Konrad Reif (Hrsg.)
Moderne DieselEinspritzsysteme Common Rail und Einzelzylindersysteme Mit 133 Abbildungen Bosch Fac...
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Konrad Reif (Hrsg.)
Moderne DieselEinspritzsysteme Common Rail und Einzelzylindersysteme Mit 133 Abbildungen Bosch Fachinformation Automobil
11I VIEWEG+
TEUBNER
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothe k Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikat ion in der Deutsch en Natlc nalblblio graüe; deta illierte bib liografische Daten sind im Internet über abrufbar.
Der Inhalt dieses Buches erschien bisher unter den Titeln : Diesel-Speiche rein spri tzsystem Common Rail Diesel-Einspritzsys teme Unit Injector System und Unit Pump System herausgegeben von der Robert Bosch GmbH, Plochingen
1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg +Teubner Verlag I Springer Fachmed ien Wiesbaden Gmb H 2010 Lektorat : Outstran Kannenberg
I Elisabeth l ange
Vieweg +Teubner Verlag ist eine Mar ke von Springer Fachmedien. Springer Fachmed ien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Selence-Business Media. www.viewegteubner.d e Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrec htli ch geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgese tzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und stra fbar. Das gilt insbesondere für Vervielfält igungen, Ubersetzungen, Mikroverf ilmungen und d ie Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen . Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen. Handelsname n. Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berec htigt auch ohne besond ere Kennzeichnung nic ht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der warenreichen- und Markenschu tz-Gesetzgebung als fre i zu betrachten wären und daher von je derma nn benut zt werden dür ften . Umschlagges tal tung : KünkelLopka Medienentw ick lung, Heide lberg Tec hnische Redaktion : Gabriele McLemore Satz: FROMM MediaDesign, s erters/ r s. Druck und buchbindensehe Verarbeitung: Merce desDruck , Berlin Gedruc kt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier, Printed in Germany ISBN 978-3-8348-1312-1
Vorwort
Vorwort Die Technik im Kraftfahrzeug hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Der Einzelne, der beruflich mit dem Thema beschäftigt ist, muss immer mehr tun, um mit diesen Neuerungen Schritt zu halten. Mittlerweile spielen viele neue Themen der Wissenschaft und Technik in Kraftfahrzeugen eine große Rolle. Dies sind nicht nur neue Themen aus der klassischen Fahrzeug- und Motorentechnik, sondern auch aus der Elektronik und aus der Informationstechnik. Diese Themen sind zwar für sich in unterschiedlichen Publikationen gedruckt oder im Internet dokumentiert, also prinzipiell für jeden verfügbar; jedoch ist für jemanden, der sich neu in ein Thema einarbeiten will, die Fülle der Literatur häufig weder überblickbar noch in der dafür verfügbaren Zeit lesbar. Aufgrund der verschiedenen beruflichen Tätigkeiten in der Automobil- und Zulieferindustrie sind zudem unterschiedlich tiefe Ausführungen gefragt. Gerade heute ist es so wichtig wie früher: Wer die Entwicklung mit gestalten will, muss sich mit den grundlegenden wichtigen Themen gut auskennen. Hierbei sind nicht nur die Hochschulen mit den Studienangeboten und die Arbeitgeber mit Weiterbildungsmaßnahmen in der Pflicht. Der rasche Technologiewechsel zwingt zum lebenslangen Lernen, auch in Form des Selbststudiums. Hier setzt die Schriftenreihe .Bosch Fachinformation Automobil" an. Sie bietet eine umfassende und einheitliche Darstellung wichtiger Themen aus der Kraftfahrzeugtechnik in kompakter, verständlicher und praxisrelevanter Form. Dies ist dadurch möglich, dass die Inhalte von Fachleuten verfasst wurden, die in den Entwicklungsabteilungen von Bosch an genau den dargestellten Themen arbeiten. Die Schriftenreihe ist so gestaltet, dass sich auch ein Leser zurechtfindet, für den das Thema neu ist. Die Kapitel sind in einer Zeit lesbar, die auch ein sehr beschäftigter Arbeitnehmer dafür aufbringen kann. Die Basis der Reihe sind die fünf bewährten, gebundenen Fachbücher. Sie ermöglichen einen umfassenden Einblick in das jeweilige Themengebiet. Anwendungsbezogene Darstellungen, anschauliche und aufwendig gestaltete Bilder ermöglichen den leichten Einstieg. Für den Bedarf an inhaltlich enger zugeschnittenen Themenbereichen bietet die siebenbändige broschierte Reihe das richtige Angebot. Mit deutlich reduziertem Umfang, aber gleicher detaillierter Darstellung, ist das Hintergrundwissen zu konkreten AufgabensteIlungen professionell erklärt. Die schnelle Bereitstellung zielgerichteter Information zu thematisch abgegrenzten Wissensgebieten sind das Kennzeichen der 92 Einzelkapitel, die als pdf-Download zur sofortigen Nutzung bereitstehen. Eine individuelle Auswahl ermöglicht die Zusammenstellung nach eigenem Bedarf. Im Laufe der Neukonzeption dieser Schriftenreihe ist es nicht möglich, alle Produkte gleichzeitig inhaltlich neu zu bearbeiten. Dies geschieht demnach Zug um Zug. Der vorliegende Band "Moderne Diesel-Einspritzsysteme" behandelt die Einspritzsysteme .Common Rail' und .Untt Pump System" (Pumpe-Düse) und .Untt Injector System" (PumpeLeitung-Düse) einschließlich Kraftstoffversorgung, Hochdruckkomponenten und -verbindungen, Einspritzdüsen, Regelung und Diagnose. Er setzt sich aus den früheren gelben Heften "DieselSpeichereinspritzsystem Gommon Rail" und .Diesel-Einspritzeysteme Unit Injector System und Unit Pump System" in der bisherigen Form zusammen. Eine inhaltliche Neubearbeitung wird folgen. Neu erstellt wurde das Stichwortverzeichnis, um die Inhalte dieses Buchs rasch zu erschließen. Friedrichshafen, im Juni 201 0
Konrad Reif
I 5
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis Systemübersicht Common Rail Anwendungsgebiete . Aufbau
10 11
Arbeitsweise. Gommon Rail System für Pkw. Gommon Rail System für Nkw .
12 16 21
Kraftstoffversorgung Niederdruckteil
24
Übersicht. Kraftstoffpumpe .
26
Kraftstofffilter .
30
Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems Übersicht. Injektor. Hochdruckpumpen . Rail (Hochdruckspeicher) . Hochdrucksensoren . Druckregelventil . Druckbegrenzungsventil .
32 34 45 54 55 56
57
Einspritzdüsen Lochdüsen . Weiterentwicklung der Düse.
60 64
Hochdruckverbindungen Hochdruckanschlüsse . Hochdruck-Kraftstoffleitungen .
66 67
Elektronische Dieselregelung EDC für Common Rail System übersicht. Gommon Rail System für Pkw.
70 72
Gommon Rail System für Nkw . Datenverarbeitung Regelung der Einspritzung. Lambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren
73 74 76 84
Momentengeführte EDG-Systeme . Datenaustausch mit anderen Systemen.
89
Serielle Datenübertragung mit GAN .
93
92
Diagnose Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) . On Board Diagnostic System für Pkw und leichte Nkw . Diagnose in der Werkstatt. Diagnosefunktionen .
94 97
98 100
Diesel-Einspritzsysteme im Überblick Bauarten. Diesel-Einspritzsysteme im Überblick.
102
107
I 7
8
I Inhaltsverzeichnis
System übersieht der Einzelzylinder-Systeme Einzeleinspritzpumpen PF . Unit Injector System UIS und Unit Pump System UPS. Systembild UIS für Pkw. Systembild UIS/UPS für Nkw .
108 110 112 114
Unit Injector System UIS
Einbau und Antrieb. Aufbau Arbeitsweise des U I für Pkw. Arbeitsweise des U I für Nkw . Hochdruckmagnetventil . Diesel-Einspritz-Geschichte .
116 117 120 123 125 127
Unit Pump System UPS
Einbau und Antrieb. Aufbau Strom geregelte Einspritzverlaufsformung CCRS . Dimensionen der Diesel-Einspritztechnik .
128 128 130 131
Kraftstoffsystem (Niederdruck) Übersicht. Tankeinbaueinheit . Kraftstoffpumpe . Kraftstoffrücklauf . Kraftstoffverteilung . Weitere Komponenten. Filtrationseffekte .
132 133 134 136 137 137 139
Elektronische Dieselregelung EDC für Unit Injector System Systemübersicht . Unit Injector System UIS für Pkw . Unit Injector System UIS und Unit Pump System U PS für Nkw Regelung der Einspritzung. Prinzipieller Ablauf der Elektronischen Dieselregelung . Momentengeführte EDC-Systeme . Zylindererkennung Lambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren
140 142 143 144 152 153 156 158
Abgasemissionen Entstehung von Schadstoffen. Innermotorische Emissionsminderung
162 164
Abkürzungen. Sachwortverzeichnis
168 170
Autorenverzeichnis
Autorenverzeichnis Diesel -Speichereinspritzsystem Common Rail
Diesel-Einspritzsysteme Unit InjectorSystem und Unit Pump System
Autoren Dipl.-Ing. Felix Landhäußer, Dr.-Ing. Ulrich Projahn, Dipl.-Inform. Michael Heinzelmann,
Autoren und Mitwirkende Dipl-Ing. (H U) Carlos Alvarez-Avila, Dipl.-Ing. Guilherme Bittencourt, Dr. rer. nat. Carlos Blasco Remacha, Dr.-Ing. Günter Driedger, Dipl.-Ing. Stefan Eymann, Dipl.-Ing. Alessandro Fauda, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Matthias Hickl, Dipl.-Ing. (FH) Andreas Hirt, Dipl.-Ing. (FH) Guido Kampa, Dipl.-Betriebsw. Meike Keller, Dr. rer nat. Walter Lehle, Dipl.-Ing. Rainer Merkle, Dipl.-Ing. Roger Potschin, Dr.-Ing. Ulrich Projahn, Dr. rer. nat. Andreas Rebmann, Dipl.-Ing. Walter Reinisch, Dipl.-Ing. Nestor Rodriguez-Amaya, Dipl.-Ing. Friedemann Weber, Dipl.-Ing. (FH) Willi Weippert, Dipl.-Ing. Ralf Wurm
Dr.-Ing. RalfWirth (Common Rail System),
Ing. grad. Peter Schelhas, Dipl.-Ing. Klaus Ortner (Kraftstoffpumpen),
Dr.-Ing. Juan Luis Hemandez Carabias (Kraftstofffilter) , Dipl.-Ing. Sandro Soccol, Dirk Dörhöfer (Hochdruckpumpen), Ing. Herbert Strahberger, Ing. Helmut Sattmann (Rail und Anbau-
komponenten),
Dipl.-Ing. Thilo Klam, Dipl.-Ing. (FH) Andreas Rettich, Dr. tecbn. David Holzer,
Dipl.-Ing. (FH) Andreas Koch (MagnetventilInjektoren), Dr.-Ing. Patrick Mattes (Piezo-Inline-Injektor),
Dipl.-Ing. Thomas Kügler (Einspritzdüsen), Dipl.-Ing. (FH) Mikel Lorente Susaeta, Dipl.-Ing. Martin Grosser, Dr.-Ing.Andreas Michalske (Elektronische Dieselregelung), Dr.-Ing. Günter Driedger, Dr. rer. nat. Walter Lehle, Dipl.-Ing. Wolfgang Schauer, Rainer Heinzmann (Diagnose)
Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH, Stuttgart.
I 9
10
!
S~ ..emübe /'$icht
Common fI. i1
I
Anwer.dungsgebiete
Systemübersicht Common Rail II il' AJl fordl'ru n~w n a n d j(' Ein s pril zsysteme d l' S lli t' S('lmol o n; s ll' i,!;t' Jl s lä ndi,!;, lI ü h t' f l' In-ür-ke, sch 1ll' lIt' rt , Si:~halt zt' i ten u nd t' illl'lll'xih lt, Anpa ssu ng d t' s Einspritnt'rla u fs an rk-n Ilt' lrj(>h s zu sl a nd d es Moto r s ma d w n den ll it' S(' lm o lUr s parsam, sa uber u nd It'i s tung sslark. So hahcn Uit' S(' l molo rt'n au ch den Ein zu g in die' a u to nlOh ilt' o lw rkla sS(' ,!;I' f u ndt' n . Eim' s d it'S1'r h o ch r-ntwiek elteu Eins pr itzsysremc is l d a s Spl'id lt' re inspritzsyslt' m t.ommon RaH (CH). lk r Itauptvor u-ü des Co m mo n Rail Sys tems h,' g t in den groß en Variauonsmögltchkciten hl'i der Gt's ta ltung rh-s Einspruzdr uck s und d, 'r Ein sprttzzenpunk te. lries wird durch di" Er nkoppl ung vo n nru ekcr zeug ung (Ho ch druck p umpe) und Ein s p rilw l1 g (lnj ek -
Anwendungsgebiete Da s Speu-hereinsp ruz sys tem Co m mo n Ra il fü r Motor.. n m il ll i" S1'!-lJirt 'klt' in s p r itz u n g(Direetlnjection, Ill) wird in folgr-nden Pahr zr-ugr-n " i ng" S1~ tz t, ~ pkw mit sehr spa r sa nu'n Drei zylmdet- . Mo tort'n vo n n,1I/ Hubra um, :l tl k W (4 1 PS) 1.l'i s lUn g , J(Hl Nm Drehmomen t und e tm-m Kraft sroffw-r br auch von :i, 5 1/ 1(Hl k m h is h in z u Ad llzylintl l' rMo toren in Oberklassefa hr zeu gen mit "'I. 4 r Hubra u m , 1110 k W (245 1'S) I.t'i stll n g und sso Nm l)r.,)1I110 n1"ll1. ~ l.eichte Nkw muLet s tungcn bis xn kW/ Zyli ntl, 'r sowie ~ schwere Nk w his hin zu Lo ko mo tiven und Schiffen mit I.d stul1g.. n bis ca . 2 0 0 k Wj Zyli nlk r.
tor ..n ) r-rn-ichr . Als ln-uck spcir-lu-r di " nt da lw i d as Rail.
Spe"' he, ,,,nsp ' il.zsySrem Cemmon Rail an ein em FCinfzy l ind e~ D i.s.lmote,
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K.a ft stt>fI· RiJckleitung Hochdruck-Kraft S lolfl ~ i lu na
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Systemübersicht Common Rail
Das Common Rail System bietet eine hohe Flexibilität zur Anpassung der Einspritzung an den Motor. Das wird erreicht durch: li>- Hohen Einspritzdruck bis ca. 1800 bar, zukünftig bis 2000 bar. li>- An den Betriebszustand angepassten Einspritzdruck (200...1800 bar). li>- Variablen Einspritzbeginn. li>- Möglichkeit mehrerer Vor- und Nacheinspritzungen (selbst sehr späte Nacheinspritzungen sind möglich). Damit leistet das Common Rail System einen Beitrag zur Erhöhung der spezifischen Leistung, zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs sowie zur Verringerung der Geräuschemission und des Schadstoffausstoßes von Dieselmotoren. Common Rail ist heute für moderne schnell laufende Pkw-DI-Motoren das am häufigsten eingesetzte Einspritzsystem.
I
Aufbau
I
Aufbau Das Common Rail System besteht aus folgenden Hauptgruppen (Bilder 1 und 2): li>- Niederdruckteil mit den Komponenten der Kraftstoffversorgung, li>- Hochdruckteil mit den Komponenten Hochdruckpumpe, Rail, Injektoren und Hochdruck- Kraftstoffleitungen, li>- Elektronische Dieselregelung (EDC) mit den Systemblöcken Sensoren, Steuergerät und Stellglieder (Aktoren). Kernbestandteile des Common Rail Systems sind die Injektoren. Sie enthalten ein schnell schaltendes Ventil (Magnetventil oder Piezosteller), über das die Einspritzdüse geöffnet und geschlossen wird So kann der Einspritzvorgang für jeden Zylinder einzeln gesteuert werden.
Systembereiche einer Motors teue rung mit Common Rail Einspritzsystem
Elektronische Dieselrege lung EDC: Motorsteuerung, Sensoren, Schnittstellen
1i
1 Luft - und Abgassysteme
Kraftstoffversorgung (Niederdruckteil)
Jl.
~,
,~ W~i/; .
. Hochdrucktei l
-\
~)
\L\L\L\
Mo tor ,
,.---, ....- Signale . . . Dieselkraftstoff
Bild 2 1
Hochdruckpumpe
2
Rail
3
I nj ektore n
11
12
I
Systemübersicht Common Rail
I
Arbei tsweise
Die Injektoren sind gemeinsam am Rail angeschlossen. Daher leitet sich der Name "Common Rail" (englisch für "gemeinsame Schiene/Rohr") ab. Kennzeichnend für das Common Rail System ist, dass der Systemdruck abhängig vom Betriebspunkt des Motors eingestellt werden kann. Die Einstellung des Drucks erfolgt über das Druckregelventil oder über die Zumesseinheit (Bild 3).
Arbeitsweise Beim Speichereinspritzsystem Common Rail sind Druckerzeugung und Einspritzung entkoppelt. Der Einspritzdruck wird unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt. Die Elektronische Dieselregelung (EDC) steuert die einzelnen Komponenten an. Druckerzeugung
Der modulare Aufbau des Common Rail Systems erleichtert die Anpassung an die verschiedenen Motoren.
Bild 3 Hochd ruckseitige Druck regelung mit Druckregelventil für
Beis piele für d ie Hochd ruc kregelung von Common Rail Systemen
Pkw-Anwendung b
Saugseitige Druckregelung mit an der Hochdruckpumpe angeflanschter
Die Entkopplung von Druckerzeugung und Einspritzung geschieht mithilfe eines Speichervolumens. Der unter Druck stehende Kraftstoff steht im Speichervolumen des "Common Rail" für die Einspritzung bereit. Eine vom Motor angetriebene, kontinuierlich arbeitende Hochdruckpumpe baut den gewünschten Einspritzdruck auf. Sie erhält den Druck im Rail weitgehend unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge aufrecht. Wegen der nahezu gleichförmigen Förderung kann die Hochdruckpumpe deutlich kleiner und mit geringerem Spitzenantriebsmoment ausgelegt sein als bei konventionellen Einspritzsystemen. Das hat auch eine deutliche Entlastung des Pumpenantriebes zur Folge.
Zumesseinheit
Die Hochdruckpumpe ist als Radialkolbenpumpe, bei Nkw teilweise auch als Reihenpumpe ausgeführt.
(f ür Pkw und Nkw) Saugseitige Druckregelung mit Zumesseinheit und zusätzliche
Druckregelung
Regelung mit
Je nach System kommen unterschiedliche Verfahren der Druckregelung zur Anwendung.
Druckregelventi I (f ür Pkw)
1 Hochdruckpumpe
2 Kraftstoffzulauf 3 Kraftstoff rüc klauf 4 Druckregelventil 5 Rail
6 Raildrucksensor 7 Anschluss Injektor 8 Anschluss Kraft-
stottrücklaut Druckbegrenzungsventil
10 Zumesseinheit
11 Druckregelventi I
~,~ 21
3 .1],
~
;:J
zw
Hochdruckseitige Regelung Bei Pkw-Systemen wird der gewünschte Raildruck über ein Druckregelventil hochdruckseitig geregelt (Bild 3a, Pos. 4). Nicht für die Einspritzung benötigter Kraftstoff fließt über das Druckregelventil in den Niederdruckkreis zurück. Diese Regelung ermöglicht eine schnelle Anpassung des Raildrucks bei Änderung des Betriebspunkts (z. B. bei Lastwechsel).
Systemübersicht Common Rail
Die hochdruckseitige Regelung wurde bei den ersten Common Rail Systemen angewandt. Das Druckregelventil ist vorzugsweise am Rail, bei einzelnen Anwendungen direkt an der Hochdruckpumpe angebaut.
proportional zur Einschaltzeit des Schaltventils und damit unabhängig von der Motor- bzw. Pumpendrehzahl (zeitgesteuerte Einspritzung).
Saugseitige Mengenregelung Eine weitere Möglichkeit, den Raildruck zu regeln, besteht in der saugseitigen Mengenregelung (Bild 3b). Die an der Hochdruckpumpe angeflanschte Zumesseinheit (10) sorgt dafür, dass die Pumpe exakt die Kraftstoffmenge in das Rail fördert, mit welcher der vom System geforderte Einspritzdruck aufrechterhalten wird. Ein Druckbegrenzungsventil (9) verhindert im Fehlerfall einen unzulässig hohen Anstieg des Raildrucks. Mit der saugseitigen Mengenregelung ist die auf Hochdruck verdichtete Kraftstoffmenge und somit auch die Leistungsaufnahme der Pumpe geringer. Das wirkt sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch aus. Außerdem wird die Temperatur des in den Kraftstoffbehälter rücklaufenden Kraftstoffs gegenüber der hochdruckseitigen Regelung reduziert.
Die Trennung der Funktionen Druckerzeugung und Einspritzung eröffnet gegenüber konventionellen Einspritzsystemen einen weiteren Freiheitsgrad bei der Verbrennungsentwicklung: der Einspritzdruck kann im Kennfeld weitgehend frei gewählt werden. Der maximale Einspritzdruck beträgt derzeit 1800 bar. Das Common RaHSystem ermöglicht mit Voreinspritzungen bzw. Mehrfacheinspritzungen eine weitere Absenkung von Abgasemissionen und reduziert deutlich das Verbrennungsgeräusch. Mit mehrmaligem Ansteuern des äußerst schnellen Schaltventils lassen sich Mehrfacheinspritzungen mit bis zu fünf Einspritzungen pro Einspritzzyklus erzeugen. Die Düsennadel schließt mit hydraulischer Unterstützung und sichert so ein rasches Spritzende.
Hydraulisches Leistungspotenzial
Zweistellersystem Das Zweistellersystem (Bild 3c) mit der saugseitigen Druckregelung über die Zumesseinheit und der hochdruckseitigen Regelung über das Druckregelventil kombiniert die Vorteile von hochdruckseitiger Regelung und saugseitiger Mengenregelung (s. Abschnitt "Common Rail System für Pkw"). Einspritzung
Die Injektoren spritzen den Kraftstoff direkt in den Brennraum des Motors ein. Sie werden über kurze Hochdruck-Kraftstoffleitungen aus dem Rail versorgt. Das Motorsteuergerät steuert das im Injektor integrierte Schaltventil an, das die Einspritzdüse öffnet und wieder schließt. Öffnungsdauer des Injektors und Systemdruck bestimmen die eingebrachte Kraftstoffmenge. Sie ist bei konstantem Druck
I
Arbei tsweise
I
13
14
I
Systemübersicht Common Rail
I
Arbei tsweise
Steuerung und Regelung
Arbeitsweise Das Motorsteuergerät erfasst mithilfe der Sensoren die Fahrpedalstellung und den aktuellen Betriebszustand von Motor und Fahrzeug (siehe auch Kapitel "Elektronische Dieselregelung"). Dazu gehören unter anderem: .. Kurbelwellendrehzahl und -winkel, li>- Raildruck, li>- Ladedruck, .. Ansaugluft-, Kühlmittel- und Kraftstofftemperatur, li>- angesaugte Luftmasse, .. Fahrgeschwindigkeit usw. Das Steuergerät wertet die Eingangssignale aus und berechnet verbrennungssynchron die Ansteuersignale für das Druckregelventil oder die Zumesseinheit, die Injektoren und die übrigen Stellglieder (z.B. Abgasrückführventil, Steller des Turboladers). Die erforderlichen kurzen Schaltzeiten für die Injektoren lassen sich mit den optimierten Hochdruckschaltventilen und einer speziellen Ansteuerung erreichen. Das Winkel-Zeit-System gleicht den Einspritzzeitpunkt mit den Daten des Kurbelund Nockenwellensensors an den Motorzustand an (Zeitsteuerung). Die Elektronische Dieselregelung (EDC)erlaubt es, die Einspritzmenge exakt zu dosieren. Außerdem bietet die EDCdas Potenzial fürweitere Zusatzfunktionen, die das Fahrverhalten verbessern und den Komfort erhöhen. Grundfunktionen Die Grundfunktionen steuern die Einspritzung von Dieselkraftstoff zum richtigen Zeitpunkt, in der richtigen Menge und mit dem vorgegebenen Druck. Sie sichern damit einen verbrauchsgünstigen und ruhigen Lauf des Dieselmotors.
Korrekturfunktionen für die Einspritzberechnung Um Toleranzen von Einspritzsystem und Motor auszugleichen, stehen eine Reihe von Korrekturfunktionen zur Verfügung (s. Kapitel "Elektronische Dieselregelung"): li>- Injektonnengenabgleich, li>- Nullmengenkalibrierung, li>- Mengenausgleichsregelung, li>- Mengenmittelwertadaption. Zusatzfunktionen Zusätzliche Steuer- und Regelfunktionen dienen einer Reduzierung der Abgasemissionen und des Kraftstoffverbrauchs oder erhöhen die Sicherheit und den Komfort. Beispiele dafür sind: li>- Regelung der Abgasrückführung, li>- Ladedruckregelung, li>- Fahrgeschwindigkeitsregelung, li>- elektronische Wegfahrsperre usw. Die Integration der EDCin ein FahrzeugGesamtsystem eröffnet ebenfalls eine Reihe neuer Möglichkeiten, z. B. Datenaustausch mit der Getriebesteuerung oder der Klimaregelung. Eine Diagnoseschnittstelle erlaubt die Auswertung der gespeicherten Systemdaten bei der Fahrzeuginspektion. Steuergerätekonfiguration
Da das Motorsteuergerät in der Regel nur bis zu acht Endstufen für die Injektoren besitzt, werden für Motoren mit mehr als acht Zylindern zwei Motorsteuergeräte eingesetzt. Sie sind über eine sehr schnelle interne CAN-Schnittstelle im "Master Slave"-Verbund gekoppelt. Dadurch steht auch mehr Mikrocontrollerkapazität zur Verfügung. Einige Funktionen sind jeweils fest einem Steuergerät zugeordnet (z. B. Mengenausgleichsregelung). Andere können bei der Konfiguration flexibel einem Steuergerät zugeordnet werden (z.B. die Erfassung von Sensoren).
Dieselboom in Europa
~
DIeselboom In Europa
Einsatz des Dieselmotors
Das Drehmoment - und nicht etwa die Mo-
Zu Beginn der Automobilgeschichte war der Ottomotor das Antriebsaggregat für Straßen-
torleistung - ist entscheidend für die Durch-
fahrzeuge. Im Jahr 1927 wurden schließlich
zugskraft des Motors. Im Vergleich zu einem Ottomotor ohne Aufladung kann auch mit ei-
die ersten Nkw, 1936 dann auch Pkw mit
nem leistungsschwächeren Dieselmotor mehr
Dieselmotoren ausgeliefert.
.Fahrspaß" erreicht werden. Das Image des
Im Nkw-Bereich konnte sich der Dieselmotor aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit und
"lahmen Stinkers" trifft auf Dieselfahrzeuge der neuen Generationen nicht mehr zu.
Langlebigkeit durchsetzen. Im Pkw-Bereich hingegen führte der Dieselmotor lange Zeit
Umweltverträglichkeit
noch ein Schattendasein. Erst mit den direkt
Die Rauchschwaden, die Dieselfahrzeuge
einspritzenden modernen Dieselmotoren mit Aufladung - das Prinzip der Direkteinsprit-
früher im höheren Lastbetrieb produzierten,
zung wurde schon bei den ersten Nkw-Diesel-
gehören der Vergangenheit an. Möglich wurde das durch verbesserte Einspritzsys-
motoren angewandt - hat sich das Erschei-
teme und die Elektronische Dieselregelung
nungsbild des Diesels gewandelt. Mittlerweile
(EDC). Die Kraftstoffmenge kann mit diesen
liegt der Diesel-Anteil an neu zugelassenen
Systemen exakt dosiert und an den Motor-
Pkw in Europa bei annähernd 50%.
betriebspunkt und die Umgebungsbedingungen angepasst werden. Mit dieser Technik
Merkmale des Dieselmotors
werden die aktuell gültigen Abgasnormen
Was zeichnet den Dieselmotor der Gegen-
erfüllt. Oxidationskatalysatoren, die Kohlen-
wart aus, dass er in Europa einen derartigen Boom erlebt?
monoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) aus dem Abgas entfernen, sind beim Diesel-
Wirtschaftlichkeit
motor Standard. Mit weiteren Systemen zur
Zum einen ist der Kraftstoffverbrauch gegen-
Abgasnachbehandlung, wie z. 8. Partikelfilter
über vergleichbaren Ottomotoren immer noch geringer - das ergibt sich aus dem
und No--Spelcherkatalysatoren. werden auch zukünftige verschärfte Abgasnormen erfüllt -
höheren Wirkungsgrad des Dieselmotors.
auch die Normen der US-Gesetzgebung.
Zum anderen werden Dieselkraftstoffe in Typischer Drehmoment- und Leistungsverlauf eines Pkw -Dieselmot ors
vielen europäischen Ländern geringer besteuert. Für Vielfahrer ist der Diesel somit trotz des höheren Anschaffungspreises die
Nm
wirtschaftlichere Alternative.
kW
360
100
320
90
mit Aufladung. Dadurch kann schon im nied-
E 280
80
rigen Drehzahlbereich eine hohe Zylinder-
§
240
c 70 ~
~
200
60
160
50
Fahrspaß Nahezu alle aktuellen Dieselmodelle arbeiten
~
•
füllung erreicht werden. Entsprechend hoch
E s:
kann auch die zugemessene Kraftstoffmenge sein, wodurch der Motor ein hohes Dreh-
o
~
moment erzeugt. Daraus ergibt sich ein Dreh-
40
momentverlauf, der das Fahren mit hohem Drehmoment schon bei niedrigen Drehzahlen ermöglicht.
~
o
1000
2000
3000
Motordrehzahl
4000
min-t
~
o
3~ z
w
I
15
16
I
Systemübersicht Common Rail
I
Common Rail System für Pkw
Common Rail System für Pkw Kraftstoffversorgung
Bei Common Rail Systemen für Pkw kommen für die Förderung des Kraftstoffs zur Hochdruckpumpe Elektrokraftstoffpumpen oder Zahnradpumpen zur Anwendung. Systeme mit Elektrokraftstoffpumpe Die Elektrokraftstoffpumpe - als Bestandteil der Tankeinbaueinheit im Kraftstoffbehälter eingesetzt (Intank) oder in der Kraftstoffzuleitung verbaut (Inline) - saugt den Kraftstoff über ein Vorfilter an und fördert ihn mit einem Druck von 6 bar zur Hochdruckpumpe (Bild 3). Die maximale Förderleistung beträgt 190 I/h. Um einen schnellen Motorstart zu gewährleisten, schaltet die Pumpe schon bei Drehen des Zündschlüssels ein. Damit ist sichergestellt, dass bei Motorstart der nötige Druck im Niederdruckkreis vorhanden ist. In der Zuleitung zur Hochdruckpumpe ist der Kraftstofffilter (Feinfilter) eingebaut. Systeme mit Zahnradpumpe Die Zahnradpumpe ist an die Hochdruckpumpe angeflanscht und wird von deren Antriebswelle mit angetrieben (Bilder 1 und 2). Somit fordert die Zahnradpumpe erst bei Starten des Motors. Die Förderleistung ist abhängig von der Motordrehzahl und beträgt bis zu 400 I/h bei einem Druck bis zu 7 bar. Im Kraftstoffbehälter ist ein KraftstoffVorfilter eingebaut. Der Feinfilter befindet sich in der Zuleitung zur Zahnradpumpe. Kombinationssysteme Es gibt auch Anwendungen, die beide Pumpenarten einsetzen. Die Elektrokraftstoffpumpe sorgt insbesondere bei einem Heißstart für ein verbessertes Startverhalten, da die Förderleistung der Zahnradpumpe bei heißem und damit dünnflüssigerem Kraftstoff und niedriger Pumpendrehzahl verringert ist.
Hochdruckregelung
Beim Common Rail System der ersten Generation erfolgt die Regelung des Raildrucks über das Druckregelventil. Die Hochdruckpumpe (Ausführung CP1) fordert unabhängig vom Kraftstoffbedarf die maximale Fördennenge, das Druckregelventil führt überschüssig geförderten Kraftstoff in den Kraftstoffbehälter zurück. Das Common Rail System der zweiten Generation regelt den Raildruck niederdruckseitig über die Zumesseinheit (Bilder 1 und 2). Die Hochdruckpumpe (Ausführung CP3 und CP1H)muss nur die Kraftstoffmenge fordern, die der Motor tatsächlich benötigt. Der Energiebedarf der Hochdruckpumpe und damit der Kraftstoffverbrauch sind dadurch geringer. Das Common Rail System der dritten Generation ist durch die Piezo- InlineInjektoren gekennzeichnet (Bild 3). Wenn der Druck nur auf der Niederdruckseite eingestellt werden kann, dauert bei schnellen negativen Lastwechseln der Druckabbau im Rail zu lange. Die Dynamik für die Druckanpassung an die veränderten Lastbedingungen ist zu träge. Dies ist insbesondere bei Piezo-Inline-Injektoren aufgrund der nur geringen inneren Leckagen der Fall. Einige Common Rail Systeme enthalten deshalb neben der Hochdruckpumpe mit Zumesseinheit zusätzlich ein Druckregelventil (Bild 3). Mit diesem Zweistellersystem werden die Vorteile der niederdruckseitigen Regelung mit dem günstigen dynamischen Verhalten der hochdruckseitigen Regelung kombiniert. Ein weiterer Vorteil gegenüber der ausschließlich niederdruckseitigen Regelmöglichkeit ergibt sich dadurch, dass bei kaltem Motor eine hochdruckseitige Regelung vorgenommen werden kann. Die Hochdruckpumpe fordert somit mehr Kraftstoff als eingespritzt wird, die Druckregelung erfolgt über das Druckregelventil. Der Kraftstoffwird durch die Komprimierung erwärmt, wodurch auf eine zusätzliche Kraftstoffheizung verzichtet werden kann.
