Direkteinspritzung

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Verschiedene Muldenformen bei Dieselmotorkolben

Die Direkteinspritzung ist ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren und Ottomotoren. Der Kraftstoff wird dabei von einer Einspritzdüse direkt in den Brennraum eingespritzt.

Direkteinspritzung bei Dieselmotoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kennzeichen des Direkteinspritzer-Diesels sind der ungeteilte Brennraum und die geringere Brennraumoberfläche im Vergleich zum Vorkammer- und Wirbelkammer-Motor. Das bewirkt geringere Wärme- und Strömungsverluste und damit einen geringeren spezifischen Verbrauch und höheren Wirkungsgrad. Der Einspritzdruck muss jedoch höher sein, um den Kraftstoff fein genug zu verteilen.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Herbert Akroyd Stuart konstruierte 1886 den Glühkopfmotor mit einer direkten Einspritzung (durch den Zylinderraum in den Glühkopf). Bei Glühkopfmotoren sind die Anforderungen an Einspritzdruck und -zeit gering. Auch Rudolf Diesel versuchte sich um 1890 an einer direkten Einspritzung, es gelang ihm aber nicht, eine Pumpe zu bauen, die einerseits den dafür notwendigen hohen Druck liefern konnte und andererseits genau genug regelbar war. Deshalb verwendete er eine Dosierpumpe mit niedrigem Druck und einen Luftkompressor, um den Treibstoff mit Druckluft fein im Brennraum zu verteilen. Derartige Motoren bewährten sich in ortsfesten Antrieben, ab 1903 in der Binnenschifffahrt und ab 1910 in Hochseeschiffen.

Prosper L’Orange erhielt am 14. März 1909 ein Patent (DRP 230 517) auf das Vorkammerverfahren mit Nadel-Einspritzdüse und einer regelbaren Einspritzpumpe. Der schwere und anfällige Druckluftkompressor entfiel und nach dem Ersten Weltkrieg konnten leichtere Dieselmotoren in Lastwagen eingebaut werden.[1]

Der schwedische Ingenieur Jonas Hesselman ließ sich 1920 einen Vielstoffmotor, den Hesselman-Motor, mit direkter Einspritzung und Fremdzündung durch Zündkerzen patentieren. Die schwedischen Hersteller Scania-Vabis, Tidaholms Bruk und Volvo bauten Lastwagen mit Hesselman-Motoren. Diese Motoren wurden mit Benzin gestartet und konnten nach dem Warmlaufen auf Petroleum oder Diesel umgeschaltet werden. Scania verwendete sie bis 1936, Volvo bis 1947. Sie wurden von Dieselmotoren abgelöst.[2]

1931 entwickelte Harry Ricardo das Wirbelkammerverfahren, mit dem noch höher drehende und leichtere Motoren möglich waren.

Bei Dieselmotoren mit Vor- oder Wirbelkammer treibt die beginnende Verbrennung das Kraftstoff-Luftgemisch durch einen engen Schusskanal in den Zylinder, wo es weiter verbrennt (geringerer Druckanstieg und längere Brenndauer, dadurch geringere Höchstdrehzahl und weicherer Motorlauf).

MAN entwickelte Anfang der 1940er-Jahre den Fahrzeugmotor D 0534 G mit Direkteinspritzung in eine zur Einspritzdüse geneigten kugelförmigen Kolbenmulde. Dieser Motor mit 4,5 l Hubraum leistet 51,5 kW und hat einen spezifischen Kraftstoffverbrauch von 218 g/kWh, einem für die 1940er-Jahre äußerst niedrigem Wert. Anfängliche Befürchtungen, dass die für die Direkteinspritzung gewählte kugelförmige Kolbenmulde ein Festbrennen der Kompressionsringe oder Ausschmelzen des Kolbenwerkstoffes begünstigen würden, stellten sich als unbegründet heraus.[3]

Beim Mittenkugelmotor von MAN aus den 1950er-Jahren wurde der Kraftstoff in eine nahezu kugelige Mulde im Kolben eingespritzt, auf deren Wand er sich zum Teil niederschlug und erst während der Verbrennung verdampfte sowie vom Luftwirbel abgetragen wurde. Nur ein kleiner Teil verbrannte schlagartig und entzündete dadurch kontrolliert den Rest.

