Der DI-Benzinmotor - ein Konzept mit Zukunft

Einleitung

Mit der Lancierung des Mittelklassemodells Carisma GDI ist es Mitsubishi als erstem Hersteller gelungen, ein Direkteinspritzer-Ottotriebwerk zur Serienreife zu bringen, das auch strenge Abgasvorschriften einhält. Verschiedene andere Hersteller verfolgen ähnliche Projekte.

Theoretisch gibt es für den Motorenentwickler kaum etwas Näherliegendes als den direkteinspritzenden Benzinmotor: Mit diesem Konzept liesse sich das grosse Leistungspotential des Ottomotors mit dem vorbildlichen Verbrauchsverhalten des Diesels kombinieren. Zwar ist es den Entwicklungsingenieuren schon vor längerer Zeit gelungen, die Gemischaufbereitung in direkt eingespritzten Benzinmotoren so weit zu beherrschen, dass das Lauf- und Leistungsverhalten zu befriedigen vermochte; bis vor kurzem sind sie jedoch an Problemen der Abgasqualität und der Schmierölverdünnung gescheitert. Illustre Beispiele für solche Pionierleistungen sind der Gutbrod Superior (0,7 l, 30 PS) und der legendäre Mercedes 300 SL (3 l, 215 PS) in den frühen fünfziger Jahren.

Ein langer Weg zum Erfolg

Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen setzten sich in der Folge PW-Motoren mit Vergaser und später solche mit Saugrohreinspritzung durch. Nachdem sich die Ingenieure in den vergangenen Jahrzehnten aber immer wieder mit der Magerverbrennung im Benzinmotor auseinandergesetzt hatten und besonders die Japaner auf dem Gebiet der Ladungsschichtung seit den siebziger Jahren stets neue Teilerfolge meldeten (Honda CVCC und VTEC-E, Mitsubishi Vertical Vortex, Toyota Magermix), sind nun offenbar mehrere Hersteller in der Lage, Magerverbrennung und Abgasnachbearbeitung im direkteinspritzenden Benzinmotor so weit zu beherrschen, dass dieser den geltenden Emissionsvorschriften genügt.

Im Gegensatz zum Dieselmotor ist der Benzinmotor auf ein homogenes Gemisch im stöchiometrischen Bereich angewiesen. Eine solche Ladung lässt sich am besten aufbereiten, indem der Treibstoff schon im Saugrohr der Frischluft zugemischt wird. Danach stellt - dank Lambdaregelung und Dreiweg-Katalysator - auch die Abgasreinigung kein grosses Problem mehr dar. Hinsichtlich Verbrauchsoptimierung dagegen stösst man mit einem lambdageregelten Motormanagement schnell an die Grenzen des Möglichen, weil der Motor nicht mit sehr magerem Gemisch betrieben werden darf. Da orientiert sich der Techniker gerne wieder am Dieseltriebwerk und denkt an die qualitätsgeregelte Verbrennung des Selbstzünders. Dort ist das Gemisch erst bei hohem Leistungsbedarf fett. Im Teillastbetrieb läuft der Diesel sehr mager, also auch verbrauchsgünstig. Ausserdem benötigt er keine Drosselklappe; auf Grund der wegfallenden Pumpverluste lassen sich weitere, beachtliche Wirkungsgradverschlechterungen vermeiden.

Mager bei Teillast ...

Damit sich aber sehr mageres Gemisch im Ottomotor sicher entzünden und vollständig abbrennen lässt, bedarf es zahlreicher neuer Techniken. Grundsätzlich gilt: Mit einer vergleichsweise fetten Gemischwolke soll die Verbrennung eingeleitet werden, und geeignete Turbulenzen innerhalb des Brennraumes haben für die vollständige Verbrennung der restlichen Füllung zu sorgen. Mitsubishi löst das Problem der Magerverbrennung im GDI- Motor (Gasoline Direct Injection) im Prinzip durch die Aufteilung in zwei unterschiedliche Einspritz- und Verbrennungskonzepte, den «Sparmodus» für den Leerlauf und den unteren Teillastbereich sowie den «Leistungsmodus» für den oberen Teillast- und den Vollastbereich.

Im Sparmodus, bei dem Magergemische von bis zu 40:1 verbrannt werden, erfährt die durch den fast senkrechten Ansaugkanal in den Brennraum gelangende Luft eine intensive Verwirbelung. Das Benzin wird erst gegen Ende des Verdichtungstaktes in die grosse Kolbenmulde eingespritzt. Diese leitet die fette Gemischwolke in den Bereich der Zündkerzenelektroden, wo schliesslich mit kräftigem Funken die Verbrennung eingeleitet wird. Damit das eingespritzte Benzin den nötigen Drall erhält, ist die Hochdruck-Einspritzdüse (50 bar) mit einer Mikroverwirbelungsscheibe bestückt. Im Spar- oder Economy-Bereich soll sich der Motor des Carisma bis zu Fahrzeuggeschwindigkeiten von rund 140 km/h betreiben lassen.

