Vorkammereinspritzung

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Die Vorkammereinspritzung war ein bis in die 1990er Jahre weit verbreitetes Einspritzprinzip für Dieselmotoren. Kennzeichnend ist, dass der Brennraum in Hauptbrennraum und Vorkammer unterteilt ist, der Kraftstoff wird in die Vorkammer eingespritzt. Heute ist sie weitgehend von der Direkteinspritzung verdrängt und kommt nur noch in Nischenanwendungen wie z. B. kleineren Diesel-Generatoren zur Anwendung.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prinzipskizze der Vorkammereinspritzung

Die ersten Dieselmotoren hatten Lufteinblasung und funktionierten nur mit Unterstützung eines Kompressors, da der Kraftstoff mit Druckluft in den Brennraum eingeblasen wurde. Die Motoren waren dadurch sehr groß und schwer und damit für viele Anwendungen unbrauchbar. Prosper L’Orange, zu jener Zeit ein Entwicklungspartner von Rudolf Diesel, erfand 1909 das Vorkammerprinzip, mit dem auf Kompressoren verzichtet werden konnte. Damit legte er den Grundstein für kleine, schnelllaufende und damit für Kraftfahrzeuge geeignete Dieselmotoren.

Bei L’Oranges Erfindung wird der Kraftstoff von einer mechanischen Pumpe ohne Spritzdüse in einen Zwischenkanal zwischen Brennraum und Vorkammer eingebracht. Für die Zerstäubung sorgt die vom Kolben komprimierte Luft, die vom Brennraum in die Vorkammer gedrückt wird. Ein Teil des zerstäubten Kraftstoffs entzündet sich in der Vorkammer, die Expansion drückt und zerstäubt den restlichen im Zwischenkanal enthaltenen Kraftstoff in den Brennraum, wo dann die Hauptverbrennung erfolgt.

Die Einspritzpumpe ist eine mechanische, ungeregelte Pumpe, der Zerstäubungs- und Verbrennungsvorgang ist deswegen schwer zu beeinflussen. Eine wichtige Weiterentwicklung war daher die Einführung der Einspritzdüse, mit der die Kraftstoffzerstäubung genauer und kontrollierter vorgenommen werden kann.

Beschreibung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In die Vorkammer, deren Größe etwa 35 %[1] des Hauptbrennraums entspricht, wird Kraftstoff mit einer Einlochdüse möglichst weit in Richtung auf die Mündung zum Hauptbrennraum eingespritzt[2]. Der Einspritzdruck ist mit maximal 400 bar vergleichsweise moderat, was sich günstig auf die Haltbarkeit von Einspritzpumpe und Einspritzventil und die Nutzung verschiedener Brennstoffe auswirkt. Die Form der Vorkammer soll eine gute Kraftstoff-Luft-Mischung erzielen. Das wird häufig auch mit einem in der Vorkammer angeordneten Prallstift (teilweise auch mit Prallkugel) erreicht, der vom Einspritzstrahl getroffen wird. Im Betrieb wird der Prallstift sehr heiß, der aufgespritzte Kraftstoff verdampft dadurch sehr rasch. Der Zündverzug wird dadurch nochmals reduziert, was Motordrehzahlen von 5.500/min und darüber möglich macht.

Der Kraftstoff wird mit einem Teil der Verbrennungsluft vorgemischt und verbrennt teilweise in der Vorkammer. Die dadurch hervorgerufene Expansion drückt das Gemisch durch einen einmündenden Kanal, den sogenannten Schußkanal, in den Hauptbrennraum. Hier findet die endgültige Verbrennung statt, die auf den Kolben wirkt. Durch den geringen Einspritzdruck und die kontrollierte Verbrennung ist die Belastung der Bauteile niedrig, was die legendäre Lebensdauer und Laufleistung der Dieselmotoren möglich machte (z. B. Mercedes-Benz OM 615).

Vor- und Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vorkammermaschinen können mit sehr geringen Einspritzdrücken von 118 bar bis 132 bar betrieben werden, auch die Zünddrücke sind niedrig, wodurch die mechanische Belastung der Maschine niedrig ist.[3][4] Durch den unterteilten Brennraum ist der Zündverzug allgemein geringer. Vorkammermotoren sind daher für leichtsiedende Kraftstoffe mit geringer Zündwilligkeit geeignet,[5] (Vielstoffeigenschaften), auch die Geräuschemissionen sind geringer als beim historischen Direkteinspritzer;[6] moderne Direkteinspritzer weisen jedoch ein besseres Geräuschemissionsverhalten auf.[5] Prinzipbedingt ist auch der Stickstoffoxidausstoß geringer als bei Direkteinspritzern.[5]

