Wie Kraftstoffeinspritzsysteme moderne Motoren antreiben

Wissen Sie, wie Kraftstoff in die Brennkammer von Automobilmotoren gelangt? Sicher denken Sie nicht an den Vergaser, sondern an den Kraftstoffeinspritzventil. Diese sind mittlerweile Standard, besonders bei Verbrennungsmotoren. Ein effektives Verfahren ist das Kraftstoffeinspritzsystem.

Kraftstoffeinspritzung ist die Einbringung von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren, meist Ottomotoren, mittels Einspritzventil. Dieser Prozess wurde eingeführt, um Emissions- und Kraftstoffeffizienzgesetze einzuhalten. Im Laufe der Jahre erkannten Automobilhersteller die großen Vorteile von Einspritzventilen, was den Niedergang der Vergaser einläutete.

Ab 1980 wurde die Kraftstoffeinspritzung zur Alternative zu Vergasern bei Ottomotoren. Der Unterschied: Die Einspritzung zerstäubt den Kraftstoff durch eine kleine Düse unter hohem Druck, während Vergaser den Kraftstoff durch einen Venturirohr in den Luftstrom ziehen.

Forschungen zeigen, dass alle Dieselmotoren von Haus aus eine Kraftstoffeinspritzung verwenden. Ottomotoren können eine Direkteinspritzung nutzen, bei der Kraftstoff direkt in den Brennraum gelangt. Auch eine Saugrohreinspritzung ist möglich, bei der Kraftstoff vor dem Ansaughub mit Luft gemischt wird.

Heute betrachten wir Definition, Funktionen, Bauteile, Typen, Funktionsprinzip, Probleme sowie Vor- und Nachteile des Kraftstoffeinspritzsystems in Automobilmotoren.

Weiterlesen: Alles über den Automobilkolben

Was ist ein Kraftstoffeinspritzventil?

Kraftstoffeinspritzventile sind kleine, elektronisch gesteuerte Düsen, die Kraftstoff unter hohem Druck in die Brennkammer des Motors zerstäuben. Sie enthalten Ventile, die sich pro Sekunde vielfach öffnen und schließen können.

Vor der Existenz von Einspritzventilen wurden Vergaser stark in Motoren eingesetzt, und bis heute existieren solche Motoren noch. Tatsächlich nutzen viele andere Maschinen wie Rasenmäher und Kettensägen immer noch Vergaser. Doch da die Komponente bei der Steuerung aller Anforderungen im Automobil zu komplex wurde, wurde eine bessere Alternative eingeführt.

Vergaser wurden zunächst durch Drosselklappeneinspritzung ersetzt. Dieses System wird auch als Einpunkt- oder Zentraleinspritzung bezeichnet. Es verfügt über elektrisch gesteuerte Einspritzventile im Drosselklappengehäuse.

Dies war fast die beste Alternative, da Automobilhersteller keine drastischen Änderungen am Motordesign vornehmen mussten.

Schrittweise ersetzte die Mehrpunketeinspritzung die Drosselklappeneinspritzung, als neue Motoren entwickelt wurden. Diese Mehrpunketeinspritzung wird auch als Saugrohr-, Mehrpunkt- oder Sequenzielleinspritzung bezeichnet.

Das System enthält ein Einspritzventil für jeden Zylinder, das direkt auf das Einlassventil spritzt. Es bietet präzisere Kraftstoffdosierung und schnelleres Ansprechen.

Funktionen des Kraftstoffeinspritzventils

Im Folgenden die Funktionen von Kraftstoffeinspritzventilen in einem Verbrennungsmotor:

• Der Hauptzweck des Einspritzsystems in Dieselmotoren ist, dass deren Bauweise stark von der Komponente beeinflusst wird,
• Einspritzventile helfen, Kraftstoff in die Zylinder zu liefern.
• Sie verbessern den Motor in Bezug auf Leistung, Emissionen und Geräuschverhalten.
• Kraftstoff wird unter extrem hohen Einspritzdrücken zugeführt.
• Die Materialien sind so ausgelegt, dass sie höheren Belastungen standhalten und die Haltbarkeit dem Motorbetrieb entspricht.
• Ein weiterer Zweck ist die Einspritzung zum richtigen Zeitpunkt. Die Einspritzzeitpunkt wird gesteuert.
• Die korrekte Kraftstoffmenge muss geliefert werden, um die Leistungsanforderung des Motors zu erfüllen. Deshalb wird die Einspritzmenge geregelt.
• Einspritzventile werden mit hoher Fertigungspräzision und Toleranz gefertigt, um ihre Arbeitseffizienz zu gewährleisten und Leckagen zu vermeiden.
• Das Einspritzventil zerstäubt den Kraftstoff in sehr kleine Partikel, sodass jeder winzige Tropfen verdampft und den Verbrennungsprozess durchläuft.
• Es steht ausreichend Sauerstoff zur Vermischung mit dem zerstäubten Kraftstoff zur Verfügung, was eine vollständige Verbrennung sicherstellt.

