VKM_I_Kap.7

7.6. Komponenten für Einspritzsysteme

Das folgende Kapitel beschreibt die wichtigsten Motorkomponenten, die für die Gemischbildung beim Ottomotor mit Einspritzsystemen benötigt werden.

7.6.1. Luftmassenmessung

Das Luftmassensignal bildet die wichtigste Grundlage für die Dosierung des Kraftstoffs. Die Positionierung der Luftmassenmesser ist üblicherweise zwischen Luftfilterkasten und Drosselklappe.

7.6.1.1 Stauklappe

Der Stauklappen-Luftmengenmesser (vgl. Abbildung 7-13) wurde in der K-, KE- und L-Jetronic eingesetzt. Eine federbelastete Klappe befindet sich im Luftstrom und muss von diesem verschoben werden. Dadurch wird ein auf der Klappenwelle angebrachtes Potentiometer gesteuert. Es zeigt einen der Klappenstellung entsprechenden Widerstandswert, der vom Steuergerät ausgewertet wird. Zur Kompensation der durch die Ansaugtakte erzeugten Druckschwankungen ist eine Kompensationsklappe eingebaut, die ebenfalls auf der oben beschriebenen Welle befestigt ist. Beide Klappen bilden ein Bauteil. Im Ansaugbereich des Luftmengenmessers ist ein temperaturabhängiger Widerstand eingebaut, der die Temperatur der angesaugten Luft misst. An der Unterseite des Luftmengenmessers ist bei manchen, meist älteren, Fahrzeugen eine Schraube angebracht. Diese verjüngt einen Kanal im Luftmengenmesser, durch den nicht gemessene Luft ins Saugrohr gelangt. Durch Verdrehen dieser Schraube ändert sich die Menge dieser Luft. Damit werden die Leerlaufdrehzahl und die grundsätzliche Kraftstoffzumessung des Steuergeräts eingestellt.

7.6.1.3 Hitzdraht bzw. einfache Heißfilm Luftmassenstrommesser

Ein Platinwiderstand wird mit Hilfe einer Brückenschaltung bei einer konstanten Temperatur gehalten. Der vorbei streichende Luftmassenstrom bewirkt eine Abkühlung des Messelements. Um die Temperatur konstant zu halten, wird der durch den Widerstand fließende Strom erhöht. Der zusätzliche Heizstrom ist proportional zu dem durchgesetzten Luftmassenstrom.

Die nachfolgenden Abbildungen erläutern den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Heißfilmluftmassenstrommessers

7.6.1.4 Heißfilm-Luftmassenmesser HFM5

Moderne Heißfilm-Luftmassenmesser (ab Bosch HFM5) arbeiten nach dem im folgenden beschriebenen Prinzip. Ein Heizwiderstand beheizt die Heizzone (4 – Abbildung 7-18). Links und rechts der Heizzone fällt die Temperatur ab. Zwei symmetrisch zur Heizzone angeordnete Temperatursensoren erfassen die Temperaturverteilung auf der Sensormembrane (5). Ohne Luftanströmung ist das Temperaturprofil auf beiden Seiten der Sensormembrane gleich (Kurve 1 – Abbildung 7-18 links oben). Strömt die Ansaugluft über die Messzelle, verschiebt sich das Temperaturprofil entsprechend der Kurve 2. Die strömende Luft kühlt den der Ansaugseite zugewandten Bereich der Sensormembrane ab (der Temperaturverlauf wird steiler). Die dem Motor zugewandte Seite kühlt zunächst ab. Das Aufheizen der Luft durch den Heizwiderstand erwärmt die Sensormembrane im weiteren Verlauf. Die Änderung der Temperaturverteilung über der Sensormembrane führt zu einer Temperaturdifferenz (T) zwischen den Messpunkten M1 und M2. Die Temperaturdifferenz ist ein Maß für den Luftmassenstrom und dabei unabhängig von der Temperatur des vorbeiströmenden Mediums. Außerdem ist die Temperaturverteilung (Temperaturdifferenz) richtungsabhängig, womit neben dem Betrag des Luftmassenstroms auch die Strömungsrichtung erfasst werden kann.

In Abbildung 7-19 sind die Signalverläufe für zwei HFM, mit und ohne Strömungsrichtungserkennung aufgetragen. Das mit HFM5 gekennzeichnete Signal zeigt eine ausgeprägte Sinusschwingung und damit ein Rückströmen des Mediums bei einer Pulsationsfrequenz von 10 Hz. Das mit Sensyflow P gekennzeichnete Signal zeigt im Bereich des Rückströmens einen positiven Wert und damit die doppelte Pulsationsfrequenz da dieses Gerät keine Rückströmung erfassen kann. In diesem Bereich ist die Luftmassenmessung des Sensyflow P fehlerhaft.

Die Ultraschallmessung zählt zu den akustischen Strömungsmessverfahren. Bei diesem Messprinzip wird auf einem oder auch mehreren Messpfaden die Laufzeit von Ultraschallimpulsen gemessen. Wird ein Ultraschallsignal in einem strömenden Medium ausgestrahlt, ergibt sich die Geschwindigkeit der Schallwelle aus der vektoriellen Addition der lokalen Schallgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Dieses physikalische Prinzip wird als Mitnahmeeffekt bezeichnet. Bei dem so genannten Ultraschall-Laufzeitverfahren arbeiten die Ultraschallsonden eines Pfades abwechselnd als Sender und Empfänger. Hierbei wird die Laufzeit des Schallimpulses in Strömungsrichtung (t_v) verkürzt und in der Gegenrichtung (t_r) verlängert. Aus der Laufzeitdifferenz wird die Gasgeschwindigkeit im Pfad ermittelt. Durch die Messung mit und gegen die Strömungsrichtung ist die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit (v) unabhängig von der lokalen Schallgeschwindigkeit. Der Schall kann von piezokeramischen Ultraschallwandlern, Kondensatoren oder durch Funkenentladung erzeugt werden. Die piezokeramischen Wandler und auch die Kondensatoren können sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet werden

7.6.2. Drosselklappe und Drosselklappensignal

Die Drosselklappe ist das wichtigste Organ zur Steuerung der Luftmasse. Bei konventionellen Motoren sitzt sie im Ansaugtrakt nach dem Luftmassenmesser und vor dem Ansaugkrümmer, so dass die gesamte angesaugte Luftmasse durch sie hindurch strömt. Seltener und meist bei leistungsstarken Motoren zu finden sind Einzeldrosselklappen im Ansaugkanal vor jedem Zylinder.

