Wie hoch ist der Wirkungsgrad bei FSI Motoren
Hallo Liebe Gemeinde,
ich habe mal eine erwas andere frage. Die ach so tollen FSI Motoren sollen do so super effizient sen, wo lieg denn so der Wirkungsgrad dieser Motoren?
Ich habe mal gelesen, Bei einem modernen Diesel Motor liegt er bei ca. 45% und bei einem normalen Ottomotor ca 26%.
Legt man also die Kraftstoffenergie auf 100 % fest, so gibt ein herkömmlicher Motor
ca. 32% dieser Energie an Kühlmittelwärme und
rund 34% an Abgaswärme ab;
etwa 3% verliert der Motor an Strahlungswärme und
ungefähr 5% an Reibungsverlusten sind zu verbuchen.
Was macht da den so ein FSI Motor?
Gruß
Kletterhenny
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http://www.hk-auto.de/technik/dbvergl.htm
oder für Leseratten
FSI – Die Benzindirekteinspritzung
Der FSI-Motor für Golf und Bora ist ein 1,6-Liter-Vierzylinder mit vier Ventilen pro Zylinder. Der Kraftstoff wird bei ihm im Unterschied zu konventionellen Benzinmotoren nicht in das Saugrohr eingespritzt, sondern über elektronisch angesteuerte Einspritzventile unter den Einlasskanälen direkt in den Brennraum. Die sehr schnell schaltenden elektromagnetischen Ventile werden über eine gemeinsame Speicherleitung (Common Rail) mit Kraftstoff versorgt. Der wird im Unterschied zu Saugrohreinspritzern, die mit einem Einspritzdruck von rund vier bar arbeiten, mit Drücken zwischen 50 und 110 bar eingespritzt und dadurch besonders fein zerstäubt. Erzeugt wird der Einspritzdruck von einer direkt von der Nockenwelle angetriebenen Hochdruckpumpe. Jeden der vier Einlasskanäle teilt ein sogenanntes Tumbleblech in einen oberen und einen unteren Bereich. Vor dem Tumbleblech liegt eine durch Unterdruck betätigte Schaltklappe, die je nach Betriebsmodus geöffnet oder geschlossen werden kann. Dadurch wird es möglich, die einströmende Verbrennungsluft in eine Drehbewegung (Tumble) zu versetzen, die zusammen mit der speziellen Muldenform des Kolbenbodens die technischen Voraussetzungen schafft, um den Kraftstoff gezielt an der Zündkerze zu konzentrieren. Zur Technik des FSI-Motors gehört auch eine um bis zu 40 Grad verstellbare variable Einlassnockenwelle und eine kennfeldgesteuerte Kühlung. Der Wechsel der Betriebsmodi macht den Unterschied Dies sind die wichtigsten konstruktiven Voraussetzungen für die enormen Einsparmöglichkeiten des FSI-Motors, der sich von konventionellen Benzinmotoren vor allem dadurch unterscheidet, dass seine Motorsteuerung je nach Lastanforderung in verschiedene Betriebsmodi wechseln kann. Werden Höchstleistungen verlangt, läuft der FSI-Motor unter Volllast wie ein normaler Ottomotor mit gleichmässig im Brennraum verteiltem homogenen und stöchiometrischen Kraftstoff-Luftgemisch (Lambda gleich 1). Wird der Motor im Stadtverkehr oder bei geruhsamer Überlandfahrt dagegen bei Teillast betrieben, dann schaltet die Motorsteuerung auf den geschichteten Magerbetrieb um. Er ist das Herzstück der FSI-Technik mit ihrem so grossen Einsparpotenzial. Als Zwischenstufe kann die Motorsteuerung als dritten Betriebsmodus auch den mageren Homogen-Betrieb ansteuern, der zwar weniger spart als der - in diesem Lastbereich nicht mögliche - geschichtete Magerbetrieb, aber sparsamer ist als der Homogenbetrieb. Die drei Betriebsmodi im Detail: Der Schichtlade-Betrieb Das höchste Einsparpotenzial bietet bei FSI-Motoren der geschichtete Magerbetrieb mit seinem hohen Luftüberschuss. Die dabei mit hohem