Steckpumpe

Eine Einspritzpumpe ist eine Dosierpumpe für hohen Druck und ist Bestandteil der Einspritzanlage in Verbrennungsmotoren. Sie wird beim Ottomotor zur Benzineinspritzung verwendet (als Alternative zum Vergaser) oder beim Dieselmotor zum Einspritzen des Dieselkraftstoffs benötigt (als Alternative heute: Common Rail).

Die Einspritzpumpe stellt pro Hub eine definierte Menge Kraftstoff mit dem nötigen Druck bereit, um Kraftstoff durch das Einspritzventil in den Brennraum zu fördern.

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 U/ min)

Einspritzpumpen sind unabdingbar für Dieselmotoren. Sie werden für die Hochdruckeinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum benötigt. Wegen der hohen Drücke zeigen die Kraftstoffe Kompressibilität, so dass man auch die Schwingungen der Kraftstoffsäulen in den Einspritzleitungen berücksichtigen muss, um die Einspritzpumpe für den Einspritzvorgang zu optimieren. Aus diesem Grunde werden die Einspritzleitungen der Einfachheit halber für jeden Zylinder in gleicher Länge ausgeführt.

Seit dem Anfang der 1950er Jahre sind Einspritzpumpen auch für Ottomotoren im Gebrauch. Die beiden ersten Serienwagen mit mechanischer Benzineinspritzung waren der Goliath GP 700 E (1951) und Mercedes-Benz 300 SL (1954). Durch die verschärften Abgasgesetzgebungen vieler Staaten sind elektronische Einspritzanlagen inzwischen unverzichtbare Bauteile in den meisten modernen Pkw-Motoren.

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.

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.

Reiheneinspritzpumpe

Reiheneinspritzpumpe für einen Zwölfzylinder-Dieselmotor

Bei einer Reiheneinspritzpumpe werden die einzelnen, den jeweiligen Zylindern zugeordneten Pumpenelemente in einem Gehäuse zusammengefasst. Die Reiheneinspritzpumpe hat Regelungen für die Drehzahl, die Einspritzmenge und den Einspritzzeitpunkt (Spritzversteller). Eine Abwandlung der Reiheneinspritzpumpe ist die Radialkolbenpumpe. Die Reiheneinspritzpumpe benötigt externe Schmierung, entweder durch Anbindung an den Motorölkreislauf oder einen eigenen Ölsumpf. Reiheneinspritzpumpen gelten gegenüber Verteilereinspritzpumpen als robuster. Dieseleinspritzsysteme mit Reiheneinspritzpumpen sind heute mehrheitlich durch Common-Rail-, Pumpe-Leitung-Düse oder Pumpe-Düse Systeme abgelöst worden.

Verteilereinspritzpumpe

Die Verteilereinspritzpumpe wird über eine Welle vom Motor angetrieben und mit ihr auch die sich 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 sowie genauer geregelt. 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 ca. 1600 bar erzeugen. Eine EDC ist möglich, was einerseits eine höhere Genauigkeit der Regelungen ermöglicht, andererseits ein Betreiben des Motors ohne Stromversorgung unmöglich macht. Heute sind Dieseleinspritzungen mit Verteilereinspritzpumpen im PKW-Bau weitgehend von Common-Rail- oder Pumpe-Düse-Systemen abgelöst worden; letzteren jedoch ist das Ende bereits verkündet.

Axialkolben-Verteilereinspritzpumpe

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 wird 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.

Einzelstempelpumpe

Diese entspricht der Reiheneinspritzpumpe, jedoch wird jeder Zylinder von einer eigenen Pumpe angesteuert. Der Antrieb erfolgt durch die Nockenwelle. Speziell bei LKW-Dieseln mit untenliegender Nockenwelle wurden 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

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 drehzahlabhängig und nicht regelbar.

Hochdruck-Pumpe für Common Rail

Auch die Hochdruckpumpe, die bei Common-Rail-Systemen den Diesel-Hochdruck erzeugt, ist genau gesehen eine Einspritzpumpe. Die Common-Rail-Pumpe ist nur bezüglich des Drucks geregelt, nicht jedoch für Mengen- und Zeitpunktregelungen der Zylindereinspritzung wie bei anderen Einspritzpumpensystemen; diese Regelungsfunktionen werden außerhalb der Pumpe in einer elektronischen Steuerung und mittels der von ihr 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 Volumen oder eine Kombinationen aus beiden Varianten eingesetzt. Da Common-Rail-Pumpen mit Drücken bis zu 2000 bar arbeiten (in Entwicklung nach Stand Januar 2006: 2400 bar), sind die mechanischen Kräfte im Inneren der Pumpen hoch. Dazu kommen immer höher werdende Kraftstofftemperaturen, die die Schmierfähigkeit des Dieseltreibstoffs senken. Da aus verschiedenen Gründen die Pumpen nur mit Diesel geschmiert werden, sind die Lager und Gleitflächen stark belastet und müssen aufwändig am Fressen gehindert werden.

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