Dieseleinspritzung mit mehr Druck, bitte! (sehr viel Text!)

Quelle: Automotive Review, 29.05.2003


Dieseleinspritzung mit mehr Druck, bitte!

Das Common Rail Einspritzsystem ist verbesserungsfähig. Der Druck von 1350 bzw. 1600 bar ist an der Düse oft nicht mehr vorhanden. Zur Reduzierung der Schadstoffe wird aber an der Düse ein möglichst hoher Druck benötigt. Injektoren mit Piezosteuerung bringen Fortschritte. Das neue System wurde am Wiener Motorensymposium vorgestellt.
Als Daimler Chrysler und Fiat im Jahr 1997 die ersten Common Rail Einspritzungen von Bosch für Dieselmotoren vorstellten, lieferten die Stempe1pumpen bereits höhere Drücke. Siemens folgte 1999 mit dem Common Rail und bot anstelle der Magnetventile erste Piezoaktuatoren an, denen im Jahr 2000 bereits die zweite Entwicklungsstufe folgte. Nun kommt die dritte, mit der zunächst Maximaldrücke bis 1800 bar und mehr sogar 2000 bar erreicht werden sollen.
Die ersten Stempe1pumpen der Baureihe VP 37 von Bosch, mit denen Audi und VW das Zeitalter der direkten Einspritzung beim kleinen Personenwagendiesel einleiteten, brachten vor der Düse knapp über 1000 bar Maximaldruck. Die Radialkolben‑Verteilerpumpe VP 44 1996 erstmals von Opel verwendet, später auch von BMW und Audi, begann mit einem Druck von 1550 bar.

DRUCKWETTBEWERE
Zu dieser Zeit liefen in Wolfsburg bereits Motoren mit der Pumpe Düse, die 2050 bar vor der Düse lieferte. Heute bietet die VP 44 im Audi V6 TDI sogar 2000 bar. während für die Common Rail von 1997 ein Maximaldruck von 1350 bar angegeben wurde. Bis heute wissen wir nicht, welchen Druckabfall es bis zum Düsenaustritt gab. Das gilt auch für die heutige Entwicklungsstufe von Bosch und Siemens, die mit einem Druck bis 1600 bar (nur in der gemeinsamen Leitung, dem Rail?) arbeitet. Auch von Delphi und Denso ist der effektive Druck an der Düse nicht bekannt.
Nun gehen bei Bosch und Siemens Systeme in Produktion, die für Drücke bis 1800 bar ausgelegt sind, auch 2000 bar erreichen sollen und mit Piezoaktuatoren arbeiten. Bei Bosch, die ihre Neuentwicklung bereits vor einigen Monaten vorstellten, ist das der Einstieg ins Piezozeitalter, während Siemens auf diesem Gebiet bereits auf erhebliche Erfahrungen zurückgreifen kann. Bei beiden Injektoren sind die Piezoelemente innerhalb des Düsenkörpers untergebracht. Gegenüber den ersten Ausführungen von Siemens schrumpften sie im Durchmesser. Dafür wurden wesentlich mehr Keramikplättchen hintereinander gesetzt, um längere Ventilwege erreichen zu können. Auf die Öffnungs- und Schliesszeit, die beide bei Piezos extrem kurz sind, hat das keinen Einfluss.

