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Motorentypen

Benzin-Direkteinspritzer


Wir kennen alle die Vorteile beider Arbeits- und Verbrennungsprinzipien:
  • Geringere Schadstoffemission (Benziner)
  • Geringerer Verbrauch (Diesel)
Was lag also näher als einen benzinbetriebenen Dieselmotor zu bauen?

Genauso diesen Spagat leistet der Benzin-Direkteinspritzer. Übrigens stammt der erste Serienmotor nicht etwa von VW sondern kam 1997 von Mitsubishi.

Grundsätzlich arbeitet diese Motoren in zwei Modis:
  • einem Sparmodus
  • und einem Leistungsmodus
Sparmodus (bei niedrigen Drehzahlen): Das Benzin wird wie beim Diesel direkt in die Zylinder eingespritzt. Die Drosselklappe wird umgangen um die Ansaugverluste möglichst gering zu halten. Somit kann der Motor voll durchatmen. Es gibt lediglich eine Drallklappe um bei niedriger Drehzahl die Verwirbelung des Benzin-Luft Gemischs zu verbessern.

Leistungsmodus (bei hohen Drehzahlen): Hier arbeitet der Motor wie ein herkömmlicher Benzinmotor. Das Benzin wird im Ansaugtrakt eingespritzt. Folglich verbraucht er auch genau soviel.

Wodurch ergibt sich die Spritersparnis von ca. 15 % gegenüber dem normalen Benziner?

Die Verbrauchsminderung ergibt sich NUR unter Teillast im Sparmodus. Teillast bedeutet, es wird nur wenig bis mittelviel Gas gegeben. Im Sparmodus kommen zwei Effekte zum Tragen:
  • die reduzierten Ansaugverluste
  • der Magermix-Modus

Wie sich Ansaugverluste auswirken (zugekniffenes Nasenloch) wissen wir schon. Aber was bringt der Magermix-Modus?

Im Magermix-Modus arbeitet der Motor mit Luftüberschuß. Das Benzin-Luft Gemisch ist so benzinarm, dass es eigentlich nicht zünden würde. Durch die Einspritzung des Kraftstoffs direkt im Zylinder bewirkt man eine nichthomogene Verteilung. Ein speziell geformter Kolbenboden (Sprungchancenform) ist hierfür Voraussetzung. Es befindet sich viel Benzin in Nähe der Zündkerze; wenig bis gar keins in Nähe der Zylinderwände. Somit kommt es dann doch zur Zündung.

Durch den hohen Luftüberschuß (Verhältnis 1/30 bis 1/40 entsprechend Lambda 2 - 2,7) reduziert sich dabei der Benzinverbrauch auf zweierlei Weise:
  • durch die geringeren Temperaturverluste im Bereich der Zylinderwand
  • durch die geringeren Abgastemperaturen
Toyota baute schon in den 80er-Jahren den ersten Magermix-Motor im Corolla 1.6l ein. In Deutschland war der Motor aufgrund der Katalysator-Pflicht nicht zu haben. Grund: der Magermix-Modus führt zu erhöhten Stickoxid-Emissionen (NOx) da Luftüberschuss herrscht.

Höhere Lambda Werte führen zu erhöhten NOx-Emissionen?

Ja: Lambda Werte von 1,2 - 2 führen zu erhöhten NOx-Emissionen. Das ist kritisch, da im praktischen Fahrbetrieb gerade Lambda-Werte um 1,5 vorherrschen. Erst Lambda Werte > 2 führen wieder zur Senkung der NOx Emissionen. Solch hohe Werte werden aber nur bei sehr geringer Last erreicht. Bei Selbstzündern (Diesel) sind solche Werte hingegen praxisgerecht.

Wie ist es also möglich, dass heute das Prinzip trotz Euro4-Abgasnorm wieder Anwendung findet?

