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Kraftstoffeinspritzung

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Definition: die Zufuhr von Kraftstoff durch eine feine Düse

Englisch: fuel injection

Kategorien: Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 29.09.2014; letzte Änderung: 18.10.2015

Einem Verbrennungsmotor muss der benötigte Kraftstoff in irgendeiner Weise zugeführt werden. Während bei Benzinmotoren (Ottomotoren) hierfür im Prinzip ein einfacher Vergaser genügt, wird bei vielen modernen Ottomotoren (z. B. bei fast allen heutigen Benzin-Autos) sowie bei allen Dieselmotoren stattdessen das Verfahren der Kraftstoffeinspritzung verwendet, und zwar in recht unterschiedlichen Varianten.

Kraftstoffeinspritzung bei Benzinmotoren

Einspritzung mit einer Hochdruck-Einspritzpumpe

Abbildung 1: Direkteinspritzung von Kraftstoff mit einer Hochdruck-Einspritzpumpe über ein Piezoventil (Siemens-Pressebild). Durch den sehr hohen Einspritzdruck wird der Kraftstoff sehr fein zerstäubt, was sich günstig auf Wirkungsgrad und Abgasqualität auswirkt.

Bei den meisten Ottomotoren wird der Kraftstoff (z. B. Benzin oder Erdgas) zusammen mit der Verbrennungsluft zugeführt, also als ein relativ homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch. Im Falle von Benzin kann dies im Prinzip mit einem einfachen Vergaser erfolgen. Etwa seit der breiten Einführung von Abgaskatalysatoren ist es jedoch üblich geworden, hierfür die Kraftstoffeinspritzung zu verwenden, da ein Vergaser keine sehr genaue Dosierung der Kraftstoffmenge erlaubt.

Auch wenn, wie im Folgenden erklärt, die Details der Realisierung einer Benzineinspritzung sehr unterschiedlich ausfallen können, sind die typischen Vorteile der Benzineinspritzung die folgenden:

Tendenziell fallen diese Vorteile bei modernen elektronisch geregelten Hochdruck-Einspritzanlagen größer aus als bei einer einfachen mechanischen Saugrohreinspritzung.

Saugrohreinspritzung

Im einfachsten Fall handelt es sich um eine Einpunkt-Saugrohreinspritzung (Zentraleinspritzung, single point injection) als direkten Ersatz für den Vergaser. Hier wird das Benzin durch eine feine Düse gedrückt, die im gemeinsamen Saugrohr aller Zylinder positioniert ist (und zwar hinter der Drosselklappe). Durch dieses Rohr strömt die den Zylindern zugeführte Verbrennungsluft. Bereits durch die Einspritzung erfolgt eine gewisse Vernebelung des Kraftstoffs, und die von der Luft mitgerissenen feinen Kraftstofftröpfchen verdampfen weitestgehend auf dem Weg zu den Zylindern.

Eine andere, heute bei Automotoren verbreitetere Variante ist die Mehrpunkteinspritzung (multi-point injection), wo jeder Zylinder über seine eigene Einspritzdüse nahe seines Einlassventils verfügt. (Der Kraftstoff kann beispielsweise direkt auf das Einlassventil gespritzt werden.) Der kürzere Weg von der Düse zum Einlassventil vermindert beim Kaltstart das Problem der Kondensation von Kraftstoff in den Leitungen.

Das Benzin wird der Einspritzdüse bei einfacheren Motoren über eine mechanische Pumpe zugeführt (z. B. eine Kugelfischer-Pumpe), und zwar meist mit einem moderaten Druck. Die Kraftstoffmenge muss dabei abhängig von der Gaspedalstellung (also der geforderten Motorleistung) und der Drehzahl so dosiert werden, dass das gewünschte Verbrennungsluftverhältnis erreicht wird. Dies ist insbesondere für das korrekte Funktionieren eines Drei-Wege-Katalysators von großer Bedeutung, jedoch auch für den Wirkungsgrad und somit den Kraftstoffverbrauch.

Selbst mit raffinierter Mechanik von Einspritzpumpen ist die heute geforderte Genauigkeit bei der Kraftstoffdosierung kaum erreichbar.

