Diesel-Einspritzdüsen

Entstehung und Anwendung.

Die Entwicklung von Einspritzdüsen für Dieselmotoren erstreckt sich über mehr als ein Jahrhundert voller Innovationen und technischer Fortschritte. Ursprünglich wurde die Kraftstoffeinspritzung mithilfe von Hochdruckluft realisiert, aber in den 1920er Jahren wurden die ersten mechanischen Einspritzdüsen ohne Luftunterstützung eingeführt. In dieser Zeit spielte Bosch eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Hochdruckeinspritzdüsen, die insbesondere in LKW- und Landmaschinenmotoren Anwendung fanden.

In den 1930er Jahren markierte die Einführung des ersten in Serie gefertigten Diesel-PKWs durch Mercedes-Benz einen wichtigen Meilenstein, der die wachsende Popularität dieser Technologie verdeutlichte. Der Zweite Weltkrieg beschleunigte die Weiterentwicklung von Einspritzdüsen, vor allem im militärischen Bereich. In den 1950er und 1960er Jahren kamen weitere bedeutende Innovationen hinzu, darunter Injektoren mit umgekehrtem Federsystem und die ersten elektronisch gesteuerten Einspritzpumpen.

Die 1960er und 1970er Jahre brachten die Einführung von Zweifeder-Einspritzdüsen, die in einer Vielzahl von Anwendungen, von Lastwagen bis hin zu Landmaschinen, zum Standard wurden. Diese neuen Einspritzdüsen ermöglichten eine präzisere Steuerung des Verbrennungsprozesses, was direkt zu einer verbesserten Motorleistung und einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führte.

In den 1990er Jahren revolutionierte Bosch die Dieseltechnologie mit seinem Pumpe-Düse-System, gefolgt vom Common-Rail-System, das eine extrem präzise Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei sehr hohen Drücken ermöglichte. 

Das Pumpe-Düse-System, das vom Volkswagen-Konzern in PKWs und Transportern eingeführt wurde, stellte einen bedeutenden Fortschritt in der Diesel-Einspritztechnik dar. Dieses System integrierte die Einspritzpumpe direkt in den Injektor, wodurch eine präzisere Steuerung der Kraftstoffeinspritzung erreicht wurde. Jeder Zylinder verfügte über eine eigene Pumpe-Düse-Einheit, was eine bessere Kontrolle über den Einspritzvorgang und die Verbrennung ermöglichte. Diese Technologie bot eine höhere Leistung und Effizienz, insbesondere im Hinblick auf das Ansprechverhalten des Motors unter verschiedenen Last- und Betriebsbedingungen. Sie fand weite Verbreitung in Fahrzeugen von Volkswagen und anderen Marken des VW-Konzerns und wurde auch in LKW-Motoren sowie in Maschinen und Nutzfahrzeugen eingesetzt.

Mit dem Ziel, die Emissionen weiter zu reduzieren und die Effizienz zu steigern, wurde das Pumpe-Düse-System jedoch allmählich durch modernere Common-Rail-Systeme ersetzt, die mit elektromagnetisch oder piezoelektrisch gesteuerten Einspritzdüsen arbeiten. Diese Systeme trennen die Funktionen der Kraftstoffverdichtung und -einspritzung, was eine präzise Steuerung des Einspritzvorgangs ermöglicht und so zu einer verbesserten Motorleistung und geringeren Abgasemissionen führt.

Seit den 2000er Jahren hat sich die Technologie der Dieseleinspritzdüsen kontinuierlich weiterentwickelt, mit einem besonderen Fokus auf die Reduzierung von Emissionen, die Verbesserung der Präzision bei der Kraftstoffzufuhr und die Integration in Hybridsysteme.

Aufbau und Funktionsweise.

Mechanische Einspritzdüsen.

Mechanische Einspritzdüsen wurden häufig in Dieselmotoren eingesetzt, da sie einfach und zuverlässig sind. 

