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Dieselmotor-Management Robert Bosch GmbH Robert Bosch GmbH Dieselmotor Management 3. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Herausgeber: © Robert Bosch GmbH, 2002 Softcover reprint ofthe hardcover 3rd edition 2002 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titelsatz für diese Publikation ist bei der Postfach 30 02 20, Deutschen Bibliothek erhältlich. D-70442 Stuttgart. Unternehmens bereich Automotive Aftermarket, Nachdruck, Vervielfältigung und Übersetzung, Abteilung Product Marketing Diagnostics & auch auszugsweise, nur mit unserer vorherigen Test Equipment (AA/PDT5). schriftlichen Zustimmung und mit Quellenangabe gestattet. Chefredaktion: Abbildungen, Beschreibungen, Schemazeich Dipl.-Ing. (FH) Horst Bauer. nungen und andere Angaben dienen nur der Erläuterung und Darstellung des Textes. Sie Redaktion: können nicht als Grundlage für Konstruktion, Dipl.-Ing. (BA) Jürgen Crepin, Einbau und Lieferumfang verwendet werden. Dipl.-Ing. Karl-Heinz Dietsche. Wir übernehmen keine Haftung für die Übereinstimmung des Inhalts mit den jeweils Redaktionsschluss: 15.03.2002 geltenden gesetzlichen Vorschriften. Haftung ist ausgeschlossen. 2., aktualisierte und erweiterte Auflage 1998 Änderungen vorbehalten. 3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage August 2002 Alle Rechte vorbehalten. © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 2002. Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe Bertelsmann Springer. www.vieweg.de ISBN 978-3-322-99414-1 ISBN 978-3-322-99413-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-99413-4 ND1 "Mein Motor macht immer noch große Fortschritte ... " Dieses Zitat RudolfDiesels aus dem Jahre 1895 ist aktueller den je. Denn beim Dieselmotor und vor allem bei der Dieseleinspritzung - ist viel in Bewegung geraten. Diese Entwicklung schlägt sich auch in der komplett überarbeiteten und aktualisierten 3. Auflage des vorliegenden Fachbuchs "Dieselmotor-Management" nieder. Diese Zusammenfassung der Hefte der Bosch Schriftenreihe "Fachwissen Kfz-Technik" zur Dieseleinspritztechnik bietet eine ausführliche Be schreibung aller gängigen Bosch-Diesel-Einspritzsysteme. 75 Jahre nachdem die erste Serieneinspritzpumpe für schnell laufende Dieselmotoren bei Robert Bosch vom Band lief, erklärt dieses Fachbuch, was Dieselmotor-Management heute leisten kann. Den Schwerpunkt bilden die ausführlichen Beschreibungen der Einspritzsysteme mit ihren Komponenten. Im Einzelnen sind dies: • die Reiheneinspritzpumpen PE mit ihren Reglern, • alle Varianten der Verteilereinspritzpumpen VE .. F, VE .. EDC, VE .. MV (VP29, VP30) und VR (VP44), • die Einzeleinspritzpumpen PF, • das Unit Injector System UIS (Pumpe-Düse-Einheit PDE), • das Unit Pump System UPS (Pumpe-Leitung-Düse PLD) und • das Speichereinspritzsystem Common Rail CR. Vor der Beschreibung des jeweiligen Einspritzsystems