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11.10.2016 | Einspritzung | Im Fokus | Onlineartikel

Künftige Entwicklungen bei der Benzin-Direkteinspritzung

Autor:
Stefan Schlott

Trotzdem es sich bei der Benzin-Direkteinspritzung um eine reife Technik handelt, sind weitere Optimierungspotenziale gefragt. Höhere Einspritzdrücke sowie ein Schichtladungsbetrieb weisen den Weg.

Der eigentliche Nutzen der Benzin-Direkteinspritzung im Hinblick auf Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist erst dann gegeben, wenn es gelingt, einen sicheren und stabilen Schichtladungsbetrieb in weiten Bereichen des Motorkennfelds darzustellen. Dies ist entsprechend den Kenntnissen aus Forschungsarbeiten nur mit einer sogenannten strahlgeführten Einspritzung möglich. Auf diesen Umstand weist Ulrich Spicher im Kapitel Ausblick aus dem ATZ/MTZ-Fachbuch Ottomotor mit Direkteinspritzung und Direkteinblasung hin. Dabei gilt die Erhöhung des Einspritzdrucks als eine der wirkungsvollsten Maßnahmen, um die Schadstoffemissionen von aufgeladenen Ottomotoren mit Direkteinspritzung sowohl im Schichtbetrieb als auch bei homogener Gemischbildung zu senken und gleichzeitig die Effizienz des Brennverfahrens zu verbessern und damit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. 

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Ausblick

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Bisherige Einspritzsysteme arbeiten in der Regel mit einem Kraftstoffdruck um die 200 bar. Dieser Wert reicht nach Ansicht von Spicher nicht aus, um eine ausreichend schnelle Verdampfung des Kraftstoffs und eine damit verbundene schnelle Gemischbildung bis zur Einleitung der Entflammung des Gemisches an der Zündkerze zu erzielen. "Somit nutzt auch das heutige strahlgeführte Einspritzverfahren das Potenzial der Direkteinspritzung zur Verbesserung von Wirkungsgrad und Kraftstoffverbrauch nicht vollständig aus", so der Autor. Durch die aktuelle Einführung von Benzin-Einspritzsystemen mit maximalem Kraftstoffdruck bis zu 350 bar würden deutliche Verbesserungen erzielt, die sich nach den bisherigen Entwicklungen jedoch nur in der Reduktion der Partikelemissionen zeigten. Kraftstoffdrücke im Bereich von 500 bis 600 bar könnten hingegen die komplexe und teure Abgasnachbehandlung zum Teil überflüssig machen, wenn mit gezielter Anpassung von Brennverfahrensparametern die wesentlichen Motorrohemissionen reduziert werden.

Mit Direkteinblasung die Attraktivität von Erdgasmotoren erhöhen

Im gleichen Buch setzen sich Helmut Eichlseder, Peter Grabner, Thomas Hofherr und Peter Hofmann mit der Einbringung von gasförmigen Kraftstoffen in den Brennraum auseinander. Im Kapitel Direkteinblasung von gasförmigen Kraftstoffen müssen sie allerdings feststellen: "Systeme für die direkte Einbringung von gasförmigen Kraftstoffen in den Brennraum haben sich aufgrund der komplexeren Einblasetechnik (Einblaseventile und gegebenenfalls Hochdruckverdichter) und der Anforderungen an Dichtheit, Standzeit, Mengenspreizung, Druckbereitstellung etc. noch nicht durchgesetzt."

Dabei könnte die Erdgasdirekteinblasung dazu beitragen, die Attraktivität von Erdgasmotoren zu erhöhen. In ihrem Artikel Potenzial der CNG-Direkteinblasung für Downsizingmotoren aus der MTZ 7-8-2016 schreiben Peter Hofmann, Thomas Hofherr, Guy Hoffmann und Jean-Francois Preuhs:

Durch die direkte Einblasung von CNG in den Brennraum kann die Zylinderfüllung gegenüber der Saugrohreinblasung wesentlich verbessert werden."

Zusätzlich könne bei niedrigen Motordrehzahlen und hohen Lasten ein spülender Ladungswechsel (Scavenging) eingestellt werden. "Mit beiden Maßnahmen zusammen wird ein vergleichbares Volllastverhalten und damit dynamisches Fahrverhalten wie bei DI-Benzinbetrieb erreicht. Die hohe Klopffestigkeit von CNG erlaubt darüber hinaus konsequente Downsizing- und Downspeedingauslegungen, wodurch der Kraftstoffverbrauch abgesenkt werden kann", so die Autoren.

Zweistoffbetrieb zur Verbesserung von Reichweite und Emissionen

Auch ein Zweistoffbetrieb des Motors mit Erdgas und Benzin bietet ein hohes Potenzial zur Optimierung der Reichweite und der CO2-Emissionen. Darauf weisen Rudolf Flierl, Alexander Holzer, Christoph Hörhammer, Joerg Neugaertner, Anton Schurr, Christoph Werth und David Woike im Kapitel Ottomotoren mit einer Methan-Benzin-Zweistoffverbrennung aus dem Fachbuch Ottomotor mit Direkteinspritzung und Direkteinblasung hin. Insbesondere bei bereits bivalent betriebenen Fahrzeugen, so die Autoren, könne der Zweistoffbetrieb zusätzliche Verbesserungen bewirken. Der Aufwand für die Anpassung der Konstruktion solcher Mischbetriebsmotoren, bezogen auf die heute üblichen bivalent betriebenen Erdgasmotoren, sei gering. Die Aufwände zur Anpassung der Steuergerätefunktion und der Applikation dagegen bedürften einer weiteren Optimierung. 

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