Direkteinspritzung

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

Inhaltsverzeichnis

1 Direkteinspritzung bei Dieselmotoren
2 Direkteinspritzung bei Ottomotoren
3 Siehe auch
4 Weblinks

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 Nebenkammer-Motor. Dies bewirkt geringere Wärme- und Strömungsverluste und damit einen geringeren spezifischen Verbrauch und höheren Wirkungsgrad.

Geschichte

Der Ursprung des Direkteinspitzverfahrens geht bereits auf Rudolf Diesel zurück, der eine luftgestützte Kraftstoffeinblasung verwendete. In Kraftfahrzeugen wurde zunächst das MAN-Mittenkugelverfahren verwendet. Vor 1987 wurden Direkteinspritzer-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 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 1989 der Audi 100 TDI. 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 setzt sich wegen ihres einfacheren Aufbaus durch.

Verbreitung

Turbodieseldirekteinspritzer werden von vielen Herstellern angeboten. Jeder hat dafür seine eigenen, meist geschützten Bezeichnungen, z.B.

TDI: VW /Audi /Seat / Skoda
TDI PD: PD=Pumpe-Düse, 6-Zylindermotoren meist Common-Rail
DTI: Opel
dTI: Renault
TDCI: Ford (Common-Rail)
CDTI: Opel (Common-Rail)
CDI: Mercedes-Benz, Daimler-Chrysler (Common-Rail)
JTD: Fiat, Alfa-Romeo (Common-Rail)
dCi: Renault, Nissan (Common-Rail)
HDi: Peugeot, Citroën (Common-Rail)

Seit Ende der 1990er Jahre sind sie quasi 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 interepretiert. Ein zweites D steht für Diesel. Saugdiesel werden nur noch vereinzelt in PKW eingesetzt. Ein Beispiel sind die SDI-Motoren 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 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

Die ersten Serien-PKW mit Ottomotor-Direkteinspritzung waren der Gutbrod Superior und der Goliath GP 700 im Jahre 1951. 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 setzen folgende Hersteller Ottomotor-Direkteinspritzung unter weiteren Kürzeln ihrer Motorenkonzepte ein:

Alfa Romeo mit JTS (Jet Thrust Stoichiometric)
BMW ohne Kürzel in den aktuellen Reihenvier- und Reihensechszylindermotoren sowie dem Modell 760 Li
DaimlerChrysler(Mercedes-Benz) mit Stratified Charged Gasoline Injection (CGI) in einem Ottomotor mit 1,8 Liter Hubraum, mit Kompressorlader, Ladeluftkühler und Schichtladung
Fiat mit S-JET ( Star Jet)
Fiat mit T-JET (Turbo Jet)
Ford mit SCi (Smart Charged injection)
Mitsubishi mit GDI (Gasoline Direct Injection)
GM (Opel) mit SIDI (Spark Ignition Direct Injection)
Peugeot Citroën SA (PSA)-Konzern im Citroën C5/Peugeot 406) mit HPi (High-Pressure Direct-Injection Petrol Engine) mit Hochdruckeinspritzung und Schichtladung im Teillastbereich
Renault mit IDE (Injection Directe Essence)
Toyota und Lexus mit D4 (Benzin-Direkteinspritzung mit 11 Betriebsmöglichkeiten)
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.

Weltweit haben sich bis 2007 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. Roller mit 50-cm³ Hubraum setzen das Orbitalsystem ein, um die Abgasvorschriften (Euro3) 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, 2Magnetventile pro Zylinder, 6bar Kraftstoffpumpe erforderlich), sowie technische Probleme bei hohen spezifischen Motorleistungen (mangelnde Kolbenkühlung).

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.