MOTORENTECHNIK 24. Jun 2019 C. Bartsch/M. Henrichs

Zukunftsmodell Direkteinspritzung

Branchenweit ist die Direkteinspritzung inzwischen auch bei den Benzinern auf dem Vormarsch. Der Grund: Effizienzvorteile bis zu 15 %. Zu schaffen macht den Ingenieuren allerdings die damit einhergehende Rußentwicklung.

Viel Betrieb im Brennraum: Durch die Direkteinspritzung lässt sich der Kraftstoffverbrauch auch beim Benziner um 15 % gegenüber der althergebrachten Saugrohreinspritzung reduzieren, heißt es beim Zulieferer Bosch.
Foto: Bosch

Kleines Bauteil, große Wirkung: Als Hans Scherenberg den kleinen Zweitakt-Zweizylinder von Gutbrod 1952 vom Vergaser auf Bosch-Direkteinspritzung umstellte, konnte er aus dem Stand den Verbrauch um rund 30 % senken (s. Artikel links). Der Bootsmotorenhersteller OMC berichtete sogar von 35 % Einsparung, als er seine Außenborder mit der Ficht- Direkteinspritzung ausrüstete.

Solche großen Effizienzsprünge sind selten. Immerhin beziffert Bosch die Einsparung beim Übergang von der Saugrohreinspritzung beim Benzinmotor zur Direkteinspritzung heute mit 15 %. Das ist gewaltig viel, wenn man weiß, mit welchem Aufwand in der Motorenentwicklung um jeden kleinsten Fortschritt gerungen wird. Bosch rechnet damit, dass bis 2016 jedes zweite Benzinauto mit direkter Einspritzung versehen sein wird. Auch der VW-Konzern setzt bei seinen drei- und vierzylindrigen TSI-Bezinern längst auf die Direkteinspritzung.

Doch keine Rose ohne Dorn, sprich Ruß. Die bisherigen Systeme mit Mehrfachstrahl ergaben zumeist eine leicht rußende Verbrennung, was angesichts der hohen Zahl ausgestoßener Nanopartikel Umweltverbände und ADAC auf die Barrikaden brachte. Wie sich doch die automobilen Zeiten ändern: Führten früher die Diesel ein schwarzes Auspuffendrohr als Erkennungsmerkmal mit sich herum, so sind es heute die Benziner.

Eine Ausnahme sind Motoren von Daimler, die ein anderes Einspritzsystem von Bosch benutzen. Dessen Piezoinjektoren arbeiten mit nach außen öffnenden Düsen und erzielen damit eine glockenförmige Kraftstoffwolke. Die Injektoren können pro Arbeitsspiel mindestens fünf Kleinstmengen einspritzen, damit der Kraftstoff weder die Zylinderwand noch den Kolbenboden benetzt. Das System von Mercedes ist teurer, „grob über den Daumen gepeilt um den Faktor 2-3“, wie es aus Entwicklerkreisen heißt.

Doch auch bei den weniger komplex konstruierten Magnet-Mehrlochinjektoren geht es voran. Sie werden heute mit dem Laser gebohrt und nicht mehr erodiert. Das ergibt glatte Lochwände und scharfe Ein- wie Auslaufkanten. Das Strahlbild ist somit besser als bei den erodierten Injektoren. Zudem lassen sich so Spritzlöcher unterschiedlichen Durchmessers herstellen, die verschiedene Wurfweiten ergeben. Die Lochdurchmesser liegen zwischen 0,1 mm und 0,25 mm. Das ist sinnvoll, wenn die Injektoren von der Seite her im Brennraum münden und nicht von oben exakt in die Zylindermitte wie beim Mercedes-Motor.

Es scheint aber auch möglich, mit dem Laser konische Spritzlöcher herzustellen, um die Zerstäubung zu verbessern. Bosch wie auch Continental geben an, das Laserbohren ginge nicht schneller als das Erodieren. Der Zulieferer Delphi bezweifelt das und ist nach eigenen Vergleichen der Ansicht, Laserbohren funktioniere etwa zehn mal schneller als erodieren. Gebohrt wird heute nach einem von Bosch mit Trumpf und der Uni Jena entwickelten Verfahren, bei dem der Laserstrahl in extrem kurze Pulse zerhackt wird. Damit wird der Werkstoff des Injektors verdampft und abgesaugt, sodass es weder Rückstände noch Grate an den Lochrändern wie beim Erodieren gibt.

In der Regel haben die Injektoren fünf Spritzlöcher, doch wäre es möglich, ein bis zwei weitere hinzuzufügen und dafür die Lochdurchmesser zu verkleinern. Der Einspritzdruck beträgt 200 bar und tendiert künftig zu 300 bar, um die Zerstäubung zu optimieren. Hier findet die gleiche Entwicklung statt wie bei den Dieselmotoren, die mit immer höheren Einspritzdrücken arbeiten. Sind derzeit 2000 bar üblich, hat Denso bereits Anlagen für 2500 bar an Volvo geliefert. VW arbeitet im neuen 2,0-l-TDI-Motor ebenfalls erstmals mit 2500 bar (s. Ausgabe 29-30/14).

Wiegt ein Benzin-Injektor 70 g, so liegt ein Diesel-Injektor zwischen 400 g und 600 g. Ähnliche Gewichtsdifferenzen gibt es bei den Einspritzpumpen: Die Pumpe von Bosch für die Benzineinspritzung wiegt nur 780 g, Diesel-Hochdruckpumpen bringen es auf etwa 2500 g. Vom Diesel ist der Ottomotor also noch weit entfernt, auch wenn der Aufwand für seine Herstellung immer größer wird. Kaum ein neuer Ottomotor, der im Zeichen des „Downsizing“ nicht aufgeladen würde. Denn er muss die Leistung eines hubraumgrößeren Motors erreichen. Zugleich soll er leichter sein, weniger Platz beanspruchen und weniger verbrauchen.

Grund genug für Bosch und Mahle, gemeinsam eigene Abgasturbolader zu entwickeln. Zudem liefert Bosch mit der Einspritzausrüstung auch die elektronischen Steuergeräte, die eine immer präzisere Benzinzumessung erlauben. Und Bosch kann durch den eigenen Motorenversuch seine Kunden bei der Konstruktion beraten. Spezialkompetenz wie diese ist auch notwendig, denn der Wettbewerb wird angesichts des zunehmenden Kostendrucks immer härter. Und die ungeliebten Konkurrenten schlafen nicht.

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