Wie Diesel seinen Groove zurückbekam

Jun 24, 2023

Während die NASA vielleicht eine Sonde bis zum Pluto geschickt hat, gibt es hier auf der Erde noch ein weiteres technisches Wunder, das weitgehend unbemerkt vor jedermanns Nase schlummert.

Die Rede ist von modernen Tier-4-Final-Dieselmotoren, die Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsysteme und elektronisch betätigte Einspritzdüsen verwenden, die von einem elektronischen Steuermodul (ECM) gesteuert werden.

Diese Systeme können kleine, schnelle Kraftstoffstöße in die Zylinder leiten, in manchen Fällen mehr als 6.000 Mal pro Minute. Dadurch können die heutigen Großdieselmotoren mit weniger Kraftstoff mehr Leistung als je zuvor erzeugen und gleichzeitig die Abgasemissionen um mehr als 95 Prozent senken.

Um Ihnen eine bessere Vorstellung davon zu geben, wie diese modernen Wunder der Technik funktionieren, haben wir mit Jim Fier, Vizepräsident für Technik bei Cummins, und Ilidio Serra, Manager für technischen Service-Support, Robert Bosch Automotive Aftermarket Division, gesprochen.

Wir beginnen mit der Betrachtung des Unterschieds zwischen Einspritzdüsen älterer Bauart und der neuen Technologie von heute.

Vor der Einführung moderner Emissionsvorschriften waren die meisten Dieselmotoren auf eine mechanische Kraftstoffeinspritzung angewiesen – ein Nockenwellennocken, der gegen einen Rollenstößel drückte, trieb einen Kolben an, der den Kraftstoff unter Druck setzte. Bei diesen Systemen strömt unter Druck stehender Kraftstoff durch eine Leitung, bis er auf eine Feder am Einspritzventil trifft und dieses öffnet, wodurch der Kraftstoff in den Zylinder fließen kann. Drücke bis zu 15.000 psi waren möglich, aber nur eine Einspritzung pro Umdrehung der Nockenerhebung und ein Kraftstoffschuss pro Verbrennungszyklus waren möglich.

Die mechanische Kraftstoffeinspritzung ist einfach und zuverlässig. Es wird immer noch bei Motoren mit geringerer Leistung verwendet, kann aber nicht die präzise Steuerung, Emissionsreduzierung und den breiten Leistungsbereich bieten, die für die heutigen größeren Tier-4-Final-Motoren erforderlich sind, vor allem solche mit 74 PS und mehr.

Da die Emissionsvorschriften immer strenger wurden, wurden Verbesserungen vorgenommen, darunter Verteilerpumpen, Reihenpumpen und Pumpe-Düse-Einheiten, die schließlich Drücke von bis zu 23.000 bis 26.000 psi ermöglichten. Viele OEMs konnten mit diesen ausgefeilteren Systemen die Tier-3-Emissionsanforderungen erfüllen. Das wahre Wunder geschah jedoch erst mit der Einführung von Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffsystemen (HPCR), die Einspritzdrücke von bis zu 36.000 psi ermöglichten.

In einem HPCR-System beziehen die Einspritzdüsen ihren Kraftstoff aus einer einzigen speicherähnlichen Schiene, die alle Einspritzdüsen mit einer gemeinsamen Kraftstoffquelle versorgt. Der in der Common Rail gespeicherte Kraftstoff steht unter einem Druck von über 30.000 psi und wartet auf seine Verwendung.

Der Vorteil besteht darin, dass Sie nicht mehr auf einen Nocken oder eine Kraftstoffpumpe angewiesen sind, um den Kraftstoff am Einspritzventil unter Druck zu setzen. Die in mechanischen Systemen verknüpften Aufgaben der Druckbeaufschlagung und Einspritzung werden unabhängig. Und je höher der Druck, desto besser zerstäubt der Kraftstoff, sobald er in den Zylinder gespritzt wird.

