Benzindirekteinspritzung

mini|hochkant=1.5|Schnittmodell eines Ottomotors mit Direkteinspritzung (BMW N53)

Benzindirekteinspritzung ist ein Verfahren zur inneren Gemischbildung bei Motoren, die mit Motorenbenzin betrieben werden, vor allem Ottomotoren. Es ermöglicht gegenüber konventionellen Verfahren eine erhöhte Motorleistung und vermindert den Kraftstoffverbrauch und dadurch den Kohlenstoffdioxidausstoß. Von einer Dieselkraftstoffdirekteinspritzung unterscheidet sich Benzindirekteinspritzung durch den Einspritzdruck, der hier wegen der geringeren Schmierfähigkeit des Benzins niedriger ist.

Bezeichnungen mini|Direkteinspritzung mit wandgeführtem Verfahren bei einem Ford-EcoBoost-Motor mit 3,5 Liter Hubraum und 309 kW

Der Begriff Benzindirekteinspritzung beschreibt die Einspritzung des Benzins mit einer Einspritzdüse unmittelbar in den Zylinder. Durch die Einlassventile wird ausschließlich Luft angesaugt. Im Unterschied dazu wird bei einer Saugrohreinspritzung das Benzin in das Ansaugrohr hinter die Drosselklappe eingespritzt und es wird ein Kraftstoffluftgemisch angesaugt. Man spricht von innerer Gemischbildung, wenn der Kraftstoff direkt eingespritzt wird, und von äußerer Gemischbildung, wenn er außerhalb eines Brennraumes, also zum Beispiel im Ansaugrohr, mit der Ansaugluft gemischt wird.

Funktionsweise

Man unterscheidet verschiedene Betriebsstrategien für die Benzindirekteinspritzung, die sich überwiegend durch Drosselklappenstellung, Einspritzzeitpunkt und Gemischzusammensetzung unterscheiden; ferner sind im Schichtladebetrieb auch die Führung des Kraftstoffstrahls und die Auslegung der Luftverwirbelung im Brennraum Unterscheidungskriterien.

Betriebsstrategien

Homogenbetrieb Schichtladebetrieb Mischung beider Betriebsarten

Einspritzstrahlführung bei Schichtladebetrieb

Luftgeführt Wandgeführt Strahlgeführt

Homogenbetrieb mini|Mercedes-Benz M 198 im 300 SL Flügeltürer, erster Viertaktottomotor für einen Personenwagen mit Benzindirekteinspritzung

Der Homogenbetrieb bedeutet, dass ein Ottomotor mit einem homogenen, stöchiometrisch geregelten Kraftstoffluftgemisch (Verbrennungsluftverhältnis ) betrieben wird. Er kommt ohne schwefelarmen Kraftstoff aus, da er mit einem konventionellen Dreiwegekatalysator zusammen funktioniert. Das Verbrauchseinsparpotenzial steht hier nicht im Vordergrund, stattdessen wird mit diesem Verfahren mehr Drehmoment und damit eine höhere Leistung angestrebt, das Verfahren eignet sich gut für Effizienzsteigerung durch Hubraumverminderung bei gleichzeitiger Erhöhung der spezifischen Hubraumleistung (sogenanntes Downsizing). Der Kraftstoff wird im Homogenbetrieb in den Saughub eingespritzt, sodass er sich früh mit der Luft vermischt und so ein homogenes Gemisch im Brennraum vorliegt. Pkw-Ottomotoren werden heute (2017) mit dieser Betriebsstrategie konstruiert oder mittels Aktualisierung der Motorsteuer-Software darauf umgestellt.

Der Homogenbetrieb ist die konstruktiv deutlich einfacher zu gestaltende Variante der Benzindirekteinspritzung, da sie auch mit einem rein mechanischen Motortrieb (also ohne elektronische Steuergeräte) zu verwirklichen ist. Beim historischen Motor Mercedes-Benz M 198 von 1954, der hier als Beispiel dienen soll, wird deshalb, wie bei vergleichbaren Motoren mit Saugrohreinspritzung oder Vergaser, der Homogenbetrieb eingesetzt. Dabei wird die Luftmasse über die Drosselklappenstellung eingestellt (Quantitätsänderung) und, wie oben beschrieben, der Kraftstoff sehr früh in den Saughub eingespritzt. Selbst bei einer hohen Kurbelwellendrehzahl und damit hohen Kolbengeschwindigkeit ist so noch genug Zeit für das Benzin, sich ausreichend gut mit der Luft zu vermischen, und für das gebildete Gemisch, sich gleichmäßig im Brennraum zu verteilen. Der Einspritzzeitpunkt muss somit nicht an die Motordrehzahl angepasst werden, was die Konstruktion der Einspritzpumpe erheblich vereinfacht.

