Bei der Common-Rail-Einspritzung, die auch "Speichereinspritzung" genannt wird, handelt es sich um Einspritzsysteme für Verbrennungsmotoren, bei denen eine ungesteuerte Hochdruckpumpe den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau bringt. Der unter Druck stehende Kraftstoff füllt ein Rohrleitungssystem, das bei Motorbetrieb ständig unter Druck steht.
Einspritzung beim Common-Rail-Verfahren
Der Einspritzzeitpunkt und die -menge werden durch eine Motorelektronik gesteuert. Die elektrischen Signale steuern je Zylinder ein elektrisch betätigtes Ventil, das in die Einspritzdüse eingebaut ist. Durch die kurzen Wege zwischen Ventil und Einspritzdüse ergeben sich kurze Druckanstiegszeiten, was dem Verbrennungsprozess und dessen Steuerung zugute kommt. Es sind verschiedene Einspritzungen realisierbar, z. B. Voreinspritzung, Haupteinspritzung und Nacheinspritzung. In Abhängigkeit vom Steuergerät sind diese frei steuerbar. - Skizze des Prinzips
Unterschiede zur klassischen Einspritzung
Motoren mit Reihen- oder Verteilereinspritzpumpe weisen für jeden Zylinder eine eigene Hochdruckleitung zwischen Einspritzpumpe und Einspritzdüse auf. Diese Hochdruckleitungen sind dabei untereinander nicht verbunden. Die Einspritzung wird direkt durch den entsprechenden Kolben der Einspritzpumpe ausgelöst.
Bei klassischen Einspritzpumpen ist die Einspritzmenge und -dauer vom Kolbenhub (und damit vom Kurbelwinkel) abhängig. Das erlaubt genau einen Einspritzvorgang pro Arbeitstakt, der durch spezielle Düsengestaltung (Vorhub) zusätzlich variiert werden kann. Durch die Common-Rail-Technik ist es möglich, die Einspritzmenge und -dauer völlig unabhängig vom Kurbelwinkel zu gestalten und so auch eine Mehrfacheinspritzung zu ermöglichen.
Geschichte
Common-Rail-Systeme wurden für Direkteinspritzungen für Dieselmotoren entwickelt. Die Direkteinspritzung für Benzinmotoren befindet sich noch im Anfangsstadium ihrer Entwicklung, obwohl erste Flugzeugmotoren (beispielsweise 1937 der Daimler-Benz Motor DB 601A sowie 1938 der Junkers Motor Jumo 210Ga der Messerschmitt Me109) schon zu Zeiten des 2. Weltkrieges über Benzin-Direkteinspritzung verfügten und zuverlässig eingesetzt wurden.
Das theoretische Prinzip ist aus der Forschung der ETH Zürich in den Jahren 1976 bis 1992 entstanden und niemals vorher an einem Fahrzeug eingesetzt worden. Es ist einfach und genial zugleich: Durch kontinuierliches Pumpen von Dieseltreibstoff in eine Verteilerleiste wird Druck erzeugt. Diese Hochdruck-Verteilerleiste (Rail) hält den Treibstoff für die Versorgung aller Zylinder gemeinsam bereit.
Ende der Achtzigerjahre begann, basierend auf die Forschung der ETH Zürich, die Vorbereitung des Unijet-Systems. Die Anlage wurde von Magneti Marelli, dem Centro Ricerche Fiat und Elasis nach dem Prinzip Common Rail entwickelt. Diese Phase wurde im Jahr 1994 abgeschlossen, und Fiat Auto wählte den Partner mit der grössten Kompetenz auf dem Gebiet der Einspritzanlagen für Dieselmotoren: Das Projekt wurde für die Endphase, für letzte Entwicklungsarbeiten und industrielle Fertigung, dem Unternehmen Bosch übertragen. So kam elf Jahre nach dem Fiat Croma TD i.d. im Oktober 1997 ein weiteres Fahrzeug auf den Markt: der Alfa Romeo 156 JTD, ausgerüstet mit einem revolutionären Turbodiesel-Motor, der Ergebnisse erbrachte, die bis dahin undenkbar gewesen waren.