Die variable Stellung der Klappe führt zu einem variablen Strömungswiderstand, der den Luftstrom drosselt und so die Quantitätssteuerung des Ottomotors darstellt. Die Betätigung der Drosselklappe erfolgte zunächst mechanisch über einen Seilzug, der mit dem Fahrpedal verbunden war (Gaszug). Mit der Einführung von elektronischen Einspritzsystemen entfiel diese mechanische Kopplung und die Ansteuerung erfolgt elektronisch über Gleichstrommotoren mit Getrieben, selten auch Direktantriebe ohne Getriebe oder Schrittmotoren.

Die Sollposition der Drosselklappe wird von der Motorelektronik vorgegeben. Die tatsächliche Stellung wird mit einem Drehpotentiometer erfasst, was redundant ausgeführt ist. Der jeweilige Drosselklappenwinkel entspricht in Abhängigkeit von der Drehzahl (und der Ansteuerung der Einlassventile) einer bestimmten Luftmasse (vgl. Abbildung 7-21) und somit einem Lastpunkt. Diesem ist eine bestimmte Einspritzmenge im Kennfeld für die schnelle Lambdasteuerung zugeordnet.

7.6.3. Saugrohrdrucksensor

Der Saugrohrdrucksensor ist pneumatisch mit dem Saugrohr verbunden und nimmt so den Absolutdruck auf. Der Sensor ist unterteilt in eine Druckzelle mit zwei Sensorelementen und der Auswerteeinheit (vgl. Abbildung 7-22 links). Das Sensorelement besteht aus einer glockenförmigen Dickschichtmembran, die eine Referenzkammer mit einschließt (vgl. Abbildung 7-22 rechts). Je nach anliegendem Saugrohrdruck wird die Membran verschieden stark ausgelenkt. Auf dieser sind piezoresistive Widerstände in einer Brückenschaltung angeordnet, deren elektrische Leitfähigkeit sich unter mechanischer Spannung ändert. Eine Auslenkung der Membran führt zu einer Änderung des Brückenabgleichs und ist damit ein Maß für den Saugrohrdruck.

Der Saugrohrdruck für einen modernen abgasturboaufgeladenen Ottomotor ist in Abbildung 7-23 über Drehzahl und Last dargestellt. Gut zu erkennen ist der saugmotorische Bereich (Saugrohrdruck < ca. 1000 mbar) bei niedrigen Lasten, in dem die Drosselklappe die Quantitätsregelung des Motors durch Regelung des Unterdrucks übernimmt. Bei hohen Lasten ist die Drosselklappe voll geöffnet, die Quantitätsregelung erfolgt über den Ladedruck (Saugrohrdruck > ca. 1000 mbar)

7.6.4. Niederdruck-Kraftstoffsystem

Das Niederdruck-Kraftstoffsystem dient dazu, den Kraftstoff aus dem Tank anzusaugen und über Schlauchleitungen dem Einspritzsystem bereit zu stellen. Bei Saugrohreinspritzung reicht der Druck im System für die Einspritzung aus, bei Direkteinspritzern ist eine Hochdruckkreis, in dem sich die Injektoren befinden, nachgeschaltet.

7.6.4.1 Niederdruck-Kraftstoffpumpe

Die Niederdruck-Kraftstoffpumpe ist eine Pumpe meist im Kraftstofftank, die als elektrisch angetriebene Verdränger- oder Strömungspumpe ausgeführt ist. Für tankinternen Einbau werden vorwiegend Strömungspumpen (teilweise zweistufig) verwendet. Abbildung 7-24 zeigt eine Verdrängerpumpe für den Einbau in der Kraftstoffleitung.

7.6.4.2 Kraftstofffilter

Der Kraftstofffilter ist entweder in der Saugleitung der Pumpe oder nach der Niederdruck-Kraftstoffpumpe angeordnet. Er reinigt den Kraftstoff von festen Kraftstoffverunreinigungen oder Bestandteilen von Ablagerungen im Tank. Er ist bei Ottomotoren meist als In-Line-Filter aus Papierähnlichem Material in einem Blech oder Kunststoffgehäuse ausgeführt.

7.6.4.3 Kraftstoffniederdruckregler

Der Kraftstoffniederdruckregler wird ausschließlich bei Saugrohreinspritzern eingesetzt. Er hält den Differenzdruck zwischen der Verteilerleiste zu den Injektoren und dem Saugrohrdruck konstant um, bezogen auf die Einspritzzeit, immer die gleiche Kraftstoffmenge zu garantieren. Die Druckseite der Niederdruck-Kraftstoffpumpe ist an (1) Abbildung 7-26 angeschlossen. Je niedriger der Saugrohrdruck, am Anschluss (7) anliegend, desto weiter öffnet der Kraftstoffdruck das Ventil (3) gegen die Druckfeder (6) und der Kraftstoffdruck wird über den Rücklauf (2) abgebaut. Somit wird bei geringen Lasten mit niedrigem Saugrohrdruck auch der Einspritzdruck reduziert.

7.6.5. Hochdruck-Kraftstoffsystem

Das Hochdruck-Kraftstoffsystem wird nur bei Direkteinspritzern benötigt, da hier die Leistung der Niederdruckpumpe nicht ausreicht, um den für gute Gemischaufbereitung im Brennraum benötigten Einspritzdruck (> 50bar) darzustellen.

