Pumpe-Düse-System

Das Pumpe-Düse-System (engl. Unit Injector) ist ein Einspritzsystem für Verbrennungsmotoren.

Geschichte

Das Pumpe-Düse-System ist eine Entwicklung der GM Diesel Division, welche heute (2010) als Detroit Diesel Corporation (DDC) zur Daimler AG gehört. Die Unit Injector System (UIS) genannte Einheit wurde Ende der 1930er-Jahre entwickelt und zuerst in verhältnismäßig langsamlaufenden Schiffs-, Eisenbahn- und LKW-Dieselmotoren eingesetzt. Die wesentliche Eigenart ist die separate Einspritzpumpe für jeden Zylinder mit sehr kurzen Druckleitungen zur Einspritzdüse. Die Pumpen werden von der Nockenwelle mechanisch über Stößel und Stoßstangen angetrieben.

Den ersten Motor mit elektronisch gesteuerten UNIT-Injektoren stellte Volvo in seinem LKW FH 12 im Jahr 1993 vor. Dessen 12-Liter-Motor D12A in 4-Ventil-Technik wurde mit einer obenliegenden Nockenwelle sowie sogenannten Einheitsdüsenhaltern (UNIT-Injektoren) ausgestattet. Die UNIT-Injektoren sind direkt oberhalb der Kolben angebracht; sie werden von der obenliegenden Nockenwelle angetrieben und von einem Steuergerät elektrisch gesteuert.

Im Hinblick auf die gesetzlich geforderte Reduzierung der Abgasemissionen waren die in PKWs bis in die 1990er-Jahre üblichen Dieselkraftstoff-Einspritzsysteme (Verteiler- und Reiheneinspritzpumpe) vorwiegend wegen der relativ langen Hochdruckleitungen und der damit verbundenen Begrenzung der Druckgradienten nicht weiter entwicklungsfähig.

Daher wurde das Pumpe-Düse-System von Bosch für Volkswagen aufgegriffen, weiterentwickelt und ab 1998 in PKW-Dieselmotoren des Volkswagen-Konzerns eingesetzt. Erstes Fahrzeug mit PD-Technik war der VW Passat B5 mit einem 1,9-Liter-Motor (85 kW).

Gleichzeitig entwickelte Magneti Marelli für Fiat die Common-Rail-Einspritzung, die sich inzwischen als technisch überlegen erwiesen hat. Mittlerweile sind die erreichbaren Einspritzdrücke von CR-Systemen ebenbürtig. Seit 2008 stattet auch Volkswagen vorwiegend aus Kosten- und auch aus Komfortgründen seine Dieselmotoren nach und nach mit Common-Rail-Technik aus.

Prinzip

Anders als beim Common-Rail-System wird beim Pumpe-Düse-System der Einspritzdruck separat für jeden Zylinder erzeugt. Das geschieht in einer Plungerpumpe mit einem Kolben, der durch je einen eigenen Nocken auf der Nockenwelle und einen Kipphebel betätigt wird.

Um einen für den Einspritzprozess günstigen Druckverlauf zu erhalten, ist ein über die Zeit steiler Druckanstieg erforderlich. Dazu ist die Kinematik der Betätigungsbahn des Arbeits-Nockens so ausgeführt, dass sich der Kolben nach starker Beschleunigung mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Erzielt wird dies rein mechanisch durch eine ovale Nockenform.

Der Druckaufbau im Raum unter dem Kolben – dem Plungerraum –, kann durch Öffnen und Schließen eines Magnetventils oder eines durch einen Piezo-Aktor betätigten Ventils gesteuert werden. Ist das Ventil geschlossen, baut der Kolben Druck auf und der Kraftstoff wird durch das Einspritzventil eingespritzt. Durch Öffnen des Steuerventils wird der Einspritzvorgang abgebrochen, wobei eine optimale Verbrennung durch ein möglichst abruptes Abbrechen des Einspritzvorganges mit schnellem Druckabfall ermöglicht wird. Piezo-Aktoren arbeiten dabei bis zu dreimal schneller als Magnetsteller. So hatte etwa der VW Passat 2.0 TDI Baujahr 2005 (125 kW/170 PS) eine Pumpe-Düse-Einspritzung mit piezo-betätigten Ventilen, die einen Spitzendruck von 220 MPa erreichte.