Druck in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmengen sind so klein, dass sie homogen vermischt wie bei klassischen Benzinern kein zündfähiges Gemisch mehr ergeben. Deshalb wird das Kraftstoff-Luftgemisch durch gezielte Einspritzung erst im letzten Drittel der Aufwärtsbewegung des Kolbens mit Hilfe exakt gesteuerter Luftströmungen als zündfähiger Gemischballen direkt an der Zündkerze konzentriert. Diese Luftströmungen werden bei geschlossener Schaltklappe durch die Tumblebleche in den Einlasskanälen und die spezielle Form der Brennraummulde im Kolbenboden erzeugt. Gleich mehrere Faktoren machen den FSI-Motor beim geschichteten Magerbetrieb so sparsam. Da der Motor im geschichteten Magerbetrieb mit nahezu voll geöffneter Drosselklappe läuft, werden die erheblichen Drosselverluste, die konventionelle Benzinmotoren im Teillastbetrieb haben, deutlich reduziert. Hinzu kommt, dass Zündung und Verbrennung zentral im Brennraum ablaufen, umgeben von einem isolierenden Luftpolster, das die Wärmeabfuhr an die Zylinderwand verringert und damit den Wirkungsgrad verbessert. Einen weiteren Beitrag zum Sparen leistet die verstellbare Einlassnockenwelle durch früheres Öffnen der Einlassventile zur Erhöhung der inneren Abgasrückführung. Und ein wenig beim Sparen hilft schliesslich auch die kennfeldgesteuerte Kühlung, die bei Teillast die Kühlmitteltemperatur auf bis zu 110 Grad Celsius steigen lässt und damit den Wirkungsgrad des Motors verbessert. Der besonders sparsame geschichtete Magerbetrieb funktioniert allerdings nur bei Teillast und niedrigen Drehzahlen bis zu 3000/min. Denn bei höheren Drehzahlen reicht die Zeit nicht aus, den beim geschichteten Magerbetrieb erst sehr spät eingespritzten Kraftstoff noch optimal aufzubereiten und die Emissionen im Griff zu behalten. Der Homogen-Betrieb Benötigt der Fahrer mehr Motorleistung, schaltet die Motorsteuerung deshalb automatisch zum Homogen-Betrieb mit gleichmässig verteilten Kraftstoff-Luftgemisch im stöchiometrischen Verhältnis (Lambda gleich 1) um. Jetzt wird der Kraftstoff bereits im Ansaugtakt in die angesaugte Luft eingespritzt, so dass sich im gesamten Brennraum ein homogenes, gut zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Bei mittleren Lasten wird der Ansaugluft im Homogen-Betrieb rückgeführtes Abgas beigemischt, das auch zur Verbrauchssenkung beiträgt. Das entfällt bei hohen Motorlasten, bei denen die Schaltklappe öffnet, sodass die Luft ungehindert in den Brennraum einströmen kann. Verbrauchsmindernd bei Homogen-Betrieb wirkt auch, dass der Motor dank höherer Verdichtung als konventionelle Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung einen besseren Wirkungsgrad hat - das Verdichtungsverhältnis beim 1,6-Liter FSI-Motor liegt bei 12,1:1. Der Homogen-Mager-Betrieb Dritter Betriebsmodus des 1,6-Liter-FSI-Motor bei höheren Lasten und Drehzahlen, bei denen der Schichtladebetrieb nicht mehr möglich ist, ist der Homogen-Mager-Betrieb. Diese Betriebsart bildet im Kennfeld quasi einen Gürtel zwischen Schichtladebetrieb und Homogenbetrieb. Zur Erhöhung der Turbulenz und damit der Entflammbarkeit des mageren Gemischs wird die Schaltklappe geschlossen, die Abgasrückführung wird ausgeblendet. Einspritzung und Verbrennung laufen ähnlich ab wie beim Homogen-Betrieb - mit dem Unterschied, dass mehr Luft beigemischt wird als für die Verbrennung benötigt wird. Somit kann