7.6.5.1 Hochdruck-Kraftstoffpumpe

Die mechanisch über die Nockenwelle angetriebene Hochdruckpumpe erzeugt den Kraftstoffhochdruck im Kraftstoffrail, an das die Injektoren angeschlossen sind. Die Hochdruckpumpe wird von der Niederdruckpumpe mit Kraftstoffversorgt und erzeugt einen Motorbetriebspunktabhängigen Druck von ca. 50 – 200 bar. Die Pumpe ist meist als Radialkolbenpumpe ausgeführt. Die Exzenterwelle verschiebt hierbei einen Kolben über einen Laufring. Dieser komprimiert das eingeschlossene Kraftstoffvolumen, das über einen Kanal aus dem Zylinder seitlich ausströmen kann und der Hochdruckseite zugeführt wird. Bei der Rückwärtsbewegung des Kolbens strömt Kraftstoff von der Niederdruckseite in den Zylinder nach, wo er bei der nächsten Umdrehung wieder komprimiert wird. Durch den Einsatz von mehreren Kolben in der Pumpe, werden die Druckpulsationen im Rail reduziert. Die Kraftstoffdruckregelung auf der Hochdruckseite kann entweder in der Pumpe, oder am Rail durch ein Überströmventil realisiert werden.

7.6.5.2 Hochdrucksteuerventil

Für die Regelung hoher Drücke bei Systemen mit Rücklauf ist ein elektronisch gesteuertes Magnetventil im Kraftstoffrail erforderlich. Im Stromlosen Zustand ist das Ventil geschlossen um auch im Störfall den Druckaufbau im Rail zu ermöglichen. Durch Bestromung des Ventils kann der Durchflussquerschnitt der Ventilgruppe vergrößert oder verkleinert werden. Somit kann auf den gewünschten Druck geregelt werden. Durch eine Druckbegrenzungsfunktion werden die Komponenten, wie Injektoren und Hochdruckpumpe, vor unzulässig hohen Drücken geschützt

7.6.5.3 Kraftstoffhochdrucksensor

Das Signal des Raildrucksensors dient als Eingang des Steuergeräts für die Kraftstoffdruckstuerung und Überwachung im Rail durch das Drucksteuerventil.

Der Raildrucksensor arbeitet nach folgendem Prinzip: Der elektrische Widerstand der auf der Membran angebrachten Schichten variiert, wenn sich deren Form verändert. Diese Formänderung durch den sich aufbauenden Systemdruck bewirkt eine Veränderung des elektrischen Widerstandes und erzeugt in der mit 5 V versorgten Widerstandsbrücke eine Spannungsänderung. Diese Spannung liegt in einem Bereich von 0 – 70 mV (entsprechend dem anliegenden Druck) und wird von der Auswerteschaltung auf einen Bereich von 0,5 – 4,5 V verstärkt

7.6.6. Kraftstoffinjektoren

Die Kraftstoffinjektoren/Einspritzventile sind für die Dosierung des Kraftstoffs zuständig. Sie werden elektronisch vom Steuergerät angesteuert. Je nach Einspritzart – Saugrohr- oder Direkteinspritzung – kommen unterschiedliche Injektoren zum Einsatz.

7.6.6.1 Einspritzventile für Saugrohreinspritzung

Einspritzventile für Saugrohreinspritzung arbeiten auf dem niedrigen Druckniveau der Niederdruck-Kraftstoffpumpe (bis ca. 5 bar). Sie sind als elektromagnetische Aktoren ausgeführt. Im unbestromten Zustand wird die Düsennadel (4)(Abbildung 7-30) durch die Schließfeder in den Nadelsitz gepresst und somit die Spritzlöcher verschlossen. Durch die Bestromung der Spule wird der Anker gegen die Schließfeder eingerückt, die Düsennadel wird mitgezogen und der Kraftstoff wird eingespritzt. Unterschiede bei den Einspritzventilen gibt es bei der Anzahl, Form und Art der Spritzlöcher. Die wichtigsten Zumessungsarten werden in Abbildung 7-31 veranschaulicht. Neben den konventionellen Einspritzventilen, bei denen ausschließlich Kraftstoff am Injektor ins Saugrohr eingespritzt wird, gibt es auch sog. luftumfasste Injektoren. Hier wird der Kraftstoff direkt am Düsenaustritt mit Druckluft zerstäubt und somit ein Luft-Kraftstoff-Spray eingespritzt. Der Vorteil dieser Systeme kann in einer besseren Gemischaufbereitung durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Luft am Düsenaustritt liegen. Problematisch ist jedoch der technische Aufwand zu sehen, da die Druckluftversorgung durch zusätzliche Pumpen bereit gestellt werden muss.

Für die Dosierung des Kraftstoffs ist die Kenntnis über den Zusammenhang zwischen Steursignal (Spannung) und tatsächlicher Ventilöffnungsdauer wichtig. Er beeinflusst sowohl den Zeitpunkt, als auch die Dauer der Einspritzung. Abbildung 7-33 zeigt den Öffnungsvorgang des Einspritzventils mit dem Zusammenhang zwischen elektrischem Signal und tatsächlicher Öffnungsdauer. Gut zu erkennen ist die Totzeit zwischen dem Beginn der Bestromung und dem Öffnen des Ventils. Dies ist durch den verzögerten Kraftaufbau in der Spule (analog langsamer Abbau des Stroms durch Induktion am Ende der Bestromung) und die Überwindung von mechanischem Spiel im Ventil zu erklären.

7.6.6.2 Einspritzventile für Direkteinspritzung und HCCI

Im Gegensatz zum MPFI-Einspritzventil muss dieses höheren Temperaturen und Drücken standhalten (Injektordüse im Brennraum, Positionierung im Zylinderkopf) sowie in kürzerer Zeit während des Zyklus für eine gute Gemischaufbereitung und exakte Zumessung sorgen.