Schichtladebetrieb Der Schichtladebetrieb bedeutet, dass ein Ottomotor mit einem geschichteten, inhomogenen und teils überstöchiometrischen Kraftstoffluftgemisch betrieben wird. Das maximale globale Luftkraftstoffverhältnis kann dabei Werte von 8 überschreiten (), während das mittlere Luftkraftstoffverhältnis bei Teillast etwa beträgt und bei Volllast . Das Drehmoment wird wie bei einem Dieselmotor nur über die Menge des eingespritzten Kraftstoffes eingestellt, die Drosselklappe bleibt im Idealfall immer weit geöffnet.

Da bei zu magerem homogenem Gemisch die Zündung nicht mehr sicher eingeleitet werden kann, muss das Gemisch geschichtet vorliegen: Anders als beim Homogenbetrieb, wo Kraftstoff und Luft homogen im Brennraum verteilt sind, wird beim Schichtladebetrieb der Kraftstoff so in den Brennraum eingespritzt, dass nur im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch vorliegt, während im Rest des Brennraumes das Gemisch stark mager ist oder aus reiner Luft beziehungsweise rückgeführtem Abgas besteht. Eingespritzt wird in den Kompressionshub. Um das Gemisch zu zünden, muss eine hohe Zündenergie von bis zu 0,14 J aufgebracht werden. Mit dieser Betriebsweise lässt sich vor allem der Kraftstoffverbrauch senken; das gilt insbesondere für den Betrieb mit niedriger Last. Bei Volllast wirkt sich Schichtladung aber nicht mehr auf den Kraftstoffverbrauch aus. Wie auch bei einem Dieselmotor, entstehen durch das überstöchiometrische Gemisch bei der Verbrennung Stickoxide, die einen Speicherkatalysator erforderlich machen; dieser funktioniert nur mit schwefelfreiem Kraftstoff. Da in der Praxis der Verbrauchsvorteil der Schichtladung nur begrenzt zum Tragen kommt, das System aber kostenintensive Abgasnachbehandlung sowie Sonderkraftstoff erfordert, konnte es sich auf breiter Basis nicht gegen den Homogenbetrieb durchsetzen. Wenn Schichtladebetrieb eingesetzt wird, dann nur zusammen mit dem strahlgeführten Einspritzverfahren (siehe unten).

Wandgeführtes Verfahren mini|Nasenkolben für wandgeführtes Verfahren eines Ford-EcoBoost-Motors

Das wandgeführte Verfahren ist ein Verfahren mit großem Abstand zwischen Einspritzventil und Zündkerze. Der Kraftstoff wird auf den nasenförmig ausgebildeten Kolbenboden gespritzt und so zur Zündkerze gelenkt; dieser Vorgang wird durch eine gezielte Drall- (Swirl) oder Walzenströmung (Tumble) der angesaugten Luft unterstützt. Da durch das Auftragen des Kraftstoffes direkt auf den Kolben einzelne Kohlenwasserstoffbestandteile des Kraftstoffes insbesondere bei niedrigen Betriebstemperaturen nicht richtig verbrennen können, werden sie unverbrannt wieder ausgestoßen. Wechselt der Motor von geringer Last in den mittleren Teillastbereich, muss das Benzin zu einem früheren Zeitpunkt eingespritzt werden, was dazu führen kann, dass es außerhalb der vorgesehenen Brennraummulde eingespritzt wird und in die Quetschspalte gelangt, wo es nicht verbrennt und ebenfalls als unverbrannter Kohlenwasserstoff wieder ausgestoßen wird. Des Weiteren ist der Einspritzzeitpunkt an die Kolbengeschwindigkeit und somit an die Drehzahl gebunden. Einspritz- und Zündzeitpunkt müssen deswegen präzise aufeinander abgestimmt sein und die Ladungsbewegung muss der langen Transportdauer des Gemischs vom Kolben bis zur Zündkerze wegen sehr stabil ablaufen.

