Benzin-Direkteinspritzung: Sparsam aber (noch) nicht sauber

Die Direkteinspritzung bei Benzinern gibt es bereits mehr als 60 Jahre, doch erst jetzt setzt sich diese Technik auf breiter Front durch. Vor allem bei Motoren mit relativ kleinem Hubraum und Turboaufladung kann die Direkteinspritzung ihre Vorteile ausspielen. Allerdings hat sie auch einen entscheidenden Nachteil: die Sauberkeit der Abgase.

Direkteinspritzung mit stärkerer Partikelbildung

Weltweit müssen Autos künftig deutlich sparsamer werden. Bis zur Mitte des kommenden Jahrzehnt verlangt die EU für die Neuwagenflotte eine Verbrauchsreduzierung um 30 Prozent. Die Chinesen haben sich 45 Prozent als Ziel gesetzt, die Amerikaner sogar 50 Prozent. Weil der Diesel für Pkw weltweit kaum eine Rolle spielt, werden sich die Ziele global nur mit stark verbesserten Ottomotoren erreichen lassen. Die wichtigste Rolle bei der Effizienzsteigerung fällt dann der besonders sparsamen Benzindirekteinspritzung zu. Noch müssen Hersteller und Zulieferer aber ein Problem in den Griff bekommen: die stärkere Partikelbildung. Einige Lösungen gibt es bereits.

Nicht jeder Tropfen Benzin wird verbrannt

Dicke schwarze Wolken wie bei alten Dieseln gibt es beim Direkteinspritzer zwar nicht, doch wer einmal mit den Fingern den Auspuff eines solchen Autos ausstreicht, sieht die Emissionen dann doch recht deutlich. Für die Rußentwicklung verantwortlich ist immer unvollständig verbrannter Kraftstoff. Weil dieser beim Direkteinspritzer direkt in den Brennraum injiziert wird, können sich beispielsweise einzelne Tröpfchen an Zylinderwand, Kolben oder Ventilen niederschlagen, wo sie dann in manchen Betriebssituationen nicht mehr vollständig verbrennen. Statt als Gas verlässt der verbrauchte Sprit den Motor in Form kleinster Rußpartikel. Saugrohreinspritzer und Vergasermotoren haben dieses Problem nicht, weil das Gemisch bereits vor dem Brennraum gebildet wird.

Vorteile: Mehr Durchzug bei weniger Verbrauch

Bisher hat die Feinstaub-Emission den Siegeszug der direkten Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum per Ventil oder Injektor nicht aufhalten können. Zu groß sind die erzielbaren Verbrauchsvorteile: Im Vergleich zur herkömmlichen Saugrohreinspritzung werden rund 15 Prozent weniger Sprit auf 100 Kilometern benötigt. Gleichzeitig erhöht sich der Fahrspaß, weil schon bei niedriger Motordrehzahl mehr Durchzugskraft für Vortrieb sorgt.

2016: Direkteinspritzung in jedem zweiten Benziner

Seit der Volkswagen-Konzern Anfang des Jahrtausends die Technik in ihrer modernen Form - kombiniert mit Turboaufladung und verkleinertem Hubraum - unter den Labeln TSI und TFSI im großen Stil eingeführt hat, ist die Benzindirekteinspritzung zumindest bei den deutschen Herstellern mittlerweile fast zum Standard geworden und verdrängt immer mehr die Einspritzung ins Saugrohr. "Die Geschäfte mit der Benzin-Direkteinspritzung wachsen stark", so Rolf Bulander, Geschäftsführer beim Zulieferer Bosch. Für 2016 rechnet er damit, dass allein in Europa jeder zweite neue Benzin-Pkw seinen Sprit direkt in den Brennraum injiziert.

