04-Gemischbildung (Diesel) 08.08.2007 16:56 Uhr Seite 428 · 4.3.5 Bosch-Einspritzsystem Common Rail (CR) mit Piezo-Inline-Injektor Dieses Common-Rail-System gehört zur 3. Generation

4.3.5 Bosch-Einspritzsystem Common Rail (CR) mit Piezo-Inline-Injektor

Dieses Common-Rail-System gehört zur 3. Generation. Es ist mit Piezo-Inline-Injekto-ren ausgerüstet.

Hinweis: Der Aufbau, die Wirkungsweise und die Überprüfung des CR-Einspritz-systems der ersten Generation mit Magnetventil-Injektoren für Pkw sind in Abschnitt4.3.4 ausführlich beschrieben. Im Folgenden werden nur die Besonderheiten des CR-Einspritzsystems mit Piezo-Inline-Injektor erklärt.

Hochdruckregelung bei Common-Rail-SystemenBei dem Common-Rail-System der 1. Generation (siehe Abschnitt 4.3.4) ist die För-derleistung der Hochdruckpumpe so ausgelegt, dass die Versorgung bei Volllast undhoher Drehzahl ausreicht und im Leerlauf bzw. Teillast ein Fördermengenüberschussbesteht (maximaler Druck 1350 bar). Dieser zu viel geförderte Kraftstoff wird über dasDruckregelventil an der Hochdruckpumpe (oder Rail) zum Kraftstoffbehälter zurück-geführt. Nachteile: ein zu hoher Leistungsbedarf der Hochdruckpumpe und eine zustarke Kraftstofferwärmung im Rücklauf.

Bei dem Common-Rail-System der 2. Generation wird der Raildruck niederdruck-seitig über ein Mengenregelventil (Zumesseinheit) geregelt. Die Hochdruckpumpe för-dert nur die Kraftstoffmenge, die der Motor tatsächlich benötigt. Durch diese Aus-führung sinkt der Energiebedarf der Hochdruckpumpe, damit der Kraftstoffverbrauchund die Kraftstofferwärmung.

Bei dem Common-Rail-System der 3. Generation, die mit Piezo-Inline-Injektorenausgerüstet ist, werden zur Druckregelung 2 Drucksteller eingesetzt (Bild 4.53). Nebender Zumesseinheit an der Hochdruckpumpe wird zusätzlich ein Druckregelventil amRail wirksam.

Hochdruckregelung mit Mengenregelventil (Zumesseinheit)Bei den Hochdruckpumpen ab der 2. Generation ist eine Verbesserung des Wirkungs-grades durch eine kraftstoffzulaufseitige (saugseitige) Mengenregelung erreicht wor-den. Hierbei wird der in die Pumpenelemente strömende Kraftstoff durch ein stufenlosregelbares Magnetventil (als Zumesseinheit bezeichnet) dosiert. Dieses Ventil (Bild4.54) ist statt des Druckregelventils (siehe Bilder 4.44 und 4.46) an die Hochdruck-pumpe angebaut und passt die ins Rail geförderte Kraftstoffmenge dem Systembedarfan. Die Ansteuerung des Magnetventils geschieht mittels eines pulsweitenmoduliertenSignals (PWM-Signals). Bei der Ansteuerung des Ventils wird der Kolben durch dieMagnetkraft betätigt. Er gibt, entsprechend seiner Stellung, einen unterschiedlichenZulaufquerschnitt frei. Mit dieser Mengenregelung wird der Leistungsbedarf derHochdruckpumpe gesenkt, sie fördert nur so viel, um den aus einem Kennfeld ver-langten Raildruck zu erzeugen. Außerdem wird auch die maximale Kraftstofftempera-tur verringert. Die Hochdruckpumpe ist gegenüber der Pumpe der ersten Generationverstärkt worden und für den Druck bis zu 1600 bar ausgelegt.

