Date: July 23, 2004 at 00:11:43
From: Hans Fürthbauer, [linzu1-209-83.utaonline.at]
Subject: Re: Es geht weiter, Heiko ...

Hallo Heiko, so, jetzt bin ich wieder da und gehe auf die restlichen Punkte 4.) bis 7.) ein. Es ist wieder viel Text. ... Deinen Beitrag oben habe ich bewußt so stehen lassen. Und hänge mein weiteres Statement so locker mal dran. 4.) Verhalten von Pöl an Ventilen/Drosseln: Du hast es richtig formuliert: "die veränderte Viskosität von PÖL wird an jedem Ventil/Drossel eine gewisse Trägheit gegenüber Diesel hervorrufen". Ich bin bereits bei den bisher beschriebenen Bauteilen und Funktionen teilweise auf diese viskositätsabhängige "Trägheit" eingegangen. Ich habe bei der CP3 noch die Null-Förderdrossel vergessen, die beim Gaswegnehmen für einen schnellen Druckabfall sorgen muß. Sonst habe ich nichts übersehen, glaube ich. Daher kann ich diesen Punkt kurz fassen. Fix ist: Diese "Trägheit" stört die Funktion der Bauteile und der Regelkreise. Bei der Behandlung des Injektors und unter 7.) komme ich nochmal darauf zurück. 5.) Injektor: Hier beginne ich mit dem Magnetventil-Injektor von Bosch. Die MV-Injektoren von Delphi und Denso haben eine recht ähnliche Funktionsweise. Daher gehe ich auf die Details dieser Injektoren nicht ein. Unterschiedlich ist die elektrische Ansteuerung. Während Delphi mit Bordnetzspannung arbeitet, haben Bosch und Denso eine Spannungshochsetzung. Der Knackpunkt beim MV-Injektor ist für mich die hydraulische Steuerung der Düsennadel. Vom Hochdruckanschluß des Injektors geht eine Bohrung durch den Injektorkörper in den Düsenkörper. Wenn der Motor läuft, liegt daher an der Druckschulter der Düsennadel immer der gerade aktuelle Raildruck an und wirkt in Richtung öffnen (einspritzen). Die Düsennadel kann aber nicht öffnen, denn sie wird vom Steuerkolben "niedergehalten". Es ist im Injektorkörper oberhalb vom Steuerkolben in einem "Ventilstück" die Zuflußdrossel (Z-Drossel) angebracht. Über diese Z-Drossel steht der Raum über dem Steuerkolben ebenfalls unter Raildruck. Weil die Fläche des Steuerkolbens etwa um den Faktor 1,4 größer ist, als die Fläche der Druckschulter der Düsennadel, bleibt die Düsennadel geschlossen. Egal, welcher Druck anliegt. Du könntest mit 5.000 bar drauf gehen, dann würde halt der Injektorkörper oder die Düsenspannmutter platzen. Soll eingespritzt werden, wird das Magnetventil des Injektors bestromt (1. Generation ca. 70 V, Anzugsstrom ca. 20 A, Haltestrom ca. 12A). Das Magnetfeld der Spule zieht den Anker gegen die Ankerfeder hoch (Ankerhub ca. 0,045 mm, Anzugszeit ca. 200 µsec.). Die kleine Ventilkugel (Durchmesser ca. 1,5 mm) der Abflußdrossel (A-Drossel) wird vom Raildruck oberhalb vom Steuerkolben angehoben und gibt die A-Drossel frei, die sich ebenfalls in dem Ventilstück befindet. Dadurch baut sich der Druck oberhalb vom Steuerkolben ab, der Druck an der Druckschulter der Düsennadel überwiegt, die Nadel öffnet und es wird eingespritzt. Es fließt jetzt neben dem üblichen Lecköl noch eine zusätzliche kleine Menge Kraftstoff (die Steuermenge") aus dem Rail über die Z- und die A-Drossel im Injektor in den Rücklauf. Direkt am Injektor kann im Leerlauf das Pulsieren des Kraftstoffs bei abgezogener Leckölleitung deutlich