Der letzte Atemzug des Vergasers: Die Geburt der Kraftstoffeinspritzung

Der Übergang vom Vergaser zur elektronischen Kraftstoffeinspritzung ist die stillste, aber folgenreichste technische Revolution in der hundertjährigen Geschichte des Verbrennungsmotors: Die Kraftstoffeinspritzung wurde Anfang der 1950er Jahre in Personenkraftwagen eingeführt, zwischen 1960 und 1980 verdrängte Boschs Jetronic-Familie den Vergaser, und Anfang der 2000er Jahre verschwand er aus Neuwagen vollständig. Diese Seite erzählt, wie dieser Übergang stattfand, mit welchen Zahlen er gewonnen wurde und was er in der Technik verändert hat.

Seit rund 125 Jahren hat sich das Arbeitsprinzip des Viertakt-Benzinmotors nicht geändert: Luft, Kraftstoff, Verdichtung, Zündung. Geändert hat sich, mit welcher Präzision dieses Gemisch dem Motor dosiert wird. Der Vergaser erledigte diese Aufgabe ein Jahrhundert lang mit mechanischer Intelligenz, gestützt auf die Saugkraft des Ansaugstroms. Die elektronische Kraftstoffeinspritzung (EFI) hingegen lernte, dieselbe Aufgabe durch Messen, Berechnen und individuell für jeden Zylinder zu erledigen. Der Unterschied dazwischen war nicht nur in der Effizienztabelle entscheidend, sondern auch für die Richtung der Geschichte des Motors.

Warum hielt der Vergaser ein Jahrhundert durch?

Die Stärke des Vergasers lag in seiner Einfachheit. Um den Kraftstoff mit dem Luftstrom im Ansaugtrakts zu vermischen, genügten eine bewegliche Membran, einige Düsen und ein Schwimmergehäuse; die Installation war einfach, die Wartung erfolgte mit Handwerkzeug, und die Kosten waren gering. Über ein Jahrhundert hinweg machte diese Einfachheit den Vergaser zur faktischen Standardversorgungslösung des Viertakt-Benzinmotors.

Doch genau dort lag auch die strukturelle Grenze des Vergasers: Er war bei der Kraftstoffverteilung nicht präzise. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird nach Gewicht gemessen; 15:1 bedeutet also 15 Pfund Luft auf 1 Pfund Benzin. Betrachtet man das Volumen, entspricht dieses Verhältnis etwa 9.000 Gallonen Luft auf 1 Gallone Benzin - es ist ein ingenieurstechnischer Trick, dass der Vergaser dieses Gleichgewicht bei jeder Drehzahl, jeder Last und jeder Temperatur halten soll, kein garantierter Messwert. Viertakt-Benzinmotoren können mit Verhältnissen vom fettesten 8:1 bis zum magersten 18,5:1-19:1 laufen; das ideale Band für maximale Leistung liegt bei 12:1-13,5:1, für den besten Kraftstoffverbrauch bei 15:1-16:1. Der Vergaser musste zwischen diesen Bändern hin und her wechseln, und als das Emissionszeitalter kam, gelang ihm das nicht mit ausreichender Präzision.

Wie entstand die Kraftstoffeinspritzung? Vom Motorsport in die Serienproduktion

Die Wurzeln der Einspritzung reichen bis ins Jahr 1925 zum schwedischen Ingenieur Jonas Hesselman zurück; doch bis sich die Technologie verbreitete, vergingen mehr als vierzig Jahre. Die erste Benzineinspritzung bei einem Otto motor kam jedoch auf ungewöhnliche Weise: im Goliath GP700 - 1952, ein damals kaum bekanntes Auto, das ein umgebautes Dieselsystem trug. Anschließend führte Mercedes-Benz im legendären Sportwagen 300SL Gullwing den ersten Ottomotor mit Direkteinspritzung ein.

Das eigentliche Labor waren jedoch die Rennstrecken. Das von Stu Hilborn an den Bonneville-Salzseen entwickelte mechanische Einspritzsystem erschien 1949 bei den Indianapolis 500 in den Meyer-Drake-Offy-Motoren; Hilborn-Einspritzdüsen errangen zwischen den 1950er und 1970er Jahren bei den Indy 500 mehr als 34 Siege. Auch auf der Straße und im Stadtverkehr gab es frühe Beispiele: Im 1957 Chevrolet Corvette wurde das Rochester-Ramjet-Fuel-Injection-System verwendet, und er wurde zu einem der seltenen eingespritzten Beispiele des klassischen Automobilzeitalters.