7.6.7. Lambda-Sonden (Sauerstoffsonden)

Die zur Motorsteuerung vorwiegend eingesetzten Sauerstoff-Lambdasonden werden als so genannte Nernst-Sonden bezeichnet und arbeiten, nach dem Prinzip eines potentiometrischen Festkörperelektrolyten. Es erfolgt eine stromlose Messung des Potentials zwischen einer Referenz- und einer Messelektrode. Dazu wird die Eigenschaft bestimmter Halbleiterkristalle genutzt, bei erhöhter Temperatur (ca. 350°C) den elektrischen Strom in Form von Ionen zu transportieren. Die Referenzelektrode ist entweder direkt mit der Umgebungsluft oder mit einer nach außen abgeschlossenen Referenzkammer verbunden. Die Messelektrode ist mit dem Abgas in Kontakt. Da auch bei fettem Motorbetrieb noch Restsauerstoff im Abgas enthalten ist (bei Lamda=95 noch ca. 0,2 …0,3 Vol.-%), tritt zwischen den beiden Elektroden wegen des unterschiedlichen Sauerstoffanteils auf beiden Seiten der Sonde eine el. Spannung auf. Der Festkörperelektrolyt besteht im Allgemeinen aus Zirkoniumdioxid (ZrO2). Um eine schnelle Funktionsfähigkeit der Sonde sicherzustellen, wird diese über eine Heizung zusätzlich beheizt.

7.6.7.1 Sprungsonde

Die Sonde wird als binäre Sonde zur Unterscheidung zwischen fettem und magerem Motorbetrieb eingesetzt. Die Sensorausgangsspannung besitzt im Bereich um = 1 einen charakteristischen Abfall von ca. 0,8 V auf 0,2 V(„prungsonde"). Die Sprungsonde arbeitet als galvanisches Element, dessen Elektrolyt (Zyrkoniumoxyd) bei Temperaturen oberhalb 300° C zweifach negativ geladene Sauerstoffionen passieren lässt. Da Luft einen höheren Sauerstoffgehalt als das Abgas besitzt, wandern die Ionen demnach in der Sensorkeramik von innen nach außen und führen somit zu einer Potentialdifferenz zwischen innerer Elektrode (+, vgl. 10 in Abbildung 7-35) und äußerer Elektrode(-, vgl. 9 in Abbildung 7-35). Diese Potentialdifferenz kann gemessen werden und bildet die Sensorausgangsspannung

Für die Steuerung und Überwachung des mageren Motorbetriebs ist eine Lambda-Sonde mit einem erweiterten Arbeitsbereich erforderlich. Im Gegensatz zu der konventionellen Lambda-Sonde besitzt diese planare Zweizellen-Grenzstrom-Sonde einen erweiterten Arbeitsbereich und wird auch als Breitband-Lambda-Sonde bezeichnet. Wie bei der einfachen Nernst-Sonde handelt es sich auch bei den Grenzstromsonden um Festkörperelektrolytsensoren. Auch diese Sensoren nutzen die physikalischen Eigenschaften von z.B. ZrO₂, bei erhöhter Temperatur, Sauerstoffionen zu leiten. Im Unterschied zu den Nernst-Sonden wird bei Grenzstromsonden der Ionenfluss selbst gemessen, der durch Anlegen einer äußeren Spannung an die beiden Elektroden der Sondenkeramik entsteht. Die Messgröße ist demnach keine Spannung, sonden ein Strom.

Die planare Zweizellen-Grenzstrom-Sonde stellt eine Kombination einer Nernst-Konzentrationszelle mit einer Sauerstoffionen-transportierenden Pumpzelle dar. Dadurch kann sie nicht nur im stöchiometrischen Punkt Lambda=1, sondern auch im fetten und mageren Bereich messen. Die Sonde benötigt eine spezielle Betriebselektronik, die sowohl die interne Regelelektronik für die Pump- und die Sensorzelle zur Erzeugung des Sensorsignals, als auch die Regelelektronik für die Temperaturregelung der Sonde umfasst. Damit ergeben sich folgende Einsatzbereiche

• Regelung auch bei Lambda>1 und bei Lambda< 1
• stetige Lambda-Regelung bei Lambda= 1
• Regelung von Dieselmotoren
• Magerkonzepte für Ottomotoren

Durch das Gaseintrittsloch (10) gelangt Abgas in die Sauerstoffpumpzelle (8) und an den Diffusionsspalt (6). Die Diffusionsbarriere begrenzt das Nachfließen der Sauerstoffmoleküle aus dem Abgas. Um das Luft-Kraftstoffverhältnis Lambda zu bestimmen vergleicht die Nernst-Konzentrationszelle (7) das Gas im Diffusionsspalt (6) mit der Umgebungsluft im Referenzkanal (5). Durch das Anlegen einer Pumpspannung U_P an den Elektroden der Pumpzelle (8) wird Sauerstoff durch die Diffusionsbarriere aus dem Abgas in den Diffusionsspalt hinein- oder herausgepumpt. Die Pumpspannung U_P wird so geregelt, dass die Zusammensetzung im Diffusionsspalt (6) konstant bei Lambda = 1 liegt. Bei magerem Abgas pumpt die Pumpzelle Sauerstoff ins Abgas, bei fettem Motorbetrieb wird Sauerstoff (durch katalytische Zerlegung von CO2 und H2O an der Abgaselektrode) aus dem Abgas in den Diffusionsspalt gepumpt. Bei Lambda= 1 wird kein Sauerstoff gepumpt. Der Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom IP und ist in Abbildung 7-39 dargestellt. Gut zu erkennen ist die hohe Empfindllichkeit der Sonde um Lambda = 1.

7.6.8. Drehzahlsensoren (induktiv)

Mit Hilfe des induktiven Drehzahlsensors (Hallgeber) wird die Motordrehzahl erfasst. Am Anlasserzahnkranz sind zusätzlich Zähne angebracht die über diesen Sensor abgetastet werden. Eine Lücke im Zahnkranz dient dabei als Bezugsmarke für den oberen Totpunkt des 1. Zylinders. Üblich sind 60 Zähne, wobei zwei Zähne für die Lücke ausgelassen werden. Die Auflösung entspricht somit 6°. Im Steuergerät wird das Signal ausgewertet und kann hochskaliert werden. Zur Unterscheidung zwischen Ladungswechsel-OT und Zünd-OT wird zusätzlich die Nockenwelle über einen Sensor abgetastet.