Für Diesel-Pkw kam die Common-Rail Technik im Oktober 1997 im zur Fiat Gruppe gehörenden Alfa Romeo 156 JTD zum Einsatz. 1998 folgte Mercedes Benz mit dem C220 CDI als erster deutscher Hersteller dieser Entwicklung.
Die Entwicklung zur Serienreife betrieben Fiat, Magneti Marelli, Mercedes Benz und Bosch gemeinsam, wobei die ETH Zürich und Fiat erhebliche Pionierarbeit leisteten und somit als Erfinder des Common-Rail-Systems gelten.
Bei den Benzin-Pkw ist VW (in Zusammenarbeit mit dem Zulieferer Bosch) ein Verfechter der Direkteinspritzung. In den letzten Jahren wurde ein Großteil des Motorenprogramms auf die von VW/Audi FSI bzw. TFSI genannte Technik umgestellt. Den ersten Serien-Pkw mit geschichteter Benzindirekteinspritzung brachte Mitsubishi mit dem Carisma im Jahr 1997 auf den Markt.
Heutige Anbieter von Common-Rail Systemen sind Bosch, Delphi, Denso, Magneti Marelli und SiemensVDO.
Das Diesel-Common-Rail-System
Das Diesel-Common-Rail-System wird als Speichereinspritzung bezeichnet. Das komprimierbare Volumen des Kraftstoffes im Common-Rail liegt in der Größenordnung der Kraftstoffmenge einer Einzeleinspritzung (abgesehen von der Kraftstoffmenge die durch Leckageverluste in den Injektoren ausgeglichen werden muss). Daher muss eine Hochdruckpumpe dauernd für die Aufrechterhaltung des Druckes sorgen.
Speicher
Der Speicher soll den pulsierenden Förderstrom der Hochdruck-Einspritzpumpe beruhigen. Weil die Einspritzmengen je Einspritzvorgang sehr klein sind, kann die elastische Längs-und Querdehnung der metallischen Hochdruckleitungen als Pufferspeicher genutzt werden.
Erreichbare Drücke
Der Raildruck (also der Druck im Druckspeicher) von zur Zeit bis zu 180 MPa (1805 bar) kann für sehr hohe Einspritzdrücke genutzt werden. An einer weiteren Erhöhung auf 200 MPa (2000 bar) und mehr wird gearbeitet. Als eine neue Form der Common-Rail-Einspritzung wird bei Bosch an einem druckübersetzten Common-Rail-System gearbeitet. Dabei wird der Einspritzdruck mit Hilfe des anstehenden Druckes im Druckspeicher während der Einspritzphase auf Drücke von bis zu 250 MPa (2500 bar) erhöht. Die Druckübersetzung wird durch einen im Injektor integrierten Druckübersetzer mit Steuerfunktionen ausgeführt. Das Prinzip wird auch als Amplified Common Rail (ACR) bezeichnet. Vorteilhaft ist dabei die geringere Belastung der Hochdruckpumpe. Nachteilig ist der höherere Aufwand der durch die komplexeren Injektoren entsteht.
Zweck und Vorteile
Das Hauptziel ist die Optimierung des Verbrennungsprozesses vor dem Hintergrund einer weiteren Verbesserung der Motorlaufeigenschaften und einer weiteren Reduzierung der Partikelemissionen. Die vom Verbrennungsmotor angetriebene Hochdruckpumpe bringt den vom Vorfördersystem, welches bei den aktuellen Systemen zumeist auf einer elektrischen Vorförderpumpe beruht, aus dem Tank bereitgestellten Kraftstoff auf den erforderlichen und vom Steuergerät vorgegebenen Einspritzdruck im Druckspeicher. Die Injektoren (Einspritzdüsen) sind an die gemeinsame Hochdruckrail (Kraftstoffsammelschiene) angeschlossen, welche mit dem Druckspeicher verbunden ist, und spritzen den Kraftstoff direkt in den Brennraum.
Nachteile
Weiterhin hat eine Common-Rail-Einspritzanlage systembedingt folgende Nachteile:
* Zum permanenten Aufrechterhalten des hohen Rail-Druckes muss eine gewisse Leistung vom Motor aufgebracht werden. Je nach Common-Rail-System, Drehzahl und Leistungsbedarf des Motors muss der Druck im Speicher auf- und abgebaut werden. Daraus resultiert eine gewisse Verringerung des gesamtmotorischen Wirkungsgrades sowie die Notwendigkeit einer Kraftstoffkühlung.
