Benzindirekteinspritzung

Der Begriff Direkteinspritzung bezeichnet ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren und Ottomotoren. Der Kraftstoff wird dabei direkt in den Brennraum eingespritzt.

Inhaltsverzeichnis

Direkteinspritzung bei Dieselmotoren

Ein Dieseldirekteinspritzer ist ein Dieselmotor, dessen Einspritzdüse direkt in den Zylinder einspritzt. Kennzeichen des Direkteinspritzer-Diesels ist der ungeteilte Brennraum und die geringere Brennraumoberfläche im Vergleich zum Vorkammer- und Wirbelkammer-Motor. Dies bewirkt geringere Wärme- und Strömungsverluste und damit einen geringeren spezifischen Verbrauch und höheren Wirkungsgrad.

Geschichte

Der Ursprung des Direkteinspritzverfahrens geht bereits auf Rudolf Diesel zurück, der eine Kraftstoffeinblasung mittels Druckluft verwendete. In Kraftfahrzeugen wurde zunächst das Vorkammerverfahren, Patent der Firma Benz aus dem Jahr 1909, verwendet. Vor 1987 wurden direkteinspritzende Dieselmotoren ausschließlich in gewerblichen Fahrzeugen sowie bei Großmotoren eingesetzt. Aufgrund des zunächst nachteiligen Geräuschbildes wurden die Motoren nicht in PKW verwendet, da die Komfortanforderungen als wichtiger angesehen wurden als der niedrigere spezifische Verbrauch. Im PKW setzte sich der Direkteinspritzerdiesel erst in den 1990er Jahren durch.

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 einem 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. Der zweite PKW dieser Art war 1988 der Rover Montego. Der Motor wurde von Rover in Zusammenarbeit mit der Firma Perkins entwickelt. Diese Motoren entwickelten schon bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment und ermöglichten dadurch sowohl gute Fahrleistungen als auch geringe Verbräuche.

Technischer Stand

2007 werden Motoren dieser Bauart mit Einspritzdrücken von 1800 bar (Common-Rail) bis 2500 bar (Pumpe-Düse) gefertigt. Die Common-Rail-Technologie hat sich wegen ihres einfacheren Aufbaus und der damit geringeren Kosten durchgesetzt. Ein weiterer Faktor ist die Einhaltung der Euro-5-Norm, die sich mit dem Pumpe-Düse-Konzept nur mit unvertretbaren Kosten realisieren lässt. Im Gegensatz zu klassischen Motoren haben Düsenfehler im Laufe des Motorlebens gravierendere Auswirkungen auf die Haltbarkeit.

Verbreitung

Turbodieseldirekteinspritzer werden von vielen Herstellern angeboten. Jeder hat dafür seine eigenen, meist geschützten Kürzel, deren Ausschreibungen meist nicht geschützt sind und nicht immer durchgängig verwendet werden:

  • CDI (Common Rail Direct Injection): Mercedes-Benz, Daimler
  • CDTI (Common Rail Diesel Turbo Injection): Opel
  • CRDi (Common Rail Direct Injection): Hyundai, Kia
  • dCi (Diesel Common-Rail Injection): Renault, Nissan
  • DDIS: Suzuki (Common-Rail)
  • DI-D (Direct Injection Diesel): Mitsubishi (Common-Rail)
  • DTI (Direct Turbo Injection): Opel
  • dTI (Direct Turbo Injection): Renault
  • D-4D (Direct Injection 4-stroke Diesel): Toyota (Common-Rail)
  • HDi (High Pressure Direct Injection): Peugeot, Citroën (Common-Rail)
  • i-CTDi (intelligent Common Rail Turbo Diesel Injection): Honda
  • JTD bzw. JTDM (Jet Turbo Diesel Multijet): Alfa-Romeo, Fiat, Lancia (Common-Rail)
  • TDCi (Turbodiesel Common Rail Injection): Ford
  • TDDI (Turbo Diesel Direct Injection): Ford
  • TDI (Turbodiesel Direct Injection): VW, Audi, Seat, Skoda
  • TDI PD: PD = Pumpe-Düse

Seit Ende der 1990er Jahre sind sie Standard im PKW-Dieselmotorenbau.

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. Das D wird teilweise auch als Diesel interpretiert. Ein zweites D steht für Diesel. Saugdiesel werden nur noch vereinzelt in PKW eingesetzt. Ein Beispiel sind die SDI-Motoren (Saugdiesel Injection) von Volkswagen. Jeder Dieselmotor verfügt prinzipbedingt über eine Einspritzpumpe, sei es eine Verteilerpumpe, eine Pumpe-Düse-Einheit oder eine Common-Rail-Pumpe.