Vorteile

Weil der Druck in der Pumpe-Möse-Einheit (PME) – und damit der Einspritzdruck – durch die Nocken der Nockenwelle erzeugt wird, ist die dafür benötigte Antriebsenergie nur in dem für die Einspritzung relevanten Bereich aufzubringen. Pumpe-Düse-Systeme sind fehlertoleranter als Common-Rail-Einspritzungen (keine Hochdruckpumpe, kein Rail) – der Ausfall einer Pumpe-Düse-Einheit führt nicht zwangsläufig zum Stillstand des Motors.
Der hohe Druck begünstigt eine feine Vernebelung des durch die Einspritzventile eingebrachten Kraftstoffes. Kleinere Tröpfchen bedeuten kleineres Verhältnis von Volumen zur Oberfläche, was eine geringere Rußbildung nach sich ziehen kann.
PD-Diesel haben einen guten Wirkungsgrad und liefern bis zu mittleren Drehzahlen ein sehr hohes Drehmoment.
Das nichtdichtende Plungerprinzip der PDE ermöglicht den Einsatz nahezu sämtlicher Kraftstoffe (Benzin, Alkohol, Ethanol, LPG, Biokraftstoffe, etc.).
Bei einem Versagen des Einspritzventils (Verklemmen oder Verschmutzen der Düse) kann kein Kraftstoff permanent in den Brennraum fließen

Nachteile

Aufgrund der o. g. Nockenabhängigkeit kann eine Einspritzung (zeitlich, d. h., über den Winkel betrachtet) nur ausgelöst werden, wenn auch der Nocken die Pumpe antreibt. Das bedeutet, der Bereich der möglichen Einspritzzeitpunkte ist in einen bestimmten Bereich um den oberen Totpunkt eingeschränkt, was zwar dem Wirkungsgrad, aber nicht der Laufruhe zugutekommt (siehe unten).
Verhältnismäßig hoher Aufwand, da prinzipbedingt für jeden Motorzylinder eine eigene Pumpe notwendig ist.
Da der Einspritzzeitpunkt und -menge nicht in feinen Schritten verändert werden kann sowie Vor- und Nacheinspritzung nur eingeschränkt möglich sind, gilt der Motorlauf als wenig kultiviert. Des Weiteren kann die Abgastemperatur nicht schnell genug variiert werden. Dies ist erforderlich, um Abgasnormen über EURO 4 zu erreichen.
Weil der Druckaufbau in der PDE (Pumpe-Düse-Einheit) möglichst schlagartig erfolgen soll, ist die dafür benötigte Antriebsenergie nur in dem für die Einspritzung relevanten Bereich aufzubringen. Die damit verbundene hohe dynamische Belastung durch den wechselnden Druckaufbau in den einzelnen PDE benötigt eine entsprechend Dimensionierung der Nockenwelle und deren Antriebskonstruktion. Zum Nockenwellenantrieb ist daher ein breiter Zahnriementrieb oder ein Stirnradtrieb notwendig. Kettentriebe können aufgrund höherer Zugsteifigkeit und geringem Dämpfungsvermögen die hohen Lastspitzen nicht übertragen und reißen.

Zukünftige Entwicklung

Mittlerweile haben die Common-Rail-Systeme bezüglich des Höchstdrucks (mehr als 2000 bar) aufgeschlossen. Die Herstellungskosten eines Pumpe-Düse-Dieselmotors neuester Generation sind etwa 100 Euro höher als bei einem vergleichbaren Dieselmotor mit Common-Rail-Einspritzung.

Literatur

Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage, Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig 2000, ISBN 3-14-221500-X.
Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2001, ISBN 3-8085-2067-1.
Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-23876-3.