erkennen. Die am Leckölanschluß austretende Kraftstoffmenge wäre auch ein Beurteilungskriterium für die Funktion des Injektors. Soll die Einspritzung beendet werden, wird der Strom abgeschaltet, die Ankerfeder drückt den Anker und die Ventilkugel wieder gegen die A-Drossel. Dadurch baut sich der Druck über dem Steuerkolben wieder auf, drückt den nach unten gegen die Düsennadel und die Düsennadel schließt. Die Z-Drossel hat einen Durchmesser von ca. 0,23 mm, die A-Drossel ca. 0,24 mm. Die A-Drossel ist eine Kleinigkeit größer, sonst funktioniert ja der Druckabbau nicht. Das sind Anhaltswerte, denn die Drosseln werden nicht auf Durchmesser, sondern auf Durchfluß ausgelegt. Die Geometrie des Steuerkolbens und des Ventilstücks ist im Bereich der A-Drossel zur Steigerung der Schaltgeschwindigkeit und zur Vermeidung von Kavitation strömungsoptimiert. Wenn man sich die etwas vereinfachte Funktionsbeschreibung überlegt, dann wird schnell klar, daß die beiden Drosseln im Injektor einen erheblichen Einfluß auf die Einspritzung haben. Hier schlägt die Viskosität von PÖL ganz besonders hart zu. Denn sowohl die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit der Düsennadel, als auch die damit direkt verbundene korrekte Einspritzung hängen sehr eng mit dem Durchfluß durch die A/Z-Drossel zusammen. Dann sind noch die Düsen selbst zu betrachten. Da wäre mal der Düsennadelsitz, z.B. Sackloch-, Mini-Sackloch- oder Sitzlochdüse, die Nadelgeometrie, z.B. in ZHI-Ausführung, (Z = zylindrischer Ansatz, H = Hinterschliff, I = inverse Sitzwinkelgeometrie), bei einer Sitzlochdüse. Die Spritzlöcher sind speziell geformt, meistens am Einlauf gerundet und konisch ausgeführt, um einerseits eine optimale Strahlverteilung und Gemischbildung für niedrigste HC-, NOx- und Partikelwerte zu erreichen und andererseits Kavitation zu vermeiden. Das alles funktioniert auslegungskonform nur mit Diesel. Noch was: Die Injektoren sind sehr komplexe Bauteile und für die Güte der Einspritzung entscheidend. Davon "lebt" ja der moderne Diesel nach EU3, EU4 oder höher. Daher wurden die Injektoren früher im Herstellerwerk nach der Einstellung bei der Nachprüfung von der Einspritzmenge her in Klassen eingeordnet und mußten klassenweise in einem Motor verbaut werden. Das EDC-Steuergerät bekam im Fzg.-Werk per EOL-(end of line) Programmierung mitgeteilt, welche Injektorklasse verbaut ist und hat dann im Motorbetrieb entsprechend die Einspritzmasse aller Injektoren auf den Sollwert korrigiert. Diese Klassenzuordnung war handlingmäßig und logistisch aufwendig. Sie war aber auch klarerweise innerhalb der Klasse mit einer gewissen Streuung behaftet. Die EDC-Steuergeräte haben in der Weiterentwicklung schnellere Rechner und neue Funktionsinhalte bekommen. Deswegen gibt man heute jedem einzelnen Injektor die Information mit, wo er denn innerhalb des Fertigungs-Toleranzbandes liegt. Diese Information wird im Motorenwerk für jeden Injektor individuell eingelesen. Diese Daten spielt man im Fzg.-Werk per EOL wieder in das EDC-Steuergerät ein und hat im Idealfall keine oder realistisch nur eine sehr geringe Mengenstreuung von Zylinder zu Zylinder. Dieser Ablauf heißt Injektor-Mengenabgleich (IMA) Alles wieder auf Dieselbetrieb ausgelegt. ... 