Diesel-Einspritzdüsen (ON)

Entstehung und Anwendung.

Die Geschichte der Entwicklung von Einspritzdüsen für Dieselmotoren umfasst mehr als ein Jahrhundert der Innovation und des technischen Fortschritts. Ursprünglich wurde die Kraftstoffeinspritzung mit Hilfe von Hochdruckluft vorgenommen, aber die ersten mechanischen Einspritzdüsen ohne Luftunterstützung erschienen in den 1920er Jahren. In dieser Zeit spielte Bosch eine Schlüsselrolle bei der Einführung von Hochdruckeinspritzdüsen, die in LKW- und Landmaschinenmotoren zum Einsatz kamen.

In den 1930er Jahren stellte Mercedes-Benz den ersten in Serie gefertigten Diesel-Pkw vor, was auf die wachsende Beliebtheit dieser Technologie hinweist. Der Zweite Weltkrieg beschleunigte die Entwicklung von Einspritzdüsen, insbesondere im militärischen Kontext. In den 1950er und 1960er Jahren gab es weitere bahnbrechende Innovationen wie Injektoren mit umgekehrtem Federsystem und die ersten elektronisch gesteuerten Einspritzpumpen.

In den 1960er und 1970er Jahren wurden Zweifeder-Einspritzdüsen in vielen Anwendungen, von Lastwagen bis hin zu Landmaschinen, zum Standard. Die Einführung dieser Einspritzdüsen ermöglichte eine bessere Steuerung des Verbrennungsprozesses, was sich unmittelbar auf die Verbesserung der Motorleistung und die Senkung des Kraftstoffverbrauchs auswirkte.

In den 1990er Jahren leitete Bosch mit seinem Pumpe-Düse-System eine Revolution ein, gefolgt vom Common-Rail-System, das eine präzise Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei sehr hohem Druck ermöglicht. 

Das Pumpe-Düse-System, das vom Volkswagen-Konzern in Pkw und Transportern eingeführt wurde, war ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Diesel-Einspritztechnik. Bei diesem System wurde die Einspritzpumpe direkt in den Injektor integriert, was eine präzisere Steuerung der Kraftstoffeinspritzung ermöglichte. Jeder Zylinder des Motors verfügte über eine separate Pumpe-Düse-Einheit, die eine bessere Kontrolle über den Einspritzvorgang und die Kraftstoffverbrennung ermöglichte. Pumpen-Einspritzdüsen boten eine höhere Leistung und Effizienz als herkömmliche Einspritzsysteme, insbesondere in Bezug auf das Ansprechverhalten auf Änderungen der Motorlast und der Betriebsbedingungen. Die Technologie war viele Jahre lang in Fahrzeugen von Volkswagen und anderen Marken des VW-Konzerns besonders beliebt. Sie wurde auch in Lkw-Motoren sowie in Maschinen und Nutzfahrzeugen eingesetzt.

Im Zuge der Weiterentwicklung und mit dem Ziel, die Emissionen weiter zu senken und die Effizienz zu verbessern, wurde das Pumpe-Düse-System jedoch nach und nach durch modernere Common-Rail-Systeme mit elektromagnetisch oder piezogesteuerten Einspritzdüsen ersetzt. Bei diesen Systemen sind die Funktionen der Kraftstoffverdichtung und -einspritzung voneinander getrennt. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, was zu einer verbesserten Motorleistung und geringeren Abgasemissionen führt.

Seit den 2000er Jahren hat sich die Technologie der Dieseleinspritzdüsen kontinuierlich weiterentwickelt, wobei der Schwerpunkt auf der Verringerung der Emissionen, der Verbesserung der Genauigkeit der Kraftstoffzufuhr und der Integration mit Hybridsystemen lag.

Aufbau und Funktionsweise.

Mechanische Einspritzdüsen.

Mechanische Einspritzdüsen wurden wegen ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit häufig in Dieselmotoren eingesetzt. 

