MECHANISCHE EINSPRITZUNG (1)
 

Schritte zur PKW-Benzineinspritzung
 

Überlegungen zur Verwendung einer Einspritzanlage statt eines Vergasers für Benzinmotoren sind weit über 100 Jahre alt, und wer nun wirklich der Erste war, dem der größte Applaus zuteil werden soll, ist anscheinend noch nicht ganz geklärt. Die einen nennen das Jahr 1884, andere verweisen auf einen Deutz-Stationärmotor für Leuchtpetroleum von 1898. Unzweifelhaft gibt es aber hinsichtlich des Bedarfs bzw. der Anforderungen zwei Wurzeln: Den Dieselmotor und die Fliegerei.

Rudolf Diesel erkannte schon bei Patenterteilung 1892, daß der Kraftstoff für seinen Motor nur über eine Pumpe zugeführt werden kann, denn dieses hatte hinsichtlich Menge und Zeitraum sehr präzise zu erfolgen. Ein Problem, welches die wirklich erfolgreiche Verwendung des Dieselmotors mangels geeigneter Lösungen noch lange Jahre verhinderte. Die Hürden nahm man erst mit der Erfindung eines brauchbaren Aggregats um 1910, welches Druck über 400 bar aufbauen konnte. Bis dahin wurde der Diesel über Preßluft eingeblasen, wobei aber nur eher niedrige Drehzahlen möglich sind. Auch mußten brauchbare Einspritzventile den hohen Drücken und Temperaturen im Brennraum standhalten. Nach der durch den Ersten Weltkrieg bedingten Zwangspause bemühte sich Bosch ab 1922 intensiv um die Fortentwicklung. Im April 1927 kam die erste Bosch-Einspritzpumpe für Dieselmotoren auf den Markt und wurde so erfolgreich, daß schon 1934 die Auslieferung der 100.000 Pumpe gefeiert werden konnte. Schwierigkeiten gab es bei der Übertragung dieser Lösung auf Kraftfahrzeugmotoren noch dadurch, daß man im Gegensatz zu den großen Stationär- oder Schiffsmotoren mit sehr kleinen Kraftstoffmengen umgehen mußte; dies betraf vorrangig die Einspritzventile (Anzahl und Gestaltung von Loch- bzw. Zapfendüsen). Auch suchte man noch die günstigste Position des Einspritzventils im Brennraum. Aber spätestens 1936 bewegte sie auch PKW, denn ab diesem Zeitpunkt stand der 260D bei Mercedes-Benz in der Preisliste.

In Flugmotoren birgt der Einsatz von Vergasern Probleme, denn die Gemischaufbereitung und -zuführung ist hierbei nicht unabhängig von der Fluglage, und gerade bei extremen Manövern war mit Aussetzern zu rechnen.^*1 Auch hatte man mit Vereisung sowie den gefährlichen Vergaserbränden zu kämpfen. Erstaunlicherweise benutzten schon die Gebrüder Wright beim ersten Motorflug der Geschichte 1903 eine einfache Saugrohreinspritzung, kurz darauf (1906) flogen auch Grade- und Antoinette-Modelle mit Vergleichbarem.

Einer der besten Flugmotoren in der Zeit des Zweiten Weltkriegs: Zwölfzylinder in umgekehrter
V-Form mit 36 Litern Hubraum und 1475 PS bei 2800 U/min.

Bei Flugmotoren gab es auch Tendenzen zur Modifikation von Vergasern, wie der Stromberg-Einspritzvergaser von 1925 beweist. Bekanntermaßen gebührt Moto Guzzi das Verdienst, 1930 das erste Straßenfahrzeug mit (elektrischer) Einspritzung vorgestellt zu haben - ein Einzelstück. Eine der frühen, wenn nicht gar die erste wissenschaftliche Annäherung an das Thema Benzindirekteinspritzung ist Dr. K. Schnauffer von der deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) um 1930 zuzuschreiben. Untersucht wurde beispielweise die Möglichkeiten des Einspritzbeginns (im Ansaug- oder Verdichtungshub), Düsensysteme sowie praktikable Techniken für die Gemischregelung. Darauf schaltete sich in Deutschland das Reichsluftfahrtministerium ein und startete Aktivitäten, bei denen neben Bosch und Daimler-Benz auch Siemens, L’Orange, BMW sowie Junkers, die eigene Einspritzpumpen herstellten, eingebunden wurden. 1937 war Bosch in der Lage, die Serienfertigung von Benzin-Einspritzanlagen für Flugmotoren zu starten. Die dazu verwendeten Pumpen waren erwartungsgemäß von denen für Dieselmotoren abgeleitet, auch hier kam die direkte Einspritzung zum Zuge. Allerdings mußte man sich über die Schmierung der Pumpenelemente und, damit verbunden, den sogenannten Leckölsperren Gedanken machen. Der Kraftstoff sollte wegen Bauteil-Toleranzen und Undichtigkeiten in den Elementen der Pumpe das Motorenöl nicht verdünnen und in der Schmierwirkung nicht beeinträchtigen können. Außerdem liegt der Siedepunkt von Benzin deutlich niedriger als der des Diesels, so daß über zusätzliche, konstruktive Maßnahmen Dampfblasenbildung (ab ~50°C) vermieden werden mußte. Dies geschieht im allgemeinen über die Förderung größerer Mengen Kraftstoffs als der Motor benötigt, wobei der Überschuß wieder in den Tank zurückfließt. Die Anforderungen an verwendbare Pumpen sind aber insgesamt geringer als beim Diesel, denn die Drücke beim Einspritzvorgang waren in gleicher Höhe nicht erforderlich. Wertvolle Erkenntnisse sammelte man übrigens bei Daimler-Benz schon in den späten 1930er Jahren zum Thema Möglichkeiten zur Leistungssteigerung durch Ventilüberschneidung, gerade beim Einsatz der Benzin-Direkteinspritzung.

