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Dieselmotor-Management Konrad Reif (Hrsg.) Dieselmotor-Management Systeme, Komponenten, Steuerung und Regelung 5., überarbeitete und erweiterte Aufl age Mit 566 Abbildungen und 18 Tabellen Bosch Fachinformation Automobil Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif Duale Hochschule Baden-Württemberg Ravensburg, Campus Friedrichshafen Studiengangsleiter Fahrzeugelektronik und Mechatronische Systeme [email protected] www.bosch-fachinformation-automobil.springer-vieweg.de ISBN 978-3-8348-1715-0 ISBN 978-3-8348-2179-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-8348-2179-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografi e; detaillierte bibliografi sche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufb ar. Springer Vieweg © Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden 1998, 2002, 2004, 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht aus- drücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfi lmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürft en. Einbandentwurf: KünkelLopka GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.springer-vieweg.de 5 ▶ Vorwort DasvorliegendeBuchDieselmotor-ManagemententhälteineumfassendeDarstellungderSteuerungund RegelungvonDieselmotoren.WichtigeThemensinddabeinichtnurEinspritztechnikundMotorsteue- rung,sondernauchKraftstoffversorgung,Starthilfesysteme,Drehzahlregelung,Emissionsminderung undAbgasnachbehandlung.WesentlicheKomponentenwiePumpen,Düsen,Hochdruckverbindungen, SteuergeräteundSensorensowiederenFunktionsweiseundZusammenspielwerdenausführlicher- klärt.EswerdensowohldieklassischenEinspritzsystememitReihen-oderVerteilereinspritzpumpen alsauchdiemodernenEinspritzsystememitCommonRailoderUnitInjectorbehandelt.Fernerwerden übergreifendeThemenwieAbgasgesetzgebung,Abgasmesstechnik,DiagnoseundWerkstatt-Technik erläutert. Inderhiervorliegenden5.AuflagewurdedasKapitelüberDieselkraftstoffeaktualisiertundergänzt, insbesonderederAbschnittüberalternativeKraftstoffewurdewesentlicherweitert.DasKapitelüber FüllungssteuerungwurdeumdieBiturbo-AufladungunddieHC-Falleergänzt.Wesentlichüberarbeitet wurdedasKapitelzumNiederdruckteilderKraftstoffversorgung,wobeiverschiedenePumpentypen, dasRücklaufsystemunddieKraftstoffverteilungfürdasUnitInjectorSystemunddieTankeinbauein- heitberücksichtigtwurden.AktualisiertwurdenauchdieKapitelüberdasCommonRailSystem,das UnitInjectorSystemunddasUnitPumpSystem.ImKapitelüberdieAbgasnachbehandlungwurdendie ThemenSCR-SystemundPartikelfilterüberarbeitet. DerSchwerpunktimvorliegendenBuchliegtbeidenmodernenSystemen.FüreineausführlicheBe- handlungdermechanischenundelektronischenReglerfürReihen-undVerteilereinspritzpumpen wirdaufdasBuch„KlassischeDiesel-Einspritzsysteme“ausdergleichenBuchreiheverwiesen. AußerdemsollandieserStelledaraufhingewiesenwerden,dassTeilediesesBuchesinstarkverkürzter ForminzweibroschiertenBüchernausderselbenReiheerhältlichsind.DiesistderBand„Dieselmotor- ManagementimÜberblick“,indemdasWichtigstezumThemaDieselmotor-Managementkurzund bündigbeschriebenwirdundderBand„ModerneDiesel-Einspritzsysteme“,dersichaufdieEinspritz- systememitCommonRail,UnitInjectorundUnitPumpkonzentriert. DasvorliegendeBuchwendetsichinersterLinieanIngenieureinderMotoren-undFahrzeugentwick- lung,Kfz-MeisterundKfz-TechnikersowieanStudentenderFahrzeug-undMotorentechnik.Esistaber auchfürGutachterundSachverständigeundfürElektroingenieureundSoftware-Entwicklerinder Automobil-undZulieferindustriesehrgutgeeignet,umsicheinenEinblickindieSteuerungundRege- lungderDieselmotorenzuverschaffen. OhnedieaußerordentlicheUnterstützungVielerhättediese5.Auflagenichtentstehenkönnen.Für fachlicheDiskussionundUnterstützung,vorallemwährendderEndphasederBucherstellung,dankeich HerrnProf.Dr.-Ing.S.EngelkingundFrauDipl.-Ing.A.Horozovic.FernerdankeichauchallenLesern, dieunswertvolleHinweisefürKorrekturengegebenhaben. Friedrichshafen,imApril2012 KonradReif 6 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis GeschichtedesDieselmotors ............................................................................................................ 14 RudolfDiesel.............................................................................................................................................. 15 GemischbildungdererstenDieselmotoren ........................................................................................ 16 EinsatzdererstenFahrzeug-Dieselmotoren ....................................................................................... 17 Bosch-Dieseleinspritzung ....................................................................................................................... 20 EinsatzgebietederDieselmotoren ................................................................................................... 24 Eigenschaftskriterien................................................................................................................................ 24 Anwendungen............................................................................................................................................ 24 Motorkenndaten ........................................................................................................................................ 27 GrundlagendesDieselmotors ........................................................................................................... 28 Arbeitsweise............................................................................................................................................... 28 DrehmomentundLeistung...................................................................................................................... 31 Motorwirkungsgrad................................................................................................................................... 32 Betriebszustände...................................................................................................................................... 35 Betriebsbedingungen .............................................................................................................................. 38 Einspritzsystem.......................................................................................................................................... 41 Brennräume................................................................................................................................................ 42 Kraftstoffe.................................................................................................................................................. 46 Dieselkraftstoff........................................................................................................................................... 46 AlternativeKraftstoffe............................................................................................................................... 52 SystemezurFüllungssteuerung........................................................................................................ 56 Übersicht..................................................................................................................................................... 56 Aufladung.................................................................................................................................................... 57 Drallklappen ............................................................................................................................................... 66 Motoransaugluftfilter ................................................................................................................................ 67 GrundlagenderDieseleinspritzung.................................................................................................. 70 Gemischverteilung.................................................................................................................................... 70 ParameterderEinspritzung .................................................................................................................... 72 Düsen-undDüsenhalter-Ausführung ................................................................................................... 81 Diesel-EinspritzsystemeimÜberblick ............................................................................................ 82 Bauarten...................................................................................................................................................... 82 KraftstoffversorgungNiederdruckteil .............................................................................................. 88 Übersicht..................................................................................................................................................... 