Systemübersicht Common Rail
I
Common Rail System f ür Pkw
.
Beispiel für ein Common Rail System der zwei ten Genera tion für ei nen Vierzylindermotor
I
17
Bild 1 1
Hochdruckpumpe CP3 mit angebauter Zahnrad-Vorto rderpumpe und Zumesseinheit Krafts tofffilte r mit
•
Wasserabsche ider
li=== =H== = ='9 = = = ===1CJ'=V=9 =iJ'==n= =t=='J 2 7
und He izung (op tional ) 3
Kraftstoffbehälter
4
Vor filter
5
Rail
6
Raild r ucksensor
7
Mag netventi lInjektor
8
Druckbegrenzungsventil
Be ispiel f ür ein Common Rail System der zwei ten Genera tion mit Zweistellersystem für einen V8-Motor
Bild 2 1
Hoc hdr uc kpum pe CP3 mit angebauter Zahnrad-Vortorderpumpe und Zumesseinheit Krafts tofffilter mit Wasserabsche ider und Heizung ( opt io nalj
7
3
Kraftstoffbehälter
4
Vor fi lter
5
Rail
6 7
Raild r ucksensor MagnetventilI nj ekto r
8
Druckrege lventil
9
Funktionsblock (Verte iler)
.
Be ispiel f ür ein Common Rail System der dritten Gene ration mit Zweistellersystem fü r ei nen Vier zyli ndermo tor
Bild 3 1
Hochd ruckpumpe CP1H mit zumessein heit Krafts tofffilter mit Wasserabscheider und He izung ( opt io nal j
~ 9=[]
I(~':i =-::-::-::-::-::-::-::-::-=-4--::- 9 ::
------------------ - - - - - - - - --
7
3
Kraftstoffbehälter
4
Vorfilter
5
Rail
6 7
Halldrucksensor Piezo-Inline- Injektor
8
Druck regelvent il
9
Elekt rokraft stoffpu mpe
18
I
Systemübersicht Common Rail
I
Common Rail System für Pkw
System bild Pkw Bild 4 zeigt alle Komponenten eines Common RaH Systems für einen VierzylinderPkw-Dieselmotor mit vofjausstatrung.je nach Fahrzeugtyp und Einsatzart kommen einzelne Komponenten nicht zur Anwendung. Um eine übersichtlichere Darstellung zu erhalten, sind die Sensoren und Sollwertgeber (A) nicht an ihrem Einbauort dargestellt. Ausnahme bilden die Sensoren der Abgasnachbehandlung (F) und der Raildrucksensor, da ihre Einbauposition zum Verständnis der Anlage notwendig ist.
Bild 4
Über den CAN-Bus im Bereich "Schnittstellen" (B) ist der Datenaustausch zu den verschiedensten Bereichen möglich: ... Starter, ... Generator, ... elektronische Wegfahrsperre, ... Getriebesteuerung, ... Antriebsschlupfregelung (ASR)und ... Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP). Auch das Kombiinstrument (13) und die Klimaanlage (14) können über den CANBus angeschlossen sein. Für die Abgasnachbehandlung werden zwei mögliche Kombinationssysteme aufgeführt. Ein DPF-System (a) und ein Kombinatiossystem (b) mit Növ-Speicherkatalysator und Diesel-Partikelfilter (DPF). 15 Diag noseschnitt stelle
Motor, Motorsteuerung und Hochdruck-
16 Glühzei tsteuergerä t
Einspritzkomponenten
CAN Controller Area Network (serieller Datenb us im Kraftfahrzeu g)
17 Hochdruckpum pe 18 Zumesseinheit 25 Motorsteuergerät
C
26 Rail
19 Kraftsto fffilter mit Übers trömventil
27 Raildrucksensor 28 Druckregelventil (ORV-2 )
20 Kraftstoffbehälter mit Vorfilter und
29 Injektor
21 Füllstandsensor
Kraftstoffversora:ung (Niederdruckteil)
Elektrokraftstoffpumpe, EKP (Vorförderpumpe)
30 Glü hstiftkerze 31 Dieselmotor (01)
D
M
Drehmoment
22 Additivdosiereinheit 23 Additiv-Con trol-Steuergerät
A
Sensoren und Sollwertgeber
24 Additivtank
1
Fahrpedalsensor
2
Kupplungsschalter
E
3
8remskontakte (2)
32 AbgasnJckführkühler
4
Bedienteil für Fahrgeschwindigkeitsregler
5
Glüh-Start-Schalter ("Zündschloss")
33 l aded rucksteller 24 Abgasturbolade r (hier mit variabler
Additivsystem
Luftversorgung
Turbinengeometrie, VTG)
6
Fahrgeschwindigkei tssensor
7
Kurbelwe Ilend rehzahlse nsor (i ndu kuv )
8
Nockenwellendrehzahlsensor (Induktiv- oder Hall-
36 Abgasrückführsteller
Sensor)
37 Unterd ruckpumpe
9
35 Regelklappe
Motortemperatursensor (im Kühlrmttelkreislauf)
10 Ansauglufttemperatursensor 11 Ladedrucksensor
Abgasnachbehandlung 38 Breitband-Lambda-Sonde LSU
F
12 Heißfilm-Luftmassenmesser (Ansaugluft)
39 Abgastemperatursensor
B Schnittstellen
40 Oxidationskatalysator 41 Oiesel-Partikel filter (OPF)
13 Kombiinstrument mit Signalausgabe für
42 Differenzdrucksensor
KraftstoffVerbrauch, Drehzahl usw. 14 Klimakompressor mit Bedienteil
43 NOx-Speicherkatalysator 44 Breitband-Lambda-Sonde, option al NOx-Sensor
Systemübersicht Common Rail
Diesel- Einspri tzanlage für Pkw mit Common Rail Einsprit zsystem
B
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c
D
20 14
15
16
A
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F
I
Common Rail System f ür Pkw
I
19
20
I Diesel-Einspritzsysteme im Überblick
Einsatzgebiete
Anfo rderu nge n
Dieselmotoren zeichnen sich durch ihre
Schärfer werdende Vorschriften für Abgas-
hohe Wirtschaftlichkeit aus. Seit dem
und Geräuschemissionen und der Wunsch
Produktionsbeginn der ersten SerienEinspritzpumpe von Bosch im Jahre 1927
nach niedrigerem Kraftstoffverbrauch stellen immer neue Anforderungen an die Einspritz-
werden die Einspritzsysteme ständig
anlage eines Dieselmotors.
weiterentwickelt. Grundsätzlich muss die Einspritzanlage den Dieselmotoren werden in vielfältigen Ausführungen eingesetzt (8i ld 1), z. 8. als
Kraftstoff für eine gute Gemischaufbereitung je nach Diesel-Verbrennungsverfahren (Direkt-
li>- Antrieb für mobile Stromerzeuger
oder Indirekteinspritzung) und 8etriebs-
(bis ca. 10kWjZylinder),
zustand mit hohem Druck (heute zwischen
li>- schnell laufende Motoren für Pkw und
350 und 2050bar) in den 8rennraum des Diesel motors einspritzen und dabei die Ein-
leichte Nkw (bis ca. 50kWjZylinder), li>- Motoren für Bau-, Land- und Forst-
spritz menge mit de r größtmöglichen Genau igkeit dosieren. Die Last - und Drehzahlrege-
wirtschaft (bis ca. 50kWjZylinder),
lung des Dieselmotors wird über die Kraft-
li>- Motoren für schwere Nkw, 8usse und
Schlepper (bis ca. BOkWjZylinder),
stoffmenge ohne Drosselung der Ansaugluft
li>- Stationärmotoren, z. 8. für Notstrom-
vorgenommen.
aggregate (bis ca. 160kWjZylinder), Die mechan ische Regelung für Diesel-Ein-
li>- Motoren für Lokomotiven und Schiffe
(bis zu 1000kWjZylinder).
spritzsysteme wird zunehmend durch die Elektronische Diese lregelung (EDC) verdrängt. Im Pkw u nd Nkw werden die neuen Dieseleinspritzsysteme ausschließlich durch EDC gerege lt.
•
Anwen d ungsgebiete der Bosch-Diesel-Einspr it zsysteme
Bild 1
M, MW, A, P, H, ZWM , CW
~
M
Reihene inspri tzpumpen mit
PF
ansteigender PF
Baugrö ße EinzeIeinspritz-
VE
pumpen VE
Axialk olb enVer teilereinspri tzpumpen
VR
Radialkolben-
VR
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t -A
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PF
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VR
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Verteilereinspri tzpumpen
VE
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System System
cn
Common Rail Syste m
MW
PF
VE41;
VR
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UIS UPS
CR
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UIS Unit Injector UPS Unit Pum p
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MW
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z
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Systemübersicht Common Rail
Common Rail System für Nkw
I
Common Rail System für Nkw
I
21
"Zahnradkraftstoffpumpe") zur Anwendung. Die Vorförderpumpe ist in der Regel an der Hochdruckpumpe angeflanscht (Bilder 1 und 2), bei verschiedenen Anwendungen ist sie am Motor befestigt.
Kraftstoffversorgung
Vorför der ung Common RaHSysteme für leichte Nutzfahrzeuge unterscheiden sich nur wenig von den Pkw-Systemen. Zur Vorförderung des Kraftstoffs werden Elektrokraftstoffoder Zahnradpumpen eingesetzt. Bei Common RaHSystemen für schwere Nkw kommen für die Förderung des Kraftstoffs zur Hochdruckpumpe ausschließlich Zahnradpumpen (s. Kapitel "Kraftstoffversorgung Niederdruckteil", Abschnitt
Kraftstofffilter ung Im Gegensatz zu Pkw-Systemen ist hier der Kraftstofffilter (Feinfilter) druckseitig eingebaut. Die Hochdruckpumpe benötigt daher auch bei angeflanschter Zahnradpumpe einen außen liegenden Kraftstoffzulauf.
.
Common Rail System fü r Nkw mit Hoc hd ruckpumpe CP3
7
5
Bild 1 1 Kraftstoffbehälter 2 Vorfilter 3 Kraftstofffilter
6
4 ZahnradVorförderpumpe Hochdruckpumpe CP3.4
6 Zumesseinheit 7 Raildrucksensor 8 Rail 9 Druck begrenzungs -
10
ventil 10 Injektor
.. ..
Common Rail System fü r Nkw mit Hoc hd ruckpumpe CPN2
11
Co
~tr
7
8
o
0
9
Bild 2 1 Kraftstoffbehälter 2 Vorfilter 3 Kraftstofffilter 4 Zahnrad-
Co
Vorförderpumpe Hochdruckpumpe CPN2.2
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~
6 Zumesseinheit
10
7 Raildrucksensor 8 Rail 9 Druck begrenzungs-
ve nu! 10 I nj ekto r
22
I
Systemübersicht Common Rail
I
Common Rail System für Nkw
System bild Nkw Bild 3 zeigt alle Komponenten eines Common Rail Systems für einen SechszylinderNkw- Dieselmotor. Je nach Fahrzeugtyp und Einsatzart kommen einzelne Komponenten nicht zur Anwendung. Um eine übersichtlichere Darstellung zu erhalten, sind nur die Sensoren und Sollwertgeber an ihrem Einbauort dargestellt, deren Einbauposition zum Verständnis der Anlage notwendig ist. Über den CAN-Bus im Bereich "Schnittstellen" (B) ist der Datenaustausch zu den verschiedensten Bereichen möglich (z. B.
Getriebesteuerung, Antriebsschlupfregelung ASR, Elektronisches Stabilitätsprogramm ESP, Ölgütesensor, Fahrtschreiber, Abstandsradar ACC, Bremskoordinator bis zu 30 Steuergeräte). Auch der Generator (18) und die Klimaanlage (17) können über den CAN-Bus angeschlossen sein. Für die Abgasnachbehandlung werden drei mögliche Systeme aufgeführt: ein reines DPF-Svstem (a) vorwiegend für den US-Markt, ein reines SCR-System (b) vorwiegend für den EU-Markt sowie ein Kombinationssystem (c).
Bild 3 Motor , Motorsteuerune:und Hochdruck-
20 SCR-Steuergerät
Einspritzkomponenten
21 l uft ko mpresso r
22 Hochdruckpumpe
CAN Controller Area Network (serieller Datenbus im Kraftfahrzeug) (bis zu 3 Busse)
29 Motorsteuergerät 30 Rail 31 Raildrucksensor
C
32 Injektor
23 KraftstoffVorförderpumpe 24 Kraftstofffilter mit Wasserstands- und
33 Relais
Dr uc ksensoren
34 Zusatzaggregate (z. B. Retarce r, Auspuffklappe für Moto rbremse, Starter, Lüfter)
Kraftstoffversore:ung (Niederdruckteil)
25 Steuergerätekühler
35 Dieselmotor (01)
26 Kraftstoffbehälter mit Vorfilter
36 Flammkerze (alter nat iv Grid-Heater)
27 Druckbegrenzungsventil
M
Drehmoment
28 Füllstandsensor
A
Sensoren und Sollwertgeber
D
Luftversorgung:
1 Fahrpedalsensor
37 AbgasnJckführkühler
2 Kupplungsschalter
38 Regelklappe 39 Abgas rückte hrsteller mit Abgasrückfü h tve nti I
3 Bremskontakte (2)
und Positionssensor
4 Motorbremskontakt 5 Feststellbremskontakt 6 Bed rensenalter (z. B. Fahrgeschwind igke its-
40 ladeluftkühler mit Bypass f ür Kaltstart 41 Abgasturbolader (hier mit variabler Turbinengeometrie VTG) mit Positionssensor
regler, Zwischendrehzahlregelung, Drehzahl- und Drehmomentred uktion)
42 Laded rucksteller
7 Schlüssel -Start-Stopp ("Zündschloss") 8 Turboladerdrehzahlsensor
E
9 Kurbelwellendrehzahlsensor ( ind ukt iv)
43 Abgastemperatursensor
Abgasnachbehandlung
10 Nockenwellendrehzahlsensor
44 Oxidationskatalysator
11 Kraftstofftemperatursensor
45 Differenzdrucksensor
12 Motortemperatursensor (im Kühlmittelkreislauf)
46 katalytisch beschichteter Partikelfilter (CSF)
13 Ladelurtternpe ratursensor
47 Rußsensor
14 Laded r uc ksenso r
48 Füllstandsensor
15 Lüft erd rehzahl sensor
49 Red ukti o nsmittelt ank
16 Luftfi lter-Diffe renzd rucksensor
50 Reduktionsmittelförderpumpe 51 Reduktionsmitteldüse
B
Schnittstellen
52 NOx-Sensor
17 Klimakompressor mit Bedienteil
53 SCR-Katalysator
18 Generator
54 NH3-Sensor
19 Diagnoseschnittstelle
Systemübersicht Common Rail
Diesel- Einspri tzanlage fü r Nkw mit Common Rail System
I
Common Rail System f ür Nkw
I
23
24
I
Kraftstoffversorgung Niederdruckteil
I
Übersich t
Kraftstoffversorgu ng Niederdrucktei I Die Kraftstoffversorgung hat die Aufgabe, den benötigten Kraftstoff zu speichern und zu filtern, sowie der Einspritzanlage bei allen Betriebsbedingungen Kraftstoff mit einem bestimmten Versorgungsdruck zur Verfügung zu stellen. Bei einigen Anwendungen wird der Kraftstoffrücklauf zusätzlich gekühlt. Grundsätzlich ist die Kraftstoffversorgung stark unterschiedlich je nach verwendetem Diesel- Einspritzsystem. Bild 1 zeigt den typischen Aufbau eines Common Rail Systems für Pkw.
Übersicht Die Kraftstoffversorgung umfasst folgende wesentlichen Komponenten (Bild 1): li>- Kraftstoffbehälter. li>- Vorfilter, li>- Steuergerätekühler (optional), li>- Kraftstofffilter, li>- Kraftstoffpumpe (Niederdruck), li>- Druckregelventil (Überströmventil), li>- Kraftstoffkühler (optional), li>- Niederdruck- Kraftstoffleitungen. Kraftstoffbehälter
Der Kraftstoffbehälter speichert den Kraftstoff. Er muss korrosionsfest und bei doppeltem Betriebsdruck, mindestens aber 0,3 bar Überdruck, dicht sein. Auftretender Überdruck muss durch geeignete Öffnungen oder Sicherheitsventile selbsttätig entweichen. Bei Kurvenfahrt, Schräglage oder Stößen darf kein Kraftstoff aus
Speichereinspritzsystem Common Rail an eine m Fünfzy linder-Dieselmoto r
I
t7 7
Bild 1 1 Kraftstoffbehälter 2 Vorfilter 3 Vorförderpumpe 4 Kraftstofffilter 5 NiederdruckKraftstoffl eit ungen 6 Hochdruckpumpe 7 HochdruckKraftstoffleitungen 8 Rail 9 Injektor 10 KraftstoffRückleitung 11 Kraftstofftemperatursensor 12 Steuergerät 13 Glühstiftkerze
Kraftstoffversorgung Niederdruckteil
dem Füllverschluss oder den Einrichtungen zum Druckausgleich ausfließen. Der Kraftstoffbehälter muss getrennt vom Motor angebracht sein, sodass auch bei Unfällen eine Entzündung des Kraftstoffs vermieden wird. Kraftstoffleitungen
Für den Niederdruckteil können neben Metallrohren auch flexible, schwer brennbare Leitungen mit Strahlgeflechtannierung verwendet werden. Sie müssen so angeordnet sein, dass mechanische Beschädigungen verhindert werden und dass abtropfender oder verdunstender Kraftstoff sich weder ansammeln noch entzünden kann. Kraftstoffleitungen dürfen bei Fahrzeugverwindung, Motorbewegung oder dergleichen nicht in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Alle Kraftstoffführenden Teile müssen gegen betriebsstörende wärme geschützt sein. Bei Bussen dürfen Kraftstoffleitungen nicht im Fahrgast- oder Fahrerraum liegen. Der Kraftstoff darf nicht durch Schwerkraft gefordert werden. Dieselkraftstofffilter
Die mit hoher Präzision gefertigten Einspritzausrüstungen für Dieselmotoren reagieren empfindlich auf geringste Verunreinigungen im Kraftstoff. Das Kraftstofffilter hat folgende Aufgabe: li>- Reduzierung von Partikelverunreinigungen zur Vermeidung von Partikelerosion, li>- Abscheidung von emulgiertem und freiem Wasser zur Verhinderung von Korrosionsschäden. Das Kraftstofffilter muss auf das jeweilige Einspritzsystem abgestimmt sein.
spritzpumpen sowie teilweise beim Common Rail System ist die Kraftstoffpumpe in die Hochdruckpumpe integriert. Optional kann eine Kraftstoffpumpe zusätzlich als Vorförderpumpe vorgesehen werden.
Für die Vorförderung des Kraftstoffs werden bei Common Rail Systemen im Pkw-Bereich zunehmend Elektrokraftstoffpumpen (EKP) eingesetzt. Die EKP wird meist als IntankPumpe (im Kraftstoffbehälter), optional aber auch als Inline-Pumpe (in der Zuleitung zur Hochdruckpumpe) eingebaut. Elektrokraftstoffpumpen habe gegenüber den seither eingesetzten mechanisch angetriebenen Vorförderpumpen deutliche Vorteile bezüglich Heiß-, Erst- und Wiederstartverhalten sowie Funktionsvorteile bei niederen Kraftstofftemperaturen. Die EKP für Dieselanwendung unterscheidet sich von denen in OUo-Systemen dadurch, dass anstelle des Strömungspumpenelements ein Verdrängerpumpenelement und ein grobmaschigeres Saugsieb zum Einsatz kommt. Bei Bosch-Systemen ist dies ein Rollenzellenpumpenelement. Dieses System ist besonders robust und schmutzverträglich und für Dieselkraftstoff besonders gut geeignet, da hiermit einerseits die bei Kälte entstehenden Parafine noch durch das Saugsieb angesaugt werden können und andererseits der bei Dieselkraftstoff höhere Verschmutzungsgrad das Pumpenelement noch nicht schädigt. Die Intank-Pumpe ist in einer Tankeinbaueinheit integriert. Weitere Bestandteile dieser Einheit sind der Tankfüllstandsensor, ein saugseitiges Kraftstoffsieb, Auslaufschutzventile und ein Dralltopf als Kraftstoffreservoir. Im Gegensatz zu Ottokraftstoffsystemen muss der Kraftstofffilter außerhalb des Kraftstoffbehälters angeordnet sein, da er auch zur Abscheidung von Wasser aus dem Kraft-
Kraftstoffpumpe
stoff dient und zudem ein Filterwechsel er-
Die Kraftstoffpumpe saugt den Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter an und fördert ihn stetig zur Hochdruckpumpe. Bei den Axial- und Radialkolben-Verteilerein-
möglicht werden muss.
I
Übersich t
I
25
26
I
Kraftstoffversorgung Niederdruckteil
I
Krafts toffpumpe
Kraftstoffpumpe
Es gibt drei Bauarten: Elektrokraftstoffpumpen (für Pkw), li>- mechanisch angetriebene Zahnradkraftstoffpumpen und li>- Tandemkraftstoffpumpen (DIS, Pkw). li>-
Die Aufgabe der Kraftstoffpumpe im Niederdruckteil (vorförderpumpe) ist es, die Hochdruckkomponenten mit genügend Kraftstoff zu versorgen, und zwar li>- in jedem Betriebszustand, li>- mit geringem Geräuschniveau, li>- mit dem erforderlichen Druck und li>- über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs.
Sowohl bei der Axialkolben- als auch bei der Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe ist eine vorförderpumpe als Flügelzellenpumpe in der Einspritzpumpe integriert. Elektrokraftstoffpumpe
Die Kraftstoffpumpe saugt den Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter an und fordert stetig die erforderliche Kraftstoffmenge (Einspritz- und Spülmenge für Kühlung und Schmierung) in Richtung der Hochdruck-Einspritzanlage (60 ...500ljh, 300 ...700kPa bzw. 3...7 bar). Viele Pumpen entlüften sich selbst, sodass ein Starten auch nach leer gefahrenem Tank möglich ist. Einst uf ige Eie ktrokraftstoffpum pe
~'!+--- 6
c
B Bild 1 A
Pumpenelement
B
Elektromo tor
C
Ansch lussdecke l
1
Druc kseite
2
Motoranker
3
Pump ene lement
4
Druckbegrenzer
5
Saugseite
6
Rücksch lagvent il
4 - -++--
-++--:t---f
5
A
Die Elektrokraftstoffpumpe (EKP, Bilder 1 und 2) wird nur in Pkw und leichten Nkw eingesetzt. Neben der Förderung des Kraftstoffs hat sie im Rahmen einer Systemüberwachung auch noch die Aufgabe, im Bedarfsfall (z.B. bei Leckage durch Schlauchplatzer) die Kraftstoffförderung zu unterbrechen. Elektrokraftstoffpumpen gibt es für den Leitungseinbau (Inline) oder den Tankeinbau (Intank). Leitungseinbaupumpen befinden sich außerhalb des Kraftstoffbehälters in der Kraftstoffleitung zwischen Kraftstoffbehälter und Kraftstofffilter an der Bodengruppe des Fahrzeugs. Tankeinbaupumpen dagegen befinden sich im Kraftstoffbehälter selbst in einer speziellen Halterung, die üblicherweise zusätzlich noch ein saugseitiges Kraftstoffsieb, einen Tankfüllstandsensor, einen Dralltopf als Kraftstoffreservoir sowie elektrische und hydraulische Anschlüsse nach außen enthält. Beginnend mit dem Startvorgang des Motors läuft die Elektrokraftstoffpumpe stetig und unabhängig von der Motordrehzahl. Sie fördert den Kraftstoffkontinuierlich aus dem Kraftstoffbehälter über ein Kraftstofffilter zur Einspritzanlage. Überschüssiger Kraftstofffließt über ein Überströmventil zum Kraftstoffbehälter zurück. Eine Sicherheitsschaltung verhindert die Förderung bei eingeschalteter Zündung und stehendem Motor, um die Batterie zu schonen und Geräusche zu unterdrücken (Komfort). Elektrokraftstoffpumpen bestehen aus den folgenden drei Funktionselementen in einem Gehäuse:
Kraftstoffversorgung Niederdruckteil
Pump en element (Bild 1, Pos. A) Pumpenelemente gibt es in verschiedenen Ausführungen, da das jeweils angewandte Funktionsprinzip vom Einsatzbereich der Elektrokraftstoffpumpe abhängt. Für Dieselanwendungen sind es meist Rollenzellenpumpen (RZP). Die Rollenzellenpumpe (Bild 2) ist eine Verdrängerpumpe. Sie besteht aus einer exzentrisch angeordneten Grundplatte (4), in der eine Nutscheibe (2) rotiert. In jeder Nut befindet sich eine lose geführte Rolle (3). Durch die Fliehkraft bei der Rotation der Nutscheibe und den Kraftstoffdruck werden die Rollen gegen die außen liegende Rollenbahn und die treibenden Flanken der Nuten gedrückt. Die Rollen wirken dabei als umlaufende Dichtungen. So bildet sich zwischen je zwei Rollen der Nutscheibe und der Rollenlautbahn eine Kammer. Die Pumpwirkung kommt dadurch zustande, dass sich das Kammervolumen nach Abschließen der nierenf6rmigen Zulauföffnung (1) kontinuierlich verkleinert.
I
27
Anschlu ssde ckel (Bild 1, Pos. C) Der Anschlussdeckel enthält die elektrischen Anschlüsse und den druckseitigen hydraulischen Anschluss. Ein Rückschlagventil (6) verhindert, dass sich die Kraftstoffleitungen nach dem Abschalten der Kraftstoffpumpe entleeren. Zusätzlich können im Anschlussdeckel Entstörmittel integriert sein. Leist ungsdaten einer einstu figen Elekt ro kraft stoff pu mpe
Bild 2
o' -
----,J
6
7
8
v
Spannung
1
Saugseite (Zulauf)
2 3
Nutscheibe Rolle
4
Grundplatte
5
Dru ckseite
Bild 3 Parameter: Förderdruck Förder leist ung her Nieders pannung b
Ro llenze llenpumpe (Schema )
3
Kraftstoffpumpe
mit fortwährend gekühlt. Dadurch lässt sich eine hohe Motorleistung ohne aufwändige Dichtelemente zwischen Pumpenelement und Elektromotor erzielen.
Elektromotor (Bild 1, Pos. B) Der Elektromotor besteht aus einem Permanentmagnetsystem und einem Anker (2). Seine Auslegung hängt von der gewünschten Fördennenge bei gegebenem Systemdruck ab. Der Elektromotor wird ständig vom Kraftstoffumströmt und da-
2
I
Förderleistung in Abhängigkeit der Spannun g im
100
4
10
11
% 0 -o
•
"'"
28
"
26
0
Spannung
I :
9
1
10
Normalbetrieb Wi rkungs grad in Abhängigkeit der
1
24
V c
~ 1
e»
.g
12 Spannung
11
12 Spannung
1 bei 200 kPa
I,
V
~
~
z
~
2 bei 250 kPa 3 bei 300 kPa 4 bei 350 kPa 5 bei 400 kPa 6 bei 450 kPa 7 bei 450 kPa 8 bei 500 kPa 9 bei 550 kPa 10 bei 600 kPa
Zahn rad k r aftstoffpu m pe nt« Zllhllrlld kr llflstolTp umJll' (ß ild.-r 4
und Ii) wir d zur versorg ung der Einxprt tzmodule tll'r Einzelpumpeusys tetue (Nk w) und d ,-s Common Rall Sysl.' ms ü'k w, Nkw
und G,'läl1lk fllhr z"ug.,) ('jll gl' sl'I ~. I . Sil' isl direkt am Mo to r b.{.'stigl in der Couunon Rafl Horh druck p um pe luregr lert. DI'r ATl trit' b er folg t über Kupplun g, zarmra d oder Zahn ri emen. Die w,'so-n llid w nll lllll' I" lI1,-n l'· sin, llw,-i miteinander k ämm ende, geg,'nläu lig d rl" hendr- zahnr äder, d ip deu Kr attstoff in d " 11 Zahnlü cken vo n der Saugseite (Bild ll, Pos. 1) zur l lrufk so-ilt- (5) för dern, ! li- Magnetventil-Injektor mit einteiligem Anker, li>- Magnetventil-Injektor mit zweiteiligem Anker, li>- Injektor mit Piezosteller.
Die Charakteristik des Systems ist die Erzeugung von Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge. Spritzbeginn und Einspritzmenge werden mit dem elektrisch ansteuerbaren Injektor gesteuert. Der Einspritzzeitpunkt wird über das Winkel-Zeit-System der Magnetve nti I-Inje ktor (Funkt io ns pri nzi p)
c
Bil d 1 Ruhezustand Injektor öffnet Injektor schließt
1 Kraftstoffrücklauf 2 Magnetspule 3 Uberhubfeder 4 Magnetanker 5 Ventilkugel 6 Ventilsteuerraum 7 Düsenfeder
12
4 5
14
7
>.
15
8 Druckschulter der Düsennadel 9 Kammervolumen
... ,..
6
••
t
8
10 Spritzloch 11 Magnetventilfede r 12 Ablaufdrossel
9 16
13 Hochdruck-
anschluss 14 Zulaufd rossel 15 Ventilkolben (Steuerkolben)
16 Düsennadel
10
~ ~
~
Q Z
~
Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
Magnetventil-Injektor
Aufbau Der Injektor kann in verschiedene Funktionsblöcke aufgeteilt werden: li>- die Lochdüse (s. Kapitel "Einspritzdüsen"), li>- das hydraulische Servosystem und li>- das Magnetventil. Der Kraftstoffwird vom Hochdruckanschluss (Bild ta, Pos. 13) über einen Zulaufkanal zur Einspritzdüse sowie über die Zulaufdrossel (14) in den Ventilsteuerraum (6) geführt. Der Ventilsteuerraum ist über die Ablaufdrossel (12), die durch ein Magnetventil geöffnet werden kann, mit dem Kraftstoffrücklauf (1) verbunden. Arbeitsweise Die Funktion des Injektors lässt sich in vier Betriebszustände bei laufendem Motor und fördernder Hochdruckpumpe unterteilen: li>- Injektor geschlossen (mit anliegendem Hochdruck), li>- Injektor öffnet (Einspritzbeginn), li>- Injektor voll geöffnet und li>- Injektor schließt (Einspritzende). Diese Betriebszustände stellen sich durch die Kräfteverteilung an den Bauteilen des Injektors ein. Bei nicht laufendem Motor und fehlendem Druck im Rail schließt die Düsenfeder den Injektor.
Injektor geschlossen (Ruhezustand) Der Injektor ist im Ruhezustand nicht angesteuert (Bild 1a). Die Magnetventilfeder (11) presst die Ventilkugel (5) in den Sitz der Ablaufdrossel (12). Im Ventilsteuerraum baut sich der Hochdruck des Rail auf. Derselbe Druck steht auch im Kammervolumen (9) der Düse an. Die durch den Raildruck auf die Stirnflächen des Steuerkolbens (15) aufgebrachten Kräfte und die Kraft der Düsenfeder (7) halten die Düsennadel gegen die öffnende Kraft, die an deren Druckschulter (8) angreift, geschlossen.
Injektor öffnet (Einspritzbeginn) Der Injektor befindet sich in Ruhelage. Das Magnetventil wird mit dem "Anzugsstrom" angesteuert, was einem schnellen Öffnen des Magnetventils dient (Bild 1b). Die erforderlichen kurzen Schaltzeiten lassen sich durch eine entsprechende Auslegung der Ansteuerung der Magnetventile im Steuergerät mit hohen Spannungen und Strömen erreichen. Die magnetische Kraft des nun angesteuerten Elektromagneten übersteigt die Federkraft der Ventilfeder. Der Anker hebt die Ventilkugel vom Ventilsitz und öffnet nun die Ablaufdrossel. Nach kurzer Zeit wird der erhöhte Anzugsstrom auf einen geringeren Haltestrom des Elektromagneten reduziert. Mit dem Öffnen der Ablaufdrossel kann nun Kraftstoff aus dem Ventilsteuerraum in den darüber liegenden Hohlraum und über den Kraftstoffrücklauf zum Kraftstoffbehälter abfließen. Die Zulaufdrossel (14) verhindert einen vollständigen Druckausgleich, sodass der Druck im Ventilsteuerraum sinkt. Dies führt dazu, dass der Druck im Ventilsteuerraum kleiner ist als der Druck im Kammervolumen der Düse, der noch immer das Druckniveau des Rail hat. Der verringerte Druck im Ventilsteuerraum bewirkt eine verringerte Kraft auf den Steuerkolben und führt zum Öffnen der Düsennadel. Die Einspritzung beginnt. Injektor voll geöffnet Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel wird vom Durchflussunterschied zwischen der Zu- und Ablaufdrossel bestimmt. Der Steuerkolben erreicht seinen oberen Anschlag und verharrt dort auf einem Kraftstoffpolster (hydraulischer Anschlag). Das Polster entsteht durch den Kraftstoffstrom, der sich zwischen der Zuund Ablaufdrossel einstellt. Die Injektordüse ist nun voll geöffnet. Der Kraftstoff wird mit einem Druck, der annähernd dem Druck im Rail entspricht, in den Brennraum eingespritzt.