Druckanstieg, Geräusch

Der Nachteil des sonst nur bei großen Dieselmotoren, wie etwa in Lastkraftwagen, verwendeten Direkteinspritzmotors ist das wegen des großen Druckanstieges laute Verbrennungsgeräusch („nageln“). Es ist stärker als bei Dieselmotoren mit Vorkammer- oder Wirbelkammereinspritzung. Selbst Einspritzdrücke an der Grenze des technisch möglichen [1] können die Tröpfchengröße des Kraftstoffes nicht soweit reduzieren, dass es überhaupt keinen Zündverzug gibt, und so einen schnellen und starken Druckanstieg verhindern.

Bei Vorkammermotoren treibt die beginnende Verbrennung das Kraftstoff-Luftgemisch durch einen engen Schußkanal in den Zylinder, wo es weiter verbrennt (geringerer Druckanstieg und längere Brenndauer, dadurch geringere Höchstdrehzahl). Beim Mittenkugelmotor der MAN aus den fünfziger Jahren wurde der Kraftstoff in eine nahezu kugelige Mulde im Kolben eingespritzt, auf der er sich zum Teil niederschlug und während der Verbrennung verdampfte: Nur ein Teil verbrannte schlagartig und half mit, den Rest kontrolliert zu entzünden. Bei modernen Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wurde dieses Prinzip umgekehrt: Der Kraftstoff wird mittig in einen Luftwirbel eingespritzt und verbrennt auf dem Weg zu dessen Rand. Deshalb wird er zeitlich verteilt eingespritzt. Die Voreinspritzung oder auch Pilotmenge ist eine sehr kleine Menge zu Beginn, um eine „sanfte“ Verbrennung einzuleiten. Erst danach folgt die Haupteinspritzung.

Zudem sind Dieselmotoren mit Direkteinspritzung oftmals besser gekapselt, damit sie weniger direkten Luftschall abstrahlen.

Man unterscheidet die Einspritzverlaufsformung der älteren Direkteinspritzer mit Verteilereinspritzpumpe und entsprechender Einspritzdüse mit Gegenkonus und echte Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung bei Common-Rail oder Pumpe-Düse. Dadurch wird der Druckanstieg sanfter, der Motor läuft leiser und vibrationsärmer. Eine bei Bedarf durchgeführte Nacheinspritzung erhöht kurzzeitig die Verbrennungsend- und so die Abgastemperatur, wodurch (auf Kosten des Wirkungsgrades) der Dieselpartikelfilter regeneriert wird.

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.

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 - sowohl Saugrohr- als auch Direkteinspritzer - muss die Gemischbildung zum Zeitpunkt der Zündung abgeschlossen sein, um eine optimale Verbrennung zu gewährleisten.

Durch die direkte Einspritzung kann eine Ladungsschichtung erreicht werden, wodurch der Motor mit Sauerstoffüberschuß im optimalen thermodynamischen Betriebspunkt betrieben werden kann, was insbesondere im Teillastbereich den Wirkungsgrad erhöht. Daraus resultiert ein geringerer Verbrauch und eine geringere Kohlendioxid-Emission. Nachteilig ist die Partikelbildung im Abgas (Feinstaub)[1], weil kein homogenes Kraftstoff-/Luftgemisch vorliegt.

Geschichte

Erste Versuche fanden 1933 mit einem BMW VI-Motor statt. Die direkte Benzineinspritzung wurde während der 1930er Jahre von Mercedes-Benz und Bosch für eine neue Generation von kompressoraufgeladenen Viertakt-Flugzeugmotoren zur Serienreife 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. Der ab 1937 produzierte Flugmotor Daimler-Benz DB 601 war der erste in Serie produzierte Typ. In den 1950er Jahren wurden auch wenige Fahrzeugmotoren mit dieser Direkteinspritztechnik hergestellt.

Anwendung im PKW

Die ersten Serien-PKW mit Benzin-Direkteinspritzung waren der Gutbrod Superior und das Goliath GP 700 E Sportcoupé im Jahre 1951. Beide Fahrzeuge verwendeten einen Zweitaktmotor, dessen Einspritzanlage in Zusammenarbeit mit der Firma Bosch seit 1949 unter der Leitung von Hans Scherenberg bei Gutbrod entwickelt wurde. Die Wagen zeigten sehr gute Fahrleistungen und einen gegenüber der Vergaserversion um 30 % geringeren Benzinverbrauch. Die Fahrzeuge hatten jedoch wegen Dampfblasenbildung Probleme beim Starten .

Scherenberg wurde 1952 Konstruktionsleiter bei Mercedes-Benz. Im Rennsport wurde dort ab 1952 ebenfalls die Bosch-Direkteinspritzung verwendet. Ab 1954 verwendete Mercedes-Benz die Technik im Modell 300 SL bis 1963. Ab 1956 wechselte man (zuerst im Mercedes 300Sc) zur Saugrohreinspritzung, weil das Direkteinspritzverfahren Probleme durch Ölverdünnung verursachte und die erforderliche Einspritzpumpe auch sehr aufwändig herzustellen war.