SIEMENS COMMON RAIL
Beim diesjährigen Wiener Motorensymposium lüftete der Siemens‑ Ingenieur Hellmut Freudenberg den Schleier über der jüngsten Entwicklung seines Hauses. Sie ist vor allem durch neue, hoch feste Werkstoffe für alle mit Druck beaufschlagten Bauteile geprägt, die über die Lebensdauer nicht ermüden, anderseits aber reduzierte Bauteilgrössen zulassen. Den gleichen Trend gab es bei den Stempelpumpen. So fertigt Bosch die Gehäuse der jüngsten Pumpe Düse Elemente aus dem Kugellagerstahl 100Cr6. Siemens zieht mit dem gleichen Stahl nach.
Wesentlich verbessert mussten alle Abdichtungen werden, um über die Lebensdauer dicht zu bleiben. Im nächsten Schritt mussten die Leckagen der bisherigen Systeme minimiert werden die einer Erhöhung des Druck im, Wege standen. Betrug die Leckage im bisherigen System M 1600 bar 100%, sind es bei der, dritten Entwicklungsstufe nur noch 40 %, die bis 1800 bar gehalten werden.
100 % Leckage bedeutet, dass der Druck kaum mehr ansteigt, auch wenn die Pumpe mit doppelter Drehzahl angetrieben wird. Mit der drastischen Reduzierung der Leckagen in der Pumpe und in den Injektoren sinkt aber auch der Leistungsbedarf erheblich, der bei den bisherigen Systemen immer über dem der Pumpe Düse lag. Siemens gibt an, dass bei gleichem Leistungsbedarf wie bisher mit der neuen Pumpe anstelle eines Vierzylindermotors nun ein Sechszy1inder versorgt werden kann. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit, auf einen Kraftstoffkühler zu verzichten, sowie reduzierte Systemkosten.
Wie bisher arbeitet die Hochdruckpumpe mit drei Kolben. Mit eingebaut ist die Vorförderpumpe mit einem Niederdruck Regelventil. Sie besitzt zudem ein Volumenstrom Regelventil, damit sie nicht mehr fördert, als jeweils benötigt wird. Bei voller Förderung arbeitet die Pumpe über den gesamten Druckbereich mit einem Wirkungsgrad von bis zu 90 %.

SCHLANKER INJEKTOR
Schon äußerlich hat sich gegenüber bisherigen Injektoren einiges geändert. Das stiftförmige Gehäuse hat nur noch einen Durchmesser von 19 mm und einen zentralen Druckanschluss nach oben. Etwa die HäIfte der Gehäuselänge nimmt das Piezoelement ein, das auf einen hydraulischen Umsetzer wirkt. Von ihm werden die Funktionen Hubübertragung auf das Servoventil, die Bewegungsumkehr, Temperatur‑ und Verschleisskompensation sowie der Toleranzausgleich bewältigt. Danach folgen ein Steuermodul und an der Spitze die eigentliche Düse.
Wie üblich wird die Düsennadel durch den Treibstoffdruck gegen die Federkraft aus ihrem Sitz gehoben und gibt dabei die Spritzl6cher frei. Sie wird durch die Feder wieder auf ihren Sitz gedrückt, wenn das Servoventil schließt und der Treibstoffdruck absinkt. Im Vergleich zu den bisherigen Konzepten wurde die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel deutlich erhöht, sodass auch bei sehr kurzen Einspritzzeiten etwa für die Voreinspritzung ein möglichst hoher Anteil des Treibstoffdruckes im Rail zur Gemischaufbereitung am Spritzloch zur Verfügung steht. Für Mehrfacheinspritzungen ist das schnelle Öffnen der Düsennadel zwingend Voraussetzung, sonst rieselt nur eine geringe Menge Treibstoff mit viel zu niedrigem Druck in den Zylinder und sorgt für miserable Verbrennung mit hohem Schadstoffanteil im Abgas.
Die Common Rail beginnt also erst jetzt ein Teil jenes Potenzials zu zeigen, von dem Marketingabteilungen seit sechs Jahren schwärmen. Der bisher einzige Vorteil der Common Rail Systeme war die abgesetzte Voreinspritzung, mit der das Laufgeräusch im Leerlauf gegenüber den Stempelpumpen reduziert werden konnte.