1947 begann man beim Daimler mit der Entwicklung für eine Benzineinspritzung in PKW auf Grundlage der Motoren des 170ers, doch stellte man die Arbeiten zurück, nachdem sich zeigte, daß man zwar (mit einigem Kostenaufwand) die Leistung erhöhen konnte, aber nicht ubedingt den Benzinverbrauch verringern - noch. Anders bei Gutbrod: Der Kleinwagenhersteller erarbeitete 1949 zusammen mit Bosch eine Einspritzung für Zweitaktverfahren und schaffte schon 1951 die Serieneinführung. Im Gegensatz zum Viertaktmotor besitzt der Zweitakter größere Nachteile beim Gaswechsel aufgrund von Spülverlusten. Spülen bezeichnet hier die Verdrängung des verbrannten Restgases durch das Einströmen von Frischgasen in den Brennraum. Bei äußerer Gemischbildung, also außerhalb des Brennraums bzw. vor dem Einlaßventil, besteht der grundsätzliche Nachteil, daß ein merklicher Anteil des Frischgases unverbrannt in den Auslaßkanal gelangen kann und somit nicht mehr für die eigentliche Verbrennung zur Verfügung steht. Bei innerer Gemischbildung (im Brennraum, Direkteinspritzung) dagegen erfolgt das Spülen nur durch Luft. Der Kraftstoff wird erst dann zugeführt, wenn das Auslaßventil geschlossen ist.  Direkteinspritzung ist bei Zweitaktmotoren bezüglich der Kraftstoffausnutzung also besonders vorteilhaft.

Mercedes-Benz gebührt die Ehre, ab 1954 das erste Serienfahrzeug mit Benzineinspritzung für Viertaktmotoren produziert zu haben (W198 300SL), doch diese Geschichte müssen wir uns etwas genauer ansehen.

1935 begann der diplomierte Motorenbauer Hans Scherenberg seine Laufbahn in Stuttgart bei Mercedes-Benz und rückte bis 1943 zum Gesamtleiter des Flugmotoren-Prüffeldes auf. Hier traf er auf Karlheinz Göschel, mit dem er bei Gutbrod ebenfalls zusammenarbeiten wird. Übergangsweise fand er nach dem Krieg 1946 beim Ingenieurbüro Adolf Schnürle passende Aufgaben, welcher damals eine sehr bekannte Adresse in der Motorenentwicklung war; auf ihn geht eines der bekannten Spülverfahren für Zweitakter zurück (Schnürle-Umkehrspülung). Die Kontakte des Ingenieurbüros zu allen damaligen Kraftfahrzeugherstellern führten dazu, daß Hans Scherenberg 1948, drei Jahre vor Präsentation des ersten Einspritzmotors von Gutbrod, dort Technischer Direktor wurde. Fritz Nallinger arrangierte für Scherenberg und Göschel aber bereits 1952 wieder den Wechsel zurück nach Stuttgart, Scherenberg erhielt hierbei den Aufgabenbereich des PKW-Entwicklungschefs.

Wie man leicht erkennen kann, ist die Geschichte der Benzin-Einspritzung für Kraftfahrzeuge in Deutschland sehr eng mit den Personen Scherenberg und Göschel verbunden, und es relativiert sich damit auch der vermeintliche Vorsprung des Plochinger Kleinwagenherstellers vor dem großen Namen Daimler-Benz.

Der wirklich erste 300SL mit Benzindirekteinspritzung zählte noch zur Baureihe W194, also den Rennsportwagen, und besaß einen Dreiliter-Alu-Einspritzer mit 225 PS. Die Typenbezeichnung des Motors entspricht aber schon derjenigen der kommenden, allseits bekannten Straßenversion: M198. Die Spezifikationen für das gesamte Auto legte Rudolf Uhlenhaut im Dezember 1952 fest, das Coupe mit der Fahrgestellnummer 11 wurde dann auch 1953 gebaut, aber in keinem Rennen mehr eingesetzt; die Ziele hatten sich verändert: Mercedes-Benz fuhr 1954 wieder Grand-Prix in der Motorsport-Königsklasse.

