Benzineinspritzung

Einspritzdüse einer Einpunkt-Saugrohreinspritzung

Die Benzineinspritzung ist die heute gängigste Methode, ein zündfähiges Benzin-Luft-Gemisch für einen Ottomotor zu erzeugen.

Geschichte

Die Idee der Benzineinspritzung ist fast so alt wie der Verbrennungsmotor selbst: Schon 1884 konstruierte Johannes Spiel bei der Halleschen Maschinenfabrik einen Stationärmotor mit einer mechanischen Einspritzpumpe. 1912 erprobte Bosch einen Motor mit einer umgebauten Schmierölpumpe („Bosch-Öler“) zur Benzineinspritzung; allerdings ohne durchschlagenden Erfolg. Ein Einzelstück blieb 1930 ein Rennmotorrad von Moto Guzzi mit einer elektrischen Benzineinspritzung.

Mechanische Einspritzung

Die erste in Serie gefertigte mechanische Einspritzanlage (Benzindirekteinspritzung) wurde Mitte der 1930er Jahre bei Bosch in Zusammenarbeit mit Daimler-Benz für den Zwölfzylinder-Motor Daimler-Benz DB 601 des Jagdflugzeuges Bf 109 entwickelt, da sie den entscheidenden Vorteil einer lageunabhängigen Funktion besitzt und nicht wie ein Vergaser zu Aussetzern neigt. Der damalige Konstrukteur bei Daimler-Benz, Hans Scherenberg, wurde später Entwicklungsleiter bei der Firma Gutbrod.

Im Deutschland der 1950er Jahre wurden sowohl Kleinwagen mit Zweitaktmotoren (Gutbrod, 1951) als auch Sportwagen (Mercedes 300 SL, 1954) mit einer mechanischen Direkteinspritzung von Bosch ausgestattet. Die Saugrohreinspritzung kam erstmals in leistungsstarken Spitzenmodellen von Daimler-Benz, wie dem Mercedes 300 Sc (Anfang 1956), dem Typ 300 (Ende 1957) und dem Mercedes 220 SE (Ende 1958) zum Einsatz.

In den 1960er Jahren hatte die Firma Kugelfischer ebenfalls eine mechanische Saugrohr-Benzineinspritzung (Kugelfischer-Einspritzung) entwickelt, die z. B. im Peugeot 404 (1963), BMW 2000 tii (1969), BMW 2002 tii / turbo (1971/1973), BMW M1 (1978) und Ford Capri RS 2600 (1970) eingesetzt wurde. Besonders beliebt war diese Einspritzanlage im Rennsport, dort wurde sie seit den 60er Jahren vielfältig eingesetzt und z.B. im BMW-Formel 1-Wagen 1983 Weltmeister. Auch das 1973 erste serienmäßig hergestellte Motorrad mit Benzineinspritzung (Münch Mammut TTS/E) hat eine solche Anlage. Der Geschäftszweig Kugelfischer-Einspritzsysteme wurde 1979 von Bosch übernommen, Bosch bot Ersatzteile für die Anlagen bis 1989 weiter an. Die Anlagen und Unterlagen gingen danach von Bosch zentral an den Bosch-Dienst Koller + Schwemmer (Nürnberg) über, der seitdem die Ersatzteilversorgung und die Überholung der Pumpen sicherstellt.^[1]

Die mechanische Benzineinspritzung mit Einspritzpumpe wurde wegen der aufwändigen Herstellung ab Anfang der 1970er Jahre nicht mehr verwendet. Porsche baute das System noch bis 1976 im Topmodell 911 Carrera mit 210 PS ein. Der letzte Pkw mit einer mechanischen Benzineinspritzpumpe war das bis 1981 gebaute Repräsentationsfahrzeug Mercedes 600. Die einfachere, ebenfalls mechanische K-Jetronic wurde noch bis Ende der 1980er Jahre verwendet.

Elektronische Einspritzung

Das erste Serienfahrzeug mit einer elektronischen Benzineinspritzung war das US-Modell Chrysler 300 von 1958. Erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts löste die elektronische Benzineinspritzung den Vergaser völlig ab.

