150 Jahre nach der Erfindung des Otto-Motors ist der Verbrennungsmotor
noch lange nicht am Ende der technologischen Fahnenstange angelangt.
Mit einigen Veränderungen des Brennraums und einer ausgeklügelten
Elektronik lassen sich erstaunliche Verbesserungen erzielen, zum
Beispiel in Sachen Wirkungsgrad und Schadstofffreiheit.
Dieser neue Verbrennungsmotor nennt sich HCCI-Motor, das ist Englisch
und steht für Homogeneous Charge Compression Ignition.
Er vereint das Beste aus zwei Welten, den hohen Wirkungsgrad des
Dieselmotors mit der sauberen Verbrennung eines Benziners.
Das ist natürlich leichter gesagt als getan und es gibt in der
Entwicklung des HCCI-Motors einige Herausforderungen für die KIT
-Forscher.
Aber Dr. Uwe Wagner vom Institut für Kolbenmaschinen hat diese Hürde
jetzt genommen, gemeinsam mit einem Unternehmen aus Friedrichshafen,
der MTU.
Mein Kollege Stefan Fuchs von Radio KIT hat sich mit ihm für ein
ausführliches Interview getroffen.
Herr Dr. Wagner, wir sind hier am Institut für Kolbenmaschinen des
Karlsruher Instituts für Technologie.
Was uns heute beschäftigt ist eine Art Hybrid, aber ein ganz anderer,
als man sonst mit diesem Begriff Hybrid in Bezug auf PKW verbindet.
Es handelt sich um sogenannte HCCI-Motoren, das steht für Homogeneous
Charge Compression Ignition-Motoren.
Da müssen wir ein bisschen erklären, wie denn so die
Wirkungsprinzipien von Dieselmotoren auf der einen Seite und
Benzinmotoren auf der anderen Seite traditionell sind.
Vielleicht beginnen wir mit den Dieselmotoren.
Das sind typischerweise Motoren ohne Zündkerzen.
Dieselmotoren sind sogenannte Motoren mit Selbstzündung.
Das heißt, wir verdichten reine Luft typischerweise auf relativ hohe
Temperaturen, spritzen dann den Dieselkraftstoff direkt in diese heiße
Luft ein.
Aufgrund der hohen Temperatur kommt es zu einer Verdampfung und zu
einer Selbstzündung des Kraftstoffes.
Das heißt, die Verbrennung setzt eigenständig ein, sobald eben
Kraftstoff vorhanden ist und ausreichend hohe Temperaturen, dass die
Selbstzündung auftreten kann.
Bei Benzinmotoren ist das anders, da brauchen wir Zündkerzen, dafür
hat man dort eine gleichmäßige Durchmischung bereits von Kraftstoff
und Luft.
Im Gegensatz zu Dieselmotoren, die den Kraftstoff sehr spät erst in
die heiße Luft einspritzen, saugen Otto-Motoren, Benzinmotoren im
Vergleich dazu ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch an.
Das heißt, der Kraftstoff, der verbrannt werden soll, liegt schon
komplett homogen mit der Luft vermischt vor.
Und um dann eine Verbrennung einleiten zu können, verwenden sie
typischerweise eine Zündkerze, die mit einem Zündfunken die
Verbrennung einleitet.
Der Nachteil des Dieselmotors, wir wissen es alle, der Ausstoß von
Partikeln, also Rußpartikel auf der einen Seite, Stickstoff auf der
anderen Seite, die müssen nachträglich bei den jetzt gefahrenen
Motoren, Dieselmotoren, wieder eingefangen werden.
Insbesondere bei den Rußpartikeln ist das nicht ganz unproblematisch,
wie wir wissen.
Diese HCCI-Motoren, also Dual-Fuel-Motoren, die mit Diesel und Benzin
arbeiten, sollen dieses Problem lösen.
Wie kriegen die das hin?
Typischerweise ist es so, dass Dieselmotoren aufgrund ihres
Brennverfahrens sehr gute Wirkungsgrade zeigen, weil wir ein
heterogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennen.
Im Gegensatz dazu haben Benzinmotoren sehr gute Schadstoffemissionen,
aber vom Wirkungsgrad deutlich ungünstiger als Dieselmotoren.
Mit einem HCCI-Motor wollen wir nun beide Vorteile guter Wirkungsgrad
beim Dieselmotor und niedrige Schadstoffemissionen des Otto-Motors
quasi kombinieren, indem wir ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch, so
wie beim Otto-Motor auch vorliegen haben, aber dieses Gemisch jetzt
nicht über eine Zündkerze, sondern über die Temperaturerhöhung während
der Kompression selbst zünden.