5. a) der Piezoinjektor: die Steuerung der Düsennadel ist nur grob vergleichbar mit dem MV-Injektor. Der wesentlichste Unterschied ist, daß beim Piezo-Injektor das hydraulische Schaltventil von der Kraft des Piezostacks gegen den Raildruck aufgestoßen werden muß. Beim MV-Injektor wird das Öffnen des Schaltventils vom Raildruck unterstützt. Also umgekehrte Betätigungsrichtung. Den aktuellen Siemens PCR2-Injektor (seit 2000 in Serie) habe ich funktionsmäßig schon ein wenig beschrieben. Der von mir erwähnte Hebel unterhalb des Piezostacks betätigt direkt das Schaltventil der A-Drossel. auf Details gehe ich jetzt nicht weiter ein. Der Bosch-Piezo-Injektor (Serienanlauf war im Mai 2003) ist ein echter Piezo-Inline-Injektor, wie Du ihn unter 7.) zitiert hast. Bei Siemens gibt es den Inline-Injektor erst mit dem PCR3. Er wurde auf dem Wiener Motorensymposium Mitte Mai 2003 vorgestellt und wird im Modelljahr 2006 bei einem nicht genannten Fzg.-Hersteller erstmals eingesetzt. Kurz davor war der Serienstart des Piezo-Inline-Injektors bei Bosch für die Erstanwendung im neuen Audi V6 TDI-Motor. Die Grundfunktion des Piezostacks ist bekannt. Darauf gehe ich nicht mehr ein. Auf einige Details komme ich später noch. Die Längsbewegung des Stacks wird über einen hydraulischen Koppler auf das eigentliche Schaltventil übertragen. Es sitzt direkt über der Düsennadel und steuert den Schließdruck, der im Steuerraum auf die Stirnfläche der Düsennadel wirkt. Ist der Injektor nicht bestromt, herrscht auf der Düsennadel der aktuelle Raildruck. Unten an der Druckschulter liegt der Raildruck zwar auch an, aber die Flächenverhältnisse, ... eh schon wissen. Wird der Injektor bestromt, wird der Stack wie ein Kondensator elektrisch aufgeladen, dehnt sich und stößt das Schaltventil gegen den Raildruck auf. Dadurch baut sich sofort der Raildruck von der Stirnseite der Düsennadel ab, der Druck an der Druckschulter hebt die Nadel vom Sitz und die Einspritzung beginnt. Zum Beenden der Einspritzung wird der Stack wieder "entladen", geht in seine Ausgangsposition zurück, das Schaltventil schließt und es baut sich sofort der Raildruck über der Stirnfläche der Düsennadel wieder auf und die Nadel schließt. Die Betätigung der Düsennadel erfolgt rein hydraulisch. Es gibt keinen Steuerkolben, wie beim MV-Injektor. Das hydraulische Kopplerelement (Ausgleichselement) ist einerseits ein hydraulischer Längenausgleich, um die Wärmedehnung - ähnlich wie beim hydraulischen Ventilspielausgleich - zu kompensieren und andererseits auch eine Wegübersetzung für die Betätigung des Schaltventils. Das Schaltventil, das hydraulisch die Düsennadelbewegung steuert, wie oben grob beschrieben, ist um einiges komplizierter als beim MV-Injektor. Auch hier kommt eine Z- und eine A-Drossel vor. Beide Drosseln liegen im Bereich von 0,2 mm. Genaue Daten habe ich noch nicht und provisorisch nachmessen kann ich momentan auch nicht, weil meine Düsenlehre nicht auffindbar ist. Der Öffnungsweg des Ventilkölbchens liegt bei ca. 0,04 mm. Auf die Funktion im Detail einzugehen, macht ohne Bild keinen Sinn. Für den Betrieb des Piezo-Injektors ist eine Spannung von ca. 110 V im Leerlauf und ca. 180 bis 200 V bei Vollast und hoher Drehzahl erforderlich. Weil das