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Inje ktor
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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
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Injektor
Die Kräfteverteilung am Injektor ist ähnlich der Kräfteverteilung während der Öffnungsphase. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist bei gegebenem Druck proportional zur Einschaltzeit des Magnetventils und unabhängig von der Motor- bzw. Pumpendrehzahl (zeitgesteuerte Einspritzung). Injektor schließt (Einspritzende) Bei nicht mehr angesteuertem Magnetventil drückt die Ventilfeder den Anker nach unten, die Ventilkugel verschließt daraufhin die Ablaufdrossel (Bild lc). Durch das Verschließen der Ablaufdrossel baut sich im Steuerraum über den Zufluss der Zulaufdrossel wieder ein Druck wie im Rail auf. Dieser erhöhte Druck übt eine erhöhte Kraft auf den Steuerkolben aus. Diese Kraft aus dem Ventilsteuerraum und die Kraft der Düsenfeder überschreiten nun die Kraft auf die Düsennadel und die Düsennadel schließt. Der Durchfluss der Zulaufdrossel bestimmt die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel. Die Einspritzung endet, wenn die Düsennadel den Düsenkörpersitz wieder erreicht und somit die Spritzlöcher verschließt. Diese indirekte Ansteuerung der Düsennadel über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem wird eingesetzt, weil die zu einem schnellen Öffnen der Düsennadel benötigten Kräfte mit dem Magnetventil nicht direkt erzeugt werden können. Die dabei zusätzlich zur eingespritzten Kraftstoffmenge benötigte Steuermenge gelangt über die Drosseln des Steuerraums in den Kraftstoffrücklauf. Zusätzlich zur Steuermenge gibt es Leckagemengen an der Düsennadel- und der Ventilkolbenführung. Die Steuer- und die Leckagemengen werden über den Kraftstoffrücklauf mit einer Sammelleitung, an die auch Überströmventil, Hochdruckpumpe und Druckregelventil angeschlossen sind, wieder in den Kraftstoffbehälter zurückgeführt.
Kennfeldvarianten Kennfelder mit Mengenplateau Bei Injektoren wird im Kennfeld zwischen dem ballistischen und nichtballistischen Betrieb unterschieden. Der Verbund Ventilkolben/Düsennadel erreicht bei hinreichend langer Ansteuerdauer im Fahrzeugbetrieb den hydraulischen Anschlag (Bild 2a). Der Bereich, bis die Düsennadel den maximalen Hub erreicht, stellt den ballistischen Betrieb dar. Im Mengenkennfeld, bei dem die Einspritzmenge über die entsprechende Ansteuerdauer aufgetragen wird (Bild 2b), sind der ballistische und nichtballistische Bereich über einen Knick im Kennfeld voneinander getrennt. Ein weiteres Charakteristikum des Mengenkennfeldes ist das Plateau bei kleinen Ansteuerdauern. Dieses Plateau kommt durch das Prellen des Magnetankers beim Öffnen zustande. In diesem Bereich ist die Einspritzmenge unabhängig von der Ansteuerdauer. Dadurch können kleine Einspritzmengen stabil dargestellt werden. Erst nach abgeschlossenem Ankerprellen wird ein linearer Anstieg der Einspritzmenge mit zunehmender Ansteuerdauer erzielt. Einspritzungen mit kleiner Einspritzmenge (kleine Ansteuerdauer) werden als Voreinspritzung zur Geräuschminderung eingesetzt. Nacheinspritzungen dienen der Verbesserung der Rußoxidation in ausgewählten Betriebsbereichen. Kennfelder ohne Mengenplateau Die verschärfte Abgasgesetzgebung führte zur Anwendung der beiden Systemfunktionen Injektormengenabgleich (IMA) und Nullmengenkalibrierung (NMK)sowie kurze Spritzabstände zwischen Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung. Bei Injektoren ohne Plateaubereich kann über IMA im Neuzustand die Einspritzmenge der Voreinspritzung exakt eingestellt werden. Mithilfe der NMKkönnen die Mengendriften im unteren Druckbereich über die Laufzeit korrigiert werden. Notwendige Voraussetzung für die Anwendung dieser
Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
bei den Systemfunktionen ist ein stetiger, linearer Mengenanstieg, d.h. der Entfall des Plateaus im Mengenkennfeld (Bild 2c). Wird zusätzlich der Verbund Ventilkolben/ Düsennadel im Nennbetrieb ohne Hubanschlag betrieben, dann handelt es sich hierbei um eine voll ballistische Arbeitsweise des Ventilkolbens ohne einen Knick im Mengenkennfeld.
eine Anpassung der Einstellparameter ist das Ankerschließprellen schneller abgeschlossen. Dadurch werden mit dem zweiteiligen Ankerkonzept kürzere Spritzabstände zwischen zwei Einspritzungen ennöglicht.
Injektorvarianten Bei den Magnetventil- Injektoren wird zwischen zwei verschiedenen Magnetventilkonzepten Düsennadelhübe und Mengenkennfe lde r eines Injektors mit Hubanschlag unterschieden: li>- Injektoren mit a einteiligem Anker - -.-.- - - - - - Verbund Ventilkolben/Düsennadel , am hydaulischen Anschlag (1-Feder-System), \ li>- Injektoren mit \...-- ncht baäistischer Berech zweiteiligem Anker \ (2-Feder-System).
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----\-
Die kurzen Spritzabstände zwischen den Einspritzungen können sichergestellt werden, wenn der Anker beim Schließen sehr schnell in eine Ruheposition gelangt. Dies wird am Besten über einen zweiteiligen Anker mit Überhubanschlag realisiert. Beim Schließvorgang bewegt sich die Ankerplatte durch Formschluss nach unten. Das Durchfedern der Ankerplatte wird durch einen Überhubanschlag begrenzt, sodass der gesamte Anker schneller in eine Ruheposition gelangt. Durch die Entkoppelung der Massen beim Anker und
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bellistischer Berech
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Inje ktor
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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
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Injektor
Ansteuerung des Magnetventil- Injektors Im Ruhezustand ist das Hochdruck-Magnetventil im Injektor nicht angesteuert und damit geschlossen. Der Injektor spritzt bei geöffnetem Magnetventil ein. Die Ansteuerung des Magnetventils wird in fünf Phasen unterteilt (Bilder 3 und 4).
äffnungsphase Zum Öffnen des Magnetventils muss zunächst der Strom mit einer steilen, genau definierten Flanke auf ca. 20 A ansteigen, um eine geringe Toleranz und eine hohe Reproduzierbarkeit (Wiederholgenauigkeit) der Einspritzmenge zu erzielen. Dies erreicht man mit einer Boosterspannung von bis zu 50 V. Sie wird im Steuergerät erzeugt und in einem Kondensator gespeichert (Boosterspannungsspeicher). Durch das Anlegen dieser hohen Spannung an das Magnetventil steigt der Strom um ein Mehrfaches steiler an als beim Anlegen der Batteriespannung. Anzugsstromphase In der Anzugsstromphase wird das Magnetventil von der Batteriespannung versorgt. Dies unterstützt das schnelle Öffnen. Der
Anzugsstrom wird mit einer Stromregelung auf ca. 20 A begrenzt.
Haltestromphase In der Haltestromphase wird der Strom auf ca. 13A abgesenkt, um die Verlustleistung im Steuergerät und im Injektor zu verringern. Beim Absenken von Anzugsstrom auf Haltestrom wird Energie frei. Sie wird dem Boosterspannungsspeicher zugeführt. Abschalten Beim Abschalten des Stroms zum Schließen des Magnetventils wird ebenfalls Energie frei. Auch diese wird dem Boosterspannungsspeicher zugeführt. Nachladen über Hochsetzsteller Das Nachladen geschieht über einen im Steuergerät integrierten Hochsetzsteller. Bereits zu Beginn der Anzugsphase wird die in der Öffnungsphase entnommene Energie nachgeladen. Dies geschieht so lange, bis das ursprüngliche Energiepotenzial erreicht wird, das zum Öffnen des Magnetventils notwendig ist.
Ansteuerse quenzen der Hochd ruckmagnetvent ile für eine Einspritzu ng
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Magnetventil strom I M
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Ubergang zur
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Haltestro mphase
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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
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Inje ktor
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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
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Injektor
Piezo-Inline-Injektor
Aufbau und Anforderungen Der Aufbau des Piezo- Inline- Injektors gliedert sich schematisch in die wesentlichen Baugruppen (Bild 5) .. Aktonnodul (3), .. hydraulischer Koppler oder Übersetzer (4), .. Steuer- oder Servoventil (5) und .. Düsenmodul (6). Bei der Auslegung des Injektors wurde darauf geachtet, dass eine hohe Gesamtsteifigkeit innerhalb der Stellerkette aus Aktor, hydraulischem Koppler und Steuerventil erreicht wird Eine weitere konstruktive Besonderheit ist die Vermeidung von mechanischen Kräften auf die Düsennadel, Konst ruk tive Ausfüh rung des Piezo-Inlin e-Inj ekto rs
3- - +-
4
• •
Bild 5
1 2
Kraftstoff rüc klauf Hochdruck-
ansemuss 3
Piezo-Stellmodul
4
hydraulischer Ko pp le r (Über-
se tze n 5
Servoventil
~
(Ste ue rve ntil) 6
m it Düsennadel
7
~
Düsenmodul Spri tz loch
7
~ Q
" ~
wie sie bei bisherigen Magnetventil- Injektoren über eine Druckstange auftreten können. In der Summe konnten damit die bewegten Massen und die Reibung wirkungsvoll reduziert und die Stabilität und Drift des Injektors gegenüber konventionellen Systemen verbessert werden. Zusätzlich bietet das Einspritzsystem die Möglichkeit, sehr kurze Abstände t.jrydrauhsch Null") zwischen den Einspritzungen zu realisieren. Die Anzahl und Ausgestaltung der Kraftstoffzumessung kann bis zu fünf Einspritzungen pro Einspritzzyklus darstellen und somit den Erfordernissen an den Motorbetriebspunkten angepasst werden. Durch die enge Kopplung des Servoventils (5) an die Düsennadel wird eine unmittelbare Reaktion der Nadel auf die Betätigung des Aktors erzielt. Die Verzugszeit zwischen dem elektrischen Ansteuerbeginn und der hydraulischen Reaktion der Düsennadel beträgt etwa 150 Mikrosekunden. Dadurch können die gegensätzlichen Anforderungen hohe Nadelgeschwindigkeiten mit gleichzeitiger Realisierung kleinster reproduzierbarer Einspritzmengen erfüllt werden. Analog zum Magnetventilinjektor wird zur Aktivierung einer Einspritzung eine Steuermenge über das Ventil abgesteuert. Bedingt durch das Design des Piezoinjektors beinhaltet der Injektor darüber hinaus keine direkten Leckagestellen vom Hochdruckbereich in den Niederdruckkreis. Eine Steigerung des hydraulischen Wirkungsgrads des Gesamtsystems ist die Folge. Arbeitsweise Funktion des 3/2-Servoventils im eR-Injektor Die Düsennadel in der Düse wird bei dem Piezo-Inline-Injektor über ein Servoventil indirekt gesteuert. Die gewünschte Einspritzmenge wird dabei über die Ansteuerdauer des Ventils geregelt. Im nicht angesteuerten Zustand befindet sich der Aktor in der Ausgangsposition mit geschlossenem Servoventil (Bild 6a). Das heißt, der
Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
Hochdruckbereich ist vom Niederdruckbereich getrennt. Die Düse wird durch den im Steuerraum (3) anliegenden Raildruck geschlossen gehalten. Durch das Ansteuern des Piezoaktors öffnet das Servoventil und verschließt die Bypassbohrung (Bild 6b, Pos. 6). Über das Durchflussverhältnis von Ablauf- (2) und Zulaufdrossel (4) wird der Druck im Steuerraum abgesenkt und die Düse (5) geöffnet. Die anfallende Steuermenge fließt über das Servoventil in den Niederdruckkreis des Gesamtsystems. Um den Schließvorgang einzuleiten wird der Aktor entladen und das Servoventil gibt den Bypass wieder frei. Über die Zulauf- und Ablaufdrossel in Rückwärtsrichtung wird nun der Steuerraum wieder befüllt und der Steuerraumdruck erhöht. Sobald das erforderliche Druckniveau erreicht ist, beginnt die Düsennadel sich zu bewegen und der Einspritzvorgang wird beendet. Bedingt durch die oben beschriebene Ventilkonstruktion und der höheren Dynamik des Stellsystems ergibt sich gegenüber Injektoren mit konventioneller Bauart, d.h. Druckstange und 2/2-Ventil, eine deutlich verkürzte Spritzdauer, was sich günstig auf Emissionen und Motorleistung auswirkt.
Inje ktor
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Aufgrund der motorischen Anforderungen in Bezug auf EU4 wurden die Injektorkennlinien auf den Einsatz von Korrekturfunktionen (Injektonnengenabgleich, IMA, und Nullmengenkalibrierung, NMK) optimiert. So kann die Voreinspritzmenge beliebig nachgeführt und durch den vollballistischen Betrieb die Mengenstreuungen im Kennfeld über IMA minimiert werden (Bild 7).
-'-7
Einspr it zmengenkennfe Id des Piezo-I nline-Injektors
nm ''
Hob
100
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60
c
W
40
Bild 7 Einspritzmengen bei unterschied lichen Ein-
20
sp r itzdrücken 1600 bar
0,4
b
1200 bar
d
800 bar
0,8
Ansteuerdauer ____
1000 bar 250 bar Bild 6
Funkt io n des Servoven tils
a
I
Startpos ition
b
b
Düsennadel öffnet (Bypass gesch lossen, normale Funktion mit Ablaufund Zulaufdrosse l)
2-
-
-
-.
Düsennadel sch ließt (Bypass offen , Funkt io n m it zwei
4
Zulaufd rosseIn) Servovent il (Steuerve nti I)
5- --==" _
Raildruck
[==::J Lecköldruck
c::::J
Steuerraumdruck
2 3
Ab laufd ros sel
4
Zulaufdrosse l
5
Düsennade l
6
By pass
ste uerraum
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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
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Injektor
Funktion des hydraulischen KoppZers Ein weiteres wesentliches Bauelement im Piezo- Inline- Injektor ist der hydraulische Koppler (Bild 8, Pos. 3), der folgende Funktionen erfüllen muss: .. Übersetzung des Aktorhubs, .. Ausgleich eines eventuell vorhandenen Spiels (z. B. durch Wännedehnung) zwischen Aktor und Servoventil, .. Fail-safe- Funktion (selbsttätige Sicherheitsabschaltung der Einspritzung im Fehlerfall einer elektrischen Dekontaktierung).
Das Aktonnodul und der hydraulische Koppler sind von Dieselkraftstoffumgeben, der über den Systemniederdruckkreis am Rücklauf des Injektors unter einem Druck von ca. 10 bar steht. Im nicht angesteuerten Zustand des Aktors steht der Druck im hydraulischen Koppler im Gleichgewicht mit seiner Umgebung. Längenänderungen aufgrund von Temperatur-
einflüssen werden durch geringe Leckmengen über die Führungsspiele der beiden Kolben (Bild 8) ausgeglichen, sodass zu jedem Zeitpunkt eine Kraftkoppelung zwischen Aktor und Schaltventil erhalten bleibt. Um nun eine Einspritzung zu erzeugen wird der Aktor so lange mit einer Spannung (110...150 V)beaufschlagt, bis die Öffnungskraft am Schaltventil überschritten wird. Dadurch steigt der Druck im Koppler an und eine geringe Leckagemenge fließt über die Kolbenführungsspiele aus dem Koppler in den Niederdruckkreis (10 bar) des Injektors. Bei mehrfacher, kurz aufeinander folgender Betätigung des Kopplers von bis zu mehreren Millisekunden « 2 ms) ergeben sich keine Auswirkung auf die Funktion des Injektors. Nachdem der Einspritzvorgang beendet ist, wird die Fehlmenge im hydraulischen Koppler wieder aufgefüllt. Dies geschieht nun in umgekehrter Richtung über die
Funkt io n des hydraulischen Kopplers
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...
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Wiederbefüllung PK Psystem
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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
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Vorteile des Piezo- Inline -Injek tors Mehrfacheinspritzung mit flexiblem Einspritzbeginn und Abständen zwischen den Einzeleinspritzungen, li>- Darstellung sehr kleiner Einspritzmengen für die Voreinspritzung, li>- geringe Baugröße und niedriges Gewicht des Injektors (270 g gegenüber 490 g), li>- niedriges Geräusch (-3 dB [Al), li>- Verbrauchsvorteil (-3%), li>- geringere Abgasemissionen (-20%), li>- Steigerung der Motorleistung (+7 %).
Führungsspiele der Kolben durch den Druckunterschied zwischen hydraulischem Koppler und Niederdruckkreis des Injektors. Die Abstimmung der Führungsspiele und Niederdruckniveaus ist so gewählt, dass vor dem nächsten Einspritzzyklus der hydraulische Koppler wieder vollständig aufgefüllt ist.
li>-
Ansteuerung des Common Rail Piezo Inline -Inj ektors Die Ansteuerung des Injektors erfolgt über ein Motorsteuergerät, deren Endstufe speziell für diese Injektoren entwickelt wurde. Abhängig vom Raildruck des eingestellten Betriebspunkts wird eine Sollansteuerspannung vorgegeben. Die Bestromung erfolgt Ansteuersequen zen des pulsförmig (Bild 9), bis eine minimale Abweichung zwischen a Soll- und Regelspannung, gemessen am Aktor, erreicht wird. Die dafür erforderliche Energie wird aus einem Buffer-Kondensator innerhalb des Steuergeräts bereitgestellt.
Piezo-In line-Inje kto rs für eine Einspr itz ung
Spannung
t
Strom
b
jy--
-
-
..., Ventilhub
t
Kcoplercruck
c Bild 9 Strom- und
t
Spannungsverlauf bei Ansteuem des Injektors b
Verlauf des Venti lhubs und des
- 0,5
0,0
0,5
1,0
Zeitt - . .
1,5
Kopp lerd rucks c
Verlauf des Vent il hubs und der Einspr itzrate
44
I
Der Piezo-Effekt
"i:1
Der Piezo Effekt
Pierre Curie und sein Bruder Jacques ent-
Die Längenänderung ßX ergibt sich bei einer
deckten 1880 ein Phänomen, das zwar nur
angelegten Spannung U aus :
wenigen bekannt ist , aber heute Millionen Menschen täglich begleitet: den piezo-
U/6 '= ßX (Beispiel Quarz : Deformation von etwa 10-9 cm bei U = 10 V)
elektrischen Effekt. Er hält z. B. die Zeiger Der Piezo -Effekt w ird nicht nur in Quarz-
der Quarzuhr im Takt.
uhren und Piezo-Inline-Injektoren genutzt, Bestimmte Kristalle (z. B. Quarz und Turma-
sondern hat - als direkter oder inverser
lin) sind pie zoelektrisch: Durch Stauchung
Piezoeffekt - eine Vielzahl weiterer tech -
oder Streckung entlang bestimmter Kristall-
nischer Anwendungen:
achsen werden elektrische Ladungen auf der
Prinzip des Piezo-Effekts
Piezoelektrische Sensoren werden z. B.
Kristalloberfläche induziert. Diese elektrische
zur Klopfregelung im Ottomotor eingesetzt,
Polarisierung entsteht dadurch, dass sich die positiven und negativen Ionen im Kristall
wo sie hochfrequente Schwingungen des Motors als Merkmal für klopfende Verbren-
unter der Krafteinwirkung relativ zueinander
nung detektieren. Die Umwandlung von
verschieben (s. Bild, Pos. b). Im Inneren
mechanischer Schwingung in elektrische
des Kristalls gleichen sich die verschobenen
Spannungen wird auch im Kristall-Tonab-
Ladungsschwerpunkte aus, zwischen den
nehmer des Plattenspielers oder bei Kristall -
Stirnflächen des Kristalls jedoch entsteht ein
mikrofonen genutzt. Beim Piezo-Zünder
elektrisches Feld. Stauchung und Dehnung des Kristalls erzeugen umgekehrte Feldrich-
Druck die zur Funkenerzeugung benötigte
(z. B. im Feuerzeug) ruft ein mechanischer Spannung hervor. Legt man andererseits eine Wechsel -
tungen. Wird andererseits an die St irn f lächen des
(dargeste llt an eine r
Kristalls eine elektrische Spannung angelegt,
spannung an einen Piezo-Kristall, so schwingt
Einheit szelle)
so kehrt sich der Effekt um (inverser Piezo-
er mechanisch mit der Frequenz der Wechsel -
b
Effekt): Die positiven Ionen werden im elek-
spannung. Solche Schwingquarze werden z.B.
Quarzk rista ll Si0 2
trischen Feld in Richtung zur negativen Elekt-
als Stabilisatoren in elektrischen Schwing-
rode hin verschoben, die negativen Ionen zur
kreisen eingesetzt oder als piezoelektrische
Piezo-Effekt:
positiven Elektrode hin. Dadurch kontrahiert
Schallquelle zur Erzeugung von Ultraschall.
Bei Stauchung des Krista lls schie ben sich d ie negativen o e-tonen nach
oder expandiert der Kristall je nach Richtung der elektrischen Feldstärke (s. Bild , Pos. c).
Für den Einsatz als Uhrenquarz wird der Schwingquarz mit einer Wechselspannung angeregt, deren Frequenz einer Eigenfre-
ob en, di e positive n
Für die piezoelektrische Feldstärke E p gilt:
quenz des Quarzes entspricht. So ent st eht
Sie-Io nen nach
Ep
eine zeitlich äußerst konstante Resonanz -
unten :
ßX/x: relative Stauchung bzw. Dehnung piezoelektrischer Koeffizient, 6:
an der Krista ll-
=
o ber fl äche we rden
inverse r PiezoEff e kt :
schwingung, deren Abweichung bei einem geeichten Quarz ca. 1/1000 Sekund e pro
Zahlenwerte 10 9 V/cm bis 10 11 V/cm
elektr isc he Lad unge n ind uzier t
6-ßx!x
a
Jah r beträgt.
~
c
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Durc h d ie ange legte elektr ische Spannung werde n o e-ton en nach o ben, Sie-Ionen nach unten verschoben: der Krista ll ko ntra hiert.
---,------,--+
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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
Hochdruckpumpen Anforderungen und Aufgabe
Die Hochdruckpumpe ist die Schnittstelle zwischen dem Nieder- und dem Hochdruckteil. Sie hat die Aufgabe, immer genügend verdichteten Kraftstoffin allen Betriebsbereichen und über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs bereitzustellen. Das schließt das Bereitstellen einer Kraftstoffreserve mit ein, die für einen schnellen Startvorgang und einen raschen Druckanstieg im RaHnotwendig ist. Die Hochdruckpumpe erzeugt permanent, unabhängig von der Einspritzung, den Systemdruck für den Hochdruckspeieher (Rail). Deshalb muss der Kraftstoff im Vergleich zu herkömmlichen Einspritzsystemen - nicht im Verlauf der Einspritzung komprimiert werden. Als Hochdruckpumpe für die Druckerzeugung dienen für Pkw-Systeme 3-, 2- und 1-Stempel-Radialkolbenpumpen. Bei Nkw werden auch 2-Stempel-Reihenpumpen eingesetzt. Diese Bezeichnungen geben die Anzahl der Pumpenelemente an. Die Hochdruckpumpe ist vorzugsweise an derselben Stelle wie konventionelle Verteilereinspritzpumpen am Dieselmotor angebaut. Sie wird vom Motor über Kupplung, Zahnrad, Kette oder Zahnriemen angetrieben.
CPl CP1+ CP1 H CP1 H-OHW
1350 135 0 160 0/18 00 11 0 0
Krafts toff Kraftstoff Kraftstoff Kraftstoff
CP3 ,2 CP3,2+ CP3,3 CP3.4 CP3.4+
160 0 160 0 160 0/18 00 160 0 160 0
Kraftstoff Kraftstoff Kraftstoff Öl Kraftstoff
CP2 CPN2,2 CPN2,2+ CPN2.4
140 0 160 0 160 0 160 0
Öl Öl Öl Öl
CP4,1 CP4,2
180 0/ 20 00 180 0/ 20 00
Kraftstoff Kraftstoff
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Hochdruckpumpen
Die Pumpendrehzahl ist somit mit einem festen Übersetzungsverhältnis an die Motordrehzahl gekoppelt. Die Pumpenkolben innerhalb der Hochdruckpumpe komprimieren den Kraftstoff. Mit drei Förderhüben pro Umdrehung ergeben sich bei der Radialkolbenpumpe außer bei der CP4 - überlappende Förderhübe (keine Unterbrechung der Förderung), geringe Antrieb-Spitzendrehmomente und eine gleichmäßige Belastung des Pumpenantriebs. Das Drehmoment erreicht bei Pkw-Systemen mit 16 Nm nur etwa 1/9 des für eine vergleichbare Verteilereinspritzpumpe benötigten Antriebsmoments. Damit stellt Common Rail an den Pumpenantrieb geringere Anforderungen als konventionelle Einspritzsysteme. Die zum Pumpenantrieb notwendige Leistung wächst proportional zum eingestellten Druck im Rail und zur Drehzahl der Pumpe (Fördennenge). Bei einem 2-Liter- Motor nimmt die Hochdruckpumpe bei Nenndrehzahl und einem Druck von 1350 bar im Rail (bei einem mechanischen Wirkungsgrad von ca. 90 %) eine Leistung von 3,8 kW auf. Die für Pkw eingesetzten HochdruckRadialkolbenpumpen werden mit Kraftstoff geschmiert. Bei den Nkw-Svstemen kommen kraftstoff- oder ölgeschmierte Radialkolbenpumpen, aber auch ölgeschmierte 2-Stempel-Reihenpumpen zum Einsatz. Ölgeschmierte Pumpen bieten eine größere Robustheit gegenüber schlechter Kraftstoffqualität. Hochdruckpumpen werden in verschiedenen Ausführungen in Pkw und Nkw eingesetzt. Innerhalb der Pumpengenerationen gibt es Ausführungen mit unterschiedlicher Förderleistung und Förderdruck (Tabelle 1). Tab ell e 1 H
erhöhter Druck bereich höhere Förderleistung
OHW Off-Hi ghway
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Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
I
Hoc hd ruckpumpen
Radialkolbenpumpe CPl Aufba u Im Gehäuse der CP1 ist zentral die Antriebswelle (Bild 1, Pos. 1) gelagert. Radial dazu sind jeweils um 120 versetzt die Pumpenelemente (3) angeordnet. Der auf den Exzenter der Antriebswelle aufgesetzte Polygonring (2) zwingt die Pumpenkolben zur Auf- und Abbewegung. 0
Die Kraftübertragung zwischen Exzenterwelle und Pumpenkolben erfolgt über die Laufrolle, einen auf dem Exzenter der Welle gelagerten Gleitring, und die am Kolbenfuß befestigte Kolbenfußplatte. Arbeitsweise Kraj'tstof]Tdrderung und Komprimierung
Die vorförderpumpe - eine Elektrokraftstoffpumpe oder eine mechanisch angetriebene Zahnradpumpe - fördert Kraftstoffüber ein Filter mit Wasserabscheider zum Zulauf der Hochdruckpumpe (6). Bei Pkw-Systemen mit einer an der HochdruckHoc hd ruckp umpe CPl (Schema, Quersch nitt )
Bild 1 1
Antriebswelle
2
Polygonring
3
Pumpenelement
4
Ansaugventil (Einlassve nti I)
5
Auslassventil
6
Kraftstoffzulauf
7
Kolbenfußplatte
mit Exzenter
mit Pumpe nkolben
pumpe angeflanschten Zahnradpumpe befindet sich der Zulauf innerhalb der Pumpe. Hinter dem Zulaufist ein Sicherheitsventil angeordnet. Überschreitet der Förderdruck der vorförderpumpe den Öffnungsdruck (0,5 bis 1,5 bar) des Sicherheitsventils, so wird der Kraftstoff durch dessen Drosselbohrung in den Schmierund Kühlkreislauf der Hochdruckpumpe gedrückt. Die Antriebswelle mit ihrem Exzenter bewegt die drei Pumpenkolben entsprechend dem Exzenterhub auf und ab. Kraftstoffgelangt durch das Einlassventil (4) der Hochdruckpumpe in denjenigen Elementraum, bei dem sich der Pumpenkolben nach unten bewegt (Saughub). Wird der untere Totpunkt des Pumpenkolbens überschritten, so schließt das Einlassventil und der Kraftstoff im Elementraum kann nicht mehr entweichen. Er kann nun über den Förderdruck der Vorförderpumpe hinaus komprimiert werden. Der sich aufbauende Druck öffnet das Auslassventil (5), sobald der Druck im Rail
"oc~d ",c k ko m POn e n ", n
cr rcu-h r ist; der komprimierte Krilflsl off gela ng t in d en It orhdruck kre!s. Die Hoch dnu-kansrhlüsse de r d rei l'u mperu-lcmcnu- sind lnnerhalh des I' ump t'n gt'h äu scs zusammengefass t, sodass nu r ei ne Hor-lulnn-kh-ltuug zu m Hai! fü hrt . Der Pumpenkolben för dert so I,mgt' Kra üs tof f h is der olwre Totp unkt ,'r r,'ich l wird (Förd crhub j.Danach fällt der Druck ab, sod ass das Auslassve ul il schließt . ncr im T01Vo lu l11,'n vcrhleihcnrh- Kraf tst off ents pa nnt s it'il; de r Pumpenkolben b,'w,'W sich narh unte n. Untcrsch rl'i ld tier Druck im EleIlWT11 · raunt den vor fönk-nlruck, iiffllt'l das ~: ill lassvt'l1t il wieder und der- Vo rgan g h eginnt vo n III'U t' III. Ohers e tzu ngsver hälr nis lfie- Fiird'>rlllt'ug'>l'i nt'r Hor-hdrur-kp umpe ist prop onlonalzu Ihrer ltr t'hz ahl.Die Pumpendrehzahl isl wn-dcru m abhängf g VO ll lief Moto rd reh zahl. Sie wird bei th-r Ap plikation des Eillsprilzsyslt' ms an de n
d es Common Rail Syotems
I
HVt' rd id llllllg ,' ing,'h rad llt, Ener gte w r llln ' n; de-r Ges arutwirk ungs gr ad sink t. llils Ko r up r tmk-ren un d ansc hlit'1\e lldl.' Enls pillllll' n de s Kraftstoffs füh rt aurh zu m AuOlt'izt'n dt' s Krartslo ffs.
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Hochd ruckp umpe CP I , V.rianle mil angebaUlem Druüregelvt!"lil (3-D-O. rslellu ng)
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Menge und Sc~m ler monse/Kuhlmenge ' us de, Pumpe 1 Druüregelventil 8 lyli"d ersc~r.ube 9 welle nd iChl ring 10 E"enterwolle
48
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Hoc hdr uc kkom p on . nt. n d.s Common Rail Sys '"", ,
I
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Pumpe-n eh-r CI'3-l'am ili- Es öffnet bei zu hohem Druck im Rail, sodass ein Teil des Kraftstoffs aus dem Rail über eine Sammelleitung zurück zum Kraftstoffbehälter gelangt. li>- Es schließt bei zu niedrigem Druck im Rail und dichtet so die Hochdruckseite gegen die Niederdruckseite ab. Aufbau
Das Druckregelventil (Bild 1) hat einen Befestigungsflansch zum Anflanschen an der Hochdruckpumpe oder am Rail. Der Anker (3) drückt die Ventilkugel (6) in den Dichtsitz, um die Hochdruckseite gegen die Niederdruckseite abzudichten: dazu drückt zum einen eine Ventilfeder (2) den Anker nach unten, zum anderen übt ein Elektromagnet (5) eine Kraft auf den Anker aus. Zur Schmierung und zur wärmeabfuhr wird der gesamte Anker mit Kraftstoff umspült. Arbeitsweise
Bild 1
Das Druckregelventil hat zwei Regelkreise: li>- einen langsameren elektrischen Regelkreis zum Einstellen eines variablen mittleren Druckwertes im Rail und li>- einen schnelleren mechanisch-hydraulischen Regelkreis, der hochfrequente Druckschwingungen ausgleicht.
1 Elektrischer Anschluss 2 Ventilfeder 3 Anker 4 Ventilgehäuse 5 Magnetspu le 6 Ventilkugel 7 Stützring 8 O-Ring 9 Filter 10 Hochdruckzulauf 11 Ventilkärper 12 Ablauf zum Niederdruckkreis
Druckregelventil ni cht angesteu ert Der Hochdruck liegt über den Hochdruckzulauf am Druckregelventil an. Da der stromlose Elektromagnet keine Kraft ausübt, überwiegt die Hochdruckkraft gegenüber der Federkraft, sodass das Druckregelventil öffnet und je nach Fördermenge mehr oder weniger geöffnet bleibt. Die Feder ist so ausgelegt, dass sich ein Druck von ca. 100 bar einstellt.
