mini|Common-Rail-System an einem Lkw-Motor mini|Common-Rail-System an BMW-Motor N47D20 Bei der Common-Rail-Einspritzung, die auch Speichereinspritzung genannt wird, handelt es sich um ein Einspritzsystem für Dieselmotoren, bei dem der Kraftstoff ein gemeinsames Rohrleitungssystem (Common Rail) als Reservoir für alle Einspritzventile füllt, das bei Motorbetrieb ständig unter Druck steht. Durch kontinuierliches Pumpen von Kraftstoff in das zentrale Druckrohr wird ein hoher Einspritzdruck von über 1000 bar erzeugt.
Begriffsherkunft Der Begriff Common Rail stammt aus dem Englischen und steht für gemeinsames Verteilerrohr. Er beschreibt die Verwendung eines gemeinsamen Kraftstoff-Hochdruckspeichers, in der Regel in Form eines Rohres, an dem die Einspritzdüsen (Injektoren) zur Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff angeschlossen sind.
Anwendungsbereich Einspritzung beim Common-Rail-Verfahren Die Grundidee ist die vollständige Trennung der Druckerzeugung vom eigentlichen Einspritzvorgang. Dadurch ist eine ausschließlich durch Kennfelder gesteuerte Einspritzung möglich. Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge werden durch eine elektronische Motorsteuerung geregelt. Diese betätigt elektrisch ein Ventil je Zylinder (zylinderindividuell), den sogenannten Injektor, der die konventionellen Einspritzdüsen klassischer Dieselaggregate ersetzt.
Der Einspritzvorgang zum Ende des Verdichtungstaktes wird in drei Gruppen unterteilt: die Voreinspritzung (engl. pilot injection): für einen ruhigen Motorlauf sind bis zu zwei Voreinspritzungen möglich die Haupteinspritzung (engl. main injection), die noch in erste und zweite Haupteinspritzung unterteilt werden kann und die Nacheinspritzung (engl. post injection), die zur Reduzierung der innermotorischen Rußbildung, für einen geringen NOx-Wert bei SCR-Katalysatoren oder zum Freibrennen bei Dieselpartikelfiltern dienen kann.
Unterschiede zur klassischen Einspritzung Motoren mit Einspritzpumpe weisen für jeden Zylinder eine eigene Hochdruckleitung zwischen Pumpe und Einspritzdüse auf. Diese Hochdruckleitungen sind nicht miteinander verbunden. Die Einspritzung an der Düse in einen Zylinder wird direkt durch einen zugehörigen Pumpvorgang der Einspritzpumpe ausgelöst.
Bei der klassischen Einspritzpumpe ist die Einspritzmenge und -dauer, das heißt die Höhe des wirksamen Kolbenhubes der Einspritzpumpe, nicht vom Kurbelwinkel abhängig, weil mit der Fahrpedalstellung die Kolben gedreht werden und einen unterschiedlich wirksamen Hub erhalten, indem eine umlaufende Schrägkante (= Steuerkante) am Kolben bei wenig betätigtem Fahrpedal die Hochdruckförderung später einsetzen bzw. früher enden lässt. Damit wird bei wenig Drehmomentbedarf weniger Kraftstoff gefördert und eingespritzt. Das Bauprinzip der Reihen- und Verteilerpumpen erlaubt nur eine Einspritzung pro Arbeitstakt; Beginn und Ende der Einspritzung sind durch die Steuerkantengeometrie bestimmt und können bei Bedarf durch einen Spritzversteller zusammen verschoben werden.
Anders ist das bei der Common-Rail-Technik: Hier sind Einspritzmenge und -dauer unabhängig vom Kurbelwinkel elektronisch steuerbar und damit auch Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen möglich; nach Stand 2012 können bis zu acht getrennte Teileinspritzungen pro Arbeitstakt des Motors realisiert werden. Die Voreinspritzung dient vornehmlich der Reduzierung des Verbrennungsgeräusches, die Nach-Einspritzungen werden zur innermotorischen Partikelreduzierung oder zum Erhöhen der Abgastemperaturen in den Freibrennzyklen bei zu hohem Druckverlust der Feinstaubfilter (Rußpartikelfilter) in der Abgasanlage verwendet.
