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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 Brennraum eingespritzt.

Direkteinspritzung bei Dieselmotoren

Ein Dieseldirekteinspritzer ist ein Dieselmotor, dessen Einspritzdüse im direkten Verbrennungsraum (ohne Nebenkammer) angeordnet ist. Kennzeichen des Direkteinspritzer-Diesels ist der ungeteilte Brennraum sowie die omega-förmige Kolbenmulde. Die geringere Brennraumoberfläche im Vergleich zum Nebenkammer-Motor ermöglicht geringere Wärmeverluste und damit einen besseren Wirkungsgrad. Deshalb haben diese Motoren einen besonders niedrigen Verbrauch. Bedingt durch die höheren Druckanstiege sind sie lauter als vergleichbare Vorkammermotoren. Es gibt allgemein turboaufgeladene Dieseldirekteinspritzer und Saugdiesel mit Direkteinspritzung


Geschichte

Der Ursprung des Direkteinspitzverfahrens bei Dieselmotoren ist auf das MAN-Mittenkugelverfahren zurückzuführen, welches es bereits vor dem 2. Weltkrieg gab. Jahrzehntelang (vor 1987) wurden Direkteinspritzer-Dieselmotoren ausschließlich in gewerblichen Fahrzeugen bei größeren Motoren eingesetzt. Aufgrund des nachteiligen Geräuschbildes schloss man lange aus, solche Motoren in PKW einzusetzen. Im Vergleich zum Laufgeräusch-Nachteil wurden die möglichen Verbrauchvorteile direkteinspritzender Motoren lange nicht als gravierend angesehen. Deshalb waren bis in die 90er Jahre Vorkammermotoren im PKW-Dieselbereich üblich.

Die Direkteinspritzung von Dieselmotoren wurde in PKW-Großserie erstmals ab 1987 in dem von Fiat angebotenen Fiat Croma TD i.d. eingesetzt. Der Motor wurde in Zusammenarbeit zwischen Magneti Marelli und dem Fiat-Forschungszentrum in Neapel entwickelt. Ein aus dem Nutzfahrzeugbereich bekannter Motor wurde dazu mit einer elektronischen Einspritzsteuerung ausgestattet, die die Laufruhe auf ein für PKW-Verhältnisse brauchbares Maß verbesserte.

Während der Ära Piëch arbeitete man auch bei Audi an einem solchen Motor. Der zweite PKW dieser Art war 1989 der Audi 100 TDI. Dieser Motor entwickelte schon bei niedrigen Drehzahlen ein ungewohnt hohes Drehmoment und ermöglichte dadurch gute Fahrleistungen bei geringem Verbrauch. Er begründete die erfolgreiche Geschichte der TDI-Motoren aus dem Volkswagen-Konzern.

Viele Leute glauben heute, dass Audi die ersten Fahrzeuge mit Dieseldirekteinspritzung auf den Markt gebracht hat. Dies ist auf Fehler des Fiat-Marketings in der Vermarktung seiner Produkte zurückzuführen. Die geschickte Einführung des geschützten TDI-Siegels durch den VW-Audi-Konzern hat zu diesem Irrglauben beigetragen.

Heutiger technischer Stand

Heutige Motoren dieser Bauart haben Einspritzdrücke von 1800 bar (Common-Rail) bis 2500 bar (Pumpe-Düse). Die hohen Einspritzdrücke haben aber auch Probleme mit sich gebracht. Zum einen führen sie zu sehr feinen Partikeln, die lungengängig und somit gefährlich sind. Deshalb kommen vermehrt Partikelfilter zum Einsatz (welche die wirklich gefährlichen lungengängigen Partikel jedoch leider nicht filtern können, nur den sichtbaren Ruß zurückhalten). Zum andern gibt es teilweise Probleme mit der Stabilität des Einspritzstrahls. Auf Dauer wird man deshalb vermutlich wieder auf Einspritzdrücke um 1500  bar zurückgehen. Außerdem scheint sich die Common-Rail-Technologie wegen ihres einfacheren Aufbaus durchzusetzen.

Heutige Verbreitung

Turbodieseldirekteinspritzer werden heute von vielen Herstellern angeboten. Jeder hat dafür seine eigenen, meist geschützten Bezeichnungen (z.B. DITD, TDI, DTI, TDCI, CDTI, CDI, JTD, dCi). Seit Ende der 90er Jahre sind sie quasi Standard im PKW-Dieselbau.

Das I in der Bezeichnung steht für das englische Wort Injection (Einspritzung). Das vorgestellte D steht für direct und sagt aus, dass hier die Einspritzung im Gegensatz zur Vorkammereinspritzung und Wirbelkammereinspritzung direkt in den Zylinder erfolgt. Jeder Dieselmotor verfügt prinzipbedingt über eine Einspritzpumpe, sei es eine Verteilerpumpe, eine Pumpe-Düse-Einheit oder eine Common-Rail-Pumpe.

