mini|Einspritzdüse einer Einpunkteinspritzung (Bosch Mono-Jetronic)
Die Saugrohreinspritzung ist ein Verfahren zur äußeren Gemischbildung bei Verbrennungsmotoren, vor allem bei Ottomotoren. Der Kraftstoff wird in das Saugrohr des Motors eingespritzt, wo er sich mit der angesaugten Luft vermischt. Vom Kolben wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt, bei dem Luft und Kraftstoff gleichmäßig in einem Verhältnis verteilt sind, das eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffes erlaubt, ohne dass Sauerstoff übrig bleibt (homogenes, stöchiometrisches Gemisch). Der Übergang von der Gemischbildung zur Ansaugung ist fließend. Die Steuerung der Einspritzung kann dabei mechanisch oder elektronisch erfolgen, es kann kontinuierlich oder mit Unterbrechungen (intermittierend) eingespritzt werden. Die Saugrohreinspritzung löste in den 1970er- und 1980er-Jahren im Automobilbereich den Vergaser ab. Jedoch wird seit der Jahrtausendwende durch die Automobilhersteller zunehmend die Benzindirekteinspritzung anstelle der Saugrohreinspritzung eingesetzt.
Es gibt im Wesentlichen zwei Bauarten, die Einpunkt- und die Mehrpunkteinspritzung; während die Einpunkteinspritzung nur eine Einspritzdüse für alle Zylinder unmittelbar hinter der Drosselklappe hat, ist bei der Mehrpunkteinspritzung für jeden Zylinder eine Einspritzdüse vor dem Einlassventil eingebaut. Im Englischen sind zur Unterscheidung dieser beiden Bauarten die Begriffe Single Point Injection (SPI) und Multi Point Injection (MPI) gebräuchlich, im Deutschen werden vereinzelt auch die Begriffe Zentraleinspritzung oder Einzelpunkteinspritzung für die Einpunkteinspritzung und Einzeleinspritzung für die Mehrpunkteinspritzung verwendet. In der Literatur der 1960er-Jahre werden die beiden Bauarten der Saugrohreinspritzung umschrieben als „Kraftstoffeinspritzung in die Saugleitung“ und „Kraftstoffeinspritzung vor das Einlassventil jedes Zylinders“.
Technik Funktionsprinzip Der Kraftstoff wird bei einer Saugrohreinspritzung mit einem Druck von (je nach Bauart) 70 bis 1470 kPa in den Ansaugtrakt des Motors eingespritzt, um ihn so weit zu zerstäuben, dass sich ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet, wenn das Einlassventil öffnet und der Kolben ansaugt. Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung arbeiten mit quantitativer Gemischregulierung, was bedeutet, dass zum Ändern des Drehmomentes, also beim Gasgeben, nur die Menge des angesaugten Kraftstoff-Luft-Gemisches, nicht jedoch dessen Zusammensetzung beeinflusst wird. Dazu wird die angesaugte Luft so stark wie nötig gedrosselt und entsprechend der Masse der Luft passend Kraftstoff zugemischt. Die Zusammensetzung des Gemisches muss so geregelt werden, dass der Kraftstoff vollständig verbrennt. Das Verhältnis von Kraftstoff zu Luft, also die Luftzahl (Lambda), muss für einen guten Motorlauf betragen, ferner funktioniert der Dreiwegekatalysator für die Abgasreinigung nur optimal bei dieser Luftzahl. Für das Einspritzsystem muss also die Masse der angesaugten Luft genau gemessen werden, um immer die richtige Masse Kraftstoff einzuspritzen, sodass beträgt. Mit rein mechanisch geregelten Systemen ist es nicht möglich, präzise genug einzustellen, daher haben moderne Systeme eine elektronische Regelung.