der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Die Abgasnachbehandlung Wie jede Technik, so hat auch der besonders sparsame geschichtete und homogene Magerbetrieb seine zwei Seiten. Denn den grossen Einsparpotenzialen auf der einen stehen ebenso grosse Abgasprobleme auf der anderen Seite gegenüber. Hauptproblem sind dabei die Stickoxide. Während die beim klassischen Homogen-Betrieb mit Lambda 1 im Dreiwege-Katalysator zu Stickstoff reduziert werden, können sie bei Magerbetrieb wegen des Sauerstoffüberschusses nicht umgewandelt werden. Deshalb entwickelte Volkswagen für den FSI-Motor einen speziellen NOx-Speicherkatalysator, in dem die Stickoxide zwischengelagert und in regelmässigen Abständen regeneriert werden. Das Signal dazu liefert ein ebenso völlig neuentwickelter NOx-Sensor. Rohemissionen klassisch gesenkt Vorrang vor jeder Nachbehandlung von Abgasen haben auch beim FSI-Motor alle Techniken, mit denen bereits bei der Verbrennung des Kraftstoffs die Schadstoffbildung so niedrig wie möglich gehalten wird. So arbeitet der FSI-Motor mit einem kombinierten System von äusserer und innerer Abgasrückführung. Gesteuert von der Motorsteuerung und geregelt durch das Abgasrückführungsventil und die verstellbare Einlassnockenwelle gelangt dabei ein grosser Teil der Abgase erneut in den Brennraum. Das senkt die Verbrennungstemperatur und vermindert vor allem im geschichteten Magerbetrieb die Bildung von Stickoxiden. Dadurch können die NOx-Rohemissionen bereits vor der Abgasreinigung im Katalysator um bis zu 70 Prozent reduziert werden. Der NOx-Speicherkat mit NOx-Sensor Um die verbleibenden Rohemissionen kümmert sich das Abgasreinigungssystem. Das besteht beim FSI-Motor aus einem motornahen und deshalb schnell auf Betriebstemperatur kommenden Dreiwege-Vorkatalysator und dem speziell für die FSI-Technik entwickelten NOx-Speicherkatalysator im Unterboden. Der arbeitet beim Homogen-Betrieb mit Lambda 1 als normaler Dreiwege-Katalysator. Beim Magerbetrieb fängt er mit Hilfe von Bariumsalzen die im Abgas enthaltenen Stickoxide auf und lagert sie ein. Sobald die Lagerkapazität erschöpft ist, wird auf ein Signal des NOx-Sensors hin die NOx-Regeneration gestartet. Zwei Sekunden für saubere Abgase – die NOx-Regeneration Dafür schaltet die Motorsteuerung für etwa zwei Sekunden auf den Betrieb mit angefettetem Gemisch. Denn dessen Abgaszusammensetzung erlaubt es, die eingelagerten Stickoxide zu ganz normalem Stickstoff zu reduzieren. Sind alle Stickoxide reduziert, schaltet die Motorsteuerung wieder zurück und der NOx-Speicherkat kann wieder für längere Zeit erneut Stickoxide einlagern. Das Umschalten auf Regenerationsbetrieb und zurück geschieht vollautomatisch, ohne dass der Fahrzeuglenker etwas dazu tun muss oder es merkt. Mehr Magerbetrieb dank Abgaskühlung Wie bei jedem Katalysator, so sind auch beim NOx-Speicherkatalysator die Umwandlungsraten von Stickoxiden nur in einem bestimmten Temperaturbereich optimal. Der liegt bei dem von Volkswagen eingesetzten System zwischen 250 und 500 Grad Celsius. Deshalb ist der Magerbetrieb - ob nun geschichtet oder homogen - nur möglich, wenn die Katalysatortemperaturen innerhalb dieses Temperaturfensters liegen. Steigen sie, etwa bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten, über 500 Grad, muss deshalb auf Homogen-Betrieb ungeschaltet werden. Damit verringert sich natürlich der Kraftstoffverbrauchsvorteil. Um das zu vermeiden, setzt Volkswagen