Die Gemischbildung

Sowohl Vergaser als auch Einspritzung sollen ein für alle Betriebsbedingungen (Start, Warmlauf, Leerlauf, untere und obere Teillast, Vollast, Schubbetrieb) und unter allen Umgebungsbedingungen (Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck) geeignetes Gemisch bilden. Zündfähig sind Benzinmotoren zwischen Lambda (Mischungsverhältnis Luft/Kraftstoff) 0.7 (fett) bis 1.3 (mager), 0.9 ergibt die maximale Leistung, 1.1 den geringsten Verbrauch. Es werden hierbei immer Massen betrachtet, also die Luft- sowie die Kraftstoffmasse, die zusammengebracht werden, keine Volumina. Das ideale Mischungsverhältnis Lambda 1 bedeutet, daß 1 kg Kraftstoff mit 14.8 kg Luft vollständig verbrennt. Die Abstimmung der gemischbildenden Systeme sieht in der Regel so aus, daß bei Leerlauf und Vollast eine fettere Einstellung gewählt wird aufgrund möglicher instationärer Betriebsbedingungen bzw. um die tatsächlich mögliche Maximalleistung zu erhalten, bei den Teillastbereichen dagegen eine magere für geringen Verbrauch. Wenn möglich, ist im Schiebebetrieb die Kraftstoffzufuhr zu reduzieren. Für einen sauberen, ruckfreien Übergang von einer Betriebsart zu einer anderen (z.B. von geringer Teillast auf Vollgas), wird meist für kurze Zeit ein fetteres Gemisch zur Verfügung gestellt, bei Vergasern beispielsweise über die Beschleunigerpumpe.

Vergaser vs. Einspritzung

Die bisher genannten Vorteile beim Einsatz von Einspritzanlagen in Flugmotoren zeigen nur einen Ausschnitt der möglichen Verbesserungen. Warum genau geben nun Einspritzmotoren bei gleichem Hubraum in der Regel mehr Leistung ab als bei Gemischaufbereitung durch Vergaser, und dies sogar bei meist etwas geringerem Verbrauch?

Grundsätzlich ist die Gemischbildung beim Vergaser von der Saugwirkung des Motors abhängig und insgesamt mit einer gewissen Trägheit verbunden; nicht so beim Einspritzer. Bedeutender ist allerdings, daß der Ansaugtrakt sehr frei gestaltet werden kann, und daß es zu keinem strömungstechnischen Flaschenhals kommt, sofern man keine Vergaserbatterien einsetzt, beispielsweise je einen Vergaser pro Zylinder. Die optimale Gestaltung des Ansaugtraktes bei Einspritzmotoren führt zu einer verbesserten Zylinderfüllung und ist so wesentlich, daß sich laut einer japanischen Studie von 1969 keine Vorteile für Einspritzverfahren ergaben, wenn man nur den Vergaser gegen eine Einspritzung tauscht und das bisherige Ansaugsystem beibehält. Einspritzmotoren können im Bereich des höchsten Drehmomentes leicht einen Füllungsgrad von knapp über 100% erreichen, Vergasermotoren liegen darunter - beim M110 mit Solex-Vergaser unter 90%. Dies liegt vorrangig darin begründet, daß bei Einspritzanlagen mit wenigen Ausnahmen Schwingsaugrohre zum Einsatz kommen, bei Vergasermotoren aufgrund der komplizierteren Geschmischverteilung und des -transportes (Wandniederschlag des Kraftstoffs ist hier ein bedeutender Effekt, kann bis 40% betragen) eher kurzen Ansaugwegen der Vorzug gegeben wird. Doch damit sind die Wege von der Gemischaufbereitung zum Einlaßventil jedes Zylinders (bei Verwendung bspw. nur eines Vergasers in einem Mehrzylindermotor) in der Länge merklich unterschiedlich. Eine Zuteilung gleichen Gemisches ist hier nicht exakt möglich, weil dieses neben bereits verdampften Anteilen auch aus Kraftstoff-Tröpfchen verschiedener Größen besteht, die im Luftstrom kein gleiches Verhalten zeigen. Praktisch kann gezeigt werden, daß kleine Tropfen um 0.01 mm mit dem Luftstrom mitgerissen werden, größere Kraftstofftropfen von ca. 0.1 mm dagegen nach nur wenigen Milimetern im Saugrohr ausfallen (Wandniederschlag). Eine wirklich genaue Zuteilung leistet daher erst die Einspritzung, welche i.d.R. für jeden Zylinder ein Einspritzventil besitzt. Ein Nebeneffekt ist, daß Einspritzmotoren meist auch mit mehr Frühzündung betrieben werden können als ihre Vergaser-Pendants, weil man mit letzteren wegen der etwas benachteiligten Gemischzuführung einen größeren Abstand zur Klingelgrenze einhalten muß.

Zwei Beispiele für die Gestaltung von Ansaugtrakten, die dem Motor nur aufgrund des Aufbaus unterschiedliche Kraftstoff-Luftgemische zur Verfügung stellen:

Zündfolge sei die am besten bekannte für Vierzylindermotoren: 1-3-4-2. Bei Verwendung eines Ansaugtraktes nach unterem Schema erhält der Zylinder 2 gegenüber Zylinder 1 das fettere Gemisch, da der sogenannte zeitliche Saugabstand in der Reihenfolge 1-2 groß ist (1 Kurbelwellenumdrehung), der Abstand in der Folge 2-1 aber klein (1 saugt unmittelbar nach 2 an); das reichere Gemisch erhält in allen Fällen Zylinder 2. Analog dazu ist das Gemisch für Zylinder 3 immer reicher als das von Zylinder 4. Ein Ansaugtrakt nach oberem Schema vermeidet den Nachteil, hier ist der zeitliche Saugabstand gleich, dafür sind allerdings die Wege unterschiedlich lang. Diesen Effekt gibt es nicht bei Einspritzanlagen, die je Zylinder ein Einspritzventil nahe des Einlaßventils besitzen.