88 Kraftstoffpumpe......................................................................................................................................... 90 Kraftstofffilter.............................................................................................................................................. 95 KraftstoffrücklaufundKraftstoffverteilungbeimUnitInjectorSystem ........................................... 100 Kraftstoffbehälter,KraftstoffleitungenundTankeinbaueinheit......................................................... 102 ZusatzventilefürReiheneinspritzpumpen............................................................................................ 104 Inhaltsverzeichnis 7 SystemübersichtderReiheneinspritzpumpen ............................................................................. 106 Anwendungsgebiete ................................................................................................................................ 106 Ausführungen............................................................................................................................................. 106 Aufbau ......................................................................................................................................................... 107 Regelung..................................................................................................................................................... 107 VorförderpumpenfürReiheneinspritzpumpen............................................................................. 110 Anwendung ................................................................................................................................................ 110 AufbauundArbeitsweise ........................................................................................................................ 111 Handpumpen ............................................................................................................................................. 113 Vorreiniger................................................................................................................................................... 113 Falltankbetrieb ........................................................................................................................................... 113 Standard-ReiheneinspritzpumpenPE............................................................................................. 114 EinbauundAntrieb ................................................................................................................................... 115 AufbauundArbeitsweise ........................................................................................................................ 115 Ausführungen............................................................................................................................................. 124 ReiheneinspritzpumpenPEfürandereKraftstoffe............................................................................. 134 BetriebderReiheneinspritzpumpen ..................................................................................................... 135 ReglerfürReiheneinspritzpumpen................................................................................................... 136 SteuerungundRegelung ........................................................................................................................ 136 EinwirkungdesReglers........................................................................................................................... 138 Definitionen ................................................................................................................................................ 138 P-GraddesReglers.................................................................................................................................. 139 AufgabendesReglers ............................................................................................................................. 140 Reglerarten................................................................................................................................................. 143 Reglerübersicht ......................................................................................................................................... 148 Spritzversteller........................................................................................................................................... 154 ElektrischesStellwerk.............................................................................................................................. 156 Hubschieber-Reiheneinspritzpumpen ............................................................................................ 158 AufbauundArbeitsweise ........................................................................................................................ 159 SystemübersichtderVerteilereinspritzpumpen........................................................................... 162 Anwendungsgebiete ................................................................................................................................ 162 Ausführungen............................................................................................................................................. 162 KantengesteuerteSysteme .................................................................................................................... 164 MagnetventilgesteuerteSysteme.......................................................................................................... 166 KantengesteuerteVerteilereinspritzpumpen ................................................................................ 170 EinsatzbereicheundEinbau ................................................................................................................... 171 Aufbau ......................................................................................................................................................... 173 Niederdruckteil .......................................................................................................................................... 176 HochdruckpumpemitVerteiler............................................................................................................... 179 AufschaltgruppenfürVerteilereinspritzpumpen.......................................................................... 188 Übersicht..................................................................................................................................................... 188 Drehzahlregler............................................................................................................................................ 190 Spritzversteller........................................................................................................................................... 197 8 Inhaltsverzeichnis MechanischeAnpassvorrichtungen...................................................................................................... 200 Lastinformation .......................................................................................................................................... 213 Fördersignalsensor................................................................................................................................... 214 Abstellvorrichtungen................................................................................................................................. 215 ElektronischeDieselregelung................................................................................................................. 216 Diesel-Diebstahl-Schutz.......................................................................................................................... 219 MagnetventilgesteuerteVerteilereinspritzpumpen..................................................................... 220 Einsatzbereiche ......................................................................................................................................... 220 Bauformen.................................................................................................................................................. 220 EinbauundAntrieb ................................................................................................................................... 222 AufbauundArbeitsweise ........................................................................................................................ 224 Niederdruckteil .......................................................................................................................................... 