Die Lambdaregelung hat dem Benzinmotor ziemlich bald den Ruf des
Saubermanns gegenüber dem Dreckspatz Dieselmotor beschert. Vielleicht
vergisst man dabei, dass nicht nur die Entgiftung des unmittelbar durch die
Verbrennung erzeugten Abgases ein Problem darstellt. Immerhin gibt es außer
dem Tank noch andere Quellen von Emissionen, also vom Auto ausgehende
Schadstoffe.
Zur Zeit der deutlichen Verschärfung der Abgasvorschriften kommt plötzlich alles
auf den Prüfstand. Es wird quasi eine riesige Plastikfolie über das neue Auto
gestülpt und alles erfasst, was aus dieser Hülle an die Umwelt abgegeben wird.
Opel-Ingenieure wussten damals lebhaft zu berichten, dass nicht der Auspuff oder
die Tankentlüftung sich als größtes Problem entpuppten, sondern der neue Lack
und seine Ausdünstungen.
Vielleicht wäre das ja auch ein Thema für ein Buch mit solchen sicherlich
interessanten Umweltaspekten. Wir bleiben bei unserem und widmen uns dem
Tank, das unbeachtete Wesen. Das waren noch Zeiten, als die Entlüftungsleitung
von der einen Seite des Tanks aufstieg, zur anderen Seite führte und dann wieder
abstieg und ins Freie führte. Das ganze Procedere mit der langen Leitung war nötig,
damit gar keiner oder nur sehr wenig Sprit bei einem Überschlag austreten konnte,
aus Sicherheits- und nicht aus Umweltgründen versteht sich.
Das ist heute anders. Kraftstoffdämpfe werden in einen Behälter mit sogenannter
Aktivkohle geleitet. Diese ist in der Lage, Kraftstoff bzw. Kohlenwasserstoffe quasi
herauszufiltern, so dass man die verbleibende Luft z.B. bei stehendem Motor ins
Freie lassen kann. Die spannende Frage ist, was mit den Hinterlassenschaften
passiert. Dafür gibt es eine Leitung zum Saugrohr und ein sogenanntes
'Regenerierventil' dazwischen, denn man kann nicht jederzeit Kraftstoffdämpfe
ungehindert absaugen lassen.
Der Vorteil dieser Absaugung ist die Lambdaregelung, die ein Zuviel an Kraftstoff
durch entsprechend weniger Einspritzung ausgleicht. Dazu darf allerdings die
abgesaugte Menge nicht die einzuspritzende übersteigen. Gewisse
Betriebsbereiche sind deshalb tabu, z.B. der Leerlauf oder gar die
Schubabschaltung. Im Prinzip wird dafür gesorgt, dass nicht mehr als 40 Prozent
des Kraftstoffs aus dem Aktivkohlefilter kommen. Übrigens wird das Durchfluten
dieses Filters und die Mitnahme von Kohlenwasserstoffen 'Spülen' genannt,

Motronic
Bisher haben wir die Zündanlage als rückständig angesehen, aber langsam wird
sie zum wichtigsten Zweitthema. Ohne jetzt genauer auf die Einzelheiten
einzugehen, nehmen wir sie ab jetzt als Bauteilgruppe ohne mechanisch
arbeitende Restbestände wie z.B. einen Verteilerfinger an. Auch ist sie inzwischen
digitalelektronisch geregelt und hat Sensoren, z.T. die gleichen, die auch die
Benzineinspritzung braucht. Aber hier liegt nicht der Hauptgrund, die beiden
Systeme mit einer Steuerung zusammen zu führen.
Nehmen Sie doch nur einmal die Klopfregelung. Sie ist eine der wichtigsten
Errungenschaften der elektronischen Zündung. Wir wissen seit langem, dass ein
Zündzeitpunkt am besten so weit vorverlegt wird, dass es gerade nicht zu einer
klopfenden Verbrennung kommt. Und das möglichst noch mit einer gewissen
Individualität für die einzelnen Zylinder, weil in jedem die Verhältnisse etwas anders
sein können.
Das regelt die heutige Zündanlage relativ gut, auch wenn sie nur kennfeldgesteuert
ist. Sie spart damit Sprit und bringt Leistung und Drehmoment. Aber so eine
Klopfneigung geschieht nicht im luftleeren Raum. Und sie ist keineswegs
unabhängig vom Kraftstoff-Mischungsverhältnis. Bei Rennmotoren hat man sie
z.B. früher erfolgreich durch fettes Gemisch bekämpft. Dass mehr im Brennraum
verdampfender Kraftstoff innere Kühlung und damit weniger Klopfneigung bringt,
weiß man nicht erst seit Erfindung der Benzineinspritzung.
