Einspritzdüse (Dieselmotor)

Einspritzdüsen

Pumpe-Düse-System (engl.: Unit Injector) eines Dieselmotors

Injektor, Schnittmodell

Common-Rail Düse

Einspritzvorgang

Als Einspritzdüse wird das Einspritzventil im Dieselmotor bezeichnet. Eine andere Benennung ist Injektor.

Aufbau

Einspritzdüsen bestehen aus dem Düsenkörper und der Düsennadel. Beide sind aus hochwertigem Stahl hergestellt und eingeläppt. Die Toleranzen liegen bei 0,002 bis 0,003 mm. Wegen dieser engen Toleranzen sind die Einzelteile nicht untereinander austauschbar. Vielmehr werden alle gefertigten Einzelteile separat vermessen und die maßlich mit engster Resttoleranz zusammenpassenden Einzelteile zueinander gepaart.

Funktion

Bei einfachen Systemen wird die Düsennadel von einer oder zwei Druckfedern des Düsenhalters in den Sitz gedrückt. Durch den Kraftstoffdruck entsteht eine senkrecht wirkende Hubkraft. Ist diese größer als die Federkraft, wird die Nadel nach oben gedrückt, und es wird Kraftstoff eingespritzt. Fällt der Druck ab, schließt die Düse (wieder).

Technische Eigenschaften und Belastungen:

• 1 Milliarde Einspritzungen (Nkw-Lebensdauer)
• Einspritzdauer 1-2 ms
• Einspritzmengen (min/max) 1/50 mm³ (Pkw) bzw. 3/350 mm³ (Nkw)
• Spiel der Düsennadel in ihrer Führung ca. 2 µm
• Gegendruck im Brennraum bis 2050 bar

Zur Einspritzung wird die Düsennadel angehoben. Dies wird unterschiedlich bewirkt:

• Bei Common-Rail-Systemen liegt ständig der Raildruck an der Düse an. Daher hat die Düse einen Mechanismus, der sie bei beliebigen Drücken und für eine beliebige Dauer öffnet und schließt.
• Bei pumpengesteuerten Systemen (Reihen- und Verteilereinspritzpumpen, Pumpe-Düse-Systeme) erzeugt die Pumpe den Druck, der die Düsennadel gegen die Kraft einer Feder anhebt. Sobald der Pumpendruck unter einen Grenzwert abfällt, schließt die Feder die Düse wieder.

Die Düsenöffnungsdrücke liegen herstellerabhängig zwischen 115 und 300 bar. Der maximale Einspritzdruck kann allerdings je nach System und Motorlast/-drehzahl bei bis zu 2.700 bar liegen.

Bauarten

Lochdüse

Diese Art wird ausschließlich bei direkt einspritzenden Motoren verwendet.

Man unterscheidet zwischen Sitzlochdüsen und Sacklochdüsen.

Bei der Sitzlochdüse werden die Düsenlöcher direkt von dem Ventilglied (Düsennadel) verschlossen.

Bei der Sacklochdüse ist unterhalb des Düsensitzes ein Restvolumen, in dem ein Rest Kraftstoff verbleibt, der nicht durch die Düsenlöcher eingespritzt wurde, was eine erhöhte Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgas und eine höhere Neigung der Düse zum Verkoken zur Folge haben kann. Allerdings kann man durch ein den Düsenlöchern vorgelagertes Mischvolumen günstigere Strömungsverhältnisse erreichen. Um das unerwünschte Restvolumen möglichst gering zu halten, gibt es auch Mini-Sacklochdüsen, bei denen man das Totvolumen durch "auffüllen" möglichst gering hält.

