Moderne Diesel-Einspritzsysteme: Common Rail und Einzelzylindersysteme

168 Pages·2010·68.81 MB·German

by  Konrad Reif (auth.), Konrad Reif (eds.)

Konrad Reif(Hrsg.)
Moderne
Diesel
Einspritzsysteme
Common Rail und Einzelzylindersysteme
Mit 133 Abbildungen
Bosch Fachinformation Automobil
11I
VIEWEG+
TEUBNER
BibliografischeInformationder Deutschen Nationalbibliothek
DieDeutsche NationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinder
DeutschenNatlcnalblbliograüe;detailliertebibliografische Daten sind im Internetüber
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DerInhaltdiesesBucheserschien bisherunterdenTiteln:
Diesel-Speichereinspritzsystem CommonRail
Diesel-Einspritzsysteme Unit InjectorSystem undUnitPumpSystem
herausgegeben vonderRobert BoschGmbH,Plochingen
1.Auflage 2010
AlleRechtevorbehalten
© Vieweg+TeubnerVerlag ISpringerFachmedienWiesbadenGmbH2010
Lektorat:Outstran Kannenberg IElisabethlange
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wärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften.
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TechnischeRedaktion:Gabriele McLemore
Satz:FROMM MediaDesign, serters/rs.
Druck undbuchbindenseheVerarbeitung:MercedesDruck,Berlin
Gedrucktauf säurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier,
PrintedinGermany
ISBN978-3-8348-1312-1
Vorwort I 5
Vorwort
DieTechnik imKraftfahrzeug hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Der
Einzelne,derberuflich mitdemThemabeschäftigtist,muss immermehrtun,ummitdiesen Neu
erungen Schrittzuhalten.MittlerweilespielenvieleneueThemenderWissenschaftundTechnik
inKraftfahrzeugen einegroße Rolle.Diessindnicht nurneueThemenausderklassischen Fahr
zeug- und Motorentechnik, sondern auch ausder Elektronikund ausder Informationstechnik.
DieseThemen sind zwar für sich inunterschiedlichen Publikationen gedruckt oder imInternet
dokumentiert, also prinzipiell fürjeden verfügbar;jedoch istfür jemanden, der sich neu inein
Themaeinarbeiten will,dieFüllederLiteraturhäufigwederüberblickbarnochinderdafürverfüg
baren Zeit lesbar. Aufgrund der verschiedenen beruflichen Tätigkeiten inder Automobil- und
Zulieferindustriesindzudemunterschiedlichtiefe Ausführungengefragt.
Gerade heute istessowichtigwie früher: Wer die Entwicklungmit gestaltenwill, muss sich
mitdengrundlegendenwichtigenThemengutauskennen.HierbeisindnichtnurdieHochschulen
mitdenStudienangebotenunddieArbeitgebermitWeiterbildungsmaßnahmeninderPflicht.Der
rascheTechnologiewechselzwingtzumlebenslangenLernen,auchinFormdesSelbststudiums.
HiersetztdieSchriftenreihe.BoschFachinformationAutomobil"an.Siebieteteineumfassen
de und einheitliche Darstellung wichtigerThemen aus der Kraftfahrzeugtechnik inkompakter,
verständlicherundpraxisrelevanterForm.Diesistdadurchmöglich, dassdieInhaltevonFachleu
tenverfasstwurden, dieindenEntwicklungsabteilungenvonBoschangenaudendargestellten
Themenarbeiten. DieSchriftenreiheistsogestaltet,dass sich aucheinLeserzurechtfindet,für
dendasThemaneuist.Die Kapitel sind ineinerZeit lesbar,dieaucheinsehrbeschäftigterAr
beitnehmerdafüraufbringen kann.