zeigt eine Systemübersicht das Einsatz gebiet und die Besonderheiten auf und erleichtert Ihnen die Orientierung in diesem Fachbuch. Die Elektronische Dieselregelung EDC mit den dazugehörigen Sensoren bildet den zweiten Schwerpunkt. Dieses Fachgebiet wird ausführlich in eigenständigen Kapiteln erläutert. Das Kapitel Werkstatt-Technik gibt einen Einblick in die Prüfmethoden und die Prüfeinrichtungen der Diesel-Einspritzsysteme. Den Abschluss bilden die Kapitel der Abgastechnik. Ein verbessertes Inhalts- und Sachwortverzeichnis sowie ein Abkürzungsverzeichnis machen die ses Buch zu einem umfangreichen Nachschlagewerk zum Thema "Dieselmotor-Management". Die Redaktion 6 Inhalt Grundlagen 68 Diesel-Einspritzsysteme 114 Regler tür Reihen- im Überblick einspritzpumpen 10 Einsatzgebiete der 68 Anforderungen 114 Steuerung und Regelung Dieselmotoren 70 Bauarten 116 Einwirkung des Reglers 10 Eigenschaftskriterien 116 Definitionen 10 Anwendungen 76 Kraftstoffversorgung 117 P-Grad des Reglers 14 Motorkenndaten (Niederdruckteil) 118 Aufgabe des Reglers 76 Kraftstoffbehälter 121 Reglerarten 16 Grundlagen des Diesel- 76 Kraftstoffleitungen 126 Reglerübersicht motors 77 Dieselkraftstofffilter 132 Mechanische Drehzahl- 16 Arbeitsweise 78 Kraftstoffpumpe regelung 19 Drehmoment und Leistung 80 Verteilerrohr 158 Anpassvorrichtungen 20 Motorwirkungsgrad 81 Niederdruck-Druckregel- 171 Pneumatische Abstellvor- 23 Betriebszustände ventil richtung (PNAB) 27 Betriebsbedingungen 81 Steuergerätekühler 172 Spritzversteller 30 Einspritzsysteme 81 Kraftstoffkühler 174 Elektrisches Stellwerk 31 Brennräume 82 Zusatzventile für 34 Dieselkraftstoffe Reiheneinspritzpumpen 176 Hubschieber-Reihen- 38 Alternative Kraftstoffe einspritzpumpen 84 Systemübersicht 177 Aufbau und Arbeitsweise Luftversorgung Reiheneinspritzpumpen 84 Anwendungsgebiete 180 Systemübersicht 40 Systeme zur Füllungs- 84 Ausführungen Verteilereinspritzpumpen steuerung 85 Aufbau 180 Anwendungsgebiete 40 Übersicht 85 Regelung 180 Ausführungen 41 Motoransaugluftfilter 182 Kantengesteuerte Systeme 44 Drallklappen 88 Vorförderpumpen tür 184 Magnetventilgesteuerte 44 Aufladung Reiheneinspritzpumpen Systeme 55 Abgasrückführung 88 Anwendung 89 Aufbau und Arbeitsweise 188 Kantengesteuerte Dieseleinspritzung 91 Handpumpen Verteilereinspritzpumpen 91 Vorreiniger 189 Einsatzbereiche und Einbau 56 Grundlagen der 91 Falltankbetrieb 190 Baugruppen Dieseleinspritzung 190 Aufbau 56 Gemischverteilung 92 Standard-Reihen- 192 Kraftstoffförderung 58 Einspritz-und Förderbeginn einspritzpumpen PE 60 Einspritzmenge 93 Einbau und Antrieb 202 Autschaltgruppen tür 61 Einspritzverhalten 93 Aufbau und Arbeitsweise Verteilereinspritzpumpen 66 Einspritzdruck 102 Ausführungen 202 Übersicht 67 Einspritzrichtung und An- 112 Reiheneinspritzpumpen PE 204 Drehzahlregler zahl der Einspritzstrahlen für andere Kraftstoffe 211 Spritzversteller 113 Betrieb der Reiheneinspritz- 214 