Benzin-Direkteinspritzer nutzt Turbo

VDI nachrichten, Ingolstadt, 28. 05. 04 -Nur langsam kommt die Direkteinspritzung (DI) beim Benzinmotor voran. „Strahlgeführte“ Verfahren mit Piezo-Injektoren sollen 2006 den Durchbruch für DI-Ottomotoren bringen. Besonderes Interesse erfährt deshalb der „strahlgeführte“ jüngste Audi DI-Benziner mit Abgasturboaufladung und Magnetventil-Injektoren. Der „2.0 T-FSI“ leistet 147 kW, verfügt über ein max. Drehmoment von 280 Nm (von 1800 min-1 – 4700 min-1) und ist vergleichsweise sparsam.

Rennmotoren mit Benzindirekteinspritzung waren Vorbild für den neuen 2,0-l-Benzindirekteinspritzer von Audi. Im Jahr 2002 stellten die Rennmotorenentwickler in Ingolstadt den V8-Biturbo-Motor für LeMans von Saugrohr- auf Direkteinspritzung (DI) um, die ausschließlich für homogene Verbrennung bei l 1 ausgelegt war. Der Verbrauch dieses zuverlässigen und potenten Motors sank dadurch um rund 9 %. Zugleich sprachen die Motoren erheblich spontaner auf den „Gasfuß“ an.
Den gleichen Weg beschritt Audi nun bei seinem neuen DI-Benziner, über den auf dem diesjährigen Wiener Motorensymposium berichtet wurde. Der vorgestellte 2,0-l-Vierzylinder verfügt ebenfalls über einen Abgasturbolader und vier Ventile je Zylinder. Als Basis dient der 2,0-l-FSI-Saugmotor (FSI ist die Bezeichnung für DI-Ottomotoren im VW-Konzern). Mit 82,5 mm Bohrung und 92,8 mm Hub ist er ein „extremer“ Langhuber, gilt doch bei Benzinern von VW und Audi das traditionelle Stichmaß (Zylindermittenabstand) von 88 mm einzuhalten. Statt der 110 kW leistet der 2,0-l-Turbo-FSI nun 147 kW von 5500 min-1 bis 6000 min-1 und sein maximales Drehmoment steigt von 200 Nm (bei 3500 min-1) auf 280 Nm, das konstant zwischen 1800 min-1 und 4700 min-1 anliegt.
Der neue „2.0 T-FSI“ wird den 1.8 T (132 kW 235 Nm) ablösen, der bei Audi sowie im VW-Konzern in mehreren Baureihen angeboten wird. Die Ingolstädter werden ihn im Herbst zunächst im viertürigen A3 Sportback mit Sechsgang-Handschaltgetriebe liefern. Damit beschleunige er das neue Modell von 0 auf 100 km/h in 7,1 s, von 60 km/h bis 120 km/h im vierten Gang in 5,4 s, und erreicht 234 km/h Höchstgeschwindigkeit. Etwas später soll der 2.0 T-FSI mit dem automatisierten sechsgängigen Doppelkupplungs-Schaltgetriebe DSG (Direktschaltgetriebe) kombiniert werden. Damit liege der mittlere Benzinverbrauch des A3 bei 7,9 l/100 km, hieß es.
Während Mitsubishi bei seinem DI-Ottomotor, dem GDI im Carisma, den Einspritzstrahl durch „Wandführung“ zur Zündkerze leitete, geschieht dies bei den anderen Hersteller durch „Luftführung“. Aber auch sie konnten ebenfalls nicht auf einen zerklüfteten Kolbenboden verzichten.
Audi hatte schon beim Rennmotor der Strahlführung den Vorzug gegeben. Dabei sitzt die Zündkerze in Brennraummitte, während der Kraftstoff von der Seite her in den Brennraum eingespritzt wird. Beim 2.0 T-FSI verwendet Audi einen Kolben mit ausgeprägter Brennraummulde, die zusammen mit dem dachförmigen Brennraumanteil im Zylinderkopf einen nahezu idealen, sehr kompakten Brennraum ergibt. Mit 10,5:1 liegt die Verdichtung für einen aufgeladenen Motor sehr hoch.