Anstelle der Geschwindigkeit des Nockens oder der Kraftstoffpumpe, die bestimmt, wann sich die Einspritzdüse öffnet und schließt, steuert ein HPCR-System die Einspritzdüse mit einem kleinen, schnell zündenden Aktuator, entweder einem Magnetventil oder einem Piezokristall, der in die Einspritzdüse eingebaut ist. Und weil sie elektronisch betätigt werden, können sie genauso schnell feuern, wie man einen elektrischen Strom ein- und ausschalten kann.

Diese elektronisch gesteuerten Einspritzdüsen bieten im Vergleich zu mechanischen Systemen eine viel bessere Kontrolle über Einspritzzeitpunkt und -menge, sagt Fier. „Dies hat wesentlich dazu beigetragen, sauberere und kraftstoffeffizientere Dieselmotoren zu entwickeln“, sagt er.

„Die Verbrennung in einem Dieselmotor ähnelt dem Rezept zum Backen eines Kuchens“, sagt Serra. „Wenn Sie Ihre Zutaten richtig abmessen, die richtigen Temperatureinstellungen und die richtige Zeit haben, erhalten Sie jedes Mal einen perfekten Kuchen.“

Die Herausforderung besteht darin, dass sich das Rezept von einer Sekunde zur anderen ändern kann. Jedes Mal, wenn Sie einen anderen Gang einlegen, einen Hügel erklimmen oder Gas geben, um die Ausbrechkraft zu maximieren, ändert die Mischung aus Drücken, Temperaturen, Einspritzereignissen und Timing das Rezept.

Nur Common-Rail-Systeme mit ECM-Gehirnen und ultraschnellen, elektronisch gesteuerten Einspritzdüsen verfügen über die Geschwindigkeit und Vielseitigkeit, um auf diese Änderungen zu reagieren und dennoch Emissionsparameter, Kraftstoffverbrauch und Leistungsabgabe beizubehalten.

Ein Zylinder in einem Benzinmotor verbraucht eine Kraftstoffeinspritzung innerhalb von 40 bis 60 Grad Kurbelwellendrehung. Die Verbrennung eines Dieselmotors dauert viel länger, von 90 auf 120 Grad, sagt Serra. Diese langsame, sich ausdehnende Explosion verleiht Dieselmotoren ihr gewaltiges Drehmoment. Die Gestaltung und Maximierung der Effizienz dieser Verbrennungsfahne ist von größter Bedeutung.

Die Ventilplatzierung, die Form der Kolbenmulde und das Design der Einspritzdüsenspitze beeinflussen alle, wie die Wolke im Zylinder zirkuliert, sagt Serra. Aber Timing und Frequenz der Einspritzdüsen sind zwei Elemente, die sich ändern können, wenn sich die Anforderungen an den Motor ändern.

In einem typischen HPCR-Verbrennungsszenario mit geringer Leistung könnten drei Einspritzereignisse in der folgenden Reihenfolge auftreten:

Es beginnt mit einer kleinen, schnellen Piloteinspritzung, um alles in Gang zu bringen. Bei leichter und mittlerer Motorbelastung tragen frühe Piloteinspritzungen auch dazu bei, die Bildung von NOx (einem Schadstoff, der durch Tier 4 Final reguliert wird) zu kontrollieren und Geräusche zu reduzieren – das unverkennbare „Klopfen“ des Dieselmotors im Leerlauf.

Als nächstes kommt eine Volllast-Haupteinspritzung für die Leistung. Sechs bis acht Ereignisse sind möglich, um die Verbrennung zu modifizieren oder die Abgasnachbehandlung zu unterstützen.

Schließlich erhalten Sie eine kleine Nacheinspritzung, um den im Zylinder verbliebenen unverbrannten Kraftstoff abzufackeln. Nacheinspritzungen kontrollieren außerdem Partikel im Abgas, liefern zusätzliche Energie für Nachbehandlungssysteme und reduzieren die Verzögerung des Turboladers.

Wenn die Anwendung eine hohe Leistung erfordert, ordnet das ECM normalerweise eine lange Einspritzung an.