Die richtige Dosierung der Kraftstoffmenge ist keineswegs einfach zu bewerkstelligen, da die Menge des zu liefernden Kraftstoff-Luft-Gemischs stark von der Gaspedalstellung und der Drehzahl des Motors abhängt. Für diese Aufgabe wurden zunächst raffinierte mechanische Pumpendesigns entwickelt (beispielsweise mit Verstellung eines Nockenwellenantriebs entsprechend der Gaspedalstellung). Dieses rein mechanische Verfahren stieß jedoch an Grenzen, hauptsächlich weil die Dosierung zusätzlich auch von variablen Einflüssen wie Temperatur, Luftdruck und Kraftstoffqualität beeinflusst werden kann, die mit rein mechanischen Mitteln kaum berücksichtigt werden können.

Die elektronisch gesteuerte Einspritzung kann wesentlich genauer sein, da sie zusätzliche Messgrößen berücksichtigen kann.

Eine genauere Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses ist mit einer elektronisch gesteuerten Einspritzung möglich. Hier wird die Einspritzmenge nicht wie bei einfacheren Systemen rein mechanisch bestimmt. Stattdessen wird die Einspritzpumpe elektronisch gesteuert unter Verwendung eines elektrischen Signals beispielsweise von einem Luftmassenmesser in der Ansaugleitung. Es wird also die tatsächlich angesaugte Luftmenge bestimmt und die dazu passende Kraftstoffmenge gefördert. Ebenfalls kann berücksichtigt werden, dass bei Anwendung der Abgasrückführung weniger Sauerstoff verfügbar ist und entsprechend weniger Kraftstoff eingespritzt werden muss.

Zwar wäre eine korrekte Regelung im Prinzip auch möglich, indem man lediglich das Signal der Lambdasonde im Abgastrakt nutzt, das über den Restsauerstoffgehalt des Abgases Auskunft gibt. Jedoch kommt dieses Signal bei Gaswechseln erst verzögert an. (Motoren für Fahrzeuge müssen mit häufigen Lastwechseln gut zurechtkommen.) Deswegen verwendet man kurzfristig das Signal entsprechend der Luftmenge und verwendet die Lambdasonde zusätzlich quasi zur ständigen Feinabstimmung der Stellparameter.

Direkteinspritzung

Einige der heutigen Benzinmotoren z. B. von Kraftfahrzeugen verwenden eine Direkteinspritzung, d. h. der Kraftstoff wird direkt in den Brennraum eingespritzt. (Oft weist der Kolben dafür eine gewisse Mulde auf, die Platz für das Gemisch bietet und dessen Bewegung steuert.) Anders als beim Dieselmotor erfolgt hier die Einspritzung oft bereits ab Abschluss des Ansaugtakts (nicht etwa erst zu Beginn des Arbeitstakts), da die Zuführung des Kraftstoffs ja keine vorzeitige Zündung verursacht und somit eine längere Zeit für die Gemischbildung ausgenutzt werden kann. Dieser Ansatz ist jedenfalls gängig, wenn ein homogenes Gemisch angestrebt wird.

Die Direkteinspritzung kann entweder zum Ende des Ansaugtakts erfolgen (für homogene Gemischbildung) oder aber erst kurz vor der Zündung (für eine Schichtladung).

Ein wichtiger Vorteil der Direkteinspritzung beim Benzinmotor ist freilich, dass es damit auch möglich wird, die Benzinkonzentration gezielt in den gewünschten Bereichen höher bzw. tiefer werden zu lassen, also gezielt ein inhomogenes Gemisch zu erzeugen. In diesem Fall wird zumindest ein Teil des Kraftstoffs recht spät eingespritzt, d. h. erst kurz vor der Zündung. Dieses Vorgehen wird als Schichtladung bezeichnet. Insbesondere ist es für die Realisierung von Magermotoren wichtig, beim Teillastbetrieb nur im Bereich der Zündkerze eine höhere Benzinkonzentration herzustellen. Somit ist die Zündfähigkeit gegeben, selbst wenn die durchschnittliche Benzinkonzentration im Zylinder relativ niedrig ist. Allerdings ist die Realisierung des Schichtladeprinzips technisch sehr anspruchsvoll, vor allem wenn auch eine gute Abgasqualität gefordert wird.

