Ottomotor mit Direkteinspritzung und Direkteinblasung

Der Dieselmotor mit Direkteinspritzung hat in nur eineinhalb Jahrzehnten, vor allem aus Verbrauchs-, Drehmoment- und Leistungsgründen, den Kammer-Dieselmotor fast voll ständig verdrängt. Nun schickt sich der Ottomotor an, es ihm gleich zu tun. Es gibt zwar schon seit fast einem Jahrhundert immer wieder Versuche, vor allem aus Leistungsgründen diesen Weg zu beschreiten, aber erst seit zirka eineinhalb Jahrzehnten, seit der Einführung des Konzeptes zur Benzin-Direkteinspritzung von Mitsubishi in Europa, stehen die ersten Technologien zur Verfügung, um eine Markteinführung erfolgreich zu bestehen. Die zu überwindenden Schwierigkeiten sind jedoch ganz erheblich komplexer als beim Dieselmotor mit Direkteinspritzung, weshalb die Marktdurchdringung beim Ottomotor deutlich länger dauern wird. Der Gewinn an Leistung und Drehmoment, das große Potenzial zur Verbrauchssenkung und die Verringerung der Schadstoffemissionen erzwingen jedoch geradezu diesen Weg.

Im Sinne einer technisch evolutionären Betrachtungsweise lässt sich die Dampfmaschine als der Vorläufer des Verbrennungsmotors ansehen. Während bei der Dampfmaschine als Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung die thermische Energie der Verbrennungsgase dem Arbeitsmedium über einen Wärmetauscher zugeführt wird, ist es Kennzeichen des Verbrennungsmotors, die im Kraftstoff gebundene chemische Energie im Triebwerk selbst zu einem möglichst großen Teil in mechanische Arbeit umzuwandeln. Bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren stellte vom Beginn an, neben der Entflammung des Arbeitsgases, die Gemischbildung, das heißt die Dosierung, Aufbereitung und Mischung des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft, die eigentliche entwicklerische Herausforderung dar.

In den vergangenen Jahrzehnten hat der konventionelle Ottomotor wie auch der Dieselmotor einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Während beim Pkw-Dieselmotor der Schritt zur Direkteinspritzung 1989 durch Audi [1] gelungen ist, auch durch vorliegende Erfahrungen aus dem Nutzfahrzeugbereich, wurde beim Ottomotor bis heute die Laststeuerung durch Mengenregelung mittels Drosselklappe beibehalten. Hieraus ergeben sich besonders im Teillastgebiet deutliche Wirkungsgradverluste, verbunden mit einem hohen spezifischen Kraftstoffverbrauch. Dies ist insbesondere dadurch von Bedeutung, da aufgrund der heutigen Verkehrsproblematik die Fahrzeuge überwiegend im Teillastbereich betrieben werden. Die Reduzierung der Drosselverluste in der Ladungswechselphase besitzt somit ein erhebliches Potenzial zur Verbrauchsabsenkung und damit zur Ressourcenschonung. Neben Ansätzen zur Verringerung der Ladungswechselverluste durch neue Konzepte mit variablen Ventilsteuerungen gibt es schon seit mehr als hundert Jahren Bemühungen, den Ottomotor ähnlich dem Dieselmotor durch direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum drosselfrei zu betreiben. Die sich nun hinter der modernen Direkteinspritzung bei Ottomotoren verbergende Idee ist, Vorteile des Dieselmotors mit denen des Ottomotors zu vereinen. Bei Dieselmotoren bestehen die Vorteile in den geringen Ladungswechselverlusten, der Qualitätsregelung (Lastregelung alleine über die zugeführte Kraftstoffmenge) und den geringen Wandwärmeverlusten. Für den Ottomotor sprechen die kleine Baugröße, das gute Leistungsverhalten und die geringe Schadstoffemission.

