Benzineinspritzung

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Einspritzdüse einer Einpunkt-Saugrohreinspritzung

Die Benzineinspritzung ist die heute gängigste Methode, ein zündfähiges Benzin-Luft-Gemisch für einen Ottomotor zu erzeugen.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Idee der Benzineinspritzung ist fast so alt wie der Verbrennungsmotor selbst: Schon 1884 konstruierte Johannes Spiel bei der Halleschen Maschinenfabrik einen Stationärmotor mit einer mechanischen Einspritzpumpe. 1912 erprobte Bosch einen Motor mit einer umgebauten Schmierölpumpe („Bosch-Öler“) zur Benzineinspritzung; allerdings ohne durchschlagenden Erfolg. Auch später konnte sich die mechanische Benzineinspritzung nie durchsetzen. Eine Ursache ist in der aufwändigen Konstruktion zu suchen. Erst mit Aufkommen der elektronischen Benzineinspritzung wurden Vergaser zum Einsatz an Ottomotoren im Laufe der 1990er Jahre verdrängt.

Mechanische Einspritzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die beiden ersten in Serie gefertigten mechanischen Einspritzanlagen für Benzindirekteinspritzung wurden parallel ab ca. 1934 bei den Junkers Flugzeug- und Motorenwerken für deren Flugmotor Jumo 210 G und bei der Daimler-Benz AG in Zusammenarbeit mit Bosch für den Motor Daimler-Benz DB 601 entwickelt. Die Benzindirekteinspritzung hat den entscheidenden Vorteil einer lageunabhängigen Funktion und neigt nicht wie ein Vergaser zu Aussetzern bei extremen Fluglagen. Der damalige Konstrukteur bei Daimler-Benz, Hans Scherenberg, wurde 1948 Entwicklungsleiter bei Gutbrod und kehrte später zu Daimler-Benz zurück.

Klassische, rein mechanische Benzineinspritzanlagen ermöglichten gegenüber dem Vergaser eine Steigerung der Literleistung von 10–20 % und eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs um 5–15 %.[1] Der Effekt war nicht groß genug, um den größeren technischen Aufwand in Alltagsfahrzeugen zu rechtfertigen, sodass mechanische Einspritzanlagen ab den 1950er Jahren vorwiegend in besonders hubraum- und leistungsstarken Fahrzeugen zum Einsatz kamen. Für Zweitaktmotoren hingegen ergab sich eine deutlichere Kraftstoffeinsparung von 15–25 %, daher waren die ersten Serienfahrzeuge mit Benzineinspritzung kleinere PKW mit Zweitaktmotor, der Gutbrod Superior und der Goliath GP 700 E. Die von Bosch zugelieferte Einspritzanlage war unter Hans Scherenberg entwickelt worden. Für den Wartburg 311 wurden die Vorteile einer Einspritzanlage dargelegt,[2] jedoch kam es nicht zum Serieneinsatz.

Bald folgten auch Viertaktmotoren wie die leistungsstarken Spitzenmodelle von Daimler-Benz, wie der Sportwagen Mercedes 300 SL (1954) und Mercedes 300 Sc (Anfang 1956). Sie waren mit einer mechanischen Direkteinspritzung von Bosch ausgestattet. Die Saugrohreinspritzung kam erstmals im Mercedes 300 (Ende 1957) und dem Mercedes 220 SE (Ende 1958) zum Einsatz. In den 1960er Jahren hatte der Hersteller Kugelfischer eine mechanische Saugrohr-Benzineinspritzung (Kugelfischer-Einspritzung) entwickelt, die z. B. im Peugeot 404 (1963), BMW 2000 tii (1969), BMW 2002 tii / turbo (1971/1973), BMW M1 (1978), Ford Capri RS 2600 (1970) sowie Lancia Flavia iniezione (1965) eingesetzt wurde. Besonders beliebt war diese Einspritzanlage im Rennsport, dort wurde sie seit den 1960er Jahren vielfältig (dann meist mit Einzeldrossel- oder Flachschieberanlagen) eingesetzt und z. B. im Brabham-BMW-Formel-1-Wagen BT52 / BT52B mit dem BMW -M12/13*-Motor und dem brasilianischen Fahrer Nelson Piquet 1983 Weltmeister. Auch das 1973 erste serienmäßig hergestellte Motorrad mit Benzineinspritzung (Münch Mammut TTS/E) hat eine solche Anlage. Der Geschäftszweig Kugelfischer-Einspritzsysteme wurde 1979 von Bosch übernommen, Bosch bot Ersatzteile für die Anlagen bis 1989 weiter an. Die Anlagen und Unterlagen gingen danach von Bosch an den Bosch-Dienst Koller + Schwemmer (Nürnberg) über, der seitdem die Ersatzteilversorgung und die Überholung der Pumpen sicherstellt.[3]