Neben einem Zahnkranz werden neuerdings auch kleiner bauende Magnetspuren verwendet die auf der Kraftgegenseite montiert werden können und somit Bauraum sparen.

7. Gemischbildung beim Ottomotor

Beim Ottomotor wird grundsätzlich zwischen äußerer und innerer Gemischbildung unterschieden. Dieses Attribut bezieht sich auf die Stelle der Kraftstoffzuführung – außerhalb bzw. innerhalb des Zylinders. Zu Beginn des Automobilbaus fand die Gemischbildung beim Ottomotor hauptsächlich mittels Vergaser im Ansaugtrakt statt. Aufgrund des sich entwickelnden Umweltbewusstseins und der daraus folgenden Abgasgesetzgebung wurde der Einsatz von elektronischen Systemen zur Saugrohreinspritzung notwendig. Beide Maßnahmen zur äußeren Gemischbildung wurden in modernen Ottomotoren durch die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, also die innere Gemischbildung, abgelöst

7.1. Vergaser

Der Vergaser wurde zu Beginn des großindustriellen Fahrzeugbaus im PKW-Bereich als Standardapplikation zur Gemischbildung bei Ottomotoren eingesetzt. Mittlerweile spielt er eine untergeordnete Rolle und wurde vollständig durch Saugrohr- und Direkteinspritzsysteme ersetzt. Im Bereich der kleineren Verbrennungskraftmaschinen für Krafträder oder Handarbeitsmaschinen findet der Vergaser aber immer noch Anwendung.

7.1.1. Prinzip des Vergasers

Die vom Motor angesaugte Luft strömt vom Luftfilter durch das Venturirohr des Vergasers. Durch die Verringerung des Querschnitts im Venturirohr wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft erhöht, was zu einem Druckabfall an der Vergaserdüse führt. Der so erzeugte Unterdruck in Bezug auf die mit Umgebungsdruck beaufschlagte Schwimmerkammer fördert den Kraftstoff über die Kalibrierdüse (Hauptdüse) in den Lufttrichter des Venturirohrs, wo er durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft in feine Tröpfchen zerstäubt wird. Seinen Namen trägt der Vergaser zu Unrecht, denn er vergast den Kraftstoff nicht, sondern zerstäubt ihn nur. Die Füllung der Schwimmerkammer mit Kraftstoff aus dem Tank erfolgt über ein vom Schwimmer betätigtes Ventil. Ziel ist die Einhaltung einer konstanten Kraftstoffspiegelhöhe.

7.1.2. Vergasergleichung

Das Kraftstoff-Luftverhältnis wird beim Vergaser, neben der Geometrie des Venturirohrs, durch die Geometrie und den Querschnitt der Hauptdüse bestimmt. Die Regelung der Gemischmenge erfolgt über die Drosselklappe (Regelung der angesaugten Luftmasse – Quantitätsregelung).

Die Vergasergleichung zeigt, dass theoretisch das Luftverhältnis unabhängig vom Luftmassenstrom ist (unter der Annahme alpha_L, alpha_B und alpha_L = nicht konst.).

In der Realität gilt jedoch:

• Die Dichte der Luft nimmt bei zunehmendem Unterdruck (deltap_L) ab.
• Das Medium ist kompressibel ->p_L = konst.
• Die Dichte des Kraftstoffes bleibt hingegen konstant, da der Kraftstoff als inkompressibel anzusehen ist. Die Durchflusszahlen L und B hängen hauptsächlich von der Reynoldszahl und damit von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Bei großen Reynoldszahlen, wie sie im Lufttrichter üblich sind (10⁴ < Re < 1,8*10⁵), ist alpha_L ungleich f(Re) und kann als konstant betrachtet werden. Bei den gebräuchlichen Brennstoffdüsen ist alpha_B = f(Re) und nimmt mit steigender Reynoldszahl zu

7.1.3. Ausgeführte Vergaser

Die Kompressibilität der Luft und die Zunahme von B führen mit steigendem Luftmassenstrom dazu, dass das Gemisch immer fetter wird. Um diese prinzipbedingte Änderung den Erfordernissen des Motors anzupassen (Lamda =1 im Leerlauf, in der Teillast und in der Volllast) und um zusätzliche Anforderungen (z.B. Beschleunigen, Schubabschaltung, Kaltstart, usw.) zu realisieren, wird der Vergaser mit einer Reihe von Zusatzeinrichtungen (mechanisch und elektronisch) versehen. Hierbei sei besonders die für die Abgasnachbehandlung notwendige Lamda-Reglung aufgeführt. Das daraus resultierende System „lektronisch geregelter Vergaser" kann zwar prinzipiell den motorischen Anforderungen genügen, weist jedoch bezüglich der Kosten keine Vorteile gegenüber der elektronischen Einspritzung auf. Der Vergaser wird deshalb heute praktisch nicht mehr in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Lediglich auf dem Motorradsektor ist er noch vertreten, aber auch hier zeichnet sich ein Übergang zu elektronischen Einspritzsystemen ab.