Um das Potenzial der Benzin-Direkteinspritzung auszuschöpfen und die gewonnene Kraftstoffeinsparung nicht durch höhere Leistungsaufnahme der Nebenaggregate zu verlieren, muss jede einzelne Komponente des Einspritzsystems für die gestiegenen Anforderungen optimiert werden. Den größten Beitrag als Einzelmaßnahme bildet die Minimierung der aufgenommenen Pumpenleistung für die Hochdruckerzeugung durch Mengenregelung und Reibungsminderung. Drüber hinaus ist es notwendig, dass die Einspritzkomponenten im Zusammenwirken mit den motorischen Randbedingungen so aufeinander abgestimmt sind, dass bei allen vorkommenden Betriebsbedingungen immer eine den Forderungen nach Leistung, niedrigem Verbrauch und geringen Rohemissionen angepasste Gemischbildung ermöglicht wird.

Eine der wichtigsten Kenngrößen eines Motors ist die Leistung (Arbeit pro Zeit). Die direkte Messung der Leistung am Motor ist nicht möglich. Aus diesem Grund wird diese aus dem gemessenen Drehmoment und der Motordrehzahl ermittelt. Das Drehmoment eines Motors lässt sich am Motorprüfstand mit einer Leistungsbremse direkt messen. Die Leistungsbremse nimmt dabei die vom Motor abgegebene Leistung auf und wandelt sie in Wärmeleistung oder elektrische Leistung um.

Ein Saugmotor saugt die Verbrennungsluft während des Ansaugtaktes über ein Luftfilter aus der Umgebung an. Im Gegensatz dazu wird bei einem aufgeladenen Motor die Verbrennungsluft vor dem Eintritt in den Motor durch ein Aufladeaggregat verdichtet. Der gegenüber dem Saugmotor hubraumgleiche aufgeladene Motor saugt das gleiche Luftvolumen an, aber durch den höheren Druck des Arbeitsmediums gelangt eine größere Luftmasse in den Brennraum. Dadurch ergibt sich aus Sicht der Motorenentwicklung ein zusätzlicher Freiheitsgrad. Es kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, so dass die Leistung des Motors bei gleicher Drehzahl und gleichem Hubvolumen ansteigt. Eine weitere Möglichkeit ist, den Verbrennungsluftanteil zu erhöhen, so dass der Motor die gleiche Leistung abgibt, die Verbrennung aber bei anderen Luft-Kraftstoffverhältnissen abläuft, was in enger Abstimmung mit Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung eine geringere Schadstoffemission ermöglicht. Aufgeladene Motoren sind überall dort zu finden, wo hohe Leistung bei guter Wirtschaftlichkeit gefordert ist.

Der Kraftstoffverbrauch ist beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs die Größe, die in der Praxis von besonderem Interesse ist. Dies gilt zumindest in den westeuropäischen Ländern, aber auch in Ländern wie den Vereinigten Staaten steht der Kraftstoffverbrauch zunehmend im Interesse der Nutzer. Dies ist darauf zurück zu führen, dass einerseits die Ressourcen an Erdöl, aus dem der Kraftstoff hergestellt wird, begrenzt sind und andererseits aus der drastischen Verteuerung der fossilen Kraftstoffe in den letzten Jahren.

Downsizing und Downspeeding sind wirkungsvolle Maßnahmen zur Verbrauchsreduzierung und können bei geeigneter Ausführung Verbrauchseinsparungen von bis zu 10% erzielen. Dazu werden beide Maßnahmen in ausgeführten Fahrzeugen meist kombiniert eingesetzt, um das Potenzial voll auszuschöpfen. In diesem Buch werden die Begriffe Downsizing und Downspeeding getrennt betrachtet, um die prinzipiellen Aspekte von Downsizing und Downspeeding zu erläutern.

Jeder Verbrennungsvorgang – auch im Motor – ist eine Oxidation mit Sauerstoff. In der Regel werden bei Motoren Kraftstoffe eingesetzt, die aus Kohlenwasserstoffen bestehen. Benzin besteht aus einem Gemisch vieler unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe. Wird ein Kohlenwasserstoffmolekül vollständig verbrannt, so entstehen theoretisch nur Kohlendioxid und Wasser.

