 5 dort gelangt er über eine weitere Leitung in die im oberen Bereich der Hochdruckpumpe angeordnete Zumesseinheit (ZME,Pos 2; Kraftstoffeinlass, Pos. 3). Die Versorgung mit Schmieröl erfolgt entweder direkt über den Anbautlansch der CPN2 oder einen seitlichen Zufluss. Der Schmierölrücklauf erfolgt über den vorderen Antriebslagerdeckel in die Ölwanne des Motors. Die Antriebsübersetzung beträgt 1:2. Damit ist die CPN2 anbaukompatibel mit konventionellen Reiheneinspritzpumpen.

I

Hochd r uc kpumpen

I

Bild 10 1 Drehzah lsensor ( Pumpend rehzahI) 2 Zumessein heit, ZME (Magn etp ro po rt iona lve nti l, MPROP) 3 Kraft stoffz ulauf für Zumesse inhe it (vom Kraftstofff ilte r) 4 Kraft stoffrück lauf zum Kraftstoffbehälter 5 Hochdr uckanschlus s 6 Vent ilkörpe r 7 Vent ilhalte r 8 Auslassve ntil mit Vent ilfeder 9 Einlassvent il mit Vent ilfeder 10 Kraft stoffzu lauf zum Pumpe neleme nt 11 Kolbe nfeder 12 Kraft stoffzu lauf (vom Kraftstoffbehälte r) 13 Kraft sto ff auslass zum Kraft stofffilter 14 ZahnradVorf ö rde rp umpe 15 Überströmve nt il 16 konkaver Nocken 17 Nockenwe lle 18 Rollenb olzen mit

12

13

14

15 16

17

18 19 20

21

Rolle

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19 Rol lenstöße l

Q

20 C-besch ich teter

z ｾ

53

Ko lben 21 Anbauf lansch

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I

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Rail (Hochd ruckspeicher)

Rail (Hochdruckspeicher)

Der von der Hochdruckpumpe verdichtete Kraftstoffwird über eine Kraftstoff- Hochdruckleitung in den Zulauf (4) des Rail geleitet. Von dort wird er auf die einzelnen Injektoren verteilt (daher der Begriff "Common Rail", d.h. gemeinsame Schiene).

Aufgabe Der Hochdruckspeicher (Rail) hat die Aufgabe, den Kraftstoffbei hohem Druck zu speichern. Dabei sollen Druckschwingungen, die durch die pulsierende Pumpenförderung und die Einspritzungen entstehen, durch das Speichervolumen gedämpft werden. Damit ist sichergestellt, dass beim Öffnen des Injektors der Einspritzdruck konstant bleibt. Einerseits muss das Speichervolumen groß genug sein, um dieser Anforderung gerecht zu werden. Andererseits muss es klein genug sein, um einen schnellen Druckautbau beim Start zu gewährleisten. Zur Optimierung werden in der Auslegungsphase Simulationsrechnungen durchgeführt. Neben der Funktion der Kraftstoffspeicherung hat das Rail auch die Aufgabe, den Kraftstoff auf die Injektoren zu verteilen.

Der Kraftstoffdruck wird vom Raildrucksensor (5) gemessen und über das Druckregelventil (2) auf den gewünschten Wert geregelt. Das Druckbegrenzungsventil wird - abhängig von den Systemanforderungen - als Alternative zum Druckregelventil eingesetzt und hat die Aufgabe, den Kraftstoffdruck im Rail auf den maximal zulässigen Druck zu begrenzen. Über die Hochdruckleitungen (6) wird der hochverdichtete Kraftstoffvom Rail zu den Injektoren geleitet. Das im Rail vorhandene Volumen ist ständig mit unter Druck stehendem Kraftstoff gefüllt. Die durch den hohen Druck erreichte Kompressibilität des Kraftstoffs wird ausgenützt, um einen Speichereffekt zu erhalten. Wird nun Kraftstofffür eine Einspritzung aus dem Rail entnommen, bleibt der Druck im Hochdruckspeicher selbst bei Entnahme von größeren Kraftstoffmengen nahezu konstant.

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

Common Rail mit Anbaukomponenten

4

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Bild 1 1

Rail

2

Druckregelventi l

3

Rücklaufvom Rail zum Kraftstoff-

2

behälter 4

Zulauf von der

5

Raildrucksensor

Hochdruckpumpe 6

Hochdruckleitung zum Injekto r

3

6

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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

Hochdrucksensoren Anwendung

Hochdrucksensoren werden im Kraftfahrzeug zur Druckmessung von Kraftstoffen und von Bremsflüssigkeit angewandt: Diesel-Raildr uckse nso r Der Diesel- Raildrucksensor misst den Druck im Kraftstoffverteilerrohr (Rail) des Diesel-Speichereinspritzsystems Common RaH.Der maximale Arbeitsdruck (Nenndruck) Pmax liegt bei 200 MPa (2000 bar). Der Kraftstoffdruck wird in einem Regelkreis geregelt. Er ist unabhängig von Last und Drehzahl annähernd konstant. Eventuelle Abweichungen vom Sollwert werden über ein Druckregelventil ausgeglichen.

Aufbau und Arbeitsweise Den Kern des Sensors bildet eine Stahlmembran, auf der Dehnwiderstände in Brückenschaltung aufgedampft sind (Bild 1, Pos. 3). Der Messbereich des Sensors hängt von der Dicke der Membran ab (dickere Membran bei höheren Drücken,

Hochd r uc ksensoren

I

55

dünnere Membran bei geringeren Drücken). Sobald der zu messende Druck über den Druckanschluss (4) auf die eine Seite der Membran wirkt, ändern die Dehnwiderstände auf Grund der Membrandurchbiegung (ca. 20 um bei 1500 bar) ihren Widerstandswert. Die von der Brücke erzeugte Ausgangsspannung von 0...80 mV wird über Verbin dungsleitungen zu einer Auswerteschaltung (2) im Sensor geleitet. Sie verstärkt das Brückensignal auf 0...5 V und leitet es dem Steuergerät zu, das daraus mithilfe einer dort gespeicherten Kennlinie (Bild 2) den Druck berechnet. Hochd rucksenso r

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Ben zin -Raildrucksensor Der Benzin- Raildrucksensor misst den Druck im Kraftstoffverteilerrohr (Rail) der DI-Motronic mit Benzin-Direkteinspritzung, der abhängig von Last und Drehzahl 5...20 MPa (50 ...200 bar) beträgt. Der gemessene Druck geht als Istgröße in die Raildruckregelung ein. Der drehzahl- und lastabhängige Sollwert ist in einem Kennfeld gespeichert und wird mit einem Drucksteuerventil im Rail eingestellt. Brem stlüssigkeit s-Dr ucksens or Der Hochdrucksensor misst den Bremstlüssigkeitsdruck im Hydroaggregat von Fahrsicherheitssystemen (z.B. ESP), der in der Regel 25 MPa (250 bar) beträgt. Die maximalen Druckwerte Pmax können bis auf 35 MPa (350 bar) ansteigen. Die Druckmessung und -überwachung wird vom Steuergerät ausgelöst und über Rückmeldungen dort ausgewertet.

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Elektrisc her Anschluss (Stec ker )

2

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3

Sta hlmemb ran mit Dehnwi de rstä nden

4 5

Druc kanschluss Befestigungsgew inde

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I

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

I

Druckregelven til

Druckregelventil Aufgabe

Das Druckregelventil hat die Aufgabe, den Druck im Rail abhängig vom Lastzustand des Motors einzustellen und zu halten: li>- Es öffnet bei zu hohem Druck im Rail, sodass ein Teil des Kraftstoffs aus dem Rail über eine Sammelleitung zurück zum Kraftstoffbehälter gelangt. li>- Es schließt bei zu niedrigem Druck im Rail und dichtet so die Hochdruckseite gegen die Niederdruckseite ab. Aufbau

Das Druckregelventil (Bild 1) hat einen Befestigungsflansch zum Anflanschen an der Hochdruckpumpe oder am Rail. Der Anker (3) drückt die Ventilkugel (6) in den Dichtsitz, um die Hochdruckseite gegen die Niederdruckseite abzudichten: dazu drückt zum einen eine Ventilfeder (2) den Anker nach unten, zum anderen übt ein Elektromagnet (5) eine Kraft auf den Anker aus. Zur Schmierung und zur wärmeabfuhr wird der gesamte Anker mit Kraftstoff umspült. Arbeitsweise

Bild 1

Das Druckregelventil hat zwei Regelkreise: li>- einen langsameren elektrischen Regelkreis zum Einstellen eines variablen mittleren Druckwertes im Rail und li>- einen schnelleren mechanisch-hydraulischen Regelkreis, der hochfrequente Druckschwingungen ausgleicht.

1 Elektrischer Anschluss 2 Ventilfeder 3 Anker 4 Ventilgehäuse 5 Magnetspu le 6 Ventilkugel 7 Stützring 8 O-Ring 9 Filter 10 Hochdruckzulauf 11 Ventilkärper 12 Ablauf zum Niederdruckkreis

Druckregelventil ni cht angesteu ert Der Hochdruck liegt über den Hochdruckzulauf am Druckregelventil an. Da der stromlose Elektromagnet keine Kraft ausübt, überwiegt die Hochdruckkraft gegenüber der Federkraft, sodass das Druckregelventil öffnet und je nach Fördermenge mehr oder weniger geöffnet bleibt. Die Feder ist so ausgelegt, dass sich ein Druck von ca. 100 bar einstellt.

Druckregelventil angesteuert Wenn der Druck im Hochdruckkreis erhöht werden soll, muss zusätzlich zur Federkraft die magnetische Kraft aufgebaut werden. Das Druckregelventil wird angesteuert und somit geschlossen, bis zwischen Hochdruckkraft einerseits und Magnet- und Federkraft andererseits ein Kräftegleichgewicht erreicht ist. Dann bleibt es in einer geöffneten Stellung und hält den Druck konstant. Eine veränderte Fördermenge der Hochdruckpumpe sowie die Entnahme von Kraftstoff aus dem Hochdruckteil der Injektoren gleicht es durch unterschiedliche Öffnung aus. Die magnetische Kraft des Elektromagneten ist proportional zum Ansteuerstrom. Die Variation des Ansteuerstroms wird durch Puls-WeitenModulation (Takten) realisiert. Die Taktfrequenz ist mit 1 kHz ausreichend hoch, um störende Ankerbewegungen bzw. Druckschwankungen im Rail zu vermetden. Ausführungen

Für den Einsatz in Common Rail Systemen der 1. Generation findet das Druckregelventil DRV1 Verwendung. CR-Systeme der 2. und 3. Generation arbeiten nach dem Druckregelve ntil DRV1 (Schnitt )

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems

Zweistellerkonzept, bei dem der Raildruck zum einen über die Zumesseinheit, zum andem aber auch über das Druckregelventil eingestellt wird. In diesem Fall kommt das Druckregelventil DRV2 oder die druckgesteigerte Variante DRV3 zum Einsatz. Durch diese Reglerstrategie erreicht man eine geringere Kraftstofferwärmung und kann auf eine Kraftstoffkühlung verzichten. Das DRV2j3 (Bild 2) unterscheidet sich gegenüber dem DRVl in folgenden Punkten: li>- harte Abdichtung der Hochdruckschnittstelle (Beißkante), li>- optimierter Magnetkreis (geringerer Strombedarf), li>- flexibles Montagekonzept (freie Steckerorientierung). Druckregelven til DRV2

Druckbegren zungsventil DBV4

' - - -5

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Druckregelven til , Druckbegrenzungsven til

I

57

Druckbegrenzungsventil Aufgabe Die Aufgabe des Druckbegrenzungsventils entspricht dem eines Überdruckventils, wobei bei der neuesten Version des internen Druckbegrenzungsventils eine Notfahrtfunktion integriert worden ist. Das Druckbegrenzungsventil begrenzt den Druck im Rail, indem es bei zu hoher Beanspruchung eine Ablautbohrung freigibt. Durch die Notfahrtfunktion wird nun gewährleistet, dass ein gewisser Druck im Rail erhalten bleibt und somit eine eingeschränkte Weiterfahrt möglich ist. Aufbau und Arbeitsweise Beim Druckbegrenzungsventil (Bild 3) handelt es sich um eine mechanisch arbeitende Komponente. Es besteht aus folgenden Bauteilen. li>- einem Gehäuse mit Außengewinde zum Anschrauben an das Rail, li>- einem Anschluss an die Rücklaufleitung zum Kraftstoffbehälter (3), li>- einem beweglichen Kolben (2) und li>- einer Druckfeder (5). Das Gehäuse hat auf der Anschlussseite zum Rail eine Bohrung, die durch das kegelfönnige Ende des Kolbens am Dichtsitz im Gehäuseinnern verschlossen wird. Eine Feder drückt bei normalem Betriebsdruck den Kolben dicht in den Sitz, sodass das Rail geschlossen bleibt. Erst beim Überschreiten des maximalen Systemdrucks wird der Kolben durch den Druck im Rail gegen die Feder aufgedrückt, und der unter Hochdruck stehende Kraftstoffkann entweichen. Hierbei wird der Kraftstoff durch Kanäle in eine zentrische Bohrung des Kolbens geleitet und über die Sammelleitung zum Kraftstoffbehälter zurückgeführt. Mit dem Öffnen des Ventils entweicht Kraftstoff aus dem Rail, eine Druckreduzierung im RaHist die Folge.

Bil d 2 1

Filter

2

Beißkante

3

Venti lkugel

4

O-Ring

5

Uberw urfschraube

6

Anker

mit Sprengring 7

Mag net spule

8

elektrische r

9

Venti lfeder

Anschluss

Bild 3 1

Vent ileinsatz

2

Ventil kolben

3

Nieder d ruckboreich

4

Ventil t räger

5

Dr uckfe de r

6

Tellersche ibe

58 IEinspritzdüsen

Einspritzdüsen Die Einspritzdüse spritzt den Kraftstoff in den Brennraum des Dieselmotors ein. Sie beeinflusst wesentlich die Gemischbildung und die Verbrennung und somit die Motorleistung, das Abgas- und das Geräuschverhaften. Damit die Einspritzdüsen ihre Aufgaben optimal erfüllen, müssen sie durch unterschiedliche Ausführungen abhängig vom Einspritzsystem an den Motor angepasst werden.

Der Kraftstoffdruck öffnet die Düse. Düsenöffnungen, Einspritzdauer und Einspritzverlaufbestimmen im Wesentlichen die Einspritzmenge. Sinkt der Druck, muss die Düse schnell und sicher schließen. Der Schließdruck liegt um mindestens 40 bar über dem maximalen Verbrennungsdruck um ungewolltes Nachspritzen oder das Eindringen von Verbrennungsgasen zu verhindern.

Die Einspritzdüse (im Folgenden kurz "Düse" genannt) ist ein zentrales Element des Einspritzsystems, das viel technisches "Know-how' erfordert. Die Düse hat maßgeblichen Anteil an: li>- der Formung des Einspritzverlaufs (genauer Druckverlaufund Mengenverteilung je Grad Kurbelwellenwinkel), li>- der optimalen Zerstäubung und Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum und li>- dem Abdichten des Kraftstoffsystems gegen den Brennraum.

Die Düse muss auf die verschiedenen Motorverhältnisse abgestimmt sein: li>- Verbrennungsverfahren (DI oder IDI), li>- Geometrie des Brennraums, li>- Einspritzstrahlform und Strahlrichtung, li>- "Durchschlagskraft" und Zerstäubung des Kraftstoffstrahls, li>- Einspritzdauer und li>- Einspritzmenge je Grad Kurbelwellenwinkel.

Die Düse unterliegt wegen ihrer exponierten Lage im Brennraum ständig pulsierenden mechanischen und thermischen Belastungen durch Motor und Einspritzsystem. Der durchströmende Kraftstoff muss die Düse kühlen. Im Schubbetrieb, bei dem nicht eingespritzt wird, steigen die Temperaturen an der Düse stark an. Ihre Temperaturbeständigkeit muss deshalb für diesen Betriebspunkt ausgelegt sein. Bei den Einspritzsystemen mit Reiheneinspritzpumpen (PE), Verteilereinspritzpumpen (VEjVR) und Vnit Pump (VP) sind die Düsen mit Düsenhaltern im Motor eingebaut (Bild 1). Bei den Hochdruckeinspritzsystemen Common Rail (CR) und Unit Injector (VI) ist die Düse im Injektor integriert. Ein Düsenhalter ist bei diesen Systemen nicht erforderlich.