Druckregelventil angesteuert Wenn der Druck im Hochdruckkreis erhöht werden soll, muss zusätzlich zur Federkraft die magnetische Kraft aufgebaut werden. Das Druckregelventil wird angesteuert und somit geschlossen, bis zwischen Hochdruckkraft einerseits und Magnet- und Federkraft andererseits ein Kräftegleichgewicht erreicht ist. Dann bleibt es in einer geöffneten Stellung und hält den Druck konstant. Eine veränderte Fördermenge der Hochdruckpumpe sowie die Entnahme von Kraftstoff aus dem Hochdruckteil der Injektoren gleicht es durch unterschiedliche Öffnung aus. Die magnetische Kraft des Elektromagneten ist proportional zum Ansteuerstrom. Die Variation des Ansteuerstroms wird durch Puls-WeitenModulation (Takten) realisiert. Die Taktfrequenz ist mit 1 kHz ausreichend hoch, um störende Ankerbewegungen bzw. Druckschwankungen im Rail zu vermetden. Ausführungen
Für den Einsatz in Common Rail Systemen der 1. Generation findet das Druckregelventil DRV1 Verwendung. CR-Systeme der 2. und 3. Generation arbeiten nach dem Druckregelve ntil DRV1 (Schnitt )
Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems
Zweistellerkonzept, bei dem der Raildruck zum einen über die Zumesseinheit, zum andem aber auch über das Druckregelventil eingestellt wird. In diesem Fall kommt das Druckregelventil DRV2 oder die druckgesteigerte Variante DRV3 zum Einsatz. Durch diese Reglerstrategie erreicht man eine geringere Kraftstofferwärmung und kann auf eine Kraftstoffkühlung verzichten. Das DRV2j3 (Bild 2) unterscheidet sich gegenüber dem DRVl in folgenden Punkten: li>- harte Abdichtung der Hochdruckschnittstelle (Beißkante), li>- optimierter Magnetkreis (geringerer Strombedarf), li>- flexibles Montagekonzept (freie Steckerorientierung). Druckregelven til DRV2
Druckbegren zungsventil DBV4
' - - -5
•
I
Druckregelven til , Druckbegrenzungsven til
I
57
Druckbegrenzungsventil Aufgabe Die Aufgabe des Druckbegrenzungsventils entspricht dem eines Überdruckventils, wobei bei der neuesten Version des internen Druckbegrenzungsventils eine Notfahrtfunktion integriert worden ist. Das Druckbegrenzungsventil begrenzt den Druck im Rail, indem es bei zu hoher Beanspruchung eine Ablautbohrung freigibt. Durch die Notfahrtfunktion wird nun gewährleistet, dass ein gewisser Druck im Rail erhalten bleibt und somit eine eingeschränkte Weiterfahrt möglich ist. Aufbau und Arbeitsweise Beim Druckbegrenzungsventil (Bild 3) handelt es sich um eine mechanisch arbeitende Komponente. Es besteht aus folgenden Bauteilen. li>- einem Gehäuse mit Außengewinde zum Anschrauben an das Rail, li>- einem Anschluss an die Rücklaufleitung zum Kraftstoffbehälter (3), li>- einem beweglichen Kolben (2) und li>- einer Druckfeder (5). Das Gehäuse hat auf der Anschlussseite zum Rail eine Bohrung, die durch das kegelfönnige Ende des Kolbens am Dichtsitz im Gehäuseinnern verschlossen wird. Eine Feder drückt bei normalem Betriebsdruck den Kolben dicht in den Sitz, sodass das Rail geschlossen bleibt. Erst beim Überschreiten des maximalen Systemdrucks wird der Kolben durch den Druck im Rail gegen die Feder aufgedrückt, und der unter Hochdruck stehende Kraftstoffkann entweichen. Hierbei wird der Kraftstoff durch Kanäle in eine zentrische Bohrung des Kolbens geleitet und über die Sammelleitung zum Kraftstoffbehälter zurückgeführt. Mit dem Öffnen des Ventils entweicht Kraftstoff aus dem Rail, eine Druckreduzierung im RaHist die Folge.
Bil d 2 1
Filter
2
Beißkante
3
Venti lkugel
4
O-Ring
5
Uberw urfschraube
6
Anker
mit Sprengring 7
Mag net spule
8
elektrische r
9
Venti lfeder
Anschluss
Bild 3 1
Vent ileinsatz
2
Ventil kolben
3
Nieder d ruckboreich
4
Ventil t räger
5
Dr uckfe de r
6
Tellersche ibe
58 IEinspritzdüsen
Einspritzdüsen Die Einspritzdüse spritzt den Kraftstoff in den Brennraum des Dieselmotors ein. Sie beeinflusst wesentlich die Gemischbildung und die Verbrennung und somit die Motorleistung, das Abgas- und das Geräuschverhaften. Damit die Einspritzdüsen ihre Aufgaben optimal erfüllen, müssen sie durch unterschiedliche Ausführungen abhängig vom Einspritzsystem an den Motor angepasst werden.
Der Kraftstoffdruck öffnet die Düse. Düsenöffnungen, Einspritzdauer und Einspritzverlaufbestimmen im Wesentlichen die Einspritzmenge. Sinkt der Druck, muss die Düse schnell und sicher schließen. Der Schließdruck liegt um mindestens 40 bar über dem maximalen Verbrennungsdruck um ungewolltes Nachspritzen oder das Eindringen von Verbrennungsgasen zu verhindern.
Die Einspritzdüse (im Folgenden kurz "Düse" genannt) ist ein zentrales Element des Einspritzsystems, das viel technisches "Know-how' erfordert. Die Düse hat maßgeblichen Anteil an: li>- der Formung des Einspritzverlaufs (genauer Druckverlaufund Mengenverteilung je Grad Kurbelwellenwinkel), li>- der optimalen Zerstäubung und Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum und li>- dem Abdichten des Kraftstoffsystems gegen den Brennraum.
Die Düse muss auf die verschiedenen Motorverhältnisse abgestimmt sein: li>- Verbrennungsverfahren (DI oder IDI), li>- Geometrie des Brennraums, li>- Einspritzstrahlform und Strahlrichtung, li>- "Durchschlagskraft" und Zerstäubung des Kraftstoffstrahls, li>- Einspritzdauer und li>- Einspritzmenge je Grad Kurbelwellenwinkel.
Die Düse unterliegt wegen ihrer exponierten Lage im Brennraum ständig pulsierenden mechanischen und thermischen Belastungen durch Motor und Einspritzsystem. Der durchströmende Kraftstoff muss die Düse kühlen. Im Schubbetrieb, bei dem nicht eingespritzt wird, steigen die Temperaturen an der Düse stark an. Ihre Temperaturbeständigkeit muss deshalb für diesen Betriebspunkt ausgelegt sein. Bei den Einspritzsystemen mit Reiheneinspritzpumpen (PE), Verteilereinspritzpumpen (VEjVR) und Vnit Pump (VP) sind die Düsen mit Düsenhaltern im Motor eingebaut (Bild 1). Bei den Hochdruckeinspritzsystemen Common Rail (CR) und Unit Injector (VI) ist die Düse im Injektor integriert. Ein Düsenhalter ist bei diesen Systemen nicht erforderlich.
Standardisierte Abmessungen und Baugruppen gestatten die erforderliche Flexibilität mit einem Minimum an Einzelteilvarianten. Neue Motoren werden aufgrund der besseren Leistung bei niedrigerem Kraftstoffverbrauch nur noch mit Direkteinspritzung (d.h. mit Lochdüsen) entwickelt. Die Einspr itzdü se als Schnittstelle zwischen Einspritz system und Dieselmoto r
.!!!!-
, " , _.. PE
Düsenhalter
Einspritzduse
Für Kammermotoren (IDI) werden Zapfendüsen und bei Direkteinspritzern (DI) Lochdüsen eingesetzt.
o
~ Brennraum des ':1 Dieselmotors z w z
Dimensionen der Diesel-Einspritztechnik I 5!
Die Welt der Dieseleinspritzung ist eine Welt der Superlative,
~
Die Einspritzdauer beträgt 1..,2 Millisekunden (ms). In einer Millisekunde kommt eine Schallwelle aus einem Lautsprecher nur ca. 33 crn weit.
Auf mehr als 1 Milliarde Offnungs- und Schließ hübe kommt eine Düsennadel eines Nkw-Motors in ihrem "Einspritzleben" , Sie dichtet bis zu 2050 bar sicher ab und muss
Die Einspritzmengen variieren beim Pkw ZWischen 1 rnme (Voreinspritzung) und 50 mme (Volllastmenge); beim Nkw
dabei einiges aushalten: ~ sie schluckt die Stöße des schnellen Off-
zwischen 3 mma (Voreinspritzung) und 350 rnrne (Volllastmenge) , 1 mme ent -
~
spricht dem Volumen eines halben Stecknadelkopfs. 350 mm a ergeben die Menge von 12 großen Regentropfen (30 mm a je
nens und Schließena (beim Pkw geschieht dies bis zu 10000-mal pro Minute bei Vor~
und Nacheinspritzungen), sie widersteht den hohen Strömungs·
Tropfen). Diese Menge wird innerhalb von 2 ms mit 2000 kmjh durch eine Öffnung
beleatungen beim Einspritzen und ~ sie hält dem Druck und der Temperatur im Brennraum stand,
mit weniger als 0,25 mme Querschnitt gedrückt! ~
Was moderne EinspritzdOsen leisten, zeigen
Das Führungeepie! der Düsennadel beträgt 0,002 mm (2 IJm), Ein menschliches Haar ist äö-mal so dick (0,06 mm).
folgende Vergleiche: ~ In der Einspritzkammer herrscht ein Druck von bis zu 2050 bar, Dieser Druck ent-
Die Erfüllung al! dieser Höchstleistungen
steht, Wenn Sie einen Oberklassewagen auf einen Fingernagel stellen würden.
erfordert ein sehr großes Know-hcw in Entwicklung. Werkstoffkunde, Fertigung und Messtechnik,
~
~
Druck 2050 bar
, • -
'"
~
Fuhrunpeepial 0 002mm
Stacknadalkopf (2mm 3)
- Dichtkegel mit Überwurfmutter, li>- Druckrohrstutzen und li>- Traverse.
Bild 1
1
Druekseheibe
2
Uberwurfmutter
3
Rohrdiehtkegel der Hoehdruek-
4
Dr uc kanschlu ss der
Dichtkegel mit Oberwurfmutter Die Anschlussart "Dichtkegel mit Überwurfmutter" (Bild 1) wird bei allen oben genannten Einspritzsystemen verwendet. Die Vorteile dieser Verbindung sind: li>- Einfache Anpassung an das Einspritzsystem.
Kraftstoffleitung Hoehd r uekansehluss mit Diehtkegel und Uber wurfmu tter
Einspritzpumpe oder des Düsen-
li>-
li>-
Die Verbindung kann mehrfach gelöst und angezogen werden. Der Dichtkegel kann aus dem Grundmaterial geformt werden.
Am Ende der Hochdruckleitung befindet sich der gestauchte Rohrdichtkegel (3). Die Überwurfmutter (2) drückt den Dichtkegel in den Druckanschluss (4) und dichtet damit ab. Einige Verbindungen haben zusätzlich eine Druckscheibe (1). Sie verteilt den Druck der Überwurfmutter gleichmäßiger auf den Dichtkegel. Am Dichtkegel dürfen keine Verengungen des Querschnitts vorhanden sein, die den Kraftstofffluss behindern. Meist werden gestauchte Rohrdichtkegel nach DIN 73365 verwendet (Bild 2). Druckrohrstutzen Druckrohrstutzen (Bild 3) werden bei schweren Nkw für die Systeme Unit Pump und Common Rail eingesetzt. Bei der Anwendung des Druckrohrstutzens muss die Kraftstoffleitung nicht um den Zylinderkopfherum zum Düsenhalter bzw. Injektor geführt werden. Dies ermöglicht kürzere Kraftstoffleitungen und kann Platz- oder Montagevorteile bringen. Die Schraubverbindung (8) drückt den Druckrohrstutzen (3) direkt in den Düsenhalterhalter (1) bzw. Injektor. Er enthält Angestaueh ter Diehtkegel (Hauptmaße)
halters
Bild 2 1
Diehtfläehe
d
Au ßend urcnrnesser der Leitun g
d, In nenourc hrnesser
Funktions rechnet
JßiIJ §~:""
1:
Drosselklappensteller
IIII ~\ Khmakompressor ~ C\ Zusatzheizung
~ ~\ LUfter
Rarldrud- Fahrerwunsch (Fahrpedalstellung), li>- Betriebszustand, li>- Motortemperatur, li>- Eingriffe weiterer Systeme (z. B. ASR), li>- Auswirkungen auf die Schadstoffemissionen usw. Die Einspritzmenge wird aus diesen Einflussgrößen im Steuergerät errechnet. Auch der Einspritzzeitpunkt kann variiert werden. Dies bedingt ein umfangreiches Überwachungskonzept, das auftretende Abweichungen erkennt und gemäß der
Auswirkungen entsprechende Maßnahmen einleitet (z. B. Drehmomentbegrenzung oder Notlauf im Leerlaufdrehzahlbereich). In der EDCsind deshalb mehrere Regelkreise enthalten. Die Elektronische Dieselregelung ennöglicht auch einen Datenaustausch mit anderen elektronischen Systemen wie z. B. Antriebsschlupfregelung (ASR), Elektronische Getriebesteuerung (EGS) oder Fahrdynamikregelung mit dem Elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP). Damit kann die Motorsteuerung in das FahrzeugGesamtsystem integriert werden (z. B. Motormomentreduzierung beim Schalten des Automatikgetriebes, Anpassen des Motormoments an den Schlupf der Räder, Freigabe der Einspritzung durch die Wegfahrsperre usw.). Das EDC-System ist vollständig in das Diagnosesystem des Fahrzeugs integriert. Es erfüllt alle Anforderungen der OBD (On-Board-Diagnose) und EOBD (European OBD). Systemblöcke Die Elektronische Dieselregelung (EDC) gliedert sich in drei Systemblöcke (Bild 1): 1. Sensoren und Sollwertgeber erfassen die Betriebsbedingungen (z. B. Motordrehzahl) und Sollwerte (z. B. Schalterstellung). Sie wandeln physikalische Größen in elektrische Signale um.
2. Das Steuergerät verarbeitet die Informationen der Sensoren und Sollwertgeber nach bestimmten mathematischen Rechenvorgängen (Steuer- und Regelalgorithmen). Es steuert die Stellglieder mit elektrischen Ausgangssignalen an. Ferner stellt das Steuergerät die Schnittstelle zu anderen Systemen und zur Fahrzeugdiagnose her. 3. Stellglieder (Aktoren) setzen die elektrischen Ausgangssignale des Steuergeräts in mechanische Größen um (z. B. das Magnetventil für die Einspritzung).
I
Systemübersicht
I
71
72
I
Elektronische Dieselregelung
I
Common Rail System f ür Pkw
Common Rail System für Pkw Übersich t der EDC-Komponenten für Common Rail Systeme im Pkw
Fahrpedalsensor mit LeergasschaRer und KickdownschaRer Motordrehzahl (KW) (Kurbelwelle) Motordrehzahl (NW) u. Zylindererkermung (Nockenwelle) Raildru::k
Ladedruck
Ladelumemperatur Motortemperatur (KühlmitteQ Abgastemperatur*
Luftmasse oder Abgashubrü::kmelder "-InCKUo'-'
Fahrgeschwindigkeit
Klemme15
Klemme50* Kupplungsschalter (altern. PIN-Kontakt bei Automatikgetriebe) Mehrstufenschaäer lür l-lcchstqesclwlndqkeitsbegrmzung (HGB) u. Fahqeschwruiqkeitsregelung (FGR)
Steuergerät EDC 16C/EDC7
Injektoren (max.8 pro steuergerät) ,
Signaleingänge Sensorauswertung Umgebungsdru::ksensor Funktionen - Leerlaulregelung - Zwischendrehzahlregelung - Laulruheregelung - Aktiver Ruckeldämpler - externer Momenteneingriff - Weglahrsperre - Mengenregelung und -begrenzung - Fahrgeschwindigkeitsregelung (FGR)* - Fahrqeschwlndq-
keitsbegrenzung* - ZylinderabschaRung - Kraftstollmengenregelung - Raildruckregelung - Spritzbeginnstwerung - steuerungder Voreinspritzung - steuerungder Nacheinspritzung* - zusätzliche Sonderanpassungen* Diagnoselunktionen - Systemdiagnose - Ersatzlunktionen - Motordiagnose
t,
Hall-Dnjckreqefverül
Hochdruckpumpe
-~
Abgasrü::kführsleller
-~
Ladedru::ksteller*
-~
Drosselktappensteller
-~
Zusatzheizung* EinlasskanalUmschaltung*
-~
Lufersteuenrq"
-I
Starter"
-~
zusätzliche Enosturen"
I
Aktoren
Magnetventilendstulen Leistungsendstulen Signalausgänge CAN-Kommunikation Diagmse-Kommunikation
(z. S. Diagnose)
End-ot-Llne-
Glühzeitsteuergerät
Pro rammierun Spannungsversorgung
ISO-&:hnittstelle
Drehzahlsignal (TU) Diagnoselampe
+ 12V
CAN-&:tmittstelle 0
Sensoren und Sollwertgeber "optlonal
Kommunikation
;; ~
@ ~
Elektronische Dieselregelung
I
Common Rail System für Nkw
Common Rail System für Nkw Übersicht der EDC-Komponen ten für Common Rail Systeme im Nkw
Fahrpedalsensor mit Leergasschalter und Kickdownschalter
0
Motordrehzahl (KW)
steuergerät EOC16/EOC7
Injektoren (max. 8 pro Steuergerät)
,. ,
Signaleingänge Sensorauswertung
(KlJbelwelle)
Motordrehzahl (t#J) u. Zylindererkennung (Nockenwelle) Raildru::k Ladedruck
Oldru::k
Ladeluftlemperalur Molortemperatur (Kühlmittel) Kraftslomemperalur Differenzdru::k (Partikellilter) Abgastemperatur* Luftmasseoder
Abgashubrü::kmelder (AHR)"
Funktionen - Leerlaufregelung - Zwischendrehzahlregelung - Laufruheregelung - Aktiver Ruckeldämpfer -extemer Momenteneingriff - Wegfahrsperre - Mengenregelungund -begrenzung - Fahrgeschwindigkeitsregelung(FGR)* - Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung - ZylinderabschaRung - Raildruckr~elung - Spritzbeginnsteuerung - steuerung der Mehrfacheinspritzung - zusätzliche Sonderanpassungen*
Klemme 15 Klemme 50*
Kupplungsschalter
(ajern . PiN-Kontakt bei Automatikgetriebe)
Mehrstufsnschslt Er für Höchstqeschwroiqkeitsbegrenzung (HGB) u. Fahrgeschwindigkeitsregelung (FGR) Lüfterdrehzahl
-nu Light Duly
Zusatzheizung* Kaltstartsystem Kraftstoflheizung*
Lüftersteuerung
Ersatzfunktionen Motordiagnose
Starter" zusätzliche Enosturen"
Magnetventilendstufen Leistungsendstufen Signalausgänge CAN-Kommunikation Diagnose -Kommunikatkln Eno-or-LineProgrammierung Spannungsversorgung
Aktoren
CL
ISO-&:tmittstelle (z. B. Diagnose)
Glühzeitsteuergerät**
1----., Drehzahlsignal (TD)
Bremsschalter
"optlonal
Ladedrucksteller* /VTG*
Lüfterkupplung
VTG-Drehzahl*
Sensoren mo Sollwertgeber
Hochdruckpumpe
Abgasrückführsteller
Diagnosefunktionen On-Bord-Diagnose (OBD)
Molorbremsschalter Fahrgeschwindigkeit
Zurnesseinheit
+
Hauptrelais
12V /24V
f---{>Q-, Diagnoselampe CAN-Sctmittstelle Kommunikation
I
73
74
I
Elektronische Dieselregelung
I
Datenverarbei tu ng
Datenverarbeitung
Wegen der geforderten Genauigkeit und der hohen Dynamik des Dieselmotors ist eine hohe Rechenleistung notwendig. Mit den Ausgangssignalen werden Endstufen angesteuert, die genügend Leistung für die Stellglieder liefern (z. B. Hochdruck- Magnetventile für die Einspritzung, Abgasrückführsteller und Ladedrucksteller). Außerdem werden noch weitere Komponenten mit Hilfsfunktionen angesteuert (z. B. Glührelais und Klimaanlage).
Die wesentliche Aufgabe der Elektronischen Dieselregelung (EDC) ist die Steuerung der Einspritzmenge und des Einspritzzeitpunkts. Das Speichereinspritzsystem Common Rail regelt auch noch den Einspritzdruck. Außerdem steuert das Motorsteuergerät bei allen Systemen verschiedene Stellglieder an. Die Funktionen der Elektronischen Dieselregelung müssen aufjedes Fahrzeug und jeden Motor genau angepasst sein. Nur so können alle Komponenten optimal zusammenwirken (Bild 2).
Diagnosefunktionen der Endstufen für die Magnetventile erkennen auch fehlerhafte Signalverläufe. Zusätzlich findet über die Schnittstellen ein Signalaustausch mit anderen Fahrzeugsystemen statt. Im Rahmen eines Sicherheitskonzepts überwacht das Motorsteuergerät auch das gesamte Einspritzsystem.
Das Steuergerät wertet die Signale der Sensoren aus und begrenzt sie auf zulässige Spannungspegel. Einige Eingangssignale werden außerdem plausibilisiert. Der Mikroprozessor berechnet aus diesen Eingangsdaten und aus gespeicherten Kennfeldern die Lage und die Dauer der Einspritzung und setzt diese in zeitliche Signalverläufe um, die an die Kolbenbewegung des Motors angepasst sind. Das Berechnungsprogramm wird "Steuergeräte-Software" genannt. Funkti o nsdarstellung am Beispie l einer Stromregelu ng
I Ist
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"* 'ipW MSoll
Elektronische Dieselregelung
Prinzip ie ller Ablauf der Elektronischen Dieselregelung
CZ> Luft -Regelkreis
Kraftstoff-Regelkreis 1 (Einspritzkomponente) Kraftstoff-Regelkreis 2 (Motor) "Umweg" über den Fahrer
~
~
-----.. Daten- und Signalfluss
EDC-Steuergerät
-
-
Datenaustausch mit anderen Systemen - Antriebsschlupfregelung , - Getriebesteuerung, - Klimasteuerung ___
Ansteuerung der Einspritzkomponente
t
+
I CAN
I
=
Regelung der Einspritzung
+
I
Regelung und Ansteuerung der übrigen Stellglieder
f---
+ Anforderungen des Fahrers - Fahrerwunsch , - Tempomat, - Motorbremse
~
Sensoren und Sollwertgeber - Fahrpedalsensor , - Drehzahlsensor, - Schalter
'I Motor
,-
Luft
/\,11-'
~
System zur Füllungssteuerung - Aufladung, - Abgasrüddührung
Stellglieder (Aktoren) - elektropneumat Wandler, - Dauerbremsanlage , - Lüfter, - Glühzeitsteuerung
Kraftstoff
Einspritzkomponenten - Reiheneinspritzpumpen , - Verteilereinspritzpumpen , - Unit Injector / Unit Pump , - Common Rail Hochdruckpumpe und Injektoren , - Düsenhalter und Düsen
.-
.=
l\u uu V:;
'''''-.
ß
-
~
~
I
Datenverarb eitung
I
75
76
I
Elektronische Dieselregelung
I
Regelung der Einsprit zung
Regelung der Einspritzung Tabelle 1 gibt eine Funktionsübersicht der verschiedenen Regelfunktionen, die mit den EDC-Steuergeräten möglich sind Bild 1 zeigt den Ablauf der Einspritzberechnung mit allen Funktionen. Einige Funktionen sind Sonderausstattungen. Sie können bei Nachrüstungen auch nachträglich vom Kundendienst im Steuergerät aktiviert werden.
Damit der Motor injedem Betriebszustand mit optimaler Verbrennung arbeitet, wird die jeweils passende Einspritzmenge im Steuergerät berechnet. Dabei müssen verschiedene Größen berücksichtigt werden. Bei einigen magnetventilgesteuerten Verteilereinspritzpumpen erfolgt die Ansteuerung der Magnetventile für Einspritzmenge und Spritzbeginn über ein separates Pumpensteuergerät PSG.
Funktion
Begrenzungsmenge
•
Externer Momenteneingriff
• 'I
• •
• •
• •
• •
• 'I
•
•
•
•
• • • •
• • • • • • •
• • • • • •
• 'I
•
• • • • • • • • • • • • • • • •
• • •
• • • • • • • • •
• 'I
•
•
• 'I
•
. 1), 'I
•
• • 'I
. '1
Fahrgesc hwi nd igkeits-
begren zurig Fahrgesc hwi nd igkeits-
Zw isc hend rehzahl regelu ng
• 'I
Akt ive Ruckeldäm pfung
• 'I
• • • • • •
• 'I
•
regelu rig Höhen korr ektur Laded ru ckregel ung Leerlau fregel ung
BIP-Regel ung Einlasskanalabschaltu ng Elekt ro nische Wegfahrsperre Gesteu er te Vorei nspri t zu ng GIühzeit steuer ung
• 'I
KIimaabschal tu ng
• 'I
Kühl mitt elzusatz heiz ung
• 'I
Laufru heregel ung
• 'I
Mengenausgleichsregel ung
• 'I
Lütteransteueru ng Tabelle 1
Regelung der Abgasrück-
'I
f ührung
Nur HubschieberReiheneinspritzpumpen
'I 'I
nur Pkw nur Nkw
Spri t zbeginnregelung mi t Sensor Zylinderabschal tu ng
• • • •
•'I
•
• 'I • 'I
•
Elektronische Dieselregelung
D
Be rec hnung der Ein sprit zung im Steuergerät
Anforderungen Fahrpedalsensor (Vorgabe des Fahrers)
Fahrgeschwindigkeitsregler, Fahrgeschwindigkeitsbegrenzer
I Vorgabe von anderen Systemen (z. B. ABS, ASR, ESP)
l CAN Berechnungen Externer Momenteneingriff
I
Auswahl der gewünschten Einspritzmenge +1-
Leerlaufregler (LLR) bzw. Mengenausgleichsregler (MAR)
Begrenzungsmenge
Laufruheregler
Aktiver Ruckeldämpfer
+
I
+
I Start Startmenge
l,
,
Fahrbetrieb
Schalter
Regelung Spritzbeginn bzw. Förderbeginn
Mengenzumessung (Pumpenkennfeld)
I Ansteuerungen
Ansteuerung Spritzversteller
Ansteuerung der Magnetventile
Signal an Pumpensteuergerät
I
Regelung der Einspr itz ung
I
Tl
78
I
Elektronische Dieselregelung
I
Regelung der Einsprit zung
Startmenge
Beim Starten wird die Einspritzmenge abhängig von der Kühlmitteltemperatur und der Drehzahl berechnet. Die Signale für die Startmenge werden vom Einschalten des Fahrtschalters (Bild 1, Schalter geht in Stellung "Start") bis zum Erreichen einer Mindestdrehzahl ausgegeben. Der Fahrer hat auf die Startmenge keinen Einfluss. Fahrbetrieb
Im normalen Fahrbetrieb wird die Einspritzmenge abhängig von Fahrpedalstellung (Fahrpedalsensor) und Drehzahl berechnet (Bild 1, Schalterstellung "Fahrbetrieb"). Die Berechnung stützt sich auf Kennfelder, die auch andere Einflussgrößen berücksichtigen (z. B. Kraftstoff-, Kühlmittel- und Ansauglufttemperatur). Fahrerwunsch und Motorleistung sind somit bestmöglich aufeinander abgestimmt.
Die Leerlaufregelung muss bei der Einregelung der vorgegebenen Solldrehzahl mit sehr stark schwankenden Anforderungen zurechtkommen. Der Leistungsbedarf der vom Motor angetriebenen Nebenaggregate ist in weiten Grenzen variabel. Der Generator beispielsweise nimmt bei niedriger Bordspannung viel mehr Leistung auf als bei hoher; hinzu kommen Anforderungen des Klimakompressors, der Lenkhilfepumpe, der Hochdruckerzeugung für die Dieseleinspritzung usw. Zu diesen externen Lastmomenten kommt noch das interne Reibmoment des Motors, das stark von der Motortemperatur abhängt und ebenfalls vom Leerlaufregler ausgeglichen werden muss. Zum Einregeln der Leerlauf-Solldrehzahl passt der Leerlaufregler die Einspritzmenge so lange an, bis die gemessene Istdrehzahl gleich der vorgegebenen Solldrehzahl ist.
Leerlaufregelung
Aufgabe der Leerlaufregelung (LLR)ist es, im Leerlaufbei nicht betätigtem Fahrpedal eine definierte Solldrehzahl einzuregeln. Diese Solldrehzahl kann je nach Betriebszustand des Motors variieren; so wird zum Beispiel bei kaltem Motor meist eine höhere Leerlaufdrehzahl eingestellt als bei wannem Motor. Zusätzlich kann Z.B.bei zu niedriger Bordspannung, eingeschalteter Klimaanlage oder rollendem Fahrzeug ebenfalls die Leerlauf-Solldrehzahl angehoben werden. Da der Motor im dichten Straßenverkehr relativ häufig im Leerlauf betrieben wird (z.B. "Stop and Go" oder Halt an Ampeln), sollte die Leerlaufdrehzahl aus Emissions- und Verbrauchsgründen möglichst niedrig sein. Dies bringt jedoch Nachteile für die Laufruhe des Motors und für das Anfahrverhalten mit sich.
Enddrehzahlregelung (Abregelung)
Aufgabe der Enddrehzahlregelung (auch Abregelung genannt) ist es, den Motor vor unzulässig hohen Drehzahlen zu schützen. Der Motorhersteller gibt hierzu eine zulässige Maximaldrehzahl vor, die nicht für längere Zeit überschritten werden darf, da sonst der Motor geschädigt wird. Die Abregelung reduziert die Einspritzmenge oberhalb des Nennleistungspunktes des Motors kontinuierlich. Kurz oberhalb der maximalen Motordrehzahl findet keine Einspritzung mehr statt. Die Abregelung muss aber möglichst weich erfolgen, um ein ruckartiges AbregeIn des Motors beim Beschleunigen zu verhindern (Rampenfunktion). Dies ist umso schwieriger zu realisieren, je dichter Nennleistungspunkt und Maximaldrehzahl zusammenliegen.
Elektronische Dieselregelung
Zwischendrehzahlregelung
Die Zwischendrehzahlregelung (ZDR)wird für Nkw und Kleinlaster mit Nebenabtrieben (z. B. Kranbetrieb) oder für Sonderfahrzeuge (z. B. Krankenwagen mit Stromgenerator) eingesetzt. Ist sie aktiviert, wird der Motor auf eine lastunabhängige Zwischendrehzahl geregelt. Die Zwischendrehzahlregelung wird über das Bedienteil der Fahrgeschwindigkeitsregelung bei Fahrzeugstillstand aktiviert. Auf Tastendruck lässt sich eine Festdrehzahl im Datenspeicher abrufen. Zusätzlich lassen sich über dieses Bedienteil beliebige Drehzahlen vorwählen. Des Weiteren wird sie bei Pkw mit automatisiertem Schaltgetriebe (z. B. Tiptronic) zur Regelung der Motordrehzahl während des Schaltvorgangs eingesetzt.
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Regelung der Einspritz ung
Bei ausgeschaltetem Fahrgeschwindigkeitsregler kann mithilfe der Wiederaufnahmestellung des Bedienhebels die letzte gültige Soll-Geschwindigkeit wieder eingestellt werden. Eine stufenweise Veränderung der SollGeschwindigkeit über die Bedienelemente ist ebenfalls möglich. Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung
Fahrgeschwindigkeitsregelung
Variable Begrenzung Die Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung (FGB, auch Limiter genannt) begrenzt die maximale Geschwindigkeit auf einen eingestellten Wert, auch wenn das Fahrpedal weiter betätigt wird. Dies ist vor allem bei leisen Fahrzeugen eine Hilfe für den Fahrer, der damit Geschwindigkeitsbegrenzungen nicht unabsichtlich überschreiten kann.
Der Fahrgeschwindigkeitsregler (auch Tempomat genannt) ermöglicht das Fahren mit konstanter Geschwindigkeit. Er regelt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf einen gewünschten Wert ein, ohne dass der Fahrer das Fahrpedal betätigen muss. Dieser Wert kann über einen Bedienhebel oder über Lenkradtasten eingestellt werden. Die Einspritzmenge wird so lange erhöht oder verringert, bis die gemessene Ist-Geschwindigkeit der eingestellten SollGeschwindigkeit entspricht.
Die Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung begrenzt zu diesem Zweck die Einspritzmenge entsprechend der maximalen Soll-Geschwindigkeit, Sie wird durch den Bedienhebel oder durch "Kick-down" abgeschaltet. Die letzte gültige Soll-Geschwindigkeit kann mit Hilfe der Wiederaufnahmestellung des Bedienhebels wieder aufgerufen werden. Eine stufenweise Veränderung der Soll-Geschwindigkeit über den Bedienhebel ist ebenfalls möglich.
Bei einigen Fahrzeugapplikationen kann durch Betätigen des Fahrpedals über die momentane Soll-Geschwindigkeit hinaus beschleunigt werden. Wird das Fahrpedal wieder losgelassen, regelt der Fahrgeschwindigkeitsregler die letzte gültige Soll-Geschwindigkeit wieder ein. Tritt der Fahrer bei eingeschaltetem Fahrgeschwindigkeitsregler auf das Kupplungs- oder Bremspedal, so wird der Regelvorgang abgeschaltet. Bei einigen Applikationen kann auch über das Fahrpedal ausgeschaltet werden.
Feste Begrenzung In vielen Staaten schreibt der Gesetzgeber feste Höchstgeschwindigkeiten für bestimmte Fahrzeugklassen vor (z.B. für schwere Nkw). Auch die Fahrzeughersteller begrenzen die maximale Geschwindigkeit durch eine feste Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung. Sie kann nicht abgeschaltet werden. Bei Sonderfahrzeugen können auch fest einprogrammierte Geschwindigkeitsgrenzen vom Fahrer augewählt werden (z. B. wenn bei Müllwagen Personen auf den hinteren Trittflächen stehen).
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Elektronische Dieselregelung
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Regelung der Einsprit zung
Aktive Ruckeldämpfung
Bei plötzlichen Lastwechseln regt die Drehmomentänderung des Motors den Fahrzeugantriebsstrang zu Ruckelschwingungen an. Fahrzeuginsassen nehmen diese Ruckelschwingungen als unangenehme periodische Beschleunigungsänderungen wahr (Bild 2, Kurve a). Aufgabe des Aktiven Ruckeldämpfers (ARD) ist es, diese Beschleunigungsänderungen zu verringern (b). Dies geschieht durch zwei getrennte Maßnahmen: .. Bei plötzlichen Änderungen des vom Fahrer gewünschten Drehmoments (Fahrpedal) reduziert eine genau abgestimmte Filterfunktion die Anregung des Triebstrangs (1). .. Schwingungen des Triebstrangs werden anhand des Drehzahlsignals erkannt und über eine aktive Regelung gedämpft. Diese reduziert die Einspritzmenge bei ansteigender Drehzahl und erhöht sie bei fallender Drehzahl, um so den entstehenden Drehzahlschwingungen entgegenzuwirken (2).