Direkteinspritzer-Benziner verfügen über einen zusätzlichen Stickoxid-Sammelkatalysator. Dieser speichert die produzierten Stickoxide während Magermix-Betrieb im Sparmodus. Ist der Katalysator voll, wird das Gemisch für 2-3 Sek. auf fett gestellt. Im NOx-Speicherkatalysator wird das gespeicherte NOx dadurch abgebaut. Voraussetzung ist die Erhitzung des Katalysators auf 500°C im Vorfeld.

Warum tanken alle Benzin-Direkteinspritzer schwefelarmes Super plus mit 98 Oktan?
  • Erstens arbeiten die Motoren zwecks Verbesserung des Wirkungsgrads mit höheren Kompressionen (z.B 1:12,5)
  • Zweitens mag der Stickoxid-Speicherkatalysator überhaupt kein Schwefel
Daraus entstehen nämlich Sulfate, die sich im Katalysator ablagern und ihn funktionsunfähig machen. Folglich muss bei höherem Schwefelgehalt das Gemisch zum Abbrennen der Sulfatschicht öfter auf fett gestellt werden, was den Benzinverbrauch unnötig erhöht.

Der Schwefelgehalt von Super plus ist mit ca. 5 mg/Kg stark reduziert im Verhältnis zu EuroSuper 95 mit 40 - 120 mg/kg.

Trotzdem bildet der Restschwefel langsam Sulfate in den Kats. Zum Abbrennen ist dann eine hohe Temperatur von 700 °C erforderlich.
Also bitte regelmäßig längere Strecken fahren. Sonst wird selbst der modernste Motor zur Stickoxid-Schleuder oder schaltet gänzlich auf fettes Gemisch um (keine Spritersparnis mehr!).

Übrigens bildet der Schwefel auch im 3-Wege-Katalysator Sulfate und macht in langfristig funktionsunfähig. Wer dem entgegenwirken will sollte entweder:
  • Super Plus 98 tanken (schont die Umwelt; strapaziert aber den Geldbeutel)
  • oder
  • Regelmäßig längere Stecken fahren damit der Kat richtig auf Temperatur kommt (Sulfate werden ab Temperaturen von 700 °C abgebaut)
Eine ausführliche Arbeit zum Thema FSI-Motoren findet ihr hier.

Spare ich auch auf Kurzstrecken?

Nein: der Spritverbrauch eines FSI-Motors ist auf Kurzstrecken genauso hoch wie bei einem herkömmlichen Sauger. Erst wenn der Motor eine gewisse Betriebstemperatur erreicht hat, wird im Schichtladebetrieb gearbeitet.
Wird ein Auto mit FSI-Motor nur auf Kurzstrecken bewegt, wird außerdem der NOx-Sammelkatalysator nach wenigen tausend km nahezu funktionsunfähig. Näheres hierzu weiter unten.

Nicht überall wo FSI drauf steht ist auch FSI drin!

FSI steht für "Fuel Stratified Injection". Auf Deutsch spricht man von "magerem Schichtladebetrieb".
Dieses nicht homogene Brennverfahren erfordert jedoch eine aufwendige Abgasnachbehandlung mittels eines Stickoxid-Sammelkatalysators. Hierfür sind wiederum sehr schwefelarme Benzinsorten notwendig, die bisher nur in Westeuropa (Super 98) flächendeckend zur Verfügung stehen.

Um Motoren für alle Weltmärkte anzubieten, sind einige Hersteller dazu übergegangen, ihre als FSI bezeichneten Motoren rein mit homogenem Brennverfahren zu betreiben. Tatsächlich handelt es sich hierbei nur noch um Direkteinspritzer-Benziner (GDI) aber nicht mehr um FSI-Motoren.
Dieser Missbrauch der Kürzel führt zu Konfusion. Hat aber einen ganz klaren Marketingansatz: FSI ist hierzulande zu einem Qualitätsmerkmal geworden wie ABS oder ESP. Unter GDI kann sich kaum jemand etwas vorstellen.

GDI = Gasoline Direct Injection (Benzin-Direkteinspritzer)
FSI = Fuel Stratified Injection (magerer Schichtladebetrieb)


Welche Vorteile bleiben bei einem GDI-Motor übrig?