Aufbau Einpunkteinspritzung
Motoren mit Einpunkteinspritzung sind prinzipiell wie Motoren mit Vergasern aufgebaut und unterscheiden sich von diesen nicht stark. Anstelle des Vergasers als Zerstäubungselement wird eine einzelne Einspritzdüse verwendet, die in das Drosselklappengehäuse einspritzt, der Einspritzdruck wird mit einer Pumpe aufgebaut. Diese Bauart bietet gegenüber dem Vergaser nahezu keine Vorteile, sodass sie in den 1960er-Jahren kaum eingesetzt wurde. Mit dem Aufkommen elektronischer Steuergeräte in den 1980er-Jahren wurden Einpunktanlagen mit intermittierender Einspritzung gebaut, da sie dank ihres sehr geringen Einspritzdrucks von etwa 70 bis 100 kPa mit einer preiswerten elektrischen Kraftstoffpumpe gespeist werden können. Ein System wie die Mono-Jetronic wird auch als Mischung aus Vergaser und Einspritzanlage bezeichnet. Einpunkteinspritzungen wurden als kostengünstige Option beim Übergang vom Vergasermotor eingeführt und gelten als überholt, da sich das Gemisch mit ihnen nicht präzise genug bilden lässt.
Mehrpunkteinspritzung
mini|Sechszylinderreihenmotor aus den 1970er-Jahren mit Mehrpunkteinspritzung (BMW M88): Für jeden Zylinder wird der Kraftstoff einzeln in die Ansaugrohre (Bauteile mit den angeschraubten roten Kunststoffrohren) eingespritzt, weshalb es hier sechs Einspritzdüsen gibt. Von der Einspritzpumpe führt zu jeder Einspritzdüse eine Einspritzleitung (weiße Rohre).
Bei Mehrpunkteinspritzung wird jedem Zylinder die Kraftstoffmenge einzeln zugemessen, folglich ist vor jedem Einlassventil eine Einspritzdüse eingebaut. Ein Mehrpunkteinspritzungssystem besteht aus einer elektrisch angetriebenen Kraftstoffpumpe, einer Tankzuleitung, einem Kraftstofffilter, einem Kraftstoffverteiler, den Einspritzdüsen, einem Sensor zum Messen der Luftmasse und, bei modernen Motoren mit elektronischer Regelung, dem Motorsteuergerät. Da nah am Einlassventil hohe Temperaturen herrschen, der Einlassvorgang eine Luftverwirbelung bewirkt und relativ viel Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung steht, muss der Kraftstoff nicht stark zerstäubt werden. Da die Zerstäubungsgüte im Wesentlichen vom Einspritzdruck abhängig ist, reicht ein im Vergleich zur Direkteinspritzung kleiner Einspritzdruck aus. Aus dem geringen Einspritzdruck ergibt sich eine verhältnismäßig geringe Relativgeschwindigkeit zwischen Kraftstoff und Luft, die in relativ großen, langsamverdampfenden Kraftstofftropfen resultiert. Der Zeitpunkt der Einspritzung muss dennoch präzise genug gewählt werden, um durch abgekühlten und nicht mehr richtig verbrennenden Kraftstoff verursachten unnötig hohen Kohlenwasserstoffausstoß zu vermeiden. Deshalb wird bei modernen elektronisch geregelten Mehrpunkteinspritzungen jedes Einspritzventil einzeln angesteuert. Moderne Saugrohreinspritzungen sind elektronisch geregelte Mehrpunktsysteme mit intermittierender Einspritzung. Mechanische Systeme mit kontinuierlicher Einspritzung gelten als technisch überholt.
Einspritzsteuerung Mechanische Einspritzsteuerung mini|Einspritzpumpe System Kugelfischer PL 004. Hier gut sichtbar der Raumnocken.
Es gibt viele verschiedene unterschiedlich funktionierende mechanische Systeme, nachfolgend werden beispielhaft drei Systeme kurz beschrieben.
Historisches System Bosch
Die Steuerung erfolgt für alle Zylinder zusammen, sodass (bei einem Sechszylindermotor) eine Einspritzpumpe mit nur zwei Pumpenstempeln verwendet werden kann. Das Motorkennfeld wird über einen Raumnocken abgebildet. Beim Gasgeben wird die Drosselklappe geöffnet und der Raumnocken gedreht, durch einen Fliehkraftregler wird er axial verschoben. Eine Rolle tastet den Raumnocken ab, die mit einem Hebel über einen Zwischenhebel die Regelstange der Einspritzpumpe verschiebt. Über den Zwischenhebel können verschiedene Korrekturen der Einspritzmenge über andere Stellgrößen (Luftdruck, Kühlwassertemperatur) vorgenommen werden, wenn dies erforderlich ist.