Standardisierte Abmessungen und Baugruppen gestatten die erforderliche Flexibilität mit einem Minimum an Einzelteilvarianten. Neue Motoren werden aufgrund der besseren Leistung bei niedrigerem Kraftstoffverbrauch nur noch mit Direkteinspritzung (d.h. mit Lochdüsen) entwickelt. Die Einspr itzdü se als Schnittstelle zwischen Einspritz system und Dieselmoto r

.!!!!-

, " , _.. PE

Düsenhalter

Einspritzduse

Für Kammermotoren (IDI) werden Zapfendüsen und bei Direkteinspritzern (DI) Lochdüsen eingesetzt.

o

ｾ Brennraum des ':1 Dieselmotors z w z

Dimensionen der Diesel-Einspritztechnik I 5!

Die Einspritzdauer beträgt 1..,2 Milli-

Die Welt der Dieseleinspritzung ist eine Welt der Superlative, ｾ

sekunden (ms). In einer Millisekunde kommt eine Schallwelle aus einem Lautsprecher nur ca. 33 crn weit.

Auf mehr als 1 Milliarde Offnungs- und Schließ hübe kommt eine Düsennadel eines Nkw-Motors in ihrem "Einspritzleben" , Sie dichtet bis zu 2050 bar sicher ab und muss

Die Einspritzmengen variieren beim Pkw ZWischen 1 rnme (Voreinspritzung) und 50 mme (Volllastmenge); beim Nkw

dabei einiges aushalten: ｾ sie schluckt die Stöße des schnellen Off-

zwischen 3 mma (Voreinspritzung) und 350 rnrne (Volllastmenge) , 1 mme ent -

ｾ

spricht dem Volumen eines halben Stecknadelkopfs. 350 mm a ergeben die Menge von 12 großen Regentropfen (30 mm a je

nens und Schließena (beim Pkw geschieht dies bis zu 10000-mal pro Minute bei Vorund Nacheinspritzungen), sie widersteht den hohen Strömungs· ｾ

ｾ

Tropfen). Diese Menge wird innerhalb von 2 ms mit 2000 kmjh durch eine Öffnung

beleatungen beim Einspritzen und sie hält dem Druck und der Temperatur im Brennraum stand,

mit weniger als 0,25 mme Querschnitt gedrückt! ｾ

Was moderne EinspritzdOsen leisten, zeigen

Das Führungeepie! der Düsennadel beträgt 0,002 mm (2 IJm), Ein menschliches Haar ist äö-mal so dick (0,06 mm).

folgende Vergleiche: ｾ In der Einspritzkammer herrscht ein Druck von bis zu 2050 bar, Dieser Druck ent-

Die Erfüllung al! dieser Höchstleistungen

steht, Wenn Sie einen Oberklassewagen auf einen Fingernagel stellen würden.

erfordert ein sehr großes Know-hcw in Entwicklung. Werkstoffkunde, Fertigung

ｾ

und Messtechnik,

,

ｾ

Druck 2050 bar

• -

'"

ｾ

Fuhrunpeepial 0 002mm

Stacknadalkopf (2mm 3)

- Sacklochdüsen und li>- Sitzlochdüsen.

6 Spritzloch 7 Düsenkuppe 8 Düsenkörperschaft 9 Düsen körper-

scnulter 10 Dru ckkam mer 11 Zulaufbohrung

5- - -+-+!l-

8

12 Nadelführung 13 Düsenkörperbund

Bei den Sacklochdüsen werden unterschiedliche Varianten eingesetzt.

14 Dic htfläche

F,

Federkraft

F D durch den Kraft-

Sacklochdüse Die Spritzlöcher der Sacklochdüse (Bild 2, Pos. 6) sind um ein Sackloch angeordnet. Bei einer runden Kuppe werden die Spritzlöcher je nach Auslegung mechanisch oder durch elektrischen Teilchenabtrag (elektroerosiv) gebohrt. Sacklochdüsen mit konischer Kuppe sind generell elektroerosiv gebohrt. Sacklochdüsen gibt es mit zylindrischem und mit konischem Sackloch in verschiedenen Abmessungen.

Ｖ Ｍ

Ｍｾ

7 ＡＭ

stoffdruck resul tie rende Kraft an der Dr ucksc hulter

Bezeichnungen an einer Düsenk uppe mit zylindrischem Sackloch und runder Kuppe

Bild 3

Die Sacklochdüse mit zylindrischem Sackloch und runder Kuppe (Bild 3), die aus einem zylindrischen und einem halbkugelf6rmigen Teil besteht, hat eine hohe Auslegungsfreiheit bezüglich Lochzahl, Lochlänge und Spritzlochkegelwinkel. Die Düsenkuppe hat die Form einer Halbkugel und gewährleistet damit - zusammen mit der Sacklochform - eine gleichmäßige Lochlänge.

1 Absetzkante

-12

1-

2-11

4 - - - -'1 5----

---1. (- - - 9 ;:::;f- - - - 8

2 Sitzeinlauf 3 Nadelsitz 4 Nadelspitze 5 Spri tzloch 6 runde Kuppe 7 zylindrisches Sackloch (Restvolumen )

ＶＭｾ

8 Spritzlocheinlauf ｾＭＷ

9 Kehlrad ius 10 Düsenkuppenkegel NMK1650-3Y

11 Düsenkö r persitz 12 Däm pfungskegel

62

I

Einspritzdüsen

I

Lochdüsen

Die Sacklochdüse mit zylindrischem Sackloch und konischer Kuppe (Bild 4a) gibt es nur für Lochlängen von 0,6 mm. Die konische Kuppenform erhöht die Kuppenfestigkeit durch eine größere Wanddicke zwischen Kehlenradius (3) und Düsenkörpersitz (4). Düsenkuppen

a

1

----'H ,-J'c4--=----

2-

-

- '' -./

5 - - - \ --+-=t

2-

c

Bild 4 a

Zy1indrisches Sackloch und konische Kuppe

b

konisches Sackloch und konische Kuppe

c

Mikrosackloch

d

Sitzlochdüse

1

Zy1indrisches

2

konische Kuppe

Sackloch 3

Kehlradius

4

Düsenkörpersitz

5

konisches Sackloch

-

-\

3

Die Sacklochdüse mit konischem Sackloch und konischer Kuppe (Bild 4b) hat ein geringeres Restvolumen als eine Düse mit zylindrischem Sackloch. Sie liegt mit ihrem Sacklochvolumen zwischen Sitzlochdüse und Sacklochdüse mit zylindrischem Sackloch. Um eine gleichmäßige Wanddicke der Kuppe zu erhalten, ist die Kuppe entsprechend dem Sackloch konisch ausgeführt. Eine Weiterentwicklung der Sacklochdüse ist die Mikrosacklochdüse. (Bild 4c). Ihr Sacklochvolumen ist um ca. 30% gegenüber einer herkömmlichen Sacklochdüse reduziert. Diese Düse eignet sich besonders für Common Rail Systeme, die mit relativ langsamem Nadelhub und damit mit einer vergleichsweise langen Sitzdrosselungbeim Öffnen arbeiten. Die Mikrosacklochdüse stellt für die Common Rail Systeme derzeit den besten Kompromiss zwischen einem geringen Restvolumen und einer gleichmäßigen Strahlverteilung beim Öffnen dar. Sitzlochdüse Um das Restvolumen - und damit die HCEmission - zu minimieren, liegt der Spritzlochanfang im Düsenkörpersitz. Bei geschlossener Düse deckt die Düsennadel den Spritzlochanfang weitgehend ab, sodass keine direkte Verbindung zwischen Sackloch und Brennraum besteht (Bild 4d). Das Sacklochvolumen ist gegenüber der Sacklochdüse stark reduziert. Sitzlochdüsen haben gegenüber Sacklochdüsen eine deutlich geringere Belastungsgrenze und können deshalb nur mit einer Lochlänge von 1 mm ausgeführt werden. Die Kuppenform ist konisch ausgeführt. Die Spritzlöcher sind generell elektroerosiv gebohrt. Besondere Spritzlochgeometrien, eine doppelte Nadelführung oder komplexe Nadelspitzengeometrien verbessern die Strahlverteilung und somit die Gemischbildung bei Sack- und Sitzlochdüsen noch weiter.

Eln sprludii sen I lochdii.en I 63

Wär meschutz Bei Lochd üsen liegt di e obere Temp er atu r gre nze be i :i ()()"C (Wär mefestigke it de s Materiills). Für b esonder s schwierige Anwend ungs falle ste he n wä nncschurzhü tscn odc r für größer e Motoren sogar ge kühlte Einspritzdüse n zur Verfügung .

Lochd üsen haben bis zu sechs (I'kw) bzw, ze hn Löcher (Nkw). Ziel für zukünft ige Entwick lun gen ist es, di e Zahl d er Sp r uz l öch er noch weit er zu e rhöhen lind ihren nnrchmcsscr zu verri nge rn « 0, 12 11Im), um eine noch fein ere Vert eilung des Kraft stoffs zu er reiche n .

Einfluss auf die Emissionen Die nüscn gcomcmc ha t direkten Einfluss au f di e Schadstoffemis sion en d es Molo rs: ｾ Die Spr tt zloch gcomeme (Bild 5, Pos. I ) beei nflusst d ie Parukcl- und NOx-Emissinne n. ｾ Die Sitzge ome tr ie (2) beei nfl usst d ur ch ih re Wirku ng aor dre pjJot m('nge - d . h . die Menge zu Begin n d er Einsp rit zung d as Motorg erä usc h. Ziel bei der Opnrrue r ung der Spritzlocb - und Sitzge ometrie ist es , ein robustes Ilt'sign mit ei nem p ro zcssfä htgen I'erti gungsablau f in klein st miiglichen Teleran zen zu erreic he n . ｾ Die Sackloc hge umetr-ie Ci) beein flusst wie ber eit s zuvor erwä hn t die uc-gm ts sto nen. Aus ein em . Jxrscnba ukas rcn" kan n d er Konstruk teur d ie fahr zeugsp e zifische Uprimafvar ian te au swäh len.

Enl scheidende Slel len der Oiisengemetde

Daher ist es wtrhtt g. da ss die nüscn gcna u a n da s Fah rzeug , den Motor und da s Einspr itzsyste m ang epa sst sind . Im Serv icefall dü r fen nu r Original-Ersa tz teile ve rwendet werden, u m d ie Leistu ng un d die sc h ad stoffe rmsston e n d es JI.!oto rs nicht zu verschlechte r n,

Bezeichnu ngen an einer ｄｳ･ ｮ ｾｵ ｰ･ mil zylindr ischem S- Dichtkegel mit Überwurfmutter, li>- Druckrohrstutzen und li>- Traverse.

Bild 1

1

Druekseheibe

2

Uberwurfmutter

3

Rohrdiehtkegel der Hoehdruek-

4

Dr uc kanschlu ss der

Dichtkegel mit Oberwurfmutter Die Anschlussart "Dichtkegel mit Überwurfmutter" (Bild 1) wird bei allen oben genannten Einspritzsystemen verwendet. Die Vorteile dieser Verbindung sind: li>- Einfache Anpassung an das Einspritzsystem.

li>-

li>-

Die Verbindung kann mehrfach gelöst und angezogen werden. Der Dichtkegel kann aus dem Grundmaterial geformt werden.

Am Ende der Hochdruckleitung befindet sich der gestauchte Rohrdichtkegel (3). Die Überwurfmutter (2) drückt den Dichtkegel in den Druckanschluss (4) und dichtet damit ab. Einige Verbindungen haben zusätzlich eine Druckscheibe (1). Sie verteilt den Druck der Überwurfmutter gleichmäßiger auf den Dichtkegel. Am Dichtkegel dürfen keine Verengungen des Querschnitts vorhanden sein, die den Kraftstofffluss behindern. Meist werden gestauchte Rohrdichtkegel nach DIN 73365 verwendet (Bild 2). Druckrohrstutzen Druckrohrstutzen (Bild 3) werden bei schweren Nkw für die Systeme Unit Pump und Common Rail eingesetzt. Bei der Anwendung des Druckrohrstutzens muss die Kraftstoffleitung nicht um den Zylinderkopfherum zum Düsenhalter bzw. Injektor geführt werden. Dies ermöglicht kürzere Kraftstoffleitungen und kann Platz- oder Montagevorteile bringen. Die Schraubverbindung (8) drückt den Druckrohrstutzen (3) direkt in den Düsenhalterhalter (1) bzw. Injektor. Er enthält

Kraftstoffleitung Hoehd r uekansehluss mit Diehtkegel und Uber wurfmu tter

Einspritzpumpe oder des Düsen-

Angestaueh ter Diehtkegel (Hauptmaße)

halters

Bild 2 1

Diehtfläehe

d

Au ßend urcnrnesser der Leitun g

d, In nenourc hrnesser

- zu hohe Schadstoffemissionen, li>- zu hoher Rußausstoß, li>- mechanische Überlastung wegen zu hohem Drehmoment oder Überdrehzahl, li>- thermische Überlastung wegen zu hoher Abgas-, Kühlmittel-, Öl- oder Turboladertemperatur oder li>- thermische Überlastung der Magnetventile durch zu lange Ansteuerzeiten. Um diese unerwünschten Effekte zu vermeiden, wird eine Begrenzung aus verschiedenen Eingangsgrößen gebildet (z. B. angesaugte Luftmasse, Drehzahl und Kühlmitteltemperatur). Die maximale Einspritzmenge und damit das maximale Drehmoment werden somit begrenzt. Motorbremsfunktion

Beim Betätigen der Motorbremse von Nkw wird die Einspritzmenge alternativ entweder auf Null- oder Leerlaufmenge eingeregelt. Das Steuergerät erfasst für diesen Zweck die Stellung des Motorbremsschalters.

I

Regelung der Einspritz ung

Höhenkorrektur

Mit steigender Höhe nimmt der Atmosphärendruck ab. Somit wird auch die Zylinderfüllung mit Verbrennungsluft geringer. Deshalb muss die Einspritzmenge reduziert werden. Würde die gleiche Menge wie bei hohem Atmosphärendruck eingespritzt, käme es wegen Luftmangel zu starkem Rauchausstoß. Der Atmosphärendruck wird vom Umgebungsdrucksensor im Steuergerät erfasst. Damit kann die Einspritzmenge in großen Höhen reduziert werden. Der Atmosphärendruck hat auch Einfluss auf die Ladedruckregelung und die Drehmomentbegrenzung. Zylinderabschaltung

Wird bei hohen Motordrehzahlen ein geringes Drehmoment gewünscht, muss sehr wenig Kraftstoff eingespritzt werden. Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung des Drehmoments ist die Zylinderabschaltung. Hierbei wird die Hälfte der Injektoren abgeschaltet (UIS-Nkw,UPS, CR-System). Die verbleibenden Injektoren spritzen dann eine entsprechend höhere Kraftstoffmenge ein. Diese Menge kann mit höherer Genauigkeit zugemessen werden. Durch spezielle Software-Algorithmen können weiche Übergänge ohne spürbare Drehmomentänderungen beim Zu- und Abschalten der Injektoren erreicht werden.

