Das Herzstück eines jeden Verbrennungsmotors, sei es ein benzinbetriebener Fremdzündungsmotor oder ein dieselbetriebener Selbstzündungsmotor, ist die effiziente und pünktliche Verbrennung eines präzise dosierten Luft-Kraftstoff-Gemisches.
Auch wenn dies recht einfach klingt, haben die Variablen, unter denen der Motor arbeitet, einen erheblichen Einfluss darauf, wie und wann der Kraftstoff zugeführt wird. Wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur steigt, sinkt die Luftdichte. Um das für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs erforderliche stöchiometrische Gemisch aufrechtzuerhalten, muss die Menge reduziert werden, um das korrekte Volumenverhältnis von Luft zu Kraftstoff aufrechtzuerhalten. Bei einem Benzinmotor sind das ungefähr 14,7 Teile Luft auf einen Teil Benzin (ausgedrückt als Lambda 1 in Motormanagementsystemen mit geschlossenem Regelkreis).
Ebenso benötigt der Motor bei Vollgas und hoher Last mehr Kraftstoff als das stöchiometrisch-ideale Gemisch, um maximale Leistung zu erzeugen. Unter diesen Bedingungen wird die Mischung auf etwa 12,5:1 angereichert.
Wie diese alltäglichen Beispiele zeigen, ist es daher nicht immer einfach, das Luft-Kraftstoff-Gemisch für die sehr unterschiedlichen Bedingungen zu optimieren, unter denen der Motor arbeitet.
In diesem Artikel befassen wir uns mit den verschiedenen Kraftstoffversorgungssystemen und -technologien, die Porsche im Laufe der Zeit eingesetzt hat, um nicht nur Strom zu erzeugen, sondern dies auch wirtschaftlich und umweltfreundlich zu tun. Wir werden die Entwicklung dieser Systeme von den Vergasern der frühen Porsche 901/911 in den 1960er Jahren bis zur Einführung der elektronischen Kraftstoffeinspritzung in den 1970er Jahren verfolgen.
Warum Porsche beim 911 auf den Vergaser verzichtet hat
Für die Serienversion des 901 (später umbenannt in 911) entwickelte Porsche den Sechszylindermotor Typ 821 mit Solex-Vergasern. Diese Solex-Motoren wurden speziell für den Motor Typ 901/911 als Solex-Typ 40PI angepasst, wobei drei auf einem gemeinsamen Ansaugkrümmer mit einer einzigen integrierten Kraftstoffschwimmerkammer pro Zylinderbank montiert waren.
Obwohl 911 Porsche seit Produktionsbeginn im Jahr 1964 mit Solex-Vergasern ausgestattet waren, wurden aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer und den damit verbundenen Tuning-Problemen weniger als 2000 Autos mit Solex-Vergasern und Pierburg-Kraftstoffpumpen gebaut. Im Februar 1966 wurden die Solex-Vergaser schließlich durch Weber 40IDA3C-Vergaser ersetzt.
Obwohl die Weber-Vergaser in der Lage waren, über einen weiten Bereich von Motorbetriebsbedingungen hervorragende Kraftstoffmischungen zu liefern, waren sie dennoch durch die mechanische/(Vakuum-)Fluiddynamik der Konstruktion eingeschränkt. Obwohl der „Hauptkreis“ des Weber eine Gemischregelung und Leistung lieferte, die mit einem Einspritzsystem vergleichbar war, blieben die Zwischenkreise – wie Leerlauf, Off-Leerlauf und Gemischregelung bis zu ¾ Drosselklappenöffnung – weit hinter der Regelung zurück mechanische Kraftstoffeinspritzung (MFI) vorgesehen. Die andere Einschränkung der Vergasung bestand darin, dass die Zerstäubung der Kraftstofftröpfchen bei Verwendung eines Vakuums nicht so gut war, was oft zu „Hot-Spots“ oder „Magerzonen“ führte.
Um die strengeren Emissionsvorschriften einzuhalten und die Leistung des 911 zu verbessern, wandte sich Zuffenhausen bei seinem legendären Heckmotor-Sportwagen an MFI und ersetzte 1972 bei bestimmten Modellen die Vergaser durch MFI-Systeme. Ab 1974 erfolgte die Serienausstattung.
Porsche setzt auf mechanische Kraftstoffeinspritzung
Ursprünglich beim Sportrennwagen 906 eingeführt, wurde das von Kugelfischer entwickelte und später von Bosch gebaute mechanische Kraftstoffeinspritzsystem anschließend in den 911R eingebaut, bevor es im 2,0-Liter-Porsche 911S sein Straßendebüt feierte.
Das Herzstück des Systems, das in einer Zeit ohne elektronische Sensoren gebaut wurde, war die Kraftstoffpumpe, die von einer Nockenwelle mit einer Reihe mechanischer „Sensoren“ betrieben wurde, die ein sich ständig änderndes Kraftstoffzufuhrkennfeld basierend auf Drosselklappenstellung, Motordrehzahl und Luftdruck erstellten .
