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Direkteinspritzung : Die Wiederbelebung des Zweitakters

 Für die einen ist der Zweitakter der genial einfache wie kultivierte Antrieb schlechthin, für die anderen ein gescheitertes Relikt. Die australische Firma Orbital hat ihn aber längst noch nicht abgeschrieben – im Gegenteil. Ungeachtet der Diskussion über Sinn und Unsinn des Zweitakters hat im australischen Perth die Technologiefirma Orbital ihren neuen OCP Motor entwickelt, wobei Umweltverträglichkeit und niedriger Verbrauch ganz vorn im Lastenheft standen.

Das Motorprinzip beim Zweitakter :
Zuerst einmal ist es wichtig, daß man versteht, worin der Unterschied zwischen einem Zweitaktmotor mit direkter Einspritzung und einem herkömmlichen Motor mit Vergasern besteht.
Bei einem konventionellen Zweitaktmotor wird das Gemisch (Luft, Benzin, ÖL) bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens durch dessen Unterseite in das Kurbelgehäuse gesaugt. Bewegt sich der Kolben nach  unten, schließen Flatterventile und verhindern so, daß das Gemisch in umgekehrter Richtung wieder durch den Vergaser rausgeblasen wird. Luft, Benzin und Öl werden im Kurbelgehäuse vorverdichtet. Geht’s mit dem Kolben noch weiter abwärts, werden die Schlitze in der Zylinderwandung freigelegt, und es passiert folgendes :

• Der Auspuffschlitz öffnet sich, damit die verbrannten Gase nach außen entweichen können.
• Minimal später öffnet sich der Überströmschlitz und läßt das vorverdichtete Frischgas - das Gemisch aus Luft, Benzin und Öl - in den Verbrennungsraum einströmen.
• Sobald sich der Kolben nach oben bewegt, wird zuerst der Überström- und erst kurz danach auch der Auspuffkanal geschlossen. Die zu entsorgenden Altgase saugen aber einen erheblichen Teil der  Frischgase mit zum Auspuff heraus. Dort verursachen sie nicht nur Gestank und hohen Verbrauch, sondern sind auch für das lästige Schieberuckeln durch unkontrollierte Fehlzündungen verantwortlich.

Bei einem Zweitaktmotor mit Direkteinspritzung wird das Benzin nicht in das Kurbelgehäuse gesaugt. Dort findet man nur Luft und Öl. Weil kein Benzin das Öl verdünnt, wird deutlich weniger Schmierstoff gebraucht.  Der bleifreie Kraftstoff wird erst, nachdem der Auspuffschlitz geschlossen ist, direkt in den Verbrennungsraum injiziert. Dadurch wird verhindert, daß unverbranntes Benzin durch den Auspuffkanal  geblasen wird. Das Ergebnis ist ein sauber verbrennender Motor mit deutlich weniger Durst.

Saugrohreinspritzung :
Üblicherweise besitzen Ottomotoren eine Saugrohreinspritzung. Dabei befindet sich das Einspritzventil im Saugrohr, also dem Rohr, mit dem die Verbrennungsluft angesaugt wird. Der Kraftstoff wird entweder vor das geschlossene oder auf das geöffnete Einlassventil gespritzt und bereits im Saugrohr nahezu vollständig mit der angesaugten Luft vermischt. Dieses Gemisch ist nur in einem eng gesteckten Rahmen spezifisch festgelegter Luftverhältnisse zündfähig.
Genau dieses Kraftstoff-Luft-Verhältnis gilt es bei der Saugrohreinspritzung in allen Betriebsphasen einzuhalten. Das Problem dabei : Wird vom Fahrer nur wenig Leistung angefordert, also im eigentlich sparsameren  Teillastbereich, muss analog zur Kraftstoffmenge auch die Luftzufuhr stark gedrosselt werden.

Arbeitsweise der Saugrohreinspritzung : Das Luft - Kraftstoff - Gemisch entsteht außerhalb des Brennraums im Saugrohr. Das Einspritzventil (2) spritzt den Kraftstoff vor das Einlassventil (3). Im Ansaugtakt strömt das Gemisch durch das geöffnete Einlassventil in den Verbrennungsraum.

