Benzin sparen und Schadstoffe vermeiden, so lautet das Motto der Motorenentwickler. Und das geht am besten, wenn genau gesteuert wird, wie viel Sprit zugeführt wird - über einen Einspritzer.
Weil jede Verbrennung Sauerstoff benötigt, muss Benzin mit Luft vermischt werden, bevor es in den Zylindern eines Motors durch einen Funken entzündet werden kann. Dieser Prozess ist von so zentraler Bedeutung, dass immer neue Techniken ersonnen werden, die alle nur das eine Ziel haben: den Kraftstoff optimal zu nutzen, um den Verbrauch zu senken, und die bei ungleichmäßiger Verbrennung entstehenden Schadstoffe zu reduzieren.
Ottomotor mit Einzeleinspritzanlage | Ein Ottomotor mit Einzeleinspritzanlage zerstäubt Benzin in die durch das Saugrohr strömende Luft. Die Mischung gelangt durch das Einlassventil in den Verbrennungsraum. Wird das Gaspedal gedrückt, öffnet sich die Drosselklappe weiter und lässt mehr Luft hinein. Die Steuerelektronik regelt das Mischungsverhältnis und den Zeitpunkt der Zündung.
Wichtig ist dabei die genaue Steuerung der zugeführten Benzinmenge. Im Idealfall "findet" jedes Kraftstoffmolekül die passende Zahl von Sauerstoff-Atomen; dazu müsste das Benzin-Luft-Verhältnis 1 zu 14,7 sein. Dieses Gemisch vermochte der von Nicolaus August Otto (1832-1891) erfundene "Vergaser" noch nicht genau zu regeln. Ende der 1970er Jahre kamen deshalb erste Einspritzanlagen auf. Ein elektromagnetisches Ventil sprühte nun Treibstoff in regelmäßigen Zeitabständen in die Ansaugluft, deren Menge per Gaspedal über die Drosselklappe kontrolliert wurde, dann verteilte ein Saugrohr das Gemisch auf die einzelnen Zylinder. Wenige Jahre später kamen die heute gängigen Einzeleinspritzanlagen auf den Markt. Computergesteuerte Düsen liefern dort individuell bemessene Mengen Benzin in die Ansaugluft jedes einzelnen Zylinders – es verbrennt gleichmäßiger und damit steigt sein Wirkungsgrad.
Motor mit Direkteinspritzung | Motoren mit Direkteinspritzung injizieren den Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum, nachdem sich das Lufteinlassventil geschlossen hat. Um das Benzin fein zu zerstäuben, wird es mit einem Druck bis zu 150 Bar eingespritzt.
Die beim direkten Konkurrenten des "Ottomotors", dem Dieselmotor, schon seit einigen Jahren als Common-Rail-Technik bekannte Direkteinspritzung wird neuerdings auch für den Benzinmotor propagiert. Direkteinspritzer zerstäuben den Kraftstoff nicht in die Ansaugluft, sondern in den Zylinder. Die Luft wird über Ventile zugeführt. Damit sich der Kraftstoff im Brennraum gut verteilt, wird er mit bis zu 150 Bar injiziert – ein etwa zehnmal so hoher Druck wie gewöhnlich. Beim Diesel-Direkteinspritzer sind es sogar 2000 Bar. Dazu wird das Benzin von einer Hochdruckpumpe verdichtet und mit dem nötigen Druck in einen Rohrspeicher, das Common Rail, eingespeist. Von dort führen Druckleitungen zu den Einspritzventilen der einzelnen Zylinder.
Arbeitszyklus von Motoren | Der Arbeitszyklus von Motoren erfolgt seit Otto meist in vier Takten. Jeder Takt umfasst die Bewegung des Kolbens von einem Umkehrpunkt zum anderen. Fährt er nach unten, werden Einlassventile geöffnet; durch den Unterdruck wird das Luft-Benzin-Gemisch in den Zylinder gesaugt (1. Takt). Der aufwärts gehende Kolben verdichtet es bei 400 bis 500 Grad Celsius auf 10 bis 15 Bar (2. Takt). Ein Funken zündet das Gemisch. Die Temperatur steigt dabei auf 2000 bis 2500 Grad Celsius, der Druck auf 40 bis 60 Bar. Dadurch wird der Kolben nach unten gepresst (3. Takt). Nun öffnet sich das Auslassventil und die Abgase werden vom Kolben hinausgeschoben (4. Takt).
Der maximale Druck im Brennraum steigt damit auf bis zu 100 Bar. Dieses Verfahren ermöglicht "magere", das heißt an Kraftstoff ärmere Benzin-zu-Luft-Gemische. Laut dem Stuttgarter Unternehmen Bosch sind 1 zu 20 bis 1 zu 30 möglich. Allerdings ist das Gemisch um die Zündkerze herum "fetter" gehalten, um eine sichere Zündung zu gewährleisten; erst nach außen hin wird es magerer. Insgesamt verringert sich beim Direkteinspritzer der Kraftstoffverbrauch, auf Grund höherer Temperaturen im Brennraum bilden sich aber mehr Stickoxide; dies macht eine Abgasnachbehandlung erforderlich. Wussten Sie schon?
Eingespritztes Benzin | In ein Saugrohr eingespritztes Benzin (farbig) trifft auf ein Lufteinlassventil, das sich gerade zu öffnen beginnt (Experiment der Sandia National Laboratories).
Der neue Hoffnungsträger im Motorenbau ist die homogene Magergemisch- verbrennung (HCCI). Dabei werden Benzin und Luft vorgemischt wie in einem Direkteinspritzer, aber wie beim Dieselmotor durch hohen Druck statt mit einer Zündkerze gezündet. Das verwertet den Kraftstoff noch besser und reduziert die Emissionen weiter.
Dieselmotoren arbeiten effizienter als Benzinmotoren, insbesondere verdichten die Kolben das Kraftstoffgemisch deutlich stärker (14 zu 1 bis 22 zu 1 gegenüber 8 zu 1 bis 12 zu 1). Von Vorteil ist auch der geringere Verbrauch – Diesel enthält pro Liter ungefähr zwölf Prozent mehr Energie als Benzin.
Die Lambdasonde misst den Restsauerstoffgehalt im Auspuffgas. Nur bei einem bestimmten Wert kann der Katalysator Schadgase optimal abbauen. Die Steuerelektronik regelt deshalb bei Abweichungen die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs nach.
Der Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft ist Betreiber dieses Portals. Seine Online- und Print-Magazine, darunter »Spektrum der Wissenschaft«, »Gehirn&Geist« und »Spektrum – Die Woche«, berichten über aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.
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