* Bei einem Versagen des Einspritzventils (Verklemmen oder Verschmutzen der Düse) ist es möglich, dass permanent Kraftstoff in den Brennraum fließt (bei klassischen Systemen dagegen nur im Arbeitstakt). Dies erfordert eine zusätzliche Absicherung des Systems.
Einspritzsteuerung
Die Öffnung der Injektoren ("Einspritzdüsen") wird nicht wie bei Verteilereinspritzanlagen oder Hubschieber-Reiheneinspritzanlagen durch den Kraftstoffdruck ausgelöst, sondern durch elektrische Ansteuerung, wobei der Kraftstoffdruck jedoch die wesentliche Kraft zum Heben der Düsennadel liefert. Über die Zeitdauer und die Stromstärke der Injektoransteuerung kann der Einspritzverlauf beeinflusst werden sowie extrem kurze Öffnungszeiten erreicht werden, die eine oder mehrere Voreinspritzungen vor der eigentlichen Haupteinspritzung ermöglichen. Voreinspritzungen sind als Einmalvorgang auch mit elektronisch beeinflussbaren Verteilerpumpen sowie beim System Pumpe-Düse möglich. Sie heizen den Brennraum gewissermaßen vor und führen damit zu einem weicheren Verbrennungsablauf zusammen mit der Haupteinspritzung. Weiterhin kann mit Hilfe dieser Voreinspritzung die Stickoxidbildung verringert werden, da durch die Voreinspritzung der Sauerstoffgehalt der Zylinderfüllung reduziert wurde sowie die maximale Verbrennungstemperatur und der Gradient der Verbrennungstemperatur nach der Zeit dTzyl / dt etwas kleiner sind.
Insbesondere bei den modernsten Systemen mit piezoelektrisch betätigten Injektoren arbeitet man mit mehreren Voreinspritzungen (Pumpe-Düse-Injektoren der ersten Generation wurden im Gegensatz dazu magnetisch betätigt; die zweite Generation verfügt ebenfalls über piezogesteuerte Injektoren). Sowohl die Einspritzzeitpunkte als auch der jeweilige Einspritzdruck (auch in seinem zeitlichen Verlauf) können nahezu frei festgelegt werden. Dies erleichtert die Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors.
Mittlerweile sind zum Abreinigen der Rußpartikelfilter auch bis zu zwei Nach-Einspritzungen vorgesehen, um den Abgasen für den Abreinigungs-Vorgang einen höreren Energiegehalt mitzugeben.
Die Einspritzdüsen (Injektoren) werden entweder elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigt, angesteuert vom elektronischen Motorsteuergerät.
Das Steuergerät errechnet aus den Signalen mehrerer Temperaturfühler (Kühlwasser, Ladeluft und Schmieröl), Luftmassenmesser, Fahrpedalstellungsgeber, gegebenenfalls Lambdasonde, Drehzahl- und Phasengeber sowie Raildruckgeber die notwendige Einspritzmenge bzw. Einspritzdauer und betätigt die Injektoren mit den entsprechenden Steuerimpulsen für Spritzbeginn und -ende.
Zwar ist hinsichtlich Abgas- und insbesondere Laufverhalten von Dieselmotoren mit dem Common-Rail-System ein Quantensprung gelungen, es ist aber eine weitaus höhere Anzahl von Komponenten dazu notwendig, woraus sich extrem hohe Anforderungen an deren Zuverlässigkeit ergeben.
Mittlerweile hat sich ein jahrelanger Systemkampf entschieden: "Common Rail" hat gegen "Pumpe-Düse" gewonnen. Der VW-Konzern als bisheriger Verfechter kündigte im Dezember 2005 die Einstellung des Pumpe-Düse-Konzepts an. Nach 2006 werden neue Dieselmotoren im VW-Konzern nur noch mit Common Rail ausgerüstet werden.