Mit dem Aufkommen der ersten Systeme mit Klopfregelung spricht man von der
intelligenten Erkennung von getankter Kraftstoffart, wobei damals in Deutschland
hauptsächlich an den Unterschied zwischen Normalbenzin und Super gedacht
wird. Nach dem Verschwinden von Normalbenzin geht es mehr um Super bzw.
Super Plus. Bei den darüber hinaus gehenden Benzinarten geht es um andere
Vorteile als eine gesteigerte Oktanzahl.
Vielleicht wird der Vorteil der Motronic an einem anderen Beispiel noch klarer. Wir
haben schon den Warmlaufbereich erwähnt und die Probleme, die er für die AbgasTypprüfung macht. Natürlich hätte man auch den bis zu hundertfach höheren
Verschleiß gegenüber zurückhaltender Autobahnfahrt erwähnen können. Was
aber, wenn die Zündung hier helfen könnte und den Zündzeitpunkt viel weiter als
früher möglich in Richtung 'früh' schieben würde? Klopfen kann der Motor ja kaum,
dazu ist er zu kalt.
Das waren jetzt nur zwei Beispiele, aber noch lange nicht alles. Deshalb wird der
Begriff 'Motronic' auch rasch erweitert und der gesamte Bereich ab jetzt
'Motormanagement' genannt. Darin gehen dann außer den bisher genannten
Systemen ein: Aufladung, Abgasrückführung, Verstellungen am Ventiltrieb,
Tempomat, Busanbindung und Diagnose. Es ist wie im richtigen Leben, man geht
zusammen und erweitert dann seinen Aktionsbereich.
Direkteinspritzung 1
Nein die moderne Benzin-Direkteinspritzung wird zwar oft bezogen auf die frühere
des Gutbrod-Zweitakters und des Mercedes 300 SL, aber ca. 18 bar Einspritzdruck
lassen sich nicht mit 50 bis 150 oder gar 200 bar vergleichen. Das liegt daran, dass
früher zwar direkt in den Brennraum eingespritzt wurde, aber schon früh (20° nach
OT) während des Ansaug- und nicht des Verdichtungstaktes.
Durch das Einspritzen während des Verdichtens beeinflusst man heute die
Verbrennung direkter und nutzt damit die Vorteile dieser Art der Einspritzung noch
besser. Der grundsätzliche Vorteil gegenüber der indirekten Einspritzung ist, dass
der komplette eingespritzte Kraftstoff im Brennraum verdampft. Und da nun einmal
die zum Verdampfen notwendige Energie um ein Vielfaches höher ist als die zur
normalen Erwärmung, können wir hier von einem großen Zuwachs an innerer
Kühlung sprechen.
Wozu ist diese innere Kühlung gut? Je kühler der Brennraum ist, desto höher kann
man die Verdichtung wählen, ohne das Risiko einer klopfenden Verbrennung
einzugehen. Denn es ist sicherlich gut, die Zündung entlang der Klopfgrenze
zurück zu nehmen, aber noch besser, eine höhere Verdichtung realisieren zu
können. Außerdem wirkt z.B. bei Schichtladung zusätzliche Luft wärmeisolierend
zu den Zylinderwänden hin.
Höhere Verdichtung ist im Prinzip für alles gut. Liebhaber von leistungsstarken
Motoren mögen sie, aber auch sparsam fahrende Zeitgenossen. Realisiert man
das größere Leistungsangebot nicht, erhält man automatisch weniger Verbrauch.
Sofern Sie noch Saugmotoren mit Direkteinspritzung finden, schauen Sie sich
deren (geometrisches) Verdichtungsverhältnis an und vergleichen es z.B. mit dem
indirekt einspritzenden Vorgänger. Unterschied: 0,5 bis 1.
Warum aber jetzt die aufwändigere Einspritzung während des Verdichtungstakts?
Der gesamte Kraftstoff verdampft doch so oder so im Brennraum. Das ist zweifellos
richtig, aber wenn wir über klopfende Verbrennung reden, müssen wir uns auch mit
den sogenannten 'Wärmenestern' beschäftigen. Dazu ist vielleicht zunächst die
Entstehung und verheerende Wirkung des Klopfens zu klären.
Der Verbrennungsprozess des Benzinmotors ist hochgradig darauf angewiesen,
dass ein zündfähiges Gemisch ausschließlich von der elektrischen Fremdzündung
zur Verbrennung und damit zur Druckerzeugung gebracht wird. Sind die
Verhältnisse im Brennraum so, dass es früher von selbst zündet, gibt es am
Kurbeltrieb und besonders am Kolben von der Hitze und der Mechanik her
Probleme. Der Kolben kann partiell so heiß werden, dass er durchbrennt.