Nachteilig sind insbesondere die großen Wärme- und Strömungsverluste des Vorkammerverfahrens, wodurch Vorkammermotoren einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad haben.[5] Der Kraftstoffverbrauch ist etwa 15 % bis 20 % größer als beim Direkteinspritzer.[4] Für den Kaltstart sind Glühkerzen zur Vorkammerheizung notwendig.[4] Wegen der ineffizienten Verbrennung rußen Vorkammermaschinen stärker.[4]

Varianten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zunächst konnten mit dem Vorkammerverfahren Dieselmotoren kompakt gebaut werden, waren jedoch noch immer nicht als Fahrzeugantrieb geeignet. Erst mit der Erfindung der Nadeleinspritzdüse und der Trichtervorkammer im Jahre 1919 sowie der regelbaren Einspritzpumpe 1921 konnten Vorkammermaschinen schnelllauffähig gebaut werden, sodass sie als Fahrzeugantrieb in Betracht kamen. In den Folgejahren wurde primär die Form der Vorkammer weiterentwickelt, um den Zündverzug weiter zu mindern.[4]

Einige Autoren bezeichnen auch das M-Verfahren als Sondervariante des Vorkammerverfahrens.[4]

Anwendung im Motorsport[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit Einführung der V6-Turbo-Hybridmotoren zur Saison 2014 haben sich auch in der Formel 1 Vorkammereinspritzsysteme etabliert. Aufgrund der Geheimhaltung hinsichtlich technischer Entwicklungen seitens der Formel 1 Motorenhersteller gibt es zwar keine genauen Angaben, der grundsätzliche Einsatz von Vorkammereinspritzung ist jedoch unter Experten seit spätestens 2015 unumstritten.

Den Anstoß zu dieser Entwicklung gab das veränderte Reglement mit reduzierten Einspritzmengen und Einspritzdruck, was zu einem verhältnismäßig mageren Benzin-Luft-Gemisch führt, sowie der Reduzierung des maximal zulässigen Benzinverbrauchs auf 100 kg pro Rennen, was eine Verbesserung des Wirkungsgrades erforderlich machte.

Im Gegensatz zur bisher bekannten Anwendung in Dieselmotoren wurde das System der Vorkammereinspritzung hier also bei Ottomotoren zum Einsatz gebracht. Dementsprechend erfolgt die Gemischzündung mittels Zündkerze. Da das Gemisch in der Vorkammer deutlich fetter ist, also relativ viel Benzin enthält, gelingt die Zündung deutlich leichter und schneller. Die Verbrennung in der Vorkammer entzündet dann das verhältnismäßig magere Gemisch im Zylinder, welches daher effizienter verbrannt wird. Die effizientere Verbrennung erlaubt letztlich die Steigerung der maximalen Motorleistung.[7][8]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor. Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005, ISBN 3-528-23933-6.
  • Heinz Grohe: Otto- und Dieselmotoren. Arbeitsweise, Aufbau und Berechnung von Zweitakt- und Viertakt-Verbrennungsmotoren. 11. Auflage. Vogel-Verlag, Würzburg 1995, ISBN 3-8023-1559-6.

Quellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Uwe Todsen: Verbrennungsmotoren, 2. Auflage, Carl Hanser, München, 2017. ISBN 9783446452275. S. 96
  2. Heinz Grohe: Otto- und Dieselmotoren. Arbeitsweise, Aufbau und Berechnung von Zweitakt- und Viertakt-Verbrennungsmotoren. 11. Auflage. Vogel-Verlag, Würzburg 1995, ISBN 3-8023-1559-6.
  3. F. Sass, Ch. Bouché, A Leitner (Hrsg.): Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, 12. Auflage, Springer, Berlin/Heidelberg, 1963. ISBN 978-3-662-41645-7. S. 177
  4. a b c d e f Rüdiger Teichmann, Günter P. Merker (Hrsg.): Grundlagen Verbrennungsmotoren : Funktionsweise, Simulation, Messtechnik , 7. Auflage, Springer, Wiesbaden, 2014. ISBN 978-3-658-03195-4. S. 381 ff.
  5. a b c d Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert (Hrsg.): Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, 7. Auflage, Springer, Wiesbaden, 2013. ISBN 978-3-658-01691-3. S. 310 ff.
  6. Konrad Reif: Grundlagen Fahrzeug- und Motorentechnik, Springer, Wiesbaden, 2017. ISBN 978-3-658-12636-0. S. 13
  7. Geheime Formel-1-Technik 2016: Einspritzung wie im Lkw. In: Motorsport-Total.com. (motorsport-total.com [abgerufen am 22. Februar 2017]).
  8. Formel-1-Technik 2017: Raffinessen des Renault R.S.17 - Formel1.de-F1-News. In: Formel1.de. (formel1.de [abgerufen am 22. Februar 2017]).