Mechanische Anpass- pumpen vorrichtungen 227 Lastschalter 227 Potenziometer 228 Fördersignalsensor 229 Abstellvorrichtungen 230 Elektronische Dieselregelung 233 Diesel-Diebstahl-Schutz Inhalt 7 234 Magnetventilgesteuerle 300 Einspritzdüsen 340 Sensoren Verleilereinspritzpumpen 302 Zapfendüsen 340 Einsatz im Kraftfahrzeug 234 Bauformen 304 Lochdüsen 341 Temperatursensoren 234 Einsatzbereiche und Einbau 308 Weiterentwicklung der Düse 342 Mikromechanische 236 Axialkolben-Verteiler- Drucksensoren einspritzpumpen VE .. MV 310 Düsenhalter 345 Raildrucksensoren 238 Radialkolbenpumpen- 312 Standard-Düsenhalter 346 Induktive Motordrehzahl- Verteilereinspritzpumpen VR 313 Stufenhalter sensoren 314 Zweifeder-Düsenhalter 347 Drehzahlsensoren und 252 Systemübersicht 315 Düsenhalter mit inkrementale Drehwinkel- Einzelzylinder-Systeme Nadelbewegungssensor sensoren 252 Einzeleinspritzpumpen PF 348 Hall-Phasensensoren 254 Unit Injector System UIS 316 Hochdruckverbindungen 350 Halb-Differenzial- und Unit Pump System 316 Hochdruckanschlüsse Kurzschlussringsensoren UPS 317 Hochdruck-Kraftstoff- 352 Fahrpedalsensoren 258 Systembild UIS für Pkw leitungen 354 Heißfilm-Luftmassenmesser 260 Systembild UIS/UPS HFM5 für Nkw Elektronik 356 Planare Breitband-Lambda- Sonde LSU4 262 Einzeleinspritzpumpen PF 320 Elektronische Diesel- 262 Aufbau und Arbeitsweise regelung EDC 358 Steuergerät 264 Baugrößen 320 Anforderungen 358 Einsatzbedingungen, 320 Systemübersicht Aufbau 266 Unit Injector UI 321 System blöcke 358 Datenverarbeitung 266 Einbau und Antrieb 322 Reiheneinspritzpumpen 267 Aufbau 323 Kantengesteuerte 364 Elektronische Steuerung 270 Arbeitsweise Axialkolben-Verteiler- und Regelung 274 Hochdruckmagnetventil einspritzpumpen 364 Steuerung und Regelung 324 Magnetventilgesteuerte 364 Datenverarbeitung 276 UnitPump UP Axial-und Radialkolben- 366 Datenaustausch mit 276 Aufbau Verteilereinspritzpumpen anderen Systemen 278 Unit Pump für Großmotoren 325 Common Rail System 368 Regelung der Einspritzung 326 Unit Injector System UIS 377 Lambda-Regelung für 280 Systemübersicht für Pkw Pkw-Dieselmotoren Common Rail 327 Unit Injector System UIS 383 Zusätzliche Sonder- 280 Anwendungsgebiete und Unit Pump System anpassungen 280 Aufbau UPS für Nkw 383 Ansteuerung der kantenge- 281 Arbeitsweise 328 Applikation Pkw-Motoren steuerten Einspritzsysteme 284 Systembild Pkw 332 Applikation Nkw-Motoren 386 Ansteuerung der magnet- 286 Systembild Nkw 337 Applikationstools ventilgesteuerten Einspritz- systeme 288 Hochdruckkomponenten 393 Regelung und Ansteuerung des Common Rail der übrigen Stellglieder Systems 394 Ersatzfunktionen 288 Hochdruckpumpe 395 Momentengeführte EDC- (Druckerzeugung) Systeme 293 Rail (Hochdruckspeicher) 296 Injektor (Einspritzung) 8 Inhalt Redaktionelle Kästen 398 Datenübertragung 440 Systeme zur Abgas- zwischen elektronischen nachbehandlung Systemen 440 Diesel-Oxidations- 13 Diesel-Geschichte(n) 