Einsatz in Deutschland

In Deutschland wurde schon Mitte der 1930er Jahre bei aufgeladenen Flugmotoren (mechanische) Einspritzanlagen eingebaut. 1951 erschienen zwei Kleinwagen mit Zweitaktmotor: der Gutbrod Superior und das Goliath GP 700 E Sportcoupé mit Direkteinspritzung in die Zylinder von Bosch, 1954 der Mercedes 300 SL. Eine Saugrohreinspritzung gab es Mitte der 1950er Jahre beim Mercedes 300 Sc und später beim Typ 300 („Adenauer“), wohingegen bei Kleinwagen noch bis in die frühen 1990er Jahre Vergasermotoren verwendet wurden. Die erste elektronische Einspritzung von Bosch (D-Jetronic) wurde zuerst in der US-Ausführung des VW 1600 eingebaut, der 1967 als VW 1600 LE später auch in Deutschland angeboten wurde. Ab 1969 verwendete Mercedes-Benz das System im 250 CE und 1970 bot Opel im Commodore GS/E als dritter deutscher Hersteller die elektronische Einspritzung an. Die gegenüber den Anlagen der 1950er/60er Jahre weniger aufwendige mechanische K-Jetronic entwickelte Bosch ab 1970 in enger Zusammenarbeit mit Porsche, die das System ab 1973 im Modell 911 verwendete. Der Audi 80 GTE mit K-Jetronic wurde ab 1975 angeboten, im Jahr darauf gefolgt von dem ersten VW Golf GTI mit dem gleichen Motor. In den folgenden Jahren ersetzte die K-Jetronic in vielen Pkw-Modellen die damals noch teuren und auch anfälligen elektronischen Anlagen.

Motorräder

Erstes Serienmotorrad mit einer mechanischen Benzineinspritzung von Kugelfischer war die Münch TTS/E von 1973; eine exklusive Maschine, die nur in einer Kleinserie von ca. 30 Stück monatlich hergestellt wurde. Ab 1980 produzierte Kawasaki die Z 1000 FI (Fuel Injection) in größeren Zahlen. Der Vergaser wurde ab Anfang der 1980er-Jahre nur allmählich durch elektronische Einspritzungen ersetzt (z. B. die BMW K 100 RS ab 1983); ab der Jahrtausendwende dann vermehrt. Wie zuvor bei den Pkw, begann dies zunächst bei den hubraum- bzw- leistungsstärksten Modellen. Der Grund für die verzögerte Einführung bei Motorrädern ist darin zu sehen, dass bei Vergasermodellen die Gasannahme sanfter und gleichmässiger ist und Lastwechsel weniger abrupt verlaufen. Auch das Konstantfahrtruckeln ist ein einspritzertypisches Problem, das sich durch das geringe Gewicht eines Motorrades im Vergleich zum PKW besonders störend bemerkbar macht. Erst im Laufe der Jahre gelang es, durch leistungsfähigere Motorsteuergeräte diese Charakteristik der Einspritzung so weit in den Griff zu bekommen, dass auch Motorräder damit ausgestattet werden konnten.

Vorteile

Gegenüber der Unterdrucktechnik beim Vergaser ergeben sich folgende Vorteile:

• geringerer Kraftstoffverbrauch durch genauere Berücksichtung aller Betriebsparameter bei der Kraftstoffzumessung (= -dosierung)
• Erhöhung der Leistungsdichte (= "Literleistung" = "Hubraumleistung") der Motoren durch geradlinigere Ansaugwege (siehe Ansaugtrakt) und daraus resultierend bessere Zylinderfüllung
• bessere Regulierung des Abgasverhaltens (Lambdaregelung)
• bessere Regelung bei verschiedenen Motorzuständen, zum Beispiel Warmlauf oder Schubabschaltung
• Anwendungen wie Jetski, Boots-(Außenborder), Flugmotor haben gemeinsam, dass ihre Benzinversorgungssysteme lageunabhängig funktionieren müssen: der Motor darf nicht absterben, wenn z. B. das Flugzeug starke Bewegungen um die Längs- oder Querachse (z.B. Looping) ausführt, dabei kurzzeitig über Kopf stehen kann und der Motor dennoch weiterlaufen soll. Vergaser, die die Forderung nach einer lageunabhängigen Funktion erfüllen, sind erheblich komplexer als einfache Vergaser, deren Gemischbildung nur in halbwegs aufrechter Lage funktioniert; hier ist die Benzineinspritzung die technisch praktikablere Lösung.