Der Vergaser wird deshalb in naher Zukunft nur noch bei einfachen Antriebsmotoren wie z.B. bei Rasenmähern und anderen Kleinmotoren eingesetzt werden. Vorteil hierbei ist der Betrieb des Aggregats in Stationärpunkten, auf die die optimale Auslegung eines kostengünstigen und robusten mechanischen Vergasers ohne elektronische Bauteile erfolgen kann. Als Beispiel des heutigen Stands der Technik ist in Abbildung 7-2 und Abbildung 7-3 der zurzeit noch im Einsatz befindliche Gleichdruckvergaser dargestellt

7.2. Grundlagen der elektronische Einspritzung

Im Gegensatz zur Gemischbildung mit dem Vergaser findet bei der elektronischen Einspritzung keine kontinuierliche Dosierung des Kraftstoffs zur Ansaugluft statt. Über elektronisch angesteuerte Einspritzventile (Injektoren) werden zyklisch Kraftstoffladungen in den Ansaugtrakt und/oder in den Zylinder eingespritzt. Das Kraftstoff-Luftverhältnis im Betrieb wird hierbei im Wesentlichen über die Anzahl der Einspritzungen, die Öffnungsdauer der Injektoren und den Kraftstoffdruck beeinflusst. Die Lastregelung erfolgt weiterhin über die Ladungsmenge (Quantitätsregelung bei homogenen Lambda-1-Konzepten), teilweise auch anteilig über die eingespritzte Kraftstoffmenge (Quantitätsregelung bei Schicht-Konzepten).

7.2.1. Geschichte der Einspritzung

Die Geschichte der Einspritzung reicht bis in die Anfänge des Motorenbaus zurück. Angefangen von rein mechanischen Einspritzsystemen, wurden sie über die Jahre hinweg durch die Einführung von elektronischen Einspritzsystemen zum heutigen Stand der Technik

Die Kraftstoffdosierung bei elektronischen Einspritzsystemen wird durch das Motorsteuergerät berechnet und durch die Ausgabe der Steuersignale an die Einspritzventile umgesetzt. Grundsätzlich werden zwei Strategien für die Dosierung im Motorsteuergerät implementiert: Die schnelle Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmasse für den instationären Motorbetrieb und die Regelung der Kraftstoffmasse auf Lambda bei stationärem Motorbetrieb.

Beiden Strategien gemein ist, dass sie den aktuell vorliegenden Luftmassenstrom als Eingangssignal benötigen. Dieser kann mittels Sensorik gemessen werden (vgl. Kapitel 7.6.1). Aus dem Luftmassensignal wird dann, abhängig von der Strategie, ein Kraftstoffmassenstrom berechnet. Dieser wird dann in Abhängigkeit von der Einspritzstrategie, der Anzahl der Zylinder, der Drehzahl und des Kraftstoffdrucks in eine Einspritzdauer für die Einspritzventile übersetzt. Zusammen mit dem Einspritzbeginn, der ebenfalls drehzahl- und massenstromabhängig berechnet werden kann, ergibt sich so das Einspritzsignal für die Einspritzventile.

Die Umsetzung der Einspritzsignale durch die Ventile führt dann zusammen mit dem tatsächlichen Luftmassenstrom zu einem bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dieses kann über Lambdasonden im Abgas bestimmt werden (vgl. Kapitel 7.6.7). Ziel bei Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung ist immer das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambda = 1) einzuhalten. Bei direkteinspritzenden Motoren werden nach heutigem Stand der Technik ebenfalls homogene Lambda-1-Konzepte bevorzugt, es sind jedoch auch Magerkonzepte (1 < Lamda < 1,6) im Markt vertreten, die in Teilen des Kennfelds mit geschichteter Zylinderladung betrieben werden

7.2.2.1 Instationärer Motorbetrieb – Schnelle Steuerung

Bei instationärem Motorbetrieb ändern sich die motorischen Randbedingungen sehr schnell, so dass eine Regelung des Kraftstoffmassenstroms auf Lambda nicht möglich ist. Die Bestimmung der Kraftstoffmasse erfolgt deshalb aus dem gemessenen Luftmassenstromsignal und einem Kennfeld, in dem, vereinfacht ausgedrückt, der Zusammenhang zwischen Luftmassen- und Kraftstoffmassenstrom hinterlegt ist.

7.2.2.2 Stationärer Motorbetrieb – Lambda-Regelung

Bei stationärem Motorbetrieb und damit konstanten motorischen Randbedingungen findet die Bestimmung der Kraftstoffmasse aus dem Kennfeld ebenfalls statt. Hier wird jedoch zusätzlich eine Regelschleife aktiv, die den aus dem Kennfeld vorgesteuerten Wert korrigiert. Die Regelgröße hierbei ist das im Abgas gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dieses Lambda wird mit dem Lambda-Sollwert (üblicherweise Lambda = 1) verglichen und die einzuspritzende Kraftstoffmasse korrigiert.

Bei der Saugrohreinspritzung findet die Gemischbildung extern im Ansaugtrakt des Motors statt. Es wird grundsätzlich nach der Position des/der Einspritzventile in

• Central Port Injection (CPI – ein Einspritzventil für alle Zylinder in Gesamtsaugrohr) und
• Multi Point Fuel Injection (MPFI – ein Einspritzventil in Ansaugkrümmer vor dem/den Einlassventil/en eines jeden Zylinders)

unterschieden. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt über ein elektronisches Steuergerät, das über ein elektrisches Signal den Öffnungszeitpunkt und die Öffnungsdauer einstellt. Während einfache Einspritzsysteme mit simultaner Einspritzung (alle Ventile werden gleichzeitig angesteuert) arbeiten, hat die strengere Abgasgesetzgebung zur Entwicklung von Gruppen- und sequentieller Einspritzung geführt (vgl. Abbildung 7-6). Letztgenannte Strategie ist jedoch nur bei MPFI-Motoren möglich. Der Vorteil hierbei liegt in der zylinderselektiven Dosierung des Kraftstoffs und einer daraus resultierenden guten und schnell adaptierbaren Gemischaufbereitung und Lambdaregelung.