Ein weiterer Vorteil der Direkteinspritzung bei Benzinmotoren ist (besonders im Zusammenhang mit Turboaufladung), dass damit die Verdampfungskühlung optimal genutzt werden kann. Durch die Verdunstungskälte muss der Motor in der Kompressionsphase weniger Energie aufwenden, sodass der Wirkungsgrad steigt. Ebenfalls nimmt die Neigung zum Klopfen ab, sodass eine höhere Verdichtung und/oder ein früherer Zündzeitpunkt möglich werden, was ebenfalls dem Wirkungsgrad zugute kommt. Zwar ist die durch die Verdunstung aufgenommene Wärmemenge beispielsweise bei einer Saugrohreinspritzung dieselbe, jedoch erfolgt dann bereits eine gewisse Wärmeaufnahme im Saugrohr.

Leider verursacht die Direkteinspritzung beim Benzinmotor gewisse Partikelemissionen, die gesundheitlich bedenklich sind.

Ein unerwünschter Effekt der Direkteinspritzung beim Benzinmotor ist, dass damit oft gewisse Ruß-Partikelemissionen verursacht werden, die sonst kaum auftreten würden. Dies hängt mit der Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemischs zusammen und tritt vor allem dann auf, wenn das Gemisch lokal zu fett (sauerstoffarm) ist und/oder die Flamme der Brennkammerwand oder der Kolbenwand zu nahe kommt. Die entstehende Partikelmasse ist zwar recht gering, jedoch handelt es sich um extrem kleine (und entsprechend viele) Teilchen, die vermutlich ein wesentliches gesundheitliches Schadenspotenzial haben. Erst ab 2017 werden auch Benzinmotoren die strengen Partikelgrenzwerte einhalten, die für Dieselmotoren seit kurzem gelten. Dies könnte es notwendig machen, auch für Direkteinspritzer-Benzinmotoren Rußpartikelfilter einzuführen, sofern das Problem nicht anderweitig gelöst werden kann (beispielsweise durch konsequentes Vermeiden des Bespritzens von Kolben und Brennkammerwänden mit Kraftstoff). Unter Umständen könnte die Direkteinspritzung beim Benzinmotor wegen dieses Problems wieder weniger genutzt werden, trotz der Vorteile bezüglich des Kraftstoffverbrauchs.

Eine interessante Variante ist die luftunterstützte Direkteinspritzung. Hier wird nicht ein reiner Kraftstoffstrahl eingespritzt, sondern auch Druckluft. Der Kraftstoff wird in eine Mischkammer eingespritzt, die im Lufteinblasventil liegt. Hierdurch gelangt eine fein zerstäubte Gemischwolke in den Brennraum, die für den Schichtladebetrieb besonders günstig ist; es erfolgt eine besonders gute Durchmischung und eine bessere Kontrolle des lokalen Verbrennungsluftverhältnisses.

Die Steuerung von Motoren mit Direkteinspritzung ist oft relativ komplex. Das Prinzip der Schichtladung wird meist nur in bestimmten Betriebszuständen angewandt – vor allem im Teillastbetrieb bei nicht allzu hohen Drehzahlen, häufig in Verbindung mit der Abgasrückführung. Bei hoher Last dagegen wird dann auf eine homogene Gemischbildung mit reduzierter oder ganz abgeschalteter Abgasrückführung umgestellt. Dies ist durch eine gezielte Steuerung der Einspritzzeitpunkte möglich. Auch in der Warmlaufphase wird unter Umständen auf die Schichtladung verzichtet. Solche Strategien können helfen, einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Abgasqualität in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen zu erreichen.

Common-Rail-Einspritzung

Die Common-Rail-Einspritzung erzeugt nicht nur besonders hohe Drucke, sondern ermöglicht auch eine sehr flexible Einspritzung.