Bendix Electrojector: Der erste elektronische Versuch

Das erste in Serienproduktion hergestellte elektronische Kraftstoffeinspritzsystem war der Bendix Electrojector. Chrysler bot dieses System für das Modelljahr 1958 kurzzeitig an; im selben Jahr waren die Modelle Chrysler 300D, DeSoto Adventurer, Dodge D-500 und Plymouth Fury mit dem Electrojector ausgestattet. Sie sind die ersten Autos, von denen bekannt ist, dass sie elektronische Kraftstoffeinspritzung verwendeten. Ein wesentlicher Teil der ursprünglichen Konstruktionsarbeit am System wurde in den 1950er Jahren bei der Bendix Corp. in den USA geleistet - die Jetronic-Familie von Bosch ist tatsächlich der Erbe dieses amerikanischen Vorläufers.

Die Bosch-Jetronic-Familie: Die Systeme, die den Vergaser stürzten

Bosch legte mit einem Schema eines elektronischen Benzineinspritzsystems aus dem Jahr 1959 den Ausgangspunkt der Jetronic-Familie. Der zu Beginn der 1960er Jahre entwickelte D-Jetronic wurde zum ersten in Serienproduktion gefertigten elektronischen Kraftstoffeinspritzsystem des Unternehmens und wurde als erstes erfolgreiche elektronische Einspritzsystem vorgestellt, das Mitte der 1960er Jahre den Vergaser ersetzte. Der D-Jetronic wurde erstmals 1967 im VW 1600 TL gesehen; auf einigen Märkten wird als erster Anwender der VW Type 3 aus dem Modelljahr 1968 verzeichnet. Mercedes-Benz wiederum verwendete den D-Jetronic ab 1967 in seinen Reihensechszylinder- und V8-Motoren bis 1976. Der von Wikipedia angegebene Produktionszeitraum ist eindeutig: 1967-1979.

Die Funktionsweise des D-Jetronic entspricht in der heutigen Terminologie dem "Speed-Density"-Ansatz: Der Luftdruck im Ansaugtrakt (MAP-Sensor) und die Motordrehzahl werden gemessen, der Kraftstoff wird aus diesen beiden Daten berechnet. Statt die tatsächlich in den Motor eintretende Luft direkt zu wiegen, wurde sie aus zwei messbaren Variablen geschätzt - genau das war die Logik des ersten Schritts der elektronischen Einspritzung.

Der mechanische Weg: K-Jetronic

Bosch entwickelte als mechanisches Gegenstück zum elektronischen D-Jetronic den K-Jetronic. Das nächste Mitglied derselben Familie, L-Jetronic (L steht für das deutsche Wort "Luft"), wurde Mitte der 1970er Jahre eingeführt: sie maß das Luftvolumen mit einem beweglichen Klappensensor über der Drosselklappe und wurde von Ford sowie vielen asiatischen und europäischen Herstellern übernommen. 1974 lösten K-Jetronic und L-Jetronic die D-Jetronic ab; wobei einige Fahrzeuge - zum Beispiel der Volvo 164 - weiterhin die D-Jetronic verwendeten. In den 1970er Jahren führten Bosch und BMW die Pionierarbeit bei diesen frühen Systemen; Ford hingegen stellte 1980 sein erstes digitales System vor.

Warum beschleunigten die Abgasnormen den Übergang?

Nicht allein Leistung oder Verbrauch brachten den Vergaser zu Fall; der eigentliche Antrieb waren die sich in den USA und weltweit verschärfenden Abgasnormen. Der Vergaser konnte das Luft-Kraftstoff-Gemisch nicht in dem engen Fenster halten, das der Katalysator und die verschärften Gesetze verlangten. Die Einspritzung bot durch eine feinere Kontrolle des Gemischs eine sauberere Verbrennung und niedrigere Emissionen - bei modernen Motoren ist das Ziel das 14,7:1 stöchiometrische Verhältnis, das den Ausgleich zwischen Emissionen und Leistung/Wirtschaftlichkeit herstellt, und diese Präzision konnte nur eine computergesteuerte Einspritzung erreichen.

Interessant war auch das Übergangsfahrzeug: TBI -Systeme (Throttle-Body-Einspritzung) waren praktisch ein "elektronischer Vergaser" - der Lufttrichter und der Schwimmerbehälter wurden ausgebaut und durch eine Einspritzdüse mit ein bis zwei Magnetspulen ersetzt. Es war eine wirtschaftliche und wirksame Übergangslösung, doch da sie die Schwächen des Vergasers teilte, verschwand sie Anfang der 1990er Jahre weitgehend aus der Produktion. Der eigentliche Sprung kam Mitte bis Ende der 1980er Jahre, als die Rechenleistung der Motorsteuergeräte zunahm: die sequentielle Einspritzung wurde möglich, bei der der Kraftstoff nach dem Ansaugtiming jedes einzelnen Zylinders eingespritzt wird. Die Clean-Air-Act-Revisionen Anfang der 1990er Jahre und die OBD-II-Anforderungen machten die Kraftstoffkontrolle an jedem Einlassventil faktisch zur Pflicht. Von diesem Punkt an war die Debatte beendet: die digitale Computersteuerung machte die Kraftstoffmessgenauigkeit, die der Vergaser nie erreichen konnte, zum Standard.

