Einige Motoren-Begeisterte erinnern sich vielleicht noch an die Vorkammer-Einspritzung beim Dieselmotor oder zumindest den kernigen Klang der legendären Vorkammer-Diesel von Mercedes-Benz. Es scheint, als würde diese Technik in den vergangenen Jahren eine kleine Renaissance beim Ottomotor feiern – allerdings mit ganz anderen Mitteln als damals. Das zeigt auch Subarus jüngste Patentanmeldung beim US-Patent- und Markenamt.
Grundsätzlich kann die Vorkammer-Einspritzung nämlich die Effizienz, Sauberkeit und Haltbarkeit steigern. Dafür wird im Brennraum rund um die Zündkerze eine kleine Kammer vom Rest des Kompressionsvolumens mit einer gelochten Abdeckung "abgeteilt". In dieser Kammer wird ein Kraftstoff-Luftgemisch gezündet, worauf die Flammen dann auf breiter Front in den Hauptbrennraum stoßen und das dortige Gemisch gleichmäßig und an verschiedenen Orten entzünden. Bei Ottomotoren führt das zum schnelleren Durchbrennen und zu einer verringerten Klopfneigung.
Spritsparende Magermotoren
Weil dadurch Verdichtung und Wirkungsgrad deutlich erhöht werden können, eignet sich das Prinzip besonders für Motoren, die im Magerbrennverfahren – also mit wenig Sprit und viel Luft – arbeiten. Auch Miller- oder Atkinson-Motoren profitieren vom Prinzip der Vorkammerzündung. Heutzutage werden solche Motoren gern mit Hybrid-Antriebsträngen kombiniert. Der grundsätzliche Nachteil der Magerverbrennung liegt in der langsameren Durchzündung und der vermehrten Entstehung von Stickstoff-Oxiden (NOx). Eine komplex berechnete Vorkammer-Zündung kann diesen Nachteilen entgegenwirken und sogar Gemische mit Luftverhältnissen von über 2 sauber verbrennen.
Häufig wird die Vorkammer-Einspritzung und -Zündung durch eine zweite Kraftstoffeinspritzdüse je Zylinder erreicht. Oft wird auch eine zusätzliche Zündkerze gebraucht. Subaru geht einen anderen Weg mit einer sogenannten "Unterverbrennungskammer". Die Japaner kommen so mit einer einzigen Zündkerze und einer einzigen Einspritzdüse je Zylinder aus.
Vorteile im Kaltstart
Subarus Technologie soll sogar beim Kaltstart Kraftstoff sparen. Schließlich arbeiten gerade Hybridantriebe oft in diesem unbeliebten Temperaturfenster. Bei kaltem Verbrennungsmotor wird dazu oft der Zündzeitpunkt nach hinten verschoben, um die Katalysatoren im Abgassystem vorzuwärmen. Eine geschichtete Ladung soll dabei das fette Kraftstoff-Luftgemisch fein verteilen und die Stickoxide reduzieren. Hier wird jedoch viel Kraftstoff verspritzt und zu einem großen Teil verschwendet. Auch an den kalten Zylinderwänden sammelt sich zusätzlicher Kraftstoff, der für schlechtere Durchzündung und höheren Schadstoffausstoß sorgt. Diesen Punkt nimmt das Subaru-Prinzip ebenfalls in den Fokus. Im Patent ist zu sehen, dass die Brennraumwände durch vorher über einen Luftinjektor einspritzte Luftwirbel geschützt werden.
Vorkammer und Luftinjektor sind im rechten Teil des Brennraums zu sehen. Der Kraftstoff wird über den Injektor links in den Hauptbrennraum gespritzt.
Das Problem: Das Gemisch trägt viel mehr Luft – wird also deutlich magerer, die Entzündung damit schwieriger. Doch das ist gewollt. Denn erst kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat, wird eine kleine Menge zusätzlichen Kraftstoffs in die Hauptbrennkammer eingespritzt – viel weniger, als eine herkömmliche Kaltstartsequenz erfordern würde. Die Zündung in der Vorkammer soll es dann mit dem dünnen Gemisch bei bestem Wirkungsgrad aufnehmen. Sobald die Wände der Brennkammer warm sind, ist kein Schutz durch eine Luftschicht mehr erforderlich. Luftinjektor und zusätzliche Kraftstoffzufuhr können abgeschaltet werden.
Chancen auf Serieneinsatz
Sowohl durch das Vorkammer-Prinzip als auch durch den zusätzlichen Luftinjektor und die Kaltstart-Vorteile will Subaru Kraftstoff sparen und Schadstoffe im Abgas reduzieren. Denkbar wären durch die höhere Kompression ebenso deutliche Leistungssteigerungen bei Magermotoren. Welches Sparpotenzial Subaru selbst sieht, haben die Japaner noch nicht verraten. Ähnliche Systeme erreichten bereits gut acht Prozent Einsparung im WLTP-Zyklus.
Weil weder eine zusätzliche Zündkerze noch eine weitere Kraftstoffeinspritzung notwendig ist, ließe sich das System wohl relativ einfach in die bestehende Boxerflotte aufnehmen. Im Patent weisen die Japaner ausdrücklich darauf hin, dass auch andere Kraftstoffarten und Motorkonfigurationen von der Vorkammertechnik mit Lufteinspritzung profitieren können. Es darf also wild spekuliert werden, wo wir die Technik zum ersten Mal auf der Straße sehen – vielleicht ja schon in der angekündigten Hybrid-Version des US-Foresters (siehe Bildergalerie).
Fazit
Subaru hat ein Patent in den Vereinigten Staaten angemeldet, das eine Vorkammertechnik für Ottomotoren mit extra Lufteinspritzung beschreibt. Dadurch sollen vor allem Spritverbrauch und Abgaswerte verbessert werden – gerade auch im Kaltlauf. Die Japaner kommen mit ihrer Technik mit nur einer Zündkerze und einem Sprit-Injektor aus. Wann und ob das System bald in Serienmotoren zu finden ist, bleibt abzuwarten.