Viele Motoren nutzen heutzutage eine sogenannte Common-Rail-Einspritzung. Hier erzeugt eine Hochdruckpumpe einen ständig sehr hohen Druck (z. B. mehrere hundert bar) in einem Kanal, aus dem die verschiedenen elektrisch gesteuerten Einspritzdüsen über entsprechende Ventile jederzeit Kraftstoff beziehen können. Dies ist anders als bei älteren Einspritzpumpen, bei denen der Einspritzdruck periodisch variiert, beispielsweise entsprechend einer Kolbenbewegung. Die zeitliche Steuerung der Einspritzung erfolgt dann allein über die genannten Ventile (die häufig einen Piezo-Antrieb enthalten) und ist vom Betrieb der Pumpe völlig unabhängig. Es ist somit auch möglich, die Einspritzung auf mehrere “Pulse” innerhalb eines Arbeitstakts zu verteilen, also beispielsweise eine Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung vorzunehmen (ggf. auch lastabhängig). Die Common-Rail-Einspritzung ist sowohl für Benzinmotoren als auch für Dieselmotoren anwendbar.

Volllastanreicherung

Bei vielen Ottomotoren erfolgt bei hoher Last (stark durch gedrücktem Gaspedal) eine gewisse Überdosierung des Kraftstoffs durch das Einspritzsystem, die als Volllastanreicherung bezeichnet wird. Die Steuerung des Einspritzsystem erfolgt dann häufig nicht mehr geregelt mithilfe des Signals der Lambdasonde, sondern “open loop” (ungeregelt) mit entsprechend verminderter Genauigkeit. Dieser Ansatz erhöht nicht nur die Motorleistung ein wenig, sondern reduziert vor allem die Abgastemperatur und hilft dadurch, die Überhitzung von Bauteilen (insbesondere des Abgaskatalysators) zu verhindern. Der Artikel über die Volllastanreicherung enthält weitere Details.

Regelung der Kraftstoffeinspritzung

Die Dosierung der Kraftstoffzufuhr wird von der Motorelektronik vorgenommen, und zwar nicht nur aufgrund der Gaspedalstellung. Üblicherweise wird ein Regelkreis verwendet, um den Kraftstoff so zu dosieren, dass das richtige Verbrennungsluftverhältnis für eine optimale Wirkung des Abgaskatalysators erzielt wird. Das Einspritzsystem dient also als Stellelement für die Lambdaregelung. Gleichzeitig wird die Drosselklappe entsprechend der Gaspedalstellung geöffnet. Je weiter die Drosselklappe geöffnet wird, desto mehr Kraftstoff muss eingespritzt werden, um den richtigen Lambda-Wert zu erzielen. Wenn der Fahrer plötzlich Gas gibt, “weiß” die Motorelektronik (z. B. von einem Luftmassensensor) bereits, dass sie zusätzlich zur Öffnung der Drosselklappe mehr Kraftstoff einspritzen muss und kann diese Dosierung kurz darauf mithilfe der Lambdaregelung noch genau nachjustieren.

Kraftstoffeinspritzung bei Dieselmotoren

Vorkammereinspritzung und Wirbelkammereinspritzung

Das bewährte Prinzip der Vorkammereinspritzung führt zu einem relativ weichen Motorlauf, ist jedoch energetisch nicht optimal.

Bei Dieselmotoren kommt die Saugrohreinspritzung nicht infrage, da die Einspritzung erst dann erfolgen darf, wenn die Verbrennung beginnen soll. Stattdessen wurde schon vor längerer Zeit die sogenannte Vorkammereinspritzung entwickelt, wo der Dieselkraftstoff mit moderatem Druck in eine mit dem Brennraum verbundene Vorkammer eingespritzt wird. (Dort sitzt auch die für den Kaltstart nötige Glühkerze.) In der Vorkammer erfolgt wegen Sauerstoffmangel nur eine teilweise Verbrennung, die die entstehenden Gase in den eigentlichen Brennraum drückt. Dort erfolgt dann die weitere Verbrennung.

Nachteilig ist beim Vorkammerprinzip, dass die Gase durch den Kontakt mit der Wand der Vorkammer bereits relativ viel Wärme verlieren. Dies verringert den Wirkungsgrad des Motors. Außerdem ist die verlangsamte Verbrennung beim Betrieb mit hohen Drehzahlen nachteilig.