Einspritzung oder Vergaser? Vergleich in Zahlen

Die Unterschiede der beiden Systeme in einer Tabelle zusammenzufassen ist der klarste Weg, den technischen Ausgleich zu sehen:

Wie aus der Tabelle ersichtlich, liegt der Bereich, in dem der Vergaser gegen die Einspritzung verliert, in der Messgenauigkeit; weiter gewinnt er bei der Einfachheit. Die Schwächen der frühen EFI-Systeme dürfen auch nicht verschwiegen werden: Mitte der 1980er Jahre waren verstopfte Saugdüsen und Ablagerungen an den Einlassventilen aufgrund nicht reinigender Benzinsorten bekannte Probleme der ersten Saugrohreinspritzsysteme - überwunden durch Kraftstoffadditive und Korrekturen bei der Injektorplatzierung. Während MAF-basierte Systeme die präziseste Kraftstoffregelung boten, galten sie wegen ihrer elektronischen Komplexität eine Zeit lang als die problematischsten Systeme überhaupt. Kurz gesagt: EFI war nicht sofort perfekt; es reifte.

Das Tempo des Übergangs: Der gesamte Markt in einem Jahrzehnt

Amerikanische Hersteller machten EFI Anfang der 1980er Jahre in herkömmlichen Serienfahrzeugen zur Norm: Ford 1983, GM und Chrysler 1983-84. Japanische Hersteller schlugen Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre dieselbe Richtung ein. Heute ist EFI der universelle Standard für nahezu alle Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeuge weltweit; der Vergaser verschwand Anfang der 2000er Jahre endgültig aus den neu produzierten Personenkraftwagen.

Dieselbe Umstellung gab es auch bei Motorrädern, und der Prozess ist dort sichtbar dokumentiert: Harley-Davidson erprobte EFI in den 1980er Jahren in Polizeimodellen; die 1995 er FLH-Touring-Modelle waren die ersten Harleys mit werksseitigem EFI; das System wurde 2002 in der Touring-Serie zum Standard, und 2007 kamen alle Modelle mit EFI - vergaserbetriebene Motorräder verschwanden endgültig aus dem Produktprogramm. Traditionalisten verteidigen weiterhin die Einfachheit des Vergasers und die Flexibilität der mechanischen Einstellung; aber dass ein Vergasermotor bei Höhenänderungen neu eingestellt werden muss, blieb neben der automatischen Anpassung der EFI ein praktischer Nachteil.

Das Vermächtnis der stillen Revolution

Der Übergang vom Vergaser zur elektronischen Kraftstoffeinspritzung war nicht die Verwandlung eines Bauteils in ein anderes; es war die Veränderung des Konzepts der "Steuerung" des Motors. Der Vergaser vertraute auf das Eigenverhalten des Motors; EFI schuf eine Computerarchitektur, die misst, was der Motor tut, und entsprechendentscheidet. Dieser Computer entwickelte sich mit der Zeit zum Motorsteuergerät, und die gesamte heutige Motorentechnologie - vom Turboladermanagement bis zur Klopfregelung - entstand auf dieser Grundlage.

Zusammengefasst in Zahlen: Die elektronische Einspritzung, 1958 in einigen wenigen exklusiven Chrysler-Modellen erprobt, wurde 1967 mit dem VW 1600 TL in einem gewöhnlichen Familienwagen legitim, 1983-84 zur Standardübergangsphase aller großen Hersteller und beendete Anfang der 2000er Jahre, indem sie den Vergaser von den Produktionsbändern tilgte, dessen Ära endgültig. Der Weg von Emil Hesselmans Idee von 1925 zum modernen EFI dauerte rund 75 Jahre; aber das letzte Jahrzehnt - also die eigentliche Umwandlung - nahm nicht einmal zehn Jahre in Anspruch. Dies ist eines der klarsten Beispiele dafür, was eine Technologie im Ingenieurwesen wirklich zum Sterben bringt: die Reifung einer besseren Alternative.

Quellen

• Mastering the Basics: Electronic Fuel Injection | MOTOR
• A backbone of Automotive Electronics - Bosch Stories
• Fuel injection - Wikipedia
• Electrojector und D-Jetronic: Frühe elektronische Benzineinspritzung - Ate Up With Motor
• Bosch D-Jetronic, K-Jetronic & KE-Jetronic: Benzineinspritzsysteme - Hemmings
• Der lange, kurvenreiche Weg zur EFI - Hagerty
• Ein Lied aus Luft und Kraftstoff: Wie die Benzineinspritzung in die Autos kam - Škoda Motorsport
• D-Jetronic Kapitel 1: Geschichte - jetronic.org
• Der Übergang von Vergasern zur Benzineinspritzung bei Harley-Davidson - Caliente Harley
• Warum verwenden moderne Autos keine Vergaser mehr? - Inmon Auto