Beispiel des Aktiven Rucke ldäm pfers (ARD)
Laufruheregelung/Mengenausgleichsregelung
Nicht alle Zylinder eines Motors erzeugen bei einer gleichen Einspritzdauer das gleiche Drehmoment. Dies kann an Unterschieden in der Zylinderverdichtung, Unterschieden in der Zylinderreibung oder Unterschieden in den hydraulischen Einspritzkomponenten liegen. Folge dieser Drehmomentunterschiede ist ein unrunder Motorlaufund eine Erhöhung der Motoremissionen. Die Laufruheregelung (LRR)bzw. die Mengenausgleichsregelung (MAR)haben die Aufgabe, solche Unterschiede anhand der daraus resultierenden Drehzahlschwankungen zu erkennen und über eine gezielte Anpassung der Einspritzmenge des betreffenden Zylinders auszugleichen. Hierzu wird die Drehzahl nach der Einspritzung in einen bestimmten Zylinder mit einer gemittelten Drehzahl verglichen. Liegt die Drehzahl des betreffenden Zylinders zu tief, wird die Einspritzmenge erhöht; liegt sie zu hoch, muss die Einspritzmenge reduziert werden (Bild 3).
Be ispiel der Laufruheregelung (L RR)
Solldrehzahl. 800 min -1
rnlrv'
t 1000
•
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l' 0 15
Istdrehzahlen : Zyl. 1 Z~.2 min- 1 800 790
800
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25
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:? m
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Ruckeldämpfer mit aktivem Ruckel-
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dämpfer Filterfunk tion aktive Korrektur
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Einspritzmenge 0
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Elektronische Dieselregelung
Die Laufruheregelung ist eine Komfortfunktion, deren primäres Ziel die Verbesserung der Motorlaufruhe im Bereich der Leerlaufdrehzahl ist. Die Mengenausgleichsregelung soll zusätzlich zur Komfortverbesserung im Leerlauf die Emissionen im mittleren Drehzahlbereich durch eine Gleichstellung der Einspritzmengen der Motorzylinder verbessern. Für Nkw wird die Mengenausgleichsregelung auch AZG (Adaptive Zylindergleichstellung) bzw. SRC(Smooth Running Control) genannt. Begrenzungsmenge
Würde immer die vom Fahrer gewünschte oder physikalisch mögliche Kraftstoffmenge eingespritzt werden, könnten folgende Effekte auftreten: li>- zu hohe Schadstoffemissionen, li>- zu hoher Rußausstoß, li>- mechanische Überlastung wegen zu hohem Drehmoment oder Überdrehzahl, li>- thermische Überlastung wegen zu hoher Abgas-, Kühlmittel-, Öl- oder Turboladertemperatur oder li>- thermische Überlastung der Magnetventile durch zu lange Ansteuerzeiten. Um diese unerwünschten Effekte zu vermeiden, wird eine Begrenzung aus verschiedenen Eingangsgrößen gebildet (z. B. angesaugte Luftmasse, Drehzahl und Kühlmitteltemperatur). Die maximale Einspritzmenge und damit das maximale Drehmoment werden somit begrenzt. Motorbremsfunktion
Beim Betätigen der Motorbremse von Nkw wird die Einspritzmenge alternativ entweder auf Null- oder Leerlaufmenge eingeregelt. Das Steuergerät erfasst für diesen Zweck die Stellung des Motorbremsschalters.
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Regelung der Einspritz ung
Höhenkorrektur
Mit steigender Höhe nimmt der Atmosphärendruck ab. Somit wird auch die Zylinderfüllung mit Verbrennungsluft geringer. Deshalb muss die Einspritzmenge reduziert werden. Würde die gleiche Menge wie bei hohem Atmosphärendruck eingespritzt, käme es wegen Luftmangel zu starkem Rauchausstoß. Der Atmosphärendruck wird vom Umgebungsdrucksensor im Steuergerät erfasst. Damit kann die Einspritzmenge in großen Höhen reduziert werden. Der Atmosphärendruck hat auch Einfluss auf die Ladedruckregelung und die Drehmomentbegrenzung. Zylinderabschaltung
Wird bei hohen Motordrehzahlen ein geringes Drehmoment gewünscht, muss sehr wenig Kraftstoff eingespritzt werden. Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung des Drehmoments ist die Zylinderabschaltung. Hierbei wird die Hälfte der Injektoren abgeschaltet (UIS-Nkw,UPS, CR-System). Die verbleibenden Injektoren spritzen dann eine entsprechend höhere Kraftstoffmenge ein. Diese Menge kann mit höherer Genauigkeit zugemessen werden. Durch spezielle Software-Algorithmen können weiche Übergänge ohne spürbare Drehmomentänderungen beim Zu- und Abschalten der Injektoren erreicht werden.
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Elektronische Dieselregelung
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Regelung der Einsprit zung
Injektormengenabgleich
Um die hohe Präzision des Einspritzsystems weiter zu verbessern und über die Fahrzeuglebensdauer zu gewährleisten, kommen für Common Rail (CR)- und UISj UPS-Systeme neue Funktionen zum Einsatz. Für den Injektonnengenabgleich (IMA) wird innerhalb der Injektorfertigung fürjeden Injektoreine Vielzahl von Messdaten erfasst, die in Form eines Datenmatrix-Codes aufden Injektor aufgebracht werden. Beim Piezo -Inline- Injektorwerden zusätzlich auch Informationen über das Hubverhalten des Schaltventils (bestehend aus eigentlichem Ventil, Koppler und Aktor) hinzugefügt. Diese Zusatzinformationen bestehen aus der ISA-Klasse (InjektorSpannungsabgleich) und stellen sicher, dass der Injektor genau mit derindividuell passenden Spannung angesteuertwird. Siewerden während der Fahrzeugfertigungin das Steuergerät übertragen. Während des Motorbetriebs werden diese Werte zur Kompensation von Abweichungen im Zumess- undSchaltverhalten verwendet. Nullmengenkalibrierung
Von besonderer Bedeutung für die gleichzeitige Erreichung von Komfort- (Geräuschminderung) und Emissionszielen ist die sichere Beherrschung kleiner Voreinspritzungen über die Fahrzeuglebensdauer. Mengendriften der Injektoren müssen deshalb kompensiert werden. Hierzu werden in CR-Systemen der 2. und 3. Generation im Schubbetrieb gezielt in einen Zylinder eine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt. Der Drehzahlsensor detektiert die daraus entstehende Drehmomentanhebung als kleine dynamische Drehzahländerung. Diese vom Fahrer nicht spürbare Drehmomentsteigerung ist in eindeutiger Weise mit der eingespritzten Kraftstoffmenge verknüpft. Der Vorgang wird nacheinander für alle Zylinder und für verschiedene Betriebspunkte wiederholt. Ein Lernalgorithmus stellt kleinste Veränderungen der Voreinspritzmenge fest und korrigiert die
Ansteuerdauer für die Injektoren entsprechend für alle Voreinspritzungen. Mengenmittelwertadaption
Für die korrekte Anpassung von Abgasrückführung und Ladedruck wird die Abweichung der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge vom Sollwert benötigt. Die Mengenmittelwertadaption (MMA) ermittelt dazu aus den Signalen von LambdaSonde und Luftmassenmesser den über alle Zylinder gemittelten Wert der eingespritzten Kraftstoffmenge. Aus dem Vergleich von Sollwert und Istwert werden Korrekturwerte berechnet (s. "LambdaRegelung für Pkw-Dieselmotoren"). Die Lernfunktion MMAgarantiert im unteren Teillastbereich gleich bleibend gute Emissionswerte über die Fahrzeuglebensdauer. Druckwellenkorrektur
Einspritzungen lösen bei allen CR-Systemen Druckwellen in der Leitung zwischen Düse und Rail aus. Diese Druckschwingungen beeinflussen systematisch die Einspritzmenge späterer Einspritzungen (Vor-jHaupt-jNacheinspritzungen) innerhalb eines Verbrennungszyklus. Die Abweichungen späterer Einspritzungen sind abhängig von den zuvor eingespritzten Mengen und dem zeitlichen Abstand der Einspritzungen, dem Raildruck und der Kraftstofftemperatur. Durch Berücksichtigung dieser Parameter in geeigneten Kompensationsalgorithmen berechnet das Steuergerät eine Korrektur. Allerdings ist für diese Korrekturfunktion ein sehr hoher Applikationsaufwand erforderlich. Als Vorteil erhält man die Möglichkeit, den Abstand von z. B. Vorund Haupteinspritzung flexibel zur Optimierung der Verbrennung anpassen zu können.
Inj ektormengenabl:l eic h
..
lnje ktormengenabglercn
Funk ti on sbesch reibu n g Der Injektormengenabgleich OMA) ist eine Softwarefunktion zu r Steigerung de r Me n-
genzum essgeneuigkelt und gleichzeitig der
aL...t
I
83
----J 18000..
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ln jektor-Gutausbringung arn Mot or. Oie Fu n k-
..
Bild 1 Kennlinien verscneden er Injektoren In Abhangigkelt des Rad·
drucks. Der IMA reocz.ert die
tion hat di e Au fga be, di e Einspritzmenge fu r jed en Inj ektor e ines Cä-Svstem s im gesam-
Streu brei re der Kenn-
ten Kennfeld bete ich i ndividuell au f de n So ll
linien.
we rt zu ko rr igier en . Dad urch erg ib t s ic h e ine
Einspr«zzell - . . .
Red u ktion d er Sys te m tele ranzen un d des
EMI Emspnumengen· indikator
Ermssionsst reubendes . Oie rür di e IMA ben ötigt en Abg leic hw ert e s te ll en di e Differ en z
BerOclGlchtl gung der Matnx cer der EInaomzoerecnn ung
zum So llwert d es jew e il ige n wer ks p ruf pu nktes dar un d w erd en in versc hlüsselter Form
Solimenge Q
au f jed en Inj ektor beschriftet. Mithilfe e ines Korrekturkennfeld es, da s
•
Ansleuerdauer-
mit d en Abg le ic hwe rte n ei ne Korrekturme nge er rec hne t, w ird d er g esamte motorisch rel evan t e Be re ic h korrigiert. Am Band ·
Ans teuerdauerkennfeld
ende d es Auto mo b il he rste lle rs werden die
Eü c -Abgfetchw erte d er verbauten Inje kt o re n und di e Zuo rd nu ng zu d en Zyli nd e rn ü ber
Eo l. Progre mmferung in das Steue rgerät pro-
parermare-ccce
g ram m ie rt. Auc h bei ei ne m Injektoraus-
Klarsohrlft-Code
t ausch in d er Kund endi en stwerkstatt werden
~
di e Abglei chwer te neu pro grammiert. I
A fruektonndtvrduell A InlektonndlVIduell InlekronndlVlduell
Not w en d igk ei t dieser Funktion Di e technisch en Au fw end u nge n für ei ne we iter e Eine ngu ng d er Fertigun gst o leranzen von Inj ek tor en s teige n ex po ne ntiell und e rsc he inen fin an ziell un wir tschaftlich. Der IMA ste llt d ie zielfü hrende l ösung da r, di e Gu taus b r ingu ng zu e r hö he n und gle ic hze itig di e motori -
EEPROM
lruektonndrvrduejl
a
Z}'1 inder 1
AbglalChwette
Bild 2 Zylinder "
Berechnung der lnjek-
Zylinder 3
tor-Ansteuerdauer aus
Zylinder 4
Sollmenge , Ralldruck und Korrekturwerten
Prozess kette
BOSCH
sc he Men gen zumessgen aui gk eit und d amit d ie Emi ssio nen zu ver bes se rn. M essw ert e bei der Prüfun g Bei de r Band endeprüfung wi rd jeder Injek t or an mehr er en Punkten , die repräsentat iv fur das St reuve rh alte n d ies es Inje ktortyps sind, ge mess en , An di esen Punkten we rden d ie
Bild 3
Abw e khungen zu m So l lwe r t (A bg le ic hw er t e)
Dar!;tellung der Pro-
ber ec hn et u nd ans c hließend auf d em Inje k-
zesskette 'KJm InJektor'
torkop f be sc hr ift et.
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Programmierung beim Fahrzeughersreller
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Elektronische Dieselregelung
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Lam bda-Rege lung
Lambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren Anwendung Die gesetzlich vorgeschriebenen Abgasgrenzwerte für Fahrzeuge mit Dieselmotoren werden zunehmend verschärft. Neben der Optimierung der innennotorischen Verbrennung gewinnen die Steuerung und die Regelung abgasrelevanter Funktionen zunehmend an Bedeutung. Ein großes Potenzial zu Verringerung der Emissionsstreuungen von Dieselmotoren bietet hier die Einführung der LambdaRegelung.
Die Breitband-Lambda-Sonde im Abgasrohr (Bild 1, Pos. 7) misst den Restsauer-
stoffgehalt im Abgas. Daraus kann auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Luftzahl A) geschlossen werden. Das Signal der LambdaSonde wird während des Motorbetriebs adaptiert. Dadurch wird eine hohe Signalgenauigkeit über deren Lebensdauer erreicht. Auf dieses Signal bauen verschiedene Lambda- Funktionen auf, die in den folgenden Abschnitten erklärt werden. Für die Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren werden Lambda-Regelkreise eingesetzt. Die Lambda- Regelung eignet sich für alle Pkw-Einspritzsysteme mit Motorsteuergeräten ab der Generation EDC16.
Systemübersich t der Lambda- Regelung für Pkw -Dieselmot ore n (Beispiel )
BOSCH
0
Elektronische Dieselregelung
Grundfunktionen
Druckkompensation Das Rohsignal der Lambda-Sonde hängt von der Sauerstoffkonzentration im Abgas sowie vom Abgasdruck am Einbauort der Sonde ab. Deshalb muss der Einfluss des Drucks auf das Sondensignal ausgeglichen (kompensiert) werden. Die Funktion Druckkompensation enthält je ein Kennfeld für den Abgasdruck und für die Druckabhängigkeit des Messsignals der Lambda-Sonde. Mithilfe dieser Modelle erfolgt die Korrektur des Messsignals bezogen auf den jeweiligen Betriebspunkt. Adaption Die Adaption der Lambda-Sonde berücksichtigt im Schub die Abweichung der gemessenen Sauerstoffkonzentration von der Frischluft-Sauerstoffkonzentration (ca. 21 %). So wird ein Korrekturwert "erlernt". Mit dieser erlernten Abweichung kann injedem Betriebspunkt des Motors
die gemessene Sauerstoffkonzentration korrigiert werden. Damit liegt über die gesamte Lebensdauer der Lambda-Sonde ein genaues, driftkompensiertes Signal vor. Lambda-basierte Regelung der Abgasrückführung
Die Erfassung des Sauerstoffgehalts im Abgas ermöglicht - verglichen mit einer luftmassenbasierten Abgasrückführung ein engeres Toleranzband der Emissionen über die Fahrzeugflotte. Damit können im Abgastest für zukünftige Grenzwerte ca. 10 ...20 % Emissionsvorteil gewonnen werden. Mengenmittelwertadaption Die Mengenmittelwertadaption liefert ein genaues Einspritzmengensignal für die Sollwertbildung abgasrelevanter Regelkreise. Den größten Einfluss auf die Emissionen hat dabei die Korrektur der Abgasrückführung.
Pri nzipie Iier Ablauf d er Mengen mittelwe rtadap tion inder Betriebsart "I nd irect Control"
Motor
Steuergerät
Lambda-Sonde
HeißfilmLufbnassenmesser
+
+
Einspritzsystem
Motordrehzahlsensor
Turbolader
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Lambda-Regelung
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Elektronische Dieselregelung
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Lambda- Regelung
Die Mengenmittelwertadaption arbeitet im unteren Teillastbereich. Sie ermittelt eine über alle Zylinder gemittelte Mengenabweichung.
Grundsätzlich gibt es zwei Betriebsarten der Mengenmittelwertadaption, die sich in der Verwendung der ermittelten Mengenabweichung unterscheiden:
Bild 2 (vorherige Seite) zeigt die grundsätzliche Struktur der Mengenmittelwertadaption und deren Eingriff auf die abgasrelevanten Regelkreise.
Betriebsart .Jtulirect comrot" In der Betriebsart Indired Control (Bild 2) wird ein genauer Einspritzmengensollwert als Eingangsgröße in verschiedene abgasrelevante Soll-Kennfelder verwendet. Die Einspritzmenge selbst wird in der Zumessung nicht korrigiert.
Aus dem Signal der Lambda-Sonde und dem Luftmassensignal wird die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmasse berechnet. Die berechnete Kraftstoffmasse wird mit dem Einspritzmassensollwert verglichen. Die Differenz wird in einem Adaptionskennfeld in definierten .Lernpunkten" gespeichert. Damit ist sichergestellt, dass eine betriebspunktspezifische Einspritzmengenkorrektur auch bei dynamischen Zustandsänderungen ohne Verzögerung bestimmt werden kann. Die Korrekturmengen werden im EEPROM des Steuergeräts gespeichert und stehen bei Motorstart sofort zur Verfügung.
Betriebsart .Direct comrot" In der Betriebsart Direct Controlwird die Mengenabweichung zur Korrektur der Einspritzmenge in der Zumessung verwendet, sodass die wirklich eingespritzte Kraftstoffmenge genauermit der Soll-Einspritzmenge übereinstimmt. Hierbei handelt es sich (gewissennaßen) um einen geschlossenen Mengenregelkreis.
Prinzipieller Ab lauf der Volllastrauch begrenzung mit hiIfe der Lambda- Regelung
Motor
Steuergerät
HeißfilmLuhmassenmesser
Motordrehzahlsensor
Haud-b renz
Einspritzsystem
smen e
Elektronische Dieselregelung
Volliastrauchbegrenzung
Zusammenfassung
Bild 3 zeigt das Prinzipbild der Regelstruktur für die Vo111astrauchbegrenzung mit einer Lambda-Sonde. Ziel ist die Ermittlung der maximalen Kraftstoffmenge, die eingespritzt werden darf, ohne einen bestimmten Rauchwert zu überschreiten.
Mit einer lambdabasierten Abgasrückführung kann die Emissionsstreuung einer Fahrzeugflotte aufgrund von Fertigungstoleranzen oder Alterungsdrift wesentlich reduziert werden. Hierfür wird die Mengenmittelwertadaption eingesetzt.
Mit den Signalen des Luftmassenmessers und des Motordrehzahlsensors wird der Lambda-SollwertAsoLL über ein Rauchbegrenzungskennfeld ermittelt. Aus diesem Wert wird zusammen mit der Luftmasse der Vorsteuerwert für die maximal zulässige Einspritzmenge errechnet.
Die Mengenmittelwertadaption liefert ein genaues Einspritzmengensignal für die Sollwertbildung abgasrelevanter Regelkreise. Dadurch wird die Genauigkeit dieser Regelkreise erhöht. Den größten Einfluss auf die Emissionen hat dabei die Korrektur der Abgasrückführung.
Dieser heute in Serie realisierten Steuerung wird eine Lambda-Regelung überlagert. Der Lambda- Regler berechnet aus der Differenz zwischen dem LambdaSollwertAsoLL und dem Lambda-Istwert AIS Teine Korrekturkraftstoffmenge. Die Summe aus Vorsteuer- und Korrekturmenge ist ein exakter Wert für die maximale Vo111ast-Kraftstoffmenge.
Zusätzlich kann durch den Einsatz einer Lambda- Regelung die Vo111astrauchmenge exakt bestimmt und eine unerwünschte Verbrennung detektiert werden.
Mit dieser Struktur ist eine gute Dynamik durch die Vorsteuerung und eine verbesserte Genauigkeit durch den überlagerten Lambda- Regelkreis erreichbar. Erkennung unerwünschter Verbrennung
Mithilfe des Signals der Lambda-Sonde kann eine unerwünschte Verbrennung im Schubbetrieb erkannt werden. Diese wird dann erkannt, wenn das Signal der Lambda-Sonde unterhalb eines berechneten Schwellwertes liegt. Bei unerwünschter Verbrennung kann der Motor durch Schließen einer Regelklappe und des Abgasrückführventils abgestellt werden. Das Erkennen unerwünschter Verbrennung stellt eine zusätzliche Sicherheitsfunktion für den Motor dar.
Die hohe Genauigkeit des Signals der Lambda-Sonde ermöglicht darüber hinaus die Darstellung eines Lambda-Regelkreises für die Regeneration von NOxSpeicher-Katalysatoren.
I Lambda-Regelung I
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Regeln und Steuern
satz zur Steuerung berücksichtigt eine Rege-
Anwendung Die Funktionen Regeln und Steuern haben für
lung den Einfluss aller Störgrößen (Z1, Z2) im
die verschiedenen Systeme im Kraftfahrzeug
Regelkreis. Beispiele für Regelsysteme im Kfz
eine herausragende Bedeutung.
sind:
Die Benennung Steuerung erfolgt vielfach
li>- Lambda-Regelung,
nicht nur für den Vorgang des Steuerns,
li>- Leerlaufdrehzahlregelung,
sondern auch für die Gesamtanlage, in der
li>- ABS-j ASR-jESP-Regelung,
die Steuerung stattfindet (deshalb auch die
li>- Klimaregelung (Innenraumtemperatur).
generelle Benennung Steuergerät, obwohl solch ein Gerät auch die Regelung vornimmt). Demnach laufen in den Steuergerä-
Steuern Das Steuern bzw. die Steuerung ist der Vor-
ten Rechenprozesse sowohl für Steuerungs-
gang in einem System, bei dem eine oder
ais auch für Regelungsaufgaben ab.
mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen aufgrund der dem System eigentüm -
Regeln
lichen Gesetzmäßigkeit beeinflussen. Kenn-
Das Regeln bzw. die Regelung ist ein Vor-
zeichen für das Steuern ist der offene Wir-
gang, bei dem eine Größe (Regelgröße x)
kungsablauf über das einzelne Übertragungs-
fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe
glied oder die Steuerkette.
(Fuhnmgsgröße
wd
verglichen und abhängig
nung von Gliedern, die in Kettenstruktur auf-
ner Angleichung an die Führungsgröße be-
einander einwirken. Sie kann als Ganzes
einflusst wird. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf findet in einem geschlosse-
innerhalb eines übergeordneten Systems mit weiteren Systemen in beliebigem wirkungs-
nen Kreis (Regelkreis) statt. Die Regelung hat die Aufgabe, trotz stö-
gemäßem Zusammenhang stehen. Durch
render Einflüsse den Wert der Regelgröße
der Störgröße bekämpft werd en, die vom
an den durch die Führungsgröße vorgege-
Steuergerät gemessen wird (z. B.
benen Wert anzugleichen.
Störgrößen (z. B. Z2) wirken sich ungehindert
Der Regelkreis (Bild la) ist ein in sich ge-
Steuerkette Wi rkungsplan einer digitalen Regelung
w x
Führ ungsgro ße
XA
Ste ue rgroß e
y X1.
Reg elg roße Stellgroße 11 Störg roß en
T
Abtastzeit digital e Signal -
A
Analog
werte
o
Digi tal
zd; andere
aus. Beispiele für Steuersysteme im Kfz sind: li>- Elektronische Getriebesteuerung (EGS).
Wirkungsrichtung. Die Regelgröße x wirkt in einer Kreisstruktur im Sinne einer Gegen -
li>- Injektormengenabgleich und Druck-
Regelkreis b
eine Steuerkette kann nur die Auswirkung
schlossener Wirkungsweg mit einsinniger
kopplung auf sich selbst zurück. Im Gegen-
Bild 1
Die Steuerkette (Bild lb) ist eine Anord-
vom Ergebnis dieses Verg leichs im Sinne ei-
Regelungs- und Steuer ungseinrichtungen
wellenkorrektur bei der Einspritzmengenberechnung.
Elektronische Dieselregelung
Momentengeführte EDC-Systeme Die Motorsteuerung wird immer enger in die Fahrzeuggesamtsysteme eingebunden. Fahrdynamiksysteme (z.B. ASR), Komfortsysteme (z. B. Tempomat) und die Getriebesteuerung beeinflussen über den CANBus die Elektronische Dieselregelung EDC. Andererseits werden viele der in der Motorsteuerung erfassten oder berechneten Informationen über den CAN-Bus an andere Steuergeräte weitergegeben. Um die Elektronische Dieselregelung künftig noch wirkungsvoller in einen funktionalen Verbund mit anderen Steuergeräten einzugliedern und weitere Verbesserungen schnell und effektiv zu realisieren, wurden die Steuerungen der neuesten Generation einschneidend überarbeitet. Diese momentengefiihrte Dieselmotorsteuerung wird erstmals ab EDC16 eingesetzt. Hauptmerkmal ist die Umstellung der Modulschnittstellen auf Größen, wie sie im Fahrzeug auch auftreten. Kenngrößen eines Motors
Die Außenwirkung eines Motors kann im Wesentlichen durch drei Kenngrößen beschrieben werden: Leistung P, Drehzahl n und Drehmoment M. Bild 1 zeigt den typischen Verlaufvon Drehmoment und Leistung über der Motordrehzahl zweier Dieselmotoren im Vergleich. Grundsätzlich gilt der physikalische Zusammenhang:
Momentengeführte EDC-Systeme
Momentensteuerung
Der Fahrer fordert beim Beschleunigen über das Fahrpedal (Sensor) direkt ein einzustellendes Drehmoment. Unabhängig davon fordern andere externe Fahrzeugsysteme über die Schnittstellen ein Drehmoment an, das sich aus dem Leistungsbedarf der Komponenten ergibt (z. B.Klimaanlage, Generator). Die Motorsteuerung errechnet daraus das resultierende Motormoment und steuert die Stellglieder des Einspritz- und Luftsystems entsprechend an. Daraus ergeben sich folgende Vorteile: li>- Kein System hat direkten Einfluss auf die Motorsteuerung (Ladedruck, Einspritzung, Vorglühen). Die Motorsteuerung kann so zu den äußeren Anforderungen auch noch übergeordnete Optimierungskriterien berücksichtigen (z.B. Abgasemissionen, Kraftstoffverbrauch) und den Motor dann bestmöglich ansteuern. li>- Viele Funktionen, die nicht unmittelbar die Steuerung des Motors betreffen, können für Diesel- und Ottomotorsteuerungen einheitlich ablaufen. li>- Erweiterungen des Systems können schnell umgesetzt werden. Beispiel des Drehmoment- und Leistungsverlaufs zw eier Pkw-Dieselmoto ren mit ca 2,2 I Hub raum über d er Drehzahl
IN'
.
75
~
5
ti
~
P=2·J(·n·M
Es genügt also völlig, Z.B. das Drehmoment als Führungsgröße unter Beachtung der Drehzahl vorzugeben. Die Motorleistung ergibt sich dann aus der obigen Formel. Da die Leistung nicht unmittelbar gemessen werden kann, hat sich für die Motorsteuerung das Drehmoment als geeignete Führungsgröße herausgestellt.
I
50 25 0
nm
i:
300 E E 200
~
-.
0
•
~
0
100 0
~
0
-
0
~
1000 2000 3000 4000 nun 1 0z Motordrehzahl
z
z
Bild 1
a
Baujahr 1968
b
Bauj ahr 1998
I
89
90
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Elektronische Dieselregelung
I
Momentengef ührte EDC-Syste me
Ablauf der Motorsteuerung
Die Weiterverarbeitung der Sollwertvorgaben im Motorsteuergerät sind in Bild 2 schematisch dargestellt. Zum Erfüllen ihrer Aufgaben benötigen alle Steuerungsfunktionen der Motorsteuerung eine Fülle von Sensorsignalen und Informationen von anderen Steuergeräten im Fahrzeug. Vortriebsmoment Die Fahrervorgabe (d.h. das Signal des Fahrpedalsensors) wird von der Motorsteuerung als Anforderung für ein Vortriebsmoment interpretiert. Genauso werden die Anforderungen der Fahrgeschwindigkeitsregelung und -begrenzung berücksichtigt. Nach dieser Auswahl des Soll-Vortriebsmoments erfolgt gegebenenfalls bei Blockiergefahr eine Erhöhung bzw. bei durchdrehenden Rädern eine Reduzierung des Sollwerts durch das Fahrdynamiksystem (ASR,ESP). Weitere externe Momentanforderungen DieDrehmomentanpassung des Antriebsstrangs muss berücksichtigtwerden (Triebstrangübersetzung). Sie wirdim Wesentlichen durch die Übersetzungsverhältnisse imjeweiligen Gang sowie durch den Wirkungsgrad des Wandlers bei Automatikgetrieben bestimmt. Bei Automatikfahrzeugen gibtdieGetriebesteuerungdieDrehmomentanforderung während des Schaltvorgangs vor, um mitreduziertem Moment ein mögliehstruckfreies, komfortables und zugleich ein das Getriebe schonendes Schalten zu ermöglichen. Außerdem wirdnoch ermittelt, welchen Drehmomentbedarfweitere vom Motor angetriebene Nebenaggregate (z. B. Klimakompressor, Generator, Servopumpe) haben. Dieser Drehmomentbedarfwird aus der benötigten Leistung und Drehzahl entweder von diesen Aggregaten selbstoder von der Motorsteuerung ermittelt, Die Motorsteuerung addiert die Momentenanforderungen auf. Damit ändert sich das Fahrverhalten des Fahrzeugs trotz wechselnder Anforderungen der Aggregate und Betriebszustände des Motors nicht.
Innere Momentanforderungen In diesem Schritt greifen der Leerlaufregler und der aktive Ruckeldämpfer ein. Um Z.B. eine unzulässige Rauchbildung durch zu hohe Einspritzmengen oder eine mechanische Beschädigung des Motors zu verhindern, setzt das Begrenzungsmoment, wenn nötig, den internen Drehmomentbedarfherab. Im Vergleich zu den bisherigen Motorsteuerungssystemen erfolgen die Begrenzungen nicht mehr ausschließlich im Kraftstoff- Mengenbereich, sondern je nach gewünschtem Effekt direkt in der jeweils betroffenen physikalischen Größe. Die Verluste des Motors werden ebenfalls berücksichtigt (z. B. Reibung, Antrieb der Hochdruckpumpe). Das Drehmoment stellt die messbare Außenwirkung des Motors dar. Die Steuerung kann diese Außenwirkung aber nur durch eine geeignete Einspritzung von Kraftstoff in Verbindung mit dem richtigen Einspritzzeitpunkt sowie den notwendigen Randbedingungen des Luftsystems erzeugen (z. B. Ladedruck, Abgasrückführrate). Die notwendige Einspritzmenge wird über den aktuellen Verbrennungswirkungsgrad bestimmt. Die errechnete Kraftstoffmenge wird durch eine Schutzfunktion (z.B. gegen Überhitzung) begrenzt und gegebenenfalls durch die Laufruheregelung verändert. Während des Startvorgangs wird die Einspritzmenge nicht durch externe Vorgaben (wie z. B. den Fahrer) bestimmt, sondern in der separaten Steuerungsfunktion "Startmenge" berechnet. Ansteuerung der Aktoren Aus dem schließlich resultierenden Sollwert für die Einspritzmenge werden die Ansteuerdaten für die Einspritzpumpen bzw. die Einspritzventile ermittelt sowie der bestmögliche Betriebspunkt des Luftsystems bestimmt.
Elektronische Dieselregelung
I
Mo ment engefü hrte EDC-Systeme
A bla uf der Mot o rsteuerung bei der momentengeführten Dieselrege lung
Vortriebsmoment Fahrerwunsch : - Fahrpedalsensor, - Fahrgeschwindigkeitsregelung , - Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung. Sensorsignale
Vorgabe des Fahrdynamiksystems: -ASR, - ESP.
----
..
Auswahl des SollVortriebsmoments
----
..
Koordinati on des Vortriebsmoments
+
Datenaustausch
.j,
Weitere externe Momentanforderungen
I Triebstrangübersetzung I V orgabe des G etriebesteu ergeräts
----
Motorbelastung durch Nebenaggregate
----
~
Koordination des Antriebstrangmoments
~
Steuerung des Motormoments (innere Funktionen)
.. ..
Innere Momentanforderungen
I Leerlaufregelung I I Aktiver Ruckeldämpfer I I Begren zungsmoment I
~
'"
~
Startmenge
I Wirkungsgrad Motor I I Laufruheregelung
Begren zungsmenge
I I I
...
~ ~
Vorgabe: - Ladedruck, - Abgasrückführrate, Externe Vorgaben
D Interne
Abläufe
••• Datenübertragung mit CAN mäglidl
... Luftsystem - Lader , - Abgasrückführung.
I,
Star t " Mengenvorgabe
,
I Fahrbetrieb
~
Ansteuerung der Aktoren
D
W W W
I
I
Vorgabe: - Förderbeginn , - Spritzversteller, - Raildruck, ... Ge nach System).
...
l"JIR~1
Einspritzsystem - Einspritzpumpe, - Injektoren.
lffi~ffi ~
I
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92
I
Elektronische Dieselregelung
I
Datenaustausch mit andere n Systeme n
Datenaustausch mit anderen Systemen Kraftstoff-Verbrauchssignal
Das Motorsteuergerät (Bild 1, Pos. 3) ermittelt den Kraftstoffverbrauch und gibt das Signal über CAN an das Kombiinstrument oder einen eigenständigen Bordrechner (6). Dort kann dem Fahrer der momentane Kraftstoffverbrauch oder die Restreichweite angezeigt werden. Ältere Systeme geben das Kraftstoff-Verbrauchssignal als PWM-Signal aus (Puls-WeitenModuliertes Signal). Steuerung des Starters
Der Starter (8) kann vom Motorsteuergerät angesteuert werden. Die EDCstellt damit sicher, dass der Fahrer nicht in den laufenden Motor starten kann. Der Starter wird nur so lange betätigt, wie es notwendig ist, damit der Motor sicher hochläuft. Durch diese Funktion kann der Starter leichter und somit kostengünstiger ausgelegt werden.
Glühzeitsteuergerät GZS
Das Glühzeitsteuergerät (5) erhält vom Motorsteuergerät die Information über Zeitpunkt und Dauer des Glühvorgangs. Das Glühzeitsteuergerät steuert die Glühkerzen an und überwacht den Glühvorgang. Für die Diagnosefunktion meldet es Störungen an das Motorsteuergerät zurück. Die Vorglüh- Kontrollleuchte wird meist vom Motorsteuergerät angesteuert. Elektronische Wegfahrsperre
Um eine unbefugte Benutzung zu verhindern, kann der Motor erst gestartet werden, wenn ein zusätzliches Steuergerät für die Wegfahrsperre (7) das Motorsteuergerät frei schaltet. Der Fahrer kann dem Steuergerät der Wegfahrsperre Z.B. über eine Fernbedienung oder den Glüh-Start-Schalter ("Zündschlüssel") signalisieren, dass er berechtigt ist, das Fahrzeug zu nutzen. Es schaltet dann das Motorsteuergerät frei, sodass Motorstart und Fahrbetrieb möglich sind.
