Einspritzpumpe

Eine Einspritzpumpe ist eine Dosierpumpe für hohen Druck und ist Bestandteil der Einspritzanlage in Verbrennungsmotoren. Die Einspritzpumpe stellt pro Hub eine definierte Menge Kraftstoff mit dem nötigen Druck (Einspritzdruck) bereit, um Kraftstoff durch das Einspritzventil in den Brennraum oder das Ansaugrohr zu fördern. Sie wird bei Dieselmotoren zum Einspritzen des Dieselkraftstoffs benötigt und seit der Jahrtausendwende mehr und mehr von Common-Rail-Systemen abgelöst. Seit den dreißiger Jahren wurden Einspritzpumpen statt Vergasern auch bei Ottomotoren verwendet.

Auch mit flüssigen Treibstoffen betriebene Gasturbinen und Raketen benötigen definierte Treibstoffmengen mit teilweise hohem Druck. Die dabei eingesetzten Pumpen werden jedoch nicht als Einspritzpumpen bezeichnet.

Anwendungsbereich

Einspritzpumpe Bosch 1938
(DB 6 Zyl. 90 PS bei 1700/min)

Einspritzpumpen sind bei Dieselmotoren weit verbreitet, Dieselmotoren ohne Einspritzpumpe (Motoren mit Lufteinblasung) wurden Anfang des 20. Jahrhunderts obsolet; heute gibt es keine Dieselmotoren ohne Einspritzpumpe mehr, da die Einspritzpumpe für die Hochdruckeinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum benötigt werden. Wegen der hohen Drücke ist die Kompressibilität der Kraftstoffe nicht mehr vernachlässigbar, ebenso die bei Druckbeaufschlagung reversible Längs- und Querdehnungen der metallenen Rohrleitungen, so dass bei der Auslegung der Dieseleinspritzanlage zwingend die Schwingungen der Kraftstoffsäulen in den Einspritzleitungen zu berücksichtigen sind. Aus diesem Grunde werden die Einspritzleitungen der Einfachheit halber für jeden Zylinder in gleicher Länge ausgeführt.

Seit dem Anfang der 1950er Jahre waren Einspritzanlagen auch für Pkw-Ottomotoren im Gebrauch. Die ersten Serienwagen mit mechanischer Benzindirekteinspritzung waren der Gutbrod Superior und der GP 700 E, die beide 1951 mit Zweitaktmotoren auf den Markt kamen. Kurze Zeit später erschienen – mit Viertaktmotoren – der Mercedes-Benz 300 SL („Flügeltürer“, 1954) und im Jahr darauf das 300er Coupé/Cabriolet (W 188). Gegen Ende der 1950er Jahre kamen Motoren mit Saugrohreinspritzung auf, da die Direkteinspritzung Probleme durch Ölverdünnung verursachte und die aufwändige Einspritzpumpe sehr teuer herzustellen war. Seit den 1970er Jahren setzte sich elektronisch gesteuerte Saugrohreinspritzung mit elektrisch angetriebener Förderpumpe durch, bei der der Treibstoff über veränderlichen Einspritzdruck oder veränderliche Einspritzdauer zugemessen wird.

Funktion

Die Aufgabe der Einspritzpumpe ist es, Kraftstoff genau zu dosieren, zum richtigen Zeitpunkt und über den richtigen Zeitraum einzuspritzen. Zusätzlich soll die Steuerung der Einspritzpumpe die Kraftstoffförderung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und Betriebstemperatur anpassen.

Damit hat die Einspritzpumpe als Einheit mehrere Aufgaben. Sie dient zum einen dem reinen Kraftstofftransport aus dem Kraftstofftank zum Motor. Dazu verfügt diese über eine Kraftstoffpumpe, welche üblicherweise drehzahlsynchron zum Verbrennungsmotor läuft. Bei Kraftstoffpumpen ohne Mengenregulierung folgt somit die geförderte Kraftstoffmenge der Motordrehzahl. Da die geförderte Menge höher als der eigentliche Bedarf ist, wird der Überschuss über eine separate Rücklaufleitung in den Kraftstofftank zurückgeleitet. Damit kann auch eine übermäßige, lokale Erwärmung in Teilen der Einspritzpumpe als Folge der unvermeidlichen Reibung vermindert werden. Zusätzlich wird der Kraftstofffilter sowie der Tank durch den Rücklauf erwärmt.