DieBasis derReihesinddiefünfbewährten,gebundenenFachbücher.Sieermöglicheneinen
umfassenden EinblickindasjeweiligeThemengebiet.AnwendungsbezogeneDarstellungen,an
schauliche undaufwendig gestaltete Bilder ermöglichenden leichten Einstieg. Fürden Bedarf
aninhaltlichengerzugeschnittenenThemenbereichenbietetdiesiebenbändigebroschierteRei
hedasrichtige Angebot.Mitdeutlich reduziertem Umfang,abergleicherdetaillierterDarstellung,
istdas HintergrundwissenzukonkretenAufgabensteIlungen professionell erklärt. Dieschnelle
BereitstellungzielgerichteterInformationzuthematischabgegrenzten Wissensgebietensinddas
Kennzeichen der 92 Einzelkapitel, die alspdf-Download zursofortigen Nutzung bereitstehen.
Eineindividuelle Auswahl ermöglichtdieZusammenstellungnacheigenem Bedarf.
ImLaufederNeukonzeptiondieserSchriftenreiheistesnichtmöglich, alleProdukte gleichzei
tig inhaltlichneuzubearbeiten. Diesgeschiehtdemnach Zug umZug.
Der vorliegende Band "Moderne Diesel-Einspritzsysteme" behandelt die Einspritzsysteme
.Common Rail' und .Untt Pump System" (Pumpe-Düse) und .Untt Injector System" (Pumpe
Leitung-Düse) einschließlich Kraftstoffversorgung, Hochdruckkomponentenund-verbindungen,
Einspritzdüsen, Regelung und Diagnose. Ersetzt sich ausdenfrüheren gelben Heften "Diesel
SpeichereinspritzsystemGommon Rail"und .Diesel-Einspritzeysteme Unit Injector System und
Unit Pump System" in der bisherigen Formzusammen. Eine inhaltliche Neubearbeitung wird
folgen. Neu erstellt wurde dasStichwortverzeichnis, umdie Inhaltedieses Buchsrasch zuer
schließen.
Friedrichshafen, imJuni2010 Konrad Reif
Inhaltsverzeichnis I 7
Inhaltsverzeichnis
SystemübersichtCommonRail
Anwendungsgebiete . 10
Aufbau 11
Arbeitsweise. 12
GommonRailSystem für Pkw. 16
GommonRailSystemfür Nkw . 21
Kraftstoffversorgung Niederdruckteil
Übersicht. 24
Kraftstoffpumpe . 26
Kraftstofffilter . 30
HochdruckkomponentendesCommonRailSystems
Übersicht. 32
Injektor. 34
Hochdruckpumpen . 45
Rail(Hochdruckspeicher) . 54
Hochdrucksensoren . 55
Druckregelventil . 56
Druckbegrenzungsventil . 57
Einspritzdüsen
Lochdüsen . 60
Weiterentwicklungder Düse. 64
Hochdruckverbindungen
Hochdruckanschlüsse . 66
Hochdruck-Kraftstoffleitungen . 67
ElektronischeDieselregelungEDCfürCommonRail
Systemübersicht. 70
GommonRailSystem für Pkw. 72
GommonRailSystem für Nkw . 73
Datenverarbeitung 74
Regelung der Einspritzung. 76
Lambda-Regelungfür Pkw-Dieselmotoren 84
MomentengeführteEDG-Systeme. 89
Datenaustauschmitanderen Systemen. 92
SerielleDatenübertragungmitGAN . 93
Diagnose
ÜberwachungimFahrbetrieb(On-Board-Diagnose) . 94
On Board DiagnosticSystem für PkwundleichteNkw . 97
DiagnoseinderWerkstatt. 98
Diagnosefunktionen . 100
Diesel-Einspritzsystemeim Überblick
Bauarten. 102
Diesel-EinspritzsystemeimÜberblick. 107
8 I Inhaltsverzeichnis
