Vorkammereinspritzung

Die Vorkammereinspritzung war ein bis in die 1990er Jahre weit verbreitetes Einspritzprinzip für Dieselmotoren. Heute ist sie weitgehend von der Direkteinspritzung verdrängt und kommt nur noch in Nischenanwendungen wie z. B. kleineren Diesel-Generatoren zur Anwendung.

Geschichte

Die ersten Dieselmotoren funktionierten nur mit Unterstützung eines Kompressors, da der Kraftstoff mit Druckluft in den Brennraum eingeblasen wurde. Die Motoren waren dadurch sehr groß und schwer, und damit für viele Anwendungen unbrauchbar. Prosper L'Orange, zu jener Zeit ein Entwicklungspartner von Rudolf Diesel, erfand 1909 das Vorkammerprinzip, mit dem auf Kompressoren verzichtet werden konnte. Damit legte er den Grundstein für kleine, schnelllaufende und damit für Kraftfahrzeuge geeignete Dieselmotoren.

Bei L'Oranges Erfindung wird der Kraftstoff von einer mechanischen Pumpe ohne Spritzdüse in einen Zwischenkanal zwischen Brennraum und Vorkammer eingebracht. Für die Zerstäubung sorgt die vom Kolben komprimierte Luft, die vom Brennraum in die Vorkammer gedrückt wird. Ein Teil des zerstäubten Kraftstoffs entzündet sich in der Vorkammer, die Expansion drückt und zerstäubt den restlichen im Zwischenkanal enthaltenen Kraftstoff in den Brennraum, wo dann die Hauptverbrennung erfolgt.

Die Einspritzpumpe ist eine mechanische, ungeregelte Pumpe, der Zerstäubungs- und Verbrennungsvorgang ist deswegen schwer zu beeinflussen. Eine wichtige Weiterentwicklung war daher die Einführung der Einspritzdüse, mit der die Kraftstoffzerstäubung genauer und kontrollierter vorgenommen werden kann.

Beschreibung

In die Vorkammer, deren Größe etwa 40% des Hauptbrennraums entspricht, wird Kraftstoff mit einer Einlochdüse möglichst weit in Richtung auf die Mündung zum Hauptbrennraum eingespritzt^[1]. Der Einspritzdruck ist mit maximal 400 bar vergleichsweise moderat, was sich günstig auf die Haltbarkeit von Einspritzpumpe und Einspritzventil und die Nutzung verschiedener Brennstoffe auswirkt. Die Form der Vorkammer soll eine gute Kraftstoff-Luft-Mischung erzielen. Das wird häufig auch mit einem in der Vorkammer angeordneten Prallstift (teilweise auch mit Prallkugel) erreicht, der vom Einspritzstrahl getroffen wird. Im Betrieb wird der Prallstift sehr heiß, der aufgespritzte Kraftstoff verdampft dadurch sehr rasch. Der Zündverzug wird dadurch nochmals reduziert, was Motordrehzahlen von 5.500 /min und darüber möglich macht.

Der mit einem Teil der Verbrennungsluft vorgemischte Kraftstoff verbrennt teilweise in der Vorkammer und wird durch die Expansion bei der Verbrennung mit hohem Druck durch einen einmündenden Kanal (Schusskanal) in dem Hauptbrennraum gedrückt. Hier findet die endgültige Verbrennung statt, die auf den Kolben wirkt. Durch den geringen Einspritzdruck und die kontrollierte Verbrennung ist die Belastung der Bauteile niedrig, was die legendäre Lebensdauer und Laufleistung der Dieselmotoren möglich machte (z. B. Mercedes-Benz 190D, 200D).

Vor- und Nachteile

Die Vorkammereinspritzung zeichnet sich durch eine sehr weiche Verbrennung aus, die sich in einem vergleichsweise geringen Motorgeräusch auswirkt. In den 1990er Jahren hatten einige PKW-Hersteller relativ lange an der Vorkammertechnik festgehalten, da sie zu diesem Zeitpunkt im Vergleich zur Direkteinspritzung hinsichtlich Geräuschentwicklung und Abgasverhalten vorteilhaft war.

Das Brennverfahren und der vergleichsweise niedrige Einspritzdruck macht das Vorkammerprinzip geeignet für verschiedenste Kraftstoffe. Daher sind Vielstoffmotoren häufig als Vorkammermotor konzipiert.

Nachteilig an dieser zweistufigen Verbrennung ist die große Kühlfläche der Vorkammer, die die verdichtete Luft schnell abkühlt. Deshalb starten solche Motoren erst ab ca. 50 °C Kühlwassertemperatur ohne zusätzliche Kammerheizungen, für den Kaltstart sind Glühkerzen zur Vorkammerheizung üblich. Noch gravierender sind allerdings die Strömungsverluste bei höherer Drehzahl, die den Verbrauch stark ansteigen und Leistung sowie Drehmoment stagnieren lassen.

Die große Oberfläche von Vorkammer und Schusskanal sowie die Überströmverluste wirken sich negativ auf den Verbrauch aus, der etwa 15-20% höher liegt als bei einem vergleichbaren Dieselmotor mit Direkteinspritzung.

Gegenüber dem Wirbelkammerverfahren sind die Strömungsverluste höher und der Wirkungsgrad niedriger.

Varianten

Eine Variante bzw. Weiterentwicklung der Vorkammer ist die Wirbelkammer, in welcher der Kraftstoff mit der Luft verwirbelt wird.

Weiter wurden einfache zylindrische Vorkammern verwendet, die über einen Mehrlochkanal in den Verbrennungsraum führen.

Ein nächster Entwicklungsschritt zum Vorkammerprinzip ist das M-Verfahren, das durch die wandverteilende Einspritzung eine ähnlich weiche Verbrennung wie Vorkammermotoren erreicht, jedoch als direkteinspritzendes Verfahren nicht die Strömungsverluste der Schusskanäle hat.

Literatur

• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor. Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005, ISBN 3-528-23933-6.
• Heinz Grohe: Otto- und Dieselmotoren. Arbeitsweise, Aufbau und Berechnung von Zweitakt- und Viertakt-Verbrennungsmotoren. 11. Auflage. Vogel-Verlag, Würzburg 1995, ISBN 3-8023-1559-6.

Quellen

1. ↑ Heinz Grohe: Otto- und Dieselmotoren. Arbeitsweise, Aufbau und Berechnung von Zweitakt- und Viertakt-Verbrennungsmotoren. 11. Auflage. Vogel-Verlag, Würzburg 1995, ISBN 3-8023-1559-6.