Weiterlesen: Motorschmierungssystem verstehen

Hauptbauteile des Kraftstoffeinspritzsystems

Im Folgenden die wichtigsten funktionsrelevanten Bauteile, die das Funktionieren der Kraftstoffeinspritzung in Automobilmotoren ermöglichen, sowie die Namen der Komponenten in einem Einspritzventil:

Die Hauptbauteile teilen sich in Niederdruck- und Hochdruckseite auf. Zur Niederdruckseite gehören Kraftstofftank, Kraftstofffilter und Kraftstoffförderpumpe. Zur Hochdruckseite zählen Hochdruckpumpe, Kraftstoffeinspritzventil, Speicher und Einspritzdüse. Die Einspritzdüse hat unterschiedliche Betätigungsdesigns für verschiedene Einspritzsysteme.

Da Kraftstoff vom Tank zum Einspritzsystem gefördert werden muss, übernimmt dies das Niederdrucksystem. Vom Einspritzventil zur Brennkammer wirkt das Hochdrucksystem. Nachfolgend die Rolle der genannten Teile:

• Kraftstofftank – Hier wird der Kraftstoff gespeichert.
• Kraftstoffpumpe – Sie fördert Kraftstoff vom Tank zum Einspritzsystem.
• Einspritzpumpe – Dieses Bauteil dosiert und presst den Kraftstoff für die Einspritzung.
• Regler – Liefert Kraftstoff entsprechend der Last.
• Kraftstoffeinspritzventil – Führt Kraftstoff von der Einspritzpumpe zu den Zylindern.
• Kraftstofffilter – Filtert Schmutz, Staub und abrasive Partikel, die das Einspritzsystem verstopfen könnten.

Das Bild unten zeigt die Hauptbauteile eines Kraftstoffeinspritzventils:

Das Kraftstoffeinspritzsystem arbeitet vollkommen präzise, um für jede Betriebsbedingung die korrekte Kraftstoffmenge bereitzustellen. Das Motorsteuergerät (ECU) überwacht die meisten Eingangsensoren. Nachfolgend einige Teile, die Sensoren für präzises Arbeiten nutzen:

• Lambdasonde – Misst den Sauerstoffgehalt im Abgas, sodass das ECU bestimmen kann, ob das Gemisch fett oder mager ist. Es passt entsprechend an.
• Drosselklappenpositionssensor – Überwacht die Drosselklappenposition, um zu wissen, wie viel Luft in den Motor strömt. Das ECU reagiert schnell auf Änderungen und erhöht oder verringert die Kraftstoffrate nach Bedarf.
• Luftmassenmesser – Informiert das ECU über die in den Motor eintretende Luftmenge.
• Kühlmitteltemperatursensor – Bestimmt, wann der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat, und meldet dies dem ECU.
• Saugrohrdrucksensor – Misst den Luftdruck im Ansaugrohr.
• Motordrehzahlsensor – Überwacht die Motordrehzahl, weshalb er zur Berechnung der Impulsbreite verwendet wird.
• Spannungssensor – Ermittelt die Bordnetzspannung, um zu wissen, wann das ECU die Leerlaufdrehzahl erhöht. Dies kann bei Spannungsabfall der Fall sein, was auf hohe elektrische Last hinweist.

Weiterlesen: Konventionelle und unkonventionelle Arten von Fahrgestellen

Arten von Kraftstoffeinspritzsystemen

Im Folgenden die gängigen Arten von Kraftstoffeinspritzsystemen in älteren und modernen Fahrzeugen:

Einpunkt- oder Drosselklappeneinspritzung:

Die Einpunkteinpritzung ist das früheste und einfachste System, das Vergaser ersetzte. Es verfügt über ein oder zwei Einspritzdüsen im Drosselklappengehäuse, dem Hals des Ansaugrohrs.