Ingenieure messen die Geschwindigkeit dieser Einspritzereignisse in Mikrosekunden, also einer Tausendstelsekunde. Es gibt ein Zeitfenster von etwa 7.000 Mikrosekunden, in dem alle Injektionen stattfinden. Während dieser Zeit gilt:

Das Magnetventil des Einspritzventils oder der Piezokristall-Aktuator beginnt sich innerhalb von 100 bis 150 Mikrosekunden nach der Erregung zu öffnen.

Bei einem Vorgang mit drei Einspritzungen liefert jede Einspritzung eine abgemessene Kraftstoffmenge etwa 1.225 Mal pro Minute im Leerlauf (750 U/min) und bis zu 3.300 Mal pro Minute bei Nenndrehzahl (2.200 U/min).

Bei einem Sechs-Einspritz-Vorgang kann jeder Einspritzer bis zu 6.600 Mal pro Minute bei 2.200 U/min Kraftstoffstöße abgeben.

Nach dem Einspritzvorgang dauert es weitere 50 bis 100 Mikrosekunden, bis der Magnet- oder Piezokristallaktuator wieder in den Ruhezustand zurückkehrt und die elektrische Ladung ableitet.

„Das elektronische Steuermodul am Motor verwaltet alle Aspekte der Kraftstoffsystemsteuerung“, sagt Fier. „Das ECM enthält nicht nur die Elektronik, die zur Betätigung von Steuerventilen und Einspritzdüsen erforderlich ist, sondern auch die Motorkalibrierung und -diagnose. Es ist im Grunde das Gehirn des Motors“, sagt er.

Und obwohl die Hardware in den meisten HPCR-Kraftstoffsystemen ähnlich sein mag, kann die elektronische Logik, die zum Antrieb des Systems verwendet wird, ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal zwischen der Leistung verschiedener Motoren sein, sagt Fier. Die Motorkalibrierung und das elektronische Management seien komplexer geworden und müssten vollständig in die Luftaufbereitung, die Kraftstoffsysteme, die Nachbehandlung und die Filterung integriert werden, sagt er.

Jeder Injektor verfügt über eine Düse mit einer Reihe von Sprühlöchern, die sowohl auf den Leistungsbedarf als auch auf die Emissionsleistung optimiert sind, sagt Fier. Die Düsen bestehen aus Stahl und werden unterschiedlichen Wärmebehandlungsverfahren unterzogen, um hohen Betriebstemperaturen standzuhalten.

Da die Emissionsanforderungen strenger geworden sind, ist die Fähigkeit der Düsen, einen gleichmäßigen und spezifischen Kraftstoffstrahl auf den Zylinder zu liefern, wichtiger geworden, sagt Fier. Die Einspritzdüse ist ein wesentlicher Bestandteil der Formung der Abgasfahne im Moment der Verbrennung. Die Düsenspritzlöcher seien auf die Zylindermulde abgestimmt, um eine optimale Zerstäubung des Kraftstoffs und damit die beste Leistungsdichte, geringste Emissionen und einen reduzierten Kraftstoffverbrauch zu erreichen, sagt er.

Während sich die für Einspritzdüsenspitzen verwendeten Materialien bei der Entwicklung von der mechanischen zur elektronischen Einspritzung kaum verändert haben, sind die Einspritzdüsen in HPCR-Systemen immer noch anfällig für verunreinigten Kraftstoff, sagt Serra. „Schmutz, insbesondere harte Quarzpartikel, verwandeln das Kraftstoffsystem in einen sehr effizienten Hydrozerkleinerer und verkürzen die Lebensdauer des Kraftstoffsystems und des Motors“, sagt er.

Wenn Sie Leute über die Vorzüge von sauberem Diesel und guter Filterung predigen hören, dann ist das der Grund. Sogar Wasser im Kraftstoff kann bei 30 bis 36.000 psi und 5.000 bis 6.000 Mal pro Minute den Verschleiß der Einspritzdüsenspitze erheblich beschleunigen.