Die Geräuschemissionen einer Verbrennungskraftmaschine lassen sich prinzipiell in vier verschiedene Einzelgeräuschquellen unterteilen:

Trotz immer wiederkehrender Bemühungen, alternative Zündsysteme wie Plasma-, Laser- und andere Zündungen für den Serieneinsatz zu entwickeln, hat sich bis heute die traditionelle Spulenzündung (SZ) wegen ihres Kosten-Nutzen-Verhältnisses durchgesetzt. In Ausnahmefällen wird die Hochspannungs-Kondensatorzündung (HKZ) verwendet mit integrierter Ionenstrommessung [1]. Die wesentlichen Verbesserungen der Spulenzündung konnten durch Ersatz des mechanischen Unterbrechers durch Halbleiter sowie durch den Wegfall des Hochspannungsverteilers erzielt werden. Weiterhin erfolgte die Verkleinerung der Baugröße. Durch Verbesserung der elektronischen Steuerung ohne mechanische Verstelleinrichtungen wie Fliehkraftversteller und Unterdruckdose kann ein vom Betriebspunkt abhängiger Vorzündwinkel realisiert werden. Bei den Brennverfahren mit Saugrohreinspritzung und stöchiometrischer Gemischzusammensetzung sind die Anforderungen hinsichtlich der Zündeigenschaften nicht sehr hoch, da stöchiometrische Gemische sehr „zündwillig“ sind. Reaktionsträge Gemische, wie sie bei hohen Abgasrückführraten sowie bei mageren Luftverhältnissen vorliegen, zeigen bei der Verwendung herkömmlicher Zündanlagen schwankende Zündverzugszeiten oder sogar Verbrennungsaussetzer.

Nachdem mit dem Dieselmotor mit Direkteinspritzung auf Grund seiner Verbrauchsvorteile speziell in Europa sehr hohe Marktanteile erzielt wurden, gibt es eine große Anzahl von technischen Entwicklungen für den Ottomotor, um den Verbrauch zu senken. Gerade der Ottomotor bietet sich für die Hybridisierung an. Neben der Reduzierung der Reibungsverluste, Optimierung der Nebenaggregate, Einsatz des Energiemanagements und neuen Brennverfahren zeigt das „Downsizing“ und die Direkteinspritzung ein erhebliches Einsparpotenzial. Das Bild 12.1 erläutert die Pfade der Verbrauchsreduzierung durch Hybridisierung. Zwei Punkte betreffen direkt den motorischen Antrieb: die Erzeugung der Energie bei Lastpunkten mit besserem Wirkungsgrad und „Downsizing“ mit Lastpunktverschiebung. Der Nachteil des Zusatzgewichtes wird bei Weitem durch die positive Wirkung der Hybridkomponenten aufgehoben.

Auf Basis von Erdöl wird eine Vielzahl unterschiedlichster Produkte hergestellt. Nach der Aufbereitung des Erdöls (Reinigung, Destillation, Nachverarbeitung, Veredlung) entstehen unter anderem zwei Kraftstofftypen, die entsprechend ihrer motorischen Eignung als Otto- und Dieselkraftstoff eingesetzt werden. Insbesondere aufgrund ihrer hohen Energiedichte, der flüssigen Form und der damit verbundenen Handhabbarkeit sowie ihrer guten Wirtschaftlichkeit sind sie besonders für die Energieversorgung des Straßenverkehrs geeignet. Hier haben sie sich seit mehr als 100 Jahren bewährt, wobei die anwendungstechnischen Eigenschaften der Kraftstoffe ständig an die Motorenentwicklung und Anforderungen aus Umweltschutz angepasst werden bzw. diese überhaupt erst ermöglichen.

Aus den Erfahrungen des Flugzeugmotorbaus, wo die Benzin-Direkteinspritzung schon seit den 1920er Jahren zum Einsatz kam, entwickelten die Firmen Gutbrod und Goliath im Zusammenarbeit mit Bosch Zweitaktmotoren mit Direkteinspritzung, die in den Serienfahrzeugen Gutbrod Superior und Goliath GP 700 zum Einsatz kamen. Beide Fahrzeuge verwendeten einen unter der Leitung von Hans Scherenberg seit 1949 entwickelten 2 Zylinder-Zweitaktmotor mit 600 cm3 und 26 PS. Die Motoren waren mit einer modifizierten Dieseleinspritzanlage von Bosch ausgerüstet. Damit hatten die Fahrzeuge sehr gute Fahrleistungen und einen günstigen Benzinverbrauch, der ca. 30% günstiger als bei der Vergaservariante war.

