Benzindirekteinspritzung: Mode oder Zukunft?

Der Verbrennungsmotor hat eine Geschichte von 150 Jahren, und sein thermischer Wirkungsgrad (Energie, die von der Verbrennung in mechanische Arbeit umgewandelt wird) wird wahrscheinlich nicht mit aufkommenden Alternativen mithalten können. Für diejenigen von uns, die sich Sorgen um die Zukunft machen, sind Sie nicht allein.

Auch wenn das Motivationsmonopol des Verbrennungsmotors vorbei ist, der Spaß noch nicht.

Sie müssen nicht losrennen und Ihr letztes echtes Hochleistungsauto kaufen.

Noch nicht.

Autohersteller investieren seit über einem Jahrhundert in Verbrennungsmotoren (ICE) und haben in den letzten 20 Jahren mehr als eine Milliarde Motoren produziert. Sie geben die Kerntechnologie, die ihre Produkte antreibt, nicht auf, aber mehrere neue Technologien sind entstanden, die es den Herstellern ermöglichen, immer restriktivere Kraftstoffverbrauchsstandards einzuhalten.

Der thermische Wirkungsgrad ist von etwa 15 % beim Ford Model T auf heute bis zu 35 % gestiegen. Diese Effizienzsteigerung von 133 Prozent ist positiv und wir haben zahlreiche Entwicklungen zu verdanken. Zum Beispiel die elektronische Steuereinheit (ECU), Materialfortschritte, Turboaufladung und jetzt die Benzin-Direkteinspritzung (GDI). Tatsächlich ist GDI bereits gut etabliert und Teil von Mazda Skyactiv, Ford Ecoboost, GM Ecotec powertrains.

Im Jahr 2009 waren nur sieben Prozent der in den Vereinigten Staaten verkauften Personenkraftwagen mit GDI ausgestattet. Heutzutage befinden sich die Hersteller in einem kontinuierlichen Übergang zu GDI, und in diesem Jahr wird etwa die Hälfte der in den Vereinigten Staaten verkauften gasbetriebenen Neuwagen GDI sein.

Die Benzin-Direkteinspritzung schreibt das heutige Kapitel in der Geschichte der Kraftstoffzufuhr für Verbrennungsmotoren. Es ist die neueste in einer Reihe von Technologien, von denen jede die Einführung des Kraftstoffs näher an den Punkt der Verbrennung gebracht hat. Die Abfolge der Kraftstoffversorgungstechnologien begann mit der Vergasung, entwickelte sich zur Einpunkt-Kraftstoffeinspritzung (SPFI), entwickelte sich zur Multiport-Kraftstoffeinspritzung (MPFI) und hat schließlich GDI erreicht.

Jede Technologie war ein bedeutender Fortschritt gegenüber der vorherigen.

Und obwohl es immer komplexer wird, müssen Sie nicht wissen, wie man ein GDI-System entwickelt, um zu verstehen, wie es funktioniert, es sei denn, Sie sind Ingenieur bei Bosch, Denso oder Eaton.

Die Benzin-Direkteinspritzung verschiebt die Kraftstoffzufuhr direkt zum Verbrennungspunkt im Zylinder und verfeinert die Steueringenieure weiter auf das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Infolgedessen liefern mit GDI ausgestattete Motoren noch einmal mehr Leistung, einen besseren Kraftstoffverbrauch und verbesserte Emissionen. GDI klingt wie ein Allheilmittel, aber wie bei den meisten neuen Technologien gibt es Kosten und Risiken.

Bei frühen GDI-Bereitstellungen traten Kinderkrankheiten auf.

Zum Beispiel sind Benzin-Direkteinspritzdüsen robuster als ihre Vorgänger, weil sie der Hitze und dem Druck der Brennkammer selbst standhalten müssen. Darüber hinaus sind diese Düsen raffinierter als ihre MPFI-Cousins, was die technische und fertigungstechnische Herausforderung weiter verschärft. Noch alarmierender für Besitzer von Fahrzeugen mit GDI-Ausstattung früherer Modelle ist, dass die Verbrennung ohne präzises Einspritz-Mapping und Kontrolle der Kraftstofffahne im Inneren des Zylinders ungleichmäßig und/oder unvollständig sein kann. Dies führt zu Kohlenstoffablagerungen auf den Rückseiten der Einlassventile, die schnell und wiederholt auftreten können, was schwerwiegende Auswirkungen auf das Fahrverhalten und die Kosten hat.