Gibt ein Einspritzsystem jeweils während der Öffnung eines Einlaßventils den Kraftstoff ab, läßt sich auch der Effekt der Innenkühlung des Zylinders durch verdampfendes Gemisch ausnutzen, denn der Wechsel des Aggregatzustandes des Kraftstoffes von flüssiger Form in die Gasform entzieht der Umgebung Wärme. Dadurch steigt die Klopfgrenze, und als Konsequenz daraus läßt sich die Verdichtung anheben. Die maximale Wirkung wird bei Direkteinspritzung erzielt.

Zwölfzylinder im Lamborghini Miura - von Flaschenhals im Ansaugtrakt kann hier
natürlich keine Rede sein. Doch müssen die Blechbläser bei jeder Wartung
synchronisiert werden.

Die Hauptdüsensysteme der Vergaser sind auf einen Betriebsbereich, meist Teillast (für geringeren Kraftstoffverbrauch) und nicht Vollast (höchste Leistung), optimiert. Für Leerlauf und Vollast sind damit Zusatzeinrichtungen, also weitere Düsensysteme, nötig. Einspritzanlagen dagegen können relativ einfach die benötigte Kraftstoffmenge variieren (Kraftstoff steht unter Druck, Zumessung bei elektronischer Steuerung durch längere Einspritzzeiten, bei mechanischer durch veränderlichen Nutzhub).

Ein Vorteil des Vergasers liegt aber in der Güte der Zerstäubung des Kraftstoffs, welche von der Relativgeschwindigkeit von Luft zu Kraftstoff abhängt. Sie ist sowohl bei Vollast als auch bei Leerlauf und Teillast sehr gut. Vergleichbar ist die mechanische Einspritzung nur bei Vollast, bei Leerlauf und Teillast schneidet sie schlechter ab. In allen Bereichen unterlegen zeigen sich hier die Niederdruckeinspritzungen mit ihren geringen Drücken (z.B. D-Jetronic um zwei Bar)^*2. Nachteilig bei Vergasersystemen ist aber wiederum die Saugrohrlänge: Meßwerte zeigen beispielsweise, daß bei einer Sauggeschwindigkeit von 70 m/s die Kraftstofftröpfchen beim Austritt aus der Düse eine Relativgeschwindigkeit von 50 m/s erreichen, die aber nach nur 100 Milimetern auf unter 10 m/s abfällt, was natürlich wiederum Einfluß auf die Zerstäubungsqualität besitzt.

Ein weiterer Nachteil bei Vergasern ist die Tendenz zur Eisbildung, der nur dadurch entgegengewirkt werden kann, daß die Ansaugluft auf ein bestimmtes Temperaturniveau angehoben wird, z.B. 30° C; ein Kompromiß. Noch höhere Temperaturen würden die Füllung im Zylinder in einem nicht mehr annehmbaren Maß weiter verringern. Die Alternative, statt der Luft den Kraftstoff zu erwärmen, ist nicht möglich, da dann Dampfblasenbildung droht.

Wie sich Vergaser- und Einspritzmotor prinzipiell unterscheiden, soll in Zahlen und damit griffiger anhand der Mercedes-Benz M110-Doppelnockenwellenmotoren veranschaulicht werden:

Der Solex-Vergaser 4A1^*4 besitzt in den ersten Stufen den typischen Venturi-Aufbau, bei den zweiten Stufen dagegen handelt es sich um Gleichdruck-Vergaser. Erstere können bei Teillast den Kraftstoff sehr exakt zumessen, machen sich aber bei hohen Drehzahlen und entsprechend hohem Luftdurchsatz durch deutliche Drosselung bemerkbar. Die Gleichdruck-Stufen für höhere Leistungen sind ungenauer in der Kraftstoffzumessung, drosseln aber den Luftstrom weitaus weniger.

Die Vorteile der Einspritzung liegen im Wesentlichen beim frei gestaltbaren Ansaugtrakt mit der daraus resultierenden besseren Füllung. Beispielsweise besitzt der M110 mit Solex-Vergaser einen Liefergrad zwischen 83% (4. Zyllinder) und 87% (6. Zylinder), Einspritzmotoren erreichen dagegen i.d.R. knapp über 100%. Im Vergleich fällt weiter auf, daß neben der geringeren Endleistung die Vergaser-Ausführung - bei gleicher Verdichtung und gleichen Nockenwellen-Steuerzeiten - weniger Frühzündung aufweist, was eine Folge der weniger gleichmäßigen Gemischzuteilung auf die einzelnen Zylinder ist. Im praktischen Fahrbetrieb kann man mit ca. 10% günstigeren Verbrauchswerten rechnen.