Luftgeführtes Verfahren

Das luftgeführte Verfahren weist wie das wandgeführte Verfahren einen großen Abstand zwischen Einspritzventil und Zündkerze auf, weshalb auch hier der Kraftstoff zunächst zur Zündkerze transportiert werden muss. Anders als beim wandgeführten Verfahren, wird jedoch der Kontakt von Kraftstoff und Brennraumwand vermieden, was Kraftstoffablagerungen und dadurch schlechtes Abgasverhalten verhindert. Dazu wird allein einlassseitig eine drall- oder walzenartige Ladungsbewegung erzeugt, die den Kraftstoffstrahl zur Zündkerze führt. Durch bestimmte Kolbenbauformen lässt sich dieser Effekt verstärken. Problem dieses Verfahrens ist, dass die drall- oder walzenartige Ladungsbewegung sehr lange erhalten bleiben muss (länger als bei den anderen Verfahren), was den Liefergrad und damit die Leistung verringert. In der Praxis werden luftgeführte Verfahren in Kombination mit wandgeführten Verfahren eingesetzt; es gibt lediglich ein rein luftgeführtes Verfahren ohne diese Kombination (Stand 2017).

Strahlgeführtes Verfahren

Beim strahlgeführten Verfahren ist der räumliche Abstand zwischen Zündkerzenelektrode und Einspritzventil sehr gering, beide Bauteile sind zwischen den Ein- und Auslassventilen angeordnet. Die Einspritzung erfolgt spät, und zwar in den Kompressionshub. Der eingespritzte Kraftstoff vermischt sich durch aerodynamische Effekte rasch mit der ihn umgebenden Luft, was dazu führt, dass es große Schichtungsgradienten gibt: Während im Strahlkern das Gemisch sehr fett ist, nimmt die Luftzahl zum Rand hin schnell zu, das Kraftstoffluftgemisch ist dort also zu mager, um ausreichend zündfähig zu sein; nur im Bereich zwischen diesen beiden Zonen ist es ausreichend gut zündfähig. Die Zündung wird, gemessen in °KW, fast unmittelbar nach der Einspritzung eingeleitet, was den Wirkungsgrad verbessert. Zündkerze und Einspritzventil müssen so angeordnet sein, dass genau im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch vorliegt.

Die erforderliche Präzision bedeutet sehr geringe Fertigungstoleranzen, da das Strahlbild durch kleinste Beeinträchtigungen stark verändert werden kann, was sich negativ auf das Brennverhalten auswirkt. Da der Kraftstoff während der Einspritzung flüssig ist und erst im Brennraum verdampft, kühlt er die Zündkerze stark ab, die jedoch durch die darauffolgende Verbrennung wieder sehr heiß wird, was bedeutet, dass die Zündkerze sehr thermoschockbeständig sein muss. Bei geringer Kolbengeschwindigkeit ist es möglich, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen Kraftstoff und Luft nicht ausreichend groß ist, was dazu führt, dass die Kraftstofftropfen zu groß sind und nicht ausreichend verdampfen, wodurch das Gemisch zu fett wird. Unverbrannter Kraftstoff kann so die Elektroden der Zündkerze und die Einspritzdüse verkoken. Verkokungen der Zündkerze können zu Zündaussetzern führen, während Verkokungen der Einspritzdüse, wie oben erwähnt, das Strahlbild negativ verändern. Ist beim strahlgeführten Verfahren die Kolbengeschwindigkeit zu hoch, werden die Kraftstofftropfen feiner zerstäubt und verteilen sich stärker im Brennraum, wodurch die Gemischschichtung so beeinflusst werden kann, dass im Bereich der Zündkerze kein zündfähiges Gemisch mehr vorliegt. Wenn die Zündkerze zu dicht am Einspritzventil positioniert ist, steigen die Strömungsgeschwindigkeiten im Zündkerzenspalt so stark an, dass die Funkendauer verkürzt wird und nicht mehr genug Energie zur Zündung des Kraftstoffluftgemisches übertragen werden kann.

Mischbetrieb Werden beide Betriebsstrategien kombiniert, so geschieht das, um die sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkende Drosselung des Gemisches so gut wie möglich zu umgehen und die Nachteile des Schichtladebetriebes zu kompensieren. Dazu wird im Betriebsbereich niedriger Last Schichtladebetrieb eingesetzt, während bei höherer Last auf Mager- oder Homogenbetrieb umgestellt wird. Da im Homogenbetrieb bei Volllast die Drosselklappe weit geöffnet ist, gibt es nahezu keine Gemischdrosselung mehr.

Vor- und Nachteile im praktischen Betrieb

Vorteile