Während der Kraftstoff im Common Rail unter extremem Druck steht, besteht das Hauptrisiko für Mechaniker, die an einem System arbeiten, bei laufendem Motor, da die meisten Motoren das Kraftstoffsystem innerhalb von Sekunden nach dem Abschalten drucklos machen. Dennoch sollten Sie beim Entlüften oder Arbeiten an Kraftstoffsystemen immer die vom OEM empfohlenen Verfahren befolgen.

„Die neuen Motoren erfordern von den Technikern, ihre alten Diagnosegewohnheiten wie das Öffnen der Kraftstoffleitungen bei laufendem Motor zu vergessen“, sagt Serra. „Die älteren Systeme pumpten nur 0,01 Unzen Kraftstoff pro Zündhub und pro Zylinder bei Volllast. Daher war der meiste Kraftstoff, den man aus einer einzelnen Kraftstoffleitung nach einer Minute bei minimalem Druck herausholen konnte, etwa 10 Unzen Kraftstoff.“

„Mit einem Common-Rail-Motor würde die gleiche Vorgehensweise fast eine Gallone Kraftstoff bei erheblicher Zerstäubung erzeugen“, sagt Serra. „Die Geschwindigkeit des Kraftstoffs innerhalb weniger Zentimeter um das Leck ist hoch genug, um die Haut oder Handschuhe zu durchdringen“, sagt er.

Einige der heutigen Motoren können Hunderte verschiedener Fehlercodes für verschiedene Zustände und Symptome haben, aber Fehlercodes lösen nicht immer ein Problem. „Selbst bei all diesen Fehlercodes erfordert die Diagnose immer noch einen gut ausgebildeten Techniker, der bei der Diagnose eines Motorsystems einen systematischen Ansatz verfolgt“, sagt Serra. „Erfahrung und Verständnis für Ursache und Wirkung am Motor sind durch nichts zu ersetzen. Beispielsweise kann ein Fehlercode für Fehlzündungen nicht nur durch eine defekte Einspritzdüse, sondern auch durch ein fehlerhaftes AGR-System, eine fehlerhafte Ventileinstellung oder ein fehlerhaftes Kabelbaumsystem verursacht werden.“

Die für Techniker am schwierigsten zu diagnostizierenden Probleme sind Beschwerden, die sich auf keinen Fehlercode beziehen, sagt Serra. Wenn sie nicht verstehen, wie sich das gesamte System verhalten soll, wie normale Daten aussehen und wie man an die Diagnose herangeht, sind sie verloren, sagt Serra.

„Bei den älteren Motoren mit mechanischer Einspritzung befanden sich 95 Prozent des Kraftstoffsystems zwischen der Einspritzpumpe und den Einspritzdüsen, sodass die Diagnose recht einfach war“, sagt Serra. „Bei einem Common-Rail-Motor machen die Kraftstoffpumpe und die Einspritzventile nur 25 Prozent des Kraftstoffsystems aus.“ Als er herausfand, übersah er einen einfachen Fehler, etwa einen verstopften Kraftstofffilter.

Laut Fier ergab eine kürzlich durchgeführte Zerlegung und Inspektion eines Tier-4-Motors von Cummins, dass mit einer Lebensdauer bis zur Überholung seiner HPCR-Injektoren von 20.000 Stunden zu rechnen sei. Der Vorbehalt besteht darin, dass es vom Arbeitszyklus, der Anwendung, einer guten Filterwartung und sauberem Kraftstoff abhängt.

„Diese Motoren erfordern keinen planmäßigen Wechsel der Einspritzdüsen in der Mitte ihrer Lebensdauer und werden voraussichtlich die gleiche Lebensdauer wie der Motor erreichen“, sagt Fier. „Vielleicht wichtiger als die Lebensdauer in Stunden ist die Gesamtzahl der Injektionen über die Lebensdauer des HPCR-Systems, wobei 1 Milliarde Injektionen eine typische Zahl sind.“