SCHWINGUNGEN
Bosch nutzte Druckschwingungen bei den Verteilereinspritzpumpen so, dass der Druck vor der Düse teilweise beträchtlich über jenem des von der Pumpe erzeugten lag. Druckstösse kennt aber auch die Common Rail, doch hier hasst sie der Konstrukteur wie der Teufel das Weihwasser. Immer wenn bei Motorbetrieb eine Einspritzdüse öffnet, fällt im Verbindungsrohr zum Rail der Druck ab, und eine Druckwelle folgt. Wenn das Einspritzventil geschlossen wird, kracht der Druckstoss gegen den Schliessmechanismus, und die Welle kehrt in den Rail zurück. Werden mehrere Einspritzventile von einem Rail versorgt ‑ beim Vierzylindermotor sind es vier ‑, gibt es im Rail ein wildes Schwingungsgernisch mit Oberlagerungen, Druckanstieg und Druckabfall.
Das wirkt sich natürlich auf den Treibstoftdruck an der Düse verheerend aus, weil der Druck im. System unablässig schwankt. Die Stempelpumpen haben es hier viel einfacher, ganz besonders die Pumpe Düse mit ihren extrem geringen Treibstoffwegen. Das ist ein ganz wesentlicher Punkt, warum VW der Pumpe Düse nicht nur treu bleibt, sondern zusammen mit Siemens nun sogar in Stollberg/Sachsen eine Fabrik für Pumpe Düse Systeme baut.
Bisher hielten sich die Hersteller mit Aussagen über Druckschwingungen in Common Rail Systemen sehr zurück. Nun berichtete Hellmut Freudenberg erstmals davon, dass es in bisherigen Systemen durch Schwingungen im System Druck‑ und dadurch Mengenabweichungen zwischen den Einspritzdüsen eines Motors gegeben hat.
Solche unerwünschten Abweichungen führen zu Leistungsverlust und Erhöhung der Schadstoffe im Abgas. Das ist einer der Gründe, warum zwar Audi und VW mit den Stempelpumpen die Schadstoffgrenzwerte der Euro 4 zu unterbieten vermögen, die Verwender von Common Rail Systemen jedoch bisher nahezu rettungslos hinterher hinkten.
Es hat solide Gründe, wenn Siemens beim neuesten System die Düsennadeln durch Federkraft und nicht durch die Hydraulik schließt. Dadurch kann man einen Teil der leidigen Schwingungseinflüsse abfangen, die Mehrfacheinspritzungen bis­her zu einem Lippenbekenntnis verkommen ließen. Bei dem neuen System hilft aber auch die Motorsteuerung mit, die hydraulische Stabilität des ganzen Systems zu erh6hen.
Bei Vergleichen auf dem Motorprüfstand zwischen einem bisherigen System mit Zweifacheinspritzung und einem PCR.3 (Piezo Common Rail der dritten Generation) mit Fünffacheinspritzung sank der Russanteil (Partikel) im Abgas um rund ein Drittel, während der Verbrauch um etwa 10 % zurückging.

ERWACHSEN GEWORDEN
Allmählich wird also die Common Rail erwachsen. Zwar haben die Sternpelpumpen immer noch einen nicht unerheblichen Vorteil, doch Common Rail holt langsarn auf Wenn gewisse Hersteller bisher an den Stempelpurnpen festhielten, geschah dies nicht aus ideologischen, sondern aus rein sachlichen Gründen.
Sollte Common Rail bis zum Jahr 2005 (Einführung der Euro4‑Schadstoffgrenzwerte) 2000 bar Maximaldruck bieten ‑ Siemens deutete an, das wäre möglich ‑ und für eine Gleichverteilung des Treibstoffs auf die Zylinder sorgen k6nnen, wird sie allmählich auch für Wolfsburg akzeptabel.
Vielleicht gelingt es dann sogar Peugeot, die Partikel nicht durch ein teures Filter abzufangen, sondern sie im Motor gar nicht erst entstehen zu lassen und alle anderen Schadstoffe ebenfalls zu reduzieren.

