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Die Benzin Direkteinspritzung - Vorteile der FSI Technologie

Fuel Stratified Injection (FSI) - Benzindirekteinspritzung Scichtladung - von Audi und VW

Beschreibung des Benzindirekteinspritzsystems FSI von VW und Audi. Aufbau, Funktion, Betriebsarten, Abgasnachbehandlung

Bei VW begann im Jahr 2000 mit dem Lupo FSI auch das Benzindirekteinspritz-Zeitalter. Der Audi A4 zog im Jahre 2001 nach.
Seit 2002 ist im VW Golf 1,6 auch als DI zu haben. Weitere Modelle folgten 2003: AUDI A3, neuer Golf in mehreren Versionen.

Systembild FSI
Systembild FSI (alle Bilder VW)

Einzelheiten:

  • Um den für die Direkteinspritzung notwendigen Kraftstoffdruck von bis zu 100 bar aufzubringen, wird eine Hochdruckpumpe verwendet, die direkt über die Einlassnockenwelle angetrieben wird. 

  • Diese versorgt über eine Kraftstoffverteilerleiste (Common Rail) die unter dem Einlasskanal im Zylinderkopf angeordneten Hochdruck-Einspritzventile. 

  • Durch die elektromagnetische Betätigung der Ventile ist eine präzise Einspritzung des Kraftstoffs zu bestimmten Zeitpunkten in den Brennraum möglich. 

  • 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). 

  • 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. 

  • 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. 

  • 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%. 

  • Durch die Verdampfung des Kraftstoffes im Brennraum statt im Saugrohr wird der Umgebung Verdampfungswärme entzogen. Dies führt zu einer stärkeren Innenkühlung. 

  • 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

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
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  

  • die Abgasrückführung
  • ein aufwändiges Abgassystem mit Vorkatalysator und ein
  • NOx-Speicherkat

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

FSI Abgassystem

Beschreibung des Abgassystems

  • Während des Magerbetriebs werden die kritischen Stickoxide im Katalysator zwischengelagert und beim konventionellen Motorbetrieb wieder in unschädlichen Stickstoff umgewandelt.
  • 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)
  • Erstmals kommt beim Lupo FSI zur Optimierung der Abgasreinigung ein NOx-Sensor zum Einsatz. 
  • Dieser erkennt den Speicherzustand des NOx-Kats und entsprechend wird dieser regeneriert: 
  • durch Umschalten von Mager- in Homogen-Betrieb bzw. in Fettbetrieb (8=0,8). 
  • Dies geschieht in zeitlichen Abständen von 30 - 60 s, 
  • die Regeneration erfolgt in ca. zwei Sekunden
  • die Regelung läuft ohne für den Fahrer erkennbare Auswirkungen ab
  • Der mit diesem "Reinigungs"-Prozess verbundene Mehrverbrauch wird gering gehalten. 

.FSI Regeneration

FSI Regeneration

Regeneration und Schwefel

  • 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.

  • 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. 

  • 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

FSI beim Audi

Was ist beim Golf FSI anders?

Er arbeitet mit 3 Betriebsarten:

  • Schichtladebetrieb

  • Homogen-Mager-Betrieb

  • 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.

 

FSI Modelljahr 2002

FSI Modelljahr 2002

Die Informationen und Bilder zum FSI stammen von VW und Audi





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Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet: 19.02.2015

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