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Sprache Italiano
Stufe Berufslehre
Erstellt / Aktualisiert 16.11.2013 / 06.01.2019
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7.3. Elektronische Saugrohreinspritzung

7.3.1 Einspritzstrategien

  • Simultane Einspritzung
  • Gruppeneinspritzung
  • Sequentielle Einspritzung
  • Zylinderindividuelle Einspritzung
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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:

 

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7.3.1. Einspritzstrategien

  • Simultane Einspritzung
  • Gruppeneinspritzung
  • Sequentielle Einspritzung
  • Zylinderindividuelle Einspritzung

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

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7.3.2. Aufbau eines Saugrohreinspritzsystem (Multi Point Fuel Injection - MPFI)

Lizenzierung: Namensnennung (CC BY) Skript MPFI

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.

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7.4. Elektronische Direkteinspritzung

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.

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7.4.1. Direkteinspritzung mit seitlicher Injektorlage

Lizenzierung: Namensnennung (CC BY) Skript VKM

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

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7.4.2. Direkteinspritzung mit zentraler Einspritzanlage

 

Lizenzierung: Namensnennung (CC BY) Skript VKM

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.

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7.4.3. Aufbau eines Direkteinspritzsystems

Lizenzierung: Namensnennung (CC BY) Skript VKM

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

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7.5. Homogeneous Charge Compression Ignition – HCCI

7.5. Homogeneous Charge Compression Ignition – HCCI

HCCI – Homogeneous Charge Compression Ignition (homogene Selbstzündung) – bezeichnet die Verbrennung von direkt eingespritztem Ottokraftstoff durch Selbstzündung des homogenen, mageren Gemisches im Brennraum. Die Verbrennung findet hierbei im Idealfall im gesamten Brennraum gleichzeitig statt (Abbildung 7-12 rechts).

Die homogene Selbstzündung bietet Vorteile bezüglich Partikelemission, NOx-Emission und Kraftstoffverbrauch. Es entsteht keine ausgeprägte Flammenfront wie bei konventionellen Ottomotoren (Abbildung 7-12 links) was in Verbindung mit einem hohen Inertgasanteil (Abgasrückführung) zu einer geringeren Spitzentemperatur des Gases führt. Dadurch wird die Entstehungstemperatur für NOx nicht erreicht, was eine starke Reduzierung dieser Emissionen bewirkt (>90%). Die Partikelentstehung ist durch die im Idealfall vollständige Verbrennung ebenfalls geringer. Das Verfahren ist thermodynamisch günstiger, da eine sehr schnelle Verbrennung stattfindet (vgl. Gleichraumprozess). Daraus resultiert ein hoher thermodynamischer Wirkungsgrad, der aber nicht vollständig genutzt werden kann, da höhere Wandwärmeverluste entstehen. Eine weitere Eigenschaft von HCCI ist eine höhere HC-Rohemission als bei einem konventionellen Ottomotor („magere" Betriebsart). Gegenüber Schichtladekonzepten sind die HC-Emissionen niedriger und es ergeben sich Verbrauchsvorteile durch Wegfall der Regeneration eines DeNOx-Katalysators.