Technologiebausteine für künftige Verbrennungsmotoren

Auf dem Weg in eine klimaneutrale Antriebswelt spielt ein guter alter Bekannter eine Schlüsselrolle: Der Verbrennungsmotor, der heute die dominierende Antriebsart im Straßenverkehr darstellt. Denn zum einen steigt trotz wachsender Marktanteile alternativer Antriebe die absolute Anzahl produzierter Verbrennungsmotoren derzeit weiter an, zum anderen besteht die Option, Langstreckenmobilität mit synthetischen Kraftstoffen klimaneutral zu gestalteten. Aus Sicht von IAV gehört die Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors daher zu den zentralen Aufgaben der Antriebsentwicklung. Dabei sind weitere Effizienzsteigerungen genauso wichtig wie das Erreichen eines „Zero Impact“-Emissionsniveaus.

Derzeit in den Markt eingeführte Ottomotoren erzielen bereits Spitzenwirkungsgrade von circa 38 Prozent, Pkw-Dieselmotoren sogar bis zu maximal 46 Prozent. Allerdings spielen diese im besten Kennfeldbereich erreichten Werte für den Betrieb in Kundenhand nur eine untergeordnete Rolle: Hier kommen aktuelle Motoren auf Werte von 25 (Ottomotor) bis 29 Prozent (Dieselmotor). Um im Realbetrieb mittlere Betriebswirkungsgrade von 40 Prozent zu erreichen, müssen künftige Ottomotoren Spitzenwirkungsgrade von 45 bis 50 Prozent aufweisen. Für Dieselmotoren liegt der Zielwert für den Spitzenwirkungsgrad nochmals um zwei bis drei Prozent höher. Die dafür einzusetzenden Technologiebausteine entwickelt IAV derzeit.

Bereits heute bestechen Ottomotoren aufgrund ihrer stöchiometrischen Betriebsführung in Verbindung mit einem vergleichsweise einfachen Abgasnachbehandlungssystem im betriebswarmen Zustand mit äußerst niedrigen Schadstoffemissionswerten. Ist das Abgasnachbehandlungssystem jedoch nicht auf Betriebstemperatur, so werden die Schadstoffemissionen unbehandelt in die Umwelt entlassen, was bei jedem Kaltstart oder dem Wiederstart in einem hybriden Antriebsstrang der Fall ist.

Als besonders interessant erweisen sich dabei beispielsweise die Vorkonditionierung des Kraftstoffs, etwa durch beheizte Einspritzdüsen, sowie die Wärmekapselung des kompletten Verbrennungsmotors. Letztere ermöglicht es, Restwärme aus vorangegangenen Fahrtabschnitten möglichst lange im Motor zu halten.

Für eine effiziente Umsetzung der im Kraftstoff enthaltenen Energie ist es notwendig, die Wärmeverluste über die Zylinderwände möglichst gering zu halten. Allerdings besteht gleichzeitig die Anforderung, dass die Wärme bei hohen Lasten schnell abgeführt werden kann, um Selbstzündungen im Gemisch und damit einer ggf. vollständigen Zerstörung des Motors vorzubeugen. Eine Lösung dieses Zielkonflikts ist über eine Phasen-Wechsel-Kühlung zu erreichen. Die Kühlleistung eines solchen Systems wird deutlich erhöht, da das Kühlmittel bei hohen Leistungsanforderungen durch einen Phasenwechsel zusätzliche Energie aufnehmen kann. Auf gleichem Weg kann durch eine entsprechende Erweiterung dem System auch Abgaswärme zugeführt werden und anschließend mithilfe eines Kolben-Dampf-Expanders nutzbar gemacht werden. Erste Untersuchungen bei IAV zeigen ein WLTP-Verbrauchspotenzial von rund 15 Prozent.

Effizienzsteigerungen sind vor allem durch eine Verringerung der Selbstzündneigung zu erzielen, wobei die damit einhergehende Möglichkeit zur Erhöhung der geometrischen Verdichtung weitere deutliche Potenziale im gesamten Kennfeld erschließt. Hierzu arbeitet IAV bereits seit langem an der Realisierung eines Brennverfahrens mit Einspritzdrücken größer 1000 bar. In Verbindung mit einer angepassten Einspritzstrategie lassen sich hier deutliche Potenziale ausweisen.

