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Direkt senkt den Kraftstoffkonsum

Ottomotoren: Wohin geht die Reise?
Direkt senkt den Kraftstoffkonsum

Direkte Einspritzung bei Ottomotoren ist „en vogue“. Zumal diese Technik noch etliche Verbesserungspotenziale bietet, die von den OEM und Zulieferern derzeit ausgelotet werden.

Der Autor: Jürgen Goroncy, freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion

„Der Diesel ist nicht so gut, weil er ein Diesel ist, sondern weil er aufgeladen ist.“ Dieser Satz des ehemaligen Motorenentwicklers Fritz Indra (bei Audi. Opel und GM) beschreibt – ohne es zu nennen – das frühere Dilemma des Ottomotors. Ohne direkte Einspritzung und Aufladung hatte er in den letzten zwei Jahrzehnten nur geringe Chancen gegen die aufgedonnerten Diesel-Kraftpakete. Doch die Zeiten ändern sich. Seit auch Ottomotoren im Zuge der Downsizing-Welle mit Turbolader, direkter Einspritzung und anderen Finessen ausgerüstet werden, bieten sie jede Menge Fahrspaß bei gezügeltem Kraftstoffkonsum.
10 bis 15 % weniger Kraftstoffverbrauch
Ein wesentlicher „Enabler“ dafür ist die direkte Einspritzung, die seit etwa einem Jahrzehnt sukzessive das Ottomotorensegment durchdringt. Weltweit hat sie zwar noch weniger als 10 % Marktanteil, aber in der Oberklasse sind Ottomotoren mit direkter Einspritzung fast schon Standard. Für 2016 erwartet die Robert Bosch GmbH, dass in europäischen Mittelklassefahrzeugen die Hälfte der neuen Ottomotoren mit direkter Einspritzung ausgeliefert wird. In China soll 2020 jeder dritte Otto-Pkw direkte Einspritzung haben, so die Stuttgarter. 2025 dürften, nach Angaben von Continental, weltweit schon etwa 66 % der Neuwagen den Ottokraftstoff direkte einspritzen. Aufstrebende Märkte werden zeitlich verzögert nachfolgen. Nicht zuletzt, weil die OEM ihre globalen Motorenplattformen aus Kostengründen möglichst flächendeckend anbieten wollen. Und für Märkte wie Brasilien, wo die Flexfuel-Strategie bisher nicht kompatibel mit direkter Einspritzung war, hat Bosch nach eigenen Angaben inzwischen ein passendes direktes Einspritzsystem entwickelt.
Dass die Prognosen so optimistisch sind, liegt an den Vorteilen der direkten Einspritzung im Vergleich zur Saugrohreinspritzung: weniger Kraftstoffverbrauch, mehr Drehmoment, besseres Abgasverhalten und mehr Fahrfreunde. Und die Evolution der direkten Einspritztechnik wird – siehe Diesel – noch weitergehen. So erwartet Bosch, dass die Otto-DI-Motoren in Zukunft weitere 10 bis 15 % sparsamer werden, noch weniger Emissionen ausstoßen und noch mehr Fahrfreude vermitteln werden. Damit dürfte die direkte Einspritzung bei den Kosten pro eingespartes Gramm CO2 zu den günstigsten Maßnahmen zählen.
Mehr Druck kostet Geld
Einfachste Effizienzmaßnahme ist die Erhöhung des Einspritzdrucks, der aktuell je nach Applikation bei 50 bis 200 bar liegt. Diese Maßnahme verringert vor allem die Partikelbildung, da der Kraftstoff feiner zerstäubt und somit besser verbrannt wird. Faustregel: eine Druckerhöhung von 50 auf 200 bar senkt die Partikelmasse auf ein Zehntel. Von 200 auf 400 bar nochmals um mindestens die Hälfte. Damit sind aus heutiger Sicht die Partikelgrenzen der EU6c-Norm zu erfüllen, ein Partikelfilter wäre überflüssig.