Kurz vor dem Siegeszug der Common-Rail-Einspritzsysteme wurden auch Verteilereinspritzpumpen (BOSCH-VP44-Radialkolbenpumpe sowie VP30- und VP37-Axialkolbenpumpe) noch mit Hochdruckmagnetventilen zur Mengenzumessung versehen. Diese Technik ermöglicht es, den direkt an den Kurbelwinkel gekoppelten Einspritzverlauf während der Verdichtungsphase des Kraftstoffes durch das Ventil zu beeinflussen und während eines Kolbenhubes eine Pulsation der Kraftstoffsäule zwischen Pumpenkolben und Einspritzventil zu bewirken. Damit gelang es, auch in der Verteilerpumpen-Technik bis zu drei Einspritzvorgänge pro Arbeitstakt zu realisieren. Die möglichen Freiheitsgrade eines Common-Rail-Systems wurden damit jedoch nicht erreicht.
Geschichte
Schon 1913 meldete Vickers ein Patent auf ein mechanisches Dieseleinspritzsystem nach dem Common-Rail-Prinzip an, das ab 1916 an Dieselmotoren für U-Boote angewendet wurde. Weitere Anwendungen an Großmotoren folgten. Weiterentwicklungen in Richtung eines elektronisch gesteuerten Systems wurden durch Fortschritte der Mikroelektronik in den 1960er Jahren möglich. Einen wesentlichen Forschungsbeitrag lieferte dazu Robert Huber von der ETH Zürich, der 1966 ein elektronisch steuerbares Kraftstoffeinspritzventil zum Patent anmeldete. In den Jahren 1976 bis 1992 wurden an der ETH Zürich Forschungen zum Common-Rail-Dieselmotor angestellt, die Anwendung an einem Fahrzeug erfolgte jedoch nicht.
Ab 1964 wurde in der DDR an der Technischen Universität Magdeburg am elektronisch gesteuerten Common-Rail-Dieselmotor geforscht. Als Keimzelle der folgenden Entwicklungen kann die Promotion von Rolf Sobadky angesehen werden, deren Verteidigung im Jahr 1970 die Aufmerksamkeit des Wissenschaftlich-Technischen Zentrums (WTZ) Automobilbau erregte, insbesondere hinsichtlich Perspektiven für Kraftstoffeinsparung. 1971 reichte das WTZ die „Untersuchung zum Einsatz der Elektronik bei der Einspritzung an Otto- und Dieselmotoren“ als Staatsplanthema ein, das auch genehmigt wurde.Martin Deus: EDES Das Elektronische Diesel-Einspritzsystem. In: 79oktan 3/2023, S. 74–81. Die Forschungsarbeit wurde alsbald auf das Common-Rail-Prinzip an Dieselmotoren fokussiert. Die Erprobung im Fahrbetrieb sollte an einem in Entwicklung befindlichen Sechszylinder-Dieselmotor des Motorenwerks Nordhausen (MN 106) erfolgen. Auf der Leipziger Messe 1981 wurde der Vollmotor 6 VDS 26/20 ALE-2 als Common-Rail-System nach erfolgreicher Dauererprobung über mehrere tausend Stunden der Öffentlichkeit vorgestellt. Die vorliegende Dokumentation weist aus, dass man den Motor auch mit leichtem Schweröl (Viskosität 36 cSt) betrieben hatte. Der Kraftstoffverbrauch wurde um 9 g/kWh und die Abgastrübung auf 60 % gesenkt. Die elektronische Regelung arbeitete mit bemerkenswerter Schnelligkeit und Präzision.
Am 16. Mai 1985 erfolgte schließlich der erste Fahrversuch, der Motor wurde dazu in einen IFA W50 eingebaut. Nach 1000 km auf Teststrecken schloss sich in der Zeit bis 1986 eine Erprobung über rund 16 000 km im öffentlichen Straßenverkehr, unter anderem in Karl-Marx-Stadt (jetzt Chemnitz) an. Untersucht wurden dabei nicht zuletzt auch mögliche elektromagnetische Störsignale bei anderen Verkehrsteilnehmern. Es war weltweit das erste Mal, dass ein Kraftfahrzeug mit einem Common-Rail-Diesel(motor) im öffentlichen Straßenverkehr erprobt wurde. Aus der Entwicklung gingen 24 Patente hervor.
Das Verfahren wurde in der DDR als „Elektronisches Diesel-Einspritz-System“ (EDES) bezeichnet. Da der Raildruck sich über die Dauer einer Einspritzung kaum ändert, wurde zunächst der Begriff „Gleichdruckeinspritzung“ verwendet. Die Versuchsergebnisse wurden erstmals auf einer Motorenkonferenz in der ČSSR präsentiert. Paradoxerweise entschied die Hauptverwaltung Automobilbau trotz überzeugender Versuchsergebnisse und internationaler Anerkennung unter anderem von anwesenden Delegierten von VW, die weitere Entwicklung und mögliche Serieneinführung abzubrechen, benötigte Investitionsmittel wurden nicht bereitgestellt. So ging der W50-Nachfolger IFA L60 1987 zwar mit einem Nordhäuser Sechszylindermotor, jedoch ohne Common-Rail-Einspritzung in Serie. 1987 fasste der Konstrukteur Dr. Klaus Matthees die Ergebnisse der Entwicklung in seiner Dissertation zusammen. Nach einer Restaurierung war der Common-Rail-Motor bis März 2014 im August-Horch-Museum ausgestellt. Seit 2014 steht er als Leihgabe im IFA-Museum Nordhausen.Hans-Jürgen Grönke: Zur Industriegeschichte im Südharz. Lukas-Verlag, Berlin 2016, ISBN 978-3-86732-223-2, S. 355 ff.