I

81

82

I

Elektronische Dieselregelung

I

Regelung der Einsprit zung

Injektormengenabgleich

Um die hohe Präzision des Einspritzsystems weiter zu verbessern und über die Fahrzeuglebensdauer zu gewährleisten, kommen für Common Rail (CR)- und UISj UPS-Systeme neue Funktionen zum Einsatz. Für den Injektonnengenabgleich (IMA) wird innerhalb der Injektorfertigung fürjeden Injektoreine Vielzahl von Messdaten erfasst, die in Form eines Datenmatrix-Codes aufden Injektor aufgebracht werden. Beim Piezo -Inline- Injektorwerden zusätzlich auch Informationen über das Hubverhalten des Schaltventils (bestehend aus eigentlichem Ventil, Koppler und Aktor) hinzugefügt. Diese Zusatzinformationen bestehen aus der ISA-Klasse (InjektorSpannungsabgleich) und stellen sicher, dass der Injektor genau mit derindividuell passenden Spannung angesteuertwird. Siewerden während der Fahrzeugfertigungin das Steuergerät übertragen. Während des Motorbetriebs werden diese Werte zur Kompensation von Abweichungen im Zumess- undSchaltverhalten verwendet. Nullmengenkalibrierung

Von besonderer Bedeutung für die gleichzeitige Erreichung von Komfort- (Geräuschminderung) und Emissionszielen ist die sichere Beherrschung kleiner Voreinspritzungen über die Fahrzeuglebensdauer. Mengendriften der Injektoren müssen 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 Drehzahländerung. Diese vom Fahrer nicht spürbare Drehmomentsteigerung ist in eindeutiger Weise mit der eingespritzten Kraftstoffmenge verknüpft. Der Vorgang wird nacheinander für alle Zylinder und für verschiedene Betriebspunkte wiederholt. Ein Lernalgorithmus stellt kleinste Veränderungen der Voreinspritzmenge fest und korrigiert die

Ansteuerdauer für die Injektoren entsprechend für alle Voreinspritzungen. Mengenmittelwertadaption

Für die korrekte Anpassung von Abgasrückführung und Ladedruck wird die Abweichung der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge vom Sollwert benötigt. Die Mengenmittelwertadaption (MMA) ermittelt dazu aus den Signalen von LambdaSonde und Luftmassenmesser den über alle Zylinder gemittelten Wert der eingespritzten Kraftstoffmenge. Aus dem Vergleich von Sollwert und Istwert werden Korrekturwerte berechnet (s. "LambdaRegelung für Pkw-Dieselmotoren"). Die Lernfunktion MMAgarantiert im unteren Teillastbereich gleich bleibend gute Emissionswerte über die Fahrzeuglebensdauer. Druckwellenkorrektur

Einspritzungen lösen bei allen CR-Systemen Druckwellen in der Leitung zwischen Düse und Rail aus. Diese Druckschwingungen beeinflussen systematisch die Einspritzmenge späterer Einspritzungen (Vor-jHaupt-jNacheinspritzungen) innerhalb eines Verbrennungszyklus. Die Abweichungen späterer Einspritzungen sind abhängig von den zuvor eingespritzten Mengen und dem zeitlichen Abstand der Einspritzungen, dem Raildruck und der Kraftstofftemperatur. Durch Berücksichtigung dieser Parameter in geeigneten Kompensationsalgorithmen berechnet das Steuergerät eine Korrektur. Allerdings ist für diese Korrekturfunktion ein sehr hoher Applikationsaufwand erforderlich. Als Vorteil erhält man die Möglichkeit, den Abstand von z. B. Vorund Haupteinspritzung flexibel zur Optimierung der Verbrennung anpassen zu können.

Inj ektormengenabl:l eic h

..

I

83

lnje ktormengenabglercn

Funk ti on sbesch reibu n g Der Injektormengenabgleich OMA) ist eine Softwarefunktion zu r Steigerung de r Me n-

genzum essgeneuigkelt und gleichzeitig der

aL...t

----J 18000..

""'

ln jektor-Gutausbringung arn Mot or. Oie Fu n k-

..

Bild 1 Kennlinien verscneden er Injektoren In Abhangigkelt des Rad·

drucks. Der IMA reocz.ert die

tion hat di e Au fga be, di e Einspritzmenge fu r jed en Inj ektor e ines Cä-Svst em s im gesam-

Streu brei re der Kenn-

ten Kennfeld bete ich i ndividuell au f de n So ll

linien.

we rt zu ko rr igier en . Dad urch erg ib t s ic h e ine Einspr«zzell - . . .

Red u ktion d er Sys te m tele ranzen un d des

EMI Emspnumengen· indikator

Ermssionsst reubendes . Oie rür di e IMA ben ötigt en Abg leic hw ert e s te ll en di e Differ en z

BerOclGlchtl gung der Matnx cer der EInaomzoerecnn ung

zum So llwert d es jew e il ige n wer ks p ruf pu nktes dar un d w erd en in versc hlüsselter Form

Solimenge Q

au f jed en Inj ektor beschriftet. Mithilfe e ines Korrekturkennfeld es, da s

•

Ansleuerdauer-

mit d en Abg le ic hwe rte n ei ne Korrekturme nge er rec hne t, w ird d er g esamte motorisch rel evan t e Be re ic h korrigiert. Am Band ·

Ans teuerdauerkennfeld

ende d es Auto mo b il he rste lle rs werden die

Eü c -Abgfetchw erte d er verbauten Inje kt o re n und di e Zuo rd nu ng zu d en Zyli nd e rn ü ber

Eo l. Progre mmferung in das Steue rgerät pro-

parermare-ccce

g ram m ie rt. Auc h bei ei ne m Injektoraus-

Klarsohrlft-Code

t ausch in d er Kund endi en stwerkstatt werden

ｾ

di e Abglei chwer te neu pro grammiert. I

A fruektonndtvrduell A InlektonndlVIduell InlekronndlVlduell

Not w en d igk ei t dieser Funktion Di e technisch en Au fw end u nge n für ei ne we iter e Eine ngu ng d er Fertigun gst o leranzen von Inj ek tor en s teige n ex po ne ntiell und e rsc he inen fin an ziell un wir tschaftlich. Der IMA ste llt d ie zielfü hrende l ösung da r, di e Gu taus b r ingu ng zu e r hö he n und gle ic hze itig di e motori -

EEPROM

lruektonndrvrduejl

a

Z}'1 inder 1

AbglalChwette

Bild 2 Zylinder "

Berechnung der lnjek-

Zylinder 3

tor-Ansteuerdauer aus

Zylinder 4

Sollmenge , Ralldruck und Korrekturwerten

Prozess kette

BOSCH

sc he Men gen zumessgen aui gk eit und d amit d ie Emi ssio nen zu ver bes se rn. M essw ert e bei der Prüfun g Bei de r Band endeprüfung wi rd jeder Injek t or an mehr er en Punkten , die repräsentat iv fur das St reuve rh alte n d ies es Inje ktortyps sind, ge mess en , An di esen Punkten we rden d ie

Bild 3

Abw e khungen zu m So l lwe r t (A bg le ic hw er t e)

Dar!;tellung der Pro-

ber ec hn et u nd ans c hließend auf d em Inje k-

zesskette 'KJm InJektor'

torkop f be sc hr ift et.

abgIelCh bei

aoscn

tns zur Baneende-

Programmierung beim Fahrzeughersreller

84

I

Elektronische Dieselregelung

I

Lam bda-Rege lung

Lambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren Anwendung Die gesetzlich vorgeschriebenen Abgasgrenzwerte für Fahrzeuge mit Dieselmotoren werden zunehmend verschärft. Neben der Optimierung der innennotorischen Verbrennung gewinnen die Steuerung und die Regelung abgasrelevanter Funktionen zunehmend an Bedeutung. Ein großes Potenzial zu Verringerung der Emissionsstreuungen von Dieselmotoren bietet hier die Einführung der LambdaRegelung.

Die Breitband-Lambda-Sonde im Abgasrohr (Bild 1, Pos. 7) misst den Restsauer-

stoffgehalt im Abgas. Daraus kann auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Luftzahl A) geschlossen werden. Das Signal der LambdaSonde wird während des Motorbetriebs adaptiert. Dadurch wird eine hohe Signalgenauigkeit über deren Lebensdauer erreicht. Auf dieses Signal bauen verschiedene Lambda- Funktionen auf, die in den folgenden Abschnitten erklärt werden. Für die Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren werden Lambda-Regelkreise eingesetzt. Die Lambda- Regelung eignet sich für alle Pkw-Einspritzsysteme mit Motorsteuergeräten ab der Generation EDC16.

Systemübersich t der Lambda- Regelung für Pkw -Dieselmot ore n (Beispiel )

BOSCH

0

Elektronische Dieselregelung

Grundfunktionen

Druckkompensation Das Rohsignal der Lambda-Sonde hängt von der Sauerstoffkonzentration im Abgas sowie vom Abgasdruck am Einbauort der Sonde ab. Deshalb muss der Einfluss des Drucks auf das Sondensignal ausgeglichen (kompensiert) werden. Die Funktion Druckkompensation enthält je ein Kennfeld für den Abgasdruck und für die Druckabhängigkeit des Messsignals der Lambda-Sonde. Mithilfe dieser Modelle erfolgt die Korrektur des Messsignals bezogen auf den jeweiligen Betriebspunkt. Adaption Die Adaption der Lambda-Sonde berücksichtigt im Schub die Abweichung der gemessenen Sauerstoffkonzentration von der Frischluft-Sauerstoffkonzentration (ca. 21 %). So wird ein Korrekturwert "erlernt". Mit dieser erlernten Abweichung kann injedem Betriebspunkt des Motors

die gemessene Sauerstoffkonzentration korrigiert werden. Damit liegt über die gesamte Lebensdauer der Lambda-Sonde ein genaues, driftkompensiertes Signal vor. Lambda-basierte Regelung der Abgasrückführung

Die Erfassung des Sauerstoffgehalts im Abgas ermöglicht - verglichen mit einer luftmassenbasierten Abgasrückführung ein engeres Toleranzband der Emissionen über die Fahrzeugflotte. Damit können im Abgastest für zukünftige Grenzwerte ca. 10 ...20 % Emissionsvorteil gewonnen werden. Mengenmittelwertadaption Die Mengenmittelwertadaption liefert ein genaues Einspritzmengensignal für die Sollwertbildung abgasrelevanter Regelkreise. Den größten Einfluss auf die Emissionen hat dabei die Korrektur der Abgasrückführung.

Pri nzipie Iier Ablauf d er Mengen mittelwe rtadap tion inder Betriebsart "I nd irect Control"

Motor

Steuergerät

Lambda-Sonde

HeißfilmLufbnassenmesser

+

+

Einspritzsystem

Motordrehzahlsensor

Turbolader

I

Lambda-Regelung

I

85

86

I

Elektronische Dieselregelung

I

Lambda- Regelung

Die Mengenmittelwertadaption arbeitet im unteren Teillastbereich. Sie ermittelt eine über alle Zylinder gemittelte Mengenabweichung.

Grundsätzlich gibt es zwei Betriebsarten der Mengenmittelwertadaption, die sich in der Verwendung der ermittelten Mengenabweichung unterscheiden:

Bild 2 (vorherige Seite) zeigt die grundsätzliche Struktur der Mengenmittelwertadaption und deren Eingriff auf die abgasrelevanten Regelkreise.

Betriebsart .Jtulirect comrot" In der Betriebsart Indired Control (Bild 2) wird ein genauer Einspritzmengensollwert als Eingangsgröße in verschiedene abgasrelevante Soll-Kennfelder verwendet. Die Einspritzmenge selbst wird in der Zumessung nicht korrigiert.

Aus dem Signal der Lambda-Sonde und dem Luftmassensignal wird die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmasse berechnet. Die berechnete Kraftstoffmasse wird mit dem Einspritzmassensollwert verglichen. Die Differenz wird in einem Adaptionskennfeld in definierten .Lernpunkten" gespeichert. Damit ist sichergestellt, dass eine betriebspunktspezifische Einspritzmengenkorrektur auch bei dynamischen Zustandsänderungen ohne Verzögerung bestimmt werden kann. Die Korrekturmengen werden im EEPROM des Steuergeräts gespeichert und stehen bei Motorstart sofort zur Verfügung.

Betriebsart .Direct comrot" In der Betriebsart Direct Controlwird die Mengenabweichung zur Korrektur der Einspritzmenge in der Zumessung verwendet, sodass die wirklich eingespritzte Kraftstoffmenge genauermit der Soll-Einspritzmenge übereinstimmt. Hierbei handelt es sich (gewissennaßen) um einen geschlossenen Mengenregelkreis.

Prinzipieller Ab lauf der Volllastrauch begrenzung mit hiIfe der Lambda- Regelung

Motor

Steuergerät

HeißfilmLuhmassenmesser

Motordrehzahlsensor

Haud-b renz

Einspritzsystem

smen e

Elektronische Dieselregelung

Volliastrauchbegrenzung

Zusammenfassung

Bild 3 zeigt das Prinzipbild der Regelstruktur für die Vo111astrauchbegrenzung mit einer Lambda-Sonde. Ziel ist die Ermittlung der maximalen Kraftstoffmenge, die eingespritzt werden darf, ohne einen bestimmten Rauchwert zu überschreiten.

Mit einer lambdabasierten Abgasrückführung kann die Emissionsstreuung einer Fahrzeugflotte aufgrund von Fertigungstoleranzen oder Alterungsdrift wesentlich reduziert werden. Hierfür wird die Mengenmittelwertadaption eingesetzt.

Mit den Signalen des Luftmassenmessers und des Motordrehzahlsensors wird der Lambda-SollwertAsoLL über ein Rauchbegrenzungskennfeld ermittelt. Aus diesem Wert wird zusammen mit der Luftmasse der Vorsteuerwert für die maximal zulässige Einspritzmenge errechnet.

Die Mengenmittelwertadaption liefert ein genaues Einspritzmengensignal für die Sollwertbildung abgasrelevanter Regelkreise. Dadurch wird die Genauigkeit dieser Regelkreise erhöht. Den größten Einfluss auf die Emissionen hat dabei die Korrektur der Abgasrückführung.

Dieser heute in Serie realisierten Steuerung wird eine Lambda-Regelung überlagert. Der Lambda- Regler berechnet aus der Differenz zwischen dem LambdaSollwertAsoLL und dem Lambda-Istwert AIS Teine Korrekturkraftstoffmenge. Die Summe aus Vorsteuer- und Korrekturmenge ist ein exakter Wert für die maximale Vo111ast-Kraftstoffmenge.

Zusätzlich kann durch den Einsatz einer Lambda- Regelung die Vo111astrauchmenge exakt bestimmt und eine unerwünschte Verbrennung detektiert werden.

Mit dieser Struktur ist eine gute Dynamik durch die Vorsteuerung und eine verbesserte Genauigkeit durch den überlagerten Lambda- Regelkreis erreichbar. Erkennung unerwünschter Verbrennung

Mithilfe des Signals der Lambda-Sonde kann eine unerwünschte Verbrennung im Schubbetrieb erkannt werden. Diese wird dann erkannt, wenn das Signal der Lambda-Sonde unterhalb eines berechneten Schwellwertes liegt. Bei unerwünschter Verbrennung kann der Motor durch Schließen einer Regelklappe und des Abgasrückführventils abgestellt werden. Das Erkennen unerwünschter Verbrennung stellt eine zusätzliche Sicherheitsfunktion für den Motor dar.

Die hohe Genauigkeit des Signals der Lambda-Sonde ermöglicht darüber hinaus die Darstellung eines Lambda-Regelkreises für die Regeneration von NOxSpeicher-Katalysatoren.

I Lambda-Regelung I

87

88

I

Regeln und Steuern

satz zur Steuerung berücksichtigt eine Rege-

Anwendung Die Funktionen Regeln und Steuern haben für

lung den Einfluss aller Störgrößen (Z1, Z2) im

die verschiedenen Systeme im Kraftfahrzeug

Regelkreis. Beispiele für Regelsysteme im Kfz

eine herausragende Bedeutung.

sind:

Die Benennung Steuerung erfolgt vielfach

li>- Lambda-Regelung,

nicht nur für den Vorgang des Steuerns,

li>- Leerlaufdrehzahlregelung,

sondern auch für die Gesamtanlage, in der

li>- ABS-j ASR-jESP-Regelung,

die Steuerung stattfindet (deshalb auch die

li>- Klimaregelung (Innenraumtemperatur).

generelle Benennung Steuergerät, obwohl solch ein Gerät auch die Regelung vornimmt). Demnach laufen in den Steuergerä-

Steuern Das Steuern bzw. die Steuerung ist der Vor-

ten Rechenprozesse sowohl für Steuerungs-

gang in einem System, bei dem eine oder

ais auch für Regelungsaufgaben ab.

mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen aufgrund der dem System eigentüm -

Regeln

lichen Gesetzmäßigkeit beeinflussen. Kenn-

Das Regeln bzw. die Regelung ist ein Vor-

zeichen für das Steuern ist der offene Wir-

gang, bei dem eine Größe (Regelgröße x)

kungsablauf über das einzelne Übertragungs-

fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe

glied oder die Steuerkette.

