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Einspritzdüse

Grafik Einspritzdüse Je nach Motor, in welchen Einspritzdüsen eingesetzt werden, müssen sie entsprechend ausgelegt sein. (Einfach klicken zum Vergrößern)

Allgemeine Beschreibung

Einspritzdüsen sind eine wichtige Komponente in Einspritzanlagen, um deren Funktion zu gewährleisten. Sie bilden die letzte Komponente, die der Kraftstoff passiert, bevor er in den Brennraum oder das Saugrohr eintritt.
Letztlich ist eine Einspritzdüse ein Ventil, das auf der einen Seite den Brennraum gegen die Kraftstoffleitung verschließt und auf der anderen Seite den unter Druck gesetzten Kraftstoff passieren lässt, um ihn seinem Bestimmungszweck zuzuführen.

Wo Einspritzdüsen eingesetzt werden

Einspritzanlagen werden sowohl in Otto- als auch Dieselmotoren eingesetzt, sodass es auch entsprechende Einspritzdüsen für beide Systeme gibt. Da hier die Anforderungen und Betriebsbedingungen verschieden sind, müssen die Einspritzdüsen auch anders ausgelegt sein.

Dieselmotor

Dieselmotoren sind von der Grundkonstruktion her auf eine Kraftstoffbeigabe unter hohem Druck angewiesen, weshalb die Einspritzdüse hier weitaus eher zum Einsatz kam. Diese Düsen waren rein mechanischer Bauart, was eine genau abgestimmte und eingestellte Hochdruckpumpe zur Bedingung hatte. Bei diesen Systemen wurde die Ventilfunktion durch den Druck im Kraftstoffsystem gesteuert. Heutige Anlagen halten einen wesentlich höheren Druck zurück als das System zur Verfügung stellt. Sie werden über einen elektrischen Anschluss gesteuert.

Ottomotor

Bild mehrere Einspritzdüse Einspritzdüsen sind eine wichtige Komponente in Einspritzanlagen.

Bei Einspritzanlagen für Ottomotoren ist die notwendige Druckbeständigkeit bei weitem nicht so hoch. Zwar soll der Kraftstoff ebenfalls so fein wie möglich zerstäubt werden, und ein höherer Druck wäre hier zuträglich, allerdings muss hier auf die Grenze der unkontrollierten Selbstzündung geachtet werden. Wird Benzin zu stark unter Druck gesetzt, entzündet es sich selbst und schwere Schäden wären die Folge. Daher ist bei Benzin immer auf die Researched-Oktanzahl (ROZ) zu achten. Bei Ottomotoren kommen Einspritzdüsen, die sowohl kontinuierlich als auch intermittierend einspritzen, zum Einsatz. Das hängt von der Gesamtkonstruktion der jeweiligen Einspritzanlage ab.

Eine Einspritzdüse erfüllt also folgende wichtige Aufgaben:

  • Ggf. Ventilfunktion
  • Möglichst feine Zerstäubung des Kraftstoffs
  • Je nach Einbaulage Aushalten des Verbrennungsdrucks und -temperatur

Funktionsbeschreibung einer Einspritzdüse für Dieselmotoren mit Verteiler- oder Reiheneinspritzpumpe

Funktionsprinzip

Das Beispiel zeigt eine Einspritzdüse, wie sie in Einspritzanlagen mit einer Verteiler- oder Reiheneinspritzpumpe verwendet wird. Es handelt sich um ein rein mechanisches Bauteil. Da die Einspritzdüse absolut auf die auf sie einwirkenden Einflüsse und Größen angewiesen ist, also lediglich ein Reaktor ist, müssen die einwirkenden Größen sehr genau eingestellt und festgelegt sein. Denn an dieser Stelle kann nicht mehr auf die Wirkungsweise und das System eingegriffen werden.

Die entscheidende Komponente hierbei ist die Einspritzpumpe. Durch ihre Einstellungen werden Spritzbeginn, Fördermenge und Förderdauer bestimmt.