beim 1,6-Liter-FSI-Motor auf eine zusätzliche Abgaskühlung. So gehört zur Abgasanlage vor dem NOx-Speicherkatalysator eine dreiflutige Kühlstrecke. Die Abgaskühlung erlaubt es, den Bereich des Magerbetriebs auszudehnen. Ausserdem trägt die Abgaskühlung dazu bei, dass die Lebensdauer der Katalysatoranlage wegen der geringeren thermischen Belastung steigt. Das Schwefelproblem FSI-Motoren mit der von Volkswagen entwickelten Technik arbeiten optimal mit schwefelfreiem Kraftstoff. Tankt man schwefelhaltigen Sprit, dann wird die Leistung des NOx-Katalysators zunehmend durch Schwefelverbindungen reduziert - der Katalysator wird "vergiftet". Diese Vergiftung kann aber rückgängig gemacht werden, wenn die Temperaturen im Katalysator über 650 Grad Celsius steigen. Im gemischten Fahrbetrieb geschieht das regelmässig, sodass die Schwefelverbindungen immer wieder gelöst werden. Im reinen Stadtbetrieb wird ein Niveau über 650 Grad allerdings nicht erreicht. Damit der Schwefel dann nicht zum Problem wird, muss bei Fahrzeugen, die mit schwefelhaltigem Kraftstoff fahren, für eine regelmässige Entgiftung gesorgt werden. Das Signal dazu liefert auch hier der neue NOx-Sensor, der auch den Vergiftungsgrad des NOx-Speicherkatalysators exakt messen kann. Auf sein Signal hin leitet die Motorsteuerung durch Erhöhung der Abgastemperaturen eine aktive Entschwefelung ein. Das bedeutet zwar einen geringen Mehrverbrauch und damit eine leichte Einschränkung des Sparpotenzials der FSI-Motoren. Aber dank dieser Technik ist es möglich, die FSI-Motoren auch dort problemlos zu betreiben, wo kein schwefelfreier Kraftstoff verfügbar ist. Ihr Maximum an Einsparung erreichen FSI-Motoren also nur, wenn sie mit schwefelfreiem Kraftstoff betrieben werden. Deshalb unterstützen Volkswagen und die AMAG konsequent alle Bemühungen zu einer möglichst weltweiten Verbreitung dieser Kraftstoffqualität, die auch noch einen attraktiven Nebeneffekt hat. Denn auch die Abgasemissionen bereits im Verkehr befindlicher Fahrzeuge können durch schwefelfreien Kraftstoff ohne weitere Massnahmen sofort reduziert werden. Die On-Board-Diagnose Eine Vielzahl von Sensoren überwacht alle für die Abgasqualität wichtigen Parameter. Dazu gehören der neue NOx-Sensor, ein Abgastemperatursensor hinter dem Vorkatalysator und eine Lambdasonde stromauf des Vorkatalysators. Die einwandfreie Funktion aller für die Abgasqualität wichtigen Bauteile wird ständig durch die On-Board-Diagnose überprüft. Sobald es technische Probleme in abgasrelevanten Bereichen gibt, wird der Fahrer durch eine Kontrollleuchte im Armaturenbrett informiert. Ausserdem werden alle Daten über Fehlfunktionen des Systems festgehalten, sodass sie in der Werkstatt ausgelesen werden können. Den Diesel einholen kann der FSI aber nicht Mit der FSI-Technik beginnen frei nach dem Motto, was dem Rudolf (Diesel) recht ist, soll dem Nikolaus (Otto) billig sein, die Benzinmotoren jetzt, die in den letzten Jahren erheblich gewachsenen Verbrauchsvorteile der Diesel wieder wettzumachen. Mit dem Diesel völlig gleich ziehen werden sie bei dieser Aufholjagd allerdings nicht. Denn nach den Gesetzen der Physik ist der Diesel nun einmal der Verbrennungsmotor mit dem höheren Wirkungsgrad, doch mit einem Einsparpotenzial von bis zu 20 Prozent gegenüber bisherigen Benzinmotoren wird der Abstand zwischen Otto- und Dieselmotoren dank FSI-Technik künftig wieder erheblich geringer werden.
GF