In modernen Common-Rail-Dieselmotoren befördern Einspritzdüsen den Kraftstoff mit bis zu 3.000 bar Druck in den Zylinder und müssen dennoch ein Lkw-Leben lang halten.
Der Schlund öffnet sich. Mit Tausenden von Bar Druck schießt Diesel in den Zylinder und zerstäubt zu mikroskopisch kleinen Tröpfchen. Der Kolben rast nach oben, verdichtet das Gemisch aus flammennährendem Sauerstoff und Dieselnebel. Ein Inferno bricht los und schleudert den Kolben zurück. So oder so ähnlich trägt es sich in Dieselmotoren weltweit Hunderte Male pro Minute zu. Der Schlund hingegen ist eher ein Schlündchen, beinahe schon ein Nadelöhr. Nur noch einen Millimeter misst die Öffnung, die der Ventilbolzen freigibt, beispielsweise in der neuesten Ausbaustufe der Delphi-Injektoren, Baureihe DFI21.
Foto: Delphi Technologies
Gehäuse und Bolzen halten hohem Druck stand
Der Injektor ist in der Regel mit der sogenannten Common Rail verbunden. In dieser Leitung steht der Diesel bereits unter enormem Druck. Die Einspritzdüse selbst besteht im Prinzip nur aus zwei Teilen: Gehäuse und Bolzen. Um möglichst präzise und vor allem schnell genug zu arbeiten, öffnet und schließt bei modernen Motoren ein Servosystem die Düse. Beide Teile bestehen aus hochwertigen Stählen, um möglichst lange zu halten und gleichzeitig hohem Druck standzuhalten. Delphi Technologies gibt an, dass seine neueste Generation, die voraussichtlich 2021 in die Großserienproduktion startet, mit maximal 3.000 bar arbeitet. Gleichzeitig gehe man von einer Lebensdauer des einzelnen Injektors von 1,6 Millionen Kilometern aus. Sobald sich die Einspritzdüse öffnet, also den Bolzen per Servo anhebt, strömt der Kraftstoff aus der Common Rail durch das Ventil in bis zu neun Einspritzvorgängen pro Takt durch mehrere exakt positionierte Löcher in der Düse in den Zylinder. Selbst die Position der Löcher in Relation zum Gehäuse des Injektors, also zur späteren Einbaulage, muss exakten Vorgaben entsprechen, da vor allem die Zylinderköpfe teilweise nicht plan oder symmetrisch sind, sondern auf die richtige Verbrennung hin optimiert ausgeformt sind.
Durch den hohen Druck wird der Diesel nach Austritt aus den Düsenlöchern sofort zerstäubt, bietet also eine möglichst große Oberfläche und ist so leicht entzündlich. Die Schlagzahl von neun Einspritzungen könne man dadurch realisieren, so Delphi, dass der dünnere Bolzen so wenig Masse mitbringe. Grundsätzlich ist für den Motor eigentlich nur wichtig, dass ein zündfähiges Gemisch aus Kraftstoff und Sauerstoff entsteht. Eine Einspritzung genügt also theoretisch. Mit der Vielzahl an Einspritzungen pro Takt lässt sich jedoch die Motorcharakteristik positiv beeinflussen. So rechnet Delphi vor, dass bereits bei vier Einspritzungen die Geräuschemissionen um drei Dezibel sinken können, da der Druck im Zylinder weniger schnell ansteigt. Mit der vierten Einspritzung nimmt auch der Rußanteil stark ab, genauso wie der explizite Kraftstoffverbrauch. Auf diese Weise hat der Motor schon dank der Einspritzung einen großen Teil der Abgasnachbehandlung erledigt. Diese kann sich dann tatsächlich vor allem auf die Reduktion von Stickoxiden konzentrieren, die auch bei vier Injektionen gleich bleiben. Mehrere Nacheinspritzungen sollen Ablagerungen verhindern.
Integrierter Chip kommuniziert direkt mit Motorsteuergerät
Delphi hat den DFI21 im Vergleich zu älteren Modellen noch einmal signifikant verkleinert. Dennoch lasse er sich mit den herstellerseitig vorgesehenen Anschlüssen verbinden, kann er also entweder nur ein Einspritzventil mit dem jeweils spezifischen Kopfdesign werden oder auch mit einer eigenen Hochdruckpumpe ausgerüstet werden. Die Toleranzen, die für ein so kompaktes Bauteil nötig sind, sind laut Delphi auf einem genaueren Niveau, als es für die Luftfahrt nötig wäre, und liegen bei weniger als einem Mikrometer, also dem millionsten Teil eines Meters. Die bisherigen Fertigungstechnologien waren für diesen Maßstab nicht ausreichend, sagt James Kewley, Engineering Director bei Delphi Technologies. Für den DFI21-Injektor nutzt der Hersteller einen Abtragungsprozess unter Zuhilfenahme von kubisch kristallinem Bornitrit. Dieses ist zwar nicht ganz so hart wie Diamant, hält aber deutlich mehr Hitze aus als der kristalline Kohlenstoff. "Unsere Herausforderung war es, mit unseren Produktionsspezialisten daran zu arbeiten, nicht nur eine radikal verkleinerte Technologie mit Weltklasse-Performance zu entwickeln, sondern auch einen robusten Prozess auf den Weg zu bringen, der es uns erlaubt, diese Technologie zu einem in der Automobilindustrie akzeptablen Preis anzubieten.
"Fällt ein Injektor aus, ist es wichtig, die Wartung möglichst einfach zu gestalten. Bisher müssen die Einspritzdüsen nach dem Tausch erst wieder einzeln angelernt werden. Bei der neuesten Delphi-Generation übernimmt diese Aufgabe ein integrierter Chip. Er kommuniziert direkt mit dem Motorsteuergerät, das dann jede einzelne Öffnung exakt anpassen und so auch Veränderungen während der Laufzeit des Injektors kompensieren kann. Muss er tatsächlich getauscht werden, bringt das Motorsteuergerät den Nachfolger ebenso leicht und schnell in die Spur.