428 Gemischbildung und Verbrennung bei Dieselmotoren

04-Gemischbildung (Diesel) 08.08.2007 16:56 Uhr Seite 428

Deußen/Schlüter/Schmidt/Sprenger/Zobel, Meisterwissen im Kfz-Handwerk: Vogel Buchverlag: ISBN 978-3-8343-3103-8

Hochdruckregelung mit Mengenregel- und DruckregelventilEs hat sich gezeigt, wenn der Druck nur auf der Saugseite mit der Zumesseinheit einge-stellt werden kann, dauerte bei schnellen Lastwechseln der Druckaufbau im Rail zu lang.Die Druckanpassung an die veränderten Lastbedingungen reagiert zu träge. Deshalb ent-halten einige Common-Rail-Systeme neben der Zumesseinheit an der Hochdruckpumpezusätzlich ein Druckregelventil am Rail (siehe Bild 4.53). Mit diesem Zweistellersystemwerden die Vorteile der niederdruckseitigen Regelung mit der schnellen hochdruckseiti-gen Regelung kombiniert. Ein weiterer Vorteil besteht bei kaltem Motor. Durch die vomMotorsteuergerät gesteuerte hochdruckseitige Regelung bei Kaltstart wird der Kraftstofferwärmt, so dass man oft auf eine zusätzliche Kraftstoffheizung verzichtet.

Piezo-Inline-InjektorDer Bosch-Piezo-Inline-Injektor hat gegenüber dem Magnetventil-Injektor einige Vor-teile, die im Folgenden genannt werden:

� Es können während eines Einspritzzyklus mehrere Einspritzungen erfolgen, so z.B.2 Voreinspritzungen, 1 Haupteinspritzung und bis zu 2 Nacheinspritzungen;

� die Einspritzmengen der Voreinspritzung können deutlich verringert werden;� die zeitlichen Abstände zwischen den Voreinspritzungen können kürzer gewählt

werden;� der Bauraum ist kleiner und kompakter, weil der Piezosteller (Aktor) im Injektor

verbaut ist, dadurch ein geringeres Gewicht;

Dieseleinspritzsysteme mit elektronischer Regelung (EDC) 429

Bild 4.53 Bosch-Common-Rail-Kraftstoffanlage mit Piezo-Inline-Injektoren (Bosch)1 Hochdruckpumpe mit Zumesseinheit2 Kraftstofffilter mit Wasserabscheider und Heizung (optional)3 Kraftstoffbehälter4 Vorfilter5 Rail (Kraftstoffverteilerrohr)6 Raildrucksensor

7 Piezo-Inline-Injektor8 Druckregelventil9 Elektrokraftstoffpumpe



� geringerer Kraftstoffverbrauch (etwa 3%) und geringerer Schadstoffausstoß (etwa20%);

� Steigerung der Motorleistung (um etwa 7%).

Aufbau: Der Piezo-Inline-Injektor (Bild 4.55) besteht aus dem Piezosteller (Aktor) (3)mit etwa 265…300 Schichten (aus z.B. Quarz oder Turmalin), dem hydraulischenKoppler oder Übersetzer (4), dem Steuer- oder Servoventil (5) und der Einspritzdüse(6).

Wirkungsweise: Die Düsennadel der Einspritzdüse wird bei dem Piezo-Inline-Injektorüber ein Servoventil indirekt gesteuert. Die jeweilige Einspritzmenge wird dabei überdie Ansteuerdauer des Ventils geregelt.

Ruhestellung: Im nicht angesteuerten Zustand befindet sich der Piezosteller in derAusgangsposition mit geschlossenem Servoventil (Bild 4.56a). Das bedeutet, derHochdruckbereich ist vom Niederdruckbereich getrennt. Die Düsennadel wird durchden im Steuerraum (3) herrschenden Raildruck geschlossen gehalten.