Bei modernen Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wurde dieses Prinzip umgekehrt: Der Kraftstoff wird mittig in einen Luftwirbel in einer flachen Kolbenmulde eingespritzt und verbrennt auf dem Weg zu dessen Rand. Zur Geräuschminimierung wird er zeitlich verteilt eingespritzt. Die Voreinspritzung oder Pilotmenge ist eine sehr kleine Menge zu Beginn, um eine „sanfte“ Verbrennung einzuleiten. Erst danach folgt die Haupteinspritzung. Durch die Optimierung der Muldenform (im Vergleich zu LKW-Motoren) konnte die Geräuschentwicklung noch weiter reduziert werden.[4]

Saurer MH4 mit Direkteinspritzer und Aluminium-Motorblock 1945

Nachdem sich die direkte Einspritzung in schweren LKW durchgesetzt hatte, legten 1984 Ford und Fiat den Grundstein für die Einführung der sogenannten schnelllaufenden Dieselmotoren mit direkter Einspritzung. Die Modelle Ford Transit und Fiat Ducato wurden damals erstmals serienmäßig mit Direkteinspritzer-Diesel angeboten. Man muss berücksichtigen, dass es sich dabei um Nutzfahrzeuge oder Leicht-LKW handelt. Jedoch war es die Einführung der Diesel-Direkteinspritzung in diesem Fahrzeugsegment in Großserie. Dabei spielt eine Rolle, dass die Motoren spezifisch PKW-Motoren sind.

Ein Dieselmotor mit Common-Rail-Direkteinspritzung wurde 1985 in der DDR an einem modifizierten W50-LKW im Straßenverkehr-Dauerbetrieb erfolgreich erprobt, die Entwicklung 1987 aber wegen fehlender Kapazitäten zur Produktionseinführung abgebrochen. Der Motor-Prototyp ist heute im Industriemuseum Chemnitz zu besichtigen.[5]

Vor 1987 wurden direkteinspritzende Dieselmotoren ausschließlich in gewerblichen Fahrzeugen sowie bei Großmotoren eingesetzt. In PKW wurden sie nicht verwendet, da ihr rauer Lauf („Nageln“) zu den Komfortanforderungen im Widerspruch stand und Letzteres als wichtiger angesehen wurde als der niedrigere spezifische Verbrauch. Im PKW setzten sich Dieselmotoren mit direkter Einspritzung erst in den 1990er-Jahren durch.

Ein direkteinspritzender Dieselmotor wurde in PKW-Großserie erstmals ab Frühjahr 1987 in dem von Fiat angebotenen Fiat Croma TD i.d.[6] eingesetzt. Der Motor wurde in einem Fiat-Forschungszentrum in Neapel entwickelt. Ein aus dem Nutzfahrzeugbereich bekannter Motor wurde dazu mit einer elektronischen Einspritzsteuerung ausgestattet, welche die Laufruhe auf ein für PKW-Verhältnisse brauchbares Maß verbesserte. Der Fiat Croma war anfangs nur auf dem italienischen Markt erhältlich, da Fiat auf den Auslandsmärkten mit der Entwicklung verbundene mögliche „Kinderkrankheiten“ ausschließen wollte.

Der zweite PKW dieser Art war 1988 der (Austin) Rover Montego, dessen Motor von Rover in Zusammenarbeit mit Perkins Engines entwickelt wurde. Diese Motoren entwickelten schon bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment und ermöglichten dadurch sowohl gute Fahrleistungen als auch geringere Verbräuche.

1990 kam mit dem Audi 100 C3 2,5-Liter-TDI der erste Pkw-Diesel eines deutschen Herstellers mit Direkteinspritzung auf den Markt. Als Fünfzylinder hatte er eine höhere Laufruhe als ein Vierzylinder. Der Motor (1T) wurde auch im Audi 100 C4 (der Ende 1990 erschien und bis Juli 1994 gebaut wurde) verwendet.[7]

Ford, Fiat, Austin/Perkins und Audi/VW stellten damit die erste Generation von Diesel-Direkteinspritzer-Motoren in PKW. Diese arbeitete mit einer Verteilereinspritzpumpe, das heißt mit einer Einspritzpumpe, die alle Zylinder versorgte. Ford Transit und Fiat Ducato waren noch ohne Aufladung, Fiat Croma, die später erschienenen Audi 100 und Audi 80 hatten Turbolader und Ladeluftkühler. Die Verteilereinspritzpumpe im Audi 100 arbeitete noch mit bis zu 800 bar Druck.