Turbo-Motoren werden üblicherweise durch die hohe Gemischmasse sehr heiß und damit sehr klopfempfindlich. Dem muss durch Reduzierung der Verdichtung entgegnet werden, was jedoch den Wirkungsgrad vermindert.

Diesem nachteiligen Effekt wirkt die Direkteinspritzung entgegen, da das Verdampfen des Kraftstoffs im Brennraum Wärme entzieht, also wie eine Innenkühlung wirkt. Dem Effekt wirkt eine gewisse Selbstverstärkung inne, da durch das Abkühlen der Liefergrad steigerbar ist.
In der Konsequenz kann der Turbo-Motor mit höherer Kompression betrieben werden, was den Wirkungsgrad steigert.

Beispiel: Audi 2.0 T FSI

Audi ersetzt bzw. seinen 1.8 5 V Turbo durch den 2.0 4 V T-FSI. Markteinführung des Motors im Audi A3 wird Mitte 2004 sein. Arbeitete der alte Turbo noch mit einer Kompression von 9,3 so fällt sie beim neuen mit 10,5 höher aus. Damit ist der Turbomotor auf denselben Kompressionsgrad ausgelegt wie ein mit Normalbenzin 91 ROZ betriebener Saugmotor. Der spezifische Benzinverbrauch erreicht einen Bestwert von 240 g/kWh.

Wie erkenne ich als Verbraucher ob mein FSI-Motor im Schichtladebetrieb arbeitet?

Das sicherste Erkennungsmerkmal ist die Spritsorte mit der der Motor zu betreiben ist. Echte FSI-Motoren dürfen ausschließlich mit Super 98 betrieben werden. Das kann euch auf der Urlaubsfahrt durch Osteuropa vor ein echtes Problem stellen. Hier tankt ihr dann Super 95 mit seinem vergleichsweise hohen Schwefelgehalt. Folge: die Lebensdauer eures Stickoxid-Sammelkatalysators wird geschmälert. Eine Tankfüllung richtet noch keinen messbaren Schaden an. Seit ihr aber regelmäßig in Osteuropa unterwegs, sollten ihr keinen FSI fahren.

Wie sieht die Zukunft der FSI-Motoren aus?

Die Vorteile der Spritersparnis durch Schichtladebetrieb können bei den heutigen Motoren nur bedingt genutzt werden. Wenn sie denn wie oben angeführt überhaupt noch genutzt werden!
Denn die Erschließung des Sparpotentials von ca. 15% erfordert eine Gemischkonzentration um die Zündkerze allein durch die Strahlführung des Injektors.


Bild: Strahlgeführtes Brennverfahren
Der Injektor sitzt in der Mitte. Einspritzung des Kraftstoffs zentral in den Brennraum. Keine Reflexion am Kolbenboden. Bildung der Gemischwolke ohne starke Drallströmung im Brennraum.


Mit heutigen Einspritzsystemen kann der Schichtladebetrieb nur über den Umweg einer verlustbehafteten, wandgeführten oder luftgeführten Strahlführung des Injektors erfolgen.
Hierbei wird der Strahl entweder direkt (wandgeführt) auf den Kolbenboden gespritzt. Oder in flachem Winkel an der Zündkerze vorbei (luftgeführt) auf den Kolbenboden. Der speziell geformte Kolbenboden (Schanzenform) führt das Kraftstoff-Luft Gemisch dann mittels der Tumble-Bewegung der Luft an die Zündkerze heran.


Bild: Wandgeführtes Brennverfahren
Reflexion des Kraftstoffstrahls am Kolbenboden (Schanzenform). Bildung der Gemischwolke mittels Drallströmung im Brennraum.



Bild: luftgeführtes Brennverfahren
Kraftstoffstrahl in flachem Winkel an Zündkerze vorbei.