Nachteilig bei Einspritzanlagen ist allgemein der Aufwand und damit der Kostenfaktor. Dieser Aspekt spielte auch bei der Ablösung der mechanischen Mehrstempelpumpen durch D-, K- und L-Jetronic eine sehr wichtige Rolle. Als Hausnummer kann gelten, daß man beim Übergang von Mehrstempelpumpe auf die D-Jet die Kosten für Einspritzanlagen halbieren konnte; bei Achtzylindern, die bekanntlich mit Vierzylinder-Steuergeräten ausgerüstet sind, ist der Unterschied sicherlich noch größer. Eine weitere Senkung um ca. 50% erreichte man durch die Weiterentwicklung zur L-Jetronic, wobei sich die Einsparungen aber nicht aus einer Funktionsreduzierung ergaben, sondern aufgrund der inzwischen weiter verbesserten Produktionstechnik für elektronische Systeme.

Direkte und indirekte Einspritzung

Daß die ersten Systeme für Benzinmotoren direkt in den Zylinder einspritzten, war aufgrund der Historie und einer gewissen Nähe zur Diesel-Entwicklung nicht verwunderlich. Mit der Serienfertigung des Direkteinspritzers und den daraus resultierenden Erfahrungswerten wurde aber Potential für Verbesserungen deutlich.

Der Benzin-Zweitakter muß das direkte Einspritzverfahren anwenden, um den Hauptvorteil gegenüber einer Gemischaufbereitung per Vergaser nicht zu verspielen. Beim Gaswechsel im Viertaktverfahren ist die Spülung aber grundsätzlich besser als beim Zweitakter, so daß man auf die direkte Einspritzung aus diesem Grunde nicht angewiesen ist.

Die Düsen sind beim Direkteinspritzer großen Belastungen ausgesetzt, der Verschleiß entsprechend höher und die Herstellung teurer. Bei der indirekten Benzineinspritzung, in das Saugrohr oder direkt am Einlaßventil vorbei, treten dagegen geringere Bauteilbelastungen auf. Auch zeigte sich, daß man den Einspritzdruck von 50 bar auf 15-30 bar reduzieren konnte. Schon Ende der 50er Jahre bewies General Motors in Versuchsreihen, daß man beim Wechsel von der direkten auf die indirekte Einspritzung nur einen geringen Leistungsverlust in Kauf nehmen mußte. Man verlor allerdings weitgehend die Möglichkeit zur Schichtladung (Prinzip seit Nikolaus Otto bekannt!), also die Konzentration fetteren Gemisches um die Zündkerze bei gleichzeitig magerem Gemisch in den restlichen Bereichen des Brennraumes. Dieses Konzept ist heute wieder überaus aktuell. Die Verluste beim Übergang von direkter auf indirekte Einspritzung bezifferte Daimler-Benz bei Tests am M198 mit etwas unter 10% bezüglich der Leistung und bis max. einen Liter Minderverbrauch.

Die direkte Benzineinspritzung früher Tage war eigentlich etwas für sportlich bewegte Fahrzeuge, denn man hatte im normalen Alltagsbetrieb mit Aufenthalten in niederen und mittleren Drehzahlregionen sowie bei häufigen Warmlaufphasen mit Ölverdünnung zu rechnen, und bei Nichtbeachtung dieser mit Motorschäden. Der Abstand zwischen Einspritzdüse und Zylinderwand ist beim Direkteinspritzer gering, der Niederschlag flüssigen Kraftstoffes bei kaltem Motorinnenraum unvermeidlich. Die indirekte Einspritzung ist weitgehend frei von diesen Symptomen.

Überblick Bauformen Einspritzpumpen in Mercedes-Modellen

Mercedes setzte beim sportlichen 300SL auf die direkte Kraftstoffzuteilung per mechanischer Einspritzpumpe, die vom Motor angetrieben wird und eine eigene Nockenwelle zur Betätigung der Pumpenelemente besitzt. Je Zylinder steht ein Element und natürlich auch eine Einspritzdüse im Zylinderkopf zur Verfügung. Die Regelung, also die Zumessung der benötigten Kraftstoffmenge, bediente sich der Unterdruckverhältnisse im Ansaugtrakt. Das Pendant zur Drosselklappe bei Vergasermotoren ist hier die Regelklappe im Klappenstutzen, der außerdem eine Luftdüse, ein Teillastventil und eine Leerlaufluft-Regulierschraube enthält. Luftdruck, Luft- und Kühlwassertemperatur werden gemessen und fließen in die Ermittlung der korrekten Gemischmenge ein.

Die 215 PS des W198 stellten 1954 eine enorm hohe Leistung für ein Straßenfahrzeug dar.

Nachteilig an der Unterdruckregelung ist, daß diese nicht unabhängig vom Motorverschleiß ist (Druckverhältnisse ändern sich bei verringerter Kompression), und daß es heute eine äußerst geringe Zahl von Werkstätten mit ausreichendem Wissen über die Funktionsweise dieser Einspritzpumpentypen gibt. Beim späten "Adenauer", dem Modell 300d, wechselte man auf die indirekte Saugrohreinspritzung, behielt die Unterdruckregelung aber noch bei.

