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Motortechnik : Die Zukunft gehört dem Magerbetrieb

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Der V6 im Mercedes CLS: 15 kW mehr mit 10 Prozent weniger Sprit Bild: Hersteller

Mit einer Direkteinspritzung des Kraftstoffs kann der Verbrauch von Ottomotoren gesenkt werden. Das reduziert auch die CO2-Emissionen erheblich. Ein Blick auf die Technik verrät: Es sind nur die Kosten, die noch nicht gemeistert sind.

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          Wenn es darum geht, den Kraftstoffverbrauch und damit den CO2-Ausstoß bei Ottomotoren deutlich zu senken, ist die Direkteinspritzung (DI) eine Schlüsseltechnik. Davon ist man natürlich auch bei Bosch überzeugt, einer der größten Zulieferer in Sachen Kraftstoffversorgung, Gemischaufbereitung und Motormanagement überhaupt. Rund 900.000 DI-Systeme wollen die Schwaben noch im laufenden Jahr verkaufen, die meisten davon an VW. Bis zum Jahr 2010 rechnet Bosch-Geschäftsführer Bernd Bohr sogar mit mehr als zwei Millionen.

          Das zeigt, wie stark der Zug hin zur Direkteinspritzung bei den Benzinern beschleunigt: Denn da sind die Einspritzanlagen des Hauptkonkurrenten Siemens/VDO, der bei BMW im Geschäft ist, noch nicht einmal berücksichtigt.

          Verbrauchsvorteil nur im Magerbetrieb

          Es tut sich also etwas auf dem DI-Gebiet, allerdings nach eher zähem Anlauf. Volkswagen riskierte als erster deutscher Hersteller die DI-Technik (Start im Jahr 2000 im VW Lupo FSI) und führte sie in der Folge bei den Volumenmodellen von VW und Audi ein. Mercedes brachte den C 200 CGI (2002), auch der französische PSA-Konzern versuchte sich an der sogenannten ersten Generation der Kraftstoffdirekteinspritzung, mit mäßigem Erfolg. Nur VW kam auf Stückzahlen, die den Konzern allerdings viel Geld kosteten und den Kunden wenig Nutzen brachten.

          BMWs Vier- und Sechszylinder gibt es fast alle als Direkteinspritzer

          Denn die frühen FSI-Modelle (auch die der anderen Hersteller) hielten vor allem beim Verbrauch in der Praxis nicht, was die Theorie versprach. Außerdem liefen sie rauh und ruckelig. Das hatte prinzipielle Gründe. Denn das Problem der Direkteinspritzung bei Ottomotoren liegt unter anderem darin, dass ein signifikanter Verbrauchsvorteil nur dann gewährleistet ist, wenn (wie beim Diesel) das Gemisch mit Luftüberschuss im Magerbetrieb verbrannt wird. In diesem Betriebsbereich wird der Motor nur von der Kraftstoffmenge geregelt und läuft weitgehend ungedrosselt mit dieselähnlichem Wirkungsgrad.

          Rolle rückwärts im Zylinder

          Doch gerade das fällt den Benzinern schwer, denn zur Entflammung des Gemischs mittels Zündkerze muss im Gegensatz zum selbstzündenden Diesel ein bestimmtes Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Luft vorliegen, und das darf nicht zu mager sein. Dieser Zwang führt zur sogenannten Schichtladung. Die „Fettschicht“ um die Kerze herum muss zündfähig sein. Ist diese erst einmal entflammt, brennt im übrigen Zylinder auch der „magere“ Rest durch. Volkswagen nannte das Verfahren Fuel Stratified Injection (FSI), wobei stratified für „geschichtet“ steht.

          Für die Schichtung waren technische Kapriolen nötig. Um zündfähiges Gemisch zur Kerze zu führen, spritzten die VW-FSI-Motoren den Kraftstoff zwischen den beiden Einlasskanälen schräg auf eine Art Nasenkolben, der dem Gemisch eine Rolle rückwärts (Tumble) aufzwingt. Dieses sogenannte wandgeführte Verfahren hatte aber gravierende Nachteile: Der Magerbetrieb lässt sich nur in einem schmalen Teillastbereich realisieren, und der durch die Kolbenstellung erzwungene, ungünstige Verbrennungsschwerpunkt beeinträchtigt die Laufkultur. So drangen nicht nur nach dem Kaltstart dieselähnliche Verbrennungsgeräusche aus dem Motorraum der FSI-Modelle. Außerdem ergaben sich durch die Kolbenform relativ große, vom Gemisch benetzte Oberflächen, die nachteilig für die Abgasqualität sind und (thermodynamisch) zu Wandverlusten führen.

