Wie funktioniert… Common-Rail-Einspritzung

Im Rahmen der innermotorischen Optimierung ist neben der Abgasrückführung das Einspritzsystem ein wichtiger Stellhebel für eine saubere Kraftstoffverbrennung: Es muss den Kraftstoff zum richtigen Zeitpunkt mit hohem Druck einspritzen und dabei die Kraftstoffmenge so genau wie möglich dosieren, um die notwendigen Beding-ungen für eine schadstoffarme Verbrennung im Zylinder zu erzeugen. Mit einer präzisen Kraftstoffdosierung bei hohem Druck lässt sich auch der Kraftstoffverbrauch deutlich reduzieren. mtu hat daher frühzeitig — seinerzeit noch mit dem Hauptfokus auf sparsamere Motoren — einen Technologiewechsel weg von den konventionellen mechanischen Einspritzsystemen hin zum flexibel elektronisch steuerbaren Common-Rail-Einspritzsystem vollzogen. 1996 hat mtu mit der Baureihe 4000 den ersten Großdieselmotor serienmäßig mit einem Common-Rail-System ausgestattet. Eine gemeinsame Kraftstoffleitung — das namensgebende „Rail“ — speist alle Injektoren des Motors mit Kraftstoff. Soll in einen Zylinder eingespritzt werden, öffnet das System die Düse des entsprechenden Injektors und der Kraftstoff gelangt vom Rail in den Brennraum, wobei er durch den hohen Druck fein zerstäubt und mit der Luft gemischt wird. Die Common-Rail-Systemkomponenten müssen sehr flexibel und präzise angesteuert werden. mtu setzt dazu das hausintern entwickelte Motormanagement ECU (Engine Control Unit) ein (Abb. 1). Aufgrund der immer strengeren Emissions-normen bei Motoren aller Leistungsklassen und Anwendungsbereiche wird mtu künftig neu entwickelte Motoren ausschließlich mit einem Common-Rail-Einspritzsystem ausrüsten.

Weniger Emissionen durch Kombination mit anderen Schlüsseltechnologien
Bei der innermotorischen Verbrennungsoptimierung besteht eine dreidimensionale Wechselwirkung zwischen der Stickoxidbildung, der Entstehung von Partikeln und dem Kraftstoffverbrauch: Je intensiver die Verbrennung und damit die Energie- umsetzung ist, desto geringer sind Partikelemissionen und Verbrauch, aber desto höher sind auch die Stickoxidemissionen. Umgekehrt führt eine verschleppte Verbrennung zwar zu geringer Stickoxidbildung, dabei steigen aber auch Verbrauch und Partikelemissionen. Die Aufgabe der Motorenentwickler ist, für jeden Betriebs-punkt des Motors zwischen diesen Polen einen Kompromiss zu finden. Dabei müssen sie die Wirkung des Einspritzsystems mit der anderer innermotorischer Maßnahmen in Einklang bringen, etwa der Abgasrückführung, die vor allem die Stickoxidemissionen absenkt, sowie der Wirkung von  Abgasnachbehandlungs-systemen. Als Pionier blickt mtu auf langjährige Erfahrungen mit den EInspritz-systemen der Rolls-Royce Power Systems-Marke L’Orange sowie anderer Zulieferer zurück. In dieser Zeit hat sich mtu eine umfangreiche Kompetenz bei der Integration des Common-Rail-Einspritzsystems in den Motor erworben. Das versetzt das Unternehmen in die Lage, die Potenziale des Einspritzsystems im Zusammenspiel mit den anderen Schlüsseltechnologien bei der Verbrennungsentwicklung optimal zu nutzen. Die beiden Hauptparameter der Einspritzung, die den Verbrauch und die Emissionen beeinflussen, sind der Einspritzverlauf und der Einspritzdruck.