1997 brachte der Fiat-Konzern mit dem Alfa Romeo 156 JTD den ersten Serien-PKW mit einer Common-Rail-Einspritzung auf den Markt. Bei diesem System sind Druckerzeugung und Einspritzvorgang räumlich getrennt. Eine Hochdruckpumpe baut den annähernd konstanten Druck dauerhaft auf und speist die für alle Zylinder gemeinsame Leitung (daher Common-Rail), die den Kraftstoff speichert. Die Einspritzvorgänge werden von der Motorelektronik ausgelöst. Sie betätigt dazu Ventile, die den Zylindern zugeordnet sind. Auch von dieser Technik gibt es mehrere Generationen. Das Common-Rail-System arbeitet mit Drücken bis 2000 bar und mittlerweile bis zu fünf Einspritzvorgängen pro Verbrennungsvorgang. Vereinzelt, bei Motoren von BMW und Mercedes-Benz, kam es zu gravierenden Serienproblemen mit Ventil-Einspritzdüsen der Common-Rail-Systeme. Mitunter funktionierte der Absperrvorgang des Ventils nicht; die Common Rail entleerte sich über das defekte Ventil in einen Zylinder. Diese Probleme sind jedoch nach Stand 2011 Vergangenheit.

1998 brachte VW im VW Passat B5 eine weitere TDI-Generation auf den Markt. Bei ihrem Pumpe-Düse-System gibt es weder eine zentrale Einspritzpumpe noch einen für alle Zylinder gemeinsamen Druckaufbau mit Hochdruckpumpe. Jeder Zylinder hat im Zylinderkopf seine eigene Einheit mit Einspritzpumpe und -düse. Dadurch war es möglich, die Einspritzdrücke nochmals zu erhöhen; das Pumpe-Düse-System arbeitet mit bis zu 2500 bar Druck. Jedoch lassen sich hier maximal drei Einspritzvorgänge pro Verbrennungsvorgang realisieren, weil die Steuerung der Einspritzung systembedingt nicht unabhängig vom Druckaufbau ist. Die Pumpe-Düse-Einheiten werden über die Nockenwelle angesteuert, die auch den Ventiltrieb steuert. Vorteil der Pumpendüsen war zunächst der höhere mögliche Druck und damit ein niedrigerer Verbrauch im Vergleich zu Verteilerpumpen und den früheren Common-Rail-Systemen. Nachteile waren stets die Geräuschentwicklung und der hohe Bauaufwand im Zylinderkopf und in den Pumpe-Düse-Elementen, begleitet von Kostennachteilen. Zuletzt steuerten die zwei Nockenwellen vier Ventile je Zylinder und die Pumpe. Mit immer höheren Systemdrücken der Common-Rail verlor das Pumpe-Düse-System seine Vorteile. Zudem ließen sich die gestiegenen Anforderungen an den Umweltschutz nur mit noch mehr Teileinspritzungen realisieren – eine Entwicklung, mit der die Pumpe-Düse-Technik nicht mehr mithalten konnten. Mittlerweile rückten Audi und VW seit Ende 2007 vom Pumpe-Düse-Prinzip ab und adaptierten Modell für Modell ihre Dieselmotoren für Common-Rail.

Technischer Stand[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Seit 2010 werden Motoren dieser Bauart mit Einspritzdrücken von bis zu 2500 bar gefertigt. Die Common-Rail-Technik hat sich wegen ihres einfachen Aufbaus, der damit geringeren Kosten sowie Erreichung der Euro-5-Norm durchgesetzt.

Ein wichtiger Vorteil des Common-Rail-Verfahrens ist die Möglichkeit einer Vor-(oder Pilot-)Einspritzung. Nachdem eine geringe Kraftstoffmenge eingespritzt wurde, schließt die Düse wieder, um dem Kraftstoff Zeit zur Entzündung zu geben. Dann erst wird die Hauptmenge eingespritzt. Zum Zeitpunkt der Zündung befindet sich dadurch nur eine kleine Menge Kraftstoff im Brennraum, die schlagartig verbrennt. Der dieseltypische raue Lauf durch den Zündverzug kann dadurch weitgehend vermieden werden und die Motoren laufen zum Teil annähernd so ruhig wie Ottomotoren.

