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Motor Verbrennungsverfahren

siehe auch GDI | FSI | HPI | Common Rail

 

Otto - Benzindirekteinspritzung

strahlgeführt

strahlgeführtes Brennverfahren

 

 

Kraftstoff wird (beim Ansaugen) in unmittelbarer Nähe der Zündkerze eingespritzt und verdampft dort, 

exakte Positionierung von Zündkerze und Einspritzdüse (vertikal) sowie eine präzise Strahlausrichtung erforderlich, um das Gemisch zum richtigen Zeitpunkt entzünden zu können, Zündkerze ist einer Wärmewechselbelastung ausgesetzt, Einspritzdüsen meist mit Drallscheiben zur besseren Verwirbelung, hohe Drücke von 200 bar; 

strahlgeführte Brennverfahren werden als Zukunft bei der  BDE angesehen, es ist kein zerklüfteter Kolben (thermodynamische Probleme im Homogenbetrieb) erforderlich wie bei wand- und luftgeführten Systemen, 

in Erprobung

erwartet für 2006 bei BMW

System soll Leistung steigern und Kraftstoffverbrauch senken

wandgeführt

wandgeführtes Brennverfahren mit Tumble

wandgeführt mit Tumble

wandgeführtes Brennverfahren 

wandgeführt mit Drall

 

Allgemein: Einspritzdüse seitlich, Zündkerze mittig, ausgeprägte Kolbenmulden (sog. Nasenkolben)

Die Luft wird beim Ansaugen durch die Gestaltung von Einlasskanal und Kolbenbodenform (Wand) in eine turbulente Strömung  versetzt, je nach Betriebszustand entweder im Ansaugtakt oder im Verdichtungstakt eingespritzter Kraftstoff wird an Kolbenform umgelenkt, das Kraftstoff-Luftgemisch gelangt als geschlossene zündfähige Wolke entlang der Zylinderwand aber auch entlang dem Kolben zur Zündkerze, bei Schichtladung nur kurze Zeitspanne vorhanden, Gemisch als geschichtete Ladung ist spritsparend, funktioniert aber nur bei wenigen Betriebszuständen, aufwändige Abgasnachbehandlung,

wandgeführt also deshalb, weil der Benzinstrahl durch Kolbenform und Zylinderwand zur Zündkerze umgelenkt wird

Unterschied:

Ist die Rotationsbewegung mit horizontaler Achse wird der Begriff walzenförmig oder tumble verwendet - Beispiel: Mitsubishi GDI

 

 

 

Ist die Rotationsbewegung dagegen mit vertikaler Achse spricht man von Drall oder swirl - Beispiel: Mercedes CGI

luftgeführt

luftgeführtes Brennverfahren

luftgeführt mit Walze

 

Prinzipiell funktioniert dieses System wie bei den wandgeführten Varianten.

Beim Ansaugen der Luft entsteht eine walzenförmige oder drallförmige Luftströmung, die durch die Kolbenbodenmulde in Richtung Zündkerze umgelenkt wird; 

es erfolgt jedoch beim Einspritzen kaum eine Wandbenetzung, der in die Luftströmung schräg eingespritzte Kraftstoff gelangt mit dieser Strömung als geschlossene fette Wolke zur Zündkerze, die Kolbenform hilft hier mit

die Kolbenbodenmulde ist Strömungsmulde, der Kolben ist als Nasenkolben ausgeführt, er dient zur Lenkung des Luftstroms, es entsteht weniger HC als bei wandgeführtem System, Zeit zur Gemischaufbereitung ist noch kürzer als bei wandgeführtem System

Der Unterschied zur wandgeführten Variante liegt darin, dass nur die Luft vom Kolben umgelenkt wird und der Kraftstoff durch die Luftströmung zur Zündkerze geführt wird 

Beispiel: FSI-Motoren von VW und AUDI

 