Einspritzverlauf: Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung

Der Einspritzverlauf legt fest, zu welcher Zeit wie viel Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird. Um Emissionen und Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, unterteilt die aktuelle Evolutionsstufe des Einspritzsystems von mtu-Motoren die einzuspritzende
Kraftstoffmenge pro Arbeitstakt in bis zu drei Portionen (Abb. 2). Deren Anfangspunkt,
Länge und Amplitude lassen sich kennfeldabhängig frei variieren: Die Haupt- einspritzung liefert den Kraftstoff für die Leistung des Motors. Eine Voreinspritzung initiiert eine vorgelagerte Verbrennung, so dass der Kraftstoff der Haupteinspritzung kontrolliert verbrannt werden kann. Diese senkt die Stickoxidemissionen, da Temp- eraturspitzen im Zylinder durch eine schlagartige Verbrennung vermieden werden. Eine Nacheinspritzung kurz nach der Haupteinspritzung reduziert die Partikel- emissionen. Sie verbessert die Gemischbildung in einer späten Phase der Ver-brennung und sorgt für höhere Temperaturen im Brennraum, die die Rußoxidation fördern. Je nach Betriebspunkt kann die Haupteinspritzung flexibel durch Vor- und/ oder Nacheinspritzung ergänzt werden.

Einspritzdruck: Spitzendrücke bis zu 2.200 bar

Der Einspritzdruck hat einen besonders hohen Einfluss auf die Partikelemissionen. Je höher der Einspritzdruck ist, desto besser zerstäubt der Kraftstoff beim Einspritzen und vermischt sich mit dem Sauerstoff im Zylinder. Das führt zu einer nahezu vollständigen Kraftstoffverbrennung mit hohem Energieumsatz, bei der sich nur wenig Partikel bilden. mtu hat daher den maximalen Einspritzdruck der Common-Rail-Systeme beständig erhöht, von 1.400 bar im Jahr 1996 bei der Baureihe 4000 bis aktuell 2.200 bar bei den Motoren der Baureihen 1600, 2000 und 4000 (Abb. 3). Bei der Baureihe 8000 sind es 1.800 bar. Für die nächsten Motorgenerationen plant mtu sogar bis zu 2.500 bar Einspritzdruck. Im selben Zeitraum hat mtu Robustheit und Wartungsfreundlichkeit des Systems weiter erhöht. Ein auf die Anforderungen abge-stimmtes Filterkonzept hat das Einspritzsystem noch robuster gegenüber Partikeln im Kraftstoff gemacht. Künftig werden die Wartungsintervalle der Injektoren dank elektronischer Diagnosefunktionen ausgeweitet.

Solitärsystem: Injektoren mit eigenem Kraftstoffspeicher

Aufgrund seiner Leistungsfähigkeit hat sich das Common-Rail-Einspritzsystem bei Pkw-Dieselmotoren in den vergangenen Jahren als Standard etabliert. Auch für  Industriemotoren mit kleinerem Zylindervolumen ist das System in der beschriebenen
Bauform sehr gut geeignet. Bei Motoren mit größerem Zylindervolumen stößt das konventionelle Common Rail jedoch an seine Grenzen, da hier pro Arbeitstakt relativ viel Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt werden muss. Im Kraftstoffspeicher des Common-Rail-Systems führt dies zu Druckpulsationen, die die darauf folgenden Einspritzsequenzen stören können. Seit dem Jahr 2000 setzt mtu bei den Motoren der Baureihen 4000 und 8000 und seit 2004 auch bei der Baureihe 2000 ein weiterentwickeltes Common-Rail-System ein, bei dem die Injektoren einen integrierten Kraftstoffspeicher tragen (Abb. 4). Sie ermöglichen es, die Kraftstoffleitungen zwischen den Injektoren und dem gemeinsamen Rail mit einem relativ kleinen Querschnitt auszuführen. Während einer Einspritzung sinkt nur der Druck im je- weiligen Einzelspeicher leicht ab. Das verhindert Druckschwingungen im gemein-samen Rail und damit eine kurzzeitige Unter- beziehungsweise Über- versorgung der Injektoren mit Kraftstoff.