Einspritzverfahren

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Einspritzverfahren sind die verschiedenen Möglichkeiten in Wärmekraftmaschine das Luft-Kraftstoff-Gemisch für die innere Verbrennung bereitzustellen. Einspritzverfahren und Gemischbildung hängen meistens direkt zusammen, weil eine bestimmte Gemischbildung ein spezielles oder nur wenige verschiedene Einspritzverfahren erfordert.

[Bearbeiten] Anwendung

Verschiedene Einspritzverfahren kommen z.B. in Dieselmotoren, Ottomotoren, Zweitaktmotoren und Wankelmotoren zum Einsatz.

Grundsätzlich unterscheidet man Einspritzverfahren nach dem Ort der Gemischbildung:

• Einspritzverfahren zur äußeren Gemischbildung (Saugrohr-Einspritzung)
• Einspritzverfahren zur inneren Gemischbildung (Direkt-Einspritzung)

Die Einspritzverfahren für die äußere Gemischbildung lassen sich wie folgt aufteilen:

• Single-Point-Einspritzung, bei der für alle Zylinder des Motors an einer gemeinsamen Stelle die Gemischbildung erfolgt
• Multi-Point-Einspritzung, bei der an jedem Zylinder direkt vor dem Einlassventil der Kraftstoff eingespritzt wird

Da der Kraftstoff zum Teil verdampft, nimmt er als gas sehr viel Raum ein, und verdrängt dadurch Luft. Das verschlechtert den Liefergrad des Motors.

Die Einspritzverfahren für die innere Gemischbildung sind prinzipiell ähnlich, jedoch sind die Gemischbildungsvarianten sehr unterschiedlich:

• Die Vor- oder Wirbelkammer-Einspritzung ist von relativ alten Dieselmotoren bekannt. Der Kraftstoff wird sehr spät im Verdichtungstakt nahe dem oberen Totpunkt, also "spät" eingespritzt. In der Vor- oder WirbelkKammer wird der Kraftstoff gut mit der Luft gemischt, so dass ein sehr gut durchmischtes, fast homogenes Gemisch erzeugt wird.
• Bei der Diesel-Direkteinspritzung wird der Dieselkraftstoff nicht in eine Kammer sondern direkt in eine Mulde im Kolben eingespritzt. Die Vermischung mit der Luft ist nicht besonders gut, daher entstehen im Brennraum viele sehr magere Stellen, an denen kein oder kaum Brennstoff vorhanden ist und in den Strahlen einige sehr fette Bereiche, in denen viel brennstoff aber wenig Luft vorhanden ist. An den äußeren Bereichen der Einspritzstrahlen verbrennt der Kraftstoff mit der Luft sehr heiß, so dass das unerwünschte Stickoxid entsteht.

Diesel-Einspritzverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass noch während der Verbrennung Kraftstoff eingespritzt wird. Weil der Druck im Brennraum während der Verbrennung stark ansteigt, sind hohe Einspritzdrück erforderlich.

• Bei der Benzin-Direkt-Einspritzung wird der Kraftstoff im Gegensatz zum Dieselmotor früh eingespritzt, also sehr früh innerhalb der Verdichtungsphase. Ein sehr bekanntes Beispiel für die Benzin-Direkt-Einspritzung (BDE) ist der Motor des Mercedes 300SL (der mit den Flügeltüren), der bereits in den 1960er-Jahren mit einer BDE ausgestattet war.
• Mit neueren BDE-Verfahren versucht man die Verbrennung zu beeinflussen. Zum Beispiel kann ein Teil des Kraftstoffs früh eingespritzt werden, so dass ein mageres aber homogenes Gemisch entsteht. Ein mageres Gemisch neigt nicht so schnell zur Selbstzündung, so dass hohe Verdichtungen genutzt werden können, die einen hohen Wirkungsgrad bedeuten. Erst zu Verbrennung wird der restliche Teil des für die geforderte Leistung notwendigen Kraftstoffs eingespritzt.

[Bearbeiten] Einspritzverfahren für Gas

Gasförmige Brennstoffe wie Autogas (LPG), Erdgas (CNG) (was Biogas entspricht) und Wasserstoff benötigen - wie flüssige Kraftstoffe - Gemischbildungsanlagen. Da diese gasförmigen Kraftstoffe je nach Umgebungsbedingungen auch flüssig vorliegen können, spricht man von Einspritzanlagen oder - bei gasförmigem Zustand - von Einblasanlagen. Die bisher häufigste Form von Einblasanlagen sind die der o.g. Saugrohreinspritzung entsprechenden. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird extern, also außerhalb des Verbrennungsraums im Ansaugbereich des Motors (Saugrohr) gebildet. Ein Ventil regelt die Menge des Gases, das der einströmenden Luft zugemischt wird. Da sich Gase sehr leicht vermischen, gibt es keine Probleme mit Inhomogenitäten. Diese Art der Einblasung wird häufig genutzt, weil sie besonders preiswert zu produzieren ist. Aufwändiger ist die Multipoint-Einblasung vor jedem Zylinder, die sich jedoch nicht durchgesetzt hat, weil sie deutlich teurer ist und nur wenig Vorteile bietet. Das Problem, das die externe Gemischbildung bei Gasbetrieb aufweist, ist, dass das Gas viel Luft verdrängt. Wenn weniger Luft in den Motor gelangt, kann auch nur weniger Kraftstoff verbrannt werden, so dass durch den geringeren Liefergrad die Leistung des Motors geringer ausfällt. Gasförmge Kraftstoffe können auch direkt in den Motor eingeblasen werden. Dazu ist mehr Druck notwendig, weil im Brennraum ein höherer Gegendruck herrscht. Der Vorteil ist, dass beim Ansaugen von Frischluft keine Luft durch Gas verdrängt wird. Durch den höheren Liefergrad steigt die Leistung des Motors. Das System ist aber auch sehr aufwändig und damit teuer. Weil jedoch der Wirkungsgrad des Motors steigt, kann sich der höhere Aufwand lohnen, und weil bei einem gasbetriebenen Fahrzeug der Tank sehr viel Platz einnimmt, bedeutet ein besserer Wirkungsgrad eine höhere Reichweite bei gleicher Tankgröße.

Wenn Gase wie Autogas, Erdgas oder Wasserstoff flüssig vorliegen, können sie auch eingespritzt werden. Durch den Kontakt mit der warmen Umgebungsluft, die der Motor zur Verbrennung ansaugt, werden die Flüssiggase gasförmig. Bei dieser Umwandlung nehmen sie jedoch Energie auf, die sie der Luft entziehen, die dadurch kälter wird. Diesen Effekt kann man vielfältig nutzen: Bei einer (externen) Saugrohr-Einspritzung wird der Effekt dadurch genutzt, dass die kälter werdende Luft weniger Volumen einnimmt. Bei gleichem angesaugten Volumen wird daher eine größere Masse Luft angesaugt. Der Liefergrad des Motors steigt. Bei einer (internen) Direkteinspritzung wird die bereits angesaugte Luft, die komprimiert und damit erwärmt wird, durch die Einspritzung und die damit verbundene Phasenumwandlung von flüssigem Kraftstoff zu Gas abgekühlt. Eine Selbstentzündung des Kraftstoff-Luftgemischs (Verbrennungsanomalie) wird dadurch verhindert. Es ist einen höhere Verdichtung möglich, die höhere Wirkungsgrade bedingt.