7.3.1. Einspritzstrategien

Wie bereits erwähnt, sind je nach Injektorposition und Leistungsfähigkeit des Einspritzsystems verschiedene Einspritzstrategien bei der Saugrohreinspritzung möglich. Abbildung 7-6 mit den folgenden Erläuterungen zeigt eine Übersicht der Strategien, wie sie im Laufe der Zeit entwickelt wurden:

Simultane Einspritzung: Bei der simultanen Einspritzung werden alle Einspritzventile zum gleichen Zeitpunkt betätigt. Die Zeit, die zum Verdampfen des Kraftstoffs zur Verfügung steht, ist deshalb für die Zylinder unterschiedlich. Um trotzdem eine gute Gemischbildung zu erreichen wird die für die Verbrennung benötigte Kraftstoffmenge in zwei Hälften aufgeteilt und jeweils einmal pro Kurbelwellenumdrehung eingespritzt. Bei dieser Einspritzart wird bei einigen Zylindern der Kraftstoff nicht vor dem Einlassventil vorgelagert, sondern in den offenen Einlasskanal gespritzt. Der Einspritzbeginn ist fest vorgegeben.

Gruppeneinspritzung: Bei der Gruppeneinspritzung werden die Einspritzventile zu zwei Gruppen zusammengefasst. Die beiden Gruppen spritzen die gesamte Einspritzmenge im Wechsel ein Mal pro Kurbelwellenumdrehung ein. Diese Anordnung ermöglicht bereits eine betriebspunktabhängige Wahl der Einspritzlage und vermeidet in weiten Kennfeldbereichen die unerwünschte Einspritzung in den offenen Einlasskanal. Die Zeit, die für die Verdampfung des Kraftstoffs zur Verfügung steht, ist aber auch hier für die verschiedenen Zylinder unterschiedlich

Sequentielle Einspritzung (SEFI): Der Kraftstoff wird für jeden Zylinder einzeln eingespritzt. Die Einspritzventile werden nacheinander in der Zündfolge betätigt. Die Einspritzzeit und der Einspritzbeginn – bezogen auf den oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders – ist für alle Zylinder gleich. Damit wird der Kraftstoff für jeden Zylinder gleich vorgelagert. Der Einspritzbeginn ist frei programmierbar und kann an den Motorbetriebszustand angepasst werden

Zylinderindividuelle Einspritzung (CIFI): Diese Einspritzart bietet die größten Freiheitsgrade. Gegenüber der sequentiellen Einspritzung bietet sie den Vorteil, dass hier für jeden Zylinder die Einspritzzeit individuell beeinflusst werden kann. Damit können Ungleichmäßigkeiten, z.B. bei der Zylinderfüllung, ausgeglichen werden

Bei der Saugrohreinspritzung wird die Luft über den Luftmassenmesser angesaugt. Die Regulierung der Luftmasse findet über die Stellung der Drosselklappe statt, die über das Motorsteuergerät vorgegeben wird (E-Gas). Der aus der Drosselklappenstellung und der Motordrehzahl resultierende Unterdruck im Saugrohr wird über einen Saugrohrdrucksensor gemessen und steht dem Steuergerät ebenfalls als Information zur Verfügung, um z.B. die Füllung der Zylinder exakt berechnen zu können. Die Dosierung des Kraftstoffs findet über die Einspritzventile im Ansaugkrümmer vor den Einlassventilen statt. Die Ansteuerung der Injektoren wird vom Steuergerät ausgeführt. Der Kraftstoff wird den Injektoren über eine Tankeinbaueinheit zugeführt, die sowohl eine Niederdruckpumpe (bis ca. 5 bar), als auch einen Kraftstofffilter beinhaltet. Die Lambdasonden (meist Sprungsonden) im Abgasstrang erfassen die Regelgröße Lambda für die Motorelektronik. Zusätzliche Eingangssignale für die Kraftstoffdosierung werden über den Kurbelwellendrehzahlsensor für die Motordrehzahl, den Nockenwellenphasengeber für die Stellung der Nockenwelle(n), den Temperatursensor im Kühlmittel für die Motortemperatur und den Klopfsensor zur Detektion irregulärer Verbrennung bereitgestellt. Alle Signale dienen dazu, neben der Einspritzzeit, auch einen optimalen Einspritzzeitpunkt für jeden Zylinder im Steuergerät zu berechnen.

Abbildung 7-7 zeigt schematisch alle Komponenten eines MPFI-Einspritzsystems und deren Anordnung im und am Motor.

7.4. Elektronische Direkteinspritzung

Im Gegensatz zu Vergaser und Saugrohreinspritzung findet die Gemischbildung bei direkteinspritzenden Motoren im Brennraum, also intern statt. Dies bietet, wie bereits in Kapitel 6 beschrieben, Vorteile: Größerer Zylinderfüllung, Senkung der Brennraumtemperatur und höhere Variabilität bei der Wahl des Brennverfahrens und des Motorprozess (z.B. Miller-/Atkinson-Zyklus).

Je nach Lage des Injektors werden zwei Arten der Direkteinspritzung unterschieden: Direkteinspritzung mit seitlicher Injektorlage und Direkteinspritzung mit zentraler Injektorlage. Beide Arten werden im Folgenden näher erläutert.

Motoren mit seitlicher Injektorlage stellen nach Saugrohreinspritzern die zweite Generation von einspritzenden Ottomotoren dar. Der Injektor liegt hier schräg seitlich zwischen den Einlassventilen und bildet das Kraftstoffspray schräg in den Brennraum aus. Aus diesem Grund werden hier wand- oder luftgeführte Brennverfahren eingesetzt, die die Kraftstoffwolke im Brennraum platzieren sollen (vgl. Kapitel 6 und Abbildung 7-8). Motoren mit diesen Einspritzsystemen können zur Schichtladung verwendet werden, da die Kraftstoffwolke durch die von der Kolbenform (sog. Nasenkolben) beeinflusste Zylinderinnenströmung gezielt an die Zündkerze gelenkt werden kann. Das äußerst beschränkte Anwendungsgebiet der Schichtladung im Kennfeldbereich niedriger Drehzahlen und niedriger Lasten und der hohe technische Aufwand bei der Applikation führen jedoch dazu, dass der Betrieb dieser Motoren meist ausschließlich homogen bei Lambda = 1 stattfindet. Der Kraftstoff wird hierbei während des Ansaugtakts bei geöffneten Einlassventilen mit einer einzelnen Einspritzung in den Brennraum eingebracht, so dass relativ viel Zeit (Ansaug- und Kompressionstakt) für die vollständige Gemischaufbereitung und gleichmäßige Gemischverteilung im Brennraum zur Verfügung steht