Das müsste man vielleicht noch ein bisschen erklären, warum diese
ungleichmäßige Durchmischung von Luft und Kraftstoff im Bereich des
Dieselmotors eine bessere Wirkung hat als die gleichmäßige
Durchmischung.
Bei einem Otto-Motor müssen Sie, oder bei einem Benzinmotor müssen
Sie, wenn Sie das Luft-Kraftstoff-Gemisch komplett homogen vermischt
vorliegen haben, Luft und Kraftstoff immer in einem genau festgelegten
Verhältnis zueinander mischen.
Das heißt, wollen Sie wenig Kraftstoff verbrennen, brauchen Sie auch
wenig Luft.
Das machen Sie über eine Drosselklappe, das heißt, der Motor saugt
gedrosselt an und das sind die sogenannten deutlichen Drosselverluste
beim Otto-Motor.
Das ist schlecht für den Wirkungsgrad.
Bei einem Dieselmotor saugen Sie immer ungedrosselt die volle
Luftmenge an.
Wenn Sie wenig Kraftstoff verbrennen wollen, spritzen Sie einfach nur
wenig Kraftstoff in den Brennraum ein.
Da Sie kein homogenes, sondern dann ein heterogenes Gemisch haben,
können Sie problemlos beliebig große oder kleine Kraftstoffmengen in
Ihrer vorgegebenen Luftmenge verbrennen und haben damit nicht die
Drosselverluste, also einen deutlich erhöhten Wirkungsgrad des
Dieselmotors.
So, wie sieht es jetzt aus mit diesem Dual-Fuel-Motor, der also beide
Vorteile von Otto-Motor und Dieselmotor vereinigen soll?
Kann man damit in Zukunft dann auf die Partikelfilter zum Beispiel
verzichten?
Der große Vorteil eines HCCI-Motors oder eines homogen betriebenen
Motors ist, dass Sie aufgrund des homogenen Luftkraftstoffgemisches
eben keine Rußemissionen und typischerweise auch keine
Stickoxidemissionen produzieren.
Sie haben aber den Nachteil, dass Sie aufgrund der schon homogen
vorliegenden Luftkraftstoffmischung während der Kompression der
Temperaturerhöhung nicht mehr in der Lage sind, den Beginn der
Verbrennung zu kontrollieren.
Beim Benzinmotor haben Sie die Zündfunken, das heißt haben Sie keine
Zündfunken, haben Sie keine Verbrennung.
Beim Dieselmotor haben Sie die Kraftstoffeinspritzung, das heißt über
den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung können Sie bestimmen, wann
und ob die Verbrennung stattfindet.
Diese Kontrolle geht Ihnen bei einem homogenen Luftkraftstoffgemisch,
das Sie eben verdichten und damit die Temperatur erhöhen, verloren.
Das heißt, sobald eben ausreichende Temperaturen erreicht sind, dass
Selbstzündung einsetzen kann, verbrennt schlagartig der gesamte
Kraftstoff im Brennraum.
Dieses Problem haben Sie jetzt gelöst, indem Sie eine kleine Menge
Diesel einspritzen, so habe ich das verstanden.
Das heißt, dieser kleine Einspritzer von Diesel ersetzt sozusagen die
Zündkerze?
Ansatzweise.
Was wir gemacht haben in unserem Motor ist, dass wir weiterhin ein
homogenes Luftkraftstoffgemisch, typischerweise eben Benzin und Luft
haben, dieses Luftkraftstoffgemisch aber nicht ganz so hoch
verdichten, dass es zu einer Selbstzündung kommt.
Und wenn wir die Zündung haben wollen, eine kleine Kraftstoffmenge in
Form von Diesel direkt in dieses Luftkraftstoffgemisch einspritzen,
was dann selbst zündet und die gesamte Verbrennung des
Luftkraftstoffgemisches initiiert.
Und damit sind jetzt die europäischen Anforderungen und auch die
amerikanischen Anforderungen, was die Partikelemission zum Beispiel
betrifft, sind damit erfüllbar?
Die aktuell und auch zukünftig ab 2014 bzw.
2016 in den USA und Europa geltenden Abgasgrenzwerte auf der
Partikelseite halten wir komplett ohne Abgasnachbehandlung ein, mit
einer Unterschreitung von ungefähr 50 Prozent des Grenzwertes.
Auch bei den Stickoxidemissionen unterschreiten wir die Grenzwerte um
bis zu 90 Prozent.