Noch leichter werden Sie erkennen, dass ein Druckanstieg vor Erreichung des
oberen Totpunktes (OT) wirklich nicht ideal für die Mechanik sein kann. Und wie
wird diese Selbstzündung ausgelöst? Natürlich durch den heißesten Punkt im
Brennraum. Der bestimmt die Klopfgrenze, nicht die Durchschnittstemperatur. Jetzt
wissen Sie, warum Wärmenester so schädlich sind.
Und wie bekämpft man Wärmenester? Man erzeugt in der angesaugten Gassäule
möglichst viel Bewegung, auch 'Drall' genannt. Da gibt es viele Methoden. Früher
hat man die Ventilöffnung durch einseitig auf den Ventilteller aufgeschweißte
Blechstückchen teilweise versperrt, was natürlich heute keine so geeignete
Methode wäre. Aber man kann dem Ansaugkanal eine besondere Form geben
oder die meist vier Ventile sogar komplett verdrehen.
Das Motormanagement kann bei Teillast spezielle Klappen im Saugrohr anstellen.
Auch der Kolbenboden kann eine gewisse Form aufweisen. Berühmt und weltweit
angewandt geworden ist die Methode, den Kolben an bestimmten geraden Stellen
am Rand des Zylinderkopfes bis auf weniger als einen Millimeter herankommen zu
lassen, um alles dort befindlich Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Mitte zu drücken.
Und wenn man jetzt in diese Luftbewegung hinein Kraftstoff einspritzt, hat man den
zusätzlichen Effekt der besseren Durchmischung, denn grundsätzlich muss sich ja
bei der Verbrennung jedes Sauerstoffatom aus der Ansaugluft möglichst schnell
ein Kohlenstoffatom aus dem Kraftstoff suchen und finden. Und eine solche
Durchmischung erreichen Sie vielleicht weniger, wenn sie schon am Anfang des
Ansaugtaktes einspritzen.
Schichtladung 1
Und es gibt noch einen wichtigen Aspekt. Immerhin gilt der Benzinmotor seit
Einführung der Lambdaregelung als Saubermann. Aber etwas anderes hat der
Dieselmotor ihm noch voraus, den geringeren Verbrauch. Das umso mehr, als
schon eher auf Direkteinspritzung umgestellt wurde, was ihm noch größere Vorteile
brachte. Er war also dem Benziner um 20 bis 30 Prozent voraus.
Die Verkaufszahlen von Fahrzeugen mit Dieselmotor schwollen gegenüber denen
mit Benzinmotor an. Das ist auch deshalb ein unhaltbarer Zustand, weil das immer
noch den Verkehr bestimmende Erdöl nun einmal Benzin und Diesel zu
bestimmten Prozentsätzen enthält. Man kann zwar in der Raffinerie manches
umschichten, aber es gibt dafür Grenzen. So blieb die Aufgabe, den Benziner
sparsamer werden zu lassen.
Eine wunderbare Möglichkeit dazu ist die Schichtladung. Die hat wiederum mit dem
Drall zu tun. Die Grundidee ist, dem Funken an der Zündkerze in unmittelbarer
Nähe ein sogenanntes stöchiometrisches Gemisch (etwa 14,5 bis 14,8 : 1)
anzubieten. Ist das dann einmal entzündet, folgt im weiteren Brennraum ein
deutlich magereres, was gut für einen geringen Verbrauch ist. Jetzt werden Sie
verstehen, warum die Idee der Schichtladung unmittelbar mit der Drallerzeugung
zusammenhängt.
Sie sehen jetzt vielleicht auch ein, wie unmittelbar die Schichtladung mit der
Einspritzung im Verdichtungstakt zusammenhängt. Natürlich muss auch klar sein,
dass die Entwicklung hier vor nicht einfachen Aufgaben steht, denn so eine
Zweiteilung zwischen magerem Gemisch außen und zündfähigem innen soll
natürlich möglichst über einen etwas größeren Drehzahlbereich hinweg
funktionieren.
VW ist damals mit der Fuel Stragified Injection
vorgeprescht und hatte das Nachsehen. Sein System war im höchsten Gang nur
bis zu einer Autobahngeschwindigkeit von etwa 110 km/h einsetzbar. Wer schneller
fuhr, hatte kaum etwas davon. Daran mögen Sie erkennen, wie wichtig auch die
Eingrenzung der Motordrehzahl durch mehr Gänge und lange Übersetzung z.B.
durch automatische oder automatisierte Getriebe ist. Inzwischen wird die
Schichtladung von vielen Herstellern angewandt.