(Fuhnmgsgröße

wd

verglichen und abhängig

nung von Gliedern, die in Kettenstruktur auf-

ner Angleichung an die Führungsgröße be-

einander einwirken. Sie kann als Ganzes

einflusst wird. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf findet in einem geschlosse-

innerhalb eines übergeordneten Systems mit weiteren Systemen in beliebigem wirkungs-

nen Kreis (Regelkreis) statt. Die Regelung hat die Aufgabe, trotz stö-

gemäßem Zusammenhang stehen. Durch

render Einflüsse den Wert der Regelgröße

der Störgröße bekämpft werd en, die vom

an den durch die Führungsgröße vorgege-

Steuergerät gemessen wird (z. B.

benen Wert anzugleichen.

Störgrößen (z. B. Z2) wirken sich ungehindert

Der Regelkreis (Bild la) ist ein in sich ge-

Steuerkette Wi rkungsplan einer digitalen Regelung

w x

Führ ungsgro ße

XA

Ste ue rg roß e

y X1.

Reg elg roße Stellgroße 11 Störg roß en

T

Abtastzeit digi tal e Signal -

A

Analog

o

Digi tal

werte

zd; andere

aus. Beispiele für Steuersysteme im Kfz sind: li>- Elektronische Getriebesteuerung (EGS).

Wirkungsrichtung. Die Regelgröße x wirkt in einer Kreisstruktur im Sinne einer Gegen -

li>- Injektormengenabgleich und Druck-

Regelkreis b

eine Steuerkette kann nur die Auswirkung

schlossener Wirkungsweg mit einsinniger

kopplung auf sich selbst zurück. Im Gegen-

Bild 1

Die Steuerkette (Bild lb) ist eine Anord-

vom Ergebnis dieses Verg leichs im Sinne ei-

Regelungs- und Steuer ungseinrichtungen

wellenkorrektur bei der Einspritzmengenberechnung.

Elektronische Dieselregelung

Momentengeführte EDC-Systeme Die Motorsteuerung wird immer enger in die Fahrzeuggesamtsysteme eingebunden. Fahrdynamiksysteme (z.B. ASR), Komfortsysteme (z. B. Tempomat) und die Getriebesteuerung beeinflussen über den CANBus die Elektronische Dieselregelung EDC. Andererseits werden viele der in der Motorsteuerung erfassten oder berechneten Informationen über den CAN-Bus an andere Steuergeräte weitergegeben. Um die Elektronische Dieselregelung künftig noch wirkungsvoller in einen funktionalen Verbund mit anderen Steuergeräten einzugliedern und weitere Verbesserungen schnell und effektiv zu realisieren, wurden die Steuerungen der neuesten Generation einschneidend überarbeitet. Diese momentengefiihrte Dieselmotorsteuerung wird erstmals ab EDC16 eingesetzt. Hauptmerkmal ist die Umstellung der Modulschnittstellen auf Größen, wie sie im Fahrzeug auch auftreten. Kenngrößen eines Motors

Die Außenwirkung eines Motors kann im Wesentlichen durch drei Kenngrößen beschrieben werden: Leistung P, Drehzahl n und Drehmoment M. Bild 1 zeigt den typischen Verlaufvon Drehmoment und Leistung über der Motordrehzahl zweier Dieselmotoren im Vergleich. Grundsätzlich gilt der physikalische Zusammenhang:

Momentengeführte EDC-Systeme

Momentensteuerung

Der Fahrer fordert beim Beschleunigen über das Fahrpedal (Sensor) direkt ein einzustellendes Drehmoment. Unabhängig davon fordern andere externe Fahrzeugsysteme über die Schnittstellen ein Drehmoment an, das sich aus dem Leistungsbedarf der Komponenten ergibt (z. B.Klimaanlage, Generator). Die Motorsteuerung errechnet daraus das resultierende Motormoment und steuert die Stellglieder des Einspritz- und Luftsystems entsprechend an. Daraus ergeben sich folgende Vorteile: li>- Kein System hat direkten Einfluss auf die Motorsteuerung (Ladedruck, Einspritzung, Vorglühen). Die Motorsteuerung kann so zu den äußeren Anforderungen auch noch übergeordnete Optimierungskriterien berücksichtigen (z.B. Abgasemissionen, Kraftstoffverbrauch) und den Motor dann bestmöglich ansteuern. li>- Viele Funktionen, die nicht unmittelbar die Steuerung des Motors betreffen, können für Diesel- und Ottomotorsteuerungen einheitlich ablaufen. li>- Erweiterungen des Systems können schnell umgesetzt werden. Beispiel des Drehmoment- und Leistungsverlaufs zw eier Pkw-Dieselmoto ren mit ca 2,2 I Hub raum über d er Drehzahl

IN'

75 ｾ

. 5

ti

50

ｾ

25 P=2·J(·n·M

Es genügt also völlig, Z.B. das Drehmoment als Führungsgröße unter Beachtung der Drehzahl vorzugeben. Die Motorleistung ergibt sich dann aus der obigen Formel. Da die Leistung nicht unmittelbar gemessen werden kann, hat sich für die Motorsteuerung das Drehmoment als geeignete Führungsgröße herausgestellt.

I

0

nm

ｾ

i:

300 E E 200

0 ｾ

•

0

ｾ -.

100 0 0

-

0

ｾ

1000 2000 3000 4000 nun 1 0z Motordrehzahl

z

z

Bild 1

a

Baujahr 1968

b

Bauj ahr 1998

I

89

90

I

Elektronische Dieselregelung

I

Momentengef ührte EDC-Syste me

Ablauf der Motorsteuerung

Die Weiterverarbeitung der Sollwertvorgaben im Motorsteuergerät sind in Bild 2 schematisch dargestellt. Zum Erfüllen ihrer Aufgaben benötigen alle Steuerungsfunktionen der Motorsteuerung eine Fülle von Sensorsignalen und Informationen von anderen Steuergeräten im Fahrzeug. Vortriebsmoment Die Fahrervorgabe (d.h. das Signal des Fahrpedalsensors) wird von der Motorsteuerung als Anforderung für ein Vortriebsmoment interpretiert. Genauso werden die Anforderungen der Fahrgeschwindigkeitsregelung und -begrenzung berücksichtigt. Nach dieser Auswahl des Soll-Vortriebsmoments erfolgt gegebenenfalls bei Blockiergefahr eine Erhöhung bzw. bei durchdrehenden Rädern eine Reduzierung des Sollwerts durch das Fahrdynamiksystem (ASR,ESP). Weitere externe Momentanforderungen DieDrehmomentanpassung des Antriebsstrangs muss berücksichtigtwerden (Triebstrangübersetzung). Sie wirdim Wesentlichen durch die Übersetzungsverhältnisse imjeweiligen Gang sowie durch den Wirkungsgrad des Wandlers bei Automatikgetrieben bestimmt. Bei Automatikfahrzeugen gibtdieGetriebesteuerungdieDrehmomentanforderung während des Schaltvorgangs vor, um mitreduziertem Moment ein mögliehstruckfreies, komfortables und zugleich ein das Getriebe schonendes Schalten zu ermöglichen. Außerdem wirdnoch ermittelt, welchen Drehmomentbedarfweitere vom Motor angetriebene Nebenaggregate (z. B. Klimakompressor, Generator, Servopumpe) haben. Dieser Drehmomentbedarfwird aus der benötigten Leistung und Drehzahl entweder von diesen Aggregaten selbstoder von der Motorsteuerung ermittelt, Die Motorsteuerung addiert die Momentenanforderungen auf. Damit ändert sich das Fahrverhalten des Fahrzeugs trotz wechselnder Anforderungen der Aggregate und Betriebszustände des Motors nicht.

Innere Momentanforderungen In diesem Schritt greifen der Leerlaufregler und der aktive Ruckeldämpfer ein. Um Z.B. eine unzulässige Rauchbildung durch zu hohe Einspritzmengen oder eine mechanische Beschädigung des Motors zu verhindern, setzt das Begrenzungsmoment, wenn nötig, den internen Drehmomentbedarfherab. Im Vergleich zu den bisherigen Motorsteuerungssystemen erfolgen die Begrenzungen nicht mehr ausschließlich im Kraftstoff- Mengenbereich, sondern je nach gewünschtem Effekt direkt in der jeweils betroffenen physikalischen Größe. Die Verluste des Motors werden ebenfalls berücksichtigt (z. B. Reibung, Antrieb der Hochdruckpumpe). Das Drehmoment stellt die messbare Außenwirkung des Motors dar. Die Steuerung kann diese Außenwirkung aber nur durch eine geeignete Einspritzung von Kraftstoff in Verbindung mit dem richtigen Einspritzzeitpunkt sowie den notwendigen Randbedingungen des Luftsystems erzeugen (z. B. Ladedruck, Abgasrückführrate). Die notwendige Einspritzmenge wird über den aktuellen Verbrennungswirkungsgrad bestimmt. Die errechnete Kraftstoffmenge wird durch eine Schutzfunktion (z.B. gegen Überhitzung) begrenzt und gegebenenfalls durch die Laufruheregelung verändert. Während 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 schließlich resultierenden Sollwert für die Einspritzmenge werden die Ansteuerdaten für die Einspritzpumpen bzw. die Einspritzventile ermittelt sowie der bestmögliche Betriebspunkt des Luftsystems bestimmt.

Elektronische Dieselregelung

I

A bla uf der Mot o rsteuerung bei der momentengeführten Dieselrege lung

Vortriebsmoment Fahrerwunsch : - Fahrpedalsensor, - Fahrgeschwindigkeitsregelung , - Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung. Sensorsignale

Vorgabe des Fahrdynamiksystems: -ASR, - ESP.

----

..

Auswahl des SollVortriebsmoments

----

..

Koordinati on des Vortriebsmoments

+ Datenaustausch

.j,

Weitere externe Momentanforderungen

I Triebstrangübersetzung I

ｾ

V orgabe des G etriebesteu ergeräts

----

Motorbelastung durch Nebenaggregate

----

.. ..

Koordination des Antriebstrangmoments

Innere Momentanforderungen

'"

I Leerlaufregelung I I Aktiver Ruckeldämpfer I I Begren zungsmoment I ｾ ｾ

Steuerung des Motormoments (innere Funktionen) ｾ

Startmenge

I Wirkungsgrad Motor I I Laufruheregelung

Begren zungsmenge

...

I I I

D Interne Abläufe ••• Datenübertragung mit CAN mäglidl

Mengenvorgabe

,

I Fahrbetrieb

ｾ

I

I

Vorgabe: - Förderbeginn , - Spritzversteller, - Raildruck, ... Ge nach System).

... Luftsystem - Lader , - Abgasrückführung.

Star t " ｾ

Vorgabe: - Ladedruck, - Abgasrückführrate, Externe Vorgaben

I, ｾ

Ansteuerung der Aktoren

D

W W W

...

ｬ Ｂ ｊｉｒ

ｾＱ

Einspritzsystem - Einspritzpumpe, - Injektoren.

ｬ ｦｩｾ

ｦｩ ｾ

Mo ment engefü hrte EDC-Systeme

I

91

92

I

Elektronische Dieselregelung

I

Datenaustausch mit andere n Systeme n

Datenaustausch mit anderen Systemen Kraftstoff-Verbrauchssignal

Das Motorsteuergerät (Bild 1, Pos. 3) ermittelt den Kraftstoffverbrauch und gibt das Signal über CAN an das Kombiinstrument oder einen eigenständigen Bordrechner (6). Dort kann dem Fahrer der momentane Kraftstoffverbrauch oder die Restreichweite angezeigt werden. Ältere Systeme geben das Kraftstoff-Verbrauchssignal als PWM-Signal aus (Puls-WeitenModuliertes Signal). Steuerung des Starters

Der Starter (8) kann vom Motorsteuergerät angesteuert werden. Die EDCstellt damit sicher, dass der Fahrer nicht in den laufenden Motor starten kann. Der Starter wird nur so lange betätigt, wie es notwendig ist, damit der Motor sicher hochläuft. Durch diese Funktion kann der Starter leichter und somit kostengünstiger ausgelegt werden.

Glühzeitsteuergerät GZS

Das Glühzeitsteuergerät (5) erhält vom Motorsteuergerät die Information über Zeitpunkt und Dauer des Glühvorgangs. Das Glühzeitsteuergerät steuert die Glühkerzen an und überwacht den Glühvorgang. Für die Diagnosefunktion meldet es Störungen an das Motorsteuergerät zurück. Die Vorglüh- Kontrollleuchte wird meist vom Motorsteuergerät angesteuert. Elektronische Wegfahrsperre

Um eine unbefugte Benutzung zu verhindern, kann der Motor erst gestartet werden, wenn ein zusätzliches Steuergerät für die Wegfahrsperre (7) das Motorsteuergerät frei schaltet. Der Fahrer kann dem Steuergerät der Wegfahrsperre Z.B. über eine Fernbedienung oder den Glüh-Start-Schalter ("Zündschlüssel") signalisieren, dass er berechtigt ist, das Fahrzeug zu nutzen. Es schaltet dann das Motorsteuergerät frei, sodass Motorstart und Fahrbetrieb möglich sind.

Mög liche Komponen ten f ür den Datenaustausc h mit d er Elekt ronischen Dieselregelung

Bild 1 1

ESP-Steuergerät

2

Getriebesteuergerät

3

Motorsteuergerät

4

Klimasteuergerät

5

Glühzeitsteuergerät

6

Kombiins trument

( mit ABS und ASRj

(ED e )

mit Bo rd rech ner 7

Steuergerät der Wegfahrsperre

8

Starter

9

Generator

10 Klimakompressor

Elektronische Dieselregelung

Externer Momenteneingriff Beim externen Momenteneingriffwird die Einspritzmenge von einem anderen Steuergerät (z.B. für Getriebesteuerung, ASR) beeinflusst. Es teilt dem Motorsteuergerät mit, ob und um wie viel das Drehmoment des Motors (und damit die Einspritzmenge) geändert werden soll. Steuerung des Generators Über eine genormte serielle Schnittstelle kann die EDC den Generator (9) fernsteuern und überwachen. Eine Steuerung der Regelspannung ist genauso möglich wie das komplette Abschalten des Generators. Das Ladeverhalten des Generators kann, Z.B.bei schwacher Batterie, durch eine Anhebung der Leerlaufdrehzahl unterstütztwerden. Auch eine einfache Diagnose des Generators ist über diese Schnittstelle möglich. Klimaanlage Um bei hohen Außentemperaturen eine angenehme Innentemperatur zu erhalten, kühlt die Klimaanlage die Luft für den Fahrzeuginnenraum mithilfe eines Klimakompressors (10) ab. Sein Leistungsbedarf kann je nach Motor und Fahrsituation bis zu 30 % der Motorleistung betragen. Sobald der Fahrer das Fahrpedal ganz durchdrückt oder rasch betätigt (und damit also ein maximales Drehmoment wünscht), kann der Klimakompressor kurzzeitig vom Motorsteuergerät abgeschaltet werden. Dadurch steht die volle Motorleistung für den Antrieb zur Verfügung. Da nur kurzzeitig abgeschaltet wird, hat dies keinen merklichen Einfluss auf die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs.

