Das Einspritz­ventil im Kfz

Das Einspritzventil, auch Injektor genannt, dosiert den Kraftstoff für jeden Zylinder. Es muss die richtige Menge zum richtigen Zeitpunkt und fein zerstäubt einspritzen, bei jedem Arbeitsspiel, viele Millionen Mal im Leben eines Motors. Das Prinzip ist dabei immer gleich: Das Steuergerät öffnet das Ventil für eine bestimmte Zeit, und bei konstantem Druck bestimmt diese Zeit die Menge.

Tippe auf eine Karte, um die wichtigsten Einsatzbereiche kennenzulernen.

Das klassische Einspritzventil für die Saugrohreinspritzung ist ein Magnetventil. Die Grafik oben zeigt seinen Aufbau:

• Filter: hält Schmutzpartikel am Kraftstoffzulauf zurück.
• Magnetspule: erzeugt beim Bestromen ein Magnetfeld.
• Anker: ein Eisenteil, das vom Magnetfeld angezogen wird.
• Ventilnadel oder Ventilkugel: fest mit dem Anker verbunden, verschließt die Düse.
• Rückstellfeder: drückt die Nadel in den Sitz, solange kein Strom fließt.
• Spritzlochscheibe: mehrere feine Bohrungen, die den Strahl formen und zerstäuben.
• Dichtringe: O-Ringe zum Saugrohr und zur Kraftstoffverteilerleiste.

Elektrisch hat das Ventil zwei Anschlüsse. Einer bekommt über das Hauptrelais dauerhaft Bordnetzspannung, sobald der Motor läuft. Den anderen schaltet das Steuergerät gegen Masse, um das Ventil zu öffnen.

Schaltet das Steuergerät die Spule ein, steigt der Strom nicht sofort auf seinen Endwert, sondern braucht eine gewisse Zeit. Erst wenn die Magnetkraft größer ist als Federkraft und Kraftstoffdruck zusammen, hebt die Nadel ab. Beim Abschalten schließt die Feder das Ventil wieder, ebenfalls mit einer kleinen Verzögerung.

Die Verzögerung beim Öffnen hängt stark von der Bordnetzspannung ab: Bei niedriger Spannung steigt der Strom langsamer, und das Ventil öffnet später. Das Steuergerät misst deshalb die Spannung und verlängert die Ansteuerzeit um genau diesen Verzug. Diese Spannungskorrektur ist besonders beim Kaltstart wichtig, wenn der Anlasser die Bordnetzspannung stark absinken lässt.

Beim Saugrohr-Einspritzventil liegt die Einspritzzeit im Leerlauf bei wenigen Millisekunden und steigt unter Volllast auf 10 bis 15 ms und mehr. Bei höherer Drehzahl steht aber immer weniger Zeit zur Verfügung: Bei einem Viertaktmotor wird pro Zylinder einmal in zwei Kurbelwellenumdrehungen eingespritzt.

Im Simulator in Kapitel 3 kannst du das nachvollziehen: Stell eine lange Einspritzzeit und eine hohe Drehzahl ein und beobachte das Tastverhältnis.

Misst man mit dem Oszilloskop am Steuergerät-Anschluss des Einspritzventils gegen Masse, sieht man ein charakteristisches Bild. Es ist oben im Simulator als türkise Kurve dargestellt:

1. Ventil geschlossenAm Pin liegt Bordnetzspannung, weil über die Spule kein Strom fließt und daher nichts abfällt.
2. EinschaltenDas Steuergerät schaltet gegen Masse, die Spannung fällt auf nahezu 0 V. Die Dauer dieses Abschnitts ist die Ansteuerzeit.
3. AbschaltenDer Strom in der Spule will weiterfließen. Es entsteht eine hohe Induktionsspitze, die das Steuergerät auf einige Dutzend Volt begrenzt.
4. Nadel schließtNach der Spitze kehrt die Spannung zur Bordnetzspannung zurück. Oft sieht man dabei einen kleinen Knick: Das ist die Nadel, die in ihren Sitz schlägt.