Verbreitung
Mit Ausnahme des Volkswagen-Konzerns und seiner Töchter, der für einen Teil ihrer Pkw-Dieselmotoren auf das konkurrierende System Pumpe-Düse setzte, verwenden inzwischen alle Pkw-Hersteller das Common-Rail-System für ihre Fahrzeuge. Ab 2007 will auch Volkswagen alle neu gefertigten Dieselmotoren auf Common-Rail-Einspritzung umstellen. Man versprach sich mit der Konkurrenz-Situation der Pumpe-Düse (gegen Bosch trat dabei Siemens-VDO an) einen regeren Wettbewerb und versuchte vor allem durch das technisch prinzipiell überlegene (da robustere und sparsamere) System die Abgasgrenzwerte ohne Partikelfilter zu erreichen. Nach der Feinstaubdiskussion im Jahre 2005 lässt sich jedoch mittlerweile kaum noch ein Dieselfahrzeug verkaufen, das nicht serienmäßig mit einem Partikelfilter ausgestattet ist.
Wegen der Verwendung der Pkw-Dieselmotoren in leichten Nutzfahrzeugen steigt auch hier der Anteil der Common-Rail-Systeme.
In modernen schweren Nutzfahrzeugen ist Common-Rail mittlerweile Stand der Technik und auch in großen Stückzahlen im Serieneinsatz (Beispiel: MAN Nutzfahrzeuge AG).
Das Common-Rail-System kann auch für die Benzineinspritzung und Benzindirekteinspritzung verwendet werden und erlaubt so eine Vereinheitlichung von Diesel- und Benzineinspritzsystemen. Eine weitere Verbreitung ist daher zu erwarten.
Neben der Anwendung im Kfz-Bereich (Schnellläufermotoren) findet die Common-Rail-Einspritzung auch bei den großen Dieselmotoren Verwendung. Unter "großen Dieselmotoren" sind Viertakt-Mittelschnellläufer und Zweitakt-Langsamläufer zu verstehen, die z. B. als Schiffsantriebe dienen. (Containerschiffe)
Pumpe Düse System
Das Pumpe-Düse-System ist eine Entwicklung von Bosch für Volkswagen zur Gemischaufbereitung mit Hilfe der Direkteinspritzung bei Dieselmotoren und wird in PKW-Dieselmotoren des Volkswagen-Konzerns eingesetzt. Ab 2007 wird auch Volkswagen zur Einhaltung der Euro-5-Norm die Dieselmotoren nach und nach mit Common-Rail-Technik ausstatten.
Aufbau
Bei dem Pumpe-Düse-System bilden Pumpe und Einspritzventil eine Einheit. An jedem Zylinder wird separat der Einspritzdruck erzeugt. Das Einspritzsystem ist in den Zylinderkopf integriert. Der Druckaufbau geschieht mechanisch.
Durch eine zusätzliche Nocke wird über Rollenkipphebel und Stößel ein kleiner Plunger (hier: eine Art Kolben) betätigt. Die Nocke ist so geformt, dass dies mit Hochgeschwindigkeit geschieht, um den benötigten Hochdruck schnell aufzubauen. Der Druckaufbau im sogenannten Plungerraum unter dem Kolben und damit der Einspritzverlauf wird von einem Magnetventil oder einem Piezo-Aktor zeitlich gesteuert. Der Druckaufbau kann erst entstehen, wenn das Ventil geschlossen wird. Das schnelle Öffnen des Ventils sorgt für ein scharfes Ende der Einspritzung, was für eine vollständige und saubere Verbrennung sehr wichtig ist. Ein Piezo-Aktor arbeitet bis zu dreimal schneller und laufruhiger als ein vergleichbarer Magnetsteller. Aktuell verfügt der 2.0 TDI im neuen VW Passat 2005 über ein solches Piezo-Pumpe-Düse-Element, welches mit einem Spitzendruck von 220 MPa (2.200 bar) arbeitet.
Vorteile
* Weil der Druck in der PDE (Pumpe-Düse-Einheit) - und damit der Einspritzdruck - durch die Nocken der Nockenwelle ermöglicht wird, ist die dafür benötigte Antriebsenergie nur in dem für die Einspritzung relevanten Bereich aufzubringen. Verglichen mit dem Common-Rail-System ist der Umfang der Komponenten wesentlich geringer und einfacher (keine Hochdruckpumpe, keine Rail-Aktoren).
