Kraftstoffeinspritzung

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Die Kraftstoffeinspritzung ist eine Methode, ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch für einen Verbrennungsmotor zu erzeugen. Folgende Grundarten werden unterschieden:

• Benzineinspritzung - Dieseleinspritzung
• Saugrohreinspritzung - Direkteinspritzung - Wirbelkammereinspritzung - Vorkammereinspritzung
• mechanische Einspritzung - elektronische Einspritzung

Inhaltsverzeichnis 1 Technik 2 Benzineinspritzung 2.1 Vorteile 2.2 Arten 3 Dieseleinspritzung 3.1 Arten

[Bearbeiten] Technik

Bei der mechanischen Einspritzung ist der last- und drehzahlabhängige Kraftstoffverbrauch auf einem Nocken abgebildet, der je nach Drehzahl und Drosselklappenstellung gedreht und verschoben wird. Die Oberfläche des Nockens wird von einem Stift abgetastet, der über ein Gestänge die Regelung der Einspritzpumpe betätigt.

Im Gegensatz zur mechanischen Einspritzung wird die Luftmenge bei elektronischen Einspritzanlagen mit einem Luftmassenmesser oder indirekt über ein Drosselklappenpotenziometer gemessen. Aus diesem und anderen Werten (Restsauerstoff im Abgas, Kühlwassertemperatur, Drosselklappenstellung) wird durch das Motorsteuergerät die optimale Einspritzmenge errechnet. Eine, meist elektrische, Einspritzpumpe und ein Druckregulierer versorgen die elektromagnetischen Einspritzventile.

Wichtig bei Ottomotoren: Ein Katalysator kann nur bei einem nahezu exakt stöchiometrischem Verhältnis (Lambda = 1 - das heißt 1 kg Benzin auf 14 kg Luft) des Kraftstoff-Luft-Gemisches die Schadstoffe Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffmonoxid (NOx) aus dem Abgas entfernen. Dies erfordert eine genaue Messung der angesaugten Luftmasse mittels Luftmassenmesser (oder zumindest indirekt über ein Drosselklappenpotenziometer) und eine genaue Dosierung des Kraftstoffs zur Zusammensetzung des Gemisches. Die mechanischen Komponenten eines Vergasers sind hier überfordert, zumal die gesetzlichen Zulassungsbestimmungen immer geringere Schadstoffemission verlangen. Die Grenzwerte können mit Vergasern heutzutage kaum mehr eingehalten werden, da Vergasermotoren oft mit zu ungenau eingestellten Kraftstoff-Luft-Gemischen fahren, bei denen vom Katalysator nicht alle Schadstoffe abgebaut werden können.

Die Versorgung der Einspritzventile mit der nötigen Kraftstoffmenge kann durch folgende Bauteile erfolgen:

• Verteiler-Einpritzpumpe
• Common-Rail-Einspritzpumpe
• Pumpe-Düse-Einheit

Während die Verteiler-Einspritzpumpe bis vor nicht all zu langer Zeit dominierte und Volkswagen mit dem Pumpe-Düse-System einen teuren Alleingang unternahm, hat sich die Common-Rail-Einspritzung mittlerweile als Standard im Motorenbau (sowohl Diesel- als auch Ottomotor) etabliert. Durch die Common-Rail-Technik ist es möglich, hohe Einspritzdrücke zu generieren sowie die Einspritzmenge und -dauer völlig unabhängig vom Kurbelwinkel zu gestalten und so auch eine Mehrfacheinspritzung zu ermöglichen.

[Bearbeiten] Benzineinspritzung

Die Technik der Benzineinspritzung ist relativ alt, sie wurde während des zweiten Weltkriegs für Flugmotoren entwickelt und in den fünfziger Jahren in Sportwagen und Kleinwagen mit Zweitaktmotoren verwendet. Den Durchbruch erreichte sie allerdings erst in den 1970er Jahren, als die Preise für Rohöl in die Höhe schnellten und es galt, neue verbrauchsarme Motoren zu entwickeln. Parallel dazu kam der entscheidende Durchbruch in der Elektronik. Die Kombination beider Systeme führte zu verbesserten Verbrauchswerten und gleichzeitig verringerten Emissionswerten. Mitte der 1990er Jahre löste sie bei Pkw-Ottomotoren den Vergaser nahezu vollständig ab. Bei Motorrädern hingegen wurden die Vergaser erst nach der Jahrtausendwende verstärkt durch Einspritzanlagen ersetzt. Wie zuvor bei den Pkw, begann dies zunächst bei den hubraum- bzw- leistungsstärksten Modellen. Auf Grund der verschärften Abgasbestimmungen wird es jedoch spätestens ab 2008 keine neuen Motorräder mehr mit Vergasermotoren geben.

[Bearbeiten] Vorteile

Gegenüber der Unterdrucktechnik beim Vergaser ergeben sich folgende Vorteile:

• geringerer Kraftstoffverbrauch
• Erhöhung der Literleistung der Motoren
• bessere Regulierung des Abgasverhaltens (Lambdaregelung)
• gute Regelung bei verschiedenen Motorzuständen, zum Beispiel Warmlauf, Schubabschaltung, Höhenkompensation

[Bearbeiten] Arten

Bei der Benzineinspritzung wird unterschieden zwischen Direkteinspritzung und klassischer Saugrohreinspritzung:

• Bei der Direkteinspritzung wird mit einem zentral im Zylinderkopf sitzenden Einspritzventil der Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt. Dabei kann Kraftstoff ungleichmäßig verteilt werden, um so im Teillastbereich ein nur im Bereich der Zündkerze zündfähiges Gemisch bereitzustellen (Schichtladung). Bei Pkw´s setzt sich diese Form der Einspritzung dank moderner Katalysatorentechnik gerade erst durch, bei Motorrädern findet man derzeit noch keine Direkteinspritzer-Ottomotoren.