398 Systemübersicht katalysator 15 Flugzeug-Dieselmotoren 398 Serielle Datenübertragung 440 Partikelfilter der 1920er und 30er Jahre (CAN) 441 NOx-Speicherkatalysator 33 M-Verfahren 403 Ausblick 443 SCR-Prinzip 54 Druckwellenlader 443 Kombinationssysteme 75 Diesel-Einspritz- 404 Stellglieder (Aktoren) Geschichte(n) 404 Elektropneumatische 444 Abgasgesetzgebung 99 Reiheneinspritzpumpen- Wandler 444 Übersicht Geschichte(n) 405 Dauerbremsanlagen 446 CARB-Gesetzgebung 103 Dieselrekorde 1978 405 Lüfteransteuerung (Pkw/LOT) 115 Regler-Geschichte(n) 406 Starthilfesysteme 450 EPA-Gesetzgebung 203 Stammbaum der mecha- (Pkw/LDT) nisch geregelten Verteiler- Service 452 EU-Gesetzgebung einspritzpumpen von Bosch (Pkw/LDT) 232 Dieselrekorde 1972 408 Elektronische Diagnose 455 Japan-Gesetzgebung 235 Stammbaum der elektro- 408 Arbeitsweise (Pkw/LDT) nisch geregelten Verteiler- 411 On-Board-Diagnose OBD 456 USA-Gesetzgebung (Nkw) einspritzpumpen von Bosch 457 EU-Gesetzgebung (Nkw) 251 Dieselrekorde 1998 412 Werkstatt-Technik 459 Japan-Gesetzgebung (Nkw) 273 Vergangenheit und Zukunft 412 Übersicht 460 USA-Testzyklen für Pkw und des Unit Injectors 414 Prüfung von EDC- LDT 301 Dimensionen der Diesel- Systemen 462 Europäischer Testzyklus für Einspritztechnik 418 Einspritzpumpen- Pkw und LDT 309 Dieseleinspritzung ist Prüfstände 463 Japan-Testzyklus für Pkw Präzisionstechnik 420 Prüfung von Reihen- und LDT 319 Kavitation im Hochdruck- einspritzpumpen 464 Testzyklen für Nkw Kraftstoffsystem 424 Prüfung von kanten- 466 Abgasprüfung für 336 Motorprüfstand gesteuerten Verteiler- Typzulassung 351 Messgrößen am einspritzpumpen Dieselmotor 428 Düsenprüfung 470 Sachwortverzeichnis 363 Von Steuergeräten wird viel 430 Prinzip der Abgasmessung 470 Sachworte verlangt! 432 Trübungsmessung 475 Abkürzungen 367 Elektronik ... woher kommt der Begriff? Diesel-Abgas 382 Race-Trucks 417 Weltweiter Service 434 Abgasemissionen 437 Ozon und Smog 434 Übersicht 469 Treibhauseffekt 434 Hauptbestandteile 436 Nebenbestandteile (Schadstoffe) 438 Schadstoffminderung Autoren 9 Einsatzgebiete des Dieselmotors Elektronische Dieselregelung und Steuergerät Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber; Dr.-Ing. Stefan Becher; Dipl.-Ing. Joachim Lackner; Dipl. -Ing. Johannes Feger; Dr.-Ing. Herbert Schumacher Dipl.-Ing. Lutz-Martin Fink; Dipl.-Ing. Wolfram Gerwing; Grundlagen Dieselmotor, Einspritzung Dipl.-Ing. (BA) Klaus Grabmaier; Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber Dipl.-Ing. Martin Grosser; Dipl.-Inform. Michael Heinzelmann; Systeme zur Füllungssteuerung Dipl.-Math. techno Bernd IlIg; Dr.-Ing. Michael Durst, Filterwerk Mann + Hummel; Dipl.-Ing. (FH) Joachim Kurz; Dr.-Ing. Thomas Wintrich Dipl.-Ing. Felix Landhäußer; Dipl.-Ing. Rainer Mayer; Kraftstoffversorgung Dipl.-Ing. Thomas Nickels, Dipl.-Ing. (FH) Rolf Ebert; MAN Nutzfahrzeuge AG Dr.-Ing. Ulrich Projahn; Dr. rer. nat. Dietmar Ottenbacher; Ing. Dipl.