Diesel - Diesel-Direkteinspritzung

luftverteilend

Diesel Direkteinspritzer © Bosch

Kraftstoff wird durch eine Mehrlochdüse fein zerstäubt in die verdichtete Luft eingespritzt, das Gemisch bildet sich in der Luft, es entsteht kaum eine Wandbenetzung; 

harter Lauf des Motors, Kaltstarthilfe nicht erforderlich, 

in etwa gleichbedeutend wie die strahlgeführte Verbrennung beim Benzin-DI,  

wandverteilend

Brennverfahren 

Mittenkugel-Brennraum-Verfahren, MAN-M-Verfahren

Angesaugte Luft wird in gewundenem Ansaugkanal in eine Drallbewegung versetzt, der durch eine ein- oder Zweilochdüse,  kaum zerstäubte, eingespritzte Dieselkraftstoff bildet einen dünnen Kraftstofffilm auf der kugelförmigen Kolbenmuldenwand, von der er schichtweise abdampft. Dies führt zu einer weichen Verbrennung und einem ruhigen Lauf. Der Motor ist als Vielstoffmotor einsetzbar.  Der Kolben muss durch einen Ölstrahl gekühlt werden. Das Abgasverhalten ist schlecht.  

 

 

Diesel - Indirekte Einspritzung (Geteilte Brennräume)

Vorkammer-Verfahren

  Vorkammermotor

Frühere Mercedes-Diesel

Etwa ein Drittel des Verdichtungsraumes wird von der Vorkammer gebildet, Kraftstoff wird mittels Zapfendüse in die Vorkammer gespritzt, Kraftstoff verbrennt nur teilweise, Flamme wird über Kanäle in den Hauptbrennraum gedrückt,  es entsteht eine weiche Verbrennung, Glühkerzen erforderlich

(im Bild 1 = Einspritzdüse, 2 = Vorkammer, 3 = Glühstift)

 

Wirbelkammer-Verfahren

Wirbelkammermotor

 

 

Frühere Diesel-Motoren  

Luft wird beim Verdichten fast vollständig über einen tangentialen Verbindungskanal vom Zylinder in die kugelförmige Wirbelkammer verdrängt, es entsteht ein starker Wirbel, in diesen Drall wird der Kraftstoff eingespritzt, das brennende Kraftstoff-Luftgemisch strömt in den Hauptbrennraum hinüber, Motor läuft etwas härter als Vorkammer-Motoren, Glühkerze erforderlich  

(im Bild 1 = Einspritzdüse, 2 = Wirbelkammer, 3 = Glühstift)



Aufgeladene Direkteinspritzmotoren
haben einen höheren Wirkungsgrad und arbeiten deshalb
wirtschaftlicher als Kammermotoren. 

Sie haben einen sehr kompakten Brennraum, der meist in den Kolbenboden verlegt ist.  Die gute Durchwirbelung der Luft wird zum einen durch die Quetschspalten, die um die Kolbenmulde vorhanden sind und durch  den Drall in den Einslasskanälen erreicht. Der Kraftstoff wird bei diesem Verfahren durch eine Lochdüse, gegenüber Zapfendüsen bei Kammermotoren, im Brennraum gleichmäßig verteilt. Die Anzahl der Bohrungen reicht bis zu 12 Bohrungen.

Vorteile:  

  • Geringe Wärmeverluste, wegen geringer Brennraumoberfläche,  

  • geringerer Kraftstoffverbrauch,  

  • keine Vorglühanlage zum Starten erforderlich.   

  • hoher Einspritzdruck ist Vorteil da hierdurch kleinere Tröpfchen erreicht werden und so eine bessere Durchmischung stattfindet

  • mehrere  (z.B. 9) weiche Kraftstoffkeulen, die in den Brennraum eingespritzt werden - die Gemischbildung ist dann relativ gut - 

  • der rauhe Lauf ist heutzutage mit Voreinspritzung kontrollierbar geworden (eine kleine Menge Diesel wird voreingespritzt und ermöglich es so der Haupteinspritzmenge in einen Hochdruckbereich mit ausreichend Wärme und laufender Verbrennung einzudringen - der Dieselschlag durch die verzögerte Kraftstoffumsetzung kann so vermieden werden

Nachteile: Hoher Einspritzdruck erforderlich (ab 300 bar), schlechtere Gemischbildung, rauer harter Lauf durch schnellere Verbrennung, kraftstoffempfindlich.

Sie kommen daher in allen NKW zum Einsatz, heute auch im PKW.

 

Die Nebenkammermotoren eigneten sich infolge des geringeren Motorgeräusches besser für

PKW bei denen der Fahrkomfort auch eine wesentliche Rolle spielte. Ferner hatten sie
niedrigere Herstellungskosten und verursachten niedrigere Schadstoffemissionen
(HC und NOx).
Aber wegen des Kraftstoffmehrverbrauches von ca. 15% durch Ladungswechselverluste und durch die moderne Technik
wurden sie immer mehr durch Motoren mit direkter Einspritzung ersetzt.
 