Systemübersiehtder Einzelzylinder-Systeme
Einzeleinspritzpumpen PF. 108
UnitInjectorSystem UISundUnitPumpSystemUPS. 110
Systembild UISfürPkw. 112
Systembild UIS/UPSfürNkw . 114
UnitInjectorSystemUIS
EinbauundAntrieb. 116
Aufbau 117
ArbeitsweisedesUIfürPkw. 120
ArbeitsweisedesUIfürNkw . 123
Hochdruckmagnetventil . 125
Diesel-Einspritz-Geschichte . 127
UnitPumpSystemUPS
EinbauundAntrieb. 128
Aufbau 128
StromgeregelteEinspritzverlaufsformungCCRS. 130
DimensionenderDiesel-Einspritztechnik . 131
Kraftstoffsystem(Niederdruck)
Übersicht. 132
Tankeinbaueinheit. 133
Kraftstoffpumpe . 134
Kraftstoffrücklauf . 136
Kraftstoffverteilung . 137
Weitere Komponenten. 137
Filtrationseffekte . 139
ElektronischeDieselregelungEDCfür UnitInjectorSystem
Systemübersicht. 140
UnitInjectorSystem UISfürPkw . 142
UnitInjectorSystem UISundUnitPumpSystemUPSfürNkw 143
RegelungderEinspritzung. 144
PrinzipiellerAblaufderElektronischen Dieselregelung . 152
MomentengeführteEDC-Systeme. 153
Zylindererkennung 156
Lambda-Regelung fürPkw-Dieselmotoren 158
Abgasemissionen
EntstehungvonSchadstoffen. 162
Innermotorische Emissionsminderung 164
Abkürzungen. 168
Sachwortverzeichnis 170
Autorenverzeichnis I 9
Autorenverzeichnis
Diesel-Speichereinspritzsystem Diesel-Einspritzsysteme
CommonRail UnitInjectorSystemundUnitPumpSystem
Autoren AutorenundMitwirkende
Dipl.-Ing.FelixLandhäußer, Dipl-Ing.(HU)CarlosAlvarez-Avila,
Dr.-Ing.UlrichProjahn, Dipl.-Ing.GuilhermeBittencourt,
Dipl.-Inform.MichaelHeinzelmann, Dr.rer.nat.CarlosBlascoRemacha,
Dr.-Ing.RalfWirth (Common RailSystem), Dr.-Ing.Günter Driedger,
Ing.grad.PeterSchelhas, Dipl.-Ing.StefanEymann,
Dipl.-Ing.KlausOrtner(Kraftstoffpumpen), Dipl.-Ing.Alessandro Fauda,
Dr.-Ing.JuanLuisHemandezCarabias Dipl.-Ing.Dipl.-Wirtsch.-Ing.MatthiasHickl,
(Kraftstofffilter), Dipl.-Ing.(FH)AndreasHirt,
Dipl.-Ing.SandroSoccol, Dipl.-Ing.(FH)Guido Kampa,
DirkDörhöfer (Hochdruckpumpen), Dipl.-Betriebsw.MeikeKeller,
Ing.HerbertStrahberger, Dr.rernat.WalterLehle,
Ing.HelmutSattmann(RailundAnbau- Dipl.-Ing.RainerMerkle,
komponenten), Dipl.-Ing.RogerPotschin,
Dipl.-Ing.ThiloKlam, Dr.-Ing.UlrichProjahn,
Dipl.-Ing.(FH)AndreasRettich, Dr.rer.nat.AndreasRebmann,
Dr.tecbn. David Holzer, Dipl.-Ing.WalterReinisch,
Dipl.-Ing.(FH)AndreasKoch(Magnetventil- Dipl.-Ing.NestorRodriguez-Amaya,
Injektoren), Dipl.-Ing.FriedemannWeber,
Dr.-Ing.PatrickMattes(Piezo-Inline-Injektor), Dipl.-Ing.(FH)WilliWeippert,
Dipl.-Ing.ThomasKügler(Einspritzdüsen), Dipl.-Ing.RalfWurm
Dipl.-Ing.(FH)MikelLorenteSusaeta,
Dipl.-Ing.MartinGrosser,
Dr.-Ing.AndreasMichalske(Elektronische
Dieselregelung),
Dr.-Ing.Günter Driedger,
Dr.rer.nat.Walter Lehle,
Dipl.-Ing.Wolfgang Schauer,
RainerHeinzmann(Diagnose)
Soweitnichtandersangegeben,handeltessichumMitarbeiterderRobertBoschGmbH, Stuttgart.
