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Common Rail Hochdruckpumpe

Die Entwicklung

Common-Rail wurde von einer Forschungsgruppe der Fiat-Unternehmung entwickelt. Der Name dieser Forschungsgruppe war Elasis mit Sitz in Neapel. Im Jahre 1993 wurde der Prototyp der neuen Einspritzanlage fertiggestellt. Die Marktreife erhielt dieser Prototyp jedoch nicht, da es Probleme mit dem Toleranzbereich der Injektoren gab. Das deutsche Traditionsunternehmen BOSCH kaufte dann 1993 das vom Grunde her entwickelte Common Rail System und brachte es dann schließlich auch zur Serienfertigung. Die Fiat Gruppe baute dann nach Absprache mit Bosch das System in den neuen Alfa 156 ein. Der deutsche Autobauer Mercedes führte das System 1998 mit seinem neuen Modell 220 CDI ein.

Die Einspritzung via Dieselpumpe

Der Ablauf der Einspritzung mit einer Dieselpumpe verläuft wie folgt:

Der Einspritzzeitpunkt sowie die Kraftstoffmenge werden vollkommen zylinderindividuell berechnet. Danach erfolgt die Einspritzung über sehr schnell schaltende Magnetventile, die auch als Injektoren zu bezeichnen sind. Mit dieser Technologie kann sowohl ein preiswerter Kraftstoffverbrauch sowie vor allem eine geringe Abgas-Emissionen sichergestellt werden.

Man unterteilt die Einspritzung in 3 Gruppen:

  • Die Voreinspritzung, zielt auf einen ruhigen Motorlauf ab.
  • Die Haupteinspritzung, zielt auf einen guten Drehmomentverlauf ab.
  • Die Nacheinspritzung, zielt auf einen geringen NOx- Wert ab.

Ganz im Gegenteil zu der Vor- sowie der Haupteinspritzung wird der entsprechende Kraftstoff im Rahmen der Nacheinspritzung nicht wirklich verbrannt. Vielmehr wird er durch die Restwärme im entsprechenden Zylinder verdampft. Dabei entsteht ein angereichertes Abgas-Kraftstoffgemisch. Dieses Gemisch wird dann durch den Ausstoßtakt via einem Auslassventil zur eigentlichen Abgasanlage hin transportiert. In diesem Kontext dient der Kraftstoff im Abgas den NOx Katalysatoren als sogenanntes Stickoxidreduktionsmittel auf geeignete Weise.

Das System verkörpert ein vollkommen innovatives Vorgehen. Es ist ein Aushängeschild für einen vor allem sauberen, starken und sparsamen Dieselmotor. Das System der Entkopplung von der Einspritzung sowie der Druckerzeugung revolutionierte in diesem Zusammenhang den Dieselmotor immens. Es ermöglicht den Kraftstoff kontinuierlich mit der Hilfe des Kennfelds zur Einspritzung bereitzuhalten. Der Druck ist hierbei wählbar.

Die Common Rail Hochdruckpumpen

Hierbei kommen im Regelfall 3 sogenannte Kolbenpumpen mit einem zentralisierten Exzenter in der Praxis zum Einsatz. Diese werden bei unterschiedlichen Herstellern mit sogenannten, Elementabschaltungen bestückt, um Kraftstoff einzusparen bzw. eine Rücklaufüberhitzung zu vermeiden, die dann in diesem Kontext nur die Leistung reduzieren würde.

Die genaue Funktionsweise bei Audi im Rahmen der Nutzung einer Hochdruckpumpe

Eine Antriebswelle, die Exzenternocken hat, bewegt einen Pumpenkolben der 3 Pumpenelemente aufweist, in sinusförmigen Bewegungen auf und wieder ab. Die implementierte Zahnradpumpe drückt den Kraftstoff durch die vorliegende Magnetventildrosselbohrung für eine Kraftstoffdosierung N290 in den eigentlichen Kraftstoffbereitstellungsraum oder auch den Schmier- und Kühlkreislauf der vorliegenden Hochdruckpumpe.

Sollte der Förderdruck den Sicherheitsventilöffnungsdruck (0,5 … 1,5 bar) überschreiten, so kann dann die vorliegende Zahnradpumpe den Kraftstoff durch die dort befindlichen Einlassventile direkt in die Pumpenelemente durchdrücken. Hierbei bewegt sich der Kolben wieder nach unten. Wenn der untere Kolbentotpunkt überschritten wird, dann schließt das entsprechende Einlassventil aufgrund des Druckabfalls. Somit kann der Kraftstoff im eigentlichen Pumpenelement hier auch nicht mehr entweichen. Dieser Förderdruck der entsprechenden Zahnradpumpe kann nun komprimiert werden. In diesem Kontext bildet sich weiter aufbauender Druck, der das Auslassventil bei dem Überschreiten des sich in dem Rail befindlichen Druckes bewegt. Der nun komprimierte Kraftstoff gelangt in diesem Ablauf in den entsprechenden Hochdruckkreis.

Das wichtige Pumpenelement fördert hierbei genau solange den Kraftstoff, bis der obere Totpunkt dann auch erreicht wird. Weil der Hochdruck in dem Rail sozusagen auf Vorrat erzeugt wird, kann der genutzte Pumpenexzenter in diesem genauen Zusammenspiel im Gegensatz zu anderen Systemen auf einen langsamen Druckanstieg ausgerichtet werden. Aufgrund dessen betragen die sogenannten Drehmomentspitzen hierbei auch nur ca. 1/10 der Einspritzpumpen. Demzufolge ist es möglich die Pumpenantriebsbelastung zu verringern.

In dieser Konstruktion müssen sowohl die Förderpumpe, wie auch die Hochdruckpumpe innerhalb der Förderleistung überdimensioniert sein. Somit kann man beim Start und auch beim Übergang auf Volllast einen schnellen Druckaufbau ermöglichen. Es werden jedoch nur 30% der geförderten Hochdruckmenge auch tatsächlich eingespritzt. Da die erzeugte Restmenge dann aus den hohen Drücken wieder in den Rücklauf zurückgeht. Es ist möglich, dass bei so geringen Kraftstoffmengen innerhalb des Tanks Kraftstofftemperaturen bis zu 140°C auftreten. Aufgrund dessen werden auch bei dem Großteil der Fahrzeuge mit einem CR-System Kraftstoffkühler im entsprechenden Rücklauf verbaut. So wird die Temperatur auf beinahe 80°C absenken.

Vorteile des Systems

Es gibt bei diesem System, dass BOSCH zur Marktreife brachte einige sehr schlüssige Vorteile, die nachfolgend komprimiert zusammengefasst werden.

Vorteile

  • Die Einspritzmenge sowie der Einspritzzeitpunkt werden über ein Magnetventil gesteuert.
  • Der Einspritzdruck ist über das Kennfeld frei wählbar.
  • Es gibt ein sehr hohes Druckangebot bei sehr niedrigen Drehzahlen.
  • Es liegt ein flexibler Einspritzbeginn mit Vor-, sowie Haupt und auch Nacheinspritzung vor.
  • Es erfolgt eine sehr leichte Anpassung an die speziellen Gegebenheiten des individuellen Motors.
  • Es erfolgt durch die Piloteinspritzung ein sehr sanfter Druckanstieg.
  • Es erfolgt eine weicher Verbrennung.
  • Es erfolgt eine nachhaltigere Abgasverbrennung.
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