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Direkteinspritzung

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Der Begriff Direkteinspritzung bezeichnet ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung, welches bei Dieselmotoren und Ottomotoren zum Einsatz kommen kann. Der Kraftstoff wird dabei direkt in den Zylinder eingespritzt.

Direkteinspritzung bei Dieselmotoren

Prinzip

Bei der Direkteinspritzung wird der Kraftstoff zum Ende des zweiten Arbeitstaktes (Kompressionstakt) durch eine direkt in den Brennraum reichende Mehrloch-Einspritzdüse des Motors eingespritzt und feinst verteilt (vernebelt), anstatt in eine Vor- oder Wirbelkammer wie bei einem klassischen (Kammer-)diesel.

Zweck

Ziel der Direkteinspritzung ist, den spezifischen Kraftstoffbedarf zu reduzieren. Ebenso entfällt die (leistungszehrende) Vor- oder Wirbelkammer.

Ausführung

Eine Mehrloch-Düse (Injektor) ist das Kernstück der Diesel-Direkteinspritzung. Diese ermöglicht es, ein möglichst feinverteiltes Kraftstoff-Luft-Gemisch in kurzer Zeit zu erreichen. Dafür sind Hochdruckeinspritzpumpen notwendig. Derzeit sind Einspritzdrücke von bis zu 1800 bar bei der Common-Rail-Technik und 2500 bar beim Pumpe-Düse-System möglich (Stand 2005). In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass die langläufige Regel eines möglichst hohen Einspritzdruckes in der Praxis nicht die erwarteten Vorteile erbringt. So besteht ein großes Problem bei sehr hohen Drücken in der Stabilität des Kraftstoffstrahls. Die Zukunft zielt auf Drücke um 1500 Bar - jedoch kombiniert mit zusätzlichen Injektoren - Stichwort Multijet-Einspritzung.

Vorteile

  • Im Vergleich zum Vorkammer- oder Wirbelkammerverfahren bietet das Direkteinspritzverfahren einen 5 bis 10% niedrigeren Energieverbrauch.
  • Es entfallen die Verluste durch das Überströmen zwischen Kammer und Hauptbrennraum, ebenso sind die wärmeverlusterhöhenden Strömungsgeschwindigkeiten des Gemischs niedriger.
  • Die Direkteinspritzung beim Diesel erlaubt kaltstartende Motoren.
  • Der Voreinspritzwinkel ist geringer und damit sind längere Gaswechselzeiten möglich.

Nachteile

  • Ein Nachteil des Direkteinspritzers beim Diesel ist das lautere Verbrennungsgeräusch, wegen des großen Druckanstiegs stärker als "nagelnd" empfunden, als bei Kammermotoren. Aus diesem Grund wurden vor 1988 direkteinspritzende Dieselmotoren nahezu ausschließlich in LKW verwendet, trotz ihres besseren Wirkungsgrades gab es keine Großserien-PKW mit solchen Motoren.
  • Die Kraftstoffverteilung ist eines der wesentlichen Probleme bei der Verbrennung. Um den spezifischen Brennstoffbedarf zu optimieren und Abgasemmissionen durch Dieselruß, Stickoxide und andere Verbrennungsrückstände gering zu halten, werden verschiedenste Formen der sogenannten Kolbenmulde angewandt. Durch deren Gestaltung soll eine bessere Durchmischung von Kraftstoff und Luft im Verbrennungsraum erzielt werden. Ebenso wird meist ein Drall erzeugender Einlasskanal realisiert, durch dessen wendelartige Form die in den Zylinder einströmende Luft für den Verbrennungsprozess günstig verwirbelt wird.
  • Im Winterbetrieb stark verzögerte Heizwirkung.

Anwendung im PKW

Die erste Serienfertigung von Diesel-Direkteinspritzmotoren für PKW erfolgte - wenn auch in kleinem Rahmen - durch Ludwig Elsbett. Der erste Anwender in der Großserie war Fiat mit dem Modell Fiat Croma TD i.d. im Jahr 1988. Dieses Fahrzeug war mit einem Turbo-Dieselmotor mit 1929 cm³ Hubraum und 66 kW /90 PS Leistung ausgestattet. Audi und VW zogen bald nach und setzten das Diesel-Direkteinspritzverfahren 1990 in Großserien-PKW-Dieselmotoren mit der geschützten Marketingbezeichnung "TDI" (Turbocharged Direct Injection) ein. Heute bieten zahlreiche Hersteller derartige Motoren unter verschiedenen Markenbezeichnungen an: Bei Peugeot und Citroën heißt das System "HDI" (High pressure Direct Injection), bei Opel "CDTI" (Common Rail Diesel Turbo Injection), bei Ford "TDCI" (Turbo Diesel Common Rail Injection), bei Mercedes-Benz "CDI" (Common Rail Direct Injection), bei FIAT "JTD" (Jet Turbo Diesel), etc..