-Betr.-Wirt (FH) Matthias Schmidl; Dipl.-Ing. (FH) Andreas Werner; Dr. tech. Theodor Stipek Dipl.-Ing. Jens Wiesner Reiheneinspritzpumpen und ihre Regler Sensoren Henri Bruognolo; Dipl.-Ing. Joachim Berger Dipl.-Ing. Ernst Ritter Datenübertragung Kantengesteuerte Verteilereinspritzpumpen Dr.-Ing. Michael Walther und ihre Aufschaltgruppen Dipl.-Ing. (FH) Helmut Simon; Stellglieder (Aktoren) Prof. Dr. -Ing. Helmut Tschäke Dipl.-Ing. Werner Pape Magnetventilgesteuerte Werkstatt-Technik Verteilereinspritzpumpen Hans Binder; Ing. (grad.) Heinz Notdurft; Dipl.-Ing. Rainer Rehage; Dr.-Ing. Uwe Reuter; RolfWärner Dipl.-Ing. Nestor Rodriguez-Amaya; Dipl.-Ing. (FH) Karl-Friedrich Rüsseler; Abgasemissionen Dipl.-Ing.-Werner Vallon; Dipl.-Ing. Eberhard Schnaibel Dipl.-Ing. Burkhard Veldten Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber Common Rail Abgasnachbehandlung Dipl.-Ing. Ralf Isenburg; Priv.-Doz. Dr.-Ing. Johannes K. Schaller Dipl.-Ing. (FH) Michael Münzenmay, STZ-System und Simulationstechnik, Prof. H. Kuli, Esslingen Abgasgesetzgebung Dr. -Ing. Stefan Becher; Einzeleinspritzpumpen, Unit Injector System Dr.-Ing. Michael Eggers und Unit Pump System Dr.-Ing. Ulrich Projahn; Kundendienstschule Dipl.-Ing. Nestor Rodriguez-Amaya; Günter Haupt; Dr. tech. Theodor Stipek Albert Lienbacher Einspritzdüsen und Düsenhalter sowie die Redaktion in Zusammenarbeit mit den Dipl.-Ing. Thomas Kügler zuständigen Fachabteilungen unseres Hauses. Hochdruckverbindungen Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich Kurt Sprenger um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH. 10 Einsatzgebiete der Oieselmotoren Eigenschaftskriterien, Anwendungen Einsatzgebiete der Dieselmotoren Kein anderer Verbrennungsmotor wird so Eigenschaftskriterien vielfältig eingesetzt wie der Dieselmotor I). Dies ist vor allem auf seinen hohen Wir Folgende Merkmale und Eigenschaften sind kungsgrad und der damit verbundenen für den Einsatz eines Dieselmotors von Be Wirtschaftlichkeit zurückzuführen. deutung (Beispiele): • Motorleistung, Die wesentlichen Einsatzgebiete für Diesel • spezifische Leistung, motoren sind: • Betriebssicherheit, • Stationärmotoren, • Herstellungskosten, • Pkw und leichte Nkw, • Wirtschaftlichkeit im Betrieb, • schwere Nkw, • Zuverlässigkeit, • Bau-und Landmaschinen, • Umweltverträglichkeit, • Lokomotiven und • Komfort und • Schiffe. • Gefälligkeit (z. B. Motorraumdesign). Dieselmotoren werden als Reihenmotoren Je nach Anwendungsbereich ergeben sich für und V-Motoren gebaut. Sie eignen sich die Auslegung des Dieselmotors unter grundsätzlich sehr gut für die Aufladung, da schiedlich Schwerpunkte. bei ihnen im Gegensatz zum Ottomotor kein Klopfen auftritt (siehe Kapitel "Systeme zur Füllungssteuerung"). Anwendungen Stationärmotoren Stationärmotoren (z. B. für Stromerzeuger) ') Benannt nach Rudol! Ore cl (t858 b,s 1913). der werden oft mit einer festen Drehzahl