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. Renault führte den 2-l-16V-IDE im Jahr 1999 im Mégane Coupe ein, später auch im Renault Laguna. Der Volkswagen-Konzern folgte im Jahr 2000 mit dem FSI-Konzept (Fuel Stratified Injection, geschichtete Benzin-Direkteinspritzung).

Daneben setzen folgende Hersteller Benzin-Direkteinspritzung unter weiteren Kürzeln ihrer Motorenkonzepte ein:

  • Alfa Romeo mit JTS (Jet Thrust Stoichiometric) und TBi: (Throttle Body Injection)
  • BMW ohne Kürzel in den aktuellen Reihenvier- und Reihensechszylindermotoren sowie dem Modell 760 Li
  • Daimler (Mercedes-Benz) mit CGI, Stratified (Charged Gasoline Injection) in einem Ottomotor mit 1,8 Liter Hubraum, mit Kompressorlader, Ladeluftkühler und Schichtladung
  • Fiat mit S-JET (Star Jet) und mit T-JET (Turbo Jet) und TBi
  • Ford mit SCi (Smart Charged injection)
  • Lancia mit T-JET
  • Mazda bzw. von Ford entwickelt mit DISI (Direct Injection Spark Ignition)
  • Mitsubishi mit GDI (Gasoline Direct Injection)
  • GM (Opel) mit SIDI (Spark Ignition Direct Injection)
  • PSA Peugeot Citroën (im Citroën C5 und Peugeot 406) mit HPi (High-Pressure Direct-Injection Petrol Engine) mit Hochdruckeinspritzung und Schichtladung im Teillastbereich
  • Porsche mit DFI (Direct Fuel Injection) im Cayenne und ab Modelljahr 2009 im 911
  • Renault mit IDE (Injection Directe Essence)
  • Toyota und Lexus mit D-4 (Benzin-Direkteinspritzung mit 11 Betriebsmöglichkeiten)
  • Volkswagen-Konzern mit FSI (Fuel Stratified Injection), der TFSI kam erst später zum Einsatz
  • Volkswagen-Konzern mit TFSI (Turbo Fuel Stratified Injection)
  • Volkswagen mit TSI (Twincharged Stratified Injection)

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.

Bei großen Zweitaktdieselmotoren für Schiffsantriebe ist die Direkteinspritzung schon länger Stand der Technik.

Weltweit haben sich bis 2009 nur drei Direkteinspritzsysteme für Zweitaktottomotoren erfolgreich durchgesetzt. Es sind dies die FFI, entwickelt von der provenion gmbh in Deutschland, das Orbitalsystem, entwickelt von Orbital Corporation Ltd. in Australien und das CWI System (Compression Wave Injection) entwickelt von Cobb Design in Florida USA.

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

Das Orbital-System 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 und unter der Bezeichnung „PureJet“ am Motorrollermodell NRG Power PureJet des Kraftradherstellers Piaggio eingesetzt. Roller mit 50 cm³ Hubraum setzen das Orbitalsystem ein, um die Abgasvorschriften (Euro 3) zu erfüllen, wobei der geringere Kraftstoffverbrauch ein willkommener Nebeneffekt ist.

Bislang fand das Orbital-System jedoch keine nennenswerte Verbreitung im Markt. Gründe hierfür sind die technische Komplexität und damit verbundene Mehrkosten (Luftkompressor, zwei Magnetventile pro Zylinder, 6 bar Kraftstoffpumpe erforderlich), sowie technische Probleme bei hohen spezifischen Motorleistungen (mangelnde Kolbenkühlung).

Das CWI System wird vom italienischen Motorgeräte Hersteller EMAK unter der Bezeichnung "Burn Right" eingesetzt.

Das Problem der Kolbenkühlung kann durch das Konzept der neuseeländischen Firma Pivotal Engineering Ltd. gelöst werden.[2] Der durch mehrere Patente geschützte Pivotalmotor arbeitet mit zwangsgeführten „Kolben“, die zusätzlich wassergekühlt sind. Somit ist es möglich einerseits mit engen Toleranzen zu arbeiten (geregelte Temperatur), das „Kippen“ herkömmlicher Kolben zu eliminieren und mit nur einem Kolbenring zu arbeiten. Der Begriff Kolben ist etwas irreführend bei diesem Konzept. Allerdings muss erwähnt werden, dass der aktuelle Stand der Entwicklung noch nicht für eine Serienproduktion z. B. im Fahrzeugbau reicht. Ziel der aktuellen Forschung ist ein 1000-cm³-Zwei-Zylinder-Motor für Flugzeug- und Bootsmotoren.

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.

Literatur

Van Basshuysen (Hrsg.); Ottomotor mit Direkteinspritzung; ATZ/MTZ-Fachbuch; Friedr. Vieweg&Sohn Verlag, Wiesbaden 2007; ISBN 978-3-8348-0202-6

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. http://www.weltderphysik.de/de/1723.php
  2. http://www.pivotalengine.com/news.html

Weblinks


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