Kraftstoff gelangt in die Druckkammer

Der Kraftstoff tritt aus der Hochdruckleitung in die Düse am Vorlaufanschluss, hier mit einem gelben Pfeil gekennzeichnet, ein. Über die Vorlaufbohrung, hier mit einem orangenen Pfeil gekennzeichnet, gelangt der Kraftstoff nach ganz unten in die Druckkammer, hier mit einem hellgrünen Pfeil gekennzeichnet. Hier ist die Einspritzdüse allerdings noch geschlossen und erfüllt ihre Ventilfunktion.

Druckausgleich wird hergestellt

Bild Einspritzdüse in Motor Die Einspritzdüse hat die Aufgabe, den Kraftstoff möglichst fein zu zerstäuben.

Medien sind grundsätzlich bestrebt, einen Druckausgleich herzustellen. Daher versucht auch in diesem Fall der Kraftstoff den über dem atmosphärischen Druck liegenden Eigendruck zu senken. Da der Ausgang der Druckkammer noch verschlossen ist und über die Vorlaufbohrung der Druck aufgebaut wurde, bleibt nur der Weg über den Düsenzapfen, hier mit einem lilanen Pfeil gekennzeichnet.

Ventil wird geöffnet

Der Kraftstoff muss gegen die Kraft der Druckfeder, hier rot gekennzeichnet, arbeiten, um den Düsenzapfen anzuheben. Durch das Anheben des Düsenzapfens wird letzten Endes das Ventil geöffnet. Maßgeblich für den Druck, der das Ventil öffnet, sind die Druckfeder und die Einstellscheibe, hier blau gekennzeichnet. Die Druckfeder kann in verschiedenen Härten mit unterschiedlichen Federkonstanten ausgeführt sein. Das bedeutet, dass mehr oder weniger Kraft notwendig ist, um die Feder einen Millimeter zusammenzudrücken. Durch die Dicke der Einstellscheibe, kann die Vorspannung der Druckfeder variiert werden.

Aufnahme des Druckbolzens

Die hellgrün gekennzeichnete Zwischenscheibe dient der Aufnahme des Druckbolzens, hier gelb gekennzeichnet, der einerseits die Hubkraft des Düsenzapfens und andererseits die Federkraft weiterleitet.

Kraftstoff fließt zurück

Ist der Druck und somit der geförderte Kraftstoff durch den Düsenausgang, hier mit einem roten Pfeil gekennzeichnet, in den Brennraum abgeleitet, kann überschüssiger Kraftstoff über die Leckölanschlüsse, hier orange gekennzeichnet, und deren Leitungen zurückfließen.

Spritzbild wird hervorgerufen

Durch die besondere Form der Spitze des Düsenzapfens kann ein festgelegtes, sogenanntes Spritzbild hervorgerufen werden, das für die Verbrennung günstig ist.

Funktionsbeschreibung eines Injektors für Dieselmotoren mit Common-Rail-Einspritzanlage

Vollmechanische Einspritzdüsen

Bild Einspritzdüse Motor Heutzutage gibt es überwiegend vollmechanische Einspritzdüsen.

Bei den neuen Systemen spricht man nicht mehr von Einspritzdüsen, sondern von Injektoren. Diese arbeiten nach einem entscheidend abgeänderten System. Das Öffnen und Schließen geschieht nicht mehr durch den im System herrschenden Druck, sondern erfolgt über eine elektronische Steuerung mit Hilfe eines Steuergeräts.

Der Aufbau erscheint auf den ersten Blick wesentlich einfacher als bei den Systemen mit vollmechanischen Einspritzdüsen. Gespart werden kann die mechanische Konfiguration des Öffnungsdrucks über die Druckfeder und der korrespondierenden Mechanik. Stattdessen wird nun eine elektrische Ansteuerung genutzt.

Das Eingangssignal kommt vom Motorsteuergerät und gelangt vom elektrischen Anschluss des Injektors, hier mit einem braunen Pfeil gekennzeichnet, zu einer Spule, hier mit einem blauen Pfeil gekennzeichnet, die durch den Fluss des elektrischen Stroms ein Magnetfeld aufbaut. Durch dieses Magnetfeld wird der korrespondierende Anker, hier mit einem cyanen Pfeil gekennzeichnet, dazu veranlasst, nach oben zu springen.