Diese Probleme wurden bei aktuellen mit GDI ausgestatteten Fahrzeugen weitgehend behoben, aber für den Aftermarket müssen sie überwunden werden, wenn zusätzliche Leistung erzielt werden soll.

Eine Herausforderung bei leistungsorientierten GDI-Systemen ist die Notwendigkeit, ein größeres Kraftstoffvolumen in einem außergewöhnlich kurzen Zeitraum unter enormem Druck in den Zylinder einzubringen, ohne dass es vor der Verbrennung auf die gegenüberliegende Zylinderwand trifft. Dies ist kein Problem bei MFPI-Systemen, die Kraftstoff stromaufwärts von der Brennkammer einleiten, aber bei GDI, wenn Kraftstoff auf die gegenüberliegende Wand des Zylinders trifft, ist die Verbrennung ungleichmäßig und Kohlenstoff baut sich oben auf dem Einlassventil auf.

Das Problem scheint inkrementell zu sein, aber die Ergebnisse sind schwerwiegend. VW GTI-, Lexus IS 250- oder Audi-Besitzer sind möglicherweise mit diesem schädlichen und kostspieligen Problem vertraut.

So wie Aftermarket-Tuner die Leistung von mit SPFI und MPFI ausgestatteten Fahrzeugen einfach durch Tuning des Steuergeräts erhöhen, kann auch der Aftermarket das Steuergerät von mit GDI ausgestatteten Fahrzeugen tunen. Eine weitere Parallele im Aftermarket-Leistungstuning findet sich bei den Injektoren selbst. Fahrzeuge können nur so weit auf Mehrleistung abgestimmt werden, wie es ihre Hardware zulässt. Zum Beispiel werden stark getunte Fahrzeuge, die Verbesserungen ihrer Luftzufuhr erhalten, im Allgemeinen durch Zwangsansaugung, schließlich auf eine Beschränkung der Kraftstoffzufuhr stoßen. Um weiterhin mehr Leistung zu produzieren, benötigen diese Fahrzeuge Aftermarket-Einspritzdüsen mit hohem Durchfluss und für extremere Anwendungen Kraftstoffpumpen mit hohem Durchfluss.

Die gleiche Einschränkung besteht in GDI-Systemen. Verbraucher, die beispielsweise möchten, dass ihr Cadillac ATS 2.0 mehr als 450 PS produziert, benötigen wahrscheinlich mehr als ein Turbolader-Upgrade. Sie müssen ihre Anforderungen an die Kraftstoffzufuhr erfüllen oder die Fahrbarkeit beeinträchtigen.

Nostrum Energy ist spezialisiert auf kundenspezifische Betankungslösungen und Forschung. Sie arbeiten mit Universitäten, OEMs, Tier-One-Zulieferern und Rennteams an fortschrittlichen Verbrennungslösungen. Mit anderen Worten, sie arbeiten in sehr anspruchsvollen Umgebungen, um Lösungen zu entwickeln, die wir in 10 bis 20 Jahren in Serienfahrzeugen sehen werden. Sie sind auf dem neuesten Stand der GDI- und Wassereinspritzungstechnologien, was es ihnen ermöglicht hat, sich mit der Wissenschaft der Verbrennungsmotoren vertraut zu machen.

Nostrum hat versucht, OEM-GDI-Injektoren zu honen, um den Kraftstofffluss zu erleichtern. Sie versuchten, den OEM-Injektoren zusätzliche Löcher hinzuzufügen, um mehr Kraftstoff durchzulassen. Keines von diesen lieferte die erforderlichen Ergebnisse, da sie nicht die präzise Verwaltung ermöglichten, die erforderlich ist, um eine zuverlässige, hochgradig kontrollierbare Erhöhung der Kraftstoffzufuhr zu liefern. Das Unternehmen verbrachte drei Jahre damit, ein Clean-Sheet-Injektordesign zu entwickeln, das die Hindernisse für High-Flow-GDI überwindet. Ihr patentierter, kinetischer Partikelaufspaltungsmechanismus mit der Marke High Flow K-DI wurde von der pharmazeutischen Industrie inspiriert.

