Dieselmotor-Einspritzsystem - Direkteinspritzung mit Rotationspumpe VP 30, 37 und VP 44

Ständig steigende Kraftstoffpreise haben die Hersteller dazu veranlasst, die Entwicklung von Dieselmotoren voranzutreiben. Bis Ende der 80er Jahre spielten sie neben Benzinmotoren nur die zweite Geige. Die Hauptschuldigen waren ihre Sperrigkeit, Geräusche und Vibrationen, die auch durch einen deutlich geringeren Kraftstoffverbrauch nicht ausgeglichen wurden. Verschärft hätte sich die Situation durch die bevorstehende Verschärfung der gesetzlichen Vorgaben zur Reduzierung von Schadstoffemissionen in Abgasen. Wie in anderen Bereichen hat die allmächtige Elektronik auch beim Dieselmotor geholfen.

Ende der 80er, vor allem aber in den 90er Jahren, wurde nach und nach die elektronische Dieselmotorensteuerung (EDC) eingeführt, die die Leistung von Dieselmotoren deutlich verbesserte. Als Hauptvorteile erwiesen sich eine bessere Kraftstoffzerstäubung durch höheren Druck sowie eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung entsprechend der aktuellen Situation und den Bedürfnissen des Motors. Viele von uns werden sich aus der Praxis erinnern, was für ein „Go-Ahead“ die Einführung des legendären 1,9 TDi-Motors auf freundschaftliche Weise bewirkte. Wie ein Zauberstabduft ist aus dem bisher wuchtigen 1,9 D/TD ein flinker Sportler mit extrem geringem Energieverbrauch geworden.

In diesem Artikel erklären wir Ihnen, wie eine Rotations-Einspritzpumpe funktioniert. Wir erklären zunächst die Funktionsweise mechanisch gesteuerter Drehkolbenpumpen und dann elektronisch gesteuerter Pumpen. Ein Beispiel ist die Einspritzpumpe von Bosch, dem Pionier und größten Hersteller von Einspritzsystemen für Pkw-Dieselmotoren.

Die Einspritzeinheit mit Kreiselpumpe versorgt alle Zylinder des Motors gleichzeitig mit Kraftstoff. Die Verteilung des Kraftstoffs auf die einzelnen Injektoren erfolgt über einen Verteilerkolben. Je nach Kolbenbewegung werden Drehkolbenpumpen in axiale (mit einem Kolben) und radiale (mit zwei bis vier Kolben) unterteilt.

Rotations-Einspritzpumpe mit Axialkolben und Verteiler

Für die Beschreibung verwenden wir die bekannte Bosch VE Pumpe. Die Pumpe besteht aus einer Förderpumpe, einer Hochdruckpumpe, einem Drehzahlregler und einem Einspritzschalter. Die Förderschaufelpumpe fördert Kraftstoff in den Pumpensaugraum, von wo aus der Kraftstoff in den Hochdruckteil gelangt und dort auf den erforderlichen Druck verdichtet wird. Der Verteilerkolben führt gleichzeitig eine Gleit- und Drehbewegung aus. Die Gleitbewegung wird durch einen fest mit dem Kolben verbundenen Axialnocken bewirkt. Dadurch kann Kraftstoff angesaugt und über die Druckventile der Hochdruckleitung des Motorkraftstoffsystems zugeführt werden. Durch die Drehbewegung des Steuerkolbens wird erreicht, dass sich die Verteilernut im Kolben gegenüber den Kanälen dreht, durch die die Hochdruckleitung der einzelnen Zylinder mit dem Pumpenkopfraum über dem Kolben verbunden ist. Bei der Bewegung des Kolbens zum unteren Totpunkt wird Kraftstoff angesaugt, wenn die Querschnitte von Ansaugkanal und Nuten im Kolben zueinander offen sind.