Fehlt die Induktionsspitze oder ist sie deutlich kleiner als bei den anderen Zylindern, deutet das auf einen Windungsschluss in der Spule. Fehlt der Nadelknick, kann das Ventil mechanisch klemmen.

1. Fehlerspeicher und LaufruheAussetzer- und Gemischfehler auslesen, Laufunruhewerte je Zylinder ansehen. Ein auffälliger Zylinder grenzt die Suche ein.
2. Widerstand messenStecker abziehen und die Spule messen. Hochohmige Saugrohr-Ventile liegen typisch bei 12 bis 17 Ω, niederohmige bei 2 bis 5 Ω. Alle Ventile eines Motors sollten fast gleiche Werte haben.
3. Versorgung prüfenBei laufendem Motor bzw. beim Starten muss am Versorgungspin Bordnetzspannung anliegen.
4. Ansteuerung prüfenMit einer LED-Prüflampe für Einspritzventile oder besser mit dem Oszilloskop nachweisen, dass das Steuergerät taktet.
5. Mengen- und DichtheitsprüfungAuf dem Prüfstand Einspritzmenge, Strahlbild und Dichtheit vergleichen. Ein undichtes Ventil tropft nach.
6. EinbauImmer neue Dichtringe verwenden und sie mit sauberem Motoröl oder Montagepaste leicht benetzen. Bei Direkteinspritzern die Teflondichtringe mit Spezialwerkzeug montieren.

5 Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

Elektrisch ist das Einspritzventil eine Reihenschaltung aus Wicklungswiderstand R und Induktivität L. Wird eine Spannung U eingeschaltet, steigt der Strom nach einer e-Funktion an:

Abschalten und Induktionsspitze

Beim Abschalten versucht die Spule, den Strom aufrechtzuerhalten. Dabei entsteht die Selbstinduktionsspannung u = −L · di/dt. Je schneller der Strom abgebaut wird, desto höher ist die Spannung. Das Steuergerät begrenzt sie mit einer Zenerdiode oder einer aktiven Klemmschaltung auf einen Wert, den die Endstufe verträgt.

Diese Begrenzung ist ein Kompromiss: Eine einfache Freilaufdiode würde die Spannung klein halten, der Strom würde aber nur langsam abklingen, und das Ventil schlösse spät. Eine hohe Klemmspannung baut die Energie schnell ab und das Ventil schließt früher und genauer. Die gespeicherte Energie W = ½ · L · I² wird dabei im Steuergerät in Wärme umgesetzt.

Wie schnell ein Ventil öffnet, hängt direkt davon ab, wie schnell der Strom ansteigt. Je nach Anforderung werden deshalb unterschiedliche Ansteuerverfahren eingesetzt. Vergleiche sie im Simulator.

Bei Direkteinspritzern werden meist beide Seiten der Spule vom Steuergerät geschaltet: ein High-Side-Schalter für Boost- bzw. Bordnetzspannung und ein Low-Side-Schalter zur Masse. Deshalb liegt dort auch bei ausgeschaltetem Ventil keine Bordnetzspannung dauerhaft am Stecker.

Magnetventil-Injektor beim Diesel

Gegen über 2.000 bar kann kein kleiner Elektromagnet eine Düsennadel direkt anheben. Diesel-Injektoren arbeiten deshalb nach dem Servoprinzip: Über der Düsennadel liegt ein Steuerraum, der mit Raildruck gefüllt ist und die Nadel zudrückt. Das Magnetventil öffnet nur eine winzige Ablaufdrossel aus diesem Steuerraum. Der Druck darüber sinkt, der Druck an der Düsenspitze hebt die Nadel an. Schließt das Magnetventil, baut sich der Steuerraumdruck wieder auf und die Nadel schließt. Der abgesteuerte Kraftstoff fließt über die Rücklaufleitung zurück in den Tank.