10 ! S~..emübe/'$ichtCommonfI.i1 I Anwer.dungsgebiete
Systemübersicht Common Rail
IIil'AJlfordl'run~wnandj('Einsprilzsys Anwendungsgebiete
teme dl'Sllit'S('lmolon;sll'i,!;t'Jlsländi,!;,
lIüht'fl' In-ür-ke,sch1ll'lIt'rt,Si:~haltzt'iten DasSpeu-hereinspruzsystemCommon Rail
undt'illl'lll'xihlt,Anpassungdt'sEin für Motor..nmillli"S1'!-lJirt'klt'inspritzung
spritnt'rlaufsanrk-nIlt'lrj(>hszusland (Direetlnjection,Ill)wird infolgr-nden
des Motorsmadwnden llit'S('lmolUr Pahrzr-ugr-n" ing"S1~tzt,
sparsam,sauberund It'istungsslark. So ~ pkw mit sehrsparsanu'nDreizylmdet-.
hahcn Uit'S('lmolort'nauchden Einzug Motort'nvonn,1I/Hubraum, :ltl kW
indie'autonlOhilt'olwrklasS(',!;I'fundt'n. (41PS)1.l'islUng,J(HlNmDrehmoment
undetm-m Kraftsroffw-rbrauchvon
Eim'sdit'S1'rhoch r-ntwiekelteuEinspritz :i,51/1(HlkmhishinzuAdllzylintll'r
sysremcisldasSpl'idlt'reinspritzsyslt'm MotoreninOberklassefahrzeugen
t.ommonRaH(CH).lkr Itauptvoru-üdes mit "'I.4rHubraum, 1110 kW(245 1'S)
Common Rail Systemsh,'gtindengroßen I.t'istllngundssoNm l)r.,)1I110n1"ll1.
Variauonsmögltchkcitenhl'i derGt'stal ~ l.eichteNkw muLetstungcnbis
tungrh-sEinspruzdrucksundd,'r Ein xnkW/Zylintl,'r sowie
sprttzzenpunkte. lrieswird durchdi" ~ schwereNkwhishin zuLokomotiven
Ernkopplungvon nruekcrzeugung(Hoch und SchiffenmitI.dstul1g..nbisca.
druckpumpe)undEinsprilwl1g(lnjek 200kWjZylinlkr.
tor..n)r-rn-ichr.Alsln-uckspcir-lu-rdi"nt
dalwidas Rail.
Spe"'he,,,,nsp'il.zsySremCemmonRailaneinemFCinfzylinde~Di.s.lmote,
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•
Hochdruck-
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K.allstoffl"'tung •
, .umRail •e
, K.altstt>{f·RCicklauf ,>
Hochdruckpump&
SystemübersichtCommonRail IAufbau I 11
DasCommonRailSystembieteteinehohe Aufbau
FlexibilitätzurAnpassungderEinsprit
zungandenMotor.Daswird erreicht DasCommon RailSystembestehtaus
durch: folgendenHauptgruppen(Bilder 1und2):
li>- HohenEinspritzdruckbis ca.1800bar, li>- Niederdruckteilmit denKomponenten
zukünftigbis2000 bar. derKraftstoffversorgung,
li>- AndenBetriebszustandangepassten li>- Hochdruckteilmit denKomponenten
Einspritzdruck(200...1800bar). Hochdruckpumpe,Rail,Injektorenund
li>- VariablenEinspritzbeginn. Hochdruck-Kraftstoffleitungen,
li>- MöglichkeitmehrererVor-undNach li>- ElektronischeDieselregelung(EDC)
einspritzungen(selbstsehrspäteNach mitdenSystemblöckenSensoren,Steuer
einspritzungensindmöglich). gerätundStellglieder(Aktoren).