Der Düsenkörper weist mehrere Spritzlöcher auf. Je nach Motor liegt die Anzahl zwischen 5 (PKW) bis 14 (Großdieselmotor, z. B. für Schiffe oder Kraftwerke). Der Lochdurchmesser variiert zwischen 0,15 mm (Pkw) und 0,4 mm (Lkw). Die Spritzlochanzahl, -winkel und -größe, sowie die Strömungsverhältnisse an den Düsenlöchern beeinflussen den Einspritzstrahl und dessen Zerstäubung (Spritzbild), welche in Abstimmung mit der Einspritzmenge, Einspritzdruck, Druckverlauf, Brennraumgeometrie, Ladungsbewegung, Kompressionsdruck und -temperatur die Verbrennungsqualität bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffs bestimmen.

Die modernen Einspritzventile (Injektoren) besitzen als aktives Element entweder eine Magnetspule oder in zunehmender Tendenz einen Piezoaktor, wobei die Piezoansteuerung durch schnellere Reaktionszeiten bis zu fünf Mehrfacheinspritzungen in einem Verbrennungszyklus ermöglicht. Bei Mehrfacheinspritzungen kann man durch entsprechende Voreinspritzung den Druckanstieg (sanfterer Brennverlauf) beeinflussen und somit die akustische Komfortsituation verbessern. Weiterhin besteht die Möglichkeit der regenerativen Rußfilterreinigung durch Nacheinspritzung, wobei der unverbrannte Kraftstoff zur Nachverbrennung des im Filter gesammelten Rußes dient.

Pumpe-Düse

Beim Pumpe-Düse-System wird die Einzelstempelpumpe mit der Einspritzdüse vereinigt. Dies verringert störende Einflüsse der Kraftstoffdruckleitungen auf das System. Die Regelung des Pumpenelements erfolgte früher mechanisch, heute wird die Einspritzdauer durch ein Piezo- oder Magnetventil gesteuert. Diese Ventile verbinden in geöffnetem Zustand Druckkanal und Rücklauf. Dadurch bricht der Druck zusammen, und die Einspritzdüse schließt sich. Der Einspritzdruck ist jedoch nicht regelbar. Nachteilig ist die hohe, schlagartige Belastung des Nockenwellentriebes.

Zapfendüse

Die Zapfendüsen werden bei Motoren mit Vor- bzw. Wirbelkammer verwendet und haben einen viel geringeren Öffnungsdruck von 80 bis 145 bar. Bei dieser Bauart wird das einzige Einspritzloch in geschlossenem Zustand durch einen Zapfen verschlossen. Dadurch gibt es kein Restvolumen, und der Einspritzstrahl kann durch die Form des Zapfens verändert werden. Möglich sind z. B. Voreinspritzung oder druckabhängige Änderung der Strahlform. Bei der Entwicklung des Zapfens wird der immer entstehende Rußbelag mit einkalkuliert, das bedeutet, dass neue Düsen, die den Rußbelag noch nicht besitzen, eventuell unsauberer verbrennen, bis sich der Belag ausgebildet hat.

Problemfälle

Einspritzdüsen können verkoken, insbesondere bei der Verwendung von Pflanzenölen als Treibstoff. Die Folge sind schlechtere Vernebelung, eine schlechtere Verbrennung und damit schlechtere Abgaswerte. Das kann soweit führen, dass das Motorsteuergerät den Startvorgang nicht ausführt. Dies ist dann der Selbstschutz des Motors vor ungeregelten Verbrennungsvorgängen. Eine Reinigung der Düse bzw. des Injektors ist dann unbedingt nötig. Durch eine geeignete Abstimmung der Düsenlochgeometrie kann dieser Verkokungsvorgang verzögert oder vermieden werden. Als ein begünstigender Faktor von Verkoken der Einspritzdüsen gelten hohe Temperaturen oder Kurzstreckenbetrieb. Meist steht die Verkokung mit der Versottung der Abgasrückführung in einem Dieselmotor in direktem Zusammenhang.

Literatur

• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001, ISBN 3-8085-2067-1
• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6

Weblinks

Commons: Einspritzdüse – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Youtube: Test einer Einspritzdüse
• focus.de vom 10. Juni 2013, Risiko bei Diesel-Motoren: Zeitbombe Partikelfilter, abgerufen am 17. November 2019.