Direkteinspritzung
Der Begriff Direkteinspritzung bezeichnet ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung, welches bei Dieselmotoren und Ottomotoren zum Einsatz kommen kann.
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. Generell lässt sich zum Einspritzdruck sagen: Je höher, desto besser. Zur Zeit (2004) werden 1350 bis 1600 bar beim Verfahren Common-Rail und bis 2100 bar beim Verfahren Pumpe-Düse erreicht.
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 und höhere Drehzahlen, weil die notwendige Verbrennungszeit geringer ist.
- 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, Stickoxiden und anderen Verbrennungsrückständen 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 Marketingbezeichnung TDI ein .
Direkteinspritzung bei Ottomotoren
Prinzip
Ebenso wie beim Dieselmotor wird der Kraftstoff zum Ende des zweiten Arbeitstaktes (Kompressionstakt) über eine externe Hochdruckpumpe und einer in der Nähe der Zündkerze installierten Einspritzdüse in den Brennraum in die verdichtete Luft eingespritzt.
Damit sprengt der Ottomotor mit dem Direkteinspritzverfahren die Definition der äußeren Gemischbildung sowie quantitativer Gemischregulierung und geht in die innere Gemischbildung mit qualitativer Gemischregulierung über.
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 erfolgt die Gemischbildung durch die Einspritzung des Kraftstoffes während des Saughubes, wodurch sich im Brennraum ein homogenes Luft-Kraftstoffgemisch ausbildet.
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 Katalysatoren verlangsamen oder gar nicht in Gang kommen lassen.
- 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 wie die Vergaservariante. Scherenberg wechselte dann zu Mercedes-Benz. Ab 1952 wurde dort im Rennsport die Direkteinspritzung, ebenfalls von Bosch, verwendet. Ab 1954 bot Mercedes-Benz die Technik im Modell 300 SL und 300 SC an in der Serie an. An 1957 wechselte man zur Saugrohreinspritzung, weil das Direkteinspritzverfahren Probleme mit Ölverdünnung verursachte.
Die erste Anwendung eines direkteinspritzenden Ottomotors in den 1990er Jahren erfolgte 1997 durch Mitsubishi. Gasoline Direct Injection (GDI) ist seitdem die Marketingbezeichnung des japanischen Automobilherstellers. Volkswagen folgte im Jahr 2002 mit den FSI (Fuel Stratified Injection geschichtete Benzin-Direkteinspritzung) -Motoren.
Daneben verfolgen auch andere Hersteller mit fantasievollen Kürzeln diesen Weg:
- Renault mit IDE (Injection Directe Essence),
- Alfa Romeo mit JTS (Jet Thrust Stoichiometric),
- BMW ohne Kürzel im Modell 760 Li
- der Peugeot Citroën SA (PSA)-Konzern im Citroën C5/Peugeot 406) mit HPi (High-Pressure Direct-Injection Petrol Engine) mit Hochdruckeinspritzung und Schichtladung im Teillastbereich, ein "echter" Magermotor im Gegensatz zu Renault
- Daimler-Chrysler mit Stratified Charged Gasoline Injection (CGI) in einem Ottomotor mit 1,8 Liter Hubraum, mit Kompressorlader, Ladeluftkühler, Schichtladung sowie
- Ford mit SCi (Smart Charged injection).
Siehe auch
TDI-Motorentechnik
Elsbett-Motor
Wirbelkammereinspritzung
Vorkammereinspritzung