Dieser Umweg ist erforderlich um die Verdampfung des Sprits sicherzustellen. Die Benzintröpfchen sind derzeit noch zu groß um nach Injektion im direkten Bereich der Zündkerze schon verdampft zu sein.

Bei hohen Drehzahlen ist die Luftverwirbelung im Brennraum zu stark um eine Schichtung des Kraftstoffs vorzunehmen. Hier kann nur mit homogenem Gemisch gearbeitet werden. Hierzu nehmen heutige Motoren die Einspritzung konventionell im Saugrohr vor.

Bei hoher Last wird ebenfalls mit Saugrohreinspritzung gearbeitet. Die direkte Einspritzung würde zu einer zu fetten Gemischwolke führen. Die Folge wären Verrußungen (vor allen Dingen an der Zündkerze) im Brennraum.

Siemens VDO Dayton arbeitet mit Hochdruck an der neuen Generation Einspritzsysteme, die 2006 marktreif sein soll. Ziel ist die Verbesserung der Schaltgeschwindigkeit des Injektors und dessen Zumessungsgenauigkeit. Der volle Hub der Düsennadel wird lt. Siemens VDO mit einem Piezo-Aktuator nach 0,2 ms erreicht. Zusammen mit den 200 bar Einspritzdruck (heute ca. 120 bar) sollen sich damit extrem kurze u. präzise Mehrfacheinspitzungen erreichen lassen. Die mittlere Kraftstofftröpfchengröße von 15 µm (4-5 Mal so klein wie bei Saugrohreinspritzung) erleichtere dabei die Entzündung erheblich.

Der Kraftstoffstrahl soll dann direkt an die Zündkerze gelenkt werden. Der Kolbenboden kann wieder flach ausfallen, was sich positiv auf den Wirkungsgrad des Motors unter hoher Last auswirkt. Erst mittels dieser Maßnahmen wird sich das Sparpotential von 15 % und mehr gegenüber der Saugrohreinspritzung erzielen lassen. Lambdawerte von 3 bis 4 sind dann im Teillastbereich geplant.

Vorteile des strahlgeführten Brennverfahrens:
  • weniger Energieaufwand bei Ansaugung da keine Drallströmung notwendig
  • weniger Wandwärmeverluste da Gemischwolke zentral im Brennraum verbrennt
Der Kostenfaktor der aufwendigen Abgasnachbehandlung mittels NOx-Sammelkatalyators bleibt natürlich erhalten. Auch wenn sich eine 30 %-ige Reduzierung der Stickoxide abzeichnet. Wird sich aber durch die deutliche Spritersparnis auf der anderen Seite relativieren.

Der Diesel produziert wegen seines Luftüberschuss ebenfalls erhöhte NOx Emissionen. Das ist ein vieldiskutiertes Problem. Eine technische Lösung steht jedoch noch aus.
Das Thema Ruß dürfte hingegen in wenigen Jahren durch Einführung der Russfilter erledigt sein.


Warum stoßen Benzin-Direkteinspritzer Russpartikel aus?

Die Erklärung dessen ist sehr einfach. Da der Sprit direkt in die Brennkammer eingespritzt wird muss er dort erst verdampfen bevor er verbrennen kann. Die eingespritzte Menge Kraftstoff wird mittels der Dauer geregelt. Bei hoher Last oder hohen Drehzahlen müsste also selbst nach Zündung noch Benzin eingespritzt werden. Die nachströmenden Benzintröpfchen unterlägen einer Diffusionsverbrennung. Würden also nur an ihrer Oberfläche verbrennen. Der Kern bliebe teilverbrannt. Schon hätten wir Russ.

Durch Umschaltung auf konventionelle Saugrohreinspritzung bei hoher Last oder Drehzahl wird dieser unerwünschte Verbrennungsablauf weitgehend vermieden. Alle Motorenhersteller vollziehen diese Umschaltung.
Übrig bleibt ein geringfügiger Russanteil in bestimmten Last- und Drehzahlbereichen.

Und warum rußt ein Diesel?

