Saugrohr-Einspritzung oder Direkteinspritzung? Warum die Entscheidung bei der Motor­einspritzung wichtig ist

Die Saugrohreinspritzung spritzt den Kraftstoff ins Ansaugmanifold, die Direkteinspritzung hingegen spritzt den Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum; die Saugrohreinspritzung bietet ein sanfteres Gasansprechverhalten und niedrigere Partikelemissionen, die Direkteinspritzung sorgt für einen höheren Wirkungsgrad und niedrigere CO2-Werte. Deshalb nutzen Hersteller, die gleichzeitig Leistung, Effizienz und Emissionsbalance erreichen wollen, beide Systeme gemeinsam im selben Motor.

Was ist Saugrohreinspritzung und wie unterscheidet sie sich von der Direkteinspritzung?

Benzin im flüssigen Zustand verbrennt nicht von selbst. Für die Verbrennung muss es zunächst in feine Tröpfchen zerlegt - also atomisiert - und dann verdampft werden. Alle Unterschiede zwischen den beiden Einspritzarten ergeben sich aus dieser einfachen physikalischen Anforderung: Wo und mit welchem Druck der Kraftstoff eingespritzt wird, bestimmt den Charakter des Motors.

Bei der Saugrohreinspritzung (PI, oder multi-point/MPFI, da jedem Zylinder ein eigener Injektor zugewiesen ist) wird der Injektor am Ansaugmanifold montiert und spritzt den Kraftstoff unmittelbar vor dem Einlassventil, hinter das Ventil. Der Kraftstoff legt vor dem Eintritt in den Zylinder einen langen Weg im Ansaugtrakt zurück und findet reichlich Zeit zum Verdampfen. Die mechanisch einfache Platzierung des Injektors fern von Ventil und Zündkerze in einer Position oberhalb des Ventils macht das System günstig und robust, da es mit niedrigem Druck arbeitet.

Bei der Direkteinspritzung (GDI/DI) hingegen öffnet sich der Injektor über einen separaten Zugang im Zylinderkopf direkt in den Verbrennungsraum. Der Druck steigt um ein Vielfaches: das 50- bis 100-Fache des Drucks im Saugrohrsystem. Das Ausmaß zeigt, wie dramatisch der Unterschied ist - 1000 psi der Kraftstoff wird mit einem Druck von bis zu 0,006-0,011 Zoll durch Öffnungen mit diesem Durchmesser eingespritzt und erzeugt einen Nebel mit einem Tröpfchendurchmesser von nur 0,000003 Zoll und einer Geschwindigkeit von 135 mph . Da dieser schnelle Phasenwechsel im Zylinderinneren stattfindet, wird seine Wirkung auch dort gespürt.

Saugrohreinspritzung: Warum ist sie immer noch eine relevante Technologie?

Der am häufigsten übersehene Vorteil der Saugrohreinspritzung liegt darin, wie sie die Wärme nutzt, die der Kraftstoff beim Verdampfen aufnimmt. Beim PI-System findet diese Kühlwirkung im Ansaugmanifold statt; der Kraftstoff kühlt die einströmende Luft, erhöht deren Dichte und steigert so das Leistungspotenzial in einem Saugmotor. Die Saugrohreinspritzung verschafft Saugmotoren also einen kleinen Ladevorteil aus sich heraus.

Der zweite Vorteil liegt bei den Emissionen. Der Kraftstoff benetzt die Flächen hinter dem Einlassventil und verdunstet über einen längeren Zeitraum, wodurch ein homogenes Gemisch entsteht; das senkt die Menge des unverbrannten Kraftstoffs und reduziert den Partikelausstoß (PM). Auch das Ansprechverhalten des Gases ist aus denselben Gründen weich: Das Gemisch ist unter allen Bedingungen bereit, das System ist einfach und vorhersehbar. Die technische Entsprechung des Eindrucks vieler Fahrer, "ältere Motoren hatten mehr Charakter", liegt teilweise in dieser Vorhersehbarkeit.

Die Schwächen sind ebenfalls klar. Das Gemisch kann nicht so fein atomisiert werden wie bei der Direkteinspritzung; ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs haftet an den Wänden des Ansaugports und verfälscht das angestrebte Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Da nicht das gesamte in den Zylinder gelangende Gemisch unter idealen Bedingungen verbrennt, liegt der PI-Motor bei der thermischen Effizienz hinter dem DI zurück.

Was bringt die Direkteinspritzung, was kostet sie?

Die Gewinne: Verdichtung, Effizienz und CO2

Die eigentliche Stärke der Direkteinspritzung besteht darin, die Verdampfungskühlung in den Verbrennungsraum zu verlagern. Dieser Phasenwechsel während des Verdichtungshubs verringert die Wahrscheinlichkeit einer frühen und unkontrollierten Zündung des Gemisches, also der Detonation. Da die Oberflächentemperaturen im Verbrennungsraum sinken, können Ingenieure sowohl bei saugenden als auch bei turboaufgeladenen Motoren eine höhere Verdichtung anstreben; eine hohe Verdichtung bedeutet direkt mehr Effizienz. Eine effizientere Verbrennung des Kraftstoffs bedeutet weniger Kraftstoff für dieselbe Arbeit und niedrigere CO2-Emissionen. Dies ist der grundlegende technologische Schritt, der es uns ermöglicht, die Verdichtungsverhältnisse der meisten modernen Benziner mit den Motoren der frühen 2000er Jahre zu vergleichen.