Zusätzlich kann auch die Haupteinspritzung in mehrere Einspritzvorgänge unterteilt werden, um (vor allem bei niedrigen und mittleren Drehzahlen) die Verbrennung zu verzögern und dadurch den Druckanstieg und den Spitzendruck zu vermindern. Das senkt das Geräusch und die mechanische Belastung des Motors. Eine Nacheinspritzung kann die Verbrennungsendtemperatur und somit die Abgastemperatur erhöhen; das ist notwendig, um einen Dieselrußpartikelfilter zu regenerieren, aber auch ohne Filter bildet sich dadurch weniger Ruß im Motor.

Verbreitung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Direkteinspritzer mit Turboaufladung werden von vielen Herstellern angeboten. Jeder hat dafür sein eigenes, meist markenrechtlich geschütztes Kürzel. Jedoch werden deren Ausschreibungen meist nicht geschützt und auch nicht immer durchgängig verwendet:

  • CDI (Common Rail Direct Injection): Daimler, Mercedes-Benz
  • CDTI (Common Rail Diesel Turbo Injection): Opel
  • CRD (Common Rail Direct Injection): Jeep
  • CRDi (Common Rail Direct Injection): Hyundai, Kia
  • d (Diesel): BMW, Jaguar, Rover, Infiniti, Mercedes
  • D oder SD (Diesel oder SportDiesel): Mini, Subaru, Volvo
  • dCi (Diesel Common-Rail Injection): Dacia, Nissan, Renault
  • DDiS (Direct Diesel injection System): Suzuki (Common-Rail)
  • DI-D (Direct Injection Diesel): Mitsubishi (Common-Rail)
  • DiTD (Direct Injection Turbo Diesel): Mazda
  • dTI (Direct Turbo Injection): Renault
  • D-4D (Direct Injection 4-stroke Diesel): Toyota (Common-Rail)
  • EDIT (Ecotec Direct Injection Turbo): Opel
  • HDi (High Pressure Direct Injection): Citroën, Peugeot, DS (Common-Rail)
  • i-CTDi (intelligent Common Rail Turbo Diesel Injection): Honda
  • i-DTEC (intelligent Diesel Technology Electronic Control): Honda
  • JTD bzw. JTDM (Jet Turbo Diesel Multijet) oder nur noch Multijet: Alfa-Romeo, Fiat, Lancia, Jeep (Common-Rail)
  • SD4/TD4/eD4, TD6/SDV6/TDV6, SDV8: LandRover
  • SIDI (Spark Ignition Direct Injection): Opel
  • SKYACTIV-D: Mazda
  • TDCi (Turbodiesel Common Rail Injection): Ford
  • TDDI (Turbo Diesel Direct Injection): Ford
  • TDI (Turbodiesel Direct Injection): Audi, Seat, Škoda, Volkswagen
  • XDi oder e-XDi: Ssangyong

Seit Ende der 1990er-Jahre sind Direkteinspritzer 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 ohne Vor- oder Wirbelkammer direkt in den Zylinder eingespritzt wird. Ein zweites D steht für „Diesel“. Dieselmotoren ohne Aufladung werden nur noch vereinzelt in PKW eingesetzt, zum Beispiel die SDI-Motoren von Volkswagen. Jeder Dieselmotor hat eine Einspritzpumpe, sei es eine Verteilerpumpe, eine Pumpe-Düse-Einheit oder die Hochdruckpumpe des Common-Rail-Systems.

Druckanstieg, Geräuschentwicklung, Gesundheitsgefahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Alte Dieselmotoren mit Direkteinspritzung haben durch den starken Druckanstieg bei der Zündung ein lautes Verbrennungsgeräusch, das sogenannte Nageln. Moderne Dieselmotoren haben Piloteinspritzung, die das Nageln unterbindet, sodass es praktisch nicht mehr auftritt.[8]

Man unterscheidet die Einspritzverlaufsformung der älteren Direkteinspritzer mit Verteilereinspritzpumpe und entsprechender Einspritzdüse mit Gegenkonus und echte Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung bei Common-Rail oder Pumpe-Düse. Dadurch wird der Druckanstieg sanfter, der Motor läuft leiser und vibrationsärmer. Eine bei Bedarf durchgeführte Nacheinspritzung erhöht kurzzeitig die Verbrennungsend- und so die Abgastemperatur, wodurch (auf Kosten des Wirkungsgrades) der Dieselpartikelfilter regeneriert wird.