Druckanstieg, Geräusch

Ein Nachteil des sonst nur bei großen Dieselmotoren, wie in Lastkraftwagen verwendeten Direkteinspritzers ist das lautere Verbrennungsgeräusch, welches aufgrund des großen Druckanstieges entsteht und stärker als "nagelnd" empfunden wird als bei Dieselmotoren mit Vorkammereinspritzung oder Wirbelkammereinspritzung. Die Heftigkeit der Einspritzung und die sofortige Oxidation der Treibstoff-Tropfen aufgrund der hohen Temperaturen noch vor ihrer Entzündung in Verbindung mit der Geometrie des Brennraums führen zu diesem schnellen und starken Druckanstieg. Bei Vorkammermotoren ist eine schichtweise und damit leisere Verbrennung des Gemisches möglich. Bei direkteinspritzenden Dieselmotoren findet die komplette Verbrennung dagegen in der erheblich kleineren Hauptkammer statt, beginnend an der Kolbenmulde. Deshalb wird der Treibstoff zeitlich verteilt eingespritzt. Die Voreinspritzung oder auch Pilotmenge ist eine sehr kleine Menge vorweg, um eine "sanfte" Verbrennung einzuleiten. Danach folgt die Haupteinspritzung. Man unterscheidet hierbei eine Einspritzverlaufsformung der älteren DI mit Verteilereinspritzpumpe und entsprechender Einspritzdüse und echte Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung der Common-Rail- und Pumpe-Düse-Einspritzungen. Dadurch wird der Druckanstieg sanfter, der Motor läuft leiser und vibrationsärmer. Eine Nacheinspritzung erhöht die Verbrennungsendtemperatur und somit die Abgastemperatur; dies senkt die Rußemissionen innermotorisch und ermöglicht die Regeneration des Dieselpartikelfilters. Zudem wurden Dieselmotoren bei Einführung der Direkteinspritzung oftmals besser gekapselt, um die direkte Luftschallabstrahlung zu minimieren.

Direkteinspritzung bei Ottomotoren

Bei der konventionellen Einspritzung für Ottomotoren befindet sich das Einspritzventil im Saugrohr vor dem Einlassventil. Bei der Direkteinspritzung wird dagegen direkt in den Zylinder eingespritzt. Die direkte Benzineinspritzung wurde während der 30er Jahre von Mercedes-Benz für eine neue Generation von kompressoraufgeladenen Viertakt-Flugzeugmotoren entwickelt. Die Ventilsteuerungen der Motoren besaßen so große Überschneidungen, dass durch den Kompressor der Altgaskern im Zylinder ausgeblasen wurde. Dies ermöglichte eine größere Füllung. Um keinen Kraftstoff in den Abgastrakt zu blasen, wurde er erst nach Schließen der Ventile in den Zylinder eingespritzt. Erste Versuche fanden 1933 mit dem BMW VI statt. In den 50er Jahren wurden auch wenige Fahrzeugmotoren mit dieser Direkteinspritztechnik hergestellt.

Prinzip

Im Gegensatz zum Dieselmotor, in dem der Einspritzvorgang in etwa mit dem Ende des zweiten Arbeitstaktes erfolgt, wird beim direkteinspritzenden Ottomotor die Haupteinspritzmenge während des zweiten Taktes zugeführt. Im Ottomotor muss die Gemischbildung zum Zeitpunkt der Zündung abgeschlossen sein, um eine gleichmäßige Verbrennung zu gewährleisten.

Durch die direkte Einspritzung kann eine Ladungsschichtung erreicht werden, was insbesondere im Teillastbereich den Wirkungsgrad erhöht.

Anwendung im PKW

Der erste Einsatz einer Otto-Direkteinspritzung bei einem PKW erfolgte 1951 bei den Modellen Gutbrod Superior und Goliath GP 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 durch 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 sogenannten 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 in Deutschland, und das Orbitalsystem, entwickelt von Orbital Corporation Ltd. in Australien.

Das FFI-System wird derzeit von Bombardier Recreational Products unter der Bezeichnung „E-TEC“ hergestellt und bei Außenbordmotoren des Fabrikats Evinrude sowie verschiedenen Schneemobil- und Jetski-Motoren eingesetzt.

Das Orbitalsystem wird derzeit von Synerject LLC hergestellt und unter der Bezeichnung „OptiMax“ an Mercury-Außenbordmotoren, sowie unter der Bezeichnung „DI-TECH“(Direct Injection Technologie) am Motorrollermodell SR 50 R Factory des Kraftradherstellers Aprilia eingesetzt. Auch einige Roller mit 50-cm3 Hubraum setzen das Orbitalsystem ein, um die Abgasvorschriften zu erfüllen, wobei der geringere Kraftstoffverbrauch ein erwünschter Nebeneffekt ist.

Lageunabhängige Benzinversorgung

Solchen Anwendungen (Jetski, Außenborder) ist - wie auch dem Flugmotor - gemeinsam, dass ihre Benzinversorgungssysteme lageunabhängig funktionieren sollen: der Motor darf nicht absterben, wenn das Flugzeug starke Vertikal- oder Rollbewegungen ausführt, ebenso wie ein Jetski oder auch ein Motorboot mal kurzzeitig "durchrollt", dabei kurzzeitig über Kopf stehen kann und der Motor dennoch weiterlaufen soll. Vergaser, die die Forderung nach lageunabhängiger Funktion erfüllen, sind erheblich komplexer als einfache Spritzdüsenvergaser, deren Schwimmerpegel nur in halbwegs aufrechten Lagen funktioniert; dann ist der Schritt zur Benzineinspritzung kein weiter mehr.

Siehe auch

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