Beim Diesel hat man den Russanteil in den letzten 6 - 8 Jahren durch die Erhöhung des Einspritzdrucks von ehemals 300 bar auf über 1500 bar stark absenken können. Die durchschnittliche Tröpfchengröße ist heute viel kleiner als damals.

Beim Diesel erfolgt keine Fremdzündung. Die Kraftstofftröpfchen verbrennen durch Selbstzündung in der heißen Kompressionsluft. Dabei verbrennen sie ebenfalls von der Oberfläche her. Dadurch wird in unmittelbarer Nähe der Sauerstoff verbraucht. Der Kern verbrennt dann unter Luftmangel; also unvollständig.

Auf den ersten Blick scheint dies einen Widerspruch darzustellen; arbeitet ein Dieselmotor doch mit Luftüberschuss. Die Verbrennung spielt sich aber so schnell ab, dass "entferntere" Sauerstoffmoleküle nicht zur Verbrennung beitragen können.

Somit wird klar, warum eine Einspritzung über Mehrfachdüsen und höchstem Druck zu besserer Verbrennung dank kleinerer Tröpfchen und damit weniger Russanteil führt.
Bei Vollgas arbeitet der Dieselmotor mit einem Lambda-Verhältnis von ca. 1,2. Es herrscht nur noch geringer Luftüberschuss. Der Russanteil ist hier am höchsten.

Gibt es denn Alternativen zum FSI-Motor?

Mittels der FSI-Technologie wird man mittelfristig die fortschrittlichsten Ottomotoren bauen können. Bis die technischen Hürden aber alle überwunden und die Betriebszustände problemlos beherrscht werden, ermöglichen andere Technologien mindestens dieselbe Spritersparnis von 5 - 8 % der heutigen FSI-Motoren unter Umgehung der zusätzlichen, kostenintensiven Abgasnachbehandlung.

So setzt Opel bzw. bei seinen Motoren bis 1,6 l Hubraum auf die Twinport-Technik. Sie baut auf der herkömmlichen Saugrohr-Einspritzung auf. Bei niedriger Last und Drehzahl arbeiten die Vierventiler mit einer hohen Abgasrückführrate von ca. 25 %. Damit dieses Gemisch sauber zündet muss es intensiv verwirbelt werden. Dafür sorgt die Schaltklappe, die einen der beiden Kanäle verschließt und eine Drallströmung des angesaugten Gemischs bewirkt. Bei hoher Last oder Drehzahl öffnet die Klappe und es strömt 100% frisches Gemisch zwecks Erreichung der maximalen Leistung ein.


Abb.: Twinport-Technik von Opel

BMW hingegen setzt auf die Valvetronic. Eine variable Ansteuerung der Einlassventile durch die die Drosselklappe überflüssig wird. Somit entfallen auch deren Nachteile.
Der Ventilhub ist dabei über einen Exzenter variabel ausgelegt (0,5 - 9,5 mm beim 316 i). Beim Betätigen des Gaspedals wird nicht mehr die Drosselklappe geöffnet/geschlossen sondern der Hub der Einlassventile verändert. Im problematischen Teillastbereich wird somit:
  • der Füllgrad der Zylinder verbessert: es gibt weniger Unterdruck im Ansaugrohr; die Luft strömt ungehindert durch den gesamten Querschnitt
  • die Verwirbelung des Gemischs verbessert: der schmale Spalt am Einlassventil bei Leerlauf und unterem Teillastbereich beschleunigt das Kraftstoff/Luft-Gemisch enorm
Im Leerlauf soll der Motor wegen der guten Verwirbelung des Gemisch ruhiger laufen, was die Absenkung der Leerlaufdrehzahl ermöglicht.
Außerdem soll die Technik zu einer spontaneren Gasannahme des Motors führen. Die Trägheit der Luftsäule im Ansaugrohr ist geringer, da nicht mehr vor dem Einlassventil mittels Drosselklappe geregelt wird sondern mittels des Ventils direkt an Eingang zum Verbrennungsraum.

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