I

Seriell e Datenübertragung mit CAN

Serielle Datenübertragung mit CAN Kraftfahrzeuge sind mit einer ständig wachsenden Zahl von elektronischen Systemen ausgestattet. Diese benötigen einen intensiven Daten- und Informationsaustausch, wobei die Anforderungen an Datenmengen und Geschwindigkeit immer größer werden. CAN(Controller Area Network) ist ein speziell für die Anwendung im Kraftfahrzeug entwickeltes lineares Bussystem (Bild 1). Es wird inzwischen auch in anderen Bereichen eingesetzt (z.B. in der Haustechnik). Die Daten werden auf einer gemeinsamen (Bus-)Leitung seriell, d.h. hintereinander übertragen. Alle CAN-Teilnehmer haben Zugriff auf den Bus. Über eine CANSchnittstelle in den Steuergeräten können diese Stationen Daten senden und empfangen. Durch die vernetzung werden wesentlich weniger Leitungen benötigt, da auf einer Busleitung eine Vielzahl Daten ausgetauscht werden können und die Daten mehrfach gelesen werden können. Bei herkömmlichen Systemen erfolgt der Datenaustausch über einzeln zugeordnete Datenleitungen von Punkt zu Punkt. Lineare Busst rukt ur

Molorsleuen.ng

Gelriebesleuerung station 1

ｾ

stat ion 2

ABS/ASR/ESP

station 3

ｾ

ｾ

Kombilllsiruneni ｾ station 4 @

§

I

93

94

I

Diagnose

I

Überwachung im Fahr bet r ieb (On- Board-Diagnose)

Diagnose Die Zunahme der Elektronik im Kraftfahrzeug, die Nutzung von Software zur Steuerung des Fahrzeugs und die erhöhte Komplexität moderner Einspritzsysteme stellen hohe Anforderungen an das Diagnosekonzept, die Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) und die Werkstattdiagnose (Bild 1). Basis der Werkstattdiagnose ist die geführte Fehlersuche, die verschiedene Möglichkeiten von Onboard- und Offboard-Prüfmethoden und Prüfgeräten verknüpft. Im Zuge der Verschärfung der Abgasgesetzgebung und der Forderung nach laufender Überwachung hat auch der Gesetzgeber die On-Board-Diagnose als Hilfsmittel zur Abgasüberwachung erkannt und eine herstellerunabhängige Standardisierung geschaffen. Dieses zusätzlich installierte System wird OBD-System (On Board Diagnostic System) genannt.

Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Oiagnose) Übersicht

Die im Steuergerät integrierte Diagnose gehört zum Grundumfang elektronischer Motorsteuerungssysteme. Neben der Selbstprüfung des Steuergeräts werden Ein- und Ausgangssignale sowie die Kommunikation der Steuergeräte untereinander überwacht. Unter einer On-Board-Diagnose des elektronischen Systems ist die Fähigkeit des Steuergeräts zu verstehen, sich auch mithilfe der "Software-Intelligenz" ständig selbst zu überwachen, d.h. Fehler zu erkennen, abzuspeichern und diagnostisch auszuwerten. Die On-Board-Diagnose läuft ohne Zusatzgeräte ab. Überwachungsalgorithmen überprüfen während des Betriebs die Eingangs- und Ausgangssignale sowie das Gesamtsystem mit allen Funktionen auf Fehlverhalten und Störungen. Die dabei erkannten Fehler werden im Fehlerspeicher des Steuergeräts abgespeichert. Die abgespeicherte Fehlerinformation kann über eine serielle Schnittstelle ausgelesen werden.

Diagnosesystem

Offbüard-

Pro/gerat

Steuergerate

Diagnose

I

Überwachung im Fahr bet rieb (On- Board-Diagnose)

Überwachung der Eingangssignale

Überwachung der Ausgangssignale

Die Sensoren, Steckverbinder und Verbindungsleitungen (Signalpfad) zum Steuergerät (Bild 2) werden anhand der ausgewerteten Eingangssignale überwacht. Mit diesen Überprüfungen können neben Sensorfehlern auch Kurzschlüsse zur Batteriespannung U Batt und zur Masse sowie Leitungsunterbrechungen festgestellt werden. Hierzu werden folgende Verfahren angewandt: li>- Überwachung der Versorgungsspannung des Sensors (falls vorhanden). li>- Überprüfung des erfassten Wertes auf den zulässigen Wertebereich (z. B.

Die vom Steuergerät über Endstufen angesteuerten Aktoren (Bild 2) werden überwacht. Mit den Überwachungsfunktionen werden neben Aktorfehlem auch Leitungsunterbrechungen und Kurzschlüsse erkannt. Hierzu werden folgende Verfahren angewandt: li>- Überwachung des Stromkreises eines Ausgangssignals durch die Endstufe. Der Stromkreis wird auf Kurzschlüsse zur Batteriespannung U Batt , zur Masse und auf Unterbrechung überwacht. li>- Die Systemauswirkungen des Aktors werden direkt oder indirekt durch eine Funktions- oder Plausibilitätsüberwachung erfasst. Die Aktoren des Systems, z. B. Abgasrückführventil, Drosselklappe oder Drallklappe, werden indirekt über die Regelkreise (z.B. permanente Regelabweichung) undteilweise zusätzlich über Lagesensoren (z.B. die Stellung der Turbinengeometrie beim Turbolader) überwacht.

0,5 ...4,5 V). li>-

li>-

Bei Vorliegen von Zusatzinformationen wird eine Plausibilitätsprüfung mit dem erfassten Wert durchgeführt (z. B. Vergleich Kurbelwellen- und Nockenwellendrehzahl). Besonders wichtige Sensoren (z. B. Fahrpedalsensor) sind redundant ausgeführt. Ihre Signale können somit direkt miteinander verglichen werden.

Systemb ild ei nes elek tronische n Systems (Beispiel Common Rail)

sensoren Wld Sollwertgeber

Steuergerät

Fahrpedalsensor mit Leergasschalter und Kickdown-SChalter

Sensorauswertung

Drehzahlsensoren (Ktrtelweje, Nockenwelle)

Signalverarbeitung

Drucksensoren (Ladedruck, Raildruck) Temperatursensoren (Ladelutt-, Abgas -, Motortemperatur)

Diagnose

nm Aktoren

Injektoren

'--- ---l'-''O' Rail-Druckregelventil

-j

I I I

Hochdruckpumpe

Atqasncknmsteäer Ladedrucksteller Drosselklappensteller zusätzliche Endstufen

Kommunikation Luftmassemesser

Schalteingänge (Kupplungsschaller, Klemme 15, Fahrgeschwindigkeitsregler)

ISO-SChnittstelle (z. S. Diagnose)

Endstufen

Glühzeitsteuergerät Diagnoselampe CAN

CAN-Schnittstelle

I

95

96

I

Diagnose

I

Überwachung im Fahr bet r ieb (On- Board-Diagnose)

Überwachung der internen Steuergerätefunktionen

Damit die korrekte Funktionsweise des Steuergeräts jederzeit sichergestellt ist, sind im Steuergerät Überwachungsfunktionen in Hardware (z.B. "intelligente" Endstufenbausteine) und in Software realisiert. Die Überwachungsfunktionen überprüfen die einzelnen Bauteile des Steuergeräts (z. B. Mikrocontroller, FlashEPROM,RAM). Viele Tests werden sofort nach dem Einschalten durchgeführt. Weitere Überwachungsfunktionen werden während des normalen Betriebs durchgeführt und in regelmäßigen Abständen wiederholt, damit der Ausfall eines Bauteils auch während des Betriebs erkannt wird. Testabläufe, die sehr viel Rechnerkapazität erfordern oder aus anderen Gründen nicht im Fahrbetrieb erfolgen können, werden im Nachlaufnach "Motor aus" durchgeführt. Auf diese Weise werden die anderen Funktionen nicht beeinträchtigt. Beim Common Rail System für Dieselmotoren werden im Hochlauf oder Nachlauf z. B. die Abschaltpfade der Injektoren getestet. Beim Ottomotor wird im Nachlauf z. B. das Flash- EPROMgeprüft. Überwachung der Steuergerätekommunikation

Die Kommunikation mit den anderen Steuergeräten findet in der Regel über den CAN-Bus statt. Im CAN-Protokoll sind Kontrollmechanismen zur Störungserkennung integriert, sodass Übertragungsfehler schon im CAN-Baustein erkannt werden können. Darüber hinaus werden im Steuergerätweitere Überprüfungen durchgeführt. Da die meisten CAN-Botschaften in regelmäßigen Abständen von den jeweiligen Steuergeräten versendet werden, kann z. B. der Ausfall eines CAN-Controllers in einem Steuergerät mit der Überprüfung dieser zeitlichen Abstände detektiert werden. Zusätzlich werden die empfangenen Signale bei Vorliegen von redundanten Infonnationen im Steuergerät anhand dieser Infonnationen wie alle Eingangssignale überprüft.

Fehlerbehandlung

Fehlererkennung Ein Signalpfad wird als endgültig defekt eingestuft, wenn ein Fehler über eine definierte Zeit vorliegt. Bis zur Defekteinstufung wird der zuletzt als gültig erkannte Wert im System verwendet. Mit der Defekteinstufung wird in der Regel eine Ersatzfunktion eingeleitet (z. B. Motortemperatur- Ersatzwert T = 90°C). Für die meisten Fehler ist eine Heilung bzw. Intakt- Erkennung während des Fahrzeugbetriebs möglich. Hierzu muss der Signalpfad für eine definierte Zeit als intakt erkannt werden. Fehlerspeicherung Jeder Fehler wird im nichtflüchtigen Bereich des Datenspeichers in Form eines Fehlercodes abgespeichert. Der Fehlercode beschreibt auch die Fehlerart (z. B. Kurzschluss, Leitungsunterbrechung, Plausibilität, Wertebereichsüberschreitung). Zu jedem Fehlereintrag werden zusätzliche Informationen gespeichert, z. B. die Betriebs- und Umweltbedingungen (Freeze Frame), die bei Auftreten des Fehlers herrschen (z. B. Motordrehzahl, Motortemperatur). Notlauffunktionen (Limp horne) Bei Erkennen eines Fehlers können neben Ersatzwerten auch Notlaufmaßnahmen (z. B. Begrenzung der Motorleistung oder -drehzahl) eingeleitet werden. Diese Maßnahmen dienen li>- der Erhaltung der Fahrsicherheit, li>- der Vermeidung von Folgeschäden oder li>- der Minimierung von Abgasemissionen.

Diagnose

On Board Diagnostic System für Pkw und leichte Nkw Damit die vom Gesetzgeber geforderten Emissionsgrenzwerte auch im Alltag eingehalten werden, müssen das Motorsystem und die Komponenten ständig überwacht werden. Deshalb wurden - beginnend in Kalifornien - Regelungen zur Überwachung der abgasrelevanten Systeme und Komponenten erlassen. Damit wird die herstellerspezifische On-Board- Diagnose hinsichtlich der Überwachung emissionsrelevanter Komponenten und Systeme standardisiert und weiter ausgebaut. Gesetzgebung OBD I (CARB)

1988 trat in Kalifornien mit OBD I die erste Stufe der CARE-Gesetzgebung (California Air Resources Board) in Kraft. Diese erste OBD-Stufe verlangt: li>- Die Überwachung abgasrelevanter elektrischer Komponenten (Kurzschlüsse, Leitungsunterbrechungen) und Abspeicherung der Fehler im Fehlerspeicher des Steuergeräts. li>- Eine Fehlerlampe (Malfunction Indicator Lamp, MIL), die dem Fahrer erkannte Fehler anzeigt. li>- Mit Onboard- Mitteln (z. B. Blinkeode über eine Diagnoselampe) muss ausgelesen werden können, welche Komponente ausgefallen ist.

I

On Board Diagn ost ic System für Pkw und leichte Nkw

überwacht werden. Zusätzlich sind auch alle Komponenten, die zur Überwachung emissionsrelevanter Komponenten eingesetzt werden bzw. die das Diagnoseergebnis beeinflussen können, zu überwachen. Für alle zu überprüfenden Komponenten und Systeme müssen die Diagnosefunktionen in der Regel mindestens einmal im Abgas- Testzyklus (z. B. FTP 75) durchlaufen werden. Darüber hinaus wird gefordert, dass alle Diagnosefunktionen auch im täglichen Fahrbetrieb ausreichend häufig ablaufen. Für viele nicht kontinuierlich laufenden Überwachungsfunktionen ist seit Modelljahr 2005 eine im Gesetz definierte Überwachungshäufigkeit ("In Use Monitor Performance Ratio") im täglichen Fahrbetrieb vorgeschrieben. Seit Einführung der OBD11 wurde das Gesetz in mehreren Stufen überarbeitet (updates). Die letzte Überarbeitung erfolgte mit dem "Biennal-Review", neue Anforderungen werden in drei Stufen eingeführt. Neben Kalifornien haben neun weitere us-nundessraaten die CARB-Gesetzgebung übernommen oder planen diese zu übernehmen. OBD (EPA)

In 40 US-Bundesstaaten gelten die Gesetze der Bundesbehörde EPA (Environmental Protection Agency). Der Umfang dieser Diagnose entspricht im Wesentlichen OBD11.

OBD II (CARB)

EOBD (EU)

1994 wurde mit OBD11 die zweite Stufe der Diagnosegesetzgebung in Kalifornien eingeführt. Für Fahrzeuge mit Dieselmotoren wurde OBD11 ab 1996 Pflicht. Zusätzlich zu dem Umfang OBDI wird nun auch die Funktionalität des Systems überwacht (z. B. Prüfung von Sensorsignalen auf Plausibilität). OBD 11 verlangt, dass alle abgasrelevanten Systeme und Komponenten, die bei Fehlfunktion zu einer Erhöhung der schädlichen Abgasemissionen führen können (Überschreitung der OBD-Grenzwerte),

Die auf europäische Verhältnisse angepasste OBDwird als EOBD bezeichnet und lehnt sich an die EPA-OBD an . Die EOBDgilt seit januar 2000 für alle Pkw und leichte Nkw mit Ottomotoren bis zu 3,5 t. Seit januar 2003 gilt die EOBD auch für Pkw und leichte Nkwmit Dieselmotoren. Die EOBD-Gesetzgebung wird derzeit für die Einführung der Emissionsstufen Euro 5 und Euro 6 überarbeitet und es gibt erste Entwürfe dazu. Es ist mit einer deutlichen Verschärfung der EOBDGrentwerte zu rechnen.

I

97

98

I

Diagnose

I

Diagnose in der Werksta tt

Diagnose in der Werkstatt Aufgabe dieser Diagnose ist die schnelle und sichere Identifikation der fehlerhaften kleinsten tauschbaren Einheit. Dabei werden die Onboard-Informationen und Offboard- Prüfmethoden und -Prüfgeräte in der geführten Fehlersuche verknüpft. Hilfestellung dabei gibt die Elektronische Service-Infonnation (ESI[tronic]). Sie enthält für viele möglichen Probleme (z. B. Motor ruckelt) und Fehler (z. B. Kurzschluss Motortemperatursensor) Anleitungen für die weitere Fehlersuche.

mithilfe eines symptomabhängigen, ergebnisgesteuerten Ablaufs geführt. Genutzt werden Onboard- (Fehlerspeichereinträge) sowie Offboard-Möglichkeiten (Stellglieddiagnose und Offboard- Prüfgeräte). Die geführte Fehlersuche, Auslesen des Fehlerspeichers, Werkstatt-Diagnosefunktionen und die elektrische Kommunikation mit Offboard-Prüfgeräten erfolgen mithilfe von i. Allg. pe-basierten Diagnosetestern. Das kann ein spezifischer Werkstatt-Tester des Fahrzeugherstellers oder ein universeller Tester (z. B. KTS650 von Bosch) sein.

Geführte Fehlersuche

Wesentliches Element ist die geführte Fehlersuche. Der Werkstattmitarbeiter wird- ausgehend vom Symptom (Fahrzeugsymptom oder Fehlerspeichereintrag) -

n

Ablau f einer geführten Fehlersuche mit CAS[plus]

Identifikation Fehlersuche nach Kundenbeanstandung Fehlerspeicher auslesen und anzeigen Komponentenprüfung aus Fehlercodeanzeige starten SO-Istwerte und Multimeter-Istwerte in der Komponentenprüfung anzeigen Bild 1 Das System CA S[ plus)

Soll-flstwerte-Vergleich ermöglicht Fehlerbestimmung

Nach dem Auslesen des Fehlerspeichers in der Werkstatt und der Fehlerbehebung kann der Fehlerspeicher mit dem Testgerät wieder gelöscht werden.