Der anvisierte Umstieg auf den WHTP-Zyklus (Worldwide Harmonized Test Procedure) im Jahr 2017 dürfte aber den Normverbauch allein zyklusbedingt deutlich erhöhen und weitere Maßnahmen erfordern. So wird Delphi für einen Vierzylinder-Ottomotor eines europäischen OEM ab dem Modelljahr 2017 ein direktes Einspritzsystem mit bis zu 400 bar Einspritzdruck liefern. „Continental experimentiert“, so Wolfgang Breuer, Leiter Geschäftsbereich Engine Systems bei Continental, „bereits mit Einspritzdrücken von 500 bar. Allerdings bedeutet mehr Druck auch mehr Belastungen für das Kraftstoffsystem. Bis zu etwa 350 bar reicht die Festigkeit heutiger Kraftstoffleitungen und Rails – mit nur geringem Modifizierungsaufwand – aus. Darüber müsste man kostspieligere Stahldichtungen und verschraubte Verbindungen wie beim Dieselmotor verwenden.“
Gelaserte Spritzlöcher
Mehrloch-Düsen mit fünf bis sieben Löchern sind Standard. Weniger die Anzahl der Löcher, sondern vielmehr ihre Präzision hat die Entwickler in den letzten Jahren umgetrieben. So hat Bosch zusammen mit der Universität Jena und dem Laserspezialisten Trumpf ein lasergestütztes Fertigungsverfahren in Serie gebracht. Delphi wird in Kürze ebenfalls mit einem Laserverfahren in Serie gehen. Mit ihm werden nicht mehr – wie bisher – die Werkstoffanteile weggeschmolzen, sondern durch die hohen Lasertemperaturen gleichsam verdampft.
Resultat sind erstens deutlich glattere und präzisere Oberflächen mit schärferen Abrisskanten, was eine intensivere Verwirbelung des Kraftstoffs fördert. Zweitens lassen sich der Durchmesser und die Strahlrichtung jedes Lochs individuell bestimmen, was eine zielgerichtete Kraftstoffverteilung im Brennraum ermöglicht. Entscheidend für die Sprayqualität und eine minimale Wandbenetzung im Brennraum ist nach Ansicht von Delphi das Längen-Durchmesserverhältnis der Spritzlöcher. Es muss so gering wie möglich sein, damit der Kraftstoffstrahl mit möglichst großer Turbulenz in den Brennraum einströmt. Ziel ist, dass der Kraftstoff möglichst gleichmäßig zerstäubt und nicht den Kolben oder die Zylinderwand benetzt. Ein günstiges Längen-Durchmesserverhältnis der Spritzlöcher sei 1 bis 1,2. Maßgebend für den Durchmesser der Spritzlöcher sind die Leerlauf-, Kaltstart und Volllastanforderungen des Motors.
Die Anzahl der Einspritzvorgänge pro Zyklus variiert derzeit in der Regel zwischen drei und fünf. Die kommenden Emissionsgesetze legen eine diffizilere Einspritzung nahe, etwa mit noch mehr und kleineren Einspritzmengen. Da die Zeit als limitierender Faktor auf die Anzahl und Länge der Einspritzvorgänge wirkt, dürften acht separate Einspritzvorgänge das Ende der Fahnenstange sein.
Die Regelung entscheidet
Somit kommt der Einspritzregelung eine entscheidende Rolle zu. Die Systemlieferanten sehen vor allem in geschlossenen Regelkreisen noch großes Potenzial, da sie zum Beispiel eine injektorindividuelle Bemessung der Einspritzmengen ermöglichen. Delphi hat für seine Otto-DI-Injektoren eine Kleinstmengenregelung entwickelt und bereits patentieren lassen. Die Algorithmen analysieren die Spulenspannung, ermitteln daraus die Bewegung der Armatur und können so die Öffnungszeit des Injektors und den zeitlichen Versatz zum Ansteuersignal in Echtzeit berechnen.
Diese Informationen stehen sofort zur Berechnung der nächsten Einspritzvorgänge zur Verfügung. Sie kommen im ballistischen Bereich bei sehr kurzen Einspritzvorgängen zum Tragen – etwa bei Voreinspritzungen oder beim Katalysator-Heizbetrieb, der bei den EU6c- und SULEV-Abgasnormen eine wichtige Rolle spielt. In dieser Betriebssituation wird die Nadel nicht komplett geöffnet, sondern während des Öffnungsvorgangs schon wieder auf Schließen gestellt.