Direkteinspritzung - Das Prinzip des Orbital - Motors :
Durch elektronisch gesteuerte Direkteinspritzung wird ein in einer Düsenkombination vorgemischtes Luft-Kraftstoff Gemisch direkt in den Brennraum injiziert, und zwar erst dann,  wenn der Auslaßschlitz geschlossen ist und nichts mehr in den Auspuff entweichen kann. Dies erzeugt eine extreme Zerstäubung ( Tröpfchengröße nur ca. 8 Mikron ), welche jedoch lediglich eine tausendstel Sekunde dauert.  Die Nadel- und Rollenlager, die sich durch geringen Ölbedarf auszeichnen, werden über die angesaugte Luft mit Öl versorgt, das mit einer elektronisch  geregelten Ölpumpe fein dosiert wird.
Wie beim normalen  Zweitakter wird auch beim Orbital - Motor der Zylinder mittels Frischgasspülung vom Altgas befreit. Da vor der Verbrennung nur mit reiner Luft gespült wird, gibt es Spülverluste nur in Form von in den Auspuff verlorenen Luftanteilen. Die reine Luft kann weder zu Fehlzündungen führen, noch kann sie die Umwelt verpesten. Die Euro-3-Norm wird laut Orbital erfüllt, und auch den sonst beim Zweitakter so kritischen Ölausstoß haben die  Australier im Griff.

Schichtladung :
Um die verbrauchsgünstig wirkenden hohen Luftüberschüsse realisieren zu können, muss der Motor im sogenannten 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. Das Benzin - Luftgemisch beträgt im Magerbetrieb 1 : 30 und im Leerlauf lediglich 1 : 50. Lediglich im bereich der Zündkerze ist das gemisch zündfreudiger. 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.
Nachteil : Schichtlade - Motoren erzeugen auf Grund des Luft - Überschusses im Abgas mehr Stickoxyde.

Direkteinspritzung - Zusammenfassung und Vergleich :

Direkt Einspritzung

Indirekte Einspritzung

• Einspritzventil direkt über dem Brennraum (GDI) bzw. unter dem Einlasskanal im Zylinderkopf (FSI)
• Einspritzung in den Brennraum
• Ansaugung von Luft in den Brennraum, Luft wird durch Drallkanal (GDI) bzw. Tumblebleche (FSI) verwirbelt bzw. geschichtet, Einspritzung erst am Ende des Verdichtungs taktes (Ausnahme Volllast)
• Schichtladebetrieb: an der Zündkerze entsteht immer ein zündfähiges Gemisch, ansonsten verschiedenste Mischungsverhältnisse im Brennraum bis hin zu reiner Luft
• Verbrennung auch bei Luftüberschuss, besserer Wirkungsgrad da Wärmeverluste an der Brennraumwand durch die isolierende Luft vermieden werden, Drosselklappe kann weit geöffnet werden, deshalb geringere  Drosselverluste und dadurch niedrigerer Verbrauch
• Bei Volllast homogenes Gemisch (gleichmäßig verteilt), Einspritzung während Ansaugen, höhere Zylinderfüllung, niedrigere Verdichtungstemperatur, dadurch höhere Verdichtung (12.1) möglich, besseres Drehmoment und Leistung

• Einspritzventil im Saugrohr
• Einspritzung vor das Einlassventil/Sau grohr
• Vermischung von Kraftstoff und Luft im Saugrohr
• immer ein zündfähiges Gemisch, ansonsten verschiedenste Mischungsverhältnisse im Brennraum bis hin zu reiner Luft
• Zündfähigkeit beschränkt, stöchiometrisches Verhältnis von 14,7:1 erforderlich (Kat!)
• Im Teillastbetrieb (geringe Leistung) starke Drosselung erforderlich: schlechtere Verbrennung, schlechter Teillastverbrauch, Drosselklappe stört, Bei Volllast Anfettung

Fazit : Die Benzin-Direkteinspritzung scheint die bessere Lösung zu sein und wird voraussichtlich mittelfristig die indirekte Einspritzung ablösen ( Quelle : www.kfztech.de )