Direkteinspritzung bei Ottomotoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schnittbild eines Ottomotors mit Direkteinspritzung

Ottomotoren mit Direkteinspritzung können wie konventionelle Ottomotoren mit homogenem, aber auch wie Dieselmotoren mit inhomogenem Gemisch betrieben werden, wobei das Gemisch geschichtet wird. Die Gemischdrosselung ist so nicht oder nur mehr teilweise notwendig, das Drehmoment wird dann nur über die eingespritzte Kraftstoffmenge eingestellt. Das Benzin kann auf die Kolbenmulde (wandgeführt), gelenkt durch eine Luftströmung (luftgeführt) oder nur durch den Einspritzdruck bestimmt (strahlgeführt) eingespritzt werden. Gegenüber Vergaser- und Saugrohreinspritzmotoren ist der Wirkungsgrad verbessert und die Leistung erhöht, allerdings ist das Abgasverhalten insbesondere bei Schichtladebetrieb im Anbetracht der Stickoxidbildung nachteilig.

Anfang des Ersten Weltkrieges wurde Direkteinspritzung beim Ottomotor erstmals erprobt und in den 1930er-Jahren erstmals in Serie für den Einsatz in Flugzeugen produziert, der Einsatz in Pkw erfolgte ab den 1950er-Jahren, blieb jedoch anfangs ohne weite Verbreitung, da sie den günstigeren Vergaser nicht verdrängen konnte. Während von Anfang der 1980er-Jahre bis in die 1990er-Jahre hinein die Saugrohreinspritzung das vorherrschende Gemischbildungssystem war, wird die Benzindirekteinspritzung seit 1995 wieder vermehrt für Pkw-Motoren eingesetzt. Die ersten Motoren mit Benzindirekteinspritzung hatten mechanische Reiheneinspritzpumpen, moderne Motoren haben meist Common-Rail-Einspritzung. Während man noch in den 1990er-Jahren versuchte, Ottomotoren mit geschichtetem Gemisch zu betreiben, wurde wegen der problematischen Abgasentwicklung insbesondere außerhalb des Teillastbereichs bzw. vollständig wieder auf Homogenbetrieb umgestellt.[9]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Van Basshuysen (Hrsg.): Ottomotor mit Direkteinspritzung. ATZ/MTZ-Fachbuch, Friedr. Vieweg&Sohn Verlag, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8348-0202-6
  • Hütten, Helmut: Motoren - Technik, Praxis, Geschichte. Motorbuch Verlag, Stuttgart 1982, ISBN 3879433267

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Patent DE230517: Verbrennungskraftmaschine für flüssige Brennstoffe. Angemeldet am 14. März 1909, Anmelder: Benz & Cie, Rheinische Gasmotorenfabrik AG, Erfinder: Prosper L’Orange.
  2. Automotive Engineer: Jonas Hesselman developed gasoline direct injection to help improve his dual-fuel engine (Memento vom 5. Juli 2015 im Internet Archive), 29. Juli 2011
  3. H. Kremser: Der Aufbau schnellaufender Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge und Triebwagen. In: Hans List (Hrsg.): Die Verbrennungskraftmaschine. Band 11. Springer, Wien 1942, ISBN 978-3-7091-5016-0, S. 135–136, doi:10.1007/978-3-7091-5016-0 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  4. Prospekt zum TDI von Volkswagen 1995
  5. Industriemuseum Chemnitz: restaurierter Sechszylinder-Diesel-Versuchsmotor mit Common-Rail-Einspritzsystem aus einem IFA W50 L/S-Testfahrzeug. Leihgabe des August-Horch-Museums, Zwickau
  6. Fiat Croma TDi ab 1987@1@2Vorlage:Toter Link/www.fiat.de (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiveni Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  7. Nachfolgemotoren siehe hier
  8. Robert Bosch (Hrsg.): Dieselmotor-Management: Systeme und Komponenten, 4. Auflage, Springer, Wiesbaden, 2004, ISBN 9783528238735, S. 33
  9. Richard van Basshuysen (Hrsg.): Ottomotor mit Direkteinspritzung – Verfahren · Systeme · Entwicklung · Potenzial, 3. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2013, ISBN 9783658014087

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]