Schaltventil vom Piezostack über den Koppler gegen den Raildruck geöffnet werden muß, ist auch bei höherem Raildruck eine höhere Betätigungskraft und daher eine höhere Spannung erforderlich. Weil der Piezostack nach dem Abschalten eines Stromstoßes seine Ladung und damit seinen Längenzustand beibehält, ist im Injektor parallel zum Piezostack ein Widerstand geschaltet, der eine Entladung des Stacks innerhalb von ca. 1 sec. ermöglicht. Das wäre dann von Bedeutung, wenn der Injektor gerade auf Förderung wäre und es bleibt, aus welchen Gründen auch immer, der Entladeimpuls aus. Beispiel: Es hätte jemand ganz genau zum passenden Zeitpunkt im geladenen Zustand den Stecker des Injektors abgezogen. Das würde dann zu einer Dauereinspritzung am betroffenen Zylinder führen. Noch auf einen Punkt möchte ich hinweisen: Die Piezostacks haben ein gewisses individuelles Verhalten. Daher bekommt der Injektor neben der IMA-Information (Einspritzmenge, siehe oben unter MV-Injektor) auch noch die Information über das Schaltverhalten aus der Prüfung beim Hersteller mit. Das ist der Injektor-Spannungsabgleich (ISA). Auch die ISA-Daten werden per EOL in das EDC-Steuergerät eingelesen und helfen mit, die Mengenstreuungen zu vermindern. Die wären besonders bei den kleinen Mengen der Vor- oder Nacheinspritzung abgas- und geräuschkritisch. Der Piezo-CRI (CRI = Common Rail Injektor) ist einerseits vom Aufbau her viel einfacher als der MV-CRI, hat viel weniger Teile, ist schneller, präziser, usw. Aber er ist halt leider funktionsmäßig noch stärker als der MV-CRI von der Viskosität abhängig. 6.) Rücklauf: Die Saugstrahlpumpe(n) hast Du schon angesprochen. Der Rücklauf wirkt auf die HDP, das habe ich bereits dargestellt. Wegen der hydraulischen Steuerung der Einspritzdüse wirkt er über die A-Drossel im Injektor auch direkt auf die Einspritzung. Beim Piezo-CRI kann er bei bestimmten Konstellationen auch den hydraulischen Koppler beeinflussen. Die CR-Systeme brauchen deswegen einen definierten Rücklaufdruck. Wieder als Anhaltswert und Beispiel: bei meinem aktuellen CR-Diesel muß er zwischen 0,5 +/-0,2 bar liegen. 7.) zukünftige Entwicklungen: Irgendwie klingt da jetzt Deine vorsichtig angedeutete Hoffnung durch, daß der Piezo-CRI eher für Pöl geeignet ist, als der MV-CRI. Es gibt aus meiner Sicht keinen Ansatz, daß diese Hoffnung in Erfüllung geht. Den von Dir angesprochenen Klopfsensor gibt es bei Delphi schon seit der Einführung des Systems. Mit dem Klopfsensor steuert man die Voreinspritzung(en). Weil die das Motorgeräusch und auch die Abgasemissionen erheblich beeinflussen, wie schon erwähnt. Als Nebeneffekt erkennt er auch einen undichten Injektor mit zu langer Einspritzzeit oder gar Dauereinspritzung. Das Steuergerät würde dann sofort den Motor abstellen. Das hast Du richtig gesehen. Aber der Klopfsensor ist auf die Verbrennung von Diesel ausgelegt. Hier wiederhole ich mich bereits zum x-ten mal. ... Es gibt noch einige Software-Funktionen, die heute herstellerspezifisch im Steuergerät abrufbar sind und an den jeweiligen Motor appliziert werden. Ich weiß nicht, ob sie Dir bekannt sind, deswegen führe ich sie kurz an: Etwa die Mengenausgleichsregelung (MAR): Mit der MAR ist ein Mengenausgleich zwischen den einzelnen