Die Verluste: Kosten, Geräusch und Partikel

Dieselbe Technologie hat auch ihre Rechnung. 50-100 fach höherer Druck bedeutet teurere Injektoren und eine Hochdruckpumpe; dass die Pumpe dauerhaft hohen Druck erzeugen muss, verursacht zudem eine Geräuschquelle, weshalb die meisten DI-Motoren mit zwei Kraftstoffpumpen arbeiten. Direkteinspritzdüsen sind konstruktionsbedingt laut und verleihen dem Motor ein charakteristisches Ticken.

Auch die Emissionsbilanz ist zweischneidig. Während DI das CO2 senkt, erzeugt es mehr Partikel: Da für die Einspritzung weniger Zeit zum Verdampfen bleibt, entweicht ein Teil des Kraftstoffs als Rußpartikel aus dem Verbrennungsraum und dem Katalysator. Diese Partikel ähneln denen von Dieselmotoren, sind nur kleiner. Außerdem ist die hinter den Einlassventilen angesammelte Kohlenstoffablagerung für manche DI-Nutzer ein echtes Serviceproblem - da der Kraftstoff das Ventil nicht mehr spült, setzt sich Ablagerung ab. Ein seltenes, aber ernstes Beispiel: Manche Fahrer müssen ihre Einlassventile nach zehntausenden Kilometern per Walnuss-Strahlen (Walnut Blasting) reinigen lassen. Das Thema Kohlenstoffablagerungen ist einen eigenen Artikel wert; die eigentliche Frage hier ist, wie Hersteller die Balance dieser beiden Systeme steuern.

Vergleichstabelle: PI und DI im direkten Vergleich

Blickt man auf die Tabelle, scheint die Wahl einfach: wer Effizienz will, wählt DI, wer Einfachheit will, PI. Doch der Leistungsunterschied selbst ist nicht so groß, wie man denkt; selbst in technischen Diskussionen auf Forumsebene wird davon gesprochen, dass der direkte Leistungsvorteil zwischen den beiden Systemen im Bereich von wenigen Prozent liegt und der eigentliche Beitrag von DI darin besteht, höhere Verdichtungsverhältnisse zu ermöglichen. Die eigentliche Geschichte ist also nicht, dass eine Technologie die andere schlägt, sondern dass beide im selben Motor eine Arbeitsteilung übernehmen.

Warum Hersteller beide Einspritzarten gemeinsam einsetzen

Die Doppel Einspritzung (dual injection) verfügt im selben Motor sowohl über Saugrohr- als auch über Direkteinspritzventile. Die ECU aktiviert je nach Drehzahl und Last eines von beiden, beide oder eine programmierte Mischung. Die Logik ist einfach: die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Klopfvorteile von DI mit den Vorteilen von PI bei niedrigen Emissionen und Ventilsauberkeit zu kombinieren. An jedem Punkt des Arbeitsbereichs des Motors wird die optimale Versorgungsmethode gewählt.

Toyota ist der bekannteste Anwender davon. D-4S stellte das genannte System vor über einem Jahrzehnt in einem V-6 vor; heute 2,0 Liter Reihenvierzylinder (Subaru-Fertigung), 3,5 Liter V-6 und 5,0 Liter V-8-Motoren eingesetzt. Bei niedriger bis mittlerer Last und Drehzahl, wie sie dem normalen Fahren entsprechen, zündet es beide Injektoren gleichzeitig - dies erhöht die Dichte der angesaugten Luft, während die Saugrohreinspritzung weiterhin die Ventile spült und somit Kohlenstoffablagerungen tatsächlich entfernt. Bei hoher Last und Drehzahl, wo das Klopfrisiko hoch ist, übernimmt DI die gesamte Kraftstoffversorgung.

Der Ansatz von Ford ist anders: Dem Hochdruck-DI steht eine Niederdruck-PI zur Seite, und die Saugrohreinspritzung wird nie vollständig deaktiviert. Der Einsatzbereich ist breit - 2,7 bis 5,0 Liter aufgeladene und saugende V-6/V-8-Motoren, F-150 mit 3,3 V-6, 2017 F-150 Raptor und der 3,5-Liter-EcoBoost-V-6 des GT sowie 2018 Mustang GT der 5,0 V-8. Im Leerlauf und bei niedriger Drehzahl arbeitet nur die PI leise und effizient; mit steigender Drehzahl und Last mischen beide Systeme die Einspritzung, wobei PI immer mindestens 5-10 % des Kraftstoffs liefert. Ford kombinierte bei dem neuen 3,5-Liter-V-6 die Doppel Einspritzung mit einem höheren Ladedruck und steigerte das maximale Drehmoment um 30 lb-ft Audi wendet dieselbe Idee bei den 3,0-Liter-V-6- und 5,2-Liter-V-10-Motoren an.