* Der hohe Druck begünstigt die feinste Vernebelung des durch die Einspritzventile eingebrachten Dieselkraftstoffes. Kleinere Tröpfchen bedeuten kleineres Verhältnis von Volumen zur Oberfläche, was günstig für eine geringere Rußbildung ist.
* PD-Diesel haben aufgrund des hohen Einspritzdrucks einen sehr guten Wirkungsgrad und liefern bei geringem Verbrauch bis zu mittleren Drehzahlen ein sehr hohes Drehmoment
Nachteile
* Aufgrund der o.g. Nockenabhängigkeit kann eine Einspritzung (zeitlich, d.h. über den Winkel betrachtet) nur ausgelöst werden, wenn auch der Nocken die Pumpe antreibt. Das bedeutet, der Bereich der möglichen Einspritzzeitpunkte ist um einen bestimmten Bereich um den oberen Totpunkt eingeschränkt, was zwar dem Wirkungsgrad, aber nicht der Laufruhe zugute kommt (siehe unten).
* Verglichen mit dem Common-Rail-System ist der Antrieb der Nockenwelle und der Zylinderkopf aufwändiger gestaltet.
* Verhältnismäßig hoher Aufwand, da prinzipbedingt jeder Motorzylinder über eine eigene Pumpe verfügt. Daher wird die PD-Technik derzeit überwiegend für 3- und 4-Zylinder-Dieselmotoren eingesetzt.
* Aufgrund des hohen Einspritzdrucks und der eingeschränkten Möglichkeit, Einspritzdruck, -zeitpunkt und -menge in feinen Schritten zu verändern, gilt der Motorlauf als wenig kultiviert.
* Die höheren Belastungen durch den schlagartigen Druckaufbau der einzelnen Aktoren sorgen für eine hohe Beanspruchung der Nockenwelle und ihres Antriebs. Da dieser vielfach über einen Zahnriemen geschieht, gilt dieser als besonders gefährdet.
Absehbares Auslaufen
Mittlerweile haben bezüglich des Höchstdrucks die Common Rail-Systeme aufgeholt. Der VW-Konzern hat in der Folge mittlerweile die Pumpe-Düse-Technologie abgekündigt; ab ca. Ende 2006 / 2007 werden neue Dieselmotoren des VW-Konzerns dann Hochdruck-Common-Rail-Einspritzsysteme erhalten. Der möglicherweise entscheidende Grund für den Abschied von der PD-Technik: Anders als bei CR kann man keine Nacheinspritzung generieren, um Partikelfilter regelmäßig freizubrennen.
Einspritzpumpen
Eine Einspritzpumpe ist ein Bauteil einer Einspritzanlage in einem Verbrennungsmotor (Otto- oder Dieselmotor). Es erzeugt den nötigen Druck, um Kraftstoff durch das Einspritzventil in den Brennraum zu fördern.
Anwendungsbereich
Einspritzpumpen sind unabdingbar für Dieselmotoren und werden für die Hochdruckeinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum benötigt. Wegen der hohen Drücke zeigen die Kraftstoffe Kompressibilität, so dass man auch die Schwingungen der Kraftstoffsäulen in den Einspritzleitungen berücksichtigen muss, um die Einspritzpumpe für den Einspritzvorgang zu optimieren. Aus diesem Grunde werden die Einspritzleitungen der Einfachheit halber für jeden Zylinder in gleicher Länge ausgeführt.
Seit dem Anfang der 1950er Jahre sind Einspritzpumpen auch für Ottomotoren im Gebrauch, durch die Änderungen in der Abgasgesetzgebung vieler Staaten ist sie inzwischen auch unabdingbarer Bestandteil in Pkw-Ottomotoren.
Funktion
Die Aufgabe der Einspritzpumpe ist es,
* Kraftstoff genau zu dosieren,
* zum richtigen Zeitpunkt und
* über den richtigen Zeitraum
einzuspritzen.
Daneben soll die Steuerung der Einspritzpumpe die Kraftstofförderung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und Betriebstemperatur anpassen.
