Benziner spart mit Direkteinspritzung

Zwei neue Vierzylinder-Ottomotoren mit Direkteinspritzung (DI) von Audi und Mercedes markieren den Trend bei Pkw-Motoren. Der DI-Saugmotor von Audi feiert in der ersten Juliwoche im A4 2.0 FSI seine Premiere, der aufgeladene von DaimlerChrysler soll im Mercedes C 200 CGI gegen Ende des Jahres folgen.

Ottomotoren sollen sparsamer werden. Ein bei den Dieselmotoren schon probates Verfahren ist die Direkteinspritzung (DI) des Kraftstoffs in den Brennraum. Dieses Verfahren wird sich zunehmend auch bei Benzinmotoren im Pkw-Bau durchsetzen, wie kürzlich auf dem 23. Wiener Motorensymposium zu erfahren war. Dabei sind für das Kraftstoffsparen unterschiedliche Wege möglich, wie Audi und DaimlerChrysler bei ihren neuen Vierzylinder-Ottomotoren mit direkter Benzineinspritzung und Schichtladung zeigen.
Grundsätzlich können Ottomotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung auch ohne Schichtladebetrieb ausgelegt werden. Bei diesem sogenannten Lambda(l)-1-Konzept arbeitet der Motor weiterhin im gesamten Kennfeld homogen mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis von 14,7:1. Durch den thermodynamisch günstigen Kühleffekt des direkt im Brennraum verdampfenden Benzins ist eine Kraftstoffeinsparung von 5 % bis 8 % oder eine höhere Leistung bei gleichem Verbrauch möglich. Diese DI-Ottomotoren, die ausschließlich im l-1-Betrieb arbeiten, benötigen kein schwefelfreies Benzin und können weltweit eingesetzt werden. BMW hat seinen neuen V12-Zylindermotor so konstruiert und erzielt durch die drosselfreie Laststeuerung mit der Valvetronic weitere Verbrauchsreduzierungen.
Die andere DI-Variante mit Schichtladung nutzt das Sparpotenzial der direkten Kraftstoffeinspritzung zu etwa 15 % besser aus, benötigt jedoch schwefelfreies Benzin (Schwefelanteil max. 10 ppm). Neben dem schon erwähnten Kühleffekt basiert die Einsparung auf der Entdrosselung. Im Teillastbetrieb arbeiten diese DI-Benziner durch gezielte Schichtladung mit hohem Luftüberschuss (l P 4), der Ottomotor wird dabei wie ein Dieselmotor qualitätsgeregelt. Die Drosselklappe ist also grundsätzlich weit geöffnet und beim Gasgeben wird die Benzinmenge erhöht. Die bisher starken Ottomotor-typischen Drosselverluste treten dann nicht mehr auf. Allerdings muss mit steigender Last oder Drehzahl auf die homogene Gemischbildung mit l = 1 umgeschaltet werden, weil die Zeit zur Gemischbildung zu knapp wird.
DaimlerChrysler setzt beim neuen Ottomotor mit 1,8 l Hubraum für den Schichtladebetrieb das „wandgeführte“ Brennverfahren ein. Der Kraftstoff wird dabei auf den Kolben gespritzt und dann durch Reflexion an der ausgeprägten Kolbenmulde und mit Hilfe der im Brennraum vorhandenen Ladungsbewegung an die Zündkerze geführt und entzündet. Zusätzlich sind bei ihm zur Erhöhung der Turbulenz im Brennraum die beiden getrennten Einlasskanäle so konstruiert, dass es zu einem hohen Luftwirbel (Tumble) kommt.
Mit dem wandgeführten, drallgestützten Verfahren wollen die DaimlerChrysler-Ingenieure eine besonders hohe Robustheit des Schichtungsverfahrens erzielt haben. Den Injektor haben sie zwischen den Einlassventilen mit einem Winkel von 42 Grad zur Horizontalen angeordnet. Der 1,8-l-Motor entwickelt mit Kompressoraufladung 125 kW und 250 Nm und soll Ende des Jahres vorgestellt werden.
Die Motorentwickler von Audi haben sich dagegen für das luftgeführte Brennverfahren entschieden. Auch hier ist die Kolbenform wieder entscheidend, dass an der Zündkerze ein brennfähiges Gemisch entsteht. Das Benzin wird unter einem flacheren Winkel als bei Wandführung eingespritzt, nämlich mit 22,5 Grad.
Der Benzinstrahl ist so ausgelegt, dass er unterhalb der Zündkerze vorbeistreift. Die Kolbenform leitet die intensive Tumble-Strömung der angesaugten Luft in den Bereich der Zündkerze nach oben. Die so entstehende Strömung führt zu einer gründlichen Gemischaufbereitung und lenkt kleine Benzintröpfchen und bereits gasförmigen Kraftstoff direkt zur Zündkerze. Im Vergleich zum wandgeführten Verfahren ist der Weg vom Injektor bis zur Zündkerze bei der Luftführung deutlich kürzer, so die Audi-Ingenieure. Ihr DI-Benziner leistet als Sauger mit 2,0 l Hubraum 110 kW und entwickelt 200 Nm. Er feiert im Audi A4 2.0 FSI in der ersten Juli-Woche seine Premiere.
Alle Experten sind sich jedoch darüber im Klaren, dass beide Verfahren nur Übergangslösungen sind, bis das strahlgeführte Brennverfahren die Serienreife erlangt hat. Hier wird ein Teil des Benzins direkt zur Zündkerze geführt. Der Weg zur Kerze ist minimal und die Zündung erfolgt kurz nach oder teilweise während der Einspritzung. Für Transport und Aufbereitung des Benzins dient ausschließlich der Impuls des Injektors, der Kolbenboden ist somit wieder eben. Erst mit dem strahlgeführten Brennverfahren können die Verbrauchsvorteile der direkten Einspritzung mit 15 % oder mehr im Vergleich zur Saugrohreinspritzung vollständig erschlossen werden, so die Fachleute in Wien.
Besonders die Einspritztechnik muss dafür noch einige Hürden nehmen. Drücke bis 250 bar (heute max. 120 bar), Mehrfacheinspritzungen wie beim DI-Dieselmotor und ein extrem stabiles Strahlbild, so lauten die Anforderungen an das zukünftige Einspritzsystem. Bosch, Delphi, Denso und Siemens VDO Automotive arbeiten unter Hochdruck an der Lösung der Probleme.
Rolf Leonhardt von Bosch,Stuttgart, und Klaus Egger von Siemens VDO Automotive, Regensburg, sehen übereinstimmend extrem schnelle, piezogesteuerte Injektoren als wahrscheinliche Lösung an. Die Siemens VDO Automotive AG könnte da Vorteile auf ihrer Seite haben, da sie diese zukunftsträchtige Technik bereits für DI-Dieselmotoren in Serie hat. Ihr Vorstand Eggert geht davon aus, dass die Produktion von Benzin-Direkteinspritzungen für das strahlgeführte Brennverfahren in den Jahren 2005/2006 starten wird. JÜRGEN GORONCY/WOP