          Kraftstoffdruck bis 200 bar

          Ganz generell erfordert der Schichtladebetrieb eine zusätzliche Abgasnachbehandlung, was die Sache ziemlich verteuert. Denn Magerbetrieb bedeutet ja Luftüberschuss, der im üblichen Dreiwegekat die Reduzierung der Stickoxide zu reinem Stickstoff verhindert. Ein nachgeschalteter Denox-Kat muss diese eliminieren, was zudem mit hohem elektronischen Regelaufwand verbunden ist. Außerdem verlangt der Denox-Kat nach schwefelfreiem Kraftstoff (Super Plus), der nicht in allen Ländern verfügbar ist. Volkswagen hat wie Mercedes und PSA schon vergangenes Jahr die wandgeführte Schichtladetechnik aufgegeben und fährt alle aktuellen FSI-Modelle durchgängig mit homogenem Gemisch, also mit Lambda gleich eins.

          Diese homogen betriebene Direkteinspritzung kann man als wichtigen Zwischenschritt bezeichnen, der noch eine ganze Weile aktuell bleiben wird, zumal der Denox-Kat entfällt. Bosch hat für diese weiterentwickelte DI-Motronic die Mehrloch-Einspritzventile verbessert, den Kraftstoffdruck erhöht (150 bis 200 bar) und die Hochdruckpumpe optimiert. Aber auch ohne Magerbetrieb trägt die Direkteinspritzung zur Verbrauchsreduzierung bei (etwa drei Prozent). Dank innerer Verdunstung kann ein um 1,5 bis zwei Punkte höheres Verdichtungsverhältnis realisiert werden.

          Downsizing in der Premium-Klasse

          Außerdem erlaubt die kurze Einspritzdauer einen weitgehend freien Umgang mit den Ventilsteuerzeiten. Die Phasenverschiebung von Einlass- und Auslassnockenwellen wird bei aufgeladenen Motoren zur besseren Brennraumspülung genutzt, was deutliche Drehmomentsteigerungen und niedrigere Abgasemissionen zur Folge hat. Voraussetzung hierfür sind allerdings schnell reagierende Nockenwellensteller mit großem Verdrehwinkel, also das, was BMW als Doppel-Vanos (Variable Nockenwellen-Spreizung) bezeichnet.

          Eine größere Effizienz verspricht die homogene Direkteinspritzung in Verbindung mit Aufladung und Downsizing (Motoren mit kleineren Hubräumen). Hier lassen sich bis zu zehn Prozent Kraftstoff einsparen. VW demonstriert an den nur 1,4 Liter großen, doppelt aufgeladenen TSI-Motoren, was hier möglich ist. Aber auch BMW nutzt bei der Gemeinschaftsentwicklung mit PSA dieses Downsizing-Konzept für den Mini Cooper S mit beeindruckenden Leistungs- und Verbrauchswerten. Audi verfolgt eine Hubraumklasse höher (1,8 bis zwei Liter) mit dem neuen, demnächst konzernweit eingesetzten TFSI-Motor (“Weltmotor“ EA 888) das gleiche Muster. Und BMW ist mit der Downsizing-Masche sogar schon in der Oberklasse: Im Dreiliter-Sechszylinder werden hier mit Biturbo-Aufladung die Leistungswerte (225 kW/306 PS, 400 Newtonmeter Drehmoment) eines gut vier Liter großen V8 mit dem Verbrauch eines kleineren Sechszylinders kombiniert.

          Zusätzliches Saugrohr für geringe Last

          Zu bemerken ist hierzu, dass aufgeladene Motoren derzeit nur mit homogener Direkteinspritzung entwickelt werden. Das hat Gründe: einmal der hohe Preis dieses Konzepts, zum anderen die Temperaturempfindlichkeit bestimmter Bauteile. Um diese zu schützen, müsste im oberen Lastbereich stark angereichert, der Kraftstoffanteil im Gemisch also erhöht werden. Der Verbrauchsvorteil bliebe dabei in der Praxis weitgehend auf der Strecke, ein Phänomen, das ja schon in geringerem Maße bei den homogen betriebenen Turbomotoren zu beobachten ist, wenn sie leistungsmäßig stark ausgenutzt werden. Denn auch diese werden zwecks Innenkühlung bei Volllast mit zusätzlichem Kraftstoff angefettet, um Motorschäden zu vermeiden.