226 HochdruckteilderAxialkolben-Verteilereinspritzpumpe ................................................................... 228 HochdruckteilderRadialkolben-Verteilereinspritzpumpe ................................................................ 232 Druckventile................................................................................................................................................ 236 Hochdruckmagnetventil........................................................................................................................... 238 Spritzverstellung........................................................................................................................................ 240 Steuergerät................................................................................................................................................. 246 Zusammenfassung ................................................................................................................................... 247 SystemübersichtderEinzelzylinder-Systeme.............................................................................. 248 EinzeleinspritzpumpenPF....................................................................................................................... 248 UnitInjectorSystemUISundUnitPumpSystemUPS.................................................................... 250 SystembildUISfürPkw........................................................................................................................... 252 SystembildUIS/UPSfürNkw................................................................................................................ 254 EinzeleinspritzpumpenPF................................................................................................................... 256 AufbauundArbeitsweise ........................................................................................................................ 256 Baugrößen.................................................................................................................................................. 258 UnitInjectorSystemUIS...................................................................................................................... 260 EinbauundAntrieb ................................................................................................................................... 260 Aufbau ......................................................................................................................................................... 261 ArbeitsweisedesUIfürPkw................................................................................................................... 264 ArbeitsweisedesUIfürNkw .................................................................................................................. 267 Hochdruckmagnetventil........................................................................................................................... 269 UnitPumpSystemUPS........................................................................................................................ 272 EinbauundAntrieb ................................................................................................................................... 272 Aufbau ......................................................................................................................................................... 272 StromgeregelteEinspritzverlaufsformungCCRS.............................................................................. 274 SystemübersichtCommonRail ......................................................................................................... 276 Anwendungsgebiete ................................................................................................................................ 276 Aufbau ......................................................................................................................................................... 277 Arbeitsweise............................................................................................................................................... 278 CommonRailSystemfürPkw................................................................................................................ 282 CommonRailSystemfürNkw ............................................................................................................... 287 Inhaltsverzeichnis 9 HochdruckkomponentendesCommonRailSystems ............................................................... 290 Übersicht..................................................................................................................................................... 290 Injektor......................................................................................................................................................... 292 Hochdruckpumpen................................................................................................................................... 303 Rail(Hochdruckspeicher)........................................................................................................................ 312 Hochdrucksensoren ................................................................................................................................. 313 Druckregelventil......................................................................................................................................... 314 Druckbegrenzungsventil.......................................................................................................................... 315 Einspritzdüsen......................................................................................................................................... 316 Zapfendüsen.............................................................................................................................................. 318 Lochdüsen.................................................................................................................................................. 320 WeiterentwicklungderDüse .................................................................................................................. 324 Düsenhalter .............................................................................................................................................. 326 Übersicht..................................................................................................................................................... 326 Standard-Düsenhalter.............................................................................................................................. 328 Stufenhalter................................................................................................................................................ 329 Zweifeder-Düsenhalter............................................................................................................................. 330 DüsenhaltermitNadelbewegungssensor ........................................................................................... 331 Hochdruckverbindungen...................................................................................................................... 332 Hochdruckanschlüsse ............................................................................................................................. 332 Hochdruck-Kraftstoffleitungen ............................................................................................................... 333 Starthilfesysteme.................................................................................................................................... 336 Übersicht..................................................................................................................................................... 336 Glühsysteme .............................................................................................................................................. 337 InnermotorischeEmissionsminderung........................................................................................... 342 Brennverfahren .......................................................................................................................................... 343 WeitereEinflüsseaufdieSchadstoffemission ................................................................................... 345 EntwicklunghomogenerBrennverfahren............................................................................................. 