Direkteinspritzung und Aufladung Gut gemixt

Schon Mitte der neunziger Jahre hatte Mitsubishi die Europäer mit den ersten Großserien-Ottomotoren mit direkter Einspritzung und Magerbetrieb (=Schichtladung) aufgeschreckt.

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Schon Mitte der neunziger Jahre hatte Mitsubishi die Europäer mit den ersten Großserien-Ottomotoren mit direkter Einspritzung und Magerbetrieb (=Schichtladung) aufgeschreckt. Die Unruhe erwies sich als unbegründet. Bis vor kurzem ließ sich der direkten mageren Einspritzung nur mit Mühe eine gute Laufkultur beibringen. Noch dazu waren die im Labor unter idealen Bedingungen realisierten Verbrauchswerte im Alltagsbetrieb fast nie zu schaffen. Zu selten bewegt sich der Motor in jenem Kennfeldbereich, in dem der Magerbetrieb Kraftstoff spart.

Dass vor allem die Volkswagen-Gruppe die direkte Einspritzung jetzt mit homogener Verbrennung weiterführt, liegt an den unbestreitbaren Vorteilen: kein komplexer Denox-Katalysator, kein teurer Super-Plus-Kraftstoff. Außerdem harmonisiert die homogene Direkteinspritzung gut mit der Turboaufladung, wie diverse Motoren bei Audi und Volkswagen beweisen. Magerbetrieb in der zweiten Runde

BMW und Mercedes-Benz haben im Sommer 2006 dennoch die zweite Ära der direkten mageren Einspritzung eingeläutet. Diesmal mit Strahlführung, die eine kleine zündfähige Kraftstoffwolke direkt an die Zündkerze bringt. Dank dieser Schichtladung (oder Magerbetrieb) kommen beide Motoren (3-Liter-Reihensechszylinder bei BMW, 3,5-Liter-V6 bei Mercedes) auf Verbrauchswerte fast schon in Dieselnähe.

Während Mercedes-Benz das Aggregat bisher nur im CLS anbietet, hat BMW inzwischen alle Vier- und fast alle Sechszylindermotoren auf Magerbetrieb umgestellt. Lediglich der doppelt turboaufgeladene BMW 335i verbrennt aus Kosten- und Temperaturgründen seinen Kraftstoff homogen. Die Vier- und Sechszylindermotoren von BMW bringen ihre Schichtladung mit Hilfe von Piezoinjektoren an die Zündkerzen. Die Injektoren sind im Zylinderkopf zwischen den Ventilen und direkt neben den Zündkerzen positioniert. Ähnlich wie bei der Common-Rail-Technik bei Dieselmotoren sorgt auch hier eine Hochdruckpumpe für die kontinuierliche Kraftstoffversorgung. Allerdings beträgt der Betriebsdruck im Rail maximal 200 bar. Die Düsennadel des Injektors wird vom Piezoaktor so schnell angesteuert, dass pro Arbeitstakt bis zu sechs Einspritzvorgänge möglich sind.

Das strahlgeführte Verfahren ist im Vergleich zum Homogenbetrieb weit weniger kraftstoffintensiv, da der Motor nicht zwingend mit dem bekannten Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14:1 betrieben wird. Der Benzinanteil im Gemisch kann über weite Kennfeldbereiche geringer sein. Nur im Bereich der Zündkerze ist das Gemisch zündfähig, im restlichen Brennraum dagegen weit magerer und nicht zündfähig. Es wird aber – sobald das fette Gemisch im Bereich der Zündkerze entflammt ist – mitverbrannt. Nach eigenen Angaben fährt BMW diesen Magerbetrieb in mehr als 50 Prozent des Kennfelds, bei Mercedes-Benz sind es etwas weniger als 50 Prozent. Zusätzlich vermeidet das strahlgeführte Verfahren Streuverluste, wie sie beim wand- oder luftgeführten Verfahren entstehen. Direkte Einspritzung plus Aufladung

Der Audi A4 1.8 TFSI ist hingegen ein Indiz dafür, dass die Volkswagen-Gruppe beim Vierzylinder-Ottomotor auf die direkte Einspritzung mit homogener Verbrennung in Kombination mit Aufladung setzt. Aufladung in Verbindung mit Schichtladung wäre zwar auch möglich, ist aber noch teurer und vor allem sehr temperaturkritisch. Um bestimmte empfindliche Bauteile zu schützen, müsste das Gemisch im oberen Lastbereich stark angefettet werden, damit die Verbrennungstemperatur in Grenzen gehalten wird. Der Verbrauchsvorteil bliebe auf der Strecke.

Audi hat den 1.8-TFSI-Motor komplett neu entwickelt und produziert ihn als „Weltmotor“ im ungarischen Györ und auch in China. Das Vierzylindertriebwerk ersetzt sukzessive die Vorgänger-Aggregate der Baureihe 827, die seit 1972 bereits mehr als 40 Millionen Mal Fahrzeuge der Volkswagen-Gruppe antrieb. Die neue Baureihe EA888 soll bei Fahrspaß, Ansprechverhalten, Leistung, Drehmoment, Laufkultur und Verbrauch nochmals „eine Schippe drauflegen“. Zudem soll sie mit unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten weltweit alle Schadstoffgrenzwerte unterbieten.

Der Kraftstoff wird mit bis zu 150 bar und Sechsloch-Düsen direkt in den Brennraum eingespritzt. Eine neue Hochdruckpumpe und ein wassergekühlter Turbolader sollen die Effizienz und das Ansprechverhalten des Motors steigern.