Weiterhin verfügt die Pumpe über mindestens eine weitere, gesteuerte Hochdruckpumpe, die sowohl den Zeitpunkt als auch die Menge der eigentlichen Treibstoffeinspritzung bestimmt.

Bei den o. a. Verfahren werden verschiedene Pumpensysteme zum Aufbau der Einspritzdrücke verwendet:

• Einzel-Einspritzpumpe
• Verteiler-Einspritzpumpe oder
• Reihen-Einspritzpumpe

Zur Drehzahlsteuerung kann beispielsweise ein mechanischer Fliehkraftregler dienen.

Grundsätzliches zum Aufbau

Einspritzpumpen sind diskontinuierlich fördernde Kolbenmaschinen. Der Druckaufbau geschieht über eine Kolben-Linearbewegung. Die Energie für den Druckvorgang wird rotatorisch, von einer motorisch angetriebenen, im Übersetzungsverhältnis fest an die Kurbelwelle gekoppelten Nockenwelle, entnommen und auf den oder die Kolben übertragen. Die Umsetzung der Rotation auf die Translation des Kolbens geschieht nicht über einen Kurbeltrieb (mittels Pleuel und Kolbenbolzen) geführt für Hin- und Rückbewegung, sondern über eine direkte Druckerzeugung unter Reibung. Somit ähnelt die Kinematik insbesondere von Reiheneinspritzpumpen dem Ventiltrieb per Nockenwelle und Tassenstößel auf die Einlass- und Auslassventile eines Hubkolbenmotors.

Bauformen der Einspritzpumpen für Dieselmotoren

Bei den folgenden Bauformen spielt der Kolben als Pump- und Dosierelement eine zentrale Rolle. Der verwendete Pumpentyp wird auch von der Motorbauform beeinflusst, so können für NKW und Industriemotoren mit einzeln gebauten Zylindern die Pumpen ebenfalls einzeln ausgeführt werden (Einzelstempelpumpe, Pumpe-Düse), um die Wartung und Reparatur zu erleichtern oder um den Motor im Notfall mit weniger Zylindern zu betreiben (z. B. auf hoher See).

Reiheneinspritzpumpe

Reiheneinspritzpumpe für einen Zwölfzylinder-Dieselmotor

Bei einer Reiheneinspritzpumpe werden die einzelnen, den jeweiligen Zylindern zugeordneten Pumpenelemente in einem Gehäuse zusammengefasst oder sind als modulare Einzelpumpen nebeneinander auf einer Antriebswelle angeordnet. Die Reiheneinspritzpumpe hat Regelungen für die Drehzahl, die Einspritzmenge und den Einspritzzeitpunkt (Spritzversteller). Die einzelnen Pumpenelemente sind als Hubkolbenpumpen gebaut und in Bohrung und Hub (bauart- und betriebsbedingt) nicht änderbar. Um eine variable Dosierung zu erreichen, sind die Kolben um ihre Symmetrieachse drehbar ausgeführt. Sie können über eine Zahnstange im laufenden Betrieb simultan gedreht werden. Der Zylindermantel des Pumpenkolbens ist mit ein oder zwei schraubenlininenförmigen Einfräsungen versehen, die – je nach Drehungstellung des Kolbens früher bzw. später – die Zulaufbohrung in der Pumpenzylinderwand überfährt und verschließt. Der Verschluss der Zulaufbohrung ist der Förderbeginn des Pumpenelements. Überfährt die untere Steuerkante die Zulaufbohrung, ist die Einspritzung beendet. Eine Abwandlung der Reiheneinspritzpumpe ist die Radialkolbenpumpe. Die Reiheneinspritzpumpe benötigt externe Schmierung, entweder durch Anbindung an den Motorölkreislauf oder einen eigenen Ölsumpf. Reiheneinspritzpumpen gelten durch die Trennung von Schmierung und gefördertem Treibstoff gegenüber Verteilereinspritzpumpen als robuster in Bezug auf Verschleiß, aber auch bezüglich verwendeter Treibstoffe mit schlechteren Schmiereigenschaften wie Kerosin oder Benzin in Vielstoffmotoren. Dieseleinspritzsysteme mit Reiheneinspritzpumpen sind in modernen Dieselmotoren weitgehend durch Common-Rail-, Pumpe-Leitung-Düse- oder Pumpe-Düse-Systeme abgelöst worden.