Ende der 1980er Jahre wurde die abgebrochene Entwicklung aus der DDR von Magneti Marelli, dem Centro Ricerche Fiat (insbesondere dessen Niederlassung in Bari) und Elasis aufgegriffen und bis 1993 fortgesetzt. Der Common-Rail wurde ursprünglich von dem PhysikerLebenslauf von Mario Ricco (Archivlink) Mario Ricco aus Bari erfunden und vom Fiat-Konzern (Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat und Elasis) entwickelt und vorindustriell gefertigt. Finanzielle Schwierigkeiten führten jedoch dazu, dass die Patente und Entwicklungsunterlagen 1997 an Bosch abgetreten wurden, das die Technologie industrialisierte. Zwischenzeitlich holte die japanische Industrie jedoch auf, und so erfolgte der weltweit erste Serieneinsatz in japanischen Nutzfahrzeugen Mitte der 1990er Jahre.
In Europa gelang es Bosch im Oktober 1997, in Gestalt des Alfa Romeo 156 JTD das erste Straßenfahrzeug mit Common-Rail-Einspritzung auf den Markt zu bringen. Dieses innovative System brachte bedeutende Fortschritte für Dieselmotoren, indem es die Zylinderkapazitäten verringerte und die Leistung verbesserte. Dadurch wurden Dieselmotoren wettbewerbsfähig auf dem Markt für Individualmobilität, der zuvor von Benzinmotoren dominiert wurde. Für etwa zwei Jahre blieb das System ein exklusives Merkmal des FIAT-Konzerns, bevor es von fast allen großen Automobilherstellern übernommen wurde, mit Ausnahme der Volkswagen-Gruppe, die es erst etwa ein Jahrzehnt später einsetzteMotor Magazine, Technikartikel zu Common Rail (Archivlink). Kurz zuvor ging im September 1997 die MTU Motorenbaureihe BR4000 für Bahn- und Off-Highway-Anwendungen mit einem Common-Rail-System von L’Orange in Serie. 1998 folgte Daimler-Benz als erster deutscher Hersteller eines Common-Rail-Serienfahrzeugs mit dem OM 611. Auch BMW bot mit dem M57 einen Common-Rail-Motor an. Im selben Jahr begann auch Citroën mit der Entwicklung und führte mit dem C6 ein eigenes System ein.
Der Peugeot-Konzern brachte in Zusammenarbeit mit Siemens die ersten Piezo-Einspritzdüsen auf den Markt. Mit den kurzen Reaktionszeiten der Piezotechnik können die Einspritzzeitpunkte genauer und schneller gesteuert werden. Pro Verbrennungsvorgang sind bis zu acht Einspritzungen möglich. Dadurch können der Verbrennungsvorgang wie auch die akustischen Laufeigenschaften weiter begünstigt werden, der Motor erreicht geringere Schadstoff-Emissionswerte und bei gleicher Leistung einen geringeren Verbrauch.
Die wichtigsten heutigen Anbieter von Common-Rail-Systemen sind Bosch, L’Orange, Delphi, Denso, Marelli und Continental.
Abgeleitete Systeme
Der Mitsubishi Carisma GDI (gasoline direct injection) kam als erster Serien-Pkw mit geschichteter Benzindirekteinspritzung bereits 1997 auf den Markt.
Bei den Pkw mit Otto-Motor ist unter anderen VW (mit dem Zulieferer Bosch) ein Vertreter der Benzin-Direkteinspritzung. Auch hier versorgt eine Kraftstoffverteilerleiste (Common Rail) die unter dem Einlasskanal im Zylinderkopf angeordneten, elektrisch betätigten Hochdruck-Einspritzventile. Der Treibstoffdruck ist mit 200 bar (20 MPa) im Vergleich zur Dieseleinspritzung jedoch relativ gering. In den letzten Jahren wurde ein Großteil des Motorenprogramms von VW/Audi auf die FSI beziehungsweise TFSI genannte Technik umgestellt.
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