Rotations-Einspritzpumpe mit Radialkolben

Die Kreiselpumpe mit Radialkolben sorgt für einen höheren Einspritzdruck. Eine solche Pumpe enthält zwei bis vier Kolben, die die Nockenringe, die in ihren Zylindern im Kolben befestigt sind, zum Einspritzschalter hin bewegen. Der Nockenring hat so viele Nasen wie der jeweilige Motorzylinder. Während sich die Pumpenwelle dreht, bewegen sich die Kolben mit Hilfe von Rollen entlang der Bahn des Nockenrings und drücken die Nockenvorsprünge in den Hochdruckraum. Der Rotor der Förderpumpe ist mit der Antriebswelle der Einspritzpumpe verbunden. Die Förderpumpe ist so ausgelegt, dass sie Kraftstoff mit dem für ihren ordnungsgemäßen Betrieb erforderlichen Druck vom Tank zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe fördert. Die Kraftstoffzufuhr zu den Radialkolben erfolgt über den Verteilerrotor, der fest mit der Einspritzpumpenwelle verbunden ist. Auf der Achse des Verteilerrotors befindet sich eine zentrale Bohrung, die den Hochdruckraum der Radialkolben mit Querbohrungen zur Zuführung von Kraftstoff von der Förderpumpe und zur Ableitung von Hochdruckkraftstoff zu den Injektoren der einzelnen Zylinder verbindet. Im Moment der Verbindung der Querschnitte der Rotorbohrung und der Kanäle im Pumpenstator tritt der Kraftstoff in die Düsen aus. Von dort strömt der Kraftstoff über eine Hochdruckleitung zu den einzelnen Injektoren der Motorzylinder. Die Regulierung der eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt durch Begrenzung des Kraftstoffflusses von der Förderpumpe zum Hochdruckteil der Pumpe.

Elektronisch gesteuerte Rotations-Einspritzpumpen

Die in Europa am weitesten verbreitete elektronisch gesteuerte Hochdruckrotationspumpe in Fahrzeugen ist die Bosch VP30-Serie, die mit einem Axialkolbenmotor Hochdruck erzeugt, und die VP44, bei der sie mit zwei oder drei Radialkolben eine Verdrängerpumpe erzeugt. Mit einer Axialpumpe kann ein maximaler Düsendruck von bis zu 120 MPa und mit einer Radialpumpe von bis zu 180 MPa erreicht werden. Die Pumpe wird von der elektronischen Motorsteuerung EDC gesteuert. In den Anfangsjahren der Produktion war die Steuerung in zwei Systeme aufgeteilt, von denen eines von der Motorsteuerung und das andere von der Einspritzpumpe gesteuert wurde. Nach und nach wurde eine gemeinsame Steuerung direkt an der Pumpe verwendet.

Kreiselpumpe (VP44)

Eine der gängigsten Pumpen dieser Art ist die Radialkolbenpumpe VP 44 von Bosch. Diese Pumpe wurde 1996 als Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge eingeführt. Der erste Hersteller, der dieses System einsetzte, war Opel, der im Vierzylinder-Dieselmotor seines Vectra 44 / 2,0 DTi eine VP2,2-Pumpe verbaute. Es folgte Audi mit einem 2,5 TDi-Motor. Der Einspritzbeginn und die Regulierung des Kraftstoffverbrauchs werden bei diesem Typ vollelektronisch über Magnetventile gesteuert. Wie bereits erwähnt, wird das gesamte Einspritzsystem entweder von zwei separaten Steuergeräten, getrennt für Motor und Pumpe, oder einem für beide Geräte direkt in der Pumpe gesteuert. Die Steuereinheit(en) verarbeiten Signale von mehreren Sensoren, was in der folgenden Abbildung deutlich zu sehen ist.