Je mehr Antriebsrollen den Elektromotoren übertragen werden, desto mehr ist es unsere Aufgabe, die Motoreffizienz bei jeder Gelegenheit zu verbessern. Die Doppelleistungs-Technologie von Ford hat sich in diesem Bestreben als wertvolle, kosteneffiziente Strategie erwiesen.

Die wissenschaftliche Literatur unterstützt diesen Trend ebenfalls: Bei der Doppel-Einspritzung werden Vorteile wie mehr Kontrollelastizität, verstärkte Kühlwirkung, Verringerung der Klopfneigung, Eignung für das Motordownsizing und ein erweiterter Magerbetrieb (lean-burn) aufgelistet. In der Praxis ist der Gewinn bescheiden, aber real: Besonders im Leerlauf und bei der Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit im Stadtverkehr verbessert sich die Kraftstoffwirtschaft, und bei mittleren Beschleunigungen balancieren die beiden Injektoren gemeinsam Zerstäubung, Ventilsauberkeit und Gasannahme.

Eine Nuance muss erwähnt werden: Nicht jede Doppel-Einspritzung löst das Problem der Kohlenstoffablagerungen. Bei einigen Performancemotoren kommen die Saugrohreinspritzdüsen nur bei hohen Drehzahlen und unter Ladedruck für zusätzlichen Kraftstoff zum Einsatz; im Großteil der normalen Fahrt sind die Ventile weiterhin nur der DI ausgesetzt, und Ablagerungen können sich dennoch bilden. Ausschlaggebend dafür, ob das System funktioniert, ist der Betriebsbereich, in dem die Saugrohreinspritzdüse aktiv ist.

Der Atkinson-Zyklus und seine Beziehung zu Hybridantrieben

Der Atkinson-Zyklus ist eine Betriebsstrategie, die bewusst auf Leistungsdichte verzichtet, um Effizienz zu gewinnen; er erzeugt weniger Leistung als der herkömmliche Otto-Zyklus, verbessert aber die Kraftstoffwirtschaft. Deshalb ist sein natürliches Zuhause das Hybridfahrzeug: Der Elektromotor schließt die Leistungslücke, während der Motor im effizientesten möglichen Punkt arbeitet. Fahrzeuge wie der Toyota Prius und der Ford C-Max sowie der Fusion Hybrid sind bekannte Beispiele des modernen Atkinson-Zyklus; Toyota ist die Marke, die die Verbreitung dieser Technologie in der Serienproduktion maßgeblich vorangetrieben hat.

Die Verbindung zur Einspritzung liegt hier: Auch bei Motoren mit Atkinson-Zyklus können zwei Kraftstoffeinspritzmethoden - Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung - nebeneinander existieren; je nach Bedarf wird eine oder werden beide eingesetzt. Da bei einem effizienzorientierten Zyklus jeder Prozentpunkt heilig ist, ist der kleine, aber reale Wirtschaftsbeitrag der Doppel-Einspritzung auf diesen Plattformen besonders bedeutsam.

Was bedeutet das für den Käufer?

Das System beeinflusst die Kauf- und Nutzungentscheidung über das technische Interesse hinaus. Ein Motor ausschließlich mit Saugrohreinspritzung ist heutzutage zunehmend schwer zu finden; die meisten neuen Benziner sind entweder reine GDI-Motoren oder verfügen über eine doppelte Einspritzung. Wenn Sie ein Fahrzeug mit reiner Direkteinspritzung kaufen, planen Sie die Ablagerungen am Einlassventil langfristig als Wartungsposten ein; ein Motor mit doppelter Einspritzung, bei dem die Saugrohreinspritzung auch bei hohen Drehzahlen aktiv ist, reduziert dieses Risiko erheblich. Wenn Ihr Fahrstil schwere Lasten und hohe Drehzahlen erfordert, stehen die Klopftoleranz und Aufladungsfestigkeit der Direkteinspritzung im Vordergrund; bei überwiegendem Stadtverkehr und Leerlaufbetrieb überzeugen die Emissions- und Laufkulturvorteile der Saugrohreinspritzung. Die Entscheidung besteht nicht darin, einen einzelnen Gewinner zu wählen; sondern darin zu wissen, in welchem Betriebsbereich des Motors welches System aktiv ist.

Quellen

• Erklärt: Warum einige Motoren sowohl Saugrohr- als auch Direkteinspritzung haben
• Doppelte Einspritzung: Eine wirksame und effiziente Technologie für den Motorenbetrieb
• Direkteinspritzung vs. Saugrohreinspritzung erklärt
• Wie Direkteinspritzungsmotoren funktionieren
• Atkinson-Zyklus
• So sparen Atkinson-Zyklus-Motoren Kraftstoff
• Saugrohreinspritzung vs. Direkteinspritzung: Was ist der Unterschied?