Antriebstechnik 19.03.1999, 17:20 Uhr

Hochdruckdiesel dringt in die Domäne des Ottomotors ein

Neue Dieselmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung, die DI-Diesel, haben den Ottomotor bei Kraftstoffverbrauch und Drehmoment längst hinter sich gelassen. Nun schicken sie sich an, den Benzinmotor auch bei der spezifischen Leistung einzuholen.

Dieselmotoren mit Direkteinspritzung machen Furore. Heute sind sie selbst in Pkw der Oberklasse zu finden. Begonnen hat die Entwicklung des DI-Diesels 1976 im VW-Konzern, als Peter Hofbauer die Arbeiten am 1,5-l-Kammerdiesel für den Golf abgeschlossen hatte. Zwar haben davor und danach nahezu alle bekannten Automobilhersteller Versuche unternommen, den Diesel statt in eine Vor- oder Wirbelkammer direkt in den Brennraum einzuspritzen, aber nicht ein einziger führte zielstrebig zur Serienfreigabe.
Welche Schwierigkeiten sich vor den Ingenieuren auftürmten, zeigt allein die Tatsache, daß der erste DI-Diesel des VW-Konzerns, der Fünfzylinder-TDI im Audi 100, erst rund 14 Jahre nach Beginn der Entwicklung serienreif war, obwohl sich zwei Entwicklungsstellen darum bemüht hatten, die Probleme zu lösen: in Neckarsulm unter Leitung Richard van Basshuysens und in Wolfsburg unter Peter Hofbauer. Ohne die aktive Mithilfe von Bosch hätte die Entwicklungsphase freilich noch erheblich länger gedauert.
Eines der Hauptprobleme der DI-Diesel war die Erzielung des benötigten Einspritzdruckes von anfangs etwa 1000 bar vor der Düse. Bei den Kammerdieseln betrug der Einspritzdruck maximal 400 bar, die für die direkte Einspritzung auch nicht annähernd ausreichten. Die Weiterentwicklung der Verteilereinspritz-Pumpe führte schließlich zur heutigen VP 37, die im Endstadium unter Nutzung des Druckstoßprinzips in den Zuleitungen bis zu 1200 bar vor den Düsen liefert. Als Nachfolgerin entwickelte Bosch die Radialkolbenpumpe VP 44, die am jüngsten Audi V6 TDI bis 1650 bar und beim BMW 320 d bis 1750 bar vor den Düsen liefert.
Parallel dazu entstanden bei Bosch in Stuttgart zwei weitere Systeme, die von der Fiat-Tochter Elasis übernommene Common-Rail-(Speichereinspritzung) und die mit VW entwickelte Pumpedüse-Technik. Ungeachtet der Tatsache, daß die Common Rail gegenwärtig nur 1350 bar zu liefern vermag, legten sich DaimlerChrysler, Fiat, Peugeot und Renault darauf fest, obwohl sie gegenüber den Stempelpumpen prinzipbedingte Nachteile besitzt. So ist das Schadvolumen – Kraftstoffvolumen zwischen Hochdruckpumpe und Spritzlöchern in den Düsen – erheblich zu groß. Zudem läßt sich der Spritzdruck nicht so formen, wie es die Motoreningenieure gern hätten, nämlich mit sanftem Anstieg und plötzlichem Abbruch bei Spritzende, wie es bei Stempelpumpen üblich ist.
Eine deutliche Verbesserung wird es geben, wenn die heutigen Magnetventile durch Piezoventile ersetzt werden, die mit etwa vierfach schnelleren Schaltzeiten arbeiten. Die Common Rail von Siemens Automotomobiltechnik mit Piezoventilen wird in etwa einem Jahr erstmals serienmäßig verwendet werden, während Bosch voraussichtlich zwei Jahre länger brauchen dürfte. Siemens spricht von einem Raildruck von 1500 bar, während bei Bosch Versuche laufen, diesen Druck auf 1600 bar zu erhöhen.
Mitte der 80er Jahre begann bei VW unter Leitung von Michael Willmann die Suche nach einem Einspritzsystem, das weit genug in der Zukunft Bestand haben sollte. Es sollte eine erhebliche Leistungssteigerung wie auch die Bewältigung der immer schärferen Abgasgrenzwerte sichern. Aus den umfangreichsten Versuchen, die jemals mit Einspritzsystemen durchgeführt wurden, ging die Pumpdüse als eindeutiger Sieger hervor.