Direkteinspritzung bei Ottomotoren

Bei der Konventionellen Einspitzung befindet sich das Einspritzventil im Saugrohr vor dem Einlassventil. Bei der Direkteinspitzung wird dagegen direkt in den Zylinder eingespritzt.

Prinzip

Im Gegensatz zum Dieselmotor, in dem der Einspritzvorgang in der Theorie zu Beginn des dritten Arbeitstaktes erfolgt, in der Praxis jedoch schon davor, wird beim direkteinspritzenden Ottomotor die Haupteinspritzmenge im zweiten Takt zugeführt. Für die im Ottomotor verwendete Gleichraumverbrennung muss die Gemischbildung zum Zeitpunkt der Zündung abgeschlossen sein um eine gleichmässige Verbrennung zu gewährleisten. Durch die direkte Einspritzung kann jedoch eine Ladungsschichtung erreicht werden, was insbesondere im Teillastbereich den Wirkungsgrad erhöht.

Zweck

Durch das Verfahren der Benzin-Direkteinspritzung wird bei Teillast ein zündfähiges Benzin-Luftgemisch nur um die Zündkerze erzeugt, während im Rest des Brennraumes ein (sehr) mageres Gemisch vorliegt (inhomogene Gemischverteilung im Brennraum). Bei Vollast beginnt der Einspritzvorgang bereits im ersten Arbeitstakt.

Vorteile

  • Durch dieses Verfahren soll sich der spezifische Verbrauch im Teillastbereich dem des Dieselmotors annähern.

Nachteile

  • Der Luftüberschuss bei Teillast führt zu einem höheren Stickoxid (NOx)-Anteil im Abgas, der mit hohem Technikaufwand wieder reduziert werden muss.
  • Der Luftüberschuss stellt weiterhin ein Problem für die Abgasnachbehandlung im Katalysator dar, weil bei Teillast das Abgas prinzipbedingt einen zu hohen Restsauerstoffgehalt aufweist. Ferner sind die Abgastemperaturen niedriger, was die chemischen Reaktionen im Katalysator verlangsamt oder gar nicht in Gang kommen lässt.
  • Die Praxis hat in den ersten Jahren der Einführung der Benzin-Direkteinspritzer gezeigt, dass die versprochenen Verbrauchs-Einsparungen nicht gehalten werden konnten.

Anwendung im PKW

Der erste Einsatz einer Otto-Direkteinspritzung bei einem PKW erfolgte 1951 bei den Modellen Gutbrod Superior und Goliath GT 700. Beide Fahrzeuge verwendeten einen seit 1949 unter der Leitung von Hans Scherenberg entwickelten Zweitaktmotor von 600 cm³ und 26 PS, die mit einer modifizierten Dieseleinspritzanlage von Bosch ausgerüstet waren. Die Fahrzeuge zeigten sehr gute Fahrleistungen und einen günstigen Benzinverbrauch, 30% weniger als die Vergaservariante. Scherenberg wechselte dann zu Mercedes-Benz. Ab 1952 wurde dort im Rennsport die Direkteinspritzung, ebenfalls von Bosch, verwendet. Von 1954 ab bot Mercedes-Benz die Technik im Modell 300 SL und 300 SC an. Ab 1957 wechselte man zur Saugrohreinspritzung, weil das Direkteinspritzverfahren Probleme mit der Ölverdünnung verursachte.

Die erste Großserien-Anwendung eines direkteinspritzenden Ottomotors erfolgte 1997 durch den Mitsubishi Carisma GDI. GDI steht für Gasoline Direct Injection (Benzin-Direkteinspritzung) und ist seitdem die Marketingbezeichnung des japanischen Automobilherstellers. Der Volkswagen-Konzern folgte im Jahr 2000 mit dem FSI-Konzept (Fuel Stratified Injection, geschichtete Benzin-Direkteinspritzung).

Daneben verfolgen auch andere Hersteller mit fantasievollen Kürzeln diesen Weg:

Anwendung am Zweitaktmotor

Zweitaktmotoren haben neben den Vorteilen des niedrigen Leistungsgewichts und der geringen Baukosten gravierende Nachteile im spezifischen Kraftstoffverbrauch, den Abgasemissionen, sowie in der Laufruhe bei niedriger Belastung und im Leerlauf. Dies ist bedingt durch die sog. Spülverluste und die mangelnde Ausspülung der Verbrennungsgase im Teillast- und Leerlaufbetrieb.

Direkteinspritzsysteme, insbesondere solche mit Ladungsschichtung im Teillastbetrieb, gleichen diese Nachteile praktisch vollständig aus.

Weltweit haben sich bis heute nur zwei Direkteinspritzsysteme für Zweitaktmotoren erfolgreich durchgesetzt. Es sind dies die FFI, entwickelt von der provenion gmbh, produziert von Bombardier für die Evinrude Aussenbordmotoren, sowie das Orbitalsystem, produziert von Mercury-Marine für die Mercury Aussenbordmotoren.

Siehe auch

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