Von der Einspritzdüse zum Injektor - 2

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A - Common Rail Magnet-Injektor

(siehe auch Common Rail)

 

Die Injektoren sind durch Hochdruckleitungen mit dem Druckspeicher (Rail) verbunden.

Im Injektor werden über ein Ventil der Einspritzbeginn und das Spritzende der Düse festgelegt. Die Betätigungskräfte zum Öffnen und Schließen des Ventils werden von einem Elektromagneten erzeugt.

Das Magnetventil ist im Ruhezustand nicht angesteuert und damit geschlossen. Öffnen des Injektors:  Die Kraft des angesteuerten Elektromagneten übersteigt die Kraft der Ventilfeder und der Anker öffnet die Abflussdrossel. Der Druck oberhalb der Düsennadel wird kleiner als der Systemdruck. Die Zulaufdrossel verhindert einen vollständigen Druckausgleich, da sie kleiner ist als die Ablaufdrossel. Schließen des Injektors: Wird das Magnetventil nicht mehr angesteuert, so wird der Anker durch die Kraft der Ventilfeder nach unten gedrückt, und die Kugel verschließt die Ablaufdrossel.

Mehrfacheinspritzung (Bild Bosch) Moderne Magnetventil-Injektoren schaffen durchaus 5 Einspritzvorgänge.

CR-Drücke - Bosch

 

B - Common Rail Piezo-Injektor

Es gibt Piezo-Injektoren z.B. von Bosch und Siemens. Mittlerweile werden Piezoinjektoren auch bei der Benzindirekteinspritzung eingesetzt.

Piezo-Elemente funktionieren nach dem folgenden Prinzip: Werden Piezokristalle unter Druck gesetzt geben sie eine elektrische Spannung ab. Umgekehrt dehnen sich die Kristalle aus, wenn sie unter Spannung gesetzt werden. Dies nützt man nun im Injektor aus. Duch eine angelagte Spannung von rund 120 V dehnen sich die Elemente aus, die Düse öffnet. Bei umgekehrter Polung (Entladung des Kondensators, Kurzschluss über Widerstand) ziehen sich die Piezos zusammen, die Düse schließt.

Da die Ausdehnung eines Piezoelments sehr klein ist, werden im Injektor mehrere Hundert dieser Piezoelemente hintereinander geschaltet (Piezostack / Aktormodul).

Piezo Injektor von Bosch

 

Für den Piezo-Injektor wird ein Piezopaket von 350 übereinandergestapelten Keramikschichten verwendet. Jede einzelne Schicht wird durch eine Steuerspannung von z.B. 45V oder 120V, die durch die Elektronik (Kondensatoren) aus dem Bordnetz erzeugt wird um 0,11 Mikrometer, also um 0,00011mm gestreckt, so dass sich das 7x7x30 mm große Piezopaket um insgesamt 40 Mikrometer also um 0,04 mm ausdehnt. Bei anderen Injektoren sind es 0,065 mm Hub. Über einen hydraulischen Koppler wird der Weg noch einmal vergrößert. Dies genügt um die Ventilnadel des Einspritzventils zu öffnen. Für die Funktion des hydraulischen Kopplers ist ein Rücklaufdruck von 10 bar erforderlich; bei Magnetventilinjektoren dagegen nicht!

Das Piezo-Paket sitzt in der ersten Ausführung von Siemens (wie abgebildet) noch "außerhalb" des Kraftstoffbereichs. Es gibt hier somit prinzipbedingt kleine Verzögerungen im Druckaufbau, da lediglich das Magnetventil durch den Piezoaktor ersetzt wurde. In der künftigen Ausführung sowie in der aktuellen Ausführung von Bosch ist das Piezopaket nun "inline" (siehe unten Bosch 3. Generation im AUDI A8). Die bewegten Massen wurden so um 75% reduziert. Dies hat ein noch schnelleres Ansprechen zur Folge. 

Es kann dadurch die Einspritzmenge auf 7 oder mehr Portionen (aktuell 10) verteilt werden. So bewirken Voreinspritzungen (Piloteinspritzungen von 1 mm³) einen weichen Druckanstieg und somit  eine leisere Verbrennung. Außerdem verhindern sie die Entstehung von Weiß- und Blaurauch kurz nach dem Kaltstart. Nacheinspritzungen bewirken hingegen eine verbesserte Verbrennung und somit weniger Abgase und Ruß. So schaffte der A8 ohne Rußfilter die EURO 4. Eine weitere Nacheinspritzung dient zur Regeneration des Partikelfilters. 

Die Drücke werden auch hier noch weiter steigen. Den Piezo-Injektoren scheint die Zukunft zu gehören.

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Inline-Injektoren - Bosch        Mit dem CRS3-25 Common-Rail-System stellte Bosch 2013 seinen ersten Piezo-Injektor für Pkw vor, der mit einem Druck von 2.500 bar arbeitet.  Durch die optimierte Einspritzung wird der Kraftstoff noch feiner zerstäubt und kann besser verbrennen. Das führt unter anderem dazu, dass der Verbrauch sinkt.

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Hier noch einiges Wissenswertes zu Düsen:

• Eine Lkw-Düse (PumpeDüse) öffnet in ihrem Leben rund 1 Milliarde mal.

• In der Minute öffnet sie rund 5000 mal (mit Vor- und Nacheinspritzung)

• Sie muss 2050 bar sicher abdichten können.

• Der Druck entspricht in etwa einem AUDI A8 auf einem Fingernagel "abgestellt". Oder: Würde ein Nashorn mit seinen 2000 Kilogramm Gewicht auf einem Fingernagel stehen, könnte man den Common-Rail-Druck im wahrsten Sinne des Wortes nachempfinden. Der verdichtete Kraftstoff wird dann mit der Geschwindigkeit eines Überschallflugzeugs fein verteilt.

• Die Einspritzdauer beträgt 1 bis 2 ms. Der Ton, der aus einem Lautsprecher kommt, schafft in dieser Zeit ca. 33 cm.

• Die Einspritzmengen eines Pkw liegen zwischen 1 mm³ Voreinspritzung und 50 mm³ bei Volllast.1 mm³ ist ungefähr das Volumen eines halben Stecknadelkopfes. Bei einem Lkw liegt die Volllastmenge bei ca. 350 mm³. Dies entspricht dem Volumen von 12 großen Regentropfen.

• Diese Menge muss durch einen Düsenspalt von 0,25 mm² und das mit einer Geschwindigkeit von 2000 km/h.

• Das Spiel der Düsennadel beträgt gerade 0,002 mm. Ein menschliches Haar ist 30 mal so dick.

 

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Pumpe Düse Einheit (PDE) | Common Rail |

Quellen: Bosch, MAN, VW, Siemens, Kfz-Innung, AUDI