In den Ponton-Modellen, den 220er Heckflossen und den frühen 300er Heckflossen rüstete man ab - es kamen kostengünstigere Zweistempelpumpen mit zwei Mengenteilern, auch Zuteilstücke genannt und jeder zuständig für drei Zylinder, zum Einsatz. Das Einspritzverfahren war indirekt ins Saugrohr, wobei allerdings nicht mehr für alle Zylinder bei jeweils geöffnetem Einlaßventil eingespritzt werden konnte; die Pumpe besaß ja nur noch zwei Stempel. Das Gemisch wurde also vorgelagert. Die gleichmäßige Kraftstoffzuteilung auf die Zylinder ist bei Einspritzanlagen allgemein besonders wichtig, deshalb wurde hier ab Werk auch der Durchfluß der Mengenteiler speziell kontrolliert und nur passende Exemplare verbaut. Selbst bei einem Austausch sollen laut damaligem Werkstatthandbuch die zusammengehörigen Altteile gemeinsam zurückgegeben werden. Aus heutiger Sicht also eine Schwachstelle, sollte Ersatz nötig werden.

Im Bild: Einer der zwei Mengenteilern eines 220er Motors mit Zweistempelpumpe. Unten rechts der
 Zufluß, die obenen Leitungen sorgen für die Verteilung auf drei Zylinder.

Die Unterdruck-Regelung entfiel bei den Zweistempelpumpen, man setzte nun auf Zwangssteuerung, d.h. die Gaspedalstellung betätigt direkt die Drosselklappe und parallel dazu den äußeren Verstellhebel der Einspritzpumpe. Die Information über die korrekte Gemischmenge enthält die Form der sogenannten Kurvenscheibe in der Einspritzpumpe für alle Betriebszustände zwischen Leerlauf bis Vollast. Weiteren Einfluß besitzen die Motordrehzahl, der Luftdruck und bei den frühen ZEA-Pumpen auch die Lufttemperatur.

Ab 230SL (1963) kamen wieder Sechsstempelpumpen zum Einsatz. Sie boten für jeden Zylinder ein Pumpenelement und eine Einspritzdüse sehr nahe der Einlaßöffnung. Die Einspritzung erfolgte während des Ansaugens, wobei der Hauptstrahl in den Brennraum wies, aber zum Teil auch das Einlaßventil kühlte; Rotocap-Ventildrehvorrichtungen finden sich bei Mercedes-Benz-Motoren übrigens schon ab 1961. Der Bereich im Zylinderkopf um die Einspritzdüsen ist vom Kühlwasser umspült und vermeidet damit dort die Kondensation von Kraftstoff. Die Kurvenscheibe im Inneren der Pumpe ist nun durch den Raumnocken ersetzt, welcher an einem Teil seiner zylindrischen Oberfläche ein Profil aufweist. Dieses besitzt für jeden möglichen Betriebszustand des Motors eine Position, die mittels Abtaster und Hebelwerk an das Regelsystem der Pumpe übertragen wird. Daraus ergibt sich letztendlich die einzuspritzende Gemischmenge. Motordrehzahl und Luftdruck werden ebenfalls berücksichtigt, die Lufttemperatur allerdings nicht mehr. Beim 230 SL wurde übrigens der Ansaugtrakt strömungstechnisch komplett überarbeitet, so daß sich gegenüber den 220er Vorgänger-Modellen ein Füllungsgrad zwischen 4.600 und 5.500 U/min von über 100% ergibt (max. 102% bei 5.100 U/min). Alle nachfolgenden Varianten von mechanischen Einspitzanlagen bei Mercedes-Benz profitieren natürlich von dieser Weiterentwicklung.

Die Verwendung mechanischer Einspritzpumpen dieser Bauarten endete bei Mercedes für neue Modelle ab Einsatz der elektronischen, druckfühlergesteuerten D-Jetronic^*3 im Jahre 1968 (Sechszylinder-Mittelklasse), bei den W108 und W109 besaßen diese Einspritzung ab 1969 die 3.5-Liter-V8-Motoren. Zu den Entwicklungszielen gehörten bei den Sechszylinder-Motoren die Mehrleistung gegenüber den Vergaserausführungen. Bei den Achtzylindern dagegen ging es um die Verbesserung der Abgasqualität. Mehrstempelpumpen sind auf der einen Seite mechanische Präzisionsgeräte, auf der anderen aber auch ein bedeutender Kostenfaktor, was einem Einsatz in Fahrzeugbaureihen mittlerer und niederer Preisklassen entgegenstand. Bei der D-Jetronic in den M116-V8 beispielsweise werden, um den Aufwand zu reduzieren, die acht Einspritzventile paarweise zusammengefaßt und über ein Vierzylinder-Steuergerät bedient. Eine völlig andere Klasse mechanischer Einspritzungen wird 1973 mit der K-Jetronic von Bosch zur Verfügung stehen. Es handelt sich dabei um eine antriebslose Einspritzung, die als wesentliche Meßgröße die angesaugte Luftmenge verwendet und unabhängig von der Stellung des Einlaßventils kontinuierlich (deshalb K-Jetronic) in das Saugrohr einspritzt.