Die vorgenannten Systeme arbeiten mit Dosierpumpen, die über Raumnocken („Kartoffeln“) gesteuert werden, die das Verbrauchskennfeld (Muscheldiagramm) des Motors abbilden. Drehzahl und Gaspedalstellung wirken durch Verschieben und Verdrehen auf den Nocken ein, der Durchmesser wird über einem Abtaststift als Maß der Kraftstoffzuteilung genommen. Der britische Hersteller Lucas Industries entwickelte in den 1950er Jahren ein einfaches elektromechanisches System ohne Raumnocken und Stempelpumpe. Es besteht aus einer elektrisch betriebenen Druckpumpe, einer vom Druck im Ansaugrohr gesteuerten Dosiereinheit und einem motorgetriebenen Verteiler. Dieses System gab es bei Rennsportwagen von Ferrari, Jaguar und Maserati, aber später auch unter anderen im Triumph TR 5 PI (für Petrol Injection).[4]

Die mechanische Benzineinspritzung mit Stempelpumpe (Dosierkolbenpumpe) wurde wegen der aufwändigen Herstellung ab Anfang der 1970er Jahre nicht mehr verwendet. Porsche baute das System noch bis 1976 im Topmodell 911 Carrera mit 210 PS ein. Der letzte Pkw mit einer mechanischen Benzineinspritzpumpe war der bis 1989 gebaute Porsche 930.

Eine modernere, einfachere Form der mechanischen Benzineinspritzung war die K-Jetronic. Sie wurde aus der elektronischen Einspritzanlage „D-Jetronic“ abgeleitet und löste diese Mitte der 1970er Jahre weitgehend ab. Vor allem Fahrzeuge mit sportlichen Motoren wurden damit ausgestattet. Dominierend blieb jedoch der Ottomotor mit Vergaser. Erst in den 1990er Jahren wurde dieser ebenso wie die mechanische Benzineinspritzung selbst von der vollelektronischen Einspritzung verdrängt. Die immer strengeren Abgasnormen beschleunigten diese Entwicklung, sie ließen sich nur noch mit letztgenannter Technologie erfüllen.

Elektronische Einspritzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das erste Serienfahrzeug mit einer elektronischen Benzineinspritzung war das US-Modell Chrysler 300 von 1958. Die erste elektronische Einspritzung von Bosch (D-Jetronic) wurde in der US-Ausführung des VW 1600 eingebaut, der 1967 als VW 1600 LE später auch in Deutschland angeboten wurde. Ab 1969 verwendete Mercedes-Benz das System im 250 CE und 1970 bot Opel im Commodore GS/E als dritter deutscher Hersteller die elektronische Einspritzung an. In den folgenden Jahren ersetzte die mechanische K-Jetronic in vielen Pkw-Modellen die damals noch teuren und auch anfälligen elektronischen Anlagen.

Zunehmend strengere Umweltauflagen führten gegen Ende des 20. Jahrhunderts zu einer zügigen Ablösung des Vergasers und der mechanischen Einspritzung durch die elektronische Benzineinspritzung. Sie wurde in den 1990ern mit der Monomotronic zu einer vollelektronischen Steuerung des Motors ausgebaut.