Um das Geräusch- und Komfortverhalten zu verbessern, wählten die Ingenieure einen Grauguss-Motorblock. Eine aufwändig gelagerte Nockenwelle und geräuscharme Zahnketten für die Nebenaggregate sollen ebenfalls dazu beitragen. Der Grauguss-Motorblock mit 33 Kilogramm Gewicht zeigt, das sich das Gewicht ohne Leichtmetall senken lässt.Ventilhubsteuerung für den Sechszylinder

Das 3,2-Liter-V6-Aggregat für den Audi A4 hat ebenfalls direkte Einspritzung, aber keine Aufladung. Seine Spezialität ist eine Ventilhubsteuerung – das „Audi Valvelift System“. Das zweistufige System verändert den Hub der Einlassventile durch verschiedene Konturen an der Nockenwelle, die sich längs um bis zu sieben Millimeter verschieben lassen. Im Teillastbetrieb steuert die kleinere Nockenkontur die Einlassventile, bei Volllast sorgt die größere Nockenkontur für den optimalen Lufteinlass. Bei Teillast wird ein Einlassventil 5,7, das andere nur zwei Millimeter weit geöffnet wird. Zusammen mit der Geometrie des Einlasskanals entsteht so eine kombinierte Drall- und Tumblebewegung der Luft – ganz ohne die sonst üblichen Klappen im Ansaugtrakt. Zum Vergleich: Valvetronic, das BMW-System zur Ventilhubverstellung, benötigt mechanische Zusatzsysteme zwischen Nockenwelle und Ventil, die zu mehr Reibung und bewegter Masse führen.

Die Umschaltvorgänge erfolgen sehr schnell innerhalb von zwei Kurbelwellenumdrehungen. Kleine Eingriffe bei der Zündung, den Nockenwellen und den Drosselklappen verbergen dem Fahrer die Ventilhubumschaltung. Das größte Einsparpotenzial beträgt laut Audi bei Konstantfahrten mit mittlerer Last und Geschwindigkeit – bis zu sieben Prozent.

Mercedes-Benz hingegen setzt bei der C-Klasse – Limousine und Kombi – auf bewährte Motorentechnik. Die drei großen V6-Ottomotoren sind klassische Sauger, C 180 und C 200 werden dagegen per Kompressor beatmet. Auch die zwei „kleinen“ Vierzylinder-Diesel und der V6-Selbstzünder sind bekannte Aggregate.Dieselmotoren werden leichter

Bei den Vierzylinder-Dieselaggregaten von BMW hat sich einiges getan: Die neu entwickelten Motoren sind nach Herstellerangaben 17 Kilogramm leichter, sparsamer und leistungsstärker als ihre vergleichbaren Vorgänger-Aggregate. Beispielsweise verfügen sie über größere Ventile und als Spiral- und Tangentialkanal ausgeformte Einlasskanäle, die zusammen den Gaswechsel und die Gemischbildung verbessern. Zudem sind sie mit den verbrauchssenkenden Maßnahmen der Efficient Dynamics-Strategie gekoppelt. Sprich: elektrische Lenkhilfe, Start-Stopp-Funktion, Generatorbetrieb nur in Schiebe- und Bremsphasen, bedarfsgesteuerte Nebenaggregate.

Aus einem Grundmotor mit zwei Liter Hubraum generieren die Münchner drei verschiedene Varianten. Der Spitzenmotor mit 150 Kilowatt Leistung und 400 Newtonmeter Drehmoment hat zwei Turbolader von Borg Warner. Der kleine Lader spricht bereits knapp über der Leerlaufdrehzahl an und vermeidet das Turboloch. Bei mittleren Drehzahlen nimmt zusätzlich der größere Lader seine Arbeit auf. Ab etwa 3 000 Umdrehungen übernimmt der auf Höchstleistung ausgelegte große Lader dann alleine die Verdichterarbeit. Für die Kraftstoffverteilung sorgen erstmals Piezo-Injektoren mit bis zu 2 000 bar Einspritzdruck.

Ebenfalls mit Piezo-Injektoren, aber nur mit bis zu 1 800 bar Einspritzdruck, arbeitet der 130-Kilowatt-Motor. Die Basismotorisierung mit 105 Kilowatt greift auf Magnetventile und 1 600 bar Einspritzdruck zurück. Beide Aggregate verfügen über einen Lader mit elektrisch verstellbaren Turbinenschaufeln.Common Rail kommt still und leise

Audi führt beim A4 eher still und leise die Common-Rail-Einspritztechnik als Ersatz für die Pumpedüse-Injektoren in den Vierzylinder-Dieselmotor ein. Mit variabler Turbinengeometrie, Piezo-Injektoren, 1 800 bar Einspritzdruck, hoher AGR-Rate und Euro-5-Einstufung zeigt dieser sich auf dem Stand der Technik. Mit 105 Kilowatt Leistung hat er sein Potenzial bestimmt noch nicht ausgeschöpft. Schließlich sollte er aus Marketinggründen einen Respektabstand zu den beiden V6-Dieseln mit 2,7 und drei Liter Hubraum halten. Ersterer entwickelt 140 Kilowatt Leistung und ist (vorerst?) nur im A5 und A6 erhältlich. Das Dreiliter-Common-Rail-Aggregat mit 176 Kilowatt Leistung ist der Top-Diesel für A4 und A5. Beide Motoren verfügen ebenfalls über Piezo-Injektoren, einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie sowie Euro-5-Zertifizierung. Achtloch-Düsen und bis zu fünf Einspritzungen verteilen den Kraftstoff bedarfsgerecht. Die Motorblöcke bestehen aus Vermikulargraphit-Guss.

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