Schlußbemerkung

Das hier überwiegend positiv gezeichnete Bild über Einspritzanlagen soll um ausgewählte Aspekte der jeweiligen System-Technik ergänzt werden, um auch die Probleme nicht aus dem Blickfeld zu verlieren, vor welchen die Entwickler und Ingenieure der Lösungen einstmals gestanden haben.

Wie bereits erwähnt, sollen bei der Gemischbildung Massen zusammengebracht werden. Diese lassen sich allerdings im laufenden Betrieb des Motors nicht direkt ermittelt, deshalb sind Betriebsparameter zu messen, welche zu den Bedarfen an Kraftstoff und Luft ein proportionales Verhalten zeigen. Nimmt man beispielsweise den Saugrohrunterdruck wie bei der D-Jetronic als Größe, so muß über einen zusätzlichen Sensor die Ansauglufttemperatur aufgenommen werden, um eine Aussage über den Luftbedarf (als Masse) zu erhalten und damit den Kraftstoff zuteilen zu können; der Saugrohrdruck allein ist nicht aussagefähig. Im Bereich der Vollast allerdings wird das Verhalten zusätzlich merklich drehzahlabhängig, d.h. es ist jetzt auch die Motordrehzahl wichtig für die korrekte Zumessung des Kraftstoffes, was bei Leerlauf und Teillast nicht erforderlich ist. Der Saugrohrunterdruck selbst ergibt auch bei einer konstanten Betriebsbedingung (gleichmäßige Fahrt ohne Beschleunigung) keinen stationären, sondern einen pulsierenden Wert; je größer dabei die Zahl der Zylinder, desto geringer ausgeprägt ist der Effekt. Dies ist bei der Entwicklung eines brauchbaren Druckfühlers zu beachten. Auch spielt das Volumen des Ansaugtraktes eine Rolle (Anhaltswert 0.8 bis 1.5facher Wert vom Hubraum): Wird die Drosselklappe geöffnet, fließt Luft in einem Umfang, welcher nicht nur den Luftbedarf des Motors deckt, sondern auch, um den neuen Luftdruckzustand im Ansaugtrakt herzustellen. Ein Druckfühler kann somit niemals sofort einen veränderten Zustand erkennen. Bei der D-Jetronic von Bosch wurde ein Zeitbedarf von ca. 0.1 Sekunden angegeben, der immerhin so groß ist, daß eine Beschleunigungsanreicherung für sauberen Übergang ergänzt wurde. Nachteilig an der D-Jetronic ist prinzipiell, daß Veränderungen an den Druckverhältnissen im Ansaugtrakt nicht erkannt werden bzw. fehlerhaft darauf reagiert wird (Verschleiß im Motor, oder auch Änderungen an den Steuerzeiten).

Bei den jüngeren Systemen K- und L-Jetronic ging Bosch zur Luftmengenmessung mittels Stauscheibe über, die solche Aspekte mit berücksichtigen und sich deshalb weitaus näher am Verbrennungsprozeß befinden als mit einer Druckfühlermessung. Der vom Motor angesaugte Luftstrom öffnet die Stauscheibe dabei so weit, daß Gleichgewicht zwischen der Luftkraft und der Rückstellkraft der Scheibe herrscht. Beide Systeme (K- und L-Jet) kommen bei diesem Verfahren ohne spezielle Beschleunigungsanreicherung aus, da bei Öffnen der Drosselklappe, die zwischen Stauscheibe und Motor sitzt, ein Ausgleichsluftstrom fließt, der genau wie bei der D-Jetronic sowohl den Luftbedarf des Motors als auch den Bedarf für die Zustandänderung bezüglich Druck im Ansaugtrakt mißt, und damit größer ist als der Luftbedarf des Motors allein. Die Stauscheibe wird kurzzeitig weiter ausgelenkt als notwendig und gibt deshalb für diese Zeit eine erhöhte Kraftstoffmenge ab. Heutige Besitzer von Fahrzeugen mit K-Jetronic berichten nicht selten, daß D-Jetronic-Motoren insgesamt spritziger erscheinen. Einfluß auf den Umfang der Beschleunigungsanreicherung hat bei Meßsystemen mit Luftmengenmessung über Stauscheibe auch das Volumen des Ansaugtraktes; je größer, desto besser. Konkrete Vergleichszahlen liegen nicht vor, ehemalige K-Jetronic-Entwickler verweisen auf einen guten Wert für das Ansaugtrakvolumen von 1.5 x Hubraum. Möglichweise konnte dieses allerdings bei vielen Motoren aus bautechnischen Gründen nicht erreicht werden.

Eine weitere Stufe der Entwicklung ging Bosch mit der Luftmassenmessung über eine Hitzdraht-Sonde. Ein beheizter Draht wird von der angesaugten Luft umströmt, und das Temperaturverhalten des Drahtes bei unterschiedlichem Luftbedarf des Motors und Umgebungsbedingungen im Fahrbetrieb entspricht der Luftmasse, das bedeutet,  daß das abgegebene Signal direkt proportional zur Luftmasse ist und keine weiteren Meßparameter, wie Luftdruck und Lufttemperatur für die Ermittlung der Luftdichte, erforderlich sind.