Die Verbrennung im 2.0 T-FSI erfolgt homogen bei l 1, auf Schichtladung mit Magerzonen verzichteten die Ingenieure. Damit entfiel die Notwendigkeit eines Denox-Kats, denn der Motor kann auch mit Benzin gefahren werden, das einen höheren Schwefelgehalt als 10 ppm hat, sofern es 95 ROZ/ 98 ROZ besitzt.
Beim 2.0 T-FSI verwendet Audi eine Einkolben-Hochdruckpumpe von Hitachi, die von einem Dreifachnocken auf der Einlassnockenwelle betätigt wird. Ihr wird der Kraftstoff durch eine Niederdruckpumpe mit variablem Vorförderdruck zwischen 2,5 bar und 6 bar zugeführt. Dadurch kann das Benzin bei niedriger Drehzahl mit erhöhtem Druck über die Einspritzleitung (Rail) in die Zylinder gefördert werden, um gute Zerstäubung zu gewährleisten.
Die Magnetventil-Injektoren kommen von Bosch, sie sind direkt mit dem Rail verbunden. Über ein Druckbegrenzungsventil wird überschüssiges Benzin ins Niederdrucksystem zurück geführt. Pulsationen im Niederdrucksystem werden durch zwei Dämpfer mit Metallmembranen aufgefangen.
Seine Luft erhält der Motor durch einen Abgasturbolader (BorgWarner) ohne verstellbare Leitschaufeln, die wegen der hohen Abgastemperaturen an Ottomotoren nicht verwendet werden können. In einem Gussstück integriert sind das Turbinengehäuse und der Abgaskrümmer. Die Abgase treten ohne Umlenkung aus dem Turbinengehäuse direkt in den Katalysator ein, dessen Gehäuse mit vier Schrauben am Gussstück befestigt ist. Auf der „kalten“ Seite befinden sich ein Schubumluft- sowie ein Ladedruckregelventil. Ebenso kompakt wurde die Einlassseite gestaltet, damit sich der Motor für Längs- wie Quereinbau eignet.
Von der Kurbelwelle wird die Auslassnockenwelle durch einen Zahnriemen auf der Frontseite des Motors angetrieben, die Verbindung zur Einlassnockenwelle stellt eine Hülsenkette auf der Getriebeseite her. Eine ungewöhnliche Lösung stellt das Antriebsrad auf der Kurbelwelle dar, das leicht oval ausgeführt ist. Es soll die Drehschwingungen der Nockenwellen reduzieren und den Zahnriemen deutlich entlasten.
Ebenso ungewöhnlich ist das entkoppelte Antriebskettenrad für die beiden Ausgleichwellen unter der Kurbelwelle. Das Rad stützt sich über Bogenfedern gegen die Nabe ab, ähnlich wie bei Kupplungsscheiben. Die Kette, die auch die Ölpumpe antreibt, soll damit drastisch entlastet werden. Die beiden gegenläufigen Ausgleichswellen sind gegen „Zähneklappern“ durch ein Spaltrad verbunden.
Der Motor gehört durch den Grauguss-Zylinderblock mit einem Gewicht von 152 kg (DIN 70020 A) nicht zu den leichtesten seiner Art. Dagegen liegt der spezifische Verbrauch des 2.0 T-FSI gegenüber dem 1.8 T, dem 1,8-l-Fünfventiler mit Abgasturbolader, trotz höherer Leistung zwischen 2 % und 7 % niedriger. Dass lässt bei „downsizing“ auch für Hubraum-kleinere DI-Benziner hoffen.
CHRISTIAN BARTSCH/WOP
25. Internationales Wiener Motorensymposium 29. und 30. April 2004. Lenz, Hans-Peter (Hrsg.), Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 566. VDI Verlag, 2004. Tagungsbericht in 2 Bänden. 1. Band: 354 S., 334 Bilder, 12 Tab 2. Band: 344 S., 300 Bilder, 19 Tab. ISBN 3-18-356612-5. Preis: 218,00 €.