System Kugelfischer
Auch beim Kugelfischer-System wird das Kennfeld über einen Raumnocken abgebildet, es gibt jedoch für jeden Zylinder und damit jedes Einspritzventil einen eigenen Einspritzpumpenstempel. Die Kraftstoffmenge wird durch die Drosselklappenstellung und die Kurbelwellendrehzahl bestimmt. Eine durch eine Steuerkette oder Zahnriemen im Takt der Ventilnockenwelle angetriebene Nockenwelle betätigt die einzelnen Stempel der Einspritzpumpen über Nocken, der Beginn des Hubes der Einspritzstempel wird dabei über einen Regelhebel verstellt, der über den Raumnocken gesteuert wird. Der Raumnocken selbst ist drehfest auf einer Welle gelagert und wird axial durch ein Gestänge von der Drosselklappe aus verschoben, die Abhängigkeit der Einspritzmenge von der Drehzahl wird über einen Drehzahlgeber sichergestellt.
K-Jetronic
Bei der in den 1970er Jahren entwickelten K-Jetronic wird Kraftstoff kontinuierlich in den Ansaugtrakt eingespritzt, die Stellung der Einlassventile wird bei der Einspritzung nicht berücksichtigt. Ein Antrieb der K-Jetronic mittels Zahnriemen von der Kurbelwelle oder Nockenwelle des Motors aus ist nicht nötig, da dem System der Kraftstoff über eine elektrische Förderpumpe mit etwa 500 kPa Druck zugeführt wird. Aus diesem Grund wird das System als antriebslos bezeichnet. Ein mechanischer Stauscheiben-Luftmengenmesser stellt über den Kraftstoffmengenteiler die einzuspritzende Menge Kraftstoff ein. Die Einspritzventile haben bei der K-Jetronic keine Zumessfunktion. Mitte der 1990er Jahre wurde die K-Jetronic nicht mehr allen damals geltenden Abgasvorschriften gerecht und verschwand bei Pkw-Neuentwicklungen.
Elektronische Regelung mini|Geöffnetes Motorsteuergerät einer Bosch-LH-Jetronic
Bei der elektronischen Regelung gibt es keine mechanischen Bauteile, die das Kennfeld abbilden, stattdessen wird ein elektronisches Steuergerät eingesetzt. Hier wird das Kennfeld über elektronische Schaltkreise abgebildet. Vom Steuergerät werden Signale der einzelnen Sensoren (zum Beispiel Luftmassenmesser, Motordrehzahlsensor, Temperaturfühler, Gaspedalstellung) in einer integrierten analogen Schaltung oder einem Digitalrechner verarbeitet und daraus die richtige Kraftstoffmasse berechnet. Das Steuergerät gibt dann ein elektrisches Signal an Einspritzdüsen und die Einspritzpumpe weiter, sodass die richtige Menge Kraftstoff eingespritzt wird.
Bestimmung der Luftmasse
Damit das Kraftstoff-Luft-Gemisch richtig eingestellt werden kann, muss die Masse der angesaugten Luft möglichst genau bekannt sein, damit sie in die Berechnung der richtigen Kraftstoffmenge einfließen kann. Dazu ist bei modernen Systemen ein sogenannter Luftmassenmesser in das Saugrohr noch vor der Drosselklappe eingebaut. Dieser Sensor misst den Luftmassenstrom und gibt an das Motorsteuergerät ein elektrisches Signal weiter, aus dem das Motorsteuergerät die richtige Masse des einzuspritzenden Kraftstoffes berechnet. Als Alternative zum Luftmassensensor gibt es den sogenannten Saugrohrdrucksensor, der den Unterdruck im Saugrohr misst und ebenfalls ein elektrisches Signal an das Motorsteuergerät gibt. Aus diesem Signal, der Drosselklappenstellung und der Kurbelwellendrehzahl kann ebenfalls die Masse der angesaugten Luft berechnet werden. Moderne Systeme haben oft beides. Elektronische Saugrohreinspritzsysteme der 1970er-Jahre (wie zum Beispiel die L-Jetronic) waren üblicherweise mit einem sogenannten Luftmengenmesser ausgestattet. Bei noch älteren mechanischen Systemen wird die Luftmasse nur indirekt über den Unterdruck im Saugrohr über eine Membrane bestimmt, die als Korrekturgröße auf die Regelstange der Einspritzpumpe wirkt.
Einspritzdüsen
Aufbau