Verteilereinspritzpumpe

Über Seilzug gestellter Mengensteller einer Axialkolben-Verteilereinspritzpumpe mit Rohrleitungen zu den Injektoren

Verteiler-Einspritzpumpe mit elektromagnetischem Mengensteller

Die Verteilereinspritzpumpe wird über eine Welle vom Motor angetrieben und mit ihr auch die im Pumpengehäuse verbaute Vorförderpumpe, meist eine Flügelzellenpumpe. Diese saugt den Kraftstoff aus dem Kraftstofftank an und fördert ihn in den Pumpeninnenraum. Der Kraftstoffdruck im Inneren der Einspritzpumpe wird von einem Druckregelventil reguliert. Danach folgt der Hochdruckteil der Pumpe, der den Einspritzdruck erzeugt.

Hierbei existiert nur ein Pumpenelement, das durch einen nachgeschalteten Verteiler die einzelnen Zylinder versorgt. Die Zahl der Hübe des Pumpenelementes errechnet sich aus der halben Motordrehzahl, multipliziert mit der Zylinderzahl (bei einem Viertaktmotor). Auch hierbei werden die Einspritzmenge und der Einspritzzeitpunkt geregelt, Regelgrößen sind Last und Drehzahl. Eine Verteilereinspritzpumpe ist gegenüber der Reiheneinspritzpumpe wesentlich preiswerter in der Fertigung, die Außenmaße sind kompakter.

Sie benötigt keine Schmierölversorgung durch das Motoröl. Die beweglichen Teile der Verteilereinspritzpumpe sind durch den Kraftstoff geschmiert, weshalb dieser schmierende Eigenschaften aufweisen muss. Die Verteilereinspritzpumpe reagiert empfindlicher auf Viskositätsunterschiede von verschiedenen Kraftstoffen bei verschiedenen Temperaturen, wie z. B. Pflanzenöl und Dieselkraftstoff oder auch Biodiesel (Sommer und Winter). Der Pumpenkolben ist aufgrund der erheblich höheren Hubzahl mechanisch höher belastet als die Pumpenelemente in der Reiheneinspritzpumpe. Im Falle eines Defektes am Verteilerpumpenkolben ist der Dieselmotor außer Betrieb, während bei Reiheneinspritzpumpen eine Weiterfahrt mit einem einzelnen defekten Pumpenelement auf den restlichen Zylindern unter Umständen noch möglich ist.

Verteilereinspritzpumpen können als Axial- oder Radialkolbenpumpen ausgeführt sein. Letztere können Maximaldrücke von bis zu 1950 bar erzeugen. In der Regel erzeugt sie einen Förderdruck von 3 bis 8 bar, der auf max. 12 bar begrenzt ist. Eine elektronische Dieselregelung EDC ist möglich, was einerseits eine höhere Genauigkeit der Regelungen ermöglicht, andererseits ein Betreiben des Motors ohne Stromversorgung unmöglich macht. Die letzten Verteilerpumpen besaßen integrierte Pumpensteuergeräte, die teilweise die Funktionen einer EDC enthielten.

Die Antriebswelle hat Nockenwellendrehzahl und setzt bei der Axialkolbenpumpe die Hubscheibe und den Verteilerkolben in Drehbewegung. Die Hubscheibe ist mit Nocken versehen, die über die Rollen des Rollenringes gleiten. Der mit der Hubscheibe verbundene Verteilerkolben führt dadurch eine Dreh-Hub-Bewegung aus. Sobald der Zulaufkanal zum Hochdruckraum verschlossen ist, wird der Kraftstoff durch die Hubbewegung verdichtet. Durch die weitere Drehung des Kolbens wird eine Auslassbohrung zu einer Einspritzdüse geöffnet und der Kraftstoff wird durch ein Druckventil zur Düse gedrückt und es kommt zur Einspritzung in den Brennraum.

