mini|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 Zylinder oder den Brennraum eingespritzt.
Dieselmotor Kennzeichen der Direkteinspritzung bei Dieselmotoren 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.
Anfänge mini|Der Motor des Saurer MH4 hat Direkteinspritzung und Aluminium-Motorblock, 1945 mini|Anlage zur Patentschrift, 1903
Herbert Akroyd Stuart konstruierte 1886 den Glühkopfmotor, bei dem der Treibstoff durch den Zylinderraum in den Glühkopf gespritzt wurde. Bei Glühkopfmotoren sind die Anforderungen an Einspritzdruck und -zeit gering. Rudolf Diesel versuchte sich 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 (Lufteinblasung), 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.
1898 führte Friedrich August Haselwander Untersuchungen zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren durch. Haselwander setzte auf einen Verdränger anstelle des von Rudolf Diesel verwendeten Kompressors mit EinspritzdüseNeue Badische Landes-Zeitung vom 1. Juni 1927 (verdichterlosen Dieselmotor) und 1901 entwickelte er den Dieselmotor mit Vorkammereinspritzung (Haselwander-motor).
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.Automotive Engineer: , 29. Juli 2011
Durchbruch bei Lkw- und Industriemotoren MAN entwickelte Anfang der 1940er-Jahre den Fahrzeugmotor D 0534 G mit Direkteinspritzung gegen den Kolbenboden in einer annähernd kugelförmigen Kolbenmulde. Dieser Motor mit 4,5 l Hubraum leistet 51,5 kW und hat einen spezifischen Kraftstoffverbrauch von 218 g/kWh, einen für die 1940er-Jahre äußerst niedrigen 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.
Bei diesen Mittenkugelmotoren von MAN schlug sich der Kraftstoff zum Teil auf der Wand der nahezu kugeligen Mulde im Kolben nieder, verdampfte erst während der Verbrennung und wurde vom Luftwirbel abgetragen („wandverteilende“ Einspritzung). Nur ein kleiner Teil verbrannte schlagartig und entzündete dadurch kontrolliert den Rest. Der Luftwirbel wurde schon beim Ansaugen durch geeignet gestaltete (spiralförmige) Einlasskanäle erzeugt. Das M-Verfahren der Direkteinspritzung von MAN wurde vielfach lizenziert und verbreitete sich auch im Ostblock, wo mit entsprechend lizenzierter Kolbenbauform der Motor 4 VD 14,5/12-1 SRW ab 1967 in großen Stückzahlen produziert wurde.
Bei modernen Dieselmotoren mit Direkteinspritzung ist es umgekehrt: Der Kraftstoff wird in das Zentrum eines Luftwirbels 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.Prospekt zum TDI von Volkswagen 1995
Nachdem sich die direkte Einspritzung in den Dieselmotoren schwerer 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 Direkteinspritzung 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. Die Nenndrehzahlen dieser Motoren liegen mit über 4000/min rund doppelt so hoch wie die von Lastwagenmotoren.
Die elektronisch gesteuerte Einspritzung wurde zunächst an Großdieselmotoren erprobt, unter anderem 1979 in einem Gemeinschaftsprojekt von Bosch und MAN.Elektronisch gesteuerte Einspritzung bei Großdieselmotoren. In: Motortechnische Zeitschrift 12/1979, S. 591–592. Damaliges Hemmnis einer Serieneinführung war weniger das elektronische Steuergerät selbst, sondern es fehlten noch geeignete Sensoren und Schaltelemente, die die elektrischen Impulse mit großer Präzision wieder in mechanische Vorgänge umsetzen. Unabhängig von Bosch und MAN arbeitete man auch in der DDR an elektronischen Einspritzsystemen für Dieselmotoren.Elektronik zukünftig auch im Dieselmotor. In: Kraftfahrzeugtechnik 11/1980, S. 338–339.