Bauformen für Dieselmotoren
Bei den folgenden Bauformen spielt der Kolben als Pump- und Dosierelement eine zentrale Rolle. Im Fahrzeugbau werden aber inzwischen diese Bauformen durch die Common-Rail Systeme mit Druckspeicher ersetzt.
Bei einer Reiheneinspritzpumpe werden die einzelnen, den jeweiligen Zylindern zugeordneten Pumpenelemente in einem Gehäuse zusammengefasst. Die Reiheneinspritzpumpe hat Regelungen für die Drehzahl, die Einspritzmenge und den Einspritzzeitpunkt (Spritzversteller). Eine Abwandlung der Reiheneinspritzpumpe ist die Radialkolbenpumpe.
Verteilereinspritzpumpe
Hierbei existiert nur ein Pumpenelement, das durch einen nachgeschalteten Verteiler die einzelnen Zylinder versorgt. Die Zahl der Hübe des Pumpenelementes errechnet sich aus der Motordrehzahl, multipliziert mit der halben Zylinderzahl (bei einem Viertaktmotor). Auch hierbei wird die Drehzahl, die Einspritzmenge und der Einspritzzeitpunkt geregelt. Eine Verteilereinspritzpumpe ist gegenüber der Reiheneinspritzpumpe wesentlich preiswerter in der Fertigung. In aller Regel jedoch sind diese VerteilerEinspritzpumpen wesentlich anfälliger als Reiheneinspritzpumpen. Sie sind sehr sensibel bezüglich der Viskositäten von verschiedenen Kraftstoffen bei verschiednen Temperaturen, wie z.B. Pflanzenöl und Dieselkraftstoff oder auch Biodiesel (Sommer und Winter). Ebenfalls rein mechanisch muss der einzige Hochdruckkolben alle Zylinder des Motors nacheinander versorgen. Sollte z.B. der Hochdruckkolben kaputt gehen, dies geschieht dann meistens sehr plötzlich, unerwartet und häufiger als man denkt, dann steht der betreffende Dieselmotor oder das Fahrzeug. Sollte z.b. bei einer 4 Zylinder Reiheneinspritzpumpe ein Druckkolben kaputtgehen, so ist in aller Regel das Fahrzeug noch fähig aus eigener Kraft die nächste Werkstatt zu erreichen. Meistens jedoch wird der für den Hersteller wirtschaftlicherer Weg gewählt und eine Verteilereinspritzpumpe anstatt einer Reiheneinspritzpumpe eingebaut. Reiheneinspritzpumpem können 500.000 bis 1.000.000 km erreichen während Verteilereinspritzpumpen schon nach wesentlich kürzeren Laufleistungen unbrauchbar werden können.
Einzelstempelpumpe
Diese entspricht der Reiheneinspritzpumpe, jedoch wird dabei jeder Zylinder von einer eigenen Pumpe angesteuert. Der Antrieb erfolgt durch die Nockenwelle. Speziell bei Lkw-Dieseln mit untenliegender Nockenwelle werden solche Pumpen auch als Steckpumpen bezeichnet.
So das war Diesel es folgt
BENZINEINSPRITZUNG
Direkteinspritzung bei Ottomotoren
Prinzip
Im Gegensatz zum Dieselmotor, in dem der Einspritzvorgang in der Theorie zu Beginn des dritten Arbeitstaktes erfolgt, in der Praxis jedoch schon davor, wird beim direkteinspritzenden Ottomotor die Haupteinspritzmenge im zweiten Takt zugeführt. Für die im Ottomotor verwendete Gleichraumverbrennung muss die Gemischbildung zum Zeitpunkt der Zündung abgeschlossen sein um eine gleichmässige Verbrennung zu gewährleisten. Durch die direkte Einspritzung kann jedoch eine Ladungsschichtung erreicht werden, was insbesondere im Teillastbereich den Wirkungsgrad erhöht.
Zweck
Durch das Verfahren der Benzin-Direkteinspritzung wird bei Teillast ein zündfähiges Benzin-Luftgemisch nur um die Zündkerze erzeugt, während im Rest des Brennraumes ein (sehr) mageres Gemisch vorliegt (inhomogene Gemischverteilung im Brennraum). Bei Vollast beginnt der Einspritzvorgang bereits im ersten Arbeitstakt.