Hi,

einige Bemerkungen zum Text von mir:

Den Text habe ich so gefunden und 100% wiedergegeben. Ich bin weder Verwand noch bekannt mit dem Autor.

Erstaunlich für mich war die Tatsache das beim VP44 die Drücke schon so hoch sind wie beim PD System.
Das es auch beim CR System nicht alles "Friede, Freude, Eierkuchen" ist. Scheinbar ist auch das CR System weder ausgereift noch Problemfrei (entgegen der Versprechen diverser Marketing Leute). Dieser Text erweckt teilweise sogar den Eindruck das es mehr Probleme mit CR gibt wie mit dem PD System.

hi,
genaugenommen sind doch PD elemente doch das einzig war.
pumpe und düse so nahe wie möglich zusammen.
zwar ist es natürlich blöde wenn zb 'nur' eine düse kaputt wäre, dann müsste man ein ganzes element austauschen, aber immerhin kann man zumindest einzelne 'pumpen & düsen' tauschen.
es ist wie mit den prozessoren,
die drastische leistungssteigerung ist nur möglich geworden durch die drastische verkleinerung der komponenten.
grüsse

@Bertil:

Eine schöne Zusammenfassung der Dieseleinspritzsystementwicklungen der letzten Zeit hast Du da gebracht.

Zitat:

100 % Leckage bedeutet, dass der Druck kaum mehr ansteigt, auch wenn die Pumpe mit doppelter Drehzahl angetrieben wird.

Mit dieser Aussage kann ich leider rein gar nichts anfangen.
Woher stammt denn bitte diese Definition? Ich arbeite in der Hydraulikbranche. Dort gibt gibt es bei Pumpen den sog. volumetrischen Wirkungsgrad, der das Verhältnis aus tatsächlichem zu theoretischem (geometrischem) Förderstrom der Pumpe angibt.
Der volumetrische Wirkungsgrad berücksichtigt im übrigen auch die Kompressibilität des Fluids, da der Förderstrom immer unter Druck gemessen wird. Das bedeutet, dass selbst eine 100%-ig dichte Pumpe niemals einen volumetrischen Wirkungsgrad von 100% erreichen kann.
100% Leckage würde in diesem Fall bedeuten, dass die Pumpe einen volumetrischen Wirkungsgrad von 0% hat, also der externe Förderstrom auf 0 abfällt und die interne Leckage gleich dem theoretischen Förderstrom ist.
Ist das so gemeint, dass die CR-Pumpe bei dem von Dir genannten Grenzdruck keine Menge mehr liefern kann, weil der gesamte Förderstrom durch interne Leckagen verloren geht?

Zitat:

Bei Vergleichen auf dem Motorprüfstand zwischen einem bisherigen System mit Zweifacheinspritzung und einem PCR.3 (Piezo Common Rail der dritten Generation) mit Fünffacheinspritzung sank der Russanteil (Partikel) im Abgas um rund ein Drittel, während der Verbrauch um etwa 10 % zurückging.

Tja, da wären wir wieder bei einem meiner Lieblingsthemen, dem Motorwirkungsgrad. Soweit ich weiß, wird bei Fiat ein CR-System (ich glaube von Delphi) eingesetzt, dass mit Dreifacheinspritzung arbeitet. Allerdings nur im Teillastbereich. Bei Vollast wird nur eine Haupteinsprizung vorgenommen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Eine Verminderung der Partikelemission wird vor allem durch eine gute Zerstäubung des Kraftstoffes, also hohen Druck, erreicht. Eine Nacheinspritzung als Mittel zur "Rußnachverbrennung" ist aber auch Stand der Technik, verschlechtert allerdings wieder den Wirkungsgrad.
Die Reduktion der Partikelemission und die gleichzeitige Senkung des Verbrauches ist also in erster Linie auf die Erhöhung des Raildruckes zurückzuführen und nicht auf die bessere zeitliche Auflösung des Einspritzvorganges auf 5 Intervalle. Ich denke das wird deshalb gemacht, um den Temperaturverlauf während der Verbrennung besser steuern zu können, um damit die NOx-Emission in den Griff zu bekommen.