Luftzahl „Lambda“
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt entscheidend das Betriebsverhalten des Ottomotors. Zur vollständigen Verbrennung sind 14,7 kg Luft für 1 kg Benzin notwendig. Bei diesem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist die Luftzahl Lambda (l) = 1, die zugeführte Luftmenge entspricht dem theoretischen Luftbedarf. Mageres Gemisch (l > 1) enthält mehr Luft, fettes Gemisch (l < 1) weniger Luft. Für die Abgasreinigung des Benzinmotors mit dem Dreiwegekatalysator ist l 1 zwingend notwendig. Der Motor wird mit der Drosselklappe quantitätsgeregelt. Wenn mehr Leistung angefordert wird, wird mehr Gemisch – aber immer mit l 1 – in die Brennräume gefördert. Im Magerbetrieb l 3 oder sogar l 4, ist die Drosselklappe voll geöffnet und der Motor wird immer mit Luftüberschuss betrieben.
Für eine höhere Leistung wird mehr Kraftstoff eingespritzt (Qualitätsregelung). Die Zündgrenze ist etwa bei l 1,7 erreicht. Um trotzdem noch magerer zu fahren, wurde die Schichtladung entwickelt, die für die Verbrennung nur an der Kerzenelektrode ein zündfähiges Gemisch benötigt. JG/WOP