Aus konstruktiver Sicht entspricht das Funktionsprinzip der Pumpe im Wesentlichen dem eines mechanisch angetriebenen Systems. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe mit Radialverteilung besteht aus einer Flügelzellenpumpe mit Druckregelventil und einem Stromdrosselventil. Seine Aufgabe ist es, Kraftstoff anzusaugen, Druck im Druckspeicher zu erzeugen (ca. 2 MPa) und mit einer Hochdruck-Radialkolbenpumpe zu betanken, die den erforderlichen Druck für die feine Zerstäubung des Kraftstoffs in die Zylinder erzeugt (bis zu ca. 160 MPa). . ). Die Nockenwelle dreht sich zusammen mit der Hochdruckpumpe und versorgt die einzelnen Injektorzylinder mit Kraftstoff. Die Messung und Regelung der eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt über ein schnelles Magnetventil, das durch Signale mit variabler Pulsfrequenz über die el. das gerät befindet sich auf der pumpe. Das Öffnen und Schließen des Ventils bestimmt die Zeit, in der Kraftstoff von der Hochdruckpumpe gefördert wird. Aus den Signalen des Rückwärtswinkelsensors (Winkelstellung des Zylinders) wird die momentane Winkelstellung der Antriebswelle und des Nockenrings beim Reversieren ermittelt, die Drehzahl der Einspritzpumpe (im Vergleich zu den Signalen der Kurbelwelle Sensor) und die Position des Einspritzschalters in der Pumpe berechnet. Das Magnetventil verstellt auch die Stellung des Einspritzschalters, der den Nockenring der Hochdruckpumpe entsprechend verdreht. Dadurch kommen die die Kolben antreibenden Wellen früher oder später in Kontakt mit dem Nockenring, was zu einer Beschleunigung oder Verzögerung des Kompressionsbeginns führt. Das Einspritz-Umschaltventil kann vom Steuergerät stufenlos geöffnet und geschlossen werden. Der Lenkwinkelsensor befindet sich an einem Ring, der sich synchron mit dem Nockenring der Hochdruckpumpe dreht. Der Impulsgeber befindet sich auf der Antriebswelle der Pumpe. Die gezackten Punkte entsprechen der Anzahl der Zylinder im Motor. Wenn sich die Nockenwelle dreht, bewegen sich die Schaltrollen entlang der Oberfläche des Nockenrings. Die Kolben werden nach innen gedrückt und setzen den Kraftstoff auf hohen Druck. Die Kompression des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs beginnt nach dem Öffnen des Magnetventils durch ein Signal vom Steuergerät. Die Verteilerwelle fährt in eine Position vor dem Druckkraftstoffauslass zum entsprechenden Zylinder. Der Kraftstoff wird dann durch das Drosselrückschlagventil zum Injektor geleitet, der ihn in den Zylinder einspritzt. Die Einspritzung endet mit dem Schließen des Magnetventils. Das Ventil schließt etwa nach Überwindung des unteren Totpunktes der Pumpenradialkolben, der Beginn des Druckanstiegs wird durch den Nockenüberschneidungswinkel (gesteuert durch den Einspritzschalter) gesteuert. Die Kraftstoffeinspritzung wird von Drehzahl, Last, Motortemperatur und Umgebungsdruck beeinflusst. Außerdem wertet das Steuergerät Informationen des Kurbelwellenpositionssensors und des Antriebswellenwinkels in der Pumpe aus. Über den Winkelsensor ermittelt das Steuergerät die genaue Position der Antriebswelle der Pumpe und des Einspritzschalters.

1. - Flügelzellen-Extrusionspumpe mit Druckregelventil.

2. – Drehwinkelsensor

3. - Pumpensteuerelement

4. - Hochdruckpumpe mit Nockenwelle und Ablassventil.

5. - Einspritzschalter mit Umschaltventil

6. - Hochdruck-Magnetventil

Axialpumpe (VP30)

Eine ähnliche elektronische Steuerung lässt sich auf eine Drehkolbenpumpe wie die Bosch-Pumpe Typ VP 30-37 anwenden, die seit 1989 in Pkw eingesetzt wird. In einer VE-Kraftstoffpumpe mit axialem Durchfluss, die von einem mechanischen Exzenterregler gesteuert wird. der effektive Weg und die Kraftstoffdosis bestimmen die Position des Schalthebels. Genauere Einstellungen werden natürlich elektronisch erreicht. Der elektromagnetische Regler in der Einspritzpumpe ist ein mechanischer Regler und seine Zusatzsysteme. Das Steuergerät bestimmt die Position des elektromagnetischen Reglers in der Einspritzpumpe unter Berücksichtigung der Signale verschiedener Sensoren, die die Leistung des Motors überwachen.

Abschließend noch einige Beispiele für die genannten Pumpen in konkreten Fahrzeugen.

Rotationskraftstoffpumpe mit Axialkolbenmotor VP30 verwendet z.B. Ford Focus 1,8 TDDi 66 kW

VP37 verwendet einen 1,9 SDi- und TDi-Motor (66 kW).

Rotations-Einspritzpumpe mit Radialkolben VP44 in Fahrzeugen verwendet:

Opel 2,0 DTI 16V, 2,2 DTI 16V

Audi A4 / A6 2,5 TDi

BMW 320d (100kW)

Eine ähnliche Konstruktion ist eine Rotationseinspritzpumpe mit Nippon-Denso-Radialkolben im Mazde DiTD (74 kW).