Das Einspritzventilgehäuse ist in der Regel aus hochwertigem Stahl gefertigt, der gegen hohen Druck und hohe Temperaturen beständig ist. Das Gehäuse enthält alle anderen Komponenten der Einspritzdüse und wird direkt in den Motorkopf eingebaut. Die Nadel ist die Schlüsselkomponente, die den Kraftstofffluss steuert. Es handelt sich um einen präzisionsgefertigten Kolben, der sich im Inneren der Düse bewegt. Die Nadel wird von einer Feder gegen den Sitz gedrückt, die verhindert, dass Kraftstoff austritt, wenn kein Druck ausgeübt wird. Die Einspritzdüse (Spitze) befindet sich am Ende der Einspritzdüse und hat Löcher mit sehr kleinem Durchmesser, durch die der Kraftstoff in den Verbrennungsraum gesprüht wird. Die feine Zerstäubung des Kraftstoffs sorgt für eine bessere Vermischung mit der Luft und eine effizientere Verbrennung. Eine Feder drückt die Nadel gegen den Düsensitz. Die Federkraft muss eingestellt werden, um sicherzustellen, dass sich der Schlagbolzen bei dem angegebenen Kraftstoffdruck öffnet. Durch die Einstellung der Federkraft lässt sich das Öffnungsmoment des Injektors genau festlegen. Fortschrittlichere mechanische Einspritzdüsen (so genannte Doppelfeder-Injektoren) haben zwei Federn mit unterschiedlicher Stärke. Dadurch kann der Injektor stufenweise öffnen und eine Voreinspritzung vornehmen. Mit der Ausgleichsscheibe wird die Stärke der Feder und damit der Druck, bei dem die Nadel zu steigen beginnt, eingestellt. Durch Verändern der Dicke der Unterlegscheibe kann der Öffnungspunkt des Injektors genau eingestellt werden. Ein im Gehäuse befindlicher Kraftstoffkanal leitet den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff von der Einspritzpumpe in das Innere des Injektors. Durch den Kraftstoff im Kraftstoffkanal baut sich ein Druck auf der Nadel auf. Wenn der Druck den eingestellten Federwert überschreitet, hebt sich die Nadel und öffnet die Einspritzdüse. Am Ende der Einspritzphase fällt der Kraftstoffdruck ab, wodurch die Feder die Nadel gegen den Sitz drückt, die Düse schließt und den Kraftstofffluss stoppt.

Pumpe-Düse-Injektoren.

Der Pumpe-Düse-Einspritzer vereint eine Pumpe und einen Einspritzer in seinem Gehäuse. Der Pumpenteil wird mechanisch vom Motor angetrieben, in der Regel über eine spezielle Nockenwelle. Ein sich im Gehäuse bewegender Kolben verdichtet den Kraftstoff auf einen hohen Druck. Jede der Pumpeneinspritzdüsen ist mit einem Steuermagnetventil ausgestattet, das eine präzise Einstellung der den Motorzylindern zugeführten Kraftstoffmenge ermöglicht. Die Spitze der Einspritzpumpe ist mit einer Reihe kleiner Löcher versehen, um sicherzustellen, dass der Kraftstoff gerade fein genug gespritzt wird, um eine bessere Vermischung mit der Luft und eine vollständige Verbrennung zu fördern.

Elektromagnetische und Piezo-Einspritzdüsen (Common Rail).

Das Gehäuse besteht aus dauerhaften Materialien, in der Regel Stahl, die hohem Druck und hohen Temperaturen standhalten können. Das Gehäuse enthält alle Komponenten der Einspritzdüse und wird direkt in den Motorkopf eingebaut.

Die Magnetspule ist das wichtigste Steuerelement des Injektors. Er wird durch elektrischen Strom gespeist und erzeugt ein Magnetfeld, das die Öffnung des Steuerventils (Bypass) ermöglicht. Wenn der Magnet aktiviert wird, öffnet sich das Ventil, so dass ein Teil des Kraftstoffs in den Überlauf zurückfließen kann und die Einspritzung beginnen kann. Die Düse befindet sich am Ende der Einspritzdüse und enthält sehr kleine Löcher, durch die der Kraftstoff in den Verbrennungsraum geleitet wird. Diese Löcher sind präzise gefertigt, um sicherzustellen, dass der Kraftstoff richtig zerstäubt wird. Die Rückholfeder ist für das Schließen des Nadelventils verantwortlich, wenn der Magnet nicht mehr arbeitet. Sie drückt das Nadelventil gegen den Sitz, wodurch der Injektor geschlossen und die Kraftstoffeinspritzung beendet wird. Die Kraftstoffkanäle leiten den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff vom Rail in das Innere des Injektors. Der elektrische Stecker ist der Anschluss des Injektors an das Motorsteuergerät (ECU). Durch ihn fließt ein Strom, der das Solenoid aktiviert.