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^*1 “Der Daimler-Benz Einspritzmotor gestattete der Me109 umgekehrte und negative g-Manöver, die mit dem Merlin-Triebwerk der Spitfire nicht möglich waren. Geriet etwa eine Me109 während eines Kampfes in Schwierigkeiten, konnte der Pilot die Maschine auf den Rücken drehen und abtauchen. Weder Spitfire noch Hurricane konnten dann folgen, da ihre Vergasermotoren bei derartigen Manövern aussetzten.”
(Schlachten der Weltgeschichte, DTV 2004)

^*2 Laut einer Veröffentlichung aus der Abteilung Motorenbau von Daimler-Benz 1972. Dieses ist einer der Gründe, warum bei allen neueren Niederdruck-Einspritzungen (K-, L-Jetronic und anderen) vorgelagert wird, d.h. der Kraftstoff zeitlich unabhängig vom Ansaughub in das Saugrohr eingespritzt wird. Sie erreichen keine hohe Zerstäubung und lassen dafür dem Kraftstoff für das Verdampfen zum einen mehr Zeit, zum anderen nutzt man die Temperatur des Einlaßventils, im Betrieb ca. 200° bei Teillast. Man spricht hier gern auch vom Aufbereiten des Kraftstoffes.

^*3 Nicht selten trifft man auf Aussagen, nach denen die D-Jetronic als eine der bedeutenden Einspritzanlagen bewertet wird, wobei man häufig das Vorhandensein einer Schubabschaltung nennt. Dabei wird allerdings vergessen, daß jede mechanische Mehrstempel-Einspritzung mit Fliehkraftragler sowohl über eine Beschleunigungsanreicherung als auch über eine Schubabschaltung verfügt. Zusammen mit der drehzahlabhängigen Verschiebung des Raumnockens besitzt der Fliehkraftregler somit drei Funktionen. Auch bestückte Mercedes-Benz die Drei- und Vierscheiben-Wankelmotoren des C111 mit mechanischer Einspritzung und nicht mit der elektronischen D-Jetronic. Der C111 sollte ein zukunftsweisendes Fahrzeug werden, mit Kunststoffkarosse und Wankelmotor. Eine neue Gemischaufbereitung hätte zweifelsfrei ins Konzept gepaßt, gerade weil auch eine Transistorzündung zum Einsatz kam. Die mechanische Mehrstempel-Einspritzung hat nämlich diverse Nachteile, denn sie ist vom Motor her anzutreiben, d.h. man muß spezielle Halterungen und eine Antriebsmöglichkeit direkt am Motorgehäuse vorsehen, was bei einer elektronischen Einspritzung mit zentralem Steuergerät nicht notwendig ist. Doch trotz allem überwogen anscheinend die Vorteile der mechanischen Einspritzung für den Einsatz im neuen Hochleistungs-Sportcoupe. Uhlenhaut soll von der druckfühlergesteuerten, elektronischen Einspritzung angeblich nicht überzeugt gewesen sein, vermutlich aufgrund der Tatsache, daß bei der Entwicklung dieser Benzineinspritzung die Kostenreduzierung einer der wichtigsten Punkte des Lastenheftes darstellte. Der C111-IV fuhr noch 1978 mit einer Mehrstempelpumpe seine Rekorde, während in der Serie die M117-Motoren zuerst mit einer D- und später mit einer K-Jetronic ausgerüstet wurden. Auch baute Porsche Mitte der 1970er Jahre in das motorische Topmodell Doppelreihen-Mehrstempelpumpen ein, während bei den schwächeren Ausführungen K-Jetronic-Systeme Einzug hielten.

^*4 Dem Solex 4A1 liegt einerseits ein durchdachtes Konzept (Rochester Quadrajet) zu Grunde, andererseits besitzt er einen Konstruktionsfehler im Bereich der Schwimmerkammer, weshalb sich Mercedes-Benz entschloß, bei entsprechenden Modellen mit M110-Sechszylinder (280, 280C und 280S) einen unsymmetrischen Ansaugtrakt zu installieren. Dieses wiederum nahm um die 1980er Jahre ein Hochschulinstitut zum Anlaß, ein Rechenmodell für die Verbrennungssimulation zu entwerfen, d.h. mit dem M110-Vergasermotor als Beispiel wurde eine Optimierung für Ansaug- und Abgastrakt durchgeführt. Ergebnis der Analyse war zunächst die Erkenntnis, daß der Gaswechsel beim M110-Solex (auf Prüfstand gemessene 164 PS) bezogen auf die Höchstleistung mit Mängeln behaftet ist und verbessert werden kann. Empfohlene Maßnahmen, nach Rechenvorgang mit Alternativen, waren am Ende auspuffseitig der Entfall des 1. Topfes, die Einzelführung der Abgaskanäle bis zum verbliebenen Schalldämpfer (Länge je ca 1,20 Meter) und bei der Gemischzuführung eine Neuausrichtung des Vergasers mit nun symmetrischem Ansaugtrakt. Die Füllung stieg dabei von vorher max. 83 - 87%, je nach Zylinder für den Serienmotor M110 mit Solex 4A1 auf nun einheitliche 97%, was eine vergleichbare Mehrleistung nach sich zog.

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