HCCI-Verfahren Das Beste aus zwei Welten

Seit Erfindung des Automobils arbeiten die Ingenieure an leistungsfähigeren, sparsameren und schadstoffärmeren Motoren. Ob CCS, HCCI oder Diesotto: Gemeint ist die homogene Verbrennung – ein vielversprechender Weg. Aber auch ein steiniger.

Anbieter zum Thema

Felss Group GmbH

OSWALD Elektromotoren GmbH

ZORGE Rubber Solutions GmbH

Die Motorenentwickler sind überzeugt, dass aus Diesel- und Ottomotor eines Tages ein neuer Typus des Verbrennungsmotors hervorgeht, der die jeweils besten Eigenschaften zusammenführt. GM/Opel (dort spricht man vom „HCCI“-Motor) entwickelt dabei vor allem den Ottomotor weiter. Daimler („Diesotto“) und Volkswagen („CCS“) verfolgen beide Wege, also die Verbesserung von Otto- wie Dieselmotor.

Ziel beim Ottomotor war von Anfang an, ein möglichst homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen. Doch nach der Kompression und Zündung ist es aus mit der Homogenität. Denn die punktuelle Zündquelle im Brennraum kann nicht das ganze Gemisch gleichzeitig entflammen. Bis die Flammenfront auch die Brennraumränder erreicht, vergeht einige Zeit. Löst die Druckwelle außerdem Spontanzündungen an entfernten Stellen aus, beginnt der Motor zu „klopfen“.

Die heute kaum zu vermeidenden heißen Partien im Brennraum begünstigen die Stickoxidbildung. Mit Partikelbildung hat der Ottomotor dagegen dank guter Gemischaufbereitung und des niedrig siedenden, verdampfungsfreudigen Kraftstoffs nicht zu kämpfen. Was an Schadstoffen entsteht – NOx, CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) – reduziert der geregelte Katalysator zuverlässig, solange der Motor bei Lambda 1 betrieben wird.

Einführung des Kat hat den Verbrauch um 10% erhöht

Die Einführung des geregelten Katalysators im Jahr 1986 hat den Kraftstoffverbrauch auf einen Schlag um 10 Prozent erhöht. Woraus zu schließen ist, dass die Motoren zuvor bereits im Magerbereich mit Luftüberschuss betrieben wurden. Erst in jüngster Zeit ist es gelungen, vor allem hubraumgroße Motoren im unteren Lastbereich wieder mager laufen zu lassen. Weil Stickoxid aber im geregelten Katalysator nur bei Lambda 1 abgebaut wird, braucht der Ottomotor zusätzlich einen Stickoxid-Speicherkatalysator. Vorteil: Im Magerbetrieb lassen sich zwischen 10 und 15 Prozent Kraftstoff sparen.

Die mageren Gemische der heutigen Motoren werden freilich noch durch die Zündkerze entflammt – mit dem Nachteil, dass Stickoxid entsteht. Um das zu vermeiden, wird auch beim Ottomotor Selbstzündung angestrebt. Dabei soll sich die gesamte Ladung zeitgleich entzünden. Aber der Weg zur homogenen Verbrennung ist lang und steinig. Denn die Frischgasladung zündet nur bei einer bestimmten Temperatur von selbst. Außerdem darf die Verbrennung nur so langsam ablaufen, dass es nicht zu Detonationszündungen kommt; sie können den Motor zerstören. Und schließlich muss die Verbrennung „kalt“ vonstatten gehen, damit keine Stickoxide gebildet werden.

Um die „homogene Verbrennung“ zu erreichen, bedienen sich alle Hersteller der Abgasrückführung. Eine der Voraussetzungen sind variable Steuerzeiten. Wie das Abgas rückgeführt wird, darüber laufen die Auffassungen auseinander. Wichtig ist, dass mindestens 50 Prozent der Zylinderladung aus „neutralem“ Abgas bestehen. Denn dieses dient als Zündverzögerer, als „Heizkissen“ für das Frischgas und gleichzeitig als Temperaturbremse.

Eine weitere Voraussetzung ist die direkte Einspritzung. Während Opel auf Druckfühler in jedem Zylinder setzt, die wiederum die eingespritzte Kraftstoffmenge beeinflussen, kommt Volkswagen ohne sie aus. Daimler arbeitet mit veränderlicher Verdichtung, die ebenfalls Druckmessung in jedem Zylinder voraussetzt.