• Einspritzventilgehäuse: Gefertigt aus hochwertigem Stahl, der gegen hohen Druck und Temperaturen beständig ist, enthält es alle wesentlichen Komponenten der Einspritzdüse und wird direkt in den Motorkopf eingebaut.
• Nadel: Ein präzisionsgefertigter Kolben, der den Kraftstofffluss steuert. Sie wird von einer Feder gegen den Sitz gedrückt, wodurch ein Auslaufen von Kraftstoff verhindert wird, solange kein Druck anliegt.

• Einspritzdüse (Spitze): Am Ende der Einspritzdüse befinden sich sehr kleine Löcher, durch die der Kraftstoff in den Verbrennungsraum gesprüht wird. Diese feine Zerstäubung ermöglicht eine bessere Vermischung mit der Luft und eine effizientere Verbrennung.

• Feder: Diese drückt die Nadel gegen den Düsensitz. Die Federkraft muss genau eingestellt werden, um sicherzustellen, dass die Nadel bei einem bestimmten Kraftstoffdruck öffnet.

• Doppelfeder-Injektoren: In fortschrittlicheren Einspritzdüsen werden zwei Federn verwendet, die eine stufenweise Öffnung ermöglichen und eine Voreinspritzung durchführen.

• Kraftstoffkanal: Dieser leitet den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff von der Einspritzpumpe ins Innere des Injektors. Wenn der Druck den Federwert überschreitet, hebt sich die Nadel und öffnet die Einspritzdüse.

• Schließmechanismus: Nach der Einspritzphase fällt der Kraftstoffdruck ab, die Feder drückt die Nadel gegen den Sitz und die Düse schließt, was den Kraftstofffluss stoppt.

Pumpe-Düse-Injektoren.

Das Pumpe-Düse-System integriert Pumpe und Einspritzer in einem Gehäuse.
• Pumpenteil: Dieser wird mechanisch vom Motor angetrieben, üblicherweise über eine spezielle Nockenwelle, und verdichtet den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck.
• Steuermagnetventil: Es ermöglicht eine präzise Dosierung der Kraftstoffmenge, die jedem Motorzylinder zugeführt wird.
• Einspritzdüsenspitze: Die Spitze des Injektors hat eine Reihe kleiner Löcher, um den Kraftstoff fein zu zerstäuben, was eine bessere Vermischung mit der Luft und eine vollständige Verbrennung sicherstellt.

Elektromagnetische und Piezo-Einspritzdüsen (Common Rail).

Common-Rail-Systeme verwenden entweder elektromagnetische oder piezoelektrische Injektoren.
Gehäuse: Hergestellt aus langlebigen Materialien wie Stahl, widersteht es hohen Drücken und Temperaturen und enthält alle Komponenten der Einspritzdüse. Es wird direkt in den Motorkopf eingebaut.

• Magnetspule: Dieses zentrale Steuerelement wird durch elektrischen Strom aktiviert und erzeugt ein Magnetfeld, das das Steuerventil (Bypass) öffnet, wodurch der Einspritzvorgang beginnt.
• Einspritzdüse (Spitze): Am Ende der Einspritzdüse befinden sich präzise gefertigte Löcher, durch die der Kraftstoff in den Verbrennungsraum geleitet wird.
• Rückholfeder: Sie ist dafür verantwortlich, das Nadelventil zu schließen, wenn der Magnet nicht mehr arbeitet, und beendet so die Einspritzung.
• Kraftstoffkanäle: Diese leiten den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff vom Rail ins Innere des Injektors.
• Elektrischer Stecker: Er verbindet den Injektor mit dem Motorsteuergerät (ECU), das den Stromfluss zur Aktivierung des Solenoids steuert.

Piezo-Injektoren
Piezo-Injektoren verwenden statt einer Spule einen piezokristallinen Stapel.
• Piezo-Kristalleffekt: Wenn eine Spannung an den Piezostapel angelegt wird, ändert sich dessen Länge, was das Steuerventil des Injektors aktiviert und so die Einspritzung startet oder stoppt.
• Vorteile: Piezo-Injektoren arbeiten schneller als elektromagnetische Injektoren, was eine präzisere Kraftstoffdosierung in den Zylinder ermöglicht und so zu einer effizienteren Verbrennung beiträgt. 

