Einzelheiten FSI:
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Um den für die Direkteinspritzung notwendigen Kraftstoffdruck von
bis zu 100 bar aufzubringen, wird eine
Hochdruckpumpe verwendet, die direkt über die
Einlassnockenwelle angetrieben wird.
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Diese versorgt über eine Kraftstoffverteilerleiste (Common
Rail) die unter dem Einlasskanal im Zylinderkopf angeordneten
Hochdruck-Einspritzventile.
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Durch die elektromagnetische Betätigung der Ventile ist eine präzise
Einspritzung des Kraftstoffs zu bestimmten Zeitpunkten in den
Brennraum möglich.
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Das für die neuartige Form der Gemischbildung wesentliche Bauteil
ist ein zwischen Zylinderkopf und Aluminiumsaugrohr angeordneter
Flansch, der neben dem "Common Rail" die Einspritzkomponenten sowie
eine sogenannte Tumbleschaltung zur
gezielten Beeinflussung der Zylinderinnenströmung beinhaltet (siehe
auch Brennverfahren).
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Eine um bis zu 40° verstellbare
Einlassnockenwelle sorgt neben einem verbesserten Durchzug
bei niedrigen und mittleren Drehzahlen auch über die
innere Abgasrückführung für reduzierte Emissionen.
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In der Teillast wird der direkteinspritzende Ottomotor von
Volkswagen mit sehr hohem Luftüberschuss
betrieben, bei dem homogene Luft-Kraftstoff-Gemische - wie sie mit
konventionellen Gemischbildungssystemen erzeugt werden - nicht mehr
zündfähig sind.
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Die infolge der starken Entdrosselung reduzierten Ladungswechsel-
sowie die minimierten Wärmeverluste
sind die wesentlichen Merkmale für das Verbrauchseinsparpotential
des direkteinspritzenden Ottomotors von bis zu 15%.
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Durch die Verdampfung des Kraftstoffes im Brennraum statt im
Saugrohr wird der Umgebung Verdampfungswärme entzogen. Dies führt zu
einer stärkeren Innenkühlung.
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Die Folge hieraus: das Verdichtungsverhältnis
kann erhöht werden. Beim AUDI FSI liegt es bei 11,5:1. Der
Wirkungsgrad erhöht sich dadurch bereits im Homogenbetrieb.
FSI im Schichtmodus und Homogenbetrieb
Betriebsmodi
Um diese verbrauchsgünstig wirkenden
hohen Luftüberschüsse realisieren zu können, muss der Motor
im so genannten
Schichtlademodus
betrieben werden.
Bei dieser Betriebsart wird das
Gemisch um die zentral im Brennraum positionierte Zündkerze
konzentriert, in den Randbereichen des Brennraums befindet
sich reine Luft. Die damit verbundene Verbrauchseinsparung
resultiert zum einen aus der Entdrosselung des Motors, zum
anderen in nicht unerheblichem Maße aus den minimierten
Wärmeverlusten, die durch die zentral im Brennraum
ablaufende Verbrennung mit umgebender isolierender Lufthülle
ermöglicht werden.
Beim FSI-Motor von Volkswagen wird zur Darstellung
einer gezielten Luftströmung ein schaltbares
Tumble-System eingesetzt. Das sogenannte
"Tumble-Blech" teilt den Lufteinlasskanal in eine obere und
untere Hälfte. Eine vorgeschaltete Klappe (siehe unten)
erlaubt die Luftführung entweder nur über den oberen Teil
oder über den gesamten Querschnitt:
Im Schichtlademodus wird die Klappe geschlossen,
wodurch sich im Brennraum eine intensive, walzenförmige
Strömung einstellt. Der Kraftstoff wird in diesem Modus erst
im letzten Drittel der Kolbenaufwärtsbewegung eingespritzt.
Durch die Kombination von gezielter Luftströmung und
spezieller Geometrie des Kolbens, der über eine ausgeprägte
Kraftstoff- und Strömungsmulde verfügt, wird der besonders
fein zerstäubte Kraftstoff in einem sogenannten
"Gemischballen" optimal um die Zündkerze konzentriert und
sicher entflammt. Für die jeweils optimale Anpassung der
Einspritzparameter (Einspritzzeitpunkt, Kraftstoffdruck)
sorgt die Motorsteuerung.
Homogenmodus
Bei sehr hohen Drehzahlen bzw. Lasten arbeitet der FSI-Motor
analog zu einem konventionellen Motor mit
Saugrohreinspritzung, jedoch mit besserem Wirkungsgrad
aufgrund der höheren Verdichtung. Der Kraftstoff wird in den
Ansaugtakt eingespritzt, damit das Kraftstoff-Luft-Gemisch
bestmöglich aufbereitet werden kann. Um dem Motor ein
Höchstmaß an Luft anbieten zu können, wird die Klappe
geöffnet - der gesamte Querschnitt des Lufteinlasskanals
steht zur Verfügung.
Das schaltbare Tumblesystem erlaubt somit die Kombination des
verbrauchsgünstigen Schichtlademodus mit sehr guten
Leistungs- und Drehmomentwerten.