347 Dieseleinspritzung..................................................................................................................................... 348 Abgasrückführung..................................................................................................................................... 360 Kurbelgehäuseentlüftung ........................................................................................................................ 363 Abgasnachbehandlung......................................................................................................................... 364 NO-Speicherkatalysator......................................................................................................................... 365 X SelektivekatalytischeReduktionvonStickoxiden ............................................................................. 368 PartikelfilterDPF ....................................................................................................................................... 374 Diesel-Oxidationskatalysator.................................................................................................................. 382 ElektronischeDieselregelungEDC .................................................................................................. 384 Systemübersicht........................................................................................................................................ 384 Reiheneinspritzpumpen........................................................................................................................... 387 KantengesteuerteAxialkolben-Verteilereinspritzpumpen................................................................. 388 MagnetventilgesteuerteAxial-undRadialkolben-Verteilereinspritzpumpen ................................ 389 UnitInjectorSystemUISfürPkw .......................................................................................................... 390 UnitInjectorSystemUISundUnitPumpSystemUPSfürNkw .................................................... 391 10 Inhaltsverzeichnis CommonRailSystemfürPkw................................................................................................................ 392 CommonRailSystemfürNkw ............................................................................................................... 393 Datenverarbeitung .................................................................................................................................... 394 RegelungderEinspritzung...................................................................................................................... 396 ZusätzlicheSonderanpassungen.......................................................................................................... 407 Lambda-RegelungfürPkw-Dieselmotoren ......................................................................................... 408 MomentengeführteEDC-Systeme........................................................................................................ 413 RegelungundAnsteuerungvonAktoren............................................................................................. 416 Ersatzfunktionen........................................................................................................................................ 417 DatenaustauschmitanderenSystemen .............................................................................................. 418 SerielleDatenübertragungmitCAN..................................................................................................... 419 ApplikationPkw-Motoren........................................................................................................................ 424 ApplikationNkw-Motoren........................................................................................................................ 428 Applikationstools....................................................................................................................................... 433 Steuergerät............................................................................................................................................... 436 Einsatzbedingungen................................................................................................................................. 436 Aufbau ......................................................................................................................................................... 436 Datenverarbeitung .................................................................................................................................... 436 Sensoren ................................................................................................................................................... 442 EinsatzimKraftfahrzeug .......................................................................................................................... 442 Temperatursensoren................................................................................................................................. 443 MikromechanischeDrucksensoren....................................................................................................... 444 Hochdrucksensoren ................................................................................................................................. 447 InduktiveMotordrehzahlsensoren.......................................................................................................... 448 DrehzahlsensorenundinkrementaleDrehwinkelsensoren.............................................................. 449 Hall-Phasensensoren ............................................................................................................................... 450 Fahrpedalsensoren................................................................................................................................... 452 Heißfilm-LuftmassenmesserHFM5 ...................................................................................................... 454 PlanareBreitband-Lambda-SondeLSU4............................................................................................ 456 Halb-Differenzial-Kurzschlussringsensoren......................................................................................... 458 Tankfüllstandsensor.................................................................................................................................. 459 Diagnose.................................................................................................................................................... 460 ÜberwachungimFahrbetrieb(On-Board-Diagnose)........................................................................ 460 OnBoardDiagnosticSystemfürPkwundleichteNkw................................................................... 463 OnBoardDiagnosticSystemfürschwereNkw ................................................................................ 470 Werkstatt-Technik.................................................................................................................................... 472 Werkstattgeschäft..................................................................................................................................... 472 DiagnoseinderWerkstatt ...................................................................................................................... 476 Prüf-undTestgeräte ................................................................................................................................. 478 Einspritzpumpen-Prüfstände .................................................................................................................. 480 PrüfungvonReiheneinspritzpumpen.................................................................................................... 482 PrüfungvonkantengesteuertenVerteilereinspritzpumpen .............................................................. 486 Düsenprüfung ............................................................................................................................................ 490 Abgasemission........................................................................................................................................ 492 Übersicht..................................................................................................................................................... 492 Hauptbestandteile .................................................................................................................................... 492 Nebenbestandteile(Schadstoffe) ......................................................................................................... 494