Reparatur durchführen, Teilebestimmung, Schaltpläne usw. in ESI[tronic]

Für die Kommunikation zwischen Steuergerät und Tester muss eine geeignete Schnittstelle definiert sein.

(Computer Aided Service) verknüpft die steue rgeräte-Diagnose mit der SIS-Fehlersuchanleitung für eine noch effektivere Fehlers uche. Oie für Diagnose und Reparatur entscheidenden Werte erscheinen dabei sofort auf einer Bildschi rmansicht.

Auslesen der Feh lers pe ichereinträge Die während des Fahrbetriebs abgespeicherten Fehlerinformationen (Fehlerspeichereinträge) werden bei der Fahrzeuginspektion oder -reparatur in der Kundendienstwerkstatt über eine serielle Schnittstelle ausgelesen. Das Auslesen der Fehlereinträge kann mithilfe des Diagnosetesters durchgeführt werden. Der Werkstattmitarbeiter erhält Angaben über: li>- Fehlfunktion (z. B. Motortemperatursensor), li>- Fehlercode (z. B. Kurzschluss nach Masse, Signal nicht plausibel, Fehler statisch vorhanden), li>- Umweltbedingungen (Messwerte zum Zeitpunkt der Fehlerspeicherung, z. B. Drehzahl, Motortemperatur usw.).

Defektes Teil austauschen Fehlerspeicher löschen

Stellglied- Diagn ose Um in den Kundendienstwerkstätten einzelne Stellglieder (Aktoren) gezielt aktivieren und deren Funktionalität prüfen zu können, ist im Steuergerät eine Stellglied-

I

Dioeno...

Diagn ose cut ha uen. Dieser Testmodus wird mu de m Ina gnosctcsu-r eingeleitet un d fu nktio nier t nur bei ste he ndem Fahrl" ug unt erhalb t' i!ll'r hes tlnt nucu Motor drehx ahl urh-r ht'i Motorsttllsta nd . unter anderem ist es hk-r nutruögl i..h, dieFunktio n d er Stpllg1i" dp r akus useh tz. B. Kli..ken des Ventfls), oprtsch (z . II. B,'w"g un g t' int' r Klap pt') Ollt'r d u rch a nd pr,' Methode n, wie Messuu g vo n r-lektnschen Signa· k-n, zu übe-rprüfen. Wt'rksl au-Dta gnoscfu nkt iOl1i h t I'S z wei Aus führ un gr-n des lJ ni l Inj ,' cl ors (UI- I , 111 -2 ), dil' su-h - !w i gl" i- Bleibt das Magnetventilgeöffnet, kann nicht eingespritzt werden, da der Kraftstoffin den Niederdruckteil zurückfließt und kein Druck aufgebautwerden kann. li>- Bei ständig geschlossenem Magnetventil kann kein Kraftstoffin den Hochdruckraumgelangen, da die Füllung des Hochdruckraums nur über den geöffneten Magnetventilsitz erfolgen kann. In diesem Fall kann höchstens einmal eingespritzt werden.

Arbeitsweise des UI für Nkw voreinsp ritzun s. hydraulische Dämpfung

2

Das Unit Injector System für Nkw (Bild 9) hat hinsichtlich der Haupteinspritzung prinzipiell die gleiche Funktionsweise wie das Pkw-System. Unterschiede bestehen bezüglich der Voreinspritzung: Das Unit InjectorSystem für Nkw bietetim unteren Drehzahl- und Lastbereich die Möglichkeit einer elektronisch gesteuerten Voreinspritzung, die durch zweimaliges Ansteuern des Magnetventils realisiertwird.

Bild 7 1

Düsenfederraum

2

Federhalter

3

Dämpfun gsplatte

4

Dämpfun gskolben

5

Düsennadel

Bild S 1

Leckspalt

2

hydraulisches Polster

124

I

Unit Injector System

I

Arbeitsweise des UI f ür Nkw

Funkt io nsprinz ip des Unit Injec tors für Nkw und der Unit Pump

a

\8 ...

2- - - --=--- 113-

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Einspritzdruck

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7

Kurbelwellenwinkel ----

Unit Injector System

Hochdruckmagnetventil Das Hochdruckmagnetventil steuert Druckaufbau, Einspritzzeitpunkt und Einspritzdauer.

Aufbau Ventil Das Ventil besteht aus der Ventilnadel (Bild 10, Pos. 2), dem Ventilkörper (12) und der Ventilfeder(l). Die Dichtfläche des Ventilkörpers ist kegelig angeschliffen (10). Die Ventilnadel besitzt ebenfalls eine kegelige Dichtfläche (11). Der Winkel an der Nadel ist etwas größer als der des Ventilkörpers. Beigeschlossenem Ventil, wenn die Nadel gegen den Ventilkörpergedrücktwird, berühren sich Ventilkörperund Ventilnadellediglich aufeiner Linie, dem Ventilsitz. Durch diese Doppelkegeldichtung dichtet das Ventil sehr gut ab. Ventilnadel und Ventilkörper müssen durch Präzisionsbearbeitung sehr genau aufeinander abgestimmt sein. Mag net Der Magnet besteht aus dem festen Magnetjoch und dem beweglichen Anker(16). Das Magnetjoch seinerseits besteht aus

I

Hoc hd r uc kmagnetvent il

I

125

Magnetkern (15), Spule (6) und der elektrischen Kontaktierungmit dem Stecker (8). Der Ankeristander Ventilnadel befestigt bzw. mit dieser kraftschlüssig verbunden. Zwischen Magnetjoch undAnkeristin der Ruhelage ein Ausgangs- oder Restluftspalt.

Arbeitsweise Geöffnetes Ven til Das Magnetventil istgeöffnet, solange es nicht angesteuert wird, d. h., wenn durch die Spule des Magneten kein Strom fließt. Die von der Ventilfeder aufdie Ventilnadel ausgeübte Kraft drückt diese gegen den Anschlag. Hierdurch ist der Ventildurchflussquerschnitt (9) zwischen Ventilnadel und Ventilkörperim Bereich des Ventilsitzes geöffnet. Somit sind Hochdruck- (3) und Niederdruckbereich (4) der Pumpe mitein anderverbunden. In dieser Ruhelage kann Kraftstoffvon und zum Hochdruckraum fließen. Geschlossenes Ven til Wenn eine Einspritzung erfolgen soll, wird die Spule vom Steuergerät angesteuert. Der Anzugstrom erzeugt einen Magnetfluss in den Magnetkreisteilen (Magnetkern, Magnetscheibe und Anker). Dieser Magnet-

Bild 10 1 Ventilfeder

I

2 Ventilnadel

Hochd ruckmag netve nt il f ür Pkw Unit Injector

3 Hochdruckbereich 4 Niederdruck-

9

10

11

bereich 5 Ausgleichsscheibe 6 Spule des Elektromagneten 7 Kapsel 8 Stecker 9 Venti Idurchfl ussquersehrritt 10 Dichtfläche des Ventil körpers 11 Dichtfläche derVen tilnadel 12 integrierter Ventilkörper

13 uterwurrrnutter 14 Magnetscheibe

X 12 13 14 15

16

17

15 Magnetkern 16 Anker 17 Ausgleichsfeder

126

I

Unit Injector System

I

Hochd r uckmag netvent il

fluss erzeugt eine magnetische Kraft, die den Ankerin Richtung Magnetscheibe (14) anzieht und dabei die Ventilnadel in RichtungVentilkörpermitbewegt. Der Anker wird so weit angezogen, bis sich Ventilnadel und Ventilkörperim Dichtsitz berühren und so das Ventil geschlossen ist. Zwischen Anker und Magnetscheibe bleibt ein Restluftspalt. Die Magnetkraftrnuss nichtnur den Anker anziehen, sondern gleichzeitig die von der Ventilfederausgeübte Kraft überwinden undihrentgegenhalten. Außerdem muss die Magnetkraftdie Dichtflächen mit einer bestimmten Kraft aneinander drücken, um auch dem Druck aus dem Elementraum standzuhalten. Bei geschlossenem Magnetventil wird während der Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens Druck im Hochdruckraum aufgebaut und es kann eingespritztwerden. Wenn die Einspritzung beendetwerden soll, wird der Strom durch die Spule abgeschaltet, der Magnettluss und somit die Magnetkraft brechen zusammen. Die Federkraft drückt die Ventilnadelgegen den Anschlagin die Ruhelage. Der Ventilsitz ist geöffnet und der Druck im Hochdruckraum wird abgebaut.

Anste u er ung Zum Schließen des Hochdruckmagnetventils wird dieses mit einem relativ hohen Anzugstrom (Bild 11, a) mit steil ansteigender Flanke angesteuert. Dies gewährleistet kurze Schaltzeiten des Magnetventils und eine genaue Dosierung der Einspritzmenge. Beigeschlossenem Ventil kann der Anzugstrom aufeinen Haltestrom (c) reduziert werden, um das Ventil geschlossen zu halten. Sowirddie Verlustleistung (Wärme) durch den Stromfluss reduziert. Der erforderliche Haltestrom istumso kleiner,je näher sich der Anker an der Magnetscheibe befindet, da ein kleiner Abstandeinegrößere magnetische Kraft bedingt. Zwischen Anzugstrom- und Haltstromphase wird kurzzeitig für die Erkennung des Magnetventil-Schließzeitpunkts mit konstanter Spannung angesteuert (BIPErkennung, Phase b). Um am Ende der Einspritzung ein definiertes und schnelles Öffnen des Magnetventils zu erreichen, wird durch Anlegen einer hohen Klemmenspannung eine Schne111öschung derim Magnetventil gespeicherten Energie durchgeführt (Phased).

Ansteuersequen z des Hochd r uc kmagnetvent ils

d

1'I\agnetventil-0 strom IM

t

Einsc haltsi gna l Bild 11 Anzugstrom (UISjUPS für Nkw: 12...20 A; UIS für Pkw: 20 Al 8lP-Erkennun g Haltestrom

Magnetventil-0 nadelhub h M

t

(UISjUPS für Nkw:

8... 14 A; UIS für Pkw: 12 Al Schnelllöschung

Zeit ! _

DI... H lnsprltz-G.."lIlcht. I 127

d ie EntEnde 1922 begann bei ｾｨ wicklung eines Einspr'tzsystems für Diesel· mctce en . Die techn ischen Voraussetlungen waren günstig : Bos- hohe Einspritzdrücke, li>- Einspritzverlaufsfonnung, li>- Voreinspritzung undgegebenenfalls Nacheinspritzung, li>- Anpassung von Einspritzmenge, Ladedruck und Spritzbeginn an den jeweiligen Betrlebszustand, li>- temperaturabhängige Startmenge, li>- lastunabhängige Leerlaufdrehzahlregelung, li>- geregelte Abgasrückfiihrung, li>- Fahrgeschwindigkeitsregelung, li>- geringe Toleranzen der Einspritzzeit und -menge und hohe Genauigkeitwährend der gesamten Lebensdauer (Langzeitverhalten), li>- UnterstützungvonAbgasnachbehandlungssystemen.

Systemblocke der EDC (Beispiel UISjU PSj

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Partkeffilter-

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ｾＺＡｩＩ･Ｂ

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Funktonsrechner

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Raps-Methyl-Sensor Drehzensensoren

(Kulbelw,""

Aktoren

Steuergerät

sensoren und Sollwertgeber Fahrpedalsensor ｾ Luftmassensensor Ladedru::ksensor

ｎｯ｣ｫＧｏｗ

ｾ

Bremsschajer

_

ｾＢＧＩ

ｾ

GIÜ.ch'A'Nitsteuergerät

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Kuppl""9=he'" -

Startschalter

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Uni! Injector

ＧＭｩｊ｜

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.. Drosselklappenstejler KlImakompressor

zusetaneecm Lufler

Abg.ＬＢ ｬｨｵｋ ｾｯ Ｂ｡

Kraflstoffkühlung

Startersteuerung M::Jtortagersteuerung Diaprjoselampe

Elektronische Dieselregelung

Die herkömmliche mechanische Drehzahlregelung erfasst mit diversen Anpassvorrichtungen die verschiedenen Betriebszustände und gewährleistet eine hohe Qualität der Gemischaufbereitung. Sie beschränkt sich allerdings aufeinen einfachen Regelkreis am Motor und kann verschiedene wichtige Eintlussgrößen nicht bzw. nicht schnell genug erfassen. Die EDC entwickelte sich mit den steigenden Anforderungen zu einer komplexen elektronischen Motorsteuerung, die eine Vielzahl von Daten in Echtzeitverarbeiten kann. Über die reine Motorsteuerung hinaus wird eine Reihe von Komfortfunktionen (z. B. Fahrgeschwindigkeitsregler) unterstützt. Die EDC kann Teil eines elektronischen Fahrzeuggesamtsystems sein (drive by wire). Durch die zunehmende Integration der elektronischen Komponenten kann die komplexe Elektronik aufengstem Raum untergebrachtwerden.

Arbeitsweise Die Elektronische Dieselregelung (EDC) ist durch die in den letzten Jahren stark gestiegene Rechenleistung der verfügbaren Mikrocontrollerinder Lage, die genannten Anforderungen zu erfüllen. Im Gegensatz zu Dieselfahrzeugen mit konventionellen mechanisch geregelten Einspritzpumpen hat der Fahrer bei einem EDC-System keinen direkten Einfluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge, z.B. über das Fahrpedal und einen Seilzug. Die Einspritzmenge wird vielmehr durch verschiedene Einflussgrößen bestimmt. Dies sindz.B.: li>- Fahrerwunsch(Fahrpedalstellung), li>- Betriebszustand, li>- Motortemperatur, li>- Eingriffe weiterer Systeme (z.B. ASR), li>- Auswirkungen aufdie Schadstoffemissionen usw. Die Einspritzmenge wird aus diesen Einflussgrößen im Steuergerät errechnet. Auch der Einspritzzeitpunkt kann variiert werden. Dies bedingt ein umfangreiches

Überwachungskonzept, das auftretende Abweichungenerkenntundgemäßden Auswirkungen entsprechende Maßnahmen einleitet (z. B. Drehmomentbegrenzung oder Notlaufim Leerlaufdrehzahlbereich). In der EDC sind deshalb mehrere Regelkreise enthalten. Die Elektronische Dieselregelung ermöglicht auch einen Datenaustausch mit anderen elektronischen Systemen wie z. B. Antriebsschlupfregelung (ASR), Elektronische Getriebesteuerung (EGS) oder Fahrdynamikregelung mit dem Elektronisehen Stabilitäts-Programm (ESP). Damit kann die Motorsteuerung in das FahrzeugGesamtsystem integriertwerden (z. B. Motormomentreduzierung beim Schalten des Automatikgetriebes, Anpassen des Motormoments an den Schlupfder Räder usw.). Das EDC-System ist vollständig in das Diagnosesystem des Fahrzeugs integriert. Es erfüllt alle Anforderungen derOBD (On -Board-Diagnose) und EOBD(European OBD).

Systemblöcke Die Elektronische Dieselregelung (EDC) gliedert sich in drei Systemblöcke (Bild 1): 1. Sensoren und Sollwertgeber erfassen die Betriebsbedingungen (z. B. Motordrehzahl) und Sollwerte (z. B. Schalterstellung). Sie wandeln physikalische Größen in elektri sehe Signale um.

2. Das Steuergerätverarbeitetdie Informationen der Sensoren und Sollwertgeber in mathematischen Rechenvorgängen (Steuer- und Regelalgorithmen). Es steuert die Stellglieder mit elektrischen Ausgangssignalen an. Ferner stellt das Steuergerät die Schnittstelle zu anderen Systemen und zur Fahrzeugdiagnose her. 3. Stellglieder(Aktoren) setzen die elektrischen Ausgangssignale des Steuergeräts in mechanische Größen um (z. B. Hub der Magnetventilnadel).