FSI Diagramm Betriebsmodi
Die derzeit ermittelten Verbrauchswerte
liegen bei unter fünf Litern für den Lupo FSI mit
Leichtbau-Karosserie und Direktschaltgetriebe und ca. 5,6
Litern für den Lupo FSI in Normalversion. Die CO2-Werte
liegen mit 119 g/km bzw. 134 g/km auf einem sehr niedrigen
Niveau (1. Generation). Leider ist aber auch anzumerken,
dass der sparsame Verbrauch nur dann erzielt wird, wenn
überwiegend im Schichtlademodus gefahren wird. Oftmals wird
bei zügiger Fahrweise das ganze Einsparpotenzial
aufgebraucht. Hier ist sicher noch viel Entwicklungsarbeit
nötig, um aus dem Benzin-DI ein Sparwunder wie beim
Diesel-Direkteinspritzer zu erreichen.
Abgasnachbehandlung
Dazu gehören
Um auch in den Betriebsphasen mit hohem
Luftüberschuss eine optimale Schadstoffumwandlung zu gewährleisten,
setzt Volkswagen im Lupo FSI einen NOx-Speicherkatalysator in
Kombination mit einem NOx-Sensor
ein.
FSI Abgassystem
Beschreibung des Abgassystems
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Während des
Magerbetriebs werden die kritischen Stickoxide im Katalysator
zwischengelagert und beim konventionellen Motorbetrieb wieder in
unschädlichen Stickstoff umgewandelt.
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Zusätzlich
hat der NOx-Speicherkatalysator die üblichen Drei-Wege-Eigenschaften
für eine effiziente HC- bzw. CO-Oxidation sowohl im geschichteten als
auch im homogenen Betrieb. Durch einen nah am Auslasstrakt
positionierten, in der Warmlaufphase durch motorische Maßnahmen
beheizten Vorkatalysator spricht das Abgasreinigungssystem schnell an.
(Arbeitstemperatur 250-500°C)
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Erstmals kommt beim Lupo FSI zur Optimierung der Abgasreinigung ein
NOx-Sensor
zum Einsatz.
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Dieser erkennt den Speicherzustand des NOx-Kats und entsprechend wird
dieser regeneriert:
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durch Umschalten von Mager- in Homogen-Betrieb
bzw. in Fettbetrieb (8=0,8).
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Dies geschieht in zeitlichen Abständen von 30 - 60 s,
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die Regeneration erfolgt in ca. zwei Sekunden
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die Regelung läuft ohne für den Fahrer erkennbare
Auswirkungen ab
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Der mit diesem "Reinigungs"-Prozess verbundene Mehrverbrauch wird gering
gehalten.
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FSI Regeneration
Regeneration und Schwefel
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Problematisch von FSI-Motoren wäre ein im
Kraftstoff enthaltener Schwefel (z.B. USA), der die Aktivität des
NOx-Speicherkatalysators zunehmend reduzieren würde. In Europa wurde
bereits vor Jahren der Schwefelgehalt
entscheidend gesenkt.
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Durch Temperaturen über 650°C, wie sie im gemischten Fahrbetrieb
häufig auftreten, kann diese Vergiftung des Katalysators rückgängig
gemacht werden. Bei reinem Stadtverkehrsbetrieb wird dieses
Temperaturniveau allerdings nicht erreicht; hier würde Schwefel im
Kraftstoff zum Problem.
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Dank des erstmals eingesetzten NOx-Sensors kann der Schwefelgehalt
im Speicherkatalysator exakt bestimmt und eine gezielte
Entschwefelung eingeleitet werden.
Besonderheiten beim Audi FSI
Beim Audi FSI ist die Tumbleklappe stufenlos verstellbar, die
Pumpe ist geregelt wie beim Golf.
FSI beim Audi
Was ist beim Golf FSI anders?
Er arbeitet mit 3 Betriebsarten:
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Schichtladebetrieb
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Homogen-Mager-Betrieb
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Homogenbetrieb
Im Schichtladebetrieb bei niedriger Last
und Drehzahl ist die Drosselklappe zur Reduzierung der
Ladungswechselverluste voll geöffnet, die Tumbleklappe im
Einlasskanal ist geschlossen, die Luft wird beschleunigt und
erhält einen Drall. Die Einspritzung erfolgt kurz vor der
Zündung, es entsteht ein zündfähiges Gemisch um die
Zündkerze herum, während außen herum ein isolierendes
Luftpolster (Reduzierung von Wärmeverlusten) liegt (Wolke
Lambda = 3). De Kolbenboden hilft bei der Verwirbelung.
Im Übergangsbereich
Homogen-Mager-Betrieb
erfolgt die Einspritzung früher, die
Schaltklappe ist zu, Lambda = 1,4. Es findet keine AGR statt.
Im Homogenbetrieb ab 30001/min erfolgt die
Verbrennung bei lLambda =1 (Homogen). Das Verhalten ist
ähnlich dem Saugmotor, Einspritzung efolgt bereits im
Ansaugtakt, die Schaltklappe ist geöffnet. Die Regelung
geschieht durch die Drosselklappe. Durch die bessere
Innenkühlung gibt es eine höhere Verdichtung (ca. 12:1) Der
Druck der Radialkolbenpumpe liegt zwischen 50 und 110 bar.
Die Informationen und Bilder zum FSI stammen von VW und Audi
Autor: Johannes Wiesinger
bearbeitet:
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