Mög liche Komponen ten f ür den Datenaustausc h mit d er Elekt ronischen Dieselregelung
Bild 1 1
ESP-Steuergerät
2
Getriebesteuergerät
3
Motorsteuergerät
4
Klimasteuergerät
5
Glühzeitsteuergerät
6
Kombiins trument
( mit ABS und ASRj
(ED e )
mit Bo rd rech ner 7
Steuergerät der Wegfahrsperre
8
Starter
9
Generator
10 Klimakompressor
Elektronische Dieselregelung
Externer Momenteneingriff Beim externen Momenteneingriffwird die Einspritzmenge von einem anderen Steuergerät (z.B. für Getriebesteuerung, ASR) beeinflusst. Es teilt dem Motorsteuergerät mit, ob und um wie viel das Drehmoment des Motors (und damit die Einspritzmenge) geändert werden soll. Steuerung des Generators Über eine genormte serielle Schnittstelle kann die EDC den Generator (9) fernsteuern und überwachen. Eine Steuerung der Regelspannung ist genauso möglich wie das komplette Abschalten des Generators. Das Ladeverhalten des Generators kann, Z.B.bei schwacher Batterie, durch eine Anhebung der Leerlaufdrehzahl unterstütztwerden. Auch eine einfache Diagnose des Generators ist über diese Schnittstelle möglich. Klimaanlage Um bei hohen Außentemperaturen eine angenehme Innentemperatur zu erhalten, kühlt die Klimaanlage die Luft für den Fahrzeuginnenraum mithilfe eines Klimakompressors (10) ab. Sein Leistungsbedarf kann je nach Motor und Fahrsituation bis zu 30 % der Motorleistung betragen. Sobald der Fahrer das Fahrpedal ganz durchdrückt oder rasch betätigt (und damit also ein maximales Drehmoment wünscht), kann der Klimakompressor kurzzeitig vom Motorsteuergerät abgeschaltet werden. Dadurch steht die volle Motorleistung für den Antrieb zur Verfügung. Da nur kurzzeitig abgeschaltet wird, hat dies keinen merklichen Einfluss auf die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs.
I
Seriell e Datenübertragung mit CAN
Serielle Datenübertragung mit CAN Kraftfahrzeuge sind mit einer ständig wachsenden Zahl von elektronischen Systemen ausgestattet. Diese benötigen einen intensiven Daten- und Informationsaustausch, wobei die Anforderungen an Datenmengen und Geschwindigkeit immer größer werden. CAN(Controller Area Network) ist ein speziell für die Anwendung im Kraftfahrzeug entwickeltes lineares Bussystem (Bild 1). Es wird inzwischen auch in anderen Bereichen eingesetzt (z.B. in der Haustechnik). Die Daten werden auf einer gemeinsamen (Bus-)Leitung seriell, d.h. hintereinander übertragen. Alle CAN-Teilnehmer haben Zugriff auf den Bus. Über eine CANSchnittstelle in den Steuergeräten können diese Stationen Daten senden und empfangen. Durch die vernetzung werden wesentlich weniger Leitungen benötigt, da auf einer Busleitung eine Vielzahl Daten ausgetauscht werden können und die Daten mehrfach gelesen werden können. Bei herkömmlichen Systemen erfolgt der Datenaustausch über einzeln zugeordnete Datenleitungen von Punkt zu Punkt. Lineare Busst rukt ur
Gelriebesleuerung station 1
Molorsleuen.ng
stat ion 2
~
~ ~ ABS/ASR/ESP
station 3
Kombilllsiruneni ~ station 4 @
§
I
93
94
I
Diagnose
I
Überwachung im Fahr bet r ieb (On- Board-Diagnose)
Diagnose Die Zunahme der Elektronik im Kraftfahrzeug, die Nutzung von Software zur Steuerung des Fahrzeugs und die erhöhte Komplexität moderner Einspritzsysteme stellen hohe Anforderungen an das Diagnosekonzept, die Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) und die Werkstattdiagnose (Bild 1). Basis der Werkstattdiagnose ist die geführte Fehlersuche, die verschiedene Möglichkeiten von Onboard- und Offboard-Prüfmethoden und Prüfgeräten verknüpft. Im Zuge der Verschärfung der Abgasgesetzgebung und der Forderung nach laufender Überwachung hat auch der Gesetzgeber die On-Board-Diagnose als Hilfsmittel zur Abgasüberwachung erkannt und eine herstellerunabhängige Standardisierung geschaffen. Dieses zusätzlich installierte System wird OBD-System (On Board Diagnostic System) genannt.
Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Oiagnose) Übersicht
Die im Steuergerät integrierte Diagnose gehört zum Grundumfang elektronischer Motorsteuerungssysteme. Neben der Selbstprüfung des Steuergeräts werden Ein- und Ausgangssignale sowie die Kommunikation der Steuergeräte untereinander überwacht. Unter einer On-Board-Diagnose des elektronischen Systems ist die Fähigkeit des Steuergeräts zu verstehen, sich auch mithilfe der "Software-Intelligenz" ständig selbst zu überwachen, d.h. Fehler zu erkennen, abzuspeichern und diagnostisch auszuwerten. Die On-Board-Diagnose läuft ohne Zusatzgeräte ab. Überwachungsalgorithmen überprüfen während des Betriebs die Eingangs- und Ausgangssignale sowie das Gesamtsystem mit allen Funktionen auf Fehlverhalten und Störungen. Die dabei erkannten Fehler werden im Fehlerspeicher des Steuergeräts abgespeichert. Die abgespeicherte Fehlerinformation kann über eine serielle Schnittstelle ausgelesen werden.
Diagnosesystem
Offbüard-
Pro/gerat
Steuergerate
Diagnose
I
Überwachung im Fahr bet rieb (On- Board-Diagnose)
Überwachung der Eingangssignale
Überwachung der Ausgangssignale
Die Sensoren, Steckverbinder und Verbindungsleitungen (Signalpfad) zum Steuergerät (Bild 2) werden anhand der ausgewerteten Eingangssignale überwacht. Mit diesen Überprüfungen können neben Sensorfehlern auch Kurzschlüsse zur Batteriespannung U Batt und zur Masse sowie Leitungsunterbrechungen festgestellt werden. Hierzu werden folgende Verfahren angewandt: li>- Überwachung der Versorgungsspannung des Sensors (falls vorhanden). li>- Überprüfung des erfassten Wertes auf den zulässigen Wertebereich (z. B.
Die vom Steuergerät über Endstufen angesteuerten Aktoren (Bild 2) werden überwacht. Mit den Überwachungsfunktionen werden neben Aktorfehlem auch Leitungsunterbrechungen und Kurzschlüsse erkannt. Hierzu werden folgende Verfahren angewandt: li>- Überwachung des Stromkreises eines Ausgangssignals durch die Endstufe. Der Stromkreis wird auf Kurzschlüsse zur Batteriespannung U Batt , zur Masse und auf Unterbrechung überwacht. li>- Die Systemauswirkungen des Aktors werden direkt oder indirekt durch eine Funktions- oder Plausibilitätsüberwachung erfasst. Die Aktoren des Systems, z. B. Abgasrückführventil, Drosselklappe oder Drallklappe, werden indirekt über die Regelkreise (z.B. permanente Regelabweichung) undteilweise zusätzlich über Lagesensoren (z.B. die Stellung der Turbinengeometrie beim Turbolader) überwacht.
0,5 ...4,5 V). li>-
li>-
Bei Vorliegen von Zusatzinformationen wird eine Plausibilitätsprüfung mit dem erfassten Wert durchgeführt (z. B. Vergleich Kurbelwellen- und Nockenwellendrehzahl). Besonders wichtige Sensoren (z. B. Fahrpedalsensor) sind redundant ausgeführt. Ihre Signale können somit direkt miteinander verglichen werden.
Systemb ild ei nes elek tronische n Systems ( Beispiel Common Rail)
sensoren Wld Sollwertgeber
Steuergerät
Fahrpedalsensor mit Leergasschalter und Kickdown-SChalter
Sensorauswertung
Drehzahlsensoren (Ktrtelweje, Nockenwelle)
Signalverarbeitung
Drucksensoren (Ladedruck, Raildruck) Temperatursensoren (Ladelutt-, Abgas -, Motortemperatur)
Diagnose
nm Aktoren
Injektoren
'--- ---l'-''O' Rail-Druckregelventil
-j
I I I
Hochdruckpumpe
Atqasncknmsteäer Ladedrucksteller Drosselklappensteller zusätzliche Endstufen
Kommunikation Luftmassemesser
Schalteingänge (Kupplungsschaller, Klemme 15, Fahrgeschwindigkeitsregler)
ISO-SChnittstelle (z. S. Diagnose)
Endstufen
Glühzeitsteuergerät Diagnoselampe CAN
CAN-Schnittstelle
I
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96
I
Diagnose
I
Überwachung im Fahr bet r ieb (On- Board-Diagnose)
Überwachung der internen Steuergerätefunktionen
Damit die korrekte Funktionsweise des Steuergeräts jederzeit sichergestellt ist, sind im Steuergerät Überwachungsfunktionen in Hardware (z.B. "intelligente" Endstufenbausteine) und in Software realisiert. Die Überwachungsfunktionen überprüfen die einzelnen Bauteile des Steuergeräts (z. B. Mikrocontroller, FlashEPROM,RAM). Viele Tests werden sofort nach dem Einschalten durchgeführt. Weitere Überwachungsfunktionen werden während des normalen Betriebs durchgeführt und in regelmäßigen Abständen wiederholt, damit der Ausfall eines Bauteils auch während des Betriebs erkannt wird. Testabläufe, die sehr viel Rechnerkapazität erfordern oder aus anderen Gründen nicht im Fahrbetrieb erfolgen können, werden im Nachlaufnach "Motor aus" durchgeführt. Auf diese Weise werden die anderen Funktionen nicht beeinträchtigt. Beim Common Rail System für Dieselmotoren werden im Hochlauf oder Nachlauf z. B. die Abschaltpfade der Injektoren getestet. Beim Ottomotor wird im Nachlauf z. B. das Flash- EPROMgeprüft. Überwachung der Steuergerätekommunikation
Die Kommunikation mit den anderen Steuergeräten findet in der Regel über den CAN-Bus statt. Im CAN-Protokoll sind Kontrollmechanismen zur Störungserkennung integriert, sodass Übertragungsfehler schon im CAN-Baustein erkannt werden können. Darüber hinaus werden im Steuergerätweitere Überprüfungen durchgeführt. Da die meisten CAN-Botschaften in regelmäßigen Abständen von den jeweiligen Steuergeräten versendet werden, kann z. B. der Ausfall eines CAN-Controllers in einem Steuergerät mit der Überprüfung dieser zeitlichen Abstände detektiert werden. Zusätzlich werden die empfangenen Signale bei Vorliegen von redundanten Infonnationen im Steuergerät anhand dieser Infonnationen wie alle Eingangssignale überprüft.
Fehlerbehandlung
Fehlererkennung Ein Signalpfad wird als endgültig defekt eingestuft, wenn ein Fehler über eine definierte Zeit vorliegt. Bis zur Defekteinstufung wird der zuletzt als gültig erkannte Wert im System verwendet. Mit der Defekteinstufung wird in der Regel eine Ersatzfunktion eingeleitet (z. B. Motortemperatur- Ersatzwert T = 90°C). Für die meisten Fehler ist eine Heilung bzw. Intakt- Erkennung während des Fahrzeugbetriebs möglich. Hierzu muss der Signalpfad für eine definierte Zeit als intakt erkannt werden. Fehlerspeicherung Jeder Fehler wird im nichtflüchtigen Bereich des Datenspeichers in Form eines Fehlercodes abgespeichert. Der Fehlercode beschreibt auch die Fehlerart (z. B. Kurzschluss, Leitungsunterbrechung, Plausibilität, Wertebereichsüberschreitung). Zu jedem Fehlereintrag werden zusätzliche Informationen gespeichert, z. B. die Betriebs- und Umweltbedingungen (Freeze Frame), die bei Auftreten des Fehlers herrschen (z. B. Motordrehzahl, Motortemperatur). Notlauffunktionen (Limp horne) Bei Erkennen eines Fehlers können neben Ersatzwerten auch Notlaufmaßnahmen (z. B. Begrenzung der Motorleistung oder -drehzahl) eingeleitet werden. Diese Maßnahmen dienen li>- der Erhaltung der Fahrsicherheit, li>- der Vermeidung von Folgeschäden oder li>- der Minimierung von Abgasemissionen.
Diagnose
On Board Diagnostic System für Pkw und leichte Nkw Damit die vom Gesetzgeber geforderten Emissionsgrenzwerte auch im Alltag eingehalten werden, müssen das Motorsystem und die Komponenten ständig überwacht werden. Deshalb wurden - beginnend in Kalifornien - Regelungen zur Überwachung der abgasrelevanten Systeme und Komponenten erlassen. Damit wird die herstellerspezifische On-Board- Diagnose hinsichtlich der Überwachung emissionsrelevanter Komponenten und Systeme standardisiert und weiter ausgebaut. Gesetzgebung OBD I (CARB)
1988 trat in Kalifornien mit OBD I die erste Stufe der CARE-Gesetzgebung (California Air Resources Board) in Kraft. Diese erste OBD-Stufe verlangt: li>- Die Überwachung abgasrelevanter elektrischer Komponenten (Kurzschlüsse, Leitungsunterbrechungen) und Abspeicherung der Fehler im Fehlerspeicher des Steuergeräts. li>- Eine Fehlerlampe (Malfunction Indicator Lamp, MIL), die dem Fahrer erkannte Fehler anzeigt. li>- Mit Onboard- Mitteln (z. B. Blinkeode über eine Diagnoselampe) muss ausgelesen werden können, welche Komponente ausgefallen ist.
I
On Board Diagn ost ic System für Pkw und leichte Nkw
überwacht werden. Zusätzlich sind auch alle Komponenten, die zur Überwachung emissionsrelevanter Komponenten eingesetzt werden bzw. die das Diagnoseergebnis beeinflussen können, zu überwachen. Für alle zu überprüfenden Komponenten und Systeme müssen die Diagnosefunktionen in der Regel mindestens einmal im Abgas- Testzyklus (z. B. FTP 75) durchlaufen werden. Darüber hinaus wird gefordert, dass alle Diagnosefunktionen auch im täglichen Fahrbetrieb ausreichend häufig ablaufen. Für viele nicht kontinuierlich laufenden Überwachungsfunktionen ist seit Modelljahr 2005 eine im Gesetz definierte Überwachungshäufigkeit ("In Use Monitor Performance Ratio") im täglichen Fahrbetrieb vorgeschrieben. Seit Einführung der OBD11 wurde das Gesetz in mehreren Stufen überarbeitet (updates). Die letzte Überarbeitung erfolgte mit dem "Biennal-Review", neue Anforderungen werden in drei Stufen eingeführt. Neben Kalifornien haben neun weitere us-nundessraaten die CARB-Gesetzgebung übernommen oder planen diese zu übernehmen. OBD (EPA)
In 40 US-Bundesstaaten gelten die Gesetze der Bundesbehörde EPA (Environmental Protection Agency). Der Umfang dieser Diagnose entspricht im Wesentlichen OBD11.
OBD II (CARB)
EOBD (EU)
1994 wurde mit OBD11 die zweite Stufe der Diagnosegesetzgebung in Kalifornien eingeführt. Für Fahrzeuge mit Dieselmotoren wurde OBD11 ab 1996 Pflicht. Zusätzlich zu dem Umfang OBDI wird nun auch die Funktionalität des Systems überwacht (z. B. Prüfung von Sensorsignalen auf Plausibilität). OBD 11 verlangt, dass alle abgasrelevanten Systeme und Komponenten, die bei Fehlfunktion zu einer Erhöhung der schädlichen Abgasemissionen führen können (Überschreitung der OBD-Grenzwerte),
Die auf europäische Verhältnisse angepasste OBDwird als EOBD bezeichnet und lehnt sich an die EPA-OBD an . Die EOBDgilt seit januar 2000 für alle Pkw und leichte Nkw mit Ottomotoren bis zu 3,5 t. Seit januar 2003 gilt die EOBD auch für Pkw und leichte Nkwmit Dieselmotoren. Die EOBD-Gesetzgebung wird derzeit für die Einführung der Emissionsstufen Euro 5 und Euro 6 überarbeitet und es gibt erste Entwürfe dazu. Es ist mit einer deutlichen Verschärfung der EOBDGrentwerte zu rechnen.
I
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I
Diagnose
I
Diagnose in der Werksta tt
Diagnose in der Werkstatt Aufgabe dieser Diagnose ist die schnelle und sichere Identifikation der fehlerhaften kleinsten tauschbaren Einheit. Dabei werden die Onboard-Informationen und Offboard- Prüfmethoden und -Prüfgeräte in der geführten Fehlersuche verknüpft. Hilfestellung dabei gibt die Elektronische Service-Infonnation (ESI[tronic]). Sie enthält für viele möglichen Probleme (z. B. Motor ruckelt) und Fehler (z. B. Kurzschluss Motortemperatursensor) Anleitungen für die weitere Fehlersuche.
mithilfe eines symptomabhängigen, ergebnisgesteuerten Ablaufs geführt. Genutzt werden Onboard- (Fehlerspeichereinträge) sowie Offboard-Möglichkeiten (Stellglieddiagnose und Offboard- Prüfgeräte). Die geführte Fehlersuche, Auslesen des Fehlerspeichers, Werkstatt-Diagnosefunktionen und die elektrische Kommunikation mit Offboard-Prüfgeräten erfolgen mithilfe von i. Allg. pe-basierten Diagnosetestern. Das kann ein spezifischer Werkstatt-Tester des Fahrzeugherstellers oder ein universeller Tester (z. B. KTS650 von Bosch) sein.
Geführte Fehlersuche
Wesentliches Element ist die geführte Fehlersuche. Der Werkstattmitarbeiter wird- ausgehend vom Symptom (Fahrzeugsymptom oder Fehlerspeichereintrag) -
n
Ablau f einer geführten Fehlersuche mit CAS[plus]
Identifikation Fehlersuche nach Kundenbeanstandung Fehlerspeicher auslesen und anzeigen Komponentenprüfung aus Fehlercodeanzeige starten SO-Istwerte und Multimeter-Istwerte in der Komponentenprüfung anzeigen Bild 1 Das System CA S[ plus)
Soll-flstwerte-Vergleich ermöglicht Fehlerbestimmung
Nach dem Auslesen des Fehlerspeichers in der Werkstatt und der Fehlerbehebung kann der Fehlerspeicher mit dem Testgerät wieder gelöscht werden.
Reparatur durchführen, Teilebestimmung, Schaltpläne usw. in ESI[tronic]
Für die Kommunikation zwischen Steuergerät und Tester muss eine geeignete Schnittstelle definiert sein.
(Computer Aided Service) verknüpft die steue rgeräte-Diagnose mit der SIS-Fehlersuchanleitung für eine noch effektivere Fehlers uche. Oie für Diagnose und Reparatur entscheidenden Werte erscheinen dabei sofort auf einer Bildschi rmansicht.
Auslesen der Feh lers pe ichereinträge Die während des Fahrbetriebs abgespeicherten Fehlerinformationen (Fehlerspeichereinträge) werden bei der Fahrzeuginspektion oder -reparatur in der Kundendienstwerkstatt über eine serielle Schnittstelle ausgelesen. Das Auslesen der Fehlereinträge kann mithilfe des Diagnosetesters durchgeführt werden. Der Werkstattmitarbeiter erhält Angaben über: li>- Fehlfunktion (z. B. Motortemperatursensor), li>- Fehlercode (z. B. Kurzschluss nach Masse, Signal nicht plausibel, Fehler statisch vorhanden), li>- Umweltbedingungen (Messwerte zum Zeitpunkt der Fehlerspeicherung, z. B. Drehzahl, Motortemperatur usw.).
Defektes Teil austauschen Fehlerspeicher löschen
Stellglied- Diagn ose Um in den Kundendienstwerkstätten einzelne Stellglieder (Aktoren) gezielt aktivieren und deren Funktionalität prüfen zu können, ist im Steuergerät eine Stellglied-
I
Dioeno...
Diagn ose cut ha uen. Dieser Testmodus wird mu de m Ina gnosctcsu-r eingeleitet un d fu nktio nier t nur bei ste he ndem Fahrl" ug unt erhalb t' i!ll'r hes tlnt nucu Motor drehx ahl urh-r ht'i Motorsttllsta nd . unter anderem ist es hk-r nutruögl i..h, dieFunktio n d er Stpllg1i" dp r akus useh tz. B. Kli..ken des Ventfls), oprtsch (z . II. B,'w"g un g t' int' r Klap pt') Ollt'r d u rch a nd pr,' Methode n, wie Messuu g vo n r-lektnschen Signa· k-n, zu übe-rprüfen. Wt'rksl au-Dta gnoscfu nkt iOl1- Ungenügende Kraftstoffbefüllung des Unitlnjectors aufgrund von unzureichendem Kraftstoffdruck im Nieder-
_1_
BIP-Erkennung
3
t
-'E ~
~
4
~c
" ~
Bild 3 1 BIP-Fenster
Zeit t ___
li>-
drucksystem (z. B. durch verstopften Kraftstofffilter, undichte Kraftstoffschläuche oder defekte Vorförderpumpe) Undichtigkeiten desUnitlnjectors selbst
Mögliche Ursachen für ein verspätetes Schließen des Magnetventils sind u. a.: li>- Verwendung von nichtnormgerechtem Kraftstoffund Verunreinigungen des Kraftstoffs li>- Bewegung der Magnetventilnadel ist durch Partikel oderinfolge von Verschleiß behindert
2
BIP-Signal
3
Anzusstrommveau
4
Haltestromniveau
102
I
Diesel-Einspritzsysteme im Überblick
I
Bauart en
Diesel-Einspritzsysteme im Überblick DasEinspritzsystem spritzt den Kraftstoffunter hohem Druck, zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Menge in den Brennraum ein. WesentlicheKomponenten desEinspritzsystems sind die Einspritzpumpe, die denHochdruckerzeugt, sowie die Einspritzdüsen, die-außer beim Unit Injector System - überHochdruckleitungen mit derEinspritzpumpe verbunden sind. Die Einspritzdüsen ragen in den Brennraum der einzelnen Zylinder. Bei den meisten Systemen öffnet die Düse, wenn der Kraftstoffdruck einen bestimmten Öffnungsdruck erreicht und schließt, wenn er unter dieses Niveau abfallt. Nur beim Common Rail System wird die Düse durch eine elektronische Regelungfremdgesteuert.
Bauarten Die Einspritzsysteme unterscheiden sich i. W.inder Hochdruckerzeugung und inder
Steuerung von Einspritzbeginn und -dauer. Während ältere Systeme z. T.noch rein mechanischgesteuertwerden, hat sich heute die elektronische Regelung durchgesetzt. Bild 1 Standard -Reiheneinspritzpumpe HubschieberReihenei nsp ritzpumpe 1
Pumpenzylinder
2
Ansaugöffnung
3
Steuerkante
4
Pumpenkolben
5
Kolbenfeder
6
Verdrehweg durch
Reiheneinspritzpumpen Stan dar d -Reiheneinspritzpumpen Reiheneinspritzpumpen (Bild 1) haben je Motorzylinder ein Pumpenelement, das aus Pumpenzylinder (1) und Pumpenkolben (4) besteht. Der Pumpenkolben wird durch die in der Einspritzpumpe integrierte und vom Motor angetriebene Nockenwelle (7) in Förderrichtung (hiernach oben) bewegt und durch die Kolbenfeder (5) zurückgedrückt. Die einzelnen Pumpenelemente sind in Reihe angeordnet (daher der Name Reiheneinspritzpumpe). Der Hub des Kolbensist unveränderlich. Verschließt die Oberkante des Kolbens bei der Aufwärtsbewegung die Ansaugöffnung (2), beginnt der Hochdruckaufbau. Dieser ZeitpunktwirdFörderbeginngenannt. Der Kolben bewegt sich weiter aufwärts. Dadurch steigt der Krafts toffdruck, die Düse öffnet und Kraftstoffwird eingespritzt. Gibt die im Kolben schräg eingearbeitete Steuerkante (3) die Ansaugöffnungfrei, kann Kraftstoffabfließen und der Druck bricht zusammen. Die Düsennadel schließt und die Einspritzung ist beendet. Der Kolbenweg zwischen Verschließen und Öffnen der Ansaugöffnungistder Nutzhub.
Funkt io nsprinzi p der Reiheneinspritz pumpe
b
10 1'L'J.r-
l
10
__ 1
- -, X
bI- -+- t lf-+ - 3
9+--fj' rl
+ -+- 4
Regelstange (Einsp ritzmenge) 7
Antriebsnocken
8
Hubsch iebe r
9
Verstellweg durch Stellwelle (Förderbeginn)
10 Kraftstofffluss zur Einspritzdüse X
Nutzhub
" ~-7
" ~-7
Diesel-Einspritzsysteme im Überblick
I
Bauarten
I
103
Funktionsprin zip der kantengesteuerten Axial kolben -Verteilerei nspritzpu mpen
Bild 2 1
Spritzverstelle rweg am Rollenring
2
Rolle
3
Hubscheibe
4
Axialko lben
5
Regelsch iebe r
6
Hochdruckraum
7
Kraftstofffluss zur Einspritzdüse
Je größer der Nutzhub ist, desto größerist auch die Förder- bzw. Einspritzmenge. Zur drehzahl- und lastabhängigen Steuerung der Einspritzmenge wird über eine Regelstange der Pumpenkolben verdreht. Dadurch verändert sich die Lage der Steuerkante relativ zur Ansaugöffnung und damit der Nutzhub. Die Regelstange wird durch einen mechanischen Fliehkraftregler oder ein elektrisches Stellwerkgesteuert. Einspritzpumpen, die nach diesem Prinzip arbeiten, heißen .jcanrengesreuert". Hubschieber-Reiheneinspritzpumpen Die Hubschieber- Reiheneinspritzpumpe hat einen aufdem Pumpenkolben gleitenden Hubschieber (Bild 1, Pos. 8), mit dem der Vorhub- d. h. der Kolbenweg bis zum Verschließen der Ansaugöffnung- über eine Stellwelleverändertwerden kann. Dadurch wird der Förderbeginn verschoben. Hubschieber- Reiheneinspritzpumpen werden immer elektronisch geregelt. Einspritzmenge undSpritzbeginn werden nach berechneten Sollwerten eingestellt. Bei der Standard-Reiheneinspritzpumpe hingegen ist der Spritzbeginn abhängigvon der Motordrehzahl.
Verteilereinspritzpumpen Verteilereinspritzpumpen haben nur ein Hochdruckpumpenelementfür alle Zylinder (Bilder 2 und3). Eine Flügelzellenpumpe fordert den Kraftstoffin den Hochdruckraum (6). Die Hochdruckerzeugung erfolgt durch einen Axialkolben (Bild 2, Pos. 4) odermehrere Radialkolben (Bild 3, Pos.4). Einrotierender zentraler Verteilerkolben öffnet und schließt Steuerschlitze (8) undSteuerbohrungen und verteilt so den Kraftstoffaufdie einzelnen Motorzylinder. Die Einspritzdauer wird über einen Regelschieber (Bild 2, Pos. 5) oder über ein Hochdruckmagnetventil (Bild 3, Pos. 5) geregelt.
Axialkolben-Verteilereinspritzpumpen Eine rotierende Hubscheibe (Bild 2, Pos. 3) wird vom Motor angetrieben. Die Anzahl der Nockenerhebungen aufder Hubscheibenunterseite entspricht der Anzahl der Motorzylinder. Sie wälzen sich aufden Rollen (2) des Rollenrings ab und bewirken dadurch beim Verteilerkolbenzusätzlich zur Drehbewegung eine Hubbewegung. Während einer Umdrehung der Antriebswelle macht der Kolben so viele Hübe, wie Motorzylinder zu versorgen sind.
8
Steuersch litz
X
Nutzhub
104
I
Diesel-Einspritzsysteme im Überblick
I
Bauarten
Funkt io nspri nzip de r magnetv enti Igesteuer ten Rad ialkol ben-Vertei lereinspri tzpumpen
8
6
4 -j-j+---fF Bild 3
Spntzve rste Ilerweg am Nockenr ing 2
Rolle
3
Nockenr ing
4 5
Radialko lben Hochdru ck-
6
Hochdr uckraum
3- - '"
magnetvent il 7
Kraftst off fluss zur Eins pritz d üse
8
Steuerschl itz
Bei der kantengesteuerten AxialkolbenVerteilereinspritzpumpe mit mechanischem Fliehkraft-Drehzahlregler oder elektronisch geregeltem Stellwerk bestimmt ein Regelschieber (5) den Nutzhub und dosiert dadurch die Einspritzmenge. Ein Spritzverstellerverstellt den Förderbeginn der Pumpe durch Verdrehen des Rollenrings. Radialkolben-Verteilereinspritzpumpen Die Hochdruckerzeugung erfolgt durch eine Radialkolbenpumpe mit Nockenring (Bild 3, Pos. 3) und zwei bis vier Radialkolben (4). Mit Radialkolbenpumpen können höhere Einspritzdrücke erzieltwerden als mit Axialkolbenpumpen. Sie müssen jedoch eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen. Der Nockenring kann durch den Spritzversteller(l)verdrehtwerden, wodurch der Förderbeginn verschoben wird. Einspritzbeginn und Einspritzdauer sind bei der Radialkolben -Verteilereinspritzpumpe ausschließlich magnetventilgesteuert.
Magnetventilgesteuerte Verteilereinspritzpumpen Bei magnetventilgesteuerten Verteilereinspritzpumpen dosiert ein elektronisch gesteuertes Hochdruckmagnetventil (5) die Einspritzmenge und verändert den Einspritzbeginn. Ist das Magnetventil geschlossen, kann sich im Hochdruckraum (6) Druck aufbauen. Ist es geöffnet, entweicht der Kraftstoff, sodass kein Druck aufgebaut und dadurch nicht eingespritztwerden kann. Ein oder zwei elektronische Steuergeräte (Pumpen- undggf. Motorsteuergerät) erzeugen die Steuer- und Regelsignale. Einzeleinspritzpumpen PF Die vor allem für Schiffsmotoren, Diesellokomotiven, Baumaschinen und Kleinmotoren eingesetzten Einzeleinspritzpumpen PF (Pumpe mit Fremdantrieb) werden direkt von der Motornockenwelle angetrieben. Die Motornockenwelle hat-neben den Nocken für die Ventilsteuerung des Motors- Antriebsnocken für die einzelnen Einspritzpumpen. Die Arbeitsweise der Einzeleinspritzpumpe PF entspricht ansonsten im Wesentlichen der Reiheneinspritzpumpe.
Diesel-Einspritzsysteme im Überblick
Unit Injector System UIS Beim UnitInjectorSystem, UIS (auch Pumpe-Düse-Einheit, PDE,genannt), bilden die Einspritzpumpe und die Einspritzdüse eine Einheit(Bild4). Pro Motorzylinderist ein Unit Injectorin den Zylinderkopf eingebaut. Erwird von der Motornockenwelle entweder direkt über einen Stößel oder indirekt über Kipphebel angetrieben.
Durch die integrierte Bauweise des Unit Injectors entfälltdie bei anderen Einspritzsystemen erforderlich Hochdruckleitung zwischen Einspritzpumpe und Einspritzdüse. Dadurch kann das Unit Injector System aufeinen wesentlich höheren Einspritzdruck ausgelegt werden. Der maximale Einspritzdruck liegt derzeit bei 2200bar. Das Unit Injector System wird elektronisch gesteuert. Einspritzbeginn und -dauer werden von einem Steuergerät berechnet und über ein Hochdruckmagnetventil gesteuert.
Funkt io ns pri nzip de r Hochd ruc kkomponent en des Unit Injec tor Systems
I
Bauarten
I
105
Unit Pump System UPS Das UnitPump System, UPS (auch PumpeLeitung-Düse, PLD, genannt), arbeitetnach dem gleichen Verfahren wie das Unit Injector System (Bild 5). Im Gegensatz zum Unit Injector System sind hierjedoch die Düsenhalterkombination (2) und die Einspritzpumpe über eine kurze Hochdruckleitung (3) miteinander verbunden. Die Trennungvon Hochdruckerzeugung und Düsenhalterkombination erlaubt einen einfacheren Anbau am Motor. Je Motorzylinderist eine Einspritzeinheit (Einspritzpumpe, Leitung und Düsenhalterkombination) eingebaut. Sie wird von der Nockenwelle des Motors (6) angetrieben.
Auch beim Unit Pump System werden Einspritzdauer und Einspritzbeginn mit einem schnell schaltenden Hochdruckmagnetventil (4) elektronisch geregelt.
Funktionsprin zip der Hochd ruckkompone nten des Unit Pump Systems
3 Bild 4
4
f
•• ••
1
Antr iebs nocken
2
Pumpenk olben
3
Hochd r uck-
4
Einspritzdüse
5
•• • ••
mag netv ent il
BildS 1
Einspritzdüse
2
Düsenhalter-
3
Hochdr uckleitung
4
Hochd r uck-
5
Pum penkolbe n
6
Antr iebs nocken
kombination
---4
magnetvent il
106
I
Diesel-Einspritzsysteme im Überblick
I
Bauarten
Common Rail System CRS Beim Hochdruckspeicher- Einspritzsystem Common Rail sind Druckerzeugung und Einspritzungvoneinander entkoppelt. Dies geschiehtmithilfe eines Speichervolumens, das sich aus der gemeinsamen Verteilerleiste (Common Rail) und den Injektoren zusammensetzt (Bild 6). Der Einspritzdruck wird weitgehend unabhängig von Motordrehzahl und Einspritzmenge von einer Hochdruckpumpe erzeugt. Das System bietet damit eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Einspritzung. Das Druckniveau liegt derzeit bei bis zu 1600 bar (Pkw) bzw.1800 bar (Nkw).