Die elektronische Korrektur und Steuerung der Injektoren bei kleinsten Einspritzmengen ist laut Delphi noch aus einem anderen Grund geboten. Denn die Injektoren verfügen unweigerlich über eine kleine natürliche Streuung. Im normalen Lastbetrieb des Motors ist diese kleine Variabilität der Einspritzmenge angesichts des tatsächlichen Kraftstoffbedarfs zu vernachlässigen. Im Leerlaufbetrieb hingegen kann diese Streuung durchaus 10 bis 20 % der gesamten Einspritzmenge betragen. Mit den oben erhobenen Spannungs- und Nadeldaten ist auch eine Driftkompensation der Injektoren über die Lebenszeit möglich.
In die Kategorie „Einspritzregelung“ fällt auch eine Verfeinerung der Klopfregelung, mit der Delphi die andere Klopfneigung der Downsizing-Motoren mit direkter Einspritzung besser erfassen kann. Allerdings hat sich der Rechenaufwand für die neuartige Klopfregelung versechsfacht.
Ein völlig anderer Ansatz
Einen ganz anderen Entwicklungspfad stellen Injektoren mit nach außen öffnender Nadel dar. Sie könnten eine probate Alternative gegen eine weitere Druckerhöhung auf 400 bar sein, da die nach außen öffnende Düsennadel dank ihrer neuartigen Spraygeometrie mit Einspritzdrücken von 150 bis 180 bar auskommt. Lieferanten und OEM erforschen diese Technik derzeit intensiv, weisen aber unisono auf den Vorentwicklungs-Charakter der Projekte hin. Systemimmanenter Vorteil ist das Fehlen jeglichen Totvolumens außerhalb der Dichtflächen, was die Druckaufbereitung und Zumessung verbessert. Nach Öffnen der Nadel nach außen strömt der Kraftstoff durch den Ringspalt und verteilt sich quasi flächendeckend. Dabei beträgt die Durchflussöffnung nur 30 bis 40 µm im Vergleich zu den etwa 150 µm Durchmesser eines herkömmlichen Spritzlochs. Das sorgt für ein deutlich besseres Spraybild – bei deutlich geringerem Druck als bisher.
„Wichtig“, betont Wolfgang Breuer, „ist eine ganzheitliche Betrachtung der nach außen öffnenden Nadel.“ Auf lange Sicht könnte die neue Injektorkonstruktion nach Angaben von Delphi eine tragfähige Lösung für mögliche EU7-Abgasnormen darstellen, insbesondere, wenn sie mit Magnetventilen darstellbar sei. Überhaupt steckt in der Magnettechnik noch erstaunlich viel Potenzial, weshalb der prognostizierte Siegeszug der Piezoventile – weltweiter Marktanteil bisher geringer als zehn Prozent – noch auf sich warten lässt.
Einen anderen Ansatz verfolgt Mercedes-Benz, das die Brennrume der 1,6-Liter-Ottomotoren mit einer Schichtladung befüllt. Andere Experten sehen die strahlgeführte Magereinspritzung aber nur bei größeren Motoren mit mehr als drei Liter Hubraum als sinnvoll an. Noch wenig erforscht ist auch die Kombination aus direkter Einspritzung mit Saugrohreinspritzung. Was sich zunächst höchst unlogisch anhört, könnte dennoch Sinn machen, da beide Einspritzarten ihre Stärken in verschiedenen Kennfeldbereichen haben.
Abseits des Injektors sehen die Experten noch Optimierungspotenzial im Hydrauliksystem (weniger Verlustleistung) und bei den Hochdruckpumpen (weniger Geräusche und somit Dämmmaßnahmen). Zudem bieten die erheblich umfangreicheren Freiheitsgrade der direkten Einspritzung noch Anknüpfungspunkte für andere Maßnahmen, etwa das Scavenging, das für ein besseres Ansprechen des Turboladers sorgt. Selbst die direkte Einblasung von Erdgas sollte mittelfristig möglich werden. Letztendlich, da sind sich Bosch, Continental und Delphi einig, wird die Gesamtsystemkompetenz sowie das enge Zusammenspiel zwischen Hardware und Software den Schlüssel bei der direkten Einspritzung für Ottomotoren darstellen.
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