Technik

Bei der mechanischen Kugelfischer-Einspritzung ist der last- und drehzahlabhängige Kraftstoffverbrauch auf einem Steuernocken („Raumnocken“) abgebildet, der je nach Drehzahl und Gaspedalstellung gedreht und verschoben wird. Die Oberfläche des Nockens wird von einem Stift abgetastet, der den Hub der Einspritzpumpe und damit die zugeteilte Benzinmenge beeinflusst.

Die Bosch-Variante regelt hingegen die Kraftstoffzufuhr durch eine schräge Steuerkante der einzelnen Pumpenelemente (Kolben), die über eine Zahnstange gemeinsam verdreht werden. Diese Zahnstange wird außer über die Gaspedalstellung noch über andere Stellgrößen (Luftdruck/Temperatur) beeinflusst.

Anders als bei mechanischen Einspritzungen, die lediglich Luftdruck und -temperatur als Einflussgrössen mit berücksichtigen, wird bei modernen elektronischen Einspritzanlagen auch die angesaugte Luftmenge mit einem Luftmassenmesser gemessen. Aus diesen und anderen Werten (Restsauerstoff im Abgas, Kühlwassertemperatur, Drosselklappenstellung, Motordrehzahl, etc.) wird von der Motorsteuerung die optimale Einspritzmenge errechnet. Eine meist elektrische Einspritzpumpe nebst Druckregulierer stellen einen konstanten Kraftstoffdruck bereit. Über die Öffnungszeit der elektromagnetischen Einspritzventile wird dann die Einspritzmenge bestimmt.

Ein Katalysator kann nur bei einem nahezu exakten stöchiometrischen Verhältnis von Lambda (λ) = 1, d.h. 1 kg Benzin auf 14 kg Luft) des Kraftstoff-Luft-Gemisches alle Schadstoffe (sowohl CO als auch NOx) aus dem Abgas entfernen. Das erfordert eine genaue Messung der angesaugten Luftmasse mittels Luftmassenmesser und eine genaue Dosierung des Kraftstoffs zur Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die mechanischen Komponenten eines Vergasers erwiesen sich damit als überfordert, als die gesetzlichen Zulassungsbestimmungen immer geringere Schadstoffemissionen verlangten. Die heutigen gesetzlichen Regelungen bezüglich der Emissionswerte können mit Vergasern nicht erreicht werden, da bei diesen das Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht so genau eingestellt werden kann, dass der Fahrzeugkatalysator alle Schadstoffe abbauen kann.

Arten

Beim Prinzip der Einspritzung unterscheidet man Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung:

• Bei der Direkteinspritzung wird mit einem Einspritzventil der Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt. Dabei kann Kraftstoff ungleichmäßig verteilt werden, um so im Teillastbereich ein nur im Bereich der Zündkerze zündfähiges Gemisch bereitzustellen (Schichtladung).

Die ersten Serienfahrzeuge mit Benzin-Direkteinspritzung waren der Gutbrod Superior (1951), der GoliathGP 700 (1952) und der Mercedes 300 SL (1954). Wesentlich später griff Mitsubishi Motors diese Technik bei den GDi-Motoren wieder auf.

• Bei der Saugrohreinspritzung wird die Gemischbildung nicht im Brennraum, sondern vor dem Einlassventil, hinter der Drosselklappe vorgenommen. Es kann zwischen Einpunkt- und Mehrpunkteinspritzung (Singlepoint bzw. Multipoint Injection) unterschieden werden.

Die Firma Bosch ist Hersteller der Typen:

• D-Jetronic
• K-Jetronic
• KE-Jetronic
• L-Jetronic
• Mono-Jetronic
• Motronic
• Monomotronic

Auch andere Firmen fertigen Benzineinspritzsysteme mit den unterschiedlichsten Bezeichnungen z. B. das Multec von General Motors. Mechanische Systeme wurden in Italien von Spica z. B. für den Alfa Romeo Montreal und in England von Lucas Industries für den Triumph TR5 produziert.

Literatur

• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6
• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001, ISBN 3-8085-2067-1
• Oldtimer Markt, Heft 8 und 9 (2001), VFW Verlag Mainz

Einzelnachweise

1. ↑ Kugelfischer Benzin-Einspritzpumpen (abgerufen am 17. Mai 2011)