Das Versetzen des Ankers bewirkt zweierlei Funktionen:

  • Das Anheben der Düsennadel
  • Das Öffnen des Kugelventils

Düsennadel

Die Düsennadel, hier mit einem schwarzen Pfeil gekennzeichnet, wird mit einer Rückholfeder in der Grundposition gehalten. Das Magnetfeld der Spule muss also stärker sein, als die Kraft der Feder, um die Düsennadel anheben zu können. Wird die Düsennadel angehoben, ist der Weg für den Kraftstoff frei. Er kann vom Zulauf, hier mit einem grünen Pfeil gekennzeichnet, durch die innere Bohrung des Injektors zur Austrittsöffnung fließen.

Kugelventil

Bild Einspritzdüse Motor Der Injektor muss gegenüber einem herkömmlichen Einspritzventil wesentlich mehr Druck aushalten.

Auf der anderen Seite wird ein Kugelventil, hier mit einem orangenen Pfeil gekennzeichnet, freigegeben. Vor dem Kugelventil befindet sich eine Drossel, hier mit einem gelben Pfeil gekennzeichnet, und bildet einen Abzweig von inneren Bohrungen, die bei Öffnung des Injektors vom Kraftstoff durchflossen wird. Die Drossel lässt nur eine konstruktiv festgelegte Menge, im Verhältnis zur eigentlichen Austrittsöffnung, an Kraftstoff passieren. Hier wird überschüssiger Kraftstoff wieder dem Tank zugeführt. Darüber hinaus wird über diesen Weg das System gekühlt und geschmiert.

Der Injektor muss allerdings gegenüber einem herkömmlichen Einspritzventil wesentlich höhere Drücke aushalten. So werden in heutigen Einspritzanlagen von bis 2500bar aufgebaut, die vollkommen und unbedingt von den Injektoren gehalten werden müssen. Nur das gewünschte Öffnen über die Elektronik ist hierbei zulässig.

Funktionsbeschreibung einer Einspritzdüse für Ottomotoren

Für Ottomotoren gibt es zwei große Hauptgruppen von Einspritzdüsen:

  • Für den kontinuierlichen Betrieb
  • Für den intermittierenden Betrieb

Einspritzdüsen für den kontinuierlichen Betrieb sind Einspritzdüsen ohne eine Ventilfunktion. Ihre Aufgabe liegt lediglich darin, den durchfließenden Kraftstoff so gut wie möglich zu zerstäuben. Sie werden nicht elektrisch angesteuert und auch nicht mechanisch betätigt. Beispielsweise bei einer BOSCH K-Jetronic wird permanent Kraftstoff in das Saugrohr eingespritzt. Jeder Zylinder hat dabei seine eigene Einspritzdüse, so dass die jeweils für einen Zylinder benötigte Kraftstoffmenge auf die 4 Takte verteilt eingespritzt werden muss.

Intermittierende Einspritzdüsen sind komplizierter aufgebaut und entsprechen im Grunde dem Prinzip der Injektoren für Common-Rail-Einspritzanlagen. Die Funktionsweise ist durchaus vergleichbar, wobei die herrschenden Drücke wesentlich geringer sind.

In den meisten Fällen sind Einspritzanlagen für Ottomotoren auch heute noch als Saugrohreinspritzanlagen ausgelegt, da der technische Aufwand wesentlich geringer ist. Allerdings lassen sich durch direkt einspritzende Systeme von Grund auf andere Gedankenansätze realisieren. Beispiele hierfür sind der Schichtladungsbetrieb in sogenannten Magermixmotoren, wodurch merklich günstigere Kraftstoffverbräuche realisierbar sind.

Bild Einspritzdüse Ottomotor Intermittierende Einspritzdüsen sind komplizierter aufgebaut.

Fazit

Einspritzdüsen sind also eine wichtige Komponente in Einspritzanlagen und werden entweder in Otto- oder Dieselmotoren eingesetzt. Ihr Ziel ist eine möglichst feine Zerstäubung des Kraftstoffs. In älteren Modellen erfolgte das Öffnen und Schließen der Einspritzdüsen durch den im System herrschenden Druck – heutzutage erfolgte dies über eine elektronische Steuerung mithilfe eines Steuergeräts.

Wir hoffen, dass Sie durch diesen Ratgeber jetzt gut über Einspritzdüsen informiert sind und wünschen allzeit gute Fahrt.

 

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