Die Bauform der Common-Rail-Direkteinspritzung wurde in der Praxis erstmals 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. restaurierter Sechszylinder-Diesel-Versuchsmotor mit Common-Rail-Einspritzsystem aus einem IFA W50 L/S-Testfahrzeug. Leihgabe des August-Horch-Museums, Zwickau
Durchbruch im Pkw-Sektor Vor 1985 gab es Dieselmotoren mit Direkteinspritzung ausschließlich in Lkws oder als Großmotoren. In Pkw wurden sie im Allgemeinen nicht verwendet, da ihr rauer Lauf („Nageln“) zu den Komfortanforderungen im Widerspruch stand und Letzteres als wichtiger angesehen wurde als der niedrigere spezifische Verbrauch. Der in früheren Diesel-Pkw verbreitete Wirbelkammermotor (außer bei Mercedes-Pkw) hatte aber nicht nur ein deutlich weicheres Verbrennungsgeräusch, sondern entfaltete durch das größere stabil nutzbare Drehzahlband auch eine größere Literleistung. Die Optimierung der Direkteinspritzung über einen breiten Drehzahlbereich galt hingegen auch Ende der 1970er Jahre noch als eine nicht gelöste Aufgabe. Hinzu kam die höhere Stickoxide-Emission, die schon damals wegen angekündigter Gesetzesverschärfungen in den USA als erheblich angesehen wurde und so die weitere Entwicklung von Diesel-Pkw mit Direkteinspritzung entsprechend hemmte.Der Personenkraftwagen mit Dieselmotor (Teil II). In: Kraftfahrzeugtechnik 1/1980, S. 11–17. Wie der Abgasskandal von 2015 und dessen Konsequenzen zeigt, konnte das Problem zu hoher Stickoxid-Emissionen der Diesel-Direkteinspritzung im Pkw auch viele Jahre später nicht zufriedenstellend gelöst werden.
Ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung wurde in Pkw-Großserie erstmals ab 1985 von Toyota in einem geländegängigen Pkw der Familie Land Cruiser, dem Modell HJ61 der Serie J6, angeboten. Der dort verbaute Reihensechszylinder mit der Bezeichnung 12H-T basierte grundlegend auf dem im Vorgängermodell HJ60 und Serie J4 und J7 verbauten 2H Kammerdieselmotor, unterschied sich von diesem jedoch maßgeblich durch einen anderen Zylinderkopf und die Addition eines Turboladers. Die Einspritzung erfolgte, wie beim Vorgänger, mechanisch über eine Reiheneinspritzpumpe. Eine hohe Laufruhe im Vergleich zu anderen frühen (vor allem Vierzylinder-) Direkteinspritzungs-Motoren war durch die Bauform auf natürliche Weise gegeben.
Ab dem Frühjahr 1987 wurde in dem von Fiat angebotenen Fiat Croma TD i.d. erstmals ein Dieselmotor mit elektronisch gesteuerter Direkteinspritzung eingesetzt. Der Motor wurde in einem Fiat-Forschungszentrum in Neapel entwickelt. Der aus dem Nutzfahrzeug Ducato bekannte 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 Neuentwicklung verbundene, mögliche Nachbesserungsaufwände gering halten wollte.
Der dritte Pkw dieser Art war 1988 der (Austin) Rover Montego, dessen Motor von Rover in Zusammenarbeit mit Perkins Engines entwickelt worden war. 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.Nachfolgemotoren siehe hier
Ford, Fiat, Toyota, Austin/Perkins und Audi/VW stellten damit die erste Generation von Diesel-Direkteinspritzungs-Motoren in Pkw. Sie arbeiteten (außer Toyota) mit einer Verteilereinspritzpumpe, das heißt, dass ein Pumpenelement (Kolben und Zylinder) alle Zylinder versorgte. Ford Transit und Fiat Ducato waren noch ohne Aufladung, der Toyota HJ61 hatte einen Turbolader, 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.