Fun k ti onswe ise Eine Vorförderpumpe fördert Kraftstoff über ein Filter mit Wasserabscheider zur Hochdruckpumpe. Die Hochdruckpumpe sorgt für den permanent erforderlichen hohen Kraftstoffdruck im Rail. Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge sowie Raildruck werden in der elektronischen Funkt io nsprinzip des Common Rail Systems
Bild 6 1 2
Hochdruckpumpe
3
Injektor
4
EDC-Steuergerät
Rail
Dieselregelung (EDC, Electronic Diesel Control) abhängig vom Betriebszustand des Motors und den Umgebungsbedingungen berechnet. Die Dosierung des Kraftstoffs erfolgt über die Regelung von Einspritzdauer und Einspritzdruck. Über das Druckregelventil, das überschüssigen Kraftstoffzum Kraftstoffbehälter zurückleitet, wird der Druck geregelt. In einerneueren CR-Generation wird die Dosierungmit einer Zumesseinheit im Niederdruckteil vorgenommen, welche die Förderleistung der Pumpe regelt. Der Injektor ist über kurze Zuleitungen ans Rail angeschlossen. Bei früheren CR-GenerationenkommenMagnetventil-Injektoren zum Einsatz, während beim neuesten System Piezo- Inline-Injektoren verwendet werden. Bei ihnen sind die bewegten Massen und die innere Reibungreduziert, wodurch sich sehr kurze Abstände zwischen den Einspritzungen realisieren lassen. Dies wirkt sich positiv aufdie Emissionen aus.
Diesel-Einspritzsysteme im Überblick I 107
EInsatzgebiete
Anforderungen
Dies el mot o re n zeich ne n sich durch ihre
Schärfer w e rd e nd e Vorschriften für Abgas-
hohe Wirtschaftlichkeit aus. Se it dem Pro-
und Geräuschemissionen und der Wunsch
duktionsbeginn der ersten Serien-Einspritz-
nach niedrigerem Kraftstoffverbrauch stellen
pumpe von Bosch im Jahre 1927 werden die
immer neue Anforderungen an die Einspritz-
Einspritzsysteme ständig w eit e re ntwic ke lt.
anlage eines Dieselmotors.
Dieselmotoren werden in vielfältigen Aus -
Grundsätzlich muss die Einspritzanlage den
führungen eingesetzt , z. B. als
Kraftstoff für eine gute Gemischaufbereitung
l>- Antrieb für mobile Stromerzeuger
je nach Diesel-Verbrennungsverfahren (Direkt- oder Indirekteinspritzung) und
(bis ca. 10 kWjZylinder), l>- schnell laufende Motoren für Pkw und
Betriebszustand mit hohem Druck (heute zwischen 350 und 2200 bar) in den Brenn-
leichte Nkw ( b is ca. 50 kWjZylinder), I>-
Motoren für Bau-, Land - und Forstwirt-
raum des Dieselmotors einspritzen und
schaft (bis ca. 50 kWjZylinder) ,
dabei die Einspritzmenge mit der größtmöglichen Genauigkeit dosieren. Die Last - und
l>- Motoren für schwere Nkw , Busse und
Schlepper (bis ca . 80 kWjZylinder) ,
Drehzahlregelung des Dieselmotors wird
l>- Stationärmotoren, z. B. für Notstrom-
über die Kraftstoffmenge ohne Drosselung
aggregate (bis ca. 160 kWj Zylinder) ,
der Ansaugluft vorgenommen.
l>- Motoren für Lokomotiven und Schiffe
Die mechanische Regelung für Diesel-
( b is zu 1000 kWjZylinder).
Einspritzsysteme wird zunehmend durch die Elektronische Dieselregelung (EDC) verdrängt. Im Pkw und Nkw werden die neuen Dieseleinspritzsysteme ausschließlich durch EDC geregelt.
M. -
Anwend ungsgebiete der 8osch -Diesel- Einspritzsysteme
!
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A~~ AIP_ MW_
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PF
VE Vf
t
VE
6
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~
UIS
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1
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Vf
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CR
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CR
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"1. "1. UPS
CR
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M, MW,
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f
A , P, H,
~~M. PF
ZWM,
cw Reiheneinsp ritz-
f
p umpen mit anste igende r Baugrö ße PF EinzeIeinspr itz-
VE -iill
pumpen VE Axialkolb en-
-01.
, , • • 1
1
UIS
1
1
UPS
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CR
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UIS
1
UPS ff IR)
UPs
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CR~ ~
PF IRI
mm
r
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Q ~ ~
Vertei lereinspritzpum pen VR Radi alko lbenVerte ile reinspritzpu m pen UIS Unit Injector System UPS Unit Pump Syst em CR Commo n Rail Syste m
108
I
Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme
I
Einzeleinspritzp umpen PF
Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme Dieselmotoren mit Einzelzylinder-SystemenhabenfürjedenMotorzylindereine Einspritzeinheit. Diese Einspritzeinheiten lassen sich gut an den entsprechenden Motor anpassen. Die kurzenEinspritzleitungen ermöglichen einbesonders gutes Einspritzverhalten unddie höchstenEinspritzdrücke. Ständig steigende Anforderungen haben zur Entwicklung verschiedener Dieseleinspritzsysteme geführt, die aufdie jeweiligen Erfordernisse abgestimmt sind Moderne Dieselmotoren sollen schadstoffarm und wirtschaftlich arbeiten, hohe Leistungen und hohe Drehmomente erreichen und dabei leise sein. Grundsätzlich werden bei EinzelzylinderSystemen drei verschiedene Bauarten unterschieden: die kantengesteuerten Einzeleinspritzpumpen PF und die magnetventilgesteuerten Unit Injector und Unit Pump Systeme. Diese Bauarten unterscheiden sich nicht nur in ihrem Aufbau, sondern auch in ihren Leistungsdaten und ihren Anwendungsgebieten (Bild 1).
Einzeleinspritzpumpen PF Anwendung Die Einzeleinspritzpumpen PF sind besonders wartungsfreundlich. Sie werden im "OffHighway" -Bereich eingesetzt: li>- Einspritzpumpen für Dieselmotoren von 4 ...75 kWjZylinderfür kleine Baumaschinen' Pumpen, Traktoren und Stromaggregate und li>- Einspritzpumpen für Großmotoren ab 75 kWjZylinder bis zu einer Zylinderleistungvon 1000 kW. Diese Pumpen ennögliehen die Förderungvon Dieselkraftstoff und von Schweröl mit hoher Viskosität. Aufbau und Arbeitsweise Die Einzeleinspritzpumpen PF haben die gleiche Arbeitsweise wie die Reiheneinspritzpumpen PE. Sie haben ein Pumpenelement, bei dem die Einspritzmenge über eine Steuerkante verändertwerden kann. Die Einzeleinspritzpumpen werden mitje einem Flansch am Motor befestigt und von der Nockenwelle für die Ventilsteuerung des Motors angetrieben. Daher leitet sich die Bezeichnung Pumpe mit
Bauar ten und Anwend ungsgebiete der Einzelzyl inder-Systeme
M e n ge n-~
magnetventilgesteuert
steuerung
Regelung
Bauart
unsatz-ä bereich
-OOaumaschinen0 -tIl'umperß
-ächwere Nkw0 -tEau- und Landmaschinen0
-äraktorenä
-äokomonverö
-~tromaggregate0
-~chiffe
-älokcrnotlvenä -~chiffe
-rn'kw0 -mJkw
Syst emübers k hl der Ei...elz yl;nder ·Sysl- Pkw undleichteNkw: Einsatzbereiche von Dreizylinder- Motoren mit 1,2IHubraum, 45 kW (61 PS) Leistung und 195 Nm Drehmoment bis hinzu 10Zylinder-Motoren mit 5lHubraum, 230kW (312 PS) Leistung und 750 Nm Drehmoment. .. SchwereNkwbis 80 kW/Zylinder.
Da keine Hochdruckleitungen notwendig sind, hatderUnitInjector ein besonders gutes hydraulisches Verhalten. Deshalb lassen sich mit diesem System die höchsten Einspritzdrücke erzielen (bis zu 2200 bar). Beim Unit Injector System für Pkw ist eine mechanisch -hydraulische Voreinspritzung realisiert. Das Unit Injector System für Nkw bietet die Möglichkeit einer Voreinspritzungim unteren Drehzahl- und Lastbereich.
UnitPump System UPS Das Unit Pump System wird auch PumpeLeitung- Düse PLD genannt. Auch die Bezeichnung PF..MVwurde bei Großmotoren verwendet. Das Unit Pump System istwie das Unit Injector System ein Einspritzsystem mit zeitgesteuerten Einzeleinspritzpumpen für Motoren mit Diesel- Direkteinspritzung (DI). Es wird in folgenden Bauformen eingesetzt: li>- UPS 12 fürNkw-Motorenmitbis zu 6 Zylindern und 37 kW/Zylinder, li>- UPS20fürschwereNkw-Motorenmit bis zu 8 Zylindern und65 kW/Zylinder, li>- SP (Steckpumpe) für schwere NkwMotoren mit biszu 18 Zylindern und 92 kW/Zylinder, li>- SPS (Steckpumpe sma11)für NkwMotoren mit biszu 6 Zylindern und 40 kW/Zylinder, li>- UPSfürMotoreninBau-undLandmaschinen, Lokomotiven und Schiffen im Leistungsbereich bis500 kW/Zylinder und bis zu20 Zylindern. Aufbau Systembereiche Das Unit Injector System und das Unit Pump System bestehen aus vier Systembereichen (Bild 3), li>- Die ElektronischeDieselregelung EDCmit den Systemblöcken Sensoren, Steuergerät und Stellglieder (Aktoren) umfasst die gesamte Steuerung und Regelung des Dieselmotors sowie alle elektrischen und elektronischen Schnittstellen. li>- Die Kraftstoffversorgung (Niederdruckteil) stellt den Kraftstoffmit dem notwendigen Druck und Reinheit zur Verfügung. li>- Der Hochd11lckteilerzeugtden erforderlichen Einspritzdruck und spritzt den Kraftstoffin den Brennraum des Motors ein. li>- Die Luft-undAbgassysteme umfassen die Luftversorgung, die Abgasrückführung und die Abgasnachbehandlung.
Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme
Unterschiede Derwesentliche Unterschied zwischen dem UnitInjectorSystem und dem Unit Pump System bestehtim motorischen Aufbau (Bild4). Beim Unit Injedor System bilden Hochdruckpumpe und Einspritzdüse eine Einheit - den .Ltnit Injector". Fürjeden Motorzylinderist ein Injektor in den Zylinder eingebaut. Da keine Einspritzleitungen vorhanden sind, können sehr hohe Einspritz-
I
Unit Injec tor System UIS und Unit Pump System UPS
I
111
drücke und ein sehr guter Einspritzverlauf erreichtwerden. Beim Unit Pump System sind die Hochdruckpumpe- die .Unit Pump" - und die Düsenhalterkombination getrennte Baugruppen, die durch eine kurze Hochdruckleitungmiteinanderverbunden sind. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der Anordnungim Motorraum, beim Pumpenantrieb und beim Kundendienst.
Systembereiche Unit Injec tor System und Unit Pump System
Elektronische Dieselregelung EDC: Motorsteuerung, Sensoren, Schnittstellen
Kraftst off versorgu ng0 (Niederdrucktei l)
Luft- und Abgassyst eme
0 ~
+-
"~
Motor
Signale
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"
. . . Dieselkraftstoff
z
Hochd ruckerzeug ung Unit Injec tor System und Unit Pump System
a
b
ft li
Bild 4
a
c
Unit I nje cto r System fü rN kw
1
c
2
Unit Pump Syste m für Nkw
3
4
o
Unit Inj ector System für Pkw
5
1
Kipp hebel
2 3
Nockenwelle Hochd ruc kmagrietventil
4
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Bren nraum des
6
Moto rs Düsenhalter-
" ='
kom bination kurze Hoc hdr uck-
~
w
" ~
Unit Injector
5
leitu ng
8
Unit Pump
112
I
SystemübersichtderEinzelzylinder-Systeme
I
Systembild UIS für Pkw
Systembild UIS für Pkw Bild 5 zeigt alle Komponenten eines Unit Injector Systems für einen ZehnzylinderPkw- Dieselmotormit Vollausstattung.Je nach Fahrzeugtyp und Einsatzart kommen einzelne Komponenten nicht zur Anwendung. Um eine übersichtlichere Darstellung zu erhalten, sind die Sensoren undSollwertgeber (A) nicht an ihrem Einbauort dargestellt. Ausnahme bilden die Komponenten der Abgasnachbehandlung (F), da ihre Einbauposition zum Verständnis der Anlage notwendigist.
Bild S
Über den CAN-Bus im Bereich "Schnittstellen" (B)istder Datenaustausch zu den verschiedensten Bereichen möglich: li>- Starter, li>- Generator, li>- elektronische Wegfahrsperre, li>- Getriebesteuerung, li>- Antriebsschlupfregelung ASRund li>- Elektronisches Stabilitäts-Programm ESP.
Auch das Kombiinstrument (12) und die Klimaanlage (13) können über den CANBus angeschlossen sein. Für die Abgasnachbehandlungwerden drei mögliche Kombinationssysteme aufgeführt (a,boderc).
Motor, Motorst euerung und Hochdruck-
c
Einspritzkompon enten
16 Kraftstofffilter mit Überströmventil 17 Kraftstoffbehälter mit Vorfilter und Elektrokraftstoff-
24 Verteilerrohr
pumpe EKP (Vorförderpumpe)
25 Nockenwelle 26 Unit tnjector 27 Glühstiftkerze 28
Dieselmotor (01)
Kraftstoffversorgung (Nied erdruckt eil)
18 Füllstandsensor 19 Kraftstoffkühler 20 Druckbegrenzungsventil
29 Motorsteuergerät ( Master ) 30 Motorsteuergerät (Slave)
D
M
Drehmoment
21 Additivdosiereinheit
A
Sensoren und Sollw ertg eber
1
Fahrpedalsensor
E
2
31 Abgasrückführkühler
3
Kupplungsschalter Bremskontakte (2)
4
Bedrentel I f ür Fahrgeschwind igkeitsregler
Additivsystem
22 Additivtank Luftversorgung
32 Ladedrucksteller 33 Abgasturbolader (h ier mit vanab ler ruro ine n-
geornetne VTG)
5
Glüh-Start-Schalter ("ZÜ ndsch loss")
6
Fahrgeschwindigkeitssensor
34
7
Kurbelwellendrehzahlsensor ( ind ukt iv)
35 Abgasrückführsteller
8
Motortemperatursensor (im Kühlmittelkreislauf)
36 Unterdruckpumpe
9
Ansauglufttemperatursensor
10 Ladedrucksensor 11 Heißfilm-Luftmassenmesser (Ansaugluft)
Saugrohrklappe
F Abgasnachbehandlung 38 Breitband-Lambda-Sonde LSU 39 Abgastemperatursensor
B
Schnitt st ellen
12 Kombiinstrument mit Signalausgabe für KraftstoffVerbrauch, Drehzahl usw.
40 Oxidationskatalysator 41 Partikelfilter 42 Differenzdrucksensor
13 Klimakompressor mit Bedienteil
43 NOx-Speicherkatalysator
14 Diagnoseschnittstelle
44 Breitband-Lambda-Sonde, optional No-sensor
15 Glühzeitsteuergerät CAN Controller Area Network (serieller Datenbus im Kraftfahrzeug)
Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme
Diesel-Einspr itzan lage für Pkw mit Unit Inject or System
c
B 11 :1 11 11 11 11 11
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D
21
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A
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IHiI="J~1rmI'1iL~rf.5-27
2 28 3
M
30
5
B= m
6
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9
10
J
E
4
8
29
A1------Vi h t I'S z wei Ausführ un gr-n des lJ ni l Inj ,' cl ors (UI- I , 111 -2 ), dil' su-h - !w i gl" i- durch eine erhöhte Kraftstoff-Durchflussmenge, li>- durch Additive im Kraftstoff, li>- durch den Einsatz einer Vorförderpumpe vor dem Filter (das Wasser wird feiner emulgiert und infolgedessen weniger gut abgeschieden). Die im Kraftstoffmitgeführten, feinstverteilten Wassertröpfchen setzen sich auf dem Meltblown ab und fließen zu größeren Tröpfchen zusammen (Koaleszenzeffekt). Da Wasser eine größere Dichte als der Kraftstoffhat, sinken die Wassertröpfchen aufden Boden des Filters in den Wassersammelraum. Dortwird der Wasserstand durch einen Sensor erfasst. Das Wasser wird über eine Ablassschraube abgelassen. I
Dieselkraftstofffil ter mit Sterneinsa tz
Filtrationseffekte I 139
Filtermechanismen Die Reinigungswirkung des Kraftstofffilters beruht zum Teil auf dem Siebeffekt, d. h. darauf, dass die Schmutzpartikel aufgrund ihrer Größe die kleinen Poren des Filtermediums nicht passieren können. Doch auch Partikel, die so klein sind, dass sie zwischen den einzelnen Fasern des Filtermediums hindurchgespült werden können, werden am Filter abgeschieden. Sie bleiben im Innern des Filtermediums an einzelnen Fa-
Beim Diffusionseffekt berühren sehr kleine Partikel aufgrund ihrer Eigenbewegung, der Brown'schen Molekularbewegung, zufällig eine Filterfaser, an der sie haften bleiben. Dieser Effekt ist nur bei Partikeln wirksam, die kleiner sind als ca. 0,5 IJm. Van-der-Waals-Kraft Die Van-der-Waals-Kraft beruht auf der Anzie-
sern haften. Dabei unterscheidet man drei
hungskraft zwischen elektrischen Dipolen. Durch eine ungleichmäßige Verteilung der freien Elektronen eines Moleküls kann die-
Mechanismen:
ses vorübergehend auf der einen Seite eine
Beim Sperreffekt werden die Partikel mit
positive, auf der anderen Seite eine negative Partialladung aufweisen. Das Molekül bildet so einen temporären Dipol, der eine Anzie-
der Kraftstoffströmung um die Faser herum gespült, berühren diese jedoch am Rand und werden durch Van-der-Waals-Kräfte dort gehalten. Dies funktioniert umso besser, je näher ein Partikel an einer Filterfaser vorbeizieht. Kraftstoff- und Ölfilterung beruhen in erster Linie auf diesem Effekt.
hungskraft auf andere Moleküle mit ungleichmäßiger Ladungsverteilung ausübt. Die Van-der-Waals-Kraft zwischen zwei Molekülen ist äußerst schwach. Dennoch hält sie nicht nur Schmutz partikel im Kraftstofffil ter, sondern auch den
Andere Partikel folgen aufgrund ihrer Massenträgheit nicht dem Kraftstoffstrom um die Filterfaser, sondern stoßen frontal auf sie (Trägheits- oder Aufpralleffekt). Je schwerer
Gecko an der Decke: Seine Füße sind mit Millionen feinster Här-
CdP
~
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~
. A_!"f
~ -
~
chen bewachsen - diese ergeben zusammen
~
und schneller ein Partikel ist, desto eher kann es durch diesen Effekt aus dem Kraft-
eine so enorme Kontaktfläche mit dem Untergrund, dass alleine intermolekulare Kräfte
'"
8
stoff herausgefiltert werden.
den Gecko halten können.
~
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~ o z
~
140
I
Elektronische Dieselregelung
I
Systemübersicht
Elektronische Dieselregelung EDC für Unit Injector System Die elektronische Steuerung des Dieselmotors erlaubt eine exakte und differenzierte Gestaltung derEinspritzgrößen. Nur so können die vielen Anforderungen erfüllt werden, die an einen modemen Dieselmotor gestellt werden. Die ElektronischeDieselregelungEDC (Electronic Diesel Control) wird in die drei Systemblöcke Sensoren/Sollwertgeber, SteuergerätundStellglieder(Aktoren)unterteilt.
System übersicht Anforderungen Die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen (NOx, CO, HC, Partikel) bei gleichzeitiger Leistungssteigerung bzw. Drehmomenterhöhung der Motoren bestimmt die aktuelle Entwicklung aufdem Gebiet der Dieseltechnik. Konventionelle indirekt einspritzende Motoren (IDI) konnten die gestellten Anforderungen nicht erfüllen. Stand der Technik sind heute direkt einspritzende Dieselmotoren (DI) mit hohen Einspritzdrücken für eine gute Gemischbildung. Die Einspritzsysteme unterstützen mehrere Einspritzungen: Voreinspritzung (VE), Haupteinspritzung (HE) und Nachein spritzung (NE). Die Einspritzungen werden
zumeist elektronisch gestellt (VE bei UISPkw jedochmechanisch). Weiterhin wirken sich die hohen Ansprüche an den Fahrkomfort aufdie Entwicklung moderner Dieselmotoren aus. Auch an die Schadstoff- und Geräuschemissionen werden immer höhere Forderungen gestellt. Daraus ergeben sich gestiegene Ansprüche an das Einspritzsystem und dessen Regelung in Bezugauf: li>- hohe Einspritzdrücke, li>- Einspritzverlaufsfonnung, li>- Voreinspritzung undgegebenenfalls Nacheinspritzung, li>- Anpassung von Einspritzmenge, Ladedruck und Spritzbeginn an den jeweiligen Betrlebszustand, li>- temperaturabhängige Startmenge, li>- lastunabhängige Leerlaufdrehzahlregelung, li>- geregelte Abgasrückfiihrung, li>- Fahrgeschwindigkeitsregelung, li>- geringe Toleranzen der Einspritzzeit und -menge und hohe Genauigkeitwährend der gesamten Lebensdauer (Langzeitverhalten), li>- UnterstützungvonAbgasnachbehandlungssystemen.
Systemblocke der EDC ( Beispiel UISjU PSj
Steuergerät
sensoren und Sollwertgeber
-:
Fahrpedalsensor ~ Luftmassensensor • Ladedru::ksensor
+.
Partkeffilter-
-0 '---=1
~:;::~::,~~~
~:~:~!i~)e" 0:_
Raps-Methyl-Sensor Drehzensensoren
(Kulbelw,""
.n.
Funktonsrechner
r
~~
Nock'OW~"')
Bremsschajer
~
~
ADC
_
Kuppl""9=he'" -
Startschalter
_
GIÜ.ch'A'Nitsteuergerät
~ r~ ~ . L _ --'I1............-"'IIII~
QMO ~
Aktoren
I D H
Uni! Injector
~ E~L3.~~nal-
ß
1111,-&1
~bgd::.:~::;eller
.. Drosselklappenstejler KlImakompressor
zusetaneecm
~ ~ Lufler
9ß '--iJi\ Abg. a"üo~ühl,Kuhl"", ~ l3! 11IL....{]--1)::
Kraflstoffkühlung
Startersteuerung M::Jtortagersteuerung Diaprjoselampe
Elektronische Dieselregelung
Die herkömmliche mechanische Drehzahlregelung erfasst mit diversen Anpassvorrichtungen die verschiedenen Betriebszustände und gewährleistet eine hohe Qualität der Gemischaufbereitung. Sie beschränkt sich allerdings aufeinen einfachen Regelkreis am Motor und kann verschiedene wichtige Eintlussgrößen nicht bzw. nicht schnell genug erfassen. Die EDC entwickelte sich mit den steigenden Anforderungen zu einer komplexen elektronischen Motorsteuerung, die eine Vielzahl von Daten in Echtzeitverarbeiten kann. Über die reine Motorsteuerung hinaus wird eine Reihe von Komfortfunktionen (z. B. Fahrgeschwindigkeitsregler) unterstützt. Die EDC kann Teil eines elektronischen Fahrzeuggesamtsystems sein (drive by wire). Durch die zunehmende Integration der elektronischen Komponenten kann die komplexe Elektronik aufengstem Raum untergebrachtwerden.
Arbeitsweise Die Elektronische Dieselregelung (EDC) ist durch die in den letzten Jahren stark gestiegene Rechenleistung der verfügbaren Mikrocontrollerinder Lage, die genannten Anforderungen zu erfüllen. Im Gegensatz zu Dieselfahrzeugen mit konventionellen mechanisch geregelten Einspritzpumpen hat der Fahrer bei einem EDC-System keinen direkten Einfluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge, z.B. über das Fahrpedal und einen Seilzug. Die Einspritzmenge wird vielmehr durch verschiedene Einflussgrößen bestimmt. Dies sindz.B.: li>- Fahrerwunsch(Fahrpedalstellung), li>- Betriebszustand, li>- Motortemperatur, li>- Eingriffe weiterer Systeme (z.B. ASR), li>- Auswirkungen aufdie Schadstoffemissionen usw. Die Einspritzmenge wird aus diesen Einflussgrößen im Steuergerät errechnet. Auch der Einspritzzeitpunkt kann variiert werden. Dies bedingt ein umfangreiches
Überwachungskonzept, das auftretende Abweichungenerkenntundgemäßden Auswirkungen entsprechende Maßnahmen einleitet (z. B. Drehmomentbegrenzung oder Notlaufim Leerlaufdrehzahlbereich). In der EDC sind deshalb mehrere Regelkreise enthalten. Die Elektronische Dieselregelung ermöglicht auch einen Datenaustausch mit anderen elektronischen Systemen wie z. B. Antriebsschlupfregelung (ASR), Elektronische Getriebesteuerung (EGS) oder Fahrdynamikregelung mit dem Elektronisehen Stabilitäts-Programm (ESP). Damit kann die Motorsteuerung in das FahrzeugGesamtsystem integriertwerden (z. B. Motormomentreduzierung beim Schalten des Automatikgetriebes, Anpassen des Motormoments an den Schlupfder Räder usw.). Das EDC-System ist vollständig in das Diagnosesystem des Fahrzeugs integriert. Es erfüllt alle Anforderungen derOBD (On -Board-Diagnose) und EOBD(European OBD).
Systemblöcke Die Elektronische Dieselregelung (EDC) gliedert sich in drei Systemblöcke (Bild 1): 1. Sensoren und Sollwertgeber erfassen die Betriebsbedingungen (z. B. Motordrehzahl) und Sollwerte (z. B. Schalterstellung). Sie wandeln physikalische Größen in elektri sehe Signale um.
2. Das Steuergerätverarbeitetdie Informationen der Sensoren und Sollwertgeber in mathematischen Rechenvorgängen (Steuer- und Regelalgorithmen). Es steuert die Stellglieder mit elektrischen Ausgangssignalen an. Ferner stellt das Steuergerät die Schnittstelle zu anderen Systemen und zur Fahrzeugdiagnose her. 3. Stellglieder(Aktoren) setzen die elektrischen Ausgangssignale des Steuergeräts in mechanische Größen um (z. B. Hub der Magnetventilnadel).
I
Systemübe rsicht
I
141
142
I
Elektronische Dieselregelung
I
Unit Injector System UIS f ür Pkw
Unit Injector System UIS für Pkw Übersich t der EDe -Ko mponenten f ür Unit Injector Systeme im Pkw
Fahrpedalsensor mit Leergasschalter und Kickdownschalter (2, Sensor')
Steuergerät EDC16U
, ,
,.
Sensorauswertung
Motordrehzahl (KW) (Kurbelwelle)
U mgebungsdrucksensor
Motordrehzahl (NW) u. Zylindererkennung (Nockenwelle)
- Leerlaufregelung
Ladedruck
- Aktiver Ruckeldämpfer
Lufttemperatur
- externer Momenteneingriff
Funktionen: - Laufruheregler
Förderbeginn, -dauer
- Wegtahrsperre
Motortemperatur (Kühlmittel)
- Mengenregelung und -begrenzung
Kraftstofftemperatur
- Fahrgeschwindigkeitsregelung (FGR)
flJJgastemperatur
- Förderbeginn- und Förderdauerberechng
Luftmasse Fahrgeschwindigkeit (auchüber CAN möglich)
- e uest n or erun
-ape
Diagnosefunktionen:
I Zusätzliche Klein-1leistungsendstUfen (z.B. Klimaanlagenabschaltung, Lüfter, Zusatzheizung)
Leistungsendstufen Signalausgänge CAN-Kommunikation ~----
uppun ss alter
DiagnoseKommunikation
le e
etne eem an
I
Aktoren nittstelle ra nose
ste la pe
End-of-UneProgrammierung Spannungsversorgung
I etrelastatus
I
-1 Ladedrucksteller
Magnetventilendstufen
{
Klimaabschaltung
- zusätzliche Sonderanpassungen'
- Motordiagnose
ress alter
-~I
-1 Abgasrückführsteller
- Ersatzfunktionen
+
Glührelaissteuerung
- Förderbeginnkorrektur (BIP)
- Systemdiagnose
e rstu EnS alter rares mreitsre e1un
Haupt-
1-----" relais
-ape al unton nr ator ap r ra nose nittstelle
12V
re a lsi nal - i nal
li aen an Eingangssignale
'cotonel
Unit Injector (max 5rxo 8:euergerät)
Signaleingänge
BOSCH
Kommunikation
Elektronische Dieselregelung
Unit Injector System UIS und Unit Pump System UPS für Nkw Übersich t der EDe-Komponen ten f ür Unit Injector System und Unit Pump System im Nkw
Fahrpedalsensor mit LeergasschaRer urd KickrbwnschaRer*
Steuergerät MS 6.2 Signaleingänge Sensorauswertung Umgebungsd rucksenso r
Ivbtordrehzahl(KW) (KurbelINeIle) Motordrehzahl (NW) u. Zylirdererkenraajq (Nockenwelle) Turbolader Drehzahlsignal Ladedruck
LadelufUemperatur Motortemperatur (Kühlmittel) Kraftstolltemperatur Fahrgeschwirdigkeit (auch über CAN mögli:;h)
"""'"
~,,:~
MehrstulenschaRer mr FahrgeschwirdigkeitsregelLJr(! (FGR)
Bremskontakte
00'"
UI* (max.8 pro Steuergerät)
,i ii
Förderbeginn, -dauer Ladedru::ksteller
peoroseiusoonen
- systemoeorose
Motorbremse
-Abgleich - Ersatz/unktionen - Motord~mse
Ero-ot-LneProgrammierung
Kupplungskontakt
zusatzrcne Endstulen
(z.B Ventilatorsteuerung, Rammstartanlage) Aktoren Daqnoselampe
~--.~+,~
Spannungsversorgung
Motorbremskontakt
tso-scmmsteae (z. B. Daqrose)
L
CAN-&hnittstelle Haupt+----~ relais
FeststellbremskDnta~
+
Eingangssignale
'optoret
Funktonen - Leer1aulregelung - Zwischerdrehzahlregelung - externer Momenteneingriff - Weglahrsperre - Mengenregelung und -begrenzung - FahrgeschwirdigkBitsregelung(FGR) - FahrgeschwirdigkBitsbegrenzung - ZylinderabschaRung - Förderbeginn- und Förderdauerberechng - Förderbeginnkorrektur(BIP) - zusätzliche Sorderanpassungen*
Magnetventilerdstulen Leistungsendstulen Signala.usgänge CAN-Kommunikation Daqrose-Kommunkat
Multifunktonssenalter
Klemme 15
Up* (max 8 pro Steuergerät)
24V (12V*) +
BOSCH
Eirgang lür PWMSignaie Drehzahlsignal TDSignal Kommunikation o
I
UIS und UPS für Nkw
I
143
144
I
Elektronische Dieselregelung
I
Regelung der Einspritzung
Regelung der Einspritzung Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die EDCFunktionen, die beim UIS/UPS und bei anderen Einspritzsystemen realisiert sind Bild4 zeigt den Ablaufder Einspritzberech nungmit allen Funktionen. Einige Funktionen sindSonderausstattungen. Sie können bei Nachrüstungen auch nachträglich vom KundendienstimSteuergerätaktiviert werden.
Damit der Motorinjedem Betrlebszustand mit optimaler Verbrennung arbeitet, wird diejeweilspassende Einspritzmengeim Steuergerät berechnet. Dabei müssen verschiedene Größen berücksichtigt werden. Bei einigen magnetventilgesteuerten Verteilereinspritzpumpen erfolgt die Ansteuerung der Magnetventile für Einspritzmenge undSpritzbeginn über ein separates PumpensteuergerätPSG.