          Auch die Japaner setzen auf Direkteinspritzung. Toyota hat für die beiden Lexusmodelle GS 450h und LS 460 eine kombinierte Form der Gemischaufbereitung gewählt. Bei geringer und mittlerer Last ergänzt eine zusätzliche Saugrohreinspritzung den direkt zugeführten Kraftstoff, was zu einer besseren Gemischbildung und niedrigeren Abgasemissionen führen soll. Bei hoher Last übernimmt dann die Direkteinspritzung allein die Kraftstoffversorgung. Auch die Toyota-Lösung arbeitet grundsätzlich mit homogenem Gemisch, so dass sich das Einsparpotential in Grenzen hält.

          Hohe Abdeckung des Lastbereichs

          Nur die in einem größeren Betriebsbereich mager laufenden Einspritzsysteme lassen auch in der Praxis jene Verbrauchsvorteile (bis zu 15 Prozent) erwarten, die Hersteller wie Zulieferer propagieren. Die neue, strahlgeführte Einspritztechnik kann das. Erstmals hat Mercedes-Benz im Jahr 2006 diese auch zweite Generation genannte Direkteinspritzung (zunächst nur) beim viertürigen Coupé CLS 350 CGI eingeführt. Bei BMW wurden mittlerweile die Vier- und Sechszylindermotoren (mit Ausnahme des Biturbo) auf diese Technik umgestellt, was natürlich von Vorteil für den Flottenverbrauch ist. Gemeinsame Merkmale der von Bosch und Siemens/VDO nahezu gleichzeitig entwickelten Systeme sind der hohe Einspritzdruck (200 bar) und die annähernd in Brennraummitte eng neben der Zündkerze installierten Piezo-Injektoren.

          Sie spritzen, dank der äußerst dynamischen Piezo-Technik schnell und präzise gesteuert, kegelförmig ab, was zu einer sicheren Kerzenbenetzung mit brennbarem Gemisch führt. Auch Mehrfacheinspritzung im Schichtladebetrieb ist möglich. Für gute Zerstäubung sorgt der hohe Einspritzdruck. Die strahlgeführte Gemischbildung garantiert ein stabiles Brennverfahren, das in einem breiten Lastbereich den sparsamen Magerbetrieb ermöglicht. Mercedes deckt damit fast 50 Prozent des Lastbereichs ab, BMW hat die Nutzung der Schichtladung noch höher getrieben.

          Die Kosten sind das größte Hindernis

          Der Verbrauchsvorteil im EU-Testzyklus beträgt je nach Fahrzeuggewichtsklasse zwischen zehn und 15 Prozent und lässt sich dank der Ausweitung des Schichtladebetriebs auch im Alltag nachvollziehen. Denn im unteren Lastbereich läuft der Motor mager, nur durch die Kraftstoffmenge geregelt, und verzichtet auf die schädliche Drosselung. Beim Mercedes CLS 350 CGI sinkt der Gesamtverbrauch im EU-Test von 10,1 auf 9,1 Liter je 100 Kilometer. BMW kommt im 530i auf hervorragende 7,5 Liter, unterbietet damit den Vorgänger um zwölf Prozent und liegt mit diesem Verbrauchswert (entsprechend 178 Gramm CO2) sogar unter dem vielgerühmten Lexus GS 450h (7,9 Liter; 186 g CO2), einem Vollhybrid reinsten Wassers.

          Was also hindert die Automobilindustrie daran, die strahlgeführte Direkteinspritzung auf breiter Front einzusetzen? In erster Linie die hohen Kosten. Aufwendige Einspritzventile, hoher elektronischer Regelaufwand und der immer noch sehr teure Denox-Kat bremsen die massenhafte Verbreitung. Aber mit zunehmender Stückzahl werden auch die Komponentenkosten sinken, so dass die Zukunft sparsamen Direkteinspritzern mit Schichtladung gehört. Bei BMW und Mercedes kann man sie jetzt schon kaufen.

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