be 1892 sein erstes Patent auf "Neue ratIonelle Warmekraft· trieben. Motor und Einspritzsystem können maschinen' anmeldete Es erforderte Jedoch noch v,el Entwlcklungsarbe't, b.s 1697 der ersle D.eselmolor be, somit optimal auf diese Drehzahl abge MAN .n Augsburg Iiel. stimmt werden. Ein Drehzahlregler ver- Pkw·Dieselmolor mil Unil Injeelor Einspritz.yslem (Beispiel) kW 110 90 :.. Cc I :> 70 ~ Gi -' 50 30 Bild 1 ,~ 3N2m0 l 1 Venlillneb E o 2 nIleklOr ~240 3 Ko ben mit Bolzen ol'! und Pleuel 1000 2000 3000 4000 4 Ladelultkuhler Drehzahl" 5 Kuhlm.lIelpumpe 6 Zylinder Robert Bosch GmbH, Dieselmotor-Management © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 2002 Einsatzgebiete der Dieselmotoren Anwendungen 11 ändert die Einspritzmenge entsprechend Neue Pkw-Dieselmotoren werden in Europa der geforderten Last. Für diese Anwendun nur noch mit Direkteinspritzung (DI, Direct gen werden weiterhin auch Einspritzanlagen Injection engine) entwickelt, da der Kraft mit mechanischer Regelung eingesetzt. stoffverbrauch bei DI-Motoren ca. 15 ... 20% geringer ist als bei Kammermotoren. Diese Auch Pkw- und Nkw-Motoren können als heute fast ausschließlich mit einem Abgas Stationärmotoren eingesetzt werden. Die turbolader ausgerüsteten Motoren bieten Regelung des Motors muss jedoch ggf. den deutlich höhere Drehmomente als vergleich veränderten Bedingungen angepasst sein. bare Ottomotoren. Das im Fahrzeug maxi mal mögliche Drehmoment wird meist von Pkw und leichte Nkw den zur Verfügung stehenden Getrieben und Besonders von Pkw-Motoren (Bild 1) wird nicht vom Motor bestimmt. ein hohes Maß an Durchzugskraft und Laufruhe erwartet. Auf diesem Gebiet wur Die immer schärfer werdenden Abgasgrenz den durch weiterentwickelte Motoren und werte und die gestiegenen Leistungsanforde neue Einspritzsysteme mit Elektronischer rungen erfordern Einspritzsysteme mit sehr Dieselregelung (Electronic Diesel Control hohen Einspritzdrücken. Die steigenden EDC) große Fortschritte erzielt. Das Leis Anforderungen an das Abgasverhalten bil tungs-und Drehmomentverhalten konnte den auch zukünftig eine Herausforderung auf diese Weise seit Beginn der 1990er Jahre für die Entwickler von Dieselmotoren. Des wesentlich verbessert werden. Deshalb hat halb wird es in Zukunft besonders auf dem der "Diesel" unter anderem auch den Einzug Gebiet der Abgasnachbehandlung zu weite in die Pkw-Oberklasse geschafft. ren Veränderungen kommen. In Pkw werden Schnellläufer mit Dreh zahlen bis 5500 min-1 eingesetzt. Das Spek Schwere Nkw trum reicht vom lO-Zylinder mit 5000 cm3 Motoren für schwere Nkw (Bild 2) müssen in Limousinen bis zum 3-Zylinder 800 cm3- vor allem wirtschaftlich sein. Deshalb sind Motor in Kleinwagen. in diesem Anwendungsbereich nur Diesel- Nkw·Oieselmotor mit Common Rail System (BeIspiel) c700 1 600 Bild 2 ~500 1 Generalor o 400 I=~~~~~....!!.~....J.!~......J 2 Injektor 1000 1500 2000 3 Rrul Orehzahln 4 Hochdruckpumpe