Zum Schluss noch ein kleiner Denkanstoss zum Thema Energiebilanz von Einspritzsystemen. Wenn man sich vorstellt, dass die CR-Pumpe permanent mit dem Raildruck beaufschlagt wird, dann tritt also immer Leckage an der Pumpe auf.
Bei allen anderen Systemen wird der hohe Systemdruck immer nur lokal und kurzzeitig (für den Zeitraum des Einspritzvorgangs) aufgebaut, so dass hier insgesamt ein wesentlich kleinerer Leckölstrom entsteht. Die so durch Drosselung in Wärme umgesetzte Leistung ist gar nicht so klein und muss letztlich wieder vom Motor als mechanische Antriebsleistung unter Berücksichtigung des (schlechten) Motorwirkungsgrades aufgebracht werden.
Die Erwärmung des Kraftstoffes ist auch nicht zu verachten und macht nicht selten Sekundärmaßnahmen wie Kraftstoffkühlung erforderlich.

Gruß
Alex

Auf Wunsch gelöscht

Hi,

donalexo hat folgendes geschrieben:

@Bertil: Eine schöne Zusammenfassung der Dieseleinspritzsystementwicklungen der letzten Zeit hast Du da gebracht.

Ich fand den Artikel sehr Interessant.

Zitat:

... 100% Leckage würde in diesem Fall bedeuten, dass die Pumpe einen volumetrischen Wirkungsgrad von 0% hat, also der externe Förderstrom auf 0 abfällt und die interne Leckage gleich dem theoretischen Förderstrom ist. Ist das so gemeint, dass die CR-Pumpe bei dem von Dir genannten Grenzdruck keine Menge mehr liefern kann, weil der gesamte Förderstrom durch interne Leckagen verloren geht?

So ist es wohl gemeint.

Zitat:

Tja, da wären wir wieder bei einem meiner Lieblingsthemen, dem Motorwirkungsgrad. Soweit ich weiß, wird bei Fiat ein CR-System (ich glaube von Delphi) eingesetzt, dass mit Dreifacheinspritzung arbeitet. ...

Das System von Alfa/Fiat ist von meinem Brötchengeber Siemens VDO und kann sogar mit Fünffacheinspritzung arbeiten. SVA ist die einzige Firma die derzeit Mehrfacheinspritzungen vor und nach der Haupteinspritzung verwirklichen kann. Grund: schnelle Piezo Elemente. Bosch hat aber den Einstieg in die Piezotechnik schon angekündigt und das wird sicher nicht lange auf sich warten lassen.

Hallo,
besonders @Rainer

auch wenn das Anfangsposting nicht alle Details beleuchtet, finde ich es recht informativ und würde vorschlagen, den Text im neuen Fachartikel-Bereich abzulegen - zumindest bis die beschriebenen Entwicklungen überholt sind.

Sprechen irgendwelche Copyright- oder sonstigen Bedenken dagegen?

Erstaunlich für mich war die Tatsache das beim VP44 die Drücke schon so hoch sind wie beim PD System.



hast du nicht gewusst ? da läuft das gleiche ab wie bei der VP37.

950bar elementdruck -> 1250bar düsendruck

VP44

1400 - 1600bar elementdruck -> 1800 - 2000 bar düsendruck


CU Gremlin

Hi Ulf,

ulf hat folgendes geschrieben:

...Sprechen irgendwelche Copyright- oder sonstigen Bedenken dagegen?

... kann ich dir wirklich nicht sagen, aber die Quelle steht dabei. Dort konnte Man notfalls mal fragen.

@Gremlin

Ich habe mich mit der VP44 noch nicht so intensiv befasst, daher kanne ich die Eckdaten auch nicht so gut.