Piezo-Injektor

Beim Piezo-Injektor ersetzt ein Stapel aus vielen dünnen Piezokeramikschichten den Magneten. Legt man eine Spannung an, dehnt sich der Stapel um einige hundertstel Millimeter. Das geschieht extrem schnell, deutlich schneller als bei einem Magnetventil. Elektrisch verhält sich der Stapel wie ein Kondensator: Das Steuergerät lädt ihn mit einer Spannung von über 100 V auf, um zu öffnen, und entlädt ihn wieder, um zu schließen.

Mehrfacheinspritzung

Die schnellen Injektoren erlauben mehrere Einspritzungen pro Arbeitsspiel, jede mit eigener Aufgabe:

• Voreinspritzung: eine kleine Menge vor der Haupteinspritzung, die den Brennraum vorwärmt. Der Druckanstieg wird sanfter, der Motor leiser, vor allem beim Diesel.
• Haupteinspritzung: liefert das Drehmoment.
• Nacheinspritzung: verbrennt Ruß nach oder erhöht gezielt die Abgastemperatur, etwa zur Regeneration des Partikelfilters.

Auch Benzin-Direkteinspritzer spritzen zum Teil mehrfach ein, etwa beim Katalysatorheizen nach dem Kaltstart oder um die Gemischbildung bei hoher Last zu verbessern.

Damit jede Einspritzung auf wenige Prozent genau stimmt, rechnet das Steuergerät eine Reihe von Korrekturen ein:

Druckdifferenz

Der Durchfluss durch eine Düse hängt von der Wurzel der Druckdifferenz zwischen Kraftstoff und Umgebung ab, im Saugrohr also vom Unterschied zwischen Kraftstoffdruck und Saugrohrdruck:

Weitere Korrekturen

• Spannungskorrektur: gleicht den Öffnungsverzug bei unterschiedlicher Bordnetzspannung aus, siehe Kapitel 3.
• Lambda-Regelung und Adaption: korrigiert Abweichungen über die Lambdasonde und speichert langfristige Abweichungen als Adaptionswerte.
• Kraftstofftemperatur: Dichte und Viskosität ändern sich mit der Temperatur, besonders beim Diesel.
• Laufruheregelung: vergleicht die Beschleunigung der Kurbelwelle je Zylinder und gleicht die Mengen der Zylinder untereinander an.

Injektormengenabgleich

Jeder Diesel-Injektor wird bei der Herstellung vermessen. Seine Abweichungen von der Sollmenge werden als Code auf den Injektor gedruckt. Nach einem Injektortausch muss dieser Code mit dem Diagnosegerät in das Steuergerät eingegeben werden, damit es die Toleranzen des neuen Injektors ausgleicht. Zusätzlich lernen viele Steuergeräte im Schubbetrieb die Kleinstmengen mit winzigen Testeinspritzungen nach.

Die Menge allein reicht nicht. Wie gut der Kraftstoff verbrennt, hängt davon ab, wie fein er zerstäubt und wohin er gespritzt wird.

OBD-II-Fehlercodes

P0200 bis P0208 betreffen die Stromkreise der Einspritzventile, wobei die letzte Ziffer den Zylinder angibt. P0261 bis P0296 unterscheiden je Zylinder zwischen Signal zu niedrig und zu hoch sowie Beitragsfehlern. Dazu kommen P0300 bis P0308 für Aussetzer, P0171 und P0172 für zu mageres bzw. zu fettes Gemisch und bei Hochdrucksystemen P0087 und P0088 für zu niedrigen bzw. zu hohen Raildruck.

Profitipps

• Ein schneller Test bei Verdacht auf ein defektes Ventil: Ventile zweier Zylinder tauschen. Wandert der Fehler mit, ist das Ventil schuld.
• Strommessung mit Stromzange und Oszilloskop zeigt beim Magnetventil den Moment, in dem die Nadel anzieht, als kleinen Knick im Stromanstieg. Fehlt er, bewegt sich die Nadel nicht.
• Nach dem Tausch von Diesel-Injektoren Mengenabgleichscodes eingeben und Adaptionen zurücksetzen, sofern vom Hersteller vorgesehen.
• Kraftstoffqualität nicht vergessen: Wasser oder falscher Kraftstoff schädigen Hochdruckinjektoren oft irreparabel.

6 Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.