Dieses System ist nicht so präzise wie die nachfolgenden, bietet aber im Vergleich zum Vergaser bessere Steuerung, ist günstiger und einfacher zu warten.

Saugrohr- oder Mehrpunketeinspritzung:

Bei der Mehrpunketeinspritzung verfügt jeder Zylinder über ein separates Einspritzventil an seinem Einlasskanal. Daher wird das System manchmal als Saugrohreinspritzung bezeichnet, da der Kraftstoffdampf nahe am Einlassplatz versprüht wird und vollständig in den Zylinder gezogen wird.

Ein Vorteil ist die präzisere Kraftstoffdosierung im Vergleich zur Einpunkteinpritzung. Es eignet sich ideal für das erforderliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis und verhindert praktisch, dass Kraftstoff im Ansaugrohr kondensiert oder sich sammelt.

Sequenzielle Einspritzung:

Dieser Typ wird auch als sequenzielle Saugrohreinspritzung oder zeitgesteuerte Einspritzung bezeichnet. Es handelt sich um eine Mehrpunketeinspritzung, bei der selbst bei grundlegender Mehrpunketeinspritzung mehrere Ventile verwendet werden. Diese spritzen entweder gleichzeitig oder nacheinander, sodass der Kraftstoff beim Leerlauf bis zu 150 Millisekunden im System verbleiben kann.

Der Vorteil der sequenziellen Einspritzung ist das schnellere Ansprechen bei plötzlichen Laständerungen, da das Ventil nur auf das nächste Öffnen des Einlassventils warten muss, statt auf eine komplette Motorumdrehung.

Direkteinspritzung:

Die Direkteinspritzung ist bei Dieselmotoren üblich, gewinnt aber auch bei Ottomotoren an Bedeutung. Sie wird manchmal als GDI (Gasoline Direct Injection) bezeichnet. Dabei wird Kraftstoff direkt in den Brennraum, vorbei an den Ventilen, eingespritzt.

Die Kraftstoffdosierung ist präziser als bei anderen Einspritzarten. Die Direkteinspritzung gibt Ingenieuren eine weitere Variable, um die Verbrennung in den Zylindern präzise zu beeinflussen. Die Motorentwicklung untersucht, wie sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylindern verwirbelt und wie sich die Explosion vom Zündpunkt ausbreitet.

Die Direkteinspritzung im Ottomotor ermöglicht die Beeinflussung von Zylinder- und Kolbenform, Einlass- und Zündkerzenposition, Zündzeitpunkt, -dauer und -intensität sowie Anzahl der Zündkerzen pro Zylinder. All dies beeinflusst, wie vollständig und gleichmäßig der Kraftstoff im Ottomotor verbrennt.

Funktionsprinzip

Die Funktionsweise eines Kraftstoffeinspritzsystems ist recht interessant und leicht verständlich. Die Hauptarbeit erfolgt vom Einspritzventil zur Brennkammer, nachdem Kraftstoff vom Tank dorthin gefördert wurde.

Wie bereits erwähnt, ist das Einspritzventil ein elektronisch gesteuertes mechanisches Bauteil, das für das Kraftstoffspritzen verantwortlich ist. Das Ventil wird energisiert, ein Elektromagnet bewegt einen Kolben, der das Ventil öffnet. Dies lässt den unter Druck stehenden Kraftstoff durch eine winzige Düse spritzen. Die Düse ist so gestaltet, dass sie den Kraftstoff zerstäubt, was dessen leichte Entzündung bewirkt.

Die Zeit, während der das Einspritzventil offen bleibt, bestimmt die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge. Dies wird als "Impulsbreite" bezeichnet und vom ECU gesteuert. Einspritzsysteme sind direkt am Ansaugrohr montiert, sodass Kraftstoff direkt auf das Einlassventil gespritzt werden kann.

In einem konventionellen Einspritzventil hält eine Feder die Nadelventil in geschlossener Position. Es hält dies so lange, bis der Hochdruckleitungsdruck einen bestimmten Wert erreicht. Ein als "Kraftstoffverteiler" bezeichnetes Rohr versorgt die Einspritzventile mit unter Druck stehendem Kraftstoff.