Konventioneller Verbrennungsbereich ist unabdingbar

Tatsache ist, dass es allen drei Herstellern gelang, in einem Teil des Kennfeldes bei Teillast homogene Verbrennung zu erreichen. Bemerkenswert ist, dass sich diese Ottomotoren heute schon ganz normal fahren lassen. Der Fahrer merkt nicht, wann er im selbstzündenden und wann er im konventionellen Verbrennungsbereich fährt. Der konventionelle Bereich ist vorerst unabdingbar, um nicht auf Leistung verzichten zu müssen. Außerdem werden die Motoren konventionell – also mit Zündkerze – gestartet und laufen auch im untersten Teillastbereich konventionell.

Im selbstzündenden Bereich laufen die Motoren „mager“. Dennoch benötigen sie keinen Stickoxid-Speicherkatalysator, weil hier keine Stickoxide mehr entstehen. Für den konventionellen Betrieb aber bleibt der geregelte Katalysator weiterhin notwendig. Er arbeitet zugleich als Oxidationskatalysator und reduziert CO und HC. Beide entstehen vermehrt im selbstzündenden Betrieb. Derzeit reicht die Selbstzündung etwa bis zu halber Last. Während der Opel-Motor die Selbstzündung bei etwa 4 000 U/min abbricht, läuft der Volkswagen-Motor auch bei höheren Drehzahlen noch ohne Kerzenzündung. Doch das sind Unterschiede, die bei der weiteren Entwicklung verschwimmen werden.

Noch nicht serienreif

Serienreif sind alle drei Konzepte noch nicht, auch wenn die Marketingabteilungen Seriennähe suggerieren wollen. Alle drei Hersteller arbeiten daran, den selbstzündenden Bereich auszuweiten. Diesel sind von Hause aus Magermotoren. Da der Kraftstoff heute in fünf bis acht Strahlen „nass“ eingespritzt wird, bilden sich im Brennraum heiße Nester, in denen Stickoxid entsteht, und „fette“ Bereiche, die für die Partikelbildung verantwortlich sind. Die Partikelbildung wird darüber hinaus durch Bestandteile von hochsiedenden Aromaten im erdölbasierten Kraftstoff begünstigt. Abhilfe versprechen BTL (Biomass to Liquid) und GTL (Gas to Liquid). Das sind wegen der Fischer-Tropsch-Endstufe identische Kraftstoffe hoher Qualität, die bisher leider nur in kleiner Menge zur Verfügung stehen. Sie sind aber die Voraussetzung für die großflächige Einführung des „homogenen“ Diesels.

Um den Diesel vorher schon zu „homogenisieren“, bedient man sich des gleichen Instrumentariums wie beim Ottomotor. Dabei wird im Homogenbereich etwa 30° vor dem oberen Totpunkt eine kleine Menge Kraftstoff eingespritzt. Sie verdampft bis zur Zündung und vermischt sich so homogen mit der Ansaugluft. Dieses Gemisch entzündet sich erst dann, wenn der obere Totpunkt überschritten wurde.

Wie beim Ottomotor liegt der Homogenbereich des Diesels in der Teillast, doch werden die Ingenieure erst dann zufrieden sein, wenn Homogenbetrieb bis zur Volllast möglich ist. Das scheint beim Diesel etwas einfacher zu sein als beim Ottomotor. Auch die teilhomogenisierten Diesel lassen sich ausgezeichnet fahren. Die Übergänge zu konventioneller Betriebsweise sind nicht spürbar. Im homogenen Bereich läuft der Diesel bis zu 9 Prozent sparsamer als konventionell – ein Riesenerfolg.

Ziel ist Senkung des Verbrauchs um 15 Prozent

In der Endstufe hofft man, den Verbrauch gegenüber dem heutigen, konventionellen Motor sogar um bis zu 15 Prozent zu senken. Der Motor, der am (vorläufigen) Ende der Forschungsbemühungen steht, wird nach dem Dieselverfahren arbeiten. Er wird mit einem sehr leichten Dieselkraftstoff gespeist, der dem Naphta ähnlicher ist als BTL/GTL und Kerosin. Sein Verbrauch wird zwischen 15 bis 18 Prozent unter dem heutiger Diesel liegen, und er wird nur noch Spuren von Schadstoffen im Abgas enthalten; dafür genügt ein Oxidationskatalysator. Ziel ist es, die kostentreibende Chemiefabrik unter dem Wagenboden heutiger Dieselmotoren ganz zu vermeiden. Vielleicht wird man zur Sicherheit den Oxi-Kat mit einem Partikelfilter kombinieren, um nicht der grünen Seele mancher Zeitgenossen die Nachtruhe zu rauben. Wann die Ingenieure so weit sind? Wir tippen auf den Zeitraum zwischen 2015 und 2020.

(ID:260393)