Um die Kraftstoffmenge entsprechend der Drosselklappenstellung zu regulieren, verstellte eine Zugstange am Drosselklappengestänge eine 3D-„Space-Nocke“, die im Boden der Pumpe untergebracht ist. Das unregelmäßige Profil dieser Nocke wurde so geformt, dass es dem Kraftstoffzufuhrkennfeld jeder 911-Variante entspricht – unterschiedlich für die Modelle „E“, „S“ und „RS“.
Darüber hinaus half ein mit der Nockenwelle verbundener Fliehkraftregler dabei, den gesamten Kraftstofffluss durch die Pumpe entsprechend der Motordrehzahl zu regulieren, während ein Magnetventil für die automatische Kaltstartanreicherung sorgte, sodass kein manueller Choke erforderlich war.
Der erhöhte Einspritzdruck von 225 bis 250 psi (15,5 bis 17 Bar) sorgte nicht nur für eine genaue Dosierung des Kraftstoffs in einem breiten Betriebsbereich, sondern sorgte auch für eine stärkere Zerstäubung des Kraftstoffs. Dies führte zu einer gleichmäßigeren Flammenfront während der Zündung und trug zu einer effizienteren Verbrennung bei.
Ab 1973 ersetzte Porsche das MFI durch das emissionsfreundlichere K-Jetronic Continuous Injection System (CIS) von Bosch . Obwohl es sich immer noch um ein mechanisches Einspritzsystem handelte, unterschied es sich vom ursprünglichen MFI dadurch, dass es die in den Motor einströmende Luftmenge maß, um zu bestimmen, wie viel Kraftstoff in jede der Motoreinlassöffnungen eingespritzt werden sollte, und diesen gleichzeitig (kontinuierlich) abgab. Obwohl der Betriebsdruck mit 80 psi (5,5 Bar) niedriger war als der des MFI, ermöglichte er dennoch eine ausreichende Zerstäubung.
Der kontinuierliche Charakter des Systems – die Kraftstoffeinspritzung in alle Zylinder gleichzeitig – bedeutete, dass immer ein Teil des Kraftstoffs im Einlasskanal verblieb, bis das Einlassventil öffnete. Obwohl dies alles andere als ideal erscheint, gelangte immer etwas zerstäubter Kraftstoff in den Zylinder, und mit K-Jetronic CIS ausgestattete Motoren verfügten über einen speziellen Kolbenboden, der einen Taumeleffekt erzeugen sollte, um die Vermischung von Luft und Kraftstoff zu unterstützen.
Das CIS wurde bei den Baujahren 1973 bis 1983 , beim 924 zwischen 1977 und 1985 , beim 928 zwischen 1977 und 1983 und bei den 911 Turbos von 1977 bis 1994 eingeführt. Aus Service-Sicht war das System recht unkompliziert – es gab nur zwei Haupteinstellungen: Leerlaufdrehzahl und Gemisch.
Während diese mechanischen Einspritzsysteme einen Quantensprung in der Kraftstoffversorgung darstellten, wurden die Anforderungen an das Kraftstoffsystem erst mit dem Einzug der Elektronik umfassend berücksichtigt.
Der Fortschritt in der Elektronik kündigt die erste elektronische Kraftstoffeinspritzung von Porsche an
Die frühen elektronischen Kanaleinspritzsysteme von Bosch, wie sie von Porsche verwendet wurden, beruhten auf Kraftstoffeinspritzdüsen, die durch elektromagnetische Magnetspulen aktiviert wurden. Den Einspritzdüsen wurde über eine gemeinsame Kraftstoffverteilerleitung für jede Zylinderbank eine konstante Versorgung mit unter Druck stehendem Kraftstoff mit etwa 2,0 bis 2,5 bar (29 bis 37 psi) zugeführt. Ein Kraftstoffdruckregler, der die Rücklaufleitung zum Kraftstofftank begrenzte, sorgte für einen konstanten Druck. Obwohl die Kraftstoffzerstäubungsfähigkeiten dieser frühen EFI-Systeme nicht so gut waren wie die ihrer mechanischen Vorgänger, machten sie dies durch eine präzise Kraftstoffdosierung über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen hinweg wett.
Der Vierzylinder 914 war Porsches erster Einsatz der elektronischen Kraftstoffeinspritzung, obwohl Porsche kurzzeitig darüber nachgedacht hatte, die D-Jetronic von Bosch (das „D“ stand für „Druck“ auf Deutsch) für den 911 einzusetzen. Die K-Jetronic MFI erwies sich jedoch als besser geeignet für den hochdrehenden 911-Motor.