Die richtige Kraftstoffmenge wird an die benötigten Stellen geliefert. Verschiedene Motorteile sind mit Sensoren ausgestattet, die dem ECU Informationen über die Kraftstoffmenge liefern und bei Bedarf Anpassungen vornehmen. Die verschiedenen Sensoren wurden im oberen Teil dieses Artikels aufgelistet und erklärt.

Sehen Sie sich das Video unten an, um das Funktionsprinzip des Kraftstoffeinspritzsystems besser zu verstehen:

Weiterlesen: Was Sie über turbogeladene Motoren wissen müssen

Symptome defekter Kraftstoffeinspritzventile und wie man sie verhindert

Ausfälle an Kraftstoffeinspritzventilen treten nach Überlastung auf und können bei mangelnder Wartung ernsthafte Fehler entwickeln oder verstopfen. Nachfolgend die Symptome defekter Einspritzventile und wie man Ausfälle verhindert:

• Unruhiger Motorlauf
• Startschwierigkeiten
• Kraftstoffgeruch
• Ölverdünnung
• Fehlgeschlagene Abgasuntersuchung
• Motor erreicht nicht die volle Drehzahl
• Schlechte Fahrzeugleistung
• Katatrophaler Motorschaden
• Rauchentwicklung
• Erhöhter Kraftstoffverbrauch
• Umweltverschmutzung

Probleme treten oft auf, wenn Schmutz, Kohlenstoffpartikel, Öl oder Rückstände die Einspritzventile verstopfen. Probleme entstehen, wenn der Filterkorb Ablagerungen sammelt, die den Kraftstoffdurchfluss verhindern.

Die richtige Vorbeugung gegen Ausfälle ist regelmäßige Wartung. Die Fahrzeugteile müssen in regelmäßigen Abständen inspiziert werden. Auch wenn Einspritzventile große Toleranzen haben, sollten die Komponenten überprüft werden.

Für zuverlässigere Ergebnisse helfen: Zugabe von wasserbindendem Ethanol oder Additiven, Sichtkontrolle, Ultraschallreinigung sowie tatsächliche Durchfluss- und Sprühmusterprüfung auf Volumen und Sprühbild.

Vor- und Nachteile des Kraftstoffeinspritzsystems

Vorteile:

Im Folgenden die Vorteile des Kraftstoffeinspritzsystems:

• Präzises Kraftstoff-Luft-Gemisch gewährleistet maximale Kraftstoffeffizienz und Leistungsentfaltung.
• Der Verbrennungsprozess ist in einspritzbasierten Motoren deutlich effizienter.
• Einspritzmotoren sind sparsamer und maximieren bzw. minimieren das Emissionsniveau.
• Kaltstartprobleme entfallen bei Einspritzmotoren, manuelles Choken ist nicht nötig.
• Auch bei modernen Leistungsmotorrädern im Einsatz.
• Das System balanciert das Luft-Kraftstoff-Gemisch automatisch unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen.
• Motorvibrationen werden reduziert und Zündkerzenverrußung minimiert.

Weiterlesen: Zweitaktmotor: Alles, was Sie wissen müssen

Nachteile

Trotz aller Vorteile des Einspritzsystems treten dennoch Einschränkungen auf. Nachteile des Systems:

• Es ist ein komplexes, elektronisch gesteuertes Gerät, das mit wenigen elektronischen Sensoren arbeitet.
• Wartung und Reparatur sind stark eingeschränkt. Nicht jede Werkstatt kann daran arbeiten.
• Kraftstoffeinspritzsysteme sind recht teuer.
• Hochwertige Materialien und Kraftstoff werden dringend empfohlen.
• Es gibt keine Lösung für kostengünstige, niedrigkapazitive Anwendungen.

Zusammenfassend hat das Kraftstoffeinspritzsystem den Vergaser in Automobilmotoren vollständig abgelöst. Wir diskutierten seine Funktionen, darunter die Hochdruck-Kraftstoffzufuhr in den Zylinder. Es gibt verschiedene Typen wie Drosselklappen- und Mehrpunketeinspritzung, wir offenbarten die Komponenten der Niederdruck- und Hochdruckseite, die Funktionsweise, Symptome sowie Vor- und Nachteile.

Das war es für diesen Artikel. Ich hoffe, Sie genossen die Lektüre. Falls ja, kommentieren, teilen und empfehlen Sie diese Seite gerne anderen technischen Studenten. Danke!