Es ist das einzige System, das heute schon serienmäßig Drücke von mehr als 2000 bar zuläßt und über den gegenwärtigen Stand hinaus genügend Potential für die Zukunft besitzt. So wird auch die Pumpedüse von der Einführung der Piezoventile profitieren, zudem gibt es noch Spielraum für die Optimierung des Schadvolumens.
Es ist anzunehmen, daß solche und andere Grundsatzuntersuchungen von den übrigen Automobilherstellern zur Entscheidungsfindung nicht durchgeführt wurden. Darum dominieren die Motoren mit Stempelpumpen bei der spezifischen Leistung (BMW 320 d mit Bosch VP 44 und 50 kW/1), beim spezifischen Drehmoment (VW 1,9 TDI mit Pumpedüse und 150 Nm/1) und beim günstigsten Verbrauch. Bei Pkw-Vergleichsfahrten wurden in der 2-,0-l-DI-Diesel-Klasse mit Common-Rail-Einspritztechnik zwischen 0,5 l und 2,0 l Mehrverbrauch pro 100 km gegenüber solchen mit Verteilereinspritzpumpen und Pumpedüse gemessen. Die Common-Rail-Motoren zeigen sich lediglich im Laufgeräusch bei Leerlauf überlegen.
Dennoch wird sich die Common Rail allein aus Preisgründen durchsetzen. Beim Vierzylindermotor steht sie mit der Pumpedüse in dieser Disziplin etwa gleichauf. Je mehr Zylinder ein Motor hat, desto preiswerter wird Common Rail im Vergleich zu anderen Systemen. Bei Motoren mit weniger als vier Zylindern dagegen wird die Pumpedüse preiswerter als die Common Rail. VW rüstet bekanntlich auch das „3-l-Auto“, den Dreizylinder im Lupo TDI, mit Pumpedüse aus.
Bei einer Wichtung der unterschiedlichen Systeme dürfte die Pumpedüse allein an erster Stelle stehen, gefolgt von der Verteilereinspritzpumpe VP 44, die vermutlich vor allem bei leichten Nutzfahrzeugen die VP 37 ablösen wird. Erst an letzter Stelle käme die Common Rail, die noch sehr viel Entwicklungsarbeit benötigt, damit sie den Anschluß an die Pumpedüse nicht verliert. Denn die Bedeutung des Druckes, maßgebend für die Zerstäubungsqualität und gleichermaßen notwendig um größere Kraftstoffmengen pro Zeiteinheit in den Brennraum zu spritzen, wird weiter zunehmen.
Für die Weiterentwicklung des DI-Diesels gibt es zusätzlich eine Reihe von interessanten Ansätzen. So etwa durch den elektrisch angetriebenen Abgasturbolader, der gegenwärtig entwickelt wird. Aber auch auf der Werkstoffseite ist einiges zu erwarten, so etwa Aluminium-Zylinderblöcke, wie sie derzeit lediglich bei den DI-Dieseln von DaimlerChrysler für die A-Klasse und von VW für den Lupo TDI verwendet werden. Dagegen wird es weiterhin Zwei- und Vierventiler nebeneinander geben, zumal VW mit dem DI-Rennmotor-Diesel bewiesen hat, daß sich mit zwei Ventilen pro Zylinder auch erheblich höhere Leistungen als heute in der Großserie erzielen lassen.
C. BARTSCH/WOP
Christian Bartsch: Modernste -Dieseltechnik – TDI, die Entwicklung der Direkteinspritzung. -Motorbuch Verlag, Stuttgart, 1998. 2-24 Seiten, 172 Fotos, 62 Zeichnungen. 49,80 DM.
Bärenstark und sparsam ist der V8-Diesel im BMW 740d. Der neue 3,9-l-V8-Biturbo-Dieselmotor arbeitet mit Common-Rail-Direkteinspritzung. Er leistet 175 kW (238 PS) und ist mit 560 Nm der bisher stärkste Pkw-Seriendiesel überhaupt. Der 740d beschleunigt in 8,4 s von 0 auf 100 km/h und erreicht max. 242 km/h. Sein EU-Gesamtverbrauch beträgt 9,8 l/100 km.
Das erste „3-l-Auto“, der VW Lupo TDI, fährt mit einem 1,2-l-Dreizylinder-Diesel (45 kW/61 PS 140 Nm) und verfügt über Pumpedüse-Direkteinspritzung an jedem Zylinder.
Mit der Weiterentwicklung der Direkteinspritzsysteme stiegen die maximalen Drücke vor der Düse im Zylinder.

Ein Beitrag von:

  • Christian Bartsch

  • Wolfgang Pester

    Ressortleiter Infrastruktur bei VDI nachrichten. Fachthemen: Automobile, Eisenbahn, Luft- und Raumfahrt.

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