Damitleistetdas Common RailSystem KernbestandteiledesCommon RailSys
einenBeitragzurErhöhungderspezifi temssinddie Injektoren.Sieenthaltenein
schenLeistung,zurSenkungdesKraft schnellschaltendesVentil(Magnetventil
stoffverbrauchssowie zurVerringerung oderPiezosteller),überdasdie Einspritz
derGeräuschemissionunddes Schadstoff düsegeöffnetundgeschlossenwirdSo
ausstoßesvon Dieselmotoren. kannderEinspritzvorgangfürjedenZylin
Common Railistheutefürmoderne dereinzelngesteuertwerden.
schnelllaufendePkw-DI-Motorendasam
häufigsteneingesetzteEinspritzsystem.
Systembereicheeiner MotorsteuerungmitCommon RailEinspritzsystem
Elektronische Dieselregelung EDC: Motorsteuerung,Sensoren, Schnittstellen
1i 1
Kraftstoffversorgung Luft-und
(Niederdruckteil) Abgassysteme
Jl.
~,
~)
Motor
,~ W- \L\L\L\
,
~i/; .
,.---,
- \ ....-Signale
.
Hochdruckteil ... Dieselkraftstoff Bild2
1 Hochdruckpumpe
2 Rail
3 Injektoren
12 I SystemübersichtCommon Rail IArbeitsweise
DieInjektorensindgemeinsamamRail Arbeitsweise
angeschlossen.DaherleitetsichderName
"CommonRail"(englischfür "gemeinsame BeimSpeichereinspritzsystemCommon
Schiene/Rohr")ab. RailsindDruckerzeugungundEinsprit
Kennzeichnendfür dasCommonRail zungentkoppelt.DerEinspritzdruckwird
Systemist, dassderSystemdruckabhängig unabhängigvonderMotordrehzahlund
vomBetriebspunktdesMotorseingestellt derEinspritzmengeerzeugt.DieElektro
werdenkann.DieEinstellungdesDrucks nischeDieselregelung(EDC)steuertdie
erfolgtüberdas Druckregelventiloder einzelnenKomponentenan.
überdieZumesseinheit(Bild3).
Druckerzeugung
DermodulareAufbaudesCommonRail DieEntkopplungvon Druckerzeugungund
Systemserleichtertdie Anpassungan die EinspritzunggeschiehtmithilfeeinesSpei
verschiedenenMotoren. chervolumens.DerunterDruckstehende
KraftstoffstehtimSpeichervolumendes
"Common Rail"für dieEinspritzungbereit.
EinevomMotorangetriebene,kontinu
ierlicharbeitendeHochdruckpumpebaut
dengewünschtenEinspritzdruckauf.Sie
erhältdenDruckimRailweitgehendun
abhängigvon derMotordrehzahlundder
Einspritzmengeaufrecht.Wegenderna
Bild 3
Hochdruckseitige hezugleichförmigenFörderungkanndie
Druckregelung mit BeispielefürdieHochdruckregelung Hochdruckpumpedeutlichkleinerund
Druckregelventilfür vonCommon RailSystemen mitgeringeremSpitzenantriebsmoment
Pkw-Anwendung ausgelegtseinalsbeikonventionellenEin
b Saugseitige Druck
spritzsystemen.Dashataucheinedeut
regelung mit ander
liche EntlastungdesPumpenantriebeszur
Hochdruckpumpe
angeflanschter Folge.
Zumesseinheit
(fürPkwundNkw) DieHochdruckpumpeistalsRadialkolben
Saugseitige Druck pumpe,beiNkwteilweiseauchals Reihen
regelung mit pumpeausgeführt.
Zumesseinheit
undzusätzliche
Regelungmit Druckregelung
DruckregelventiI JenachSystemkommenunterschied
(fürPkw) liche VerfahrenderDruckregelungzur
Anwendung.