I

Systemübe rsicht

I

141

142

I

Elektronische Dieselregelung

I

Unit Injector System UIS f ür Pkw

Unit Injector System UIS für Pkw Übersich t der EDe -Ko mponenten f ür Unit Injector Systeme im Pkw

Fahrpedalsensor mit Leergasschalter und Kickdownschalter (2, Sensor')

Steuergerät EDC16U

Unit Injector (max 5rxo 8:euergerät) , ,

Signaleingänge

,.

Sensorauswertung

Motordrehzahl (KW) (Kurbelwelle)

U mgebungsdrucksensor

Motordrehzahl (NW) u. Zylindererkennung (Nockenwelle)

- Leerlaufregelung

Ladedruck

- Aktiver Ruckeldämpfer

Lufttemperatur

- externer Momenteneingriff

Funktionen: - Laufruheregler

Förderbeginn, -dauer

- Wegtahrsperre

Motortemperatur (Kühlmittel)

- Mengenregelung und -begrenzung

Kraftstofftemperatur

- Fahrgeschwindigkeitsregelung (FGR)

flJJgastemperatur

- Förderbeginn- und Förderdauerberechng

Luftmasse Fahrgeschwindigkeit (auchüber CAN möglich)

- e uest n or erun

Klimaabschaltung

I

-1 Abgasrückführsteller

- zusätzliche Sonderanpassungen'

-1 Ladedrucksteller

Diagnosefunktionen:

I Zusätzliche Klein-1leistungsendstUfen (z.B. Klimaanlagenabschaltung, Lüfter, Zusatzheizung)

- Ersatzfunktionen

-ape

Ｍｾ I

- Förderbeginnkorrektur (BIP)

- Systemdiagnose - Motordiagnose

e rstu EnS alter rares mreitsre e1un

Glührelaissteuerung

Magnetventilendstufen

I

Aktoren

Leistungsendstufen +

Signalausgänge CAN-Kommunikation

ress alter { ｾＭ

uppun ss alter

DiagnoseKommunikation

ste la pe

End-of-UneProgrammierung Spannungsversorgung

le e

I etrelastatus etne eem an

Haupt-

1-----" relais

-ape al unton nr ator ap r ra nose nittstelle

12V

re a lsi nal - i nal

li aen an Eingangssignale

'cotonel

nittstelle ra nose

BOSCH

Kommunikation

Elektronische Dieselregelung

Unit Injector System UIS und Unit Pump System UPS für Nkw Übersich t der EDe-Komponen ten f ür Unit Injector System und Unit Pump System im Nkw

Fahrpedalsensor mit LeergasschaRer urd KickrbwnschaRer*

Steuergerät MS 6.2 Signaleingänge Sensorauswertung Umgebungsd rucksenso r

Ivbtordrehzahl(KW) (KurbelINeIle) Motordrehzahl (NW) u. Zylirdererkenraajq (Nockenwelle) Turbolader Drehzahlsignal Ladedruck

LadelufUemperatur Motortemperatur (Kühlmittel) Kraftstolltemperatur Fahrgeschwirdigkeit (auch über CAN mögli:;h)

Up* (max 8 pro Steuergerät)

ｾＬＺ

"""'"

Funktonen - Leer1aulregelung - Zwischerdrehzahlregelung - externer Momenteneingriff - Weglahrsperre - Mengenregelung und -begrenzung - FahrgeschwirdigkBitsregelung(FGR) - FahrgeschwirdigkBitsbegrenzung - ZylinderabschaRung - Förderbeginn- und Förderdauerberechng - Förderbeginnkorrektur(BIP) - zusätzliche Sorderanpassungen*

00'" UI* (max.8 pro Steuergerät)

,i ii

Förderbeginn, -dauer Ladedru::ksteller

peoroseiusoonen

- systemoeorose MehrstulenschaRer mr FahrgeschwirdigkeitsregelLJr(! (FGR)

Motorbremse

-Abgleich - Ersatz/unktionen - ｍｯｴｲ､ｾｭｳ･

zusatzrcne Endstulen

(z.B Ventilatorsteuerung, Rammstartanlage)

Magnetventilerdstulen Leistungsendstulen Signala.usgänge CAN-Kommunikation Daqrose-Kommunkat

Multifunktonssenalter Bremskontakte

Aktoren Daqnoselampe ｾＭ ＮｾＫＬ

Ero-ot-LneKupplungskontakt

Spannungsversorgung

Motorbremskontakt Feststellbrems-

Hauptrelais ＫＭｾ

+

Eingangssignale

'optoret

tso-scmmsteae (z. B. Daqrose)

L

CAN-&hnittstelle

ｾ｡ｴｮｄｫ

Klemme 15

ｾ

Programmierung

24V (12V*) +

BOSCH

Eirgang lür PWMSignaie Drehzahlsignal TDSignal Kommunikation o

I

UIS und UPS für Nkw

I

143

144

I

Elektronische Dieselregelung

I

Regelung der Einspritzung

Regelung der Einspritzung Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die EDCFunktionen, die beim UIS/UPS und bei anderen Einspritzsystemen realisiert sind Bild4 zeigt den Ablaufder Einspritzberech nungmit allen Funktionen. Einige Funktionen sindSonderausstattungen. Sie können bei Nachrüstungen auch nachträglich vom KundendienstimSteuergerätaktiviert werden.

Damit der Motorinjedem Betrlebszustand mit optimaler Verbrennung arbeitet, wird diejeweilspassende Einspritzmengeim Steuergerät berechnet. Dabei müssen verschiedene Größen berücksichtigt werden. Bei einigen magnetventilgesteuerten Verteilereinspritzpumpen erfolgt die Ansteuerung der Magnetventile für Einspritzmenge undSpritzbeginn über ein separates PumpensteuergerätPSG.

1 Einspritzsystem

Reiheneinsplitzpumpen

PE

Kantengesteuerte Verteilerein-

Magnetventilgesteuerte

spritzpumpen VE-EDC

spritzpumpen VE-M, VR-M

vertejeretn-

Unit Injector System und Unit Pump System UIS, UPS

Common Rail system

eR

Begre nzungsmenge Externe r Momente nei ngriff

• cI

Fahrgeschwind igkeitsbegrenzung

• cI

Fahrgeschwind igkeitsregelung Höhenkorrektur laded ruckregelu ng Leerlaufregelung Zwischend rehzahl regel ung Aktive Ruckeldämpfung

• cI .'1

BIP-Regelung

. '1

Einlass kanalabschaltu ng Elektron ische Wegfah rsperre

.'1 . '1 . '1

Gesteuerte Voreinspritzu ng G lühzeitste uerung KIimaabsc haltung KühImittelzusatzheizung Laufruheregel ung Mengenausgle ichsregelu ng

.'1 .'1 .'1 .'1 .'1

. '1

Lüfte rans teuerung Regelung der Abgasrückführung

.'1

Spri tzbegin nregelu ng

Tabell e 1 ' I Nur HubschieberReihenei nsp rit zpumpen

'I cI

nur Pkw nurNkw

mit Sensor Zyl inderabschal tung

. 1) 3)

•'I

• ;1

In krementwi nke 1Lernen In krementwi nke 1Verschleifen

. '1

• ;1

Elektronische Dieselregelung

o

Berechnung der Einspr itzung im Steuergerät

Anforderungen Fahrpedalsensor (Vorgabe des Fahrers)

Fahrgeschwindigkeitsregler, Fahrgeschwindigkeitsbegrenzer

I Vorgabe von anderen Systemen (z. B. ABS, ASR, ESP)

1

CAN

Berechnungen Externer Momenteneingriff

I

Auswahl der gewünschten Einspritzmenge

J

+/-

Leerlaufregler (LLR) bzw. Mengenausgleichsregler (MAR)

Begrenzungsmenge

Laufruheregler

Aktiver Ruckeldämpfer

+

I

+

I Start

l,

Startmenge

,

Fahrbetrieb

SChalter

Regelung Förderbeginn

Mengenzumessung (Pumpenkennfeld)

1 Ansteuerung Ansteuerung der Magnetventile

I

Regelung der Einspritz ung

I

145

146

I

Elektronische Dieselregelung

I

Regelung der Einspritz ung

Startmenge Beim Startenwirddie Einspritzmenge abhängig von der Kühlmitteltemperatur und der Drehzahl berechnet. Die Signale für die Startmenge werden vom Einschalten des Fahrtschalters (Bild4, Schalter gehtin Stellung "Start") bis zum Erreichen einer Mindestdrehzahl ausgegeben. Der Fahrer hat aufdie Startmenge keinen Einfluss. Fahrbetrieb Im normalen Fahrbetriebwirddie Einspritzmenge abhängigvon Fahrpedalstellung (Fahrpedalsensor) und Drehzahl berechnet (Bild 4, Schalterstellung "Fahrbetrieb"). Die Berechnung stützt sich auf Kennfelder, die auch andere Einflussgrößen berücksichtigen (z. B. Kraftstoff-, Kühlmittel- und Ansauglufttemperatur). Fahrerwunsch und Motorleistung sind somit bestmöglich aufeinander abgestimmt. Leerlaufregelung Aufgabe der Leerlaufregelung (LLR) ist es, im Leerlaufbei nicht betätigtem Fahrpedal eine definierte Solldrehzahl einzuregeln. Diese SolIdrehzahl kann je nach Betriebszustanddes Motors variieren; so wird zum Beispiel bei kaltem Motormeist eine höhere Leerlaufdrehzahl eingestellt als bei warmem Motor. Zusätzlich kann z.B. bei zu niedriger Bordspannung, eingeschalteter Klimaanlage oderrollendem Fahrzeug ebenfalls die Leerlauf-Solldrehzahl angehoben werden. Da der Motorim dichten Straßenverkehrrelativ häufig im Leerlauf betrieben wird(z. B. "Stop andGo" oder Halt an Ampeln), sollte die Leerlaufdreh zahl aus Emissions- und Verbrauchsgründen möglichstniedrig sein. Dies bringt jedoch Nachteile für die Laufruhe des Motors undfürdas Anfahrverhalten mit sich.

Die Leerlaufregelung muss bei der Einregelung der vorgegebenen Solldrehzahl mit sehr stark schwankenden Anforderungen zurechtkommen. Der Leistungsbedarf dervom Motor angetriebenen Nebenaggregate istin weiten Grenzen variabel. Der Generator beispielsweise nimmt bei niedriger Bordspannungviel mehr Leistungaufals bei hoher; hinzu kommen Anforderungen des Klimakompressors, der Lenkhilfepumpe, der Hochdruckerzeugungfür die Dieseleinspritzungusw. Zu diesen externen Lastmomenten kommtnoch das interne Reibmoment des Motors, das stark von der Motortemperatur abhängt und ebenfalls vom Leerlaufregler ausgeglichen werden muss. Zum Einregeln der Leerlauf-Solldrehzahl passt der Leerlaufregler die Einspritzmenge so lange an, bis die gemessene Istdrehzahl gleich der vorgegebenen Solldrehzahl ist. Enddrehzahlregelung (Abregelung) Aufgabe der Enddrehzahlregelung (auch Abregelung genannt) ist es, den Motorvor unzulässig hohen Drehzahlen zu schützen. Der Motorhersteller gibt hierzu eine zulässige Maximaldrehzahl vor, dienichtfür längere Zeit überschritten werden darf, da sonst der Motor geschädigtwird

Die Abregelung reduziert die Einspritzmenge oberhalb des Nennleistungspunktes des Motors kontinuierlich. Kurz oberhalb dermaximalen Motordrehzahl findet keine Einspritzung mehr statt. Die Abregelung muss aber möglichst weich erfolgen, um ein ruckartiges AbregeIn des Motors beim Beschleunigen zu verhindern (Rampenfunktion). Dies istumso schwieriger zurealisieren,je dichter Nennleistungspunkt und Maximaldrehzahl zusammenliegen.

Elektronische Dieselregelung

Zwischendrehzahlregelung Die Zwischendrehzahlregelung (ZDR) wird für Nkw und Kleinlastermit Nebenabtrieben (z. B. Kranbetrieb) oder für Sonderfahrzeuge (z. B. Krankenwagen mit Stromgenerator) eingesetzt. Ist sie aktiviert, wird der Motor aufeine lastunabhängige Zwischendrehzahlgeregelt. Die Zwischendrehzahlregelungwird über das Bedienteil der Fahrgeschwindigkeitsregelung bei Fahrzeugstillstand aktiviert. AufTastendruck lässt sich eine Festdrehzahl im Datenspeicherabrufen. Zusätzlich lassen sich über diesesBedienteil beliebige Drehzahlen vorwählen. Bei Pkw mit automatisiertem Schaltgetriebe (z. B. Tiptronic) wird die ZDR zur Regelung der Motordrehzahl während des Schaltvorgangs eingesetzt. Fahrgeschwindigkeitsregelung Der Fahrgeschwindigkeitsregler (auch Tempomatgenannt) ermöglicht das Fahren mit konstanter Geschwindigkeit. Erregelt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf einen gewünschten Wert ein, ohne dass der Fahrer das Fahrpedal betätigen muss. Dieser Wertkann über einen Bedienhebel oder über Lenkradtasten eingestellt werden. Die Einspritzmenge wird erhöht oderverringert, bis die gemessene IstGeschwindigkeit der eingestellten SollGeschwindigkeit entspricht.

Bei einigen Fahrzeugapplikationen kann durch Betätigen des Fahrpedals über die momentane Soll-Geschwindigkeithinaus beschleunigtwerden. Wird das Fahrpedal wieder losgelassen, regelt der Fahrgeschwindigkeitsregler die letzte gültige SollGeschwindigkeitwiederein. Tritt der Fahrer bei eingeschaltetem Fahrgeschwindigkeitsregler aufdas Kupplungs- oder Bremspedal, so wird der Regelvorgang abgeschaltet. Bei einigen Applikationen kann auch über das Fahrpedal ausgeschaltetwerden.

I

Regelung der Einsprit zung

Bei ausgeschaltetem Fahrgeschwindigkeitsregler kann mithilfe der Wiederaufnahmestellung des Bedienhebels die letzte gültige Soll-Geschwindigkeitwieder eingestelltwerden. Eine stufenweise Veränderung der Soll-Geschwindigkeit über die Bedienelemente ist ebenfalls möglich. Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung Variable Begrenzung Die Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung (FGB, auch Limiter genannt) begrenzt die maximale Geschwindigkeit aufeinen eingestellten Wert, auch wenn das Fahrpedal weiter betätigtwird. Diesistvorallem bei leisen Fahrzeugen eine Hilfe für den Fahrer, der damit Geschwindigkeitsbegrenzungen nicht unabsichtlich überschreiten kann.

Die Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung begrenzt die Einspritzmenge entsprechend der maximalen Soll-Geschwindigkeit. Sie wird durch den Bedienhebeloder durch "Kick-down" abgeschaltet. Die letzte gültige Soll-Geschwindigkeit kann mit Hilfe der Wiederaufnahmestellung des Bedienhebels wieder aufgerufen werden. Eine stufenweise VeränderungderSollGeschwindigkeit über den Bedienhebel ist ebenfallsmöglich. Feste Begrenzung In vielen Staaten schreibt der Gesetzgeber feste Höchstgeschwindigkeiten für bestimmte Fahrzeugklassen vor(z. B. für schwere Nkw). Auch die Fahrzeughersteller begrenzen die maximale Geschwindigkeit durch eine feste Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung. Sie kann nicht abgeschaltet werden. Bei Sonderfahrzeugen können auch fest einprogrammierte Geschwindigkeitsgrenzen vom Fahrer angewähltwerden (z. B. wenn bei Müllwagen Personen aufden hinteren Trittflächen stehen).