Piezo-Injektoren haben keine Spule, stattdessen wird ein piezokristalliner Stapel verwendet. Die Steuerung des Öffnens und Schließens des Injektors erfolgt über den Piezokristalleffekt, bei dem sich die Länge des Piezostapels ändert, wenn eine Spannung angelegt wird. Die Änderung der Länge des Piezostapels aktiviert das Steuerventil des Injektors und ermöglicht das Starten und Stoppen der Einspritzung. Der Vorteil dieser Konstruktion gegenüber elektromagnetischen Einspritzdüsen liegt in der Schnelligkeit des Betriebs, die sich in einer präzisen Kraftstoffdosierung in den Zylinder niederschlägt. 

Regenerationsprozess.

Pumpe-Düse-Injektoren.

Die Tests der Bosch-Einspritzdüsen vor und nach der Überholung werden auf einem Bosch EPS 815 Prüfstand durchgeführt, der mit einer CAMBOX ausgestattet ist. Nur mit einem solchen Gerät können die Leistungsparameter der Pumpe-Düse-Einspritzventile präzise gemessen werden, einschließlich des wichtigen Wertes BIP (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 Komponenten wie der Kolben und die Feder, die zum Antriebssystem des Pumpeninjektors gehören, oder die Komponenten des Steuerventils ersetzt.

Im Falle der Pumpeninjektoren von Delphi erfolgt die Prüfung und Kalibrierung auf dem Hartridge AVM2-PC-Prüfstand. Die Überholung umfasst in erster Linie den Austausch der Düse und des Steuerventils, die Erneuerung der Dichtungen sowie die Inspektion und Reinigung der übrigen Komponenten. Falls erforderlich, werden auch andere Komponenten wie die Feder, der elektrische Anschluss und andere ersetzt. Wenn der Hersteller dies vorgesehen hat, erhält die überholte Einspritzpumpe einen neuen Korrekturcode, der auf der Grundlage der bei der auf dem Prüfstand durchgeführten Kalibrierungsprüfung vorgesehenen Parameter generiert wird.

Elektromagnetische und Piezo-Einspritzdüsen (Common Rail).

Auf Wunsch des Kunden werden vor der Reparatur Injektortests durchgeführt. Die Tests finden auf Prüfständen statt, die von den einzelnen Herstellern der Einspritzsysteme zugelassen sind. Es handelt sich um Maschinen der Hersteller Bosch, Hartridge und Carbon Zapp. Die Instandsetzung umfasst alle Schritte, die in den Anleitungen der einzelnen Hersteller vorgesehen sind. In der Regel handelt es sich dabei um den Austausch der Düse, der Dichtungen und des Steuerventils sowie gegebenenfalls der Spule. Die übrigen Komponenten werden gründlich gereinigt, überprüft und wiederverwendet. Wichtig ist, dass die Geräte auf der Grundlage der Dosierungsmessungen der einzelnen Einspritzdüsen individuelle Klassifizierungs- oder Korrekturcodes (IMA/C2i/C3i/C4i) erzeugen. Die Eingabe dieser Codes in das Motorsteuergerät gewährleistet den korrekten Betrieb der im Fahrzeug eingebauten Einspritzdüsen.

Ursachen und Arten von Schäden

Symptome, die auf defekte Einspritzdüsen hinweisen können:

1. Ungleichmäßiger Motorbetrieb.
2. Lauter Motorbetrieb.
3. Verringerung der Motorleistung.
4. Erhöhter Kraftstoffverbrauch.
5. Probleme beim Anlassen des Motors.
6. Übermäßiger Rauch aus der Auspuffanlage.
7. Leuchtendes "Motor überprüfen"-Licht.

Die häufigsten Injektorausfälle sind:

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