Zylindern im ganzen Drehzahlbereich möglich, sollte es über der Laufzeit zu drehmomentrelevanten Veränderungen und Streuungen in der Einspritzmenge oder auch zu drehmomentbeeinflussenden Veränderungen einzelner Zylinder am Motor selbst kommen. Der oben schon erwähnte IMA gilt ja nur für den Neuzustand der Injektoren und kann ja auch nicht die Motormechanik berücksichtigen. Die MAR hat die frühere Leerlauf-Laufruheregelung (LLR) abgelöst, die nur im leerlaufnahen Bereich wirksam war. Oder die Nullmengen-Kalibrierung (NMK): Mit der NMK werden laufzeitbedingte, abgas- und geräuschkritische Veränderungen der Voreinspritzung erkannt und per Korrekturkennfeld egalisiert. Was Delphi mit dem Klopfsensor macht, macht Bosch softwaremäßig mit einem sehr geschickten Trick über eine gefinkelte Auswertung des Drehzahlgebersignals, bei genau definierten Betriebszuständen. Dann gäbe es noch die Mengen-Mittelwertsadaption (MMA): Für die MMA braucht man eine Breitband-Lambdasonde. Aus der per Sonde gemessenen Sauerstoff-Konzentration im Abgas und dem Luftmassenstrom läßt sich die tatsächliche, mittlere Einspritzmasse über alle Zylinder errechnen. Bei Abweichungen zur Soll-Einspritzmasse wird wieder ein Korrekturkennfeld aktiv. ... Die MMA läßt sich aber auch für eine noch genauere Regelung der AGR einsetzen. Dann korrigiert man halt nicht die Einspritzmasse, sondern die Luftmasse, per AGR-Ventil. Die Druckwellenkompensation (DWK) hätte ich fast vergessen: Die optimiert motorspezifisch die einer Voreinspritzung folgende Haupteinspritzung. Denn auch die Voreinspritzungen verursachen ja einen Druckabfall im Rail. Damit werden Streuungen der Einspritzmasse, die durch diese Druckschwankungen entstehen können, vermieden. Die DWK baut auf dem Kompressionsmodul von Diesel auf. Zu zukünftigen Entwicklungen der Dieseleinspritztechnik: Zuerst beispielhaft einige relativ einfache Sachen: Die Spritzlöcher der Düsen werden kleiner, dafür aber mehr. Der Raildruck wird bei allen Herstellern angehoben, 1800 bar, 2000 bar, auch darüber. Manche machen es dann mit einer Druckübersetzung im Injektor. Der Piezo-Inline-CRI wird sich durchsetzen. GTL und BTL-Kraftstoffe werden dem Mineraldiesel in immer größeren Prozentsätzen beigemischt werden. RME wird in der Bedeutungslosigkeit bleiben. Eine technisch sehr interessante Innovation: Bosch hat die Koaxial-Vario-Düse (KVD) angekündigt. Bei der KVD gibt es 2 ineinander (koaxial) laufende Düsennadeln, sozusagen "Nadel in Nadel". Der Düsenkörper hat 2 übereinander liegende Spritzlochreihen. Bei der Einspritzung öffnet zuerst die äußere Nadel die oberen, kleineren Spritzlöcher (< 0,10 mm). Das ist gut für die untere und mittlere Teillast im Hinblick auf Geräusch und Emissionen. Wird mehr Kraftstoff benötigt, öffnet für die obere Teillast oder Vollast auch die innere Nadel, dann werden die unteren größeren Spritzlöcher frei. Das ist gut für Vollast, Drehmoment und Leistung, Emissionen inklusive. Geplanter Serieneinsatz Mitte 2007, also in 3 Jahren! Jetzt hoffe ich Heiko, daß ich die Themen trotz des vielen Textes halbwegs verständlich darstellen konnte. Damit möchte ich jetzt mal meine persönliche Sicht zu Pöl im CR-System abschließen und das Thema zu Diskussion stellen. MfG Hans F.