Vorteile
* Durch dieses Verfahren soll sich der spezifische Verbrauch im Teillastbereich dem des Dieselmotors annähern.
Nachteile
* Der Luftüberschuss bei Teillast führt zu einem höheren Stickoxid (NOx)-Anteil im Abgas, der mit hohem Technikaufwand wieder reduziert werden muss.
* Der Luftüberschuss stellt weiterhin ein Problem für die Abgasnachbehandlung im Katalysator dar, weil bei Teillast das Abgas prinzipbedingt einen zu hohen Restsauerstoffgehalt aufweist. Ferner sind die Abgastemperaturen niedriger, was die chemischen Reaktionen im Katalysator verlangsamt oder gar nicht in Gang kommen lässt.
* Die Praxis hat in den ersten Jahren der Einführung der Benzin-Direkteinspritzer gezeigt, dass die versprochenen Verbrauchs-Einsparungen nicht gehalten werden konnten.
Anwendung im PKW
Der erste Einsatz einer Otto-Direkteinspritzung bei einem PKW erfolgte 1951 bei den Modellen Gutbrod Superior und Goliath GT 700. Beide Fahrzeuge verwendeten einen seit 1949 unter der Leitung von Hans Scherenberg entwickelten Zweitaktmotor von 600 cm³ und 26 PS, die mit einer modifizierten Dieseleinspritzanlage von Bosch ausgerüstet waren. Die Fahrzeuge zeigten sehr gute Fahrleistungen und einen günstigen Benzinverbrauch, 30% weniger als die Vergaservariante. Scherenberg wechselte dann zu Mercedes-Benz. Ab 1952 wurde dort im Rennsport die Direkteinspritzung, ebenfalls von Bosch, verwendet. Von 1954 ab bot Mercedes-Benz die Technik im Modell 300 SL und 300 SC an. Ab 1957 wechselte man zur Saugrohreinspritzung, weil das Direkteinspritzverfahren Probleme mit der Ölverdünnung verursachte.
Die erste Großserien-Anwendung eines direkteinspritzenden Ottomotors erfolgte 1997 durch Mitsubishi. Gasoline Direct Injection (GDI) ist seitdem die Marketingbezeichnung des japanischen Automobilherstellers. Der Volkswagen-Konzern folgte im Jahr 2000 mit dem FSI-Konzept (Fuel Stratified Injection, geschichtete Benzin-Direkteinspritzung).
Daneben verfolgen auch andere Hersteller mit fantasievollen Kürzeln diesen Weg:
* Volkswagen mit TSI (Twincharged Stratified Injection),
* Renault mit IDE (Injection Directe Essence),
* Alfa Romeo mit JTS (Jet Thrust Stoichiometric),
* BMW ohne Kürzel im Modell 760 Li
* der Peugeot Citroën SA (PSA)-Konzern im Citroën C5/Peugeot 406) mit HPi (High-Pressure Direct-Injection Petrol Engine) mit Hochdruckeinspritzung und Schichtladung im Teillastbereich, ein "echter" Magermotor im Gegensatz zu Renault
* Daimler-Chrysler/Mercedes-Benz mit Stratified Charged Gasoline Injection (CGI) in einem Ottomotor mit 1,8 Liter Hubraum, mit Kompressorlader, Ladeluftkühler und Schichtladung,
* Ford mit SCi (Smart Charged injection),
* Toyota und Lexus mit D4 (Benzin-Direkteinspritzung mit 11 Betriebsmöglichkeiten und das D4-D (Diesel) auch in Verbindung mit dem Toyota/Lexus D-CAT).
Anwendung am Zweitaktmotor
Zweitaktmotoren haben neben den Vorteilen des niedrigen Leistungsgewichts und der geringen Baukosten gavierende Nachteile im spezifischen Kraftstoffverbrauch, den Abgasemissionen, sowie in der Laufruhe bei niedriger Belastung und im Leerlauf. Dies ist bedingt durch die sog. Spülverluste und die mangelnde Ausspülung der Verbrennungsgase im Teillast- und Leerlaufbetrieb.
Direkteinspritzsysteme, insbesondere solche mit Ladungsschichtung im Teillastbetrieb, gleichen diese Nachteile praktisch vollständig aus.