Nachdem die Benzin-Direkteinspritzung im Automobilbau bis Mitte der 1990er Jahre eine Randerscheinung war, hat sie sich seit dem Jahr 2000 als System etabliert und befindet sich im Portfolio aller namenhaften OEMs. Einige OEMs bieten Benzin-Motoren mit Saugrohreinspritzung gar nicht mehr an. Zukünftig wird die Benzin-Direkteinspritzung in allen Automobilmärkten durch einen ausgewogene Kombination aus niedrigen Emissionen und Verbrauch, hoher Leistungsdichte sowie günstigen Herstellkosten noch weiter an Bedeutung gewinnen, auch wenn sich die Märkte aufgrund regional unterschiedlicher Rahmenbedingungen und OEMStrategien weder zeitgleich noch mit identischen Lösungsansätzen entwickeln.

Die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und die Reduzierung der Schadstoffemissionen steht nicht nur heute, sondern wird auch in den nächsten Jahren im Mittelpunkt der Hubkolben- Motorenentwicklung für mobile Antriebe stehen. Nicht nur der Dieselmotor mit Direkteinspritzung, auch der Ottomotor mit Direkteinspritzung verfügt trotz des heute hohen technischen Standes noch über ein enormes Potenzial im Hinblick auf die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Aktuelle Statements aus der Fachwelt [1] bescheinigen insbesondere dem Ottomotor bei konsequenter Weiterentwicklung und Umsetzung seiner technischen Möglichkeiten einen Kraftstoffverbrauch, der nahe heutiger und auch zukünftiger Dieselmotoren liegen kann. Mit dem klar erkennbaren Trend der Direkteinspritzung beim Ottomotor in Kombination mit Aufladung weist der Ottomotor nicht nur einen verringerten Kraftstoffverbrauch und geringe Schadstoffemissionen, sondern auch eine gehörige Portion Fahrfreude auf.

Bereits während des geschichtlichen Anfangs der Motorenentwicklung, der noch deutlich vor der Entwicklung von N. A. Otto datiert und vielfach auf atmosphärischen Gasmaschinen basierte, wurde innere Gemischbildung untersucht. So konnten nach ersten Prinzipversuchen von Isaac de Rivaz 1807 die Italiener Barsanti und Matteucci bereits 1854 ein Konzept vorstellen, das eine direkte Einblasung in den Zylinderraum vorsah, dem allerdings kein Erfolg beschieden war. Erst die verbesserte Konstruktion eines Zweitaktmotors von Karl Benz aus dem Jahr 1884, bei der die innere Gemischbildung sogar mit dem Ziel einer Ladungsschichtung eingesetzt wurde, fand entsprechende Anwendung und internationale Anerkennung.

Seit nun nahezu 25 Jahren wird intensiv an der Reduzierung des Treibhauseffektes gearbeitet. Die anthropogenen CO₂-Emissionen erhöhen den bestehenden Anteil in der Atmosphäre und beeinflussen damit den Treibhauseffekt. Die von Verbrennungsmotoren ausgestoßenen CO₂-Emissionen sind direkt proportional zum Kraftstoffverbrauch. Der Kraftstoff selbst hat durch sein C-H-Verhältnis (Abb. 18.1) Einfluss auf die Menge der CO₂-Emission, welche bei der Verbrennung entsteht. Erdgas bzw. Methan als alternativer Kraftstoff bietet die Möglichkeit den CO₂-Ausstoss um 25 % oder mehr zu reduzieren. Wird Bio-Methan eingesetzt, wird der anthropogene CO₂-Ausstoß gegenüber einem Benzin, aus fossilen Quellen, betriebenen Kraftfahrzeug um ca. 75 % abgesenkt. Dabei steigen die Anschaffungskosten der Fahrzeuge nicht überproportional an. Erdgas ist ein natürlich vorkommender, gasförmiger, fossiler Brennstoff, der sich zum Großteil (bis zu 98 %) aus Methan (CH₄) sowie weiteren Bestandteilen (u. a. Ethan, Propan, Butan, Pentan und Inertgase) zusammensetzt. Je nach Förderquelle, variiert die Zusammensetzung von Erdgas allerdings stark.