Eine Variante der Vorkammereinspritzung ist die Wirbelkammereinspritzung, wo entstehende Luftwirbel gezielt ausgenutzt werden.

Bei Automotoren werden die Vorkammer Einspritzung und ähnlich Konzepte kaum mehr verwendet; sie wurden durch die Direkteinspritzung abgelöst.

Direkteinspritzung

Moderne Common-Rail-Dieselmotoren sind effizienter und leistungsfähiger als herkömmliche Vorkammer-Motoren, und ihre Laufruhe kann recht ähnlich sein.

Gegenüber der Vorkammereinspritzung ist zumindest betreffend den Wirkungsgrad die Direkteinspritzung günstiger, wo der Kraftstoff direkt in den eigentlichen Brennraum (oft in eine Mulde im Kolben) eingespritzt wird. Hier wird meist ein deutlich höherer Einspritzdruck (heute oft über 1000 bar oder sogar über 2000 bar) in Verbindung mit sehr kleinen Düsendurchmessern verwendet, um den Kraftstoff zu sehr kleinen Tröpfchen zu zerstäuben und damit die Gemischbildung in der zur Verfügung stehenden sehr kurzen Zeit (Größenordnung von ca. einer Millisekunde bei hohen Drehzahlen) zu bewerkstelligen. Die Verbrennung erfolgt zumindest bei einfacheren Systemen tendenziell schneller und damit härter, was ein erhöhtes Motorgeräusch (“Nageln”) zur Folge haben kann. Dies kann allerdings mit einer mehrstufigen Einspritzung stark vermindert werden, wie sie beispielsweise das Common-Rail-System ermöglicht. Beispielsweise kann zunächst eine kleine Kraftstoffmenge im Rahmen der Voreinspritzung eingebracht werden, sodass die Verbrennung sanft beginnt. Kurz danach erfolgt die Haupteinspritzung. Zusätzlich kann eine Nacheinspritzung erfolgen, insbesondere wenn die Abgastemperatur zwecks Regeneration eines Partikelfilters kurzzeitig erhöht werden soll.

Eine Herausforderung besteht darin, einerseits auch bei geringem Kraftstoffbedarf im Leerlauf eine sehr feine Zerstäubung und genaue Dosierung zu erreichen, andererseits aber bei Volllast die benötigte hohe Kraftstoffmenge innerhalb genügend kurzer Zeit einzuspritzen. Deswegen sind inzwischen Einspritzdüsen mit variablem Einspritzmuster durch eine variable Zahl aktiver Düsenlöcher in die Entwicklung.

Eine hohe Abgasqualität beim Dieselmotor erfordert weiterhin außermotorische Maßnahmen.

Gegenüber den früher üblichen Vorkammer-Motoren hat die Einführung der Direkteinspritzung zunächst die Abgasqualität verschlechtert, insbesondere betreffend die Stickoxidemissionen. Durch die systematische Optimierung der Einspritzung wurden danach aber wesentliche Verbesserungen erreicht, und gleichzeitig gibt es Fortschritte bei der Abgasnachbehandlung, die die Bedeutung der Rohemissionen wieder vermindern. Es wurde zunächst versucht, allein mit der Optimierung der Dieseleinspritzung und anderen sogenannten innermotorischen Maßnahmen die Partikelemissionen und Stickoxidemissionen so weit zu reduzieren, dass kein Partikelfilter und kein Katalysator mehr erforderlich ist. Es erwies sich allerdings als nicht möglich, auf diese Weise die modernsten Emissionsgrenzwerte (z. B. gemäß Euro 6) für Straßenfahrzeuge einzuhalten. Da also ohnehin außermotorische Maßnahmen unentbehrlich sind, kann man auch die Kraftstoffeinspritzung vorwiegend hinsichtlich der Energieeffizienz des Motors optimieren und die Abgasqualität mit Hilfe außermotorischer Maßnahmen gewährleisten. Allerdings sollten auch die Rohemissionen betreffend Partikel nicht zu hoch sein, um keine allzu häufige Regeneration des Partikelfilters nötig zu machen.

Siehe auch: Kraftstoff, Vergaser, Verbrennungsmotor, Ottomotor, Magermotor, Schichtladung, Dieselmotor, Kaltstart
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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