Motorräder[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Erstes Serienmotorrad mit einer mechanischen Benzineinspritzung von Kugelfischer war die Münch TTS/E von 1973; eine exklusive Maschine, die nur in einer Kleinserie von ca. 30 Stück monatlich hergestellt wurde. Ab 1980 produzierte Kawasaki die Z 1000 FI (Fuel Injection) in größeren Zahlen. Der Vergaser wurde ab Anfang der 1980er-Jahre nur allmählich durch elektronische Einspritzungen ersetzt (z. B. die BMW K 100 RS ab 1983); ab der Jahrtausendwende dann vermehrt. Wie zuvor bei den Pkw, begann dies zunächst bei den hubraum- bzw- leistungsstärksten Modellen. Der Grund für die verzögerte Einführung bei Motorrädern ist darin zu sehen, dass bei Vergasermodellen die Gasannahme sanfter und gleichmäßiger ist und Lastwechselreaktionen weniger abrupt verlaufen. Auch das Konstantfahrtruckeln ist ein einspritzertypisches Problem, das sich durch das geringe Gewicht eines Motorrades im Vergleich zum PKW besonders störend bemerkbar macht. Erst im Laufe der Jahre gelang es, durch leistungsfähigere Motorsteuergeräte diese Charakteristik der Einspritzung so weit in den Griff zu bekommen, dass auch Motorräder damit ausgestattet werden konnten.

Vorteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gegenüber dem Vergaser ergeben sich folgende Vorteile:

  • geringerer Kraftstoffverbrauch durch genauere Berücksichtigung aller Betriebsparameter bei der Kraftstoffzumessung (= -dosierung)
  • höhere Leistungsdichte (= Literleistung = Hubraumleistung) wegen besserer Zylinderfüllung durch strömungsgünstigere Ansaugwege (siehe Ansaugtrakt)
  • weniger schädliche Abgasbestandteile (mit Lambdaregelung)
  • bessere Regelung bei verschiedenen Motorzuständen, zum Beispiel Warmlauf oder Schubabschaltung
  • Anwendungen wie Jetski, Boots-(Außenborder), Flugmotor haben gemeinsam, dass ihre Benzinversorgungssysteme lageunabhängig funktionieren müssen: der Motor darf nicht absterben, wenn z. B. das Flugzeug starke Bewegungen um die Längs- oder Querachse (zum Beispiel im Kunstflug) ausführt oder im Rückenflug, wenn es über Kopf steht und der Motor dennoch weiterlaufen soll. Vergaser, die die Forderung nach einer lageunabhängigen Funktion erfüllen, sind erheblich komplexer als einfache Vergaser, deren Gemischbildung nur in halbwegs aufrechter Lage funktioniert; hier ist die Benzineinspritzung die technisch einfachere Lösung.

Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der mechanischen Kugelfischer-Einspritzung ist der last- und drehzahlabhängige Kraftstoffverbrauch auf einem Steuernocken („Raumnocken“) abgebildet, der je nach Drehzahl und Gaspedalstellung gedreht und verschoben wird. Die Oberfläche des Nockens wird von einem Stift abgetastet, der den Hub der Einspritzpumpe und damit die zugeteilte Benzinmenge beeinflusst.

Die Bosch-Variante regelt hingegen die Kraftstoffzufuhr durch eine schräge Steuerkante der einzelnen Pumpenelemente (Kolben), die über eine Zahnstange gemeinsam verdreht werden. Diese Zahnstange wird außer über die Gaspedalstellung noch über andere Stellgrößen (Luftdruck/Temperatur) beeinflusst.

Anders als bei mechanischen Einspritzungen, die lediglich die Drosselklappenstellung, Luftdruck und -temperatur als Einflussgrößen mit berücksichtigen, wird bei modernen elektronischen Einspritzanlagen auch die angesaugte Luftmenge mit einem Luftmassenmesser gemessen. Aus diesen und anderen Werten (Restsauerstoff im Abgas, Kühlwassertemperatur, Drosselklappenstellung, Motordrehzahl, etc.) wird von der Motorsteuerung die richtige Einspritzmenge errechnet. Eine meist elektrische Einspritzpumpe mit Druckregulierer stellt einen konstanten Kraftstoffdruck bereit. Über die Öffnungszeit der elektromagnetischen Einspritzventile wird dann die Einspritzmenge bestimmt.