Weltweit haben sich bis heute nur zwei Direkteinspritzsysteme für Zweitaktmotoren erfolgreich durchgesetzt. Es sind dies die FFI, entwickelt von der provenion gmbh, produziert von Bombardier für die Evinrude Aussenbordmotoren, sowie das Orbitalsystem, produziert von Mercury-Marine für die Mercury Aussenbordmotoren.
Lachgaseinspritzung
ist eine Methode zur Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren mit Hilfe des Sauerstoffträgers Distickstoffmonoxid (Lachgas).
Geschichte
Die Lachgaseinspritzung wurde im zweiten Weltkrieg in Deutschland entwickelt, um die Höhenleistung von Flugmotoren zu steigern. Die Technik wurde dabei sowohl bei (als Benzin-Direkteinspritzer ausgeführten) Benzinmotoren als auch bei Dieselmotoren angewandt. Ursprünglich wurde druckverflüssigtes Lachgas in den Ansaugtrakt des Laders gespritzt, später wurde kälteverflüssigtes Lachgas verwendet. Neben der oxidierenden Wirkung hatte die so erzielte Ladeluftkühlung ebenfalls einen nennenswerten Anteil an der Leistungssteigerung, die bei einem Motor der 2000-PS-Klasse bis zu 500 PS betragen konnte.
Die Technik
Im Automobilbereich wird die Lachgaseinspritzung auch bei Motoren ohne Direkteinspritzung verwendet. Dabei wird das Benzin-Luftgemisch auf ca. -40 Grad Celsius heruntergekühlt. Hierdurch wird die Menge der Brenn- und Sauerstoffmoleküle pro Volumeneinheit deutlich gesteigert, so dass eine höhere Energiemenge pro Volumeneinheit zur Verfügung steht und so die Leistung des Motors um bis zu 55% gesteigert werden kann. Die Einspritzung ist jedoch nur für eine kurze Zeitspanne anwendbar, da der Motor durch die höhere Belastung leicht überansprucht werden kann und ein hoher Verbrauch an Lachgas die Kosten in die Höhe treibt. Das Verfahren ist also nur zum Beschleunigen sinnvoll einsetzbar.
Da Lachgas (Distickstoffmonoxid, N2O) brandfördernd ist, wird durch die Einspritzung in den Brennraum eine Leistungssteigerung erzielt. Durch den zusätzlichen Sauerstoff kann pro Arbeitstakt mehr Kraftstoff verbrannt werden, die Verbrennung läuft heißer und sauberer ab, allerdings erhöht sich der Ausstoß an Stickoxiden deutlich.
Rechtliches
Im Straßenverkehr ist die Lachgaseinspritzung nicht gestattet. Nicht nur der Einbau und die Anwendung sind verboten, auch das Mitführen einsatzbereiter Anlagen ist unstatthaft, es kann zur Beschlagnahme des Fahrzeugs führen, zu einer Anzeige wegen Führens eines nicht zugelassenen Fahrzeugs, zur Rückrüstpflicht, zu Gutachterkosten und im extremen Fall zum Führerscheinverlust.
Das Verbot ergibt sich durch die nicht eintragungsfähige Leistungssteigerung, durch die die Betriebserlaubnis des Fahrzeuges erlischt. Weiterhin ist eine solche Anlage nicht eintragungsfähig, weil sie die Abgaswerte des Fahrzeugs negativ beeinflussen kann.
Der Marktführer der Szene ist N.O.S. (Nitrous Oxide Systems), ein weiterer Anbieter ist NX (Nitrous Express). Aktuell ist in Deutschland eine TÜV-Zulassung für Lachgaskits zu bekommen, sofern diese eine Leistungssteigerung von nicht mehr als 45 PS nicht überschreitet.
In Österreich ist der Selbsteinbau nicht gestattet. Wenn man die Anlage typisieren lässt, ist es legal, eine Lachgaseinspritz-Anlage einbauen zu lassen. Die Anlage darf in Österreich auf öffentlichen Straßen benutzt werden, wenn der Fahrer des Fahrzeugs die für die entsprechende Straße zulässige Höchstgeschwindigkeit nicht überschreitet.