2017 kommt die Partikel-Grenze für Benziner

Doch um auch darüber hinaus das Geschäft am Laufen zu halten, muss die Benzindirekteinspritzung sauberer werden. Denn 2017 tritt die Abgasnorm Euro 6c in Kraft, die den Partikelausstoß von Benzinern auf den heute für Diesel erlaubten Grenzwert senkt - eine Herausforderung für viele Direkteinspritzer. Denn die aktuelle Euro-5-Norm macht dem Benziner keine Vorgaben bei den Ruß-Emissionen, einfach weil diese vor dem Siegeszug der Direkteinspritzung lange Zeit keine Rolle gespielt hat.

Delphi: Lösung des Partikel-Problems ist in Arbeit

Die Branche steckt also in einem klassischen Dilemma: Einerseits verlangen die kommenden Verbrauchsgrenzwerte den verstärkten Einsatz von Direkteinspritzern, andererseits bliebe ein Großteil der heute angebotenen Motoren wohl an der Schadstoff-Hürde hängen. Doch es gibt Lösungen. "Da wir durch umfangreiche Simulationen und Versuche mittlerweile wissen, in welchen Bereichen des Brennraums sich Partikel bilden, können wir nun mit Änderungen beginnen", glaubt etwa Sebastian Schilling, Benziner-Experte beim Zulieferer Delphi. Er setzt beispielsweise auf innovative Injektor-Konzepte und Spritzloch-Geometrien, um Rußbildung zu vermeiden.

Auch Bosch arbeitet mit Hochdruck an Lösungen

Bereits einen Schritt weiter ist Wettbewerber Bosch. Die Stuttgarter haben ein neuartiges Laserverfahren entwickelt, das das Bohren haarfeiner Öffnungen in die Einspritzventile ermöglicht. Scharfe Abrisskanten und die glatte Innenseite sollen dabei für eine besonders feine Zerstäubung sorgen. Zudem erlaubt es die Technik, jedes Loch individuell zu gestalten, wodurch sich die Eindringtiefe des Kraftstoffstrahls in den Zylinder modifizieren lässt. Ein Kontakt der Flüssigkeit mit Metallteilen kann so vermieden werden. Zudem arbeitet der Zulieferer an einer Druckerhöhung bei der Einspritzung über die aktuell üblichen 200 bar hinaus.

Kommt der Partikelfilter auch beim Benziner?

Es gibt aber möglicherweise noch einen anderen Weg als das Feilen an innermotorischen Details. Beim Diesel - übrigens längst schon ein Direkteinspritzer - hieß die Lösung des Rußproblems Anfang des Jahrtausends "Partikelfilter". Auch beim direkt einspritzenden Benziner würde dieser das Emissions-Problem beheben - allerdings mit den vom Selbstzünder bekannten Nachteilen: Der Verbrauch würde steigen, der Platzbedarf für den Abgasstrang wachsen und regelmäßig reinigen müsste man den Filter letztlich auch irgendwie. Zumindest Bosch - zum Konzern zählt auch eine Abteilung für Abgasreinigungssysteme - hält den Filter daher in der Breite nicht für nötig. Ganz vom Tisch ist die Filter-Lösung aber möglicherweise nicht. Denn letztlich kann sich jeder Autohersteller frei entscheiden, ob er eher auf ein aufwendigeres Einspritzsystem oder auf einen Partikelfilter setzt.

Höherer Preis, mehr Leistung und weniger Verbrauch

Wie teuer der von den strengeren Verbrauchs- und Emissionsnormen getriebene Siegeszug der Benzindirekteinspritzung den Autokäufer kommt, ist schwer zu sagen. Vergleicht man allein die Preise von Autos mit und ohne Direkteinspritzung (etwa beim Opel Astra 1.6 Turbo und 1.6 DI-Turbo) kommt man auf rund 600 Euro Aufschlag, allerdings bei mehr Leistung und weniger Verbrauch. Mit der Einführung von Euro 6c könnte sich der Wert in einigen Fällen noch einmal erhöhen. Zum einen, weil die Einspritztechnik möglicherweise aufwendiger werden muss oder zum anderen eine Abgasnachbehandlung per Filter bezahlt werden will. Allerdings gleichen sich die Kosten theoretisch durch den niedrigeren Normverbrauch zumindest teilweise wieder aus.