Einspritzbeginn: Bei der Ansteuerung durch das Motorsteuergerät wird eine Soll-Ansteuerspannung von etwa 110…150 V vorgegeben. Dabei erfolgt die Bestromungdes Piezostellers (Aktors) pulsförmig. Der Spannungsanstieg wird im direkten Verhält-


Bild 4.54Mengenregelventil/ Zumesseinheit (Bosch)1 Stecker mit elektrischer Schnittstelle2 Magnetgehäuse3 Lager4 Anker mit Stößel5 Wicklung mit Spulenkörper6 Topf7 Restluftspaltscheibe8 Magnetkern9 O-Ring10 Kolben mit Steuerschlitze11 Feder12 Sicherungselement




Bild 4.55Piezo-Inline-Injektor (Bosch)1 Kraftstoff-Rücklauf2 Hochdruckanschluss (vom Rail)3 Piezosteller (Aktor)4 hydraulischer Koppler (Übersetzer)5 Steuerventil (Servoventil)6 Einspritzdüse7 Spritzlöcher

nis in den Hub des Piezostellers umgesetzt. Das Servoventil (Steuerventil) verschließtdie Bypass-Bohrung (6) (Bild 4.56b). Über das Durchflussverhältnis von Ablaufdrossel(2) und Zulaufdrossel (4) wird der Druck im Steuerraum (3) abgesenkt und die Düsen-nadel (5) von dem an der Druckschulter herrschenden Raildruck geöffnet. Die dabeianfallende Kraftstoffsteuermenge fließt über das geöffnete Servoventil (1) in den Nie-derdruckkreis der Kraftstoffanlage ab.

Einspritzende: Um das Einspritzende einzuleiten, wird die Ansteuerung des Piezo-stellers (Akors) unterbrochen (Bild 4.56c), d.h. der Piezosteller entladen (der Längen-zuwachs aufgehoben). Das Steuerventil (1) gibt die Bypass-Bohrung (6) wieder frei undverschließt danach den Abfluss in den Niederdruckkreis. Sobald der Druck im Steuer-raum (3) hoch genug angestiegen ist, beginnt die Düsennadel sich in Richtung Sitz zubewegen, um den Einspritzvorgang zu beenden.

Hydraulischer Koppler im Piezo-Inline-InjektorEin wichtiges Bauteil im Piezo-Inline-Injektor ist der hydraulische Koppler (Bild 4.57),der folgende Aufgaben übernehmen muss:




Bild 4.56 Wirkungsweise des Steuerventils im Piezo-Inline-Injektor (Bosch)a Ruhelageb Einspritzbeginnc Einspritzende

4 Zulaufdrossel5 Düsennadel6 Bypass-Bohrung

1 Steuerventil (Servoventil)2 Ablaufdrossel3 Steuerraum

Bild 4.57Hydraulischer Koppler im Piezo-Inline-Injektor (Bosch)1 Niederdruck-Rücklauf mit Druckhalteventil2 Piezosteller (Aktor)3 hydraulischer Koppler (Übersetzer)



� Übersetzung und Verstärkung des Piezostellerhubes,� Ausgleich eines eventuell vorhandenen Spiels zwischen Piezosteller und Steuerven-

til, das durch Wärmedehnung entstehen kann,� selbsttätige Sicherheitsabschaltung der Einspritzung im Fall einer elektrischen Fehl-

schaltung.

Wirkungsweise: Der hydraulische Koppler und der Piezosteller (Aktor) sind von Die-selkraftstoff umgeben, der unter einem Druck von 10 bar steht. Wird der Piezostellernicht angesteuert, dann steht der Druck im hydraulischen Koppler im Gleichgewichtmit seiner Umgebung. Längenänderungen, die aufgrund von Temperatureinflüssenauftreten, werden durch geringe Leckmengen über die Führungsspiele der beiden Kol-ben ausgeglichen. Dadurch kann immer eine Kraftkopplung zwischen Piezosteller undSteuerventil erhalten bleiben.

Wird der Piezostellers angesteuert, dann wird dieser so lange mit einer Spannungvon 110…150 V beaufschlagt, bis das Kräftegleichgewicht zwischen dem Steuerventilund dem Piezosteller überschritten wird. Dadurch steigt der Kraftstoffdruck im Kopp-lerinnenraum an, und eine geringe Leckmenge fließt über die Kolbenführungsspiele ausdem Kopplerinnenraum in den Niederdruckkreis des Injektors ab. Nach dem Ein-spritzvorgang muss im Kopplerinnenraum die Fehlmenge wieder aufgefüllt werden.Dies geschieht nun in umgekehrter Richtung über die Führungsspiele der Kolben durchden Druckunterschied zwischen dem hydraulischen Koppler und dem Niederdruck-kreis des Injektors. Das geschieht immer so schnell, dass noch vor dem nächsten Ein-spritzvorgang der hydraulische Koppler wieder vollständig gefüllt ist.