Bei der Radialkolbenpumpe wird der Druck nicht mehr durch eine Hub-Bewegung des Verteilerkolbens erzeugt, sondern durch radiale Pumpenelemente, die durch die Drehbewegung des Verteilerkolbens betätigt werden. Diese Bauart ist aufwändiger als eine Axialkolbenpumpe, ermöglicht aber höhere Einspritzdrücke.

Seit Anfang der 2000er Jahre sind im Pkw-Bau die Dieseleinspritzungen mit Verteilereinspritzpumpen weitgehend von Common-Rail-Systemen abgelöst worden.

Einzelstempelpumpe

Diese entspricht der Reiheneinspritzpumpe, jeder Zylinder wird von einer eigenen Pumpe angesteuert; der Antrieb erfolgt durch die Nockenwelle.

Speziell bei Lkw-Dieselmotoren mit untenliegender Nockenwelle werden solche Pumpen auch als Steckpumpen bezeichnet. Eingesetzt werden diese z. B. bei Mercedes-Benz-Motoren der Baureihe 900 bzw. 500. Mit der Steckpumpe werden Drücke von bis zu 1850 bar und Doppeleinspritzung erreicht.

Pumpe-Düse

Eine Pumpe-Düse-Einheit für Pkw

Beim Pumpe-Düse-System wird die Einzelstempelpumpe mit der Einspritzdüse vereinigt. Dies verringert störende Einflüsse der Kraftstoffdruckleitungen auf das System. Die Regelung des Pumpenelements erfolgte früher mechanisch, heutzutage wird die Einspritzdauer durch ein Piezo- oder Magnetventil gesteuert. Diese Ventile verbinden in geöffnetem Zustand Druckkanal und Rücklauf. Dadurch bricht der Druck zusammen, und die Einspritzdüse schließt sich. Der Einspritzdruck ist jedoch stark von der Drehzahl der antreibenden Nockenwellen abhängig und nicht regelbar.

Hochdruckpumpe für Common Rail

Common-Rail-Hochdruckpumpe

Auch die Hochdruckpumpe, die bei Common-Rail-Systemen den Diesel-Hochdruck erzeugt, kann als Einspritzpumpe bezeichnet werden. Die Common-Rail-Pumpe ist jedoch nur bezüglich des Drucks geregelt, aber nicht für Mengen- und Zeitpunktregelungen der Zylindereinspritzung wie bei anderen Einspritzpumpensystemen; diese Regelungsfunktionen werden außerhalb der Pumpe in einer elektronischen Steuerung und mittels der von dieser gesteuerten Einspritzventile ausgeführt. Zur Sicherstellung des zu erbringenden Druckes und des benötigten Volumenstroms werden verschiedene Verfahren verwendet. So wird entweder eine Druckregelung, eine Regelung über das zugeführte oder verdichtete Kraftstoffvolumen oder eine Kombination aus diesen Varianten eingesetzt. Da Common-Rail-Pumpen mit Drücken bis zu 3.000 bar arbeiten, sind die mechanischen Kräfte im Inneren der Pumpen hoch. Dazu kommen immer höher werdende Kraftstofftemperaturen, die die Schmierfähigkeit des Dieseltreibstoffs senken. Da hauptsächlich aus Kostengründen die Pumpen durch den Dieselkraftstoff selbst geschmiert werden, sind die Lager und Gleitflächen wegen der begrenzten Schmierwirkung tribologisch stark belastet und es kann nur durch erheblichen Aufwand ein Fressen vermieden werden. Aus diesem Grund mischt auch eine unbekannte Anzahl von Diesel-Fahrern dem Diesel als "Schmierreserve" bestimmte vollständig und rußfrei verbrennende Zweitaktöle im Verhältnis 1:200 bei, was allerdings das Abgasverhalten und die Funktion der Komponenten im Abgasstrang erheblich beeinflussen kann.

Literatur

• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6
• Hans Jörg Leyhausen: Die Meisterprüfung im Kfz-Handwerk Teil 1. 12 Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1991, ISBN 3-8023-0857-3
• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001, ISBN 3-8085-2067-1
• Klaus D Linsmeier, Achim Greis: Elektromagnetische Aktoren. Physikalische Grundlagen, Bauarten, Anwendungen. In: Die Bibliothek der Technik, Band 197. Verlag Moderne Industrie, ISBN 3-478-93224-6
• Erklärung und Quelle zur Common Rail Hochdruck-Pumpe