Nostrum wird wahrscheinlich nicht die kostengünstige Lösung sein. Beispielsweise erfordert die Abstimmung jedes GDI-Düsendesigns mehr als 12 Stunden Rechenzeit auf einem 36-Core-Computer für jede Millisekunde Einspritzzeit. Und die GDI-Lösung von Nostrum versucht nicht einfach, mehr Kraftstoff einzubringen als ein OEM-System. Ihre High Flow K-DI-Düsen verbessern OEM-Injektoren, indem sie die Tröpfchengröße reduzieren und die Richtung und Form der Kraftstofffahne manipulieren, was zu einer verbesserten Zerstäubung führt und kürzere Einspritzzyklen ermöglicht.

Da ihre Einspritzdüsen mit hoher Zerstäubung außerdem mehr von dem eingeführten Kraftstoff verbrennen, verringern sie das Risiko von Kohlenstoffablagerungen.

Im ersten Quartal 2016 wird Nostrum seine High Flow K-DI GDI-Düsen und die dazugehörige Hardware für Fahrzeuge mit GM Ecotec 2.0-Antrieb auf den Markt bringen. Dies ist nicht der 750-CFM-Vergaser oder tragbare Dieseltuner Ihres Vaters – Sie brauchen einen Fachmann für die Installation und Integration. Nostrum arbeitet mit einem nicht genannten Partner, der führend im Ecotec-Tuning ist und versteht, wie man die neun 3D-Injektorcharakterisierungstabellen nutzt, die mit seinem GDI-System geliefert werden. Das Unternehmen berichtet, dass seine Injektoren wahrscheinlich als Teil einer traditionellen, mehrstufigen Tuning-Lösung angeboten werden.

Obwohl es teuer sein wird – jede in Michigan hergestellte Düse wird etwa 450 $ kosten – sind die potenziellen Ergebnisse erstaunlich. Nostrum wird sich zu diesem Zeitpunkt nicht zu Leistungsdetails für den 2.0 Ecotec verpflichten, aber sie behalten dies mit ergänzenden Hardware-Verbesserungen und professionellem Tuning von über 500 PS bei. Nostrum ist bei der Entwicklung von Lösungen für andere mit GDI ausgestattete Fahrzeuge wie den Ford Ecoboost 2.0 und 2.3 und den BMW N55, der den 335, 435 und 535 antreibt, weit fortgeschritten.

Das Unternehmen ist im Performance-Aftermarket nicht sehr bekannt, aber das kann sich ändern.

Nostrum Energy plant den Verkauf von mehr als 2.000 Einheiten im Jahr 2016 und rechnet danach mit einem deutlichen Wachstum, da seine Lösungen bekannter werden und neue Anwendungen eingeführt werden. Nostrum wird den Performance-Aftermarket-GDI-Raum nicht für immer für sich haben, aber wenn Sie ein Early Adopter mit einem Ecotec-angetriebenen Auto sind, das Exoten und große Hubraummuskeln am Drag Strip in Verlegenheit bringen möchte, behalten Sie Nostrum im Auge.

Nostrum Energy plant den Verkauf von mehr als 2.000 Einheiten im Jahr 2016, und es wird erwartet, dass die Sichtbarkeit ihrer Lösungen und die Einführung neuer Anwendungen danach deutlich zunehmen werden. Nostrum wird nicht immer einen leistungsstarken Aftermarket-GDI-Platz haben, aber wenn Sie ein Early Adopter von Ecotec-angetriebenen Autos sind und die exotischen und großen Hubraummuskeln auf dem Widerstandsband in Verlegenheit bringen möchten, achten Sie bitte auf Nostrum.