Dennoch war das D-Jetronic-System mehr als ausreichend für den niedrigtourigen, linearen Charakter des im 914 verbauten Volkswagen-Typ-IV-Motors. Der Vierzylinder-Boxermotor mit Kraftstoffeinspritzung des 914 nutzte ein einzelnes Drosselklappengehäuse, das Luft in einen zentralen Einlass leitete Verteilerplenum mit individuellen Ansaugkanälen zu jedem Ansaugkanal; Die Einspritzdüsen wurden zwischen den Kraftstoffverteilern und den Einlassöffnungen montiert.
Um genau zu bestimmen, wie viel Kraftstoff unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen in den Motor eingespritzt werden muss, stützte sich das D-Jet-ECU auf ein Geschwindigkeits-/Dichtemodell, um den Luftstrom in den Motor abzuschätzen. Diese Berechnung wurde auf der Grundlage analoger Eingaben eines Ansaugkrümmerdrucksensors, der ein Element enthielt, das der Atmosphäre ausgesetzt war, um unterschiedliche Höhen auszugleichen, und eines Drosselklappenpositionssensors durchgeführt. Ein Paar Triggerpunkte an der Basis der Zündverteilerwelle bestimmte die Motordrehzahl, während ein Ansauglufttemperatursensor zur Ableitung der Luftdichte verwendet wurde. Beim Kaltstart ermittelt ein Zylinderkopftemperatursensor, wann das Gemisch angereichert werden muss.
Die in jeden Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge wurde durch Variation der Öffnungszeit der Einspritzdüsen gesteuert. Typische Impulsbreiten der Kraftstoffeinspritzdüsen variierten zwischen 1,5–2,0 Millisekunden und über 20 ms bei höheren Motordrehzahlen und -lasten.
Das D-Jet-Steuergerät, das alle Eingaben verarbeitete, lässt sich am besten als analoger Computer ohne digitale Verarbeitungsfähigkeiten beschreiben. Außerdem fehlte dem Steuergerät die Sensorhardware für eine sequentielle Kraftstoffeinspritzung, sodass die Einspritzdüsen paarweise gleichzeitig aktiviert wurden. Wie bei der CIS-Einspritzung verbleibt der gegen ein geschlossenes Einlassventil eingespritzte Kraftstoff im Kanal, bis sich das Ventil öffnet, um die Luft-/Kraftstoffladung anzusaugen.
Obwohl D-Jetronic in den 1,7- und 2,0-Liter-914-Anwendungen recht gut funktionierte, erwiesen sich der Drucksensor und die Auslösekontakte der am Verteiler montierten Einspritzdüsen als anfällig für mechanischen Verschleiß und daraus resultierende Ungenauigkeiten, und die Einschränkungen des Basis-ECU verhinderten den Einsatz des Systems Hochleistungsanwendungen wie der 911.
Um die Kraftstoffzufuhr zu verbessern, verwendete das aktualisierte L-Jetronic EFI-System von Bosch , das in den zwischen 1974 und 1976 gebauten 1,8-Liter-914 eingebaut wurde, einen Flügelrad-Luftmengenmesser, um die Menge (jedoch nicht die Masse) der in den Motor eintretenden Luft direkt zu messen. Der Luftmengenmesser befand sich vor dem Drosselklappengehäuse und nutzte einen federbelasteten Flügel, der den von einer elektrischen „Wischerbahn“ gemessenen Widerstand variierte, um die Impulsbreite des Kraftstoffeinspritzventils an die Anforderungen des Motors anzupassen.
Die direkte Messung des Luftstroms ermöglichte eine genauere Messung der Motoranforderungen als das frühere D-Jet-System und kompensierte außerdem Motorverschleiß oder andere Änderungen des Luftstroms, wie beispielsweise falsch eingestellte Ventilspiele.
Das ausgefeiltere L-Jet-ECU maß die Motordrehzahl auf der Primärseite des Zündkreises. Zu den weiteren Fortschritten gehörten ein in das Gehäuse des Luftmengenmessers integrierter Ansauglufttemperatursensor und ein Zusatzluftregler (gesteuert durch einen einfachen Thermo-Zeitschalter und nicht durch das Steuergerät), der nach einem Kaltstart für einen schnellen Leerlauf sorgte.
Nach zehn Jahren kontinuierlicher Verbesserung der Kraftstoffdosierung und -abgabe hatte Porsche ein System entwickelt, das in der Lage ist, den Kraftstoff unter nahezu allen Betriebs- und Klimabedingungen genau zu liefern. Bevor EFI im 911 zum Einsatz kam, blieben jedoch noch zwei Herausforderungen bestehen: die Verbesserung der Kraftstoffzerstäubung und -integration das System, das den Funken liefert, um das Kraftstoffgemisch zu zünden.
In einem Folgeartikel werfen wir einen Blick auf das vollelektronische Motormanagementsystem Motronic von Porsche , das 1984 erstmals in den 911 eingebaut wurde, und die anschließende Einführung der Direkteinspritzung.
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