Homogene Kompressionszündung Zoom

Profiwissen Motortechnik: Das Beste aus zwei Welten

Der Motor springt nur unwillig an, schüttelt sich dabei wie ein nasser Hund. Schließlich kommt er zum Laufen, pustet, knattert, plärrt und tost unbändig. Noch fehlt es Forschungsmotoren, die nach dem Prinzip der Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) arbeiten, an den nötigen Manieren.

 Die – zu Deutsch – homogene, kompressionsgezündete Verbrennung vereint beide Welten – das Diesel-Verfahren mit dem Otto-Prinzip. Die Verbrennung eines weitgehend homogenen Gemischs beginnt dabei nahezu gleichzeitig im gesamten Brennraum.

Der Einspritzvorgang muss möglichst rasch erfolgen

Ziel der HCCI-Entwicklungsarbeit ist es, die Effizienz des Diesels zu erhalten oder besser noch zu steigern und gleichzeitig den Ausstoß von Stickoxiden und Rußpartikeln zu verringern. Die Entwickler von Nutzfahrzeugmotoren haben dabei neben einer fast rußfreien Verbrennung bei so gut wie keinem Stickoxidausstoß auch immer mehr die Steigerung des Wirkungsgrads im Auge. Damit der HCCI-Motor sein Gemisch aus Kraftstoff und Luft möglichst schadstofffrei verbrennen kann, muss die Zusammensetzung der Zylinderladung absolut gleichmäßig sein. Eine Verbrennung unterhalb Stickoxid-kritischer Temperaturen setzt allerdings eine genaue Trennung vom Einspritzvorgang voraus. Nur so kann die Verbrennung an idealerweise fast allen Stellen im Brennraum gleichzeitig beginnen. Dafür muss der Einspritzvorgang möglichst rasch erfolgen, damit dem Kraftstoff genügend Zeit bleibt, sich mit der Luft im Brennraum fein zu vermischen.

Vermeiden wollen die Motorentwickler unter allen Umständen, dass das Gemisch unkontrolliert brennt, bevor die Einspritzung beendet ist. Motorklopfen, hohe Druckgradienten, zunehmende Geräusche und eine extreme Rauchentwicklung wären die Folge. Zumal die Belastungen ohnehin schon extrem sind, da die abrupte HCCI-Verbrennung des Diesel-Luft-Gemischs den Motor mit einem Druckanstieg konfrontiert, der dem eines Hammerschlags gleichkommt. Aus diesem Grund müssen HCCI-Motoren grundsätzlich größer dimensioniert sein, was sich aber damit ausgleichen lässt, dass Abgasnachbehandlungs-Systeme wie SCR-Kat und Partikelfilter wegfallen.

Oxidationskatalysatoren werden in HCCI-Motoren notwendig sein

Während Schadstoffe wie Stickoxid und Rußpartikel mit dem HCCI-Verfahren gut in den Griff zu bekommen sind, gehören die Emissionen von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu den Sorgenkindern der Motorenforschung. Oxidationskatalysatoren werden also auch in HCCI-Motoren notwendig sein.

Der Zündwilligkeit des Diesels lässt sich mit einer anderen Verdichtung und einer Temperatursenkung entgegenwirken. Letztere erreichen die Motorenforscher durch gekühlte Abgasrückführung mit Hilfe eines variablen Turboladers. Bei höherer Last reicht eine interne Abgasrückführung aber nicht mehr aus. In Frage kommt eine externe Abgasrückführung mit zweistufiger Turboladung und Zwischenkühlung. Auch hier gibt es aber einen Haken: Es entsteht der Zielkonflikt, dass mit höheren Raten gleichzeitig die Motorleistung abnimmt. Eine weitere Maßnahme, die Verbrennung zu kontrollieren, ist das Regeln des Luftüberschusses. Voraussetzung dafür sind an jedem einzelnen Zylinder frei steuerbare Ventile, mit denen sich fein abgestufte Verbrennungsprofile bilden lassen.

Gefragt sind saubere und teilweise synthetisch hergestellte Kraftstoffe

Noch ungelöst ist ebenso die Verfügbarkeit der für HCCI-Motoren notwendigen Kraftstoffe. Der ideale Sprit weicht vom bisher gehandelten deutlich ab. Gefragt sind saubere und teilweise synthetisch hergestellte Kraftstoffe mit hohem Zündpunkt, die leicht zu zerstäuben sind. Scania setzt große Hoffnungen in Ethanol. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bisherige Kraftstoffe wie Benzin und Diesel zu mischen oder Additive einzusetzen.

Andreas Wolf lastauto omnibus

Autor

Foto

Tedd Soost

Datum

20. Februar 2012
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