Ein Katalysator kann nur bei einem nahezu exakten stöchiometrischen Verhältnis von Lambda (λ) = 1 (d. h. 1 kg Benzin auf 14 kg Luft) des Kraftstoff-Luft-Gemisches die Schadstoffe Kohlenmonoxid und Stickoxide vollständig aus dem Abgas entfernen. Das erfordert eine genaue Messung der angesaugten Luftmasse mit Luftmassenmesser und eine genaue Dosierung des Kraftstoffs zur Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die mechanischen Komponenten eines Vergasers erwiesen sich damit als überfordert, als die gesetzlichen Zulassungsbestimmungen immer geringere Schadstoffemissionen verlangten. Die heutigen gesetzlichen Regelungen bezüglich der Emissionswerte können mit Vergasern nicht erreicht werden, da bei diesen das Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht so genau eingestellt werden kann, dass der Fahrzeugkatalysator alle Schadstoffe abbauen kann.

Arten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Direkteinspritzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der Direkteinspritzung wird mit einem Einspritzventil der Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt. Dabei kann Kraftstoff ungleichmäßig verteilt werden, um so im Teillastbereich ein nur im Bereich der Zündkerze zündfähiges Gemisch bereitzustellen (Schichtladung). Die Firma Bosch ist u. a. Hersteller des Typs MED-Motronic (welche auch als „FSi“ verkauft wird).

Saugrohreinspritzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der Saugrohreinspritzung wird die Gemischbildung nicht im Brennraum, sondern vor dem Einlassventil, hinter der Drosselklappe vorgenommen. Es kann zwischen Einpunkt- und Mehrpunkteinspritzung (Singlepoint bzw. Multipoint Injection) unterschieden werden. Bei der Einpunkteinspritzung sitzt ein Einspritzventil für alle Zylinder vor der Drosselklappe, bei der Mehrpunkteinspritzung ist für jeden Zylinder ein Einspritzventil dicht am Einlassventil vorgesehen: beim Kaltstart kann sich nicht soviel Kraftstoff im Saugrohr niederschlagen

Die Firma Bosch ist Hersteller der Typen:

Auch andere Firmen fertigen Benzineinspritzsysteme mit den unterschiedlichsten Bezeichnungen z. B. das Multec von General Motors, Mikuni, Keihin, Dell’Orto, Ford, Delphi, Magneti Marelli... Mechanische Systeme wurden in Italien von SPICA (heute Teil von Delphi Automotive) z. B. für den Alfa Romeo Montreal und in England von Lucas Industries für den Triumph TR5 produziert.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6
  • Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001, ISBN 3-8085-2067-1
  • Oldtimer Markt, Heft 8 und 9 (2001), VFW Verlag Mainz
  • Jean-Philippe Brothier: Praxishandbuch Benzin-Einspritzanlagen, Heel Verlag Königswinter, 2012, ISBN 978-3-86852-488-8

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Entwicklungstendenzen auf dem Gebiet der Kraftstoffeinspritzung für Ottomotoren. In: Kraftfahrzeugtechnik 4/1959, S. 145–148.
  2. Untersuchungen an Zweitakt-Ottomotoren mit Benzineinspritzung.In: Kraftfahrzeugtechnik 10/1958, S. 370–373 und 11/1958, S. 416–421.
  3. Benzin-Einspritzpumpen. (Memento vom 17. Mai 2012 im Internet Archive) Koller + Schwemmer, abgerufen am 17. Mai 2011.
  4. Roy Patrick Carvane: Lucas Petrol Injection System. Triumph Stag IG, abgerufen am 20. Februar 2016.
    Thomas Wirth: Restaurierungslexikon (176): Druck-Stufe – Lucas-Einspritzung. auto motor und sport, 21. Februar 2007, abgerufen am 21. Februar 2016.