Regenerationsprozess.

Pumpe-Düse-Injektoren.

Die Überholung von Pumpe-Düse-Injektoren erfolgt unter strengen Prüf- und Kalibrierungsprozessen, um die volle Funktionalität und Leistung der Injektoren sicherzustellen.
• Bosch-Injektoren: Die Tests vor und nach der Überholung werden auf einem Bosch EPS 815 Prüfstand durchgeführt, der mit einer CAMBOX ausgestattet ist. Diese spezielle Ausrüstung ermöglicht die präzise Messung der Leistungsparameter der Pumpe-Düse-Einspritzventile, einschließlich des kritischen BIP-Werts (Beginn der Einspritzzeit). Die Überholung umfasst in erster Linie den Austausch der Düse, die Erneuerung der Dichtungen sowie die Inspektion und Reinigung der übrigen Komponenten. Falls erforderlich, werden auch andere Bauteile wie der Kolben, die Feder und die Komponenten des Steuerventils ersetzt.

• Delphi-Injektoren: Bei Delphi-Pumpeninjektoren erfolgt die Prüfung und Kalibrierung auf dem Hartridge AVM2-PC-Prüfstand. Auch hier umfasst die Überholung in erster Linie den Austausch der Düse und des Steuerventils, die Erneuerung der Dichtungen sowie die Inspektion und Reinigung der übrigen Komponenten. Gegebenenfalls werden auch weitere Teile wie die Feder oder der elektrische Anschluss ersetzt. Wenn vom Hersteller vorgesehen, erhält die überholte Einspritzpumpe einen neuen Korrekturcode, der auf Grundlage der Kalibrierungsdaten generiert wird.

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Elektromagnetische und Piezo-Einspritzdüsen (Common Rail).

Die Regeneration von elektromagnetischen und Piezo-Einspritzdüsen im Common-Rail-System erfolgt ebenfalls unter strengen Prüfbedingungen.

• Vortests: Auf Wunsch des Kunden werden vor der Reparatur umfassende Injektortests durchgeführt. Diese Tests werden auf Prüfständen durchgeführt, die von den Herstellern der Einspritzsysteme wie Bosch, Hartridge und Carbon Zapp zugelassen sind.
• Instandsetzung: Die Instandsetzung folgt den detaillierten Anweisungen der jeweiligen Hersteller. Sie umfasst in der Regel den Austausch der Düse, der Dichtungen und des Steuerventils sowie, falls erforderlich, der Spule. Die übrigen Komponenten werden gründlich gereinigt, geprüft und wiederverwendet.
• Klassifizierungs- und Korrekturcodes: Ein wichtiger Bestandteil des Regenerationsprozesses ist die Generierung individueller Klassifizierungs- oder Korrekturcodes (IMA/C2i/C3i/C4i) auf Grundlage der Dosierungsmessungen der einzelnen Einspritzdüsen. Diese Codes werden in das Motorsteuergerät eingegeben und garantieren den korrekten Betrieb der Einspritzdüsen im Fahrzeug.

Ursachen und Arten von Schäden

Symptome, die auf defekte Einspritzdüsen hinweisen können:

1. Ungleichmäßiger Motorlauf
2. Lauter Motorbetrieb.
3. Verringerung der Motorleistung.
4. Erhöhter Kraftstoffverbrauch.
5. Startschwierigkeiten des Motors.
6. Übermäßiger Rauch aus der Auspuffanlage.
7. Aufleuchtende „Motor überprüfen“-Anzeige.

Die häufigsten Injektorausfälle umfassen:

1. Beschädigung der Spitze (Zerstäuber).
2. Defekt am Steuerventil
3. Beschädigung der Spule oder des Piezo-Stacks.
4. Interner oder externer Kraftstoffaustritt.