Nachteilig bei diesen Brennverfahren ist, dass insbesondere bei hohen Lasten die Partikelemissionen vergleichsweise hoch ausfallen. Die Ursache hierfür liegt in der Kraftstoffeinbringung direkt in den Brennraum und damit verbunden Wandbenetzung und schlechte Gemischaufbereitung. Bei hohen Lasten und damit verbunden hohen einzuspritzenden Kraftstoffmassen pro Arbeitsspiel sind Kraftstoffeinspritzdruck und Öffnungsdauer der Injektoren sehr hoch. Dies führt zum einen dazu, dass das Spray sehr weit in den Brennraum eindringt und die Brennraumwand benetzt, zum anderen jedoch auch dazu, dass der Kolben in der Abwärtsbewegung und die Einlassventile vom Spray getroffen werden. Gerade bei hohen Drehzahlen kommt hinzu, dass die Zeit für die Gemischaufbereitung zu gering ist.

Ein weiterer Nachteil in Verbindung mit der Benetzung der Brennraumwände ist die Ölverdünnung. Der an der Wand haftende Kraftstoff wird von den Kolbenringen abgestreift und gelangt in den Ölkreislauf, wo er die Schmiereigenschaften des Öls beeinträchtigt

Bei neuesten Ottomotoren ist ein allmählicher Trend zu einer im Brennraumdach zentralen Injektorlage mit sog. strahlgeführtem Brennverfahren erkennbar. Diese Direkteinspritzsysteme der dritten Generation erlauben durch die Nähe von Einspritzdüse und Zündkerze eine genauer gesteuerte Gemischbildung im Brennraum und insbesondere an der Zündkerze. Durch eine optimale Positionierung des Kraftstoffs im Brennraum – Spraytargeting – durch vergrößerten Öffnungswinkel des Sprays und genauere Ausrichtung bei verringerter Eindringtiefe im Vergleich zur seitlichen Injektorlage können Wandbenetzung, Schadstoffemissionen und Ölverdünnung weiter reduziert werden. Insbesondere für das Schichtladeverfahren ist die strahlgeführte Direkteinspritzung eine wichtige Voraussetzung, um auch global magere Gemische durch das gezielte lokale Einbringen von Kraftstoff in den Bereich der Zündkerze, sicher entflammen zu können. Der Vorteil ist dadurch begründet, dass der Kraftstoff erst kurz vor der Zündung eingespritzt wird. Durch die Nähe von Injektor und Zündkerze kann so ein lokal zündfähiges Gemisch gebildet werden. Weitere Verbesserungen hinsichtlich Emissionen, Ölverdünnung und Verbrennungsstabilität sind, auch bei homogenem Betrieb, durch die ebenfalls darstellbare Mehrfacheinspritzung zu erzielen.

Eine wichtige Anforderung bei zentraler Injektorlage ist – insbesondere bei höherem Downsizing – die sorgfältige Auslegung der Kühlung im Bereich von Zündkerze und Einspritzdüse. Hier muss darauf geachtet werden, dass trotz des geringen Bauraums zwischen den beiden Komponenten genügend Wärme abgeführt werden kann, um irreguläre Verbrennungauslöser (z.B. Hot-Spots an der Zündkerze) zu vermeiden. Das Beispiel des Mahle-1,2-l-Downsizing-Motors (mit strahlgeführter zentraler Einspritzung) weist deshalb einen Kühlmantel mit einer nahezu vollständigen Umströmung in diesem Bereich für eine optimale Kühlung von sowohl Injektor als auch Zündkerze auf.

Die Wahl der Injektorlage hat auch einen wesentlichen Einfluss auf die Brennraumform. Die möglichen Ventildurchmesser (und damit die erzielbare spezifische Leistung) stehen in direkter Wechselwirkung mit der Injektorposition (zentral/seitlich). Bei der Wahl der Injektorposition ist daher ein Kompromiss zwischen bestmöglicher Gemischaufbereitung, größtmöglichen Ventildurchmessern und Grad der Aufladung zu treffen.

7.4.3. Aufbau eines Direkteinspritzsystems

Abbildung 7-11 zeigt schematisch alle Komponenten eines heutigen DI-Einspritzsystems mit den für Kraftstoffkreislauf und Kraftstoffzumessung wesentlichen Bauteilen. Der grundsätzliche Systemaufbau ist analog zur Saugrohreinspritzung. Wesentliche Änderungen gibt es beim Injektor, den Lambdasonden und der Kraftstoffversorgung.

Der Injektor ragt nun direkt in den Brennraum und ist auf höheren Kraftstoffdruck (aktuell bis ca. 200 bar) und die Temperaturen im Brennraum ausgelegt. Außerdem ist eine zusätzliche Kraftstoffhochdruckpumpe erforderlich, die die vom Motorsteuergerät geforderten Einspritzdrücke in Abhängigkeit vom Motorbetriebspunkt bereitstellt. Die Hochdruckpumpe wird von der Nockenwelle angetrieben und speist ein Kraftstoffrail, an das die Injektoren für die einzelnen Zylinder angeschlossen sind. Der Kraftstoffdruck im Rail wird dem Motorsteuergerät von einem Kraftstoffdrucksensor als Information zur Verfügung gestellt. Die Druckregelung im Rail erfolgt entweder direkt über die Pumpe (rücklauflose Systeme) oder über ein variables Überströmventil (Systeme mir Kraftstoffrücklauf in den Niederdruckkreislauf, nicht abgebildet).

Die Lambdasonden bei direkteinspritzenden Motoren müssen aufgrund der Fähigkeit zum Magerbetrieb Breitbandlambdasonden sein, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auch bei mageren Gemischen bestimmen zu können.

Die Systeme für seitliche bzw. zentrale Injektorlage unterscheiden sich lediglich durch die Positionierung der Injektoren und des Kraftstoffrails