Der Vordruck im Piezosteller und Kopplerraum von 10 bar wird durch das Druck-halteventil (Bild 4.57, Pos. 1) im Rücklauf vom Injektor zum Kraftstoffbehälterbestimmt. Wenn kein Vordruck herrscht, z.B. bei leerem Kraftstoffbehälter, wird dasSteuerventil nicht betätigt und kein Kraftstoff eingespritzt. Die Piezo-Inline-Injektorenwerden wieder durch Starten mit Starterdrehzahl gefüllt. Außerdem werden mit Hilfeder Innentankpumpe über das Druckhalteventil die Injektoren entgegen der normalenKraftstoffflussrichtung gefüllt.

Piezo-EffektDer piezoelektrische Effekt wird bei bestimmten Kristallen (z.B. Quarz, Bild 4.58a)beobachtet. Werden diese Kristalle gestaucht oder gestreckt, dann werden entlangbestimmter Kristallachsen an den Oberflächen der Kristalle elektrische Ladungen indu-ziert (hervorgerufen). Diese elektrische Polarisierung entsteht dadurch, dass sich diepositiven und negativen Ionen im Kristall unter der Krafteinwirkung gering zueinan-der verschieben (Bild 4.58b).

Wird dagegen an die Stirnflächen des Kristalls eine elektrische Spannung angelegt,so wird der Piezo-Effekt umgekehrt. Die positiven Ionen werden im elektrischen Feldin Richtung zur negativen Elektrode und die negativen Ionen zur positiven Elektrodehin verschoben. Dadurch dehnt sich der Kristall je nach Richtung der elektrischen Feld-stärke (Bild 4.58 c). Dieser Piezo-Effekt wird genutzt in: Piezo-Inline-Injektoren,Quarzuhren, Sensoren zur Klopfregelung, Piezo-Feuerzeugen u.a.





Bild 4.58 Schematische Darstellung des Piezo-Effektes (Bosch)

4.3.6 Bosch-Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe (VR..)

Die Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe (Bild 4.59) kommt bei schnell laufendenDieselmotoren mit Direkteinspritzung zum Einsatz. Das Besondere dieser Verteiler-pumpe ist ihre Schnelligkeit bei der Einspritzmengenbemessung (bei den derzeit ver-bauten neuen Anlagen auch mit Voreinspritzung) und Spritzbeginnregelung. Außer-dem ist sie in der Lage, Drücke an der Einspritzdüse bis zu 1600 bar zu erzeugen. AmPumpengehäuse sind innen oder außen folgende Komponenten vorhanden:

� Flügelzellen-Förderpumpe (1) mit Drucksteuerventil und Überströmdrosselventil,� Radialkolben-Hochdruckpumpe (4) mit Verteilerwelle und Auslassventil mit Rück-

strömdrossel,� Mengenmagnetventil (Hochdruckmagnetventil) (6),� hydraulischer Spritzversteller (5) mit Spritzversteller-Magnetventil,� Drehwinkelsensor (2) und� Pumpensteuergerät.

Hinweis: Das in diesem Abschnitt beschriebene Dieseleinspritzsystem mit der Radial-kolben-Verteilereinspritzpumpe VR (auch als VP 44 bekannt) besitzt noch ein Motor-und ein Pumpensteuergerät. Bei den derzeit verbauten neuen Anlagen sind die beidenSteuergeräte zu einem Motorsteuergerät vereinigt.

Das Einspritzsystem (Bild 4.60) wird unterteilt in:

� Kraftstoffanlage (Niederdruckteil),� Kraftstoffanlage (Hochdruckteil mit Radialkolben als Hochdruckerzeuger und För-

derkolben und einem Verteilerkolben zur Kraftstoffverteilung auf die einzelnenAuslässe),

� elektronische Dieselregelung (EDC) mit dem Motor- und Pumpensteuergerät, denSensoren und dem Sollwertgeber sowie den Stellgliedern (Aktoren),

� Peripherie mit z.B. Abgasrückführung und Turbolader.



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