• Bei der klassischen Saugrohreinspritzung wird die Gemischbildung nicht im Brennraum, sondern vor dem Einlassventil, hinter der Drosselklappe vorgenommen. Es kann hier zwischen Einpunkt- und Mehrpunkteinspritzung (Singlepoint bzw. Multipoint Injection) unterschieden werden, bei letzterer hat jeder Zylinder ein eigenes Einspritzventil. Diese Form der Einspritzung wird derzeit bei Motorrädern am häufigsten verwendet.

[Bearbeiten] Dieseleinspritzung

Dieselmotoren funktionieren nur mit einer Kraftstoffeinspritzung. Es wird wie folgt unterschieden:

[Bearbeiten] Arten

• Vorkammereinspritzung: Bei der Vorkammer handelt es sich um einen Vorverbrennungsraum, in den eine Einlochdüse einspritzt. Die Form der Vorkammer soll eine gute Kraftstoff-Luft-Mischung erzielen. Der mit einem Teil der Verbrennungsluft vorgemischte Kraftstoff verbrennt in der Vorkammer zum Teil und wird durch die Expansion bei der Verbrennung mit hohem Druck in den Hauptverbrennungsraum gedrückt. Hier findet die endgültige Verbrennung statt, die auf den Kolben wirkt. Durch die feine Vermischung und die hohen Temperaturen in der Vorkammer, wodurch die Vorkammer rotglühend wird, kommt es zu einer relativ schnellen Verbrennung mit geringem Zündverzug, wodurch auch dieseluntypisch hohe Drehzahlen jenseits von 5.500 1/min möglich, wenn auch nicht wirtschaftlich sind. Durch die kontrollierte Verbrennung ist die Belastung der Bauteile niedrig, was hohe Laufleistungen möglich macht. Nachteilig an dieser zweistufigen Verbrennung ist die große Kühlfläche der Vorkammer, die die verdichtete Luft schnell abkühlt. Deshalb starten solche Motoren erst ab 50°C Kühlwassertemperatur ohne zusätzliche Vorkammerheizungen. Bei Kaltstartern sind Glühkerzen zur Vorkammerheizung üblich. Noch gravierender sind allerding die Strömungsverluste bei höherer Drehzahl, die den Verbrauch stark ansteigen und Leistung sowie Drehmoment stagnieren lassen. Vorkammer-Diesel spielen heute im Kraftfahrzeugbereich keine Rolle mehr.

• Wirbelkammereinspritzung: Dieselmotoren, die nach dem Wirbelkammerverfahren arbeiten, besitzen eine kugel- oder walzenförmig ausgebildete Wirbelkammer, die über einen tangential einmündenden Kanal (Schusskanal) mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Ebenso wie bei Vorkammerdieseln wird der Kraftstoff indirekt in den Brennraum eingespritzt. Während der Verdichtung wird Luft aus dem Hauptbrennraum durch den Schusskanal in die Wirbelkammer gepresst und wegen der tangentialen Mündung des Schusskanals in starke Rotation versetzt. Der Kraftstoff wird nun in Richtung der Luftbewegung in die Wirbelkammer eingespritzt. Durch den Zentrifugaleffekt entsteht eine Gemisch-Schichtung mit fettem Gemisch am Umfang der Kammer. Bei Beginn der Verbrennung wird das Gemisch durch den Schusskanal in den Hauptbrennraum katapultiert, wo es sich mit der übrigen Luft vermischt. Dieses Vermischen kann durch eine geeignete Gestaltung des Kolbens weiter begünstigt werden, indem durch dessen Formgebung die Luftverwirbelung und damit die Durchmischung unterstützt wird. Gegenüber dem Vorkammerverfahren sind die Strömungsverluste geringer und der Wirkungsgrad höher. Außerdem wird durch die Verwirbelung die Durchmischung und somit die Verbrennung verbessert, was zusammen mit der größeren Schusskanalfläche auch noch bei höheren Drehzahlen ( > 5.000 1/min) passable Leistung, Drehmoment und Wirkungsgrad ermöglicht. Durch ein schnelleres Aufheizen der Wirbelkammer nach dem Kaltstart kann der Zündverzug reduziert werden, was sich in einer geringeren Menge unverbrannten Kraftstoffs bemerkbar macht. Auch Wirbelkammerdiesel spielen heutzutage im Kraftfahrzeugbereich keine große Rolle mehr.

• Direkteinspritzung: Beim Dieseldirekteinspritzer sitzt die Einspritzdüse meist zentral im Zylinderkopf und spritzt direkt in den Zylinder ein. Kennzeichen des Direkteinspritzer-Diesels ist der ungeteilte Brennraum und die geringere Brennraumoberfläche im Vergleich zum Vor- oder Wirbelkammer-Motor. Dies bewirkt geringere Wärmeverluste und damit einen geringeren spezifischen Verbrauch und höheren Wirkungsgrad. Dank der mittlerweile hochentwickelten elektronischen Einspritzsysteme und Steuergeräte konnten die Nachteile (hartes, lautes Verbrennungsgeräusch, Emissionsentwicklung) weitgehend eliminiert werden, so daß der Direkteinspritzer-Diesel heute den Stand der Technik darstellt.

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