1 Einspritzsystem
Reiheneinsplitzpumpen
PE
Kantengesteuerte Verteilerein-
Magnetventilgesteuerte
spritzpumpen VE-EDC
spritzpumpen VE-M, VR-M
vertejeretn-
Unit Injector System und Unit Pump System UIS, UPS
Common Rail system
eR
Begre nzungsmenge Externe r Momente nei ngriff
• cI
Fahrgeschwind igkeitsbegrenzung
• cI
Fahrgeschwind igkeitsregelung Höhenkorrektur laded ruckregelu ng Leerlaufregelung Zwischend rehzahl regel ung Aktive Ruckeldämpfung
• cI .'1
BIP-Regelung
. '1
Einlass kanalabschaltu ng Elektron ische Wegfah rsperre
.'1 . '1 . '1
Gesteuerte Voreinspritzu ng G lühzeitste uerung KIimaabsc haltung KühImittelzusatzheizung Laufruheregel ung Mengenausgle ichsregelu ng
.'1 .'1 .'1 .'1 .'1
. '1
Lüfte rans teuerung Regelung der Abgasrückführung
.'1
Spri tzbegin nregelu ng
Tabell e 1 ' I Nur HubschieberReihenei nsp rit zpumpen
'I cI
nur Pkw nurNkw
mit Sensor Zyl inderabschal tung
. 1) 3)
•'I
• ;1
In krementwi nke 1Lernen In krementwi nke 1Verschleifen
. '1
• ;1
Elektronische Dieselregelung
o
Berechnung der Einspr itzung im Steuergerät
Anforderungen Fahrpedalsensor (Vorgabe des Fahrers)
Fahrgeschwindigkeitsregler, Fahrgeschwindigkeitsbegrenzer
I Vorgabe von anderen Systemen (z. B. ABS, ASR, ESP)
1
CAN
Berechnungen Externer Momenteneingriff
I
Auswahl der gewünschten Einspritzmenge
J
+/-
Leerlaufregler (LLR) bzw. Mengenausgleichsregler (MAR)
Begrenzungsmenge
Laufruheregler
Aktiver Ruckeldämpfer
+
I
+
I Start
l,
Startmenge
,
Fahrbetrieb
SChalter
Regelung Förderbeginn
Ansteuerung
Mengenzumessung (Pumpenkennfeld)
1 Ansteuerung der Magnetventile
I
Regelung der Einspritz ung
I
145
146
I
Elektronische Dieselregelung
I
Regelung der Einspritz ung
Startmenge Beim Startenwirddie Einspritzmenge abhängig von der Kühlmitteltemperatur und der Drehzahl berechnet. Die Signale für die Startmenge werden vom Einschalten des Fahrtschalters (Bild4, Schalter gehtin Stellung "Start") bis zum Erreichen einer Mindestdrehzahl ausgegeben. Der Fahrer hat aufdie Startmenge keinen Einfluss. Fahrbetrieb Im normalen Fahrbetriebwirddie Einspritzmenge abhängigvon Fahrpedalstellung (Fahrpedalsensor) und Drehzahl berechnet (Bild 4, Schalterstellung "Fahrbetrieb"). Die Berechnung stützt sich auf Kennfelder, die auch andere Einflussgrößen berücksichtigen (z. B. Kraftstoff-, Kühlmittel- und Ansauglufttemperatur). Fahrerwunsch und Motorleistung sind somit bestmöglich aufeinander abgestimmt. Leerlaufregelung Aufgabe der Leerlaufregelung (LLR) ist es, im Leerlaufbei nicht betätigtem Fahrpedal eine definierte Solldrehzahl einzuregeln. Diese SolIdrehzahl kann je nach Betriebszustanddes Motors variieren; so wird zum Beispiel bei kaltem Motormeist eine höhere Leerlaufdrehzahl eingestellt als bei warmem Motor. Zusätzlich kann z.B. bei zu niedriger Bordspannung, eingeschalteter Klimaanlage oderrollendem Fahrzeug ebenfalls die Leerlauf-Solldrehzahl angehoben werden. Da der Motorim dichten Straßenverkehrrelativ häufig im Leerlauf betrieben wird(z. B. "Stop andGo" oder Halt an Ampeln), sollte die Leerlaufdreh zahl aus Emissions- und Verbrauchsgründen möglichstniedrig sein. Dies bringt jedoch Nachteile für die Laufruhe des Motors undfürdas Anfahrverhalten mit sich.
Die Leerlaufregelung muss bei der Einregelung der vorgegebenen Solldrehzahl mit sehr stark schwankenden Anforderungen zurechtkommen. Der Leistungsbedarf dervom Motor angetriebenen Nebenaggregate istin weiten Grenzen variabel. Der Generator beispielsweise nimmt bei niedriger Bordspannungviel mehr Leistungaufals bei hoher; hinzu kommen Anforderungen des Klimakompressors, der Lenkhilfepumpe, der Hochdruckerzeugungfür die Dieseleinspritzungusw. Zu diesen externen Lastmomenten kommtnoch das interne Reibmoment des Motors, das stark von der Motortemperatur abhängt und ebenfalls vom Leerlaufregler ausgeglichen werden muss. Zum Einregeln der Leerlauf-Solldrehzahl passt der Leerlaufregler die Einspritzmenge so lange an, bis die gemessene Istdrehzahl gleich der vorgegebenen Solldrehzahl ist. Enddrehzahlregelung (Abregelung) Aufgabe der Enddrehzahlregelung (auch Abregelung genannt) ist es, den Motorvor unzulässig hohen Drehzahlen zu schützen. Der Motorhersteller gibt hierzu eine zulässige Maximaldrehzahl vor, dienichtfür längere Zeit überschritten werden darf, da sonst der Motor geschädigtwird
Die Abregelung reduziert die Einspritzmenge oberhalb des Nennleistungspunktes des Motors kontinuierlich. Kurz oberhalb dermaximalen Motordrehzahl findet keine Einspritzung mehr statt. Die Abregelung muss aber möglichst weich erfolgen, um ein ruckartiges AbregeIn des Motors beim Beschleunigen zu verhindern (Rampenfunktion). Dies istumso schwieriger zurealisieren,je dichter Nennleistungspunkt und Maximaldrehzahl zusammenliegen.
Elektronische Dieselregelung
Zwischendrehzahlregelung Die Zwischendrehzahlregelung (ZDR) wird für Nkw und Kleinlastermit Nebenabtrieben (z. B. Kranbetrieb) oder für Sonderfahrzeuge (z. B. Krankenwagen mit Stromgenerator) eingesetzt. Ist sie aktiviert, wird der Motor aufeine lastunabhängige Zwischendrehzahlgeregelt. Die Zwischendrehzahlregelungwird über das Bedienteil der Fahrgeschwindigkeitsregelung bei Fahrzeugstillstand aktiviert. AufTastendruck lässt sich eine Festdrehzahl im Datenspeicherabrufen. Zusätzlich lassen sich über diesesBedienteil beliebige Drehzahlen vorwählen. Bei Pkw mit automatisiertem Schaltgetriebe (z. B. Tiptronic) wird die ZDR zur Regelung der Motordrehzahl während des Schaltvorgangs eingesetzt. Fahrgeschwindigkeitsregelung Der Fahrgeschwindigkeitsregler (auch Tempomatgenannt) ermöglicht das Fahren mit konstanter Geschwindigkeit. Erregelt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf einen gewünschten Wert ein, ohne dass der Fahrer das Fahrpedal betätigen muss. Dieser Wertkann über einen Bedienhebel oder über Lenkradtasten eingestellt werden. Die Einspritzmenge wird erhöht oderverringert, bis die gemessene IstGeschwindigkeit der eingestellten SollGeschwindigkeit entspricht.
Bei einigen Fahrzeugapplikationen kann durch Betätigen des Fahrpedals über die momentane Soll-Geschwindigkeithinaus beschleunigtwerden. Wird das Fahrpedal wieder losgelassen, regelt der Fahrgeschwindigkeitsregler die letzte gültige SollGeschwindigkeitwiederein. Tritt der Fahrer bei eingeschaltetem Fahrgeschwindigkeitsregler aufdas Kupplungs- oder Bremspedal, so wird der Regelvorgang abgeschaltet. Bei einigen Applikationen kann auch über das Fahrpedal ausgeschaltetwerden.
I
Regelung der Einsprit zung
Bei ausgeschaltetem Fahrgeschwindigkeitsregler kann mithilfe der Wiederaufnahmestellung des Bedienhebels die letzte gültige Soll-Geschwindigkeitwieder eingestelltwerden. Eine stufenweise Veränderung der Soll-Geschwindigkeit über die Bedienelemente ist ebenfalls möglich. Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung Variable Begrenzung Die Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung (FGB, auch Limiter genannt) begrenzt die maximale Geschwindigkeit aufeinen eingestellten Wert, auch wenn das Fahrpedal weiter betätigtwird. Diesistvorallem bei leisen Fahrzeugen eine Hilfe für den Fahrer, der damit Geschwindigkeitsbegrenzungen nicht unabsichtlich überschreiten kann.
Die Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung begrenzt die Einspritzmenge entsprechend der maximalen Soll-Geschwindigkeit. Sie wird durch den Bedienhebeloder durch "Kick-down" abgeschaltet. Die letzte gültige Soll-Geschwindigkeit kann mit Hilfe der Wiederaufnahmestellung des Bedienhebels wieder aufgerufen werden. Eine stufenweise VeränderungderSollGeschwindigkeit über den Bedienhebel ist ebenfallsmöglich. Feste Begrenzung In vielen Staaten schreibt der Gesetzgeber feste Höchstgeschwindigkeiten für bestimmte Fahrzeugklassen vor(z. B. für schwere Nkw). Auch die Fahrzeughersteller begrenzen die maximale Geschwindigkeit durch eine feste Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung. Sie kann nicht abgeschaltet werden. Bei Sonderfahrzeugen können auch fest einprogrammierte Geschwindigkeitsgrenzen vom Fahrer angewähltwerden (z. B. wenn bei Müllwagen Personen aufden hinteren Trittflächen stehen).
I
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148
I
Elektronische Dieselregelung
I
Regelung der Einspritz ung
Aktive Ruckeldämpfung Bei plötzlichen Lastwechseln regt die Drehmomentänderung des Motors den Fahrzeugantriebsstrang zu Ruckelschwingungen an. Fahrzeuginsassen nehmen diese Ruckelschwingungenals unangenehme periodische Beschleunigungsänderungen wahr (Bild 5, Kurve a). Aufgabe des Aktiven Ruckeldämpfers (ARD) ist es, diese Beschleunigungsänderungen zu verringern (b). Dies geschieht durch zwei getrennte Maßnahmen: li>- Bei plötzlichen Änderungen des vom Fahrer gewünschten Drehmoments (Fahrpedal) reduziert eine genau abgestimmte Filterfunktion die Anregung des Triebstrangs (1). li>- Schwingungen des Triebstrangswerden anhand des Drehzahlsignals erkannt und über eine aktive Regelung gedämpft. Diese reduziert die Einspritzmenge bei ansteigender Drehzahl und erhöht sie bei fallender Drehzahl, um so den entstehenden Drehzahlschwingungen entgegenzuwirken (2).
Beispiel des Aktiven Rucke ldämpfers (ARD)
min- 1 '
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-
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LaufruheregelungjMengenausgleichsregelung Nicht alle Zylinder eines Motors erzeugen bei gleicher Einspritzdauer das gleiche Drehmoment. Dies kann an Unterschieden in der Zylinderverdichtung, in der Zylinderreibung oderin den hydraulischen Einspritzkomponenten liegen. Folge dieser Drehmomentunterschiede ist ein unrunder Motorlaufund eine Erhöhung der Motoremissionen.
Die Laufruheregelung (LRR) bzw. die Mengenausgleichsregelung (MAR) hat die Aufgabe, solche Unterschiede anhand der daraus resultierenden Drehzahlschwankungenzu erkennen und über eine Anpassung der Einspritzmenge des betreffenden Zylinders auszugleichen. Hierzu wird die Drehzahl nach der Einspritzungin einen bestimmten Zylinder mit einer gemittelten Drehzahl verglichen. Liegt die Drehzahl des betreffenden Zylinders zu tief, wird die Einspritzmenge erhöht; liegt sie zuhoch, muss die Einspritzmenge reduziertwerden (Bild 6).
Beispiel der Laufr uheregelung (LRR)
Solldrehzahl
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Elektronische Dieselregelung
Die Laufruheregelung ist eine Komfortfunktion, deren primäres Ziel die Verbesserung der Motorlaufruhe im Bereich der Leerlaufdrehzahl ist. Die Mengenausgleichsregelung soll zusätzlich zur Komfortverbesserung im Leerlaufdie Emissionen im mittleren Drehzahlbereich durch eine Gleichstellung der Einspritzmengen der Motorzylinderverbessern. Für Nkw wird die Mengenausgleichsregelung auch AZG(Adaptive Zylindergleichstellung) bzw. SRC (SmoothRunning Control) genannt. Begrenzungsmenge Würde immer die vom Fahrer gewünschte oderphysikalisch mögliche Kraftstoffmenge eingespritztwerden, könnten folgende Effekte auftreten: li>- zu hohe Schadstoffemissionen, li>- zu hoher Rußausstoß, li>- mechanische Überlastung wegen zu hohem Drehmoment oder Überdrehzahl, li>- thennische Überlastung wegen zu hoher Abgas-, Kühlmittel-, ÖI- oder Turboladertemperatur oder li>- thermische Überlastung der Magnetventile durch zu lange Ansteuerzeiten.
Um diese unerwünschten Effekte zu vermeiden, wird eine Begrenzung aus verschiedenen Eingangsgrößen gebildet (z. B. angesaugte Luftmasse, Drehzahl und Kühlmitteltemperatur). Die maximale Einspritzmenge und damit das maximale Drehmoment werden somit begrenzt. Motorbremsfunktion Beim Betätigen der Motorbremse von Nkw wird die Einspritzmenge alternativ entweder aufNull- oder Leerlaufmenge eingeregelt. Das Steuergerät erfasstfür diesen Zweck die Stellung des Motorbremsschalters.
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Regelung der Einspritz ung
Höhenkorrektur Mit steigender Höhe nimmt der Atmosphärendruck ab. Somit wird auch die ZylinderfüllungmitVerbrennungsluftgeringer. Deshalb muss die Einspritzmenge reduziert werden. Würde die gleiche Menge wie bei hohem Atmosphärendruck eingespritzt, käme es wegen Luftmangel zu starkem Rauchausstoß.
Der Atmosphärendruck wird vom Umgebungsdrucksensorim Steuergerät erfasst. Damit kann die Einspritzmenge in großen Höhenreduziertwerden. Der Atmosphärendruck hat auch Einfluss aufdie Ladedruckregelung und die Drehmomentbegrenzung. Zylinderabschaltung Wird bei hohen Motordrehzahlen ein geringes Drehmomentgewünscht, muss sehr wenig Kraftstoffeingespritztwerden. Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung des Drehmoments ist die Zylinderabschaltung. Hierbei wird die Hälfte der Injektoren abgeschaltet(UIS-Nkw, UPS, Common Rail-System). Die verbleibenden Injektoren spritzen dann eine entsprechend höhere Kraftstoffmenge ein. Diese Menge kann mit höherer Genauigkeit zugemessen werden. Durch spezielle Software-Algorithmen können weiche Übergänge ohne spürbare Drehmomentänderungen beim Zu- und Abschalten der Injektoren erreichtwerden.
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Elektronische Dieselregelung
I
Regelung der Einspr itz ung
Regeneration von Abgasnachbehandlungssystemen Die Abgasgrenzwertewerdenin Zukunft nicht mehr allein durch innennotorische Maßnahmen zu erfüllen sein. Dies macht den Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen wie Dieselpartikelfi1teroder NOxKatalysatoren erforderlich. Diese Systeme speichern Schadstoffe ein und müssen zu bestimmten Zeitpunkten regeneriert werden. Dazu sind definierte Abgastemperaturen erforderlich, die im normalen Fahrbetrieb in der Regel selten erreichtwerden. Die EDCstellt Funktionen zur Bestimmung der Regenerationszeitpunkte zur Verfügung und leitet Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur ein(z. B. angelagerte Nacheinspritzung, Spätverstellung der Haupteinspritzung). Inkrementwinkel-Lemen (UIS-Pkw) Für eine genaue Mengenzumessung benötigt das Unit Injector System eine genaue Winkelinfonnation. Die Genauigkeit wird jedoch durch Winkeltoleranzen beeinträchtigt, die durch Ungenauigkeiten des Kurbelwellen -Geberrades selbst, durch den Sensor oder durch Einflüsse anderer Komponenten aufdas Winkelgebersystem verursacht werden können. Mit dem Inkrementwinkel-Lernverfahrenwerdendie Winkeltoleranzen des Kurbelwellen -Geberrades eingelernt. Das Einlernen findet im Schubbetrieb bei annähernd konstanter Motordrehzahl statt. Die gemessenen Winkelabweichungen werden um Störeffekte bereinigt und die korrigierte Winkelinfonnationwirdfür die Ansteuerung der Injektoren verwendet. Inkrementwinkel-Verschleifen (UIS-Pkw) Das Winkelsystem extrapoliert aus den Zahnflanken des Kurbelwellengebers eine höher aufgelöste Winkelinfonnation. Aufgrund der Dynamik im Drehzahlsignal kommt es hier bei jeder neuen Zahnflanke zu einem Springen der Winkelinfonnation. Dies führt bei Einspritzsystemen mitwinkelbasierter Mengenzumessung
zu schwankenden Einspritzmengen. Die FunktionInkrementwinkel-Verschleifen passt die Winkelberechnung derart an, dass an Zahnflanken keine Sprünge mehr auftreten. Die Winkeldifferenz zwischen steuergeräte-interner Winkelinformation und der des Kurbelwellengebers wird bis zur nächsten Zahnflanke an den Wert des Kurbelwellengebersangeglichen. Spritzbeginnregelung Der Spritzbeginn hat einen starken Einfluss aufLeistung, Kraftstoffverbrauch, Geräuschemissionen und Abgasverhalten. Sein Sollwert hängt von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge ab. Eristim Steuergerätin Kennfeldern gespeichert. Weiterhinkann eine Korrekturin Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur und dem Umgebungsdruck erfolgen. Fertigungs- und Anbautoleranzen der Unit Injector- Einheit an den Motor sowie Veränderungen der Magnetventile während der Laufzeit können zugeringen Unterschieden der Magnetventilschaltzeiten und damit zu unterschiedlichen Spritzbeginnenführen. Die Dichte und die Temperatur des Kraftstoffs haben ebenfalls Einfluss aufden Spritzbeginn. Diese Einflüsse müssen durch eine Regelstrategie kompensiertwerden, um die Abgasgrenzwerte einzuhalten. Folgende Regelungen werden eingesetzt (Tabelle 2):
2 Regelung
.ä
.~ ob ~
o ~ ....
•• =z ~~
Einspritzsystem Reihenein
s~p,~,,~,p~c~m~p~e~c
kantengesteuerte verte ilerei nspri tzpumpe n magnetventilgeste uerte vertel lereinsp ritzpum pen Common Rail Unit lnjector/Unit Pump
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Elektronische Dieselregelung
BIP-Regelung Die BIP-Regelung wird bei den magnetventilgesteuerten Systemen Unit Injector (UIS) und UnitPump (UPS) eingesetzt. Der Förderbeginn - oder kurzBIP (Begin ofInjection Period) - ist als der Zeitpunkt definiert, ab dem dasMagnetventilgeschlossen ist. Ab diesem Zeitpunkt beginnt der Druckaufbau im Pumpenhochdruckraum. Nach Überschreiten des Düsennadelöffnungsdrucks öffnet die Düse und der Einspritzvorgang beginnt (Spritzbeginn). Die Kraftstoffzumessung findet zwischen Förderbeginn und Ansteuerende des Magnetventils statt und wird Förderdauer genannt. Durch den direkten Zusammenhang zwischen Förder- und Spritzbeginn genügt es für eine exakte Regelung des Spritzbeginns, Kenntnis über den Zeitpunkt des Förderbeginns zu haben. Um eine zusätzliche Sensorik(z.B. einen Nadelbewegungssensor) zu vermeiden, wird der Förderbeginndurch eine elektronische Auswertung des Magnetventilstroms detektiert (erkannt). Im Bereich des erwarteten Schließzeitpunkts des Magnetventils wird die Ansteuerung mit konstanter Spannung durchgeführt (BIP-Fenster, Bild 7). Induktive Effekte beim Schließen des Magnetventils führen zu einer charakteristischen Ausprägung des Magnetventilstroms. Diese wird vom Steuergerät erfasst und ausgewertet. Die Abweichung vom erwarteten Sollwert des Schließzeitpunkts wird für jede einzelne Einspritzung abgespeichert und für die darauffolgende Einspritzsequenz als Kompensationswert verwendet. Bei Ausfall eines BIP-Signals schaltet das Steuergerät aufgesteuerten Betriebum.
I
Regelung der Eins pritz ung
Abstellen Das Arbeitsprinzip Selbstzündung hat zur Folge, dass der Dieselmotornur durch Unterbrechen der Kraftstoffzufuhr zum Stillstand gebracht werden kann.
Bei der elektronischen Dieselregelung wird der Motor über die Vorgabe des Steuergeräts "Einspritzmenge Null" abgestellt(z. B. keine Ansteuerung der Magnetventile oder Regelstangenposition .jvullförderung"). Daneben gibt es eine Reihe redundanter (zusätzlicher) Abstellpfade (z. B. ElektrischesAbstellventil, ELAB, der kantengesteuerten Verteilereinspritzpumpen). Die Systeme Unit Injector und Unit Pump sind eigensicher, d. h. es kann höchstens ein Mal ungewollt eingespritzt werden. Deshalb sind hier keine zusätzlichen Abstellpfadenötig.
BIP-Erkennung Ventil AnsteuerBeginn
I
I
Ventil-
Schließzeitpunkt = BIP
,.(
Ventil AnsteuerEnde
Haltestrom
I
Reg;;;enZe
Anzugsstrom o
Zelt
I
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Elektronische Dieselregelung
_ _
I
Prinzipieller Ablauf der Elektronischen Dieselregelung
~ Luft-Regelkreis -----... Daten- und Signalfluss
Kraftstoff-Regelkreis 1 (Einspritzkomponente) Kraftstoff-Regelkreis 2 (Motor) "Umweg" über den Fahrer EDC-Steuergerät
- -
Datenaustausch mit anderen Systemen - Antriebsschlupfregelung, - Getriebesteuerung, - Klimasteuerung
Ansteuerung der Einspritzkomponente
.,.
I I
Regelung der Einspritzung
F .•.
::; Anforderungen des Fahrers - Fahrerwunsch, - Tempomat, - Motorbremse
~
+ CAN
+
I
Regelung und Ansteuerung der übrigen Stellglieder
.,.
-
:
Sensoren und Sollwertgeber - Fahrpedalsensor, - Drehzahlsensor, - Schalter
. . . . . . . . . . . . . . . ...... '~ J
!~~ : :~~~
I \u u u ~>········· ~
(/";>.
.......... Loft
Kraftstoff
~
•
c:
ll'
Einspritzkomponenten - Reiheneinspritzpumpen, - Verteilereinspritzpumpen, - Unit Injector / Unit Pump, - Common Rail Hochdruckpumpe und Injektoren, - Düsenhalter und Düsen
... =
-
System zur Füllungssteuerung - Aufladung, - Abgasrückführung
.-
Stellglieder (Aktoren) - elektropneumat. Wandler, - Dauerbremsanlage, - Lüfter, - Glühzeitsteuerung
.-
Elektronische Dieselregelung
Momentengeführte EDC-Systeme Die Motorsteuerung wird immer enger in die Fahrzeuggesamtsysteme eingebunden. Fahrdynamiksysteme (z. B. ASR), Komfortsysteme (z.B. Tempomat) und die Getriebesteuerung beeinflussen über den CAN-Bus die Elektronische Dieselregelung EDC. Andererseits werden viele derin der Motorsteuerung erfassten oder berechneten Informationen über den CAN-Bus an andere Steuergeräte weitergegeben. Um die Elektronische Dieselregelung künftignoch wirkungsvollerin einen funktionalen Verbund mit anderen Steuergeräten einzugliedern und weitere Verbesserungen schnell und effektiv zu realisieren, wurden die Steuerungen derneuesten Generation einschneidend überarbeitet. Diese momentengeführte Dieselmotorsteuerungwird erstmals ab EDC16 eingesetzt. Hauptmerkmal ist die Umstellung der Modulschnittstellen aufGrößen, wie sieim Fahrzeug auch entsprechend auftreten. Kenngrößen eines Motors Die Außenwirkung eines Motors kann im Wesentlichen durch drei Kenngrößen beschrieben werden: Leistung P, Drehzahl n undDrehmomentM. Bild 8 zeigt den typischen Verlaufvon Drehmoment und Leistung über der Motordrehzahl zweier Dieselmotoren im Vergleich. Grundsätzlich gilt derphysikalische Zusammenhang:
Momentengeführte EDe-Systeme
Momentensteuerung Der Fahrerfordert beim Beschleunigen über das Fahrpedal (Sensor) direkt ein einzustellendes Drehmoment. Unabhängig davon fordern andere externe Fahrzeugsysteme über die Schnittstellen ein Drehmoment an, das sich aus dem Leistungsbedarfder Komponenten ergibt (z. B. Klimaanlage, Generator). Die Motorsteuerung errechnet daraus das resultierende Motonnoment und steuert die Stellgliederdes Einspritz- und Luftsystems entsprechend an. Daraus ergeben sich folgende Vorteile: li>- Kein System hat direkten Einfluss aufdie Motorsteuerung (Ladedruck, Einspritzung, Vorglühen). Die Motorsteuerung kann so zu den äußeren Anforderungen auch noch übergeordnete Optimierungskriterien berücksichtigen (z.B. Abgasemissionen, Kraftstoffverbrauch) und den Motor dann bestmöglich ansteuern. li>- Viele Funktionen, die nicht unmittelbar die Steuerung des Motors betreffen, können für Diesel- und Ottomotorsteuerungen einheitlich ablaufen. li>- Erweiterungen des Systems können schnell umgesetztwerden. Beispiel des Drehmoment- und Leistungsverlaufs zweier Pkw-Dieselmotoren mit ca. 2,2 lHubraum über der Drehzahl
0-
kW 75 ~
c
.a ~
50
25
a
P=2·rr·n·M
Es genügt also, z. B. das Drehmoment als Führungsgröße unter Beachtung der Drehzahl vorzugeben. Die Motorleistung ergibt sich dann aus der obigen Formel. Da die Leistungnicht unmittelbar gemessen werden kann, hat sich für die Motorsteuerung das Drehmoment als geeignete Führungsgröße herausgestellt.
I
C 300
~
"oE
..
-
E 200
- Kohlenwasserstoffe (HC), li>- Kohlenmonoxid(CO), li>- Stickoxide (NOx), li>- Schwefeldioxid Gö-), li>- Partikel (Ruß, HC, Abrieb, Wassertröpfchen). Der Anteil der Schadstoffe variiert in Abhängigkeitvom Lastzustand und beträgt bei Teillastca.O,l %desAbgasvolumenstromes.
1) Kohlenwasserstoffe
mit aufgebrochener Einfach bi ndu ng, die daher sehr reaktionsfreudig sind
Kohlenwasserstoffe (HC) Kohlenwasserstoff- Emissionen entstehen aus unvollständig verbranntem oder unverbranntem Kraftstoffsowie aus dem Schmieröl. Dabei gibt es verschiedene Entstehungsmechanismen: li>- Flammenauslöschungan den Brennraumwänden aufgrund niedriger Wandtemperaturen, li>- vermehrter Kraftstoffwandauftrag, mit einerfür die Verbrennung zugeringen Verdampfungsrate, li>- das Nichtzünden des Kraftstoff- Luftgemisches oder das Flammenlöschen aufgrund zu geringer lokaler Sauerstoffkonzentration, hervorgerufen durch Zonen mit sehr großem Abgasrückfiihranteil, li>- eine schlechte Gemischaufbereitung, hervorgerufen durch zu große Kraftstoffmengen bei schlechter Zerstäubung, durch Nachspritzen des Injektors oder
li>-
durch Kraftstoffaus dem Sackloch volumen der Einspritzdüse, Desorption aus dem Schmieröl insbesondere im Schiebebetrieb.
Kohlenmonoxid (CO) Kohlenmonoxid tritt als Zwischenprodukt bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu CO2 auf. Es entsteht zum einen als Dissoziationsprodukt bei Temperaturen von über 1000°C, wie sie zum Zeitpunkt der Hauptumsetzung kurz nach dem oberen Totpunkt des Kolbens im Brennraum auftreten. In Wandnähe und währendderweiteren Expansion kann die Reaktionskette zur CO2 - Bildung unterbrochen werden, sodass CO-Emissionen im Abgas verbleiben. Zum anderen entsteht Kohlenmonoxid bei Oxidation unter Sauerstoffmangel. Aufgrund des Betriebs mit Luftüberschuss sind die CO-Emissionen bei Dieselbrennverfahren sehr gering. Stickoxide (NO x) Beim Verbrennungsprozessim Motor entsteht hauptsächlich Stickstoffoxid (NO), das sich in Luft langsam in Stickstoffdioxid (N0 2 ) umwandelt. Bei der Bildung von Stickstoffoxid (NO) unterscheidetman drei Mechanismen: li>- Brennstoff-NO, li>- promptes NO, li>- thermisches NO.
Brennstoff-NO entsteht durch Oxidation des im Brennstoffenthaltenen Stickstoffs. Aufgrund des geringen Stickstoffanteils im Brennstoffsinddie darausresultierenden Stickoxid-Emissionen vernachlässigbar gering. Promptes NO bildetsich in der Flammenfrontin brennstoffreichen Bereichen. Bei der Verbrennung entstehen als Zwischenprodukte CH-Radikaler), die mit dem Luftstickstoffzu Zyaniden (z. B. Blausäure HCN) reagieren. Diese oxidieren in weiteren Reaktionsschritten zu NO. Der Anteil von promptem NO beträgt 5 % bis 10 % der NOx-Emissionen.
Abgasemissionen
Thermisches NO entsteht bei einer stark endothermen Reaktion. Erst bei Temperaturen von über 1750 "Cwird eine nennenswerte NO-Bildung in Gang gesetzt. Dabei wird die Aktivierungsenergie für die geschwindigkeitsbestimmende Teilreaktion, das Aufbrechen der Dreifachbindung des Stickstoffmoleküls, bereitgestellt. Die NO-Bildung hängt wesentlich von der Temperatur und der Verweildauer bei hoher Temperatur ab sowie von der Sauerstoffkonzentration am Ort der Verbrennung. Bei einem Luftverhältnis von.ä = 0,95 wird die maximale Flammentemperatur erreicht. Bei Erhöhung der Sauerstoffkonzentration und konstanter Temperatur erhöht sich die thermische NO-Bildung, sodass unter Berücksichtigungder gegenläufigen Effekte bei ä = 1,1 die maximale NO-Konzentration vorliegt. Im Umkehrschluss kann eine effektive NO-Reduzierung bei einer durch die Drehzahl vorgegebenen Verweildauernur durch Absenkung der Verbrennungstemperatur und Beschränkung der Sauerstoffkonzentration erzielt werden.
I
Ent stehung von Schads toffen
I
163
Schwefeldioxid (S02) Schwefeldioxid entsteht durch Oxidation des im Kraftstoffenthaltenen Schwefels. Seit2005 schreibt die EU-Gesetzgebung die Verwendung von schwefelarmen Kraftstoffen mitmaxima150 ppm Schwefelgehaltvor. Partikel, insbesondere Ruß Als Partikel entstehen neben Abrieb und Wassertröpfchen bei unvollständiger Verbrennung Kohlenstofftei1chen, die durch Aneinanderkettung zu Rußpartikeln wachsen. An die Rußpartikellagern sich unverbrannte Kohlenwasserstoffe sowie Schmieröl-Aerosole an. Die Partikelemissionen sind vorwiegend ein Problem des Dieselmotors. Auch bei globalem Luftüberschuss im Brennraum findet aufgrund inhomogener Zonen lokal eine Verbrennung unter Sauerstoffmangel statt. Dies führt in einer ersten Phase zu starker Rußbildung. Gleichzeitig erfolgt eine Rußoxidation, die durch hohe Brennraumtemperaturen undLadungsbewegung unterstütztwird. Daher betragen die Rußemissionen im Abgas nur einen Bruchteil der im Brennraum entstandenen Rußmasse.
Abgaszusam menset zung fü r Pkw-Dieselmot or im Teillast bereich (Rohemissionen )
Bild 1 Angaben in Gewichts-
ca. 15%Sau.rslDII (Cl,)
co. 7%Kohlendioxid (CD,)
I
co. 3% Wosser (H,O)
/1'--"11 Partikel
r==~
Kohl• .........-(HC)
5tickoxido (NOx)
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prozent. Die Konzentrationen der Abgasbes tandteile, insbeson der e der Schadstoffe, können abweichen; sie hängen u.a. von oen Bet r iebsbedingunge n des Moto rs und den Um-
- +( c l a 0,1% S c h _
gebungsbed ingungen (z. B, Luftfeuchtigkeit)
Kohlenmonoxid (CO)
ab.
Mit NOx-Speicherkatalysator bzw. Parti kelfil ter
ca. 75% Stickstoff (~
können die NQ,:- und Partikelemissionen um mehr als 90 % gesenkt werd en,
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I
Abgasemissionen
I
Innermotorische Emissionsminderung
Innermotorische Emissionsminderung Ziel derinnennotorischen Emissionsminderungist die Reduzierung der Schadstoffe im Rohabgas (Abgas nach der Verbrennung, vor der Abgasnachbehandlung). Durch eine Kombination von innennotorischen und nachrnotorischen Maßnahmen (Abgasnachbehandlung) werden die Emissionen soweit abgesenkt, dass die jeweils geltenden Emissionsgrenzwerte nicht überschritten werden. Durch eine weitgehende Reduzierung der Rohemissionen lässt sich der Zusatzaufwand für die Abgasnach behandlung einschränken. Brennverfahren Dem Brennverfahren und dessen Abstim mung kommen beim Dieselmotor höchste Bedeutung hinsichtlich der erzielbaren Leistung, des Verbrauchs und der Emissionenzu. Die Motorleistungwird durch die maximal zulässige Schwarzrauchzahl (Abgastrübung als Maß für den Rußpartikelausstoß) und die maximal zulässige Abgastemperatur begrenzt. Die Werkstoffeigenschaften des Turboladers definieren _
den Grenzwert der Abgastemperatur am Eintrittin die Turbine. Die dieselmotorische Verbrennungwird durch drei Phasen charakterisiert: li>- Zündverzug,d.h. die Zeit zwischen Einspritzbeginn undZündbeginn, li>- vorgemischte Verbrennung, li>- Diffusionsflamme (mischungskontrollierte Verbrennung). Ein kurzer Zündverzug und damit eine geringe eingespritzte Kraftstoffmenge innerhalb der ersten Phase sind notwendig, um das Verbrennungsgeräusch zu begrenzen. Nach Einsetzen der Verbrennung ist eine gute Gemischbildung erforderlich, um niedrige Ruß- und NOx-Emissionen zu erzielen. Entscheidenden Einfluss aufdie Phasen der Verbrennung haben li>- Druck und Temperatur im Brennraum, li>- die Masse, Zusammensetzung und Bewegung der Ladung, li>- der Einspritzdruckverlauf. Die genannten Größen werden einerseits durch motorspezifische Parameter und andererseits durch die veränderbaren Betriebsparameter eingestellt.
Einf lussgrößen des Brennverfa hrens Einspritzsystem • Typ • Einspritzdruck • Einspritzrate • Düsengeometrie
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Motorgeometrie • Brennraum • Verdichtungsverhältnis • Hub! Bohrungsverhältnis • Drall
Startsystem • Glühkonzept • Starter
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