Als im Rennsport erprobte Methode eignet sich die Vorkammerzündung über eine Verringerung der Klopfneigung zur Erzielung einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung. Wird diese aktive ausgeführt, so hat sie zusätzlich den Vorteil, dass im Zylinder selbst eine hohe Luftverdünnung des Gemisches erreicht werden kann, ohne die Stabilität des Verbrennungsablaufes zu gefährden.

Der Dieselmotor weist per se eine sehr hohe Effizienz auf. Allerdings ist es für die zukünftige Akzeptanz dieses Antriebs unumgänglich, auch für Stickoxide einen „Zero Impact“- Emissionswert zu erreichen. Die Herausforderung beim Einsatz heutiger Abgasnachbehandlungstechnologien besteht weniger im Erreichen minimaler Emissionswerte in typischen Standardfahrzyklen als vielmehr darin, unter allen Bedingungen im Realbetrieb sehr niedrigere Grenzwerte zu erreichen.

Schwierig ist dies vor allem in Bereichen sehr hoher und sehr niedriger Motorlast. Bei sehr hoher Last – insbesondere wenn sehr kleine Motoren in relativ großen und schweren Fahrzeugen zum Einsatz kommen – erhöhen sich die Emissionen stark, wenn die Raumgeschwindigkeit im Katalysator zu groß und die Abgasrückführraten zu niedrig werden. Grundsätzlich schafft hier nur eine angemessene Dimensionierung von Motor und Abgasreinigungssystem Abhilfe, ebenso wie Tandem SCR-Systeme mit zwei AdBlue Dosierstellen.

Direkt nach dem Motorkaltstart und bei Fahrten mit geringer Motorlast ist es vor allem die zu niedrige Abgastemperatur, die den Entwicklern Sorgen bereitet. Das Abgasreinigungssystem ist noch zu kalt bzw. kühlt in der Folge schwachlastigen Fahrbetriebs aus und erreicht nicht mehr die gewünschten Konvertierungssraten. Eine Schlüsseltechnologie zur Absenkung der NOx-Emission unter diesen Bedingungen ist das aktives Zylindertemperaturmanagement, das eine gute AGR-Verträglichkeit und den Einsatz der drosselfreien Füllungssteuerung ermöglicht. Wo dies nicht ausreicht, wie zum Beispiel direkt nach dem Motorkaltstart, erweist sich die Anhebung der Abgastemperatur als probates Mittel, etwa durch den Einbau eines beheizbaren Katalysators.

Zudem besteht die Möglichkeit, die nach dem Motorstart entstehende Stickoxid-Rohemission durch aktive NOx-Speicherkatalysatoren bzw. passive NOx-Adsorber zu puffern. Da die im Abgas enthaltene Energie bei Verwendung mehrstufiger Aufladesysteme stark abnimmt, werden Alternativen wie die einstufige Aufladung mit elektrischem Zusatzverdichter attraktiv.

Die genannten Technologiebausteine stellen nur einen Ausschnitt aus den verfügbaren Optionen dar, die durch eine sinnvolle Kombination zu effizienteren „Zero Impact“-Antrieben führen können. Bei der Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors, ob diesel- oder ottomorisch, ist zudem immer der mögliche Betrieb mit klimaneutralen synthetischen Kraftstoffen zu berücksichtigen.

Auf dem Weg dorthin könnten diese klimaneutralen synthetischen Kraftstoffe als „Drop-in“ Lösung sofort nach Verfügbarkeit zu einer deutlichen CO₂-Reduktion in der neuen und bestehenden Flotte führen – die Anerkennung der CO₂-reduzierenden Wirkung muss allerdings kurzfristig legislativ festgeschrieben werden.

Der Artikel erschien in der automotion 02/2019, dem Automotive Engineering-Fachmagazin von IAV. Hier können Sie die autmotion kostenfrei bestellen.