1 Hochdruckpumpe
2 Kraftstoffzulauf
HochdruckseitigeRegelung
3 Kraftstoffrücklauf
BeiPkw-Systemenwirddergewünschte
4 Druckregelventil
RaildruckübereinDruckregelventilhoch
5 Rail
~,~
6 Raildrucksensor druckseitiggeregelt(Bild3a,Pos.4).Nicht
7 Anschluss Injektor für die EinspritzungbenötigterKraftstoff
8 Anschluss Kraft- fließtüberdasDruckregelventilinden
stottrücklaut
Niederdruckkreiszurück.DieseRegelung
Druckbegrenzungs- 21 3.1], ~
ermöglichteine schnelleAnpassungdes
ventil ;:J
z Raildrucksbei ÄnderungdesBetriebs
10 Zumesseinheit
w
11 DruckregelventiI punkts(z.B.beiLastwechsel).
SystemübersichtCommonRail I Arbeitsweise I 13
DiehochdruckseitigeRegelungwurdebei proportionalzurEinschaltzeitdesSchalt
den erstenCommonRailSystemenange ventilsunddamitunabhängigvon der
wandt.DasDruckregelventilistvorzugs Motor- bzw.Pumpendrehzahl(zeitgesteu
weise amRail,bei einzelnenAnwendungen erteEinspritzung).
direktanderHochdruckpumpeangebaut.
Hydraulisches Leistungspotenzial
SaugseitigeMengenregelung DieTrennungderFunktionenDruckerzeu
EineweitereMöglichkeit,denRaildruck gungundEinspritzungeröffnetgegenüber
zuregeln,bestehtindersaugseitigenMen konventionellenEinspritzsystemeneinen
genregelung(Bild3b).DieanderHoch weiterenFreiheitsgradbeiderVerbren
druckpumpeangeflanschteZumesseinheit nungsentwicklung:derEinspritzdruck
(10)sorgtdafür, dassdie Pumpeexaktdie kannimKennfeldweitgehendfreigewählt
KraftstoffmengeindasRailfördert,mit werden.DermaximaleEinspritzdruckbe
welcherdervomSystemgeforderteEin trägtderzeit1800bar.
spritzdruckaufrechterhaltenwird.Ein DasCommonRaHSystemermöglicht
Druckbegrenzungsventil(9)verhindertim mitVoreinspritzungenbzw.Mehrfachein
FehlerfalleinenunzulässighohenAnstieg spritzungeneine weitereAbsenkungvon
desRaildrucks. Abgasemissionenundreduziertdeutlich
MitdersaugseitigenMengenregelungist dasVerbrennungsgeräusch.Mitmehr
die aufHochdruckverdichteteKraftstoff maligemAnsteuerndesäußerstschnellen
mengeundsomitauchdie Leistungsauf SchaltventilslassensichMehrfacheinsprit
nahmederPumpegeringer.Daswirktsich zungenmitbis zufünfEinspritzungenpro
positivaufdenKraftstoffverbrauchaus. Einspritzzykluserzeugen.DieDüsennadel
Außerdemwirddie Temperaturdesinden schließtmithydraulischerUnterstützung
KraftstoffbehälterrücklaufendenKraft undsichertsoeinraschesSpritzende.
stoffsgegenüberderhochdruckseitigen
Regelungreduziert.
Zweistellersystem
DasZweistellersystem(Bild3c)mitder
saugseitigenDruckregelungüberdie Zu
messeinheitundderhochdruckseitigen
RegelungüberdasDruckregelventilkom
biniertdie Vorteilevonhochdruckseitiger
RegelungundsaugseitigerMengenrege
lung(s.Abschnitt"CommonRailSystem
fürPkw").
Einspritzung
DieInjektorenspritzendenKraftstoff
direktindenBrennraumdesMotorsein.
SiewerdenüberkurzeHochdruck-Kraft
stoffleitungenaus demRailversorgt.Das
MotorsteuergerätsteuertdasimInjektor
integrierteSchaltventilan, dasdie Ein
spritzdüseöffnetundwiederschließt.
ÖffnungsdauerdesInjektorsundSystem
druckbestimmendie eingebrachteKraft
stoffmenge.SieistbeikonstantemDruck