... fett bei Vollast

Ganz anders arbeitet der Motor im Leistungsmodus: Dort erfolgt die Treibstoffeinspritzung in einem breiten Sprühkegel bereits in der Ansaugphase. Durch die feine Zerstäubung des Benzins wird dabei der Luft Wärme entzogen, was eine sehr gute Füllung ermöglicht. Durch die sich ergebende Kühlung der Verbrennungsluft lässt sich das Verdichtungsverhältnis heraufsetzen - im vorliegenden Fall von 10,5:1 auf 12,5:1. Auch diese Massnahme trägt natürlich zur Wirkungsgradoptimierung bei. Im Verdichtungstakt schliesslich wird der Zündkerze vom Kolben ein homogenes Gemisch zugeschoben, aus dessen Verbrennung ein Drehmoment entsteht, das demjenigen konventioneller Motoren um etwa 10 % überlegen ist. Als Maximaldrehmoment liefert der 1834 cm³ grosse, langhubige Mitsubishi-DOHC-Vierventiler 174 Nm bei 3750 U./min. Die Leistungsspitze von 125 PS/92 kW erreicht er bei 5500 U./min. Wird im Sparbetrieb plötzlich viel Leistung verlangt, wechselt das System auf eine zweistufige Einspritzung.

Mit Abgasrückführung vermag der GDI-Motor die Stickoxid-Rohemission auf vergleichsweise niedrigem Niveau zu halten. Mit Rückführraten von rund 30 % im Leerlauf übertrifft er den Saugrohreinspritzer bei weitem. Konventionelle Motoren stossen bereits bei einem EGR-Anteil von etwa 15 % an die Laufgrenze.

Künftig ohne Drosselklappe?

Eigentlich sollte sich der direkt einspritzende Benziner wie der Diesel auch qualitätsgeregelt, also ohne Drosselklappe, betreiben lassen. Aber dazu bedarf es noch einiger Entwicklungsschritte. Vorläufig ist der GDI-Motor, wie er von Mitsubishi angeboten wird, für die Steuerung der Abgasrückführung und für verschiedene andere Unterdruckregelungen noch auf die Drosselklappe angewiesen. Trotzdem ist in der Zukunft auch mit Benzinmotoren ohne Drosselklappe zu rechnen.

Mitsubishi, Toyota und Subaru haben sich unter die Pioniere der DI-Benzinmotoren-Entwicklung eingereiht. Es darf aber davon ausgegangen werden, dass viele andere Motorenhersteller und Zulieferunternehmen diesem Trend nicht tatenlos zugeschaut haben. Toyota lässt das Verdichtungsverhältnis des D-4 genannten DI- Aggregates bei 10,0:1 und ermöglicht damit das Fahren mit 91oktanigem Normalbenzin, das in Japan deutlich günstiger ist als der Supertreibstoff. Als Betriebsdruck nennt Toyota 80 bis 130 bar und als maximale EGR-Rate 40 %. Die Drosselklappe des D-4-Motors wird unabhängig vom Drive-by-wire-Gaspedal vom Motormanagement nach einem speziellen Steueralgorithmus positioniert, um schnellstens auf plötzliche Luftzufuhrerfordernisse reagieren zu können. Audi sieht seinerseits als Antriebsquelle für den Space- Frame-Aluminium-Kleinwagen Al₂ einen 1,2-l- Dreizylinder-DI-Benziner vor, der über fünf Ventile pro Zylinder verfügt. Mit Drücken von gegen 100 bar und einem neuartigen System für die variable Ladungsbewegung soll der Leichtmetallmotor im Teillastbereich um 15 bis 20 % sparsamer sein als ein herkömmlicher Benziner.

Lösungsvorschläge für Hybridantriebe

Honda, Mazda und Nissan haben an der letzten Tokyo Motor Show ebenfalls erste Triebwerke dieser Art, zum Teil als Komponenten eines Hybridantriebs, vorgestellt. Der DIATA-Motor (Direct Injection, Aluminum, Through-bolt Assembly) von Ford, eine 1,2-l-Vierzylinder- Leichtmetallkonstruktion, ist ebenfalls als Basis für künftige Hybridkonzepte gedacht. Bei der Benzin-DI-Entwicklung an vorderster Front mit dabei ist natürlich Systemlieferant Bosch. Um erste Entwicklungserfahrungen zu sammeln, haben die Stuttgarter einen serienmässigen 2,2-l-Diesel-Vorkammermotor von Mercedes umgebaut. Fiat schlägt zur Lösung des sich im Hinblick auf die Grenzwertschritte Euro III und Euro IV abzeichnenden Abgasproblems vor, auf Kosten einiger Prozente Treibstoffverbrauchssenkung auf die stöchiometrisch geregelte Direkteinspritzung auszuweichen. Immerhin noch 7 bis 10 % Verbrauchsreduktion wären auf diese Weise erreichbar. Dafür liesse sich die homogene Ladung extrem emissionsarm verbrennen.

Quelle: Neue Zürcher Zeitung, Nr. 53/5. März 1998