Beide Versionen sind gegenüber dem Ottomotor besonders im Teillastbereich sparsamer
(keine Drosselklappe). Der Dieselmotor eignet sich hervorragend für die
Abgasturboaufladung. Diese erhöht beim Dieselmotor nicht nur die Leistungsausbeute und
verbessert somit den Wirkungsgrad, sondern vermindert zudem die Schadstoffe im Abgas und
das Geräusch.
Außerdem ist der Dieselmotor zur Verbrennung von alternativen Kraftstoffen z.B. Rapsöl
geeignet. Hierfür muss allerdings vom Hersteller eine Freigabe vorhanden sein,
gegebenenfalls muss die Einspritzausrüstung umgerüstet werden.

 

Mit HCCI zum sauberen Motor

Wachsende Verkehrsströme erfordern immer strengere Abgasnormen: Berliner Forscher arbeiten an einem neuen Brennverfahren, um die Dieselmotoren für Pkw noch sauberer zu machen. Ein erster Prototyp des so genannten HCCI-Motors existiert bereits. 

HCCI steht für Homogeneous Charge Compression Ignition. "Darunter verstehen wir ein neues Verbrennungsverfahren, bei dem der in den Brennraum eingespritzte Kraftstoff dort verdampft und sich schon vor der Zündung weitgehend homogen mit der Verbrennungsluft mischt", erläutert Helmut Pucher, Professor für Verbrennungskraftmaschinen an der TU Berlin.  "Dieses homogene Gemisch wird sodann über die Verdichtung kontrolliert gezündet. Bisher erreicht der Kraftstoff im Brennraum eines normalen Dieselmotors nicht überall die erforderliche Durchmischung, um mit der Luft schadstoffarm zu verbrennen. Dadurch entstehen an manchen Stellen im Brennraum sehr hohe Verbrennungstemperaturen, bei denen sich die schädlichen Stickoxide bilden." Im HCCI-Motor liegt die Verbrennungstemperatur deutlich niedriger als im herkömmlichen Dieselmotor, der Spitzen von über 2000 Grad Celsius erreichen kann. "Um den Verbrennungsprozess zu regeln, nutzen wir unter anderem die Abgasrückführung", fügt Pucher hinzu. "Bei relativ geringer Motorlast, wie sie im Stadtverkehr benötigt wird, werden die Werte für Stickoxide deutlich gedrückt - bei gleichem Verbrauch wie ein normaler Dieselmotor."

Der HCCI-Motor stellt erhöhte Anforderungen an die Sensorik und die Motorsteuerung, denn die Verbrennung muss in jeder Phase des Motorbetriebs optimal ablaufen. "Dazu brauchen wir neue Steuerkonzepte wie das so genannte zylinderdruckbasierte Motormanagement", erklärt Pucher. "Unsere Stärke ist es, die Prozesse im Motor in Echtzeit zu simulieren, um daraus neue Regelkonzepte abzuleiten."  

Die künftigen Abgas-Grenzwerte liegen  für Diesel-Motoren in den wichtigsten Fahrzeugmärkten bei nur noch zehn bis 20 Prozent der aktuellen Werte. Aus heutiger Sicht lässt sich abschätzen, dass die angestrebte Partikelreduktion wohl mit Abgasfiltersystemen erreichbar ist, die Stickoxid-Vorgaben (NOx) jedoch eine Verringerung der Rohemission erfordern. Deshalb wird weltweit sehr intensiv an verschiedenen, neuartigen Brennverfahren wie HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), HCLI (Homogeneous Charge Late Injection), HPLI (Highly Premixed Late Injection), DCCS (Dilution Controlled Combustion System) geforscht, die sich alle durch sehr niedrige NOx-Emissionen auszeichnen.
Allen genannten Verfahren ist eines gemeinsam: Die Zündung erfolgt in Abhängigkeit des aktuellen Gemischzustands. (Beru)

Lesen Sie auch die Berichte zu GDI | FSI | HPI | Common Rail |

Quellen:  H. Kopany (Bosch), LUI (zum Thema: Dieseldirekteinspritzung), auto-motor-sport , Beru, TU-Berlin,

 


von Johannes Wiesinger

bearbeitet: 19.02.2015

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