I

147

148

I

Elektronische Dieselregelung

I

Regelung der Einspritz ung

Aktive Ruckeldämpfung Bei plötzlichen Lastwechseln regt die Drehmomentänderung des Motors den Fahrzeugantriebsstrang zu Ruckelschwingungen an. Fahrzeuginsassen nehmen diese Ruckelschwingungenals unangenehme periodische Beschleunigungsänderungen wahr (Bild 5, Kurve a). Aufgabe des Aktiven Ruckeldämpfers (ARD) ist es, diese Beschleunigungsänderungen zu verringern (b). Dies geschieht durch zwei getrennte Maßnahmen: li>- Bei plötzlichen Änderungen des vom Fahrer gewünschten Drehmoments (Fahrpedal) reduziert eine genau abgestimmte Filterfunktion die Anregung des Triebstrangs (1). li>- Schwingungen des Triebstrangswerden anhand des Drehzahlsignals erkannt und über eine aktive Regelung gedämpft. Diese reduziert die Einspritzmenge bei ansteigender Drehzahl und erhöht sie bei fallender Drehzahl, um so den entstehenden Drehzahlschwingungen entgegenzuwirken (2).

Beispiel des Aktiven Rucke ldämpfers (ARD)

min- 1 '

-

-

-

-

-

-

-

-

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-

LaufruheregelungjMengenausgleichsregelung Nicht alle Zylinder eines Motors erzeugen bei gleicher Einspritzdauer das gleiche Drehmoment. Dies kann an Unterschieden in der Zylinderverdichtung, in der Zylinderreibung oderin den hydraulischen Einspritzkomponenten liegen. Folge dieser Drehmomentunterschiede ist ein unrunder Motorlaufund eine Erhöhung der Motoremissionen.

Die Laufruheregelung (LRR) bzw. die Mengenausgleichsregelung (MAR) hat die Aufgabe, solche Unterschiede anhand der daraus resultierenden Drehzahlschwankungenzu erkennen und über eine Anpassung der Einspritzmenge des betreffenden Zylinders auszugleichen. Hierzu wird die Drehzahl nach der Einspritzungin einen bestimmten Zylinder mit einer gemittelten Drehzahl verglichen. Liegt die Drehzahl des betreffenden Zylinders zu tief, wird die Einspritzmenge erhöht; liegt sie zuhoch, muss die Einspritzmenge reduziertwerden (Bild 6).

Beispiel der Laufr uheregelung (LRR)

Solldrehzahl

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800 min- 1

11000

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Elektronische Dieselregelung

Die Laufruheregelung ist eine Komfortfunktion, deren primäres Ziel die Verbesserung der Motorlaufruhe im Bereich der Leerlaufdrehzahl ist. Die Mengenausgleichsregelung soll zusätzlich zur Komfortverbesserung im Leerlaufdie Emissionen im mittleren Drehzahlbereich durch eine Gleichstellung der Einspritzmengen der Motorzylinderverbessern. Für Nkw wird die Mengenausgleichsregelung auch AZG(Adaptive Zylindergleichstellung) bzw. SRC (SmoothRunning Control) genannt. Begrenzungsmenge Würde immer die vom Fahrer gewünschte oderphysikalisch mögliche Kraftstoffmenge eingespritztwerden, könnten folgende Effekte auftreten: li>- zu hohe Schadstoffemissionen, li>- zu hoher Rußausstoß, li>- mechanische Überlastung wegen zu hohem Drehmoment oder Überdrehzahl, li>- thennische Überlastung wegen zu hoher Abgas-, Kühlmittel-, ÖI- oder Turboladertemperatur oder li>- thermische Überlastung der Magnetventile durch zu lange Ansteuerzeiten.

Um diese unerwünschten Effekte zu vermeiden, wird eine Begrenzung aus verschiedenen Eingangsgrößen gebildet (z. B. angesaugte Luftmasse, Drehzahl und Kühlmitteltemperatur). Die maximale Einspritzmenge und damit das maximale Drehmoment werden somit begrenzt. Motorbremsfunktion Beim Betätigen der Motorbremse von Nkw wird die Einspritzmenge alternativ entweder aufNull- oder Leerlaufmenge eingeregelt. Das Steuergerät erfasstfür diesen Zweck die Stellung des Motorbremsschalters.

I

Regelung der Einspritz ung

Höhenkorrektur Mit steigender Höhe nimmt der Atmosphärendruck ab. Somit wird auch die ZylinderfüllungmitVerbrennungsluftgeringer. Deshalb muss die Einspritzmenge reduziert werden. Würde die gleiche Menge wie bei hohem Atmosphärendruck eingespritzt, käme es wegen Luftmangel zu starkem Rauchausstoß.

Der Atmosphärendruck wird vom Umgebungsdrucksensorim Steuergerät erfasst. Damit kann die Einspritzmenge in großen Höhenreduziertwerden. Der Atmosphärendruck hat auch Einfluss aufdie Ladedruckregelung und die Drehmomentbegrenzung. Zylinderabschaltung Wird bei hohen Motordrehzahlen ein geringes Drehmomentgewünscht, muss sehr wenig Kraftstoffeingespritztwerden. Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung des Drehmoments ist die Zylinderabschaltung. Hierbei wird die Hälfte der Injektoren abgeschaltet(UIS-Nkw, UPS, Common Rail-System). Die verbleibenden Injektoren spritzen dann eine entsprechend höhere Kraftstoffmenge ein. Diese Menge kann mit höherer Genauigkeit zugemessen werden. Durch spezielle Software-Algorithmen können weiche Übergänge ohne spürbare Drehmomentänderungen beim Zu- und Abschalten der Injektoren erreichtwerden.

I

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I

Elektronische Dieselregelung

I

Regelung der Einspr itz ung

Regeneration von Abgasnachbehandlungssystemen Die Abgasgrenzwertewerdenin Zukunft nicht mehr allein durch innennotorische Maßnahmen zu erfüllen sein. Dies macht den Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen wie Dieselpartikelfi1teroder NOxKatalysatoren erforderlich. Diese Systeme speichern Schadstoffe ein und müssen zu bestimmten Zeitpunkten regeneriert werden. Dazu sind definierte Abgastemperaturen erforderlich, die im normalen Fahrbetrieb in der Regel selten erreichtwerden. Die EDCstellt Funktionen zur Bestimmung der Regenerationszeitpunkte zur Verfügung und leitet Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur ein(z. B. angelagerte Nacheinspritzung, Spätverstellung der Haupteinspritzung). Inkrementwinkel-Lemen (UIS-Pkw) Für eine genaue Mengenzumessung benötigt das Unit Injector System eine genaue Winkelinfonnation. Die Genauigkeit wird jedoch durch Winkeltoleranzen beeinträchtigt, die durch Ungenauigkeiten des Kurbelwellen -Geberrades selbst, durch den Sensor oder durch Einflüsse anderer Komponenten aufdas Winkelgebersystem verursacht werden können. Mit dem Inkrementwinkel-Lernverfahrenwerdendie Winkeltoleranzen des Kurbelwellen -Geberrades eingelernt. Das Einlernen findet im Schubbetrieb bei annähernd konstanter Motordrehzahl statt. Die gemessenen Winkelabweichungen werden um Störeffekte bereinigt und die korrigierte Winkelinfonnationwirdfür die Ansteuerung der Injektoren verwendet. Inkrementwinkel-Verschleifen (UIS-Pkw) Das Winkelsystem extrapoliert aus den Zahnflanken des Kurbelwellengebers eine höher aufgelöste Winkelinfonnation. Aufgrund der Dynamik im Drehzahlsignal kommt es hier bei jeder neuen Zahnflanke zu einem Springen der Winkelinfonnation. Dies führt bei Einspritzsystemen mitwinkelbasierter Mengenzumessung

zu schwankenden Einspritzmengen. Die FunktionInkrementwinkel-Verschleifen passt die Winkelberechnung derart an, dass an Zahnflanken keine Sprünge mehr auftreten. Die Winkeldifferenz zwischen steuergeräte-interner Winkelinformation und der des Kurbelwellengebers wird bis zur nächsten Zahnflanke an den Wert des Kurbelwellengebersangeglichen. Spritzbeginnregelung Der Spritzbeginn hat einen starken Einfluss aufLeistung, Kraftstoffverbrauch, Geräuschemissionen und Abgasverhalten. Sein Sollwert hängt von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge ab. Eristim Steuergerätin Kennfeldern gespeichert. Weiterhinkann eine Korrekturin Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur und dem Umgebungsdruck erfolgen. Fertigungs- und Anbautoleranzen der Unit Injector- Einheit an den Motor sowie Veränderungen der Magnetventile während der Laufzeit können zugeringen Unterschieden der Magnetventilschaltzeiten und damit zu unterschiedlichen Spritzbeginnenführen. Die Dichte und die Temperatur des Kraftstoffs haben ebenfalls Einfluss aufden Spritzbeginn. Diese Einflüsse müssen durch eine Regelstrategie kompensiertwerden, um die Abgasgrenzwerte einzuhalten. Folgende Regelungen werden eingesetzt (Tabelle 2):

2 Regelung

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Einspritzsystem Reihenein

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Elektronische Dieselregelung

BIP-Regelung Die BIP-Regelung wird bei den magnetventilgesteuerten Systemen Unit Injector (UIS) und UnitPump (UPS) eingesetzt. Der Förderbeginn - oder kurzBIP (Begin ofInjection Period) - ist als der Zeitpunkt definiert, ab dem dasMagnetventilgeschlossen ist. Ab diesem Zeitpunkt beginnt der Druckaufbau im Pumpenhochdruckraum. Nach Überschreiten des Düsennadelöffnungsdrucks öffnet die Düse und der Einspritzvorgang beginnt (Spritzbeginn). Die Kraftstoffzumessung findet zwischen Förderbeginn und Ansteuerende des Magnetventils statt und wird Förderdauer genannt. Durch den direkten Zusammenhang zwischen Förder- und Spritzbeginn genügt es für eine exakte Regelung des Spritzbeginns, Kenntnis über den Zeitpunkt des Förderbeginns zu haben. Um eine zusätzliche Sensorik(z.B. einen Nadelbewegungssensor) zu vermeiden, wird der Förderbeginndurch eine elektronische Auswertung des Magnetventilstroms detektiert (erkannt). Im Bereich des erwarteten Schließzeitpunkts des Magnetventils wird die Ansteuerung mit konstanter Spannung durchgeführt (BIP-Fenster, Bild 7). Induktive Effekte beim Schließen des Magnetventils führen zu einer charakteristischen Ausprägung des Magnetventilstroms. Diese wird vom Steuergerät erfasst und ausgewertet. Die Abweichung vom erwarteten Sollwert des Schließzeitpunkts wird für jede einzelne Einspritzung abgespeichert und für die darauffolgende Einspritzsequenz als Kompensationswert verwendet. Bei Ausfall eines BIP-Signals schaltet das Steuergerät aufgesteuerten Betriebum.

I

Regelung der Eins pritz ung

Abstellen Das Arbeitsprinzip Selbstzündung hat zur Folge, dass der Dieselmotornur durch Unterbrechen der Kraftstoffzufuhr zum Stillstand gebracht werden kann.

Bei der elektronischen Dieselregelung wird der Motor über die Vorgabe des Steuergeräts "Einspritzmenge Null" abgestellt(z. B. keine Ansteuerung der Magnetventile oder Regelstangenposition .jvullförderung"). Daneben gibt es eine Reihe redundanter (zusätzlicher) Abstellpfade (z. B. ElektrischesAbstellventil, ELAB, der kantengesteuerten Verteilereinspritzpumpen). Die Systeme Unit Injector und Unit Pump sind eigensicher, d. h. es kann höchstens ein Mal ungewollt eingespritzt werden. Deshalb sind hier keine zusätzlichen Abstellpfadenötig.

BIP-Erkennung Ventil AnsteuerBeginn

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Ventil-

Schließzeitpunkt = BIP

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Ventil AnsteuerEnde

Haltestrom

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151

152

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Elektronische Dieselregelung

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Prinzipieller Ablauf der Elektronischen Dieselregelung

ｾ Luft-Regelkreis -----... Daten- und Signalfluss

Kraftstoff-Regelkreis 1 (Einspritzkomponente) Kraftstoff-Regelkreis 2 (Motor) "Umweg" über den Fahrer

_ _

EDC-Steuergerät

- -

Datenaustausch mit anderen Systemen - Antriebsschlupfregelung, - Getriebesteuerung, - Klimasteuerung

Ansteuerung der Einspritzkomponente

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Regelung der Einspritzung

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::; Anforderungen des Fahrers - Fahrerwunsch, - Tempomat, - Motorbremse

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Regelung und Ansteuerung der übrigen Stellglieder

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Einspritzkomponenten - Reiheneinspritzpumpen, - Verteilereinspritzpumpen, - Unit Injector / Unit Pump, - Common Rail Hochdruckpumpe und Injektoren, - Düsenhalter und Düsen

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Kraftstoff

ｾ

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Sensoren und Sollwertgeber - Fahrpedalsensor, - Drehzahlsensor, - Schalter

ｾ Ａｾ

+ CAN

-

System zur Füllungssteuerung - Aufladung, - Abgasrückführung

Stellglieder (Aktoren) - elektropneumat. Wandler, - Dauerbremsanlage, - Lüfter, - Glühzeitsteuerung

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Elektronische Dieselregelung

Momentengeführte EDC-Systeme Die Motorsteuerung wird immer enger in die Fahrzeuggesamtsysteme eingebunden. Fahrdynamiksysteme (z. B. ASR), Komfortsysteme (z.B. Tempomat) und die Getriebesteuerung beeinflussen über den CAN-Bus die Elektronische Dieselregelung EDC. Andererseits werden viele derin der Motorsteuerung erfassten oder berechneten Informationen über den CAN-Bus an andere Steuergeräte weitergegeben. Um die Elektronische Dieselregelung künftignoch wirkungsvollerin einen funktionalen Verbund mit anderen Steuergeräten einzugliedern und weitere Verbesserungen schnell und effektiv zu realisieren, wurden die Steuerungen derneuesten Generation einschneidend überarbeitet. Diese momentengeführte Dieselmotorsteuerungwird erstmals ab EDC16 eingesetzt. Hauptmerkmal ist die Umstellung der Modulschnittstellen aufGrößen, wie sieim Fahrzeug auch entsprechend auftreten. Kenngrößen eines Motors Die Außenwirkung eines Motors kann im Wesentlichen durch drei Kenngrößen beschrieben werden: Leistung P, Drehzahl n undDrehmomentM. Bild 8 zeigt den typischen Verlaufvon Drehmoment und Leistung über der Motordrehzahl zweier Dieselmotoren im Vergleich. Grundsätzlich gilt derphysikalische Zusammenhang:

I

Momentengeführte EDe-Systeme

Momentensteuerung Der Fahrerfordert beim Beschleunigen über das Fahrpedal (Sensor) direkt ein einzustellendes Drehmoment. Unabhängig davon fordern andere externe Fahrzeugsysteme über die Schnittstellen ein Drehmoment an, das sich aus dem Leistungsbedarfder Komponenten ergibt (z. B. Klimaanlage, Generator). Die Motorsteuerung errechnet daraus das resultierende Motonnoment und steuert die Stellgliederdes Einspritz- und Luftsystems entsprechend an. Daraus ergeben sich folgende Vorteile: li>- Kein System hat direkten Einfluss aufdie Motorsteuerung (Ladedruck, Einspritzung, Vorglühen). Die Motorsteuerung kann so zu den äußeren Anforderungen auch noch übergeordnete Optimierungskriterien berücksichtigen (z.B. Abgasemissionen, Kraftstoffverbrauch) und den Motor dann bestmöglich ansteuern. li>- Viele Funktionen, die nicht unmittelbar die Steuerung des Motors betreffen, können für Diesel- und Ottomotorsteuerungen einheitlich ablaufen. li>- Erweiterungen des Systems können schnell umgesetztwerden. Beispiel des Drehmoment- und Leistungsverlaufs zweier Pkw-Dieselmotoren mit ca. 2,2 lHubraum über der Drehzahl

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Es genügt also, z. B. das Drehmoment als Führungsgröße unter Beachtung der Drehzahl vorzugeben. Die Motorleistung ergibt sich dann aus der obigen Formel. Da die Leistungnicht unmittelbar gemessen werden kann, hat sich für die Motorsteuerung das Drehmoment als geeignete Führungsgröße herausgestellt.

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