Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes in einem Dreiventil-Forschungsmotor mit sehr kleinem Zylinderhubvolumen. / TU Braunschweig (Bild: Institut für Verbrennungskraftmaschinen (IVB)
Künftige Verbrennungsmotoren können noch kleiner ausfallen und dadurch weniger CO2ausstoßen. Dies zeigen mehrere Projekte der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV), die auf der Frühjahrstagung 2015 vorgestellt wurden. So ist es möglich, effiziente Motoren zu bauen, bei denen der Hubraum je Zylinder nur 200 Kubikzentimeter beträgt.
Gestiegene Leistung
Die spezifische Leistung moderner Ottomotoren, gemessen in Kilowatt pro Liter Hubraum, ist in den letzten Jahren durch Abgasturboladung und Direkteinspritzung deutlich gestiegen. Daher haben sich Dreizylindermotoren bis hinauf in die Mittelklasse durchsetzen können. Der Hubraum je Zylinder beträgt bei diesen Downsizing-Aggregaten in der Regel zwischen 350 und 500 Kubikzentimeter. Ist es möglich, den Hubraum je Zylinder deutlich abzusenken? Und wenn ja, welche Technologien benötigt man dafür? Mit diesen Forschungsfragen beschäftigte sich ein jüngst abgeschlossenes Forschungsvorhaben der FVV, das an der Technischen Universität Braunschweig durchgeführt wurde.
Vorstudie mit Zylinderhubvolumen von 200 Kubikzentimetern
In einer Vorstudie hatten sich die Wissenschaftler zunächst dafür entschieden, ein Zylinderhubvolumen von 200 Kubikzentimetern zugrunde zu legen. Der Forschungsmotor wurde mit zwei verschiedenen Zylinderköpfen ausgerüstet: einem Drei- und einem Vierventiler. „Da bei unserem Motor die Bohrung mit nur 60 Millimeter Durchmesser sehr klein ausfällt, war es bei einem stehend angeordneten Injektor günstiger, nur drei Ventile einzusetzen“, erläutert Professor Dr. Peter Eilts, der das Institut für Verbrennungskraftmaschinen in Braunschweig leitet. Zudem kamen bei den Untersuchungen verschiedene Injektoren zum Einsatz, die sich hinsichtlich Anzahl und Gestaltung der Einspritzlöcher, Durchflussmenge und Impuls unterschieden.
Bessere Variante Dreiventilkonzept
Die Untersuchungen an einem Forschungsmotor zeigten, dass das Dreiventilkonzept bei Abgasemissionen und spezifischem Verbrauch die günstigere Variante darstellt, sofern die Kraftstoffeinspritzung an den Motor angepasst wird. Dies ist möglich, indem der Durchmesser der sechs Einspritzlöcher je nach Anordnung variiert wird. Dadurch verteilt sich der Kraftstoff im Brennraum besser, zudem landet ein geringerer Anteil auf den Zylinderwänden, wo er zur Partikelbildung beitragen kann. Allerdings zeigte sich auch, dass die Abgasemissionen bei dem Dreiventilkonzept, insbesondere im Bereich hoher Leistung, von vielen Details abhängen. „Kleine Motoren mit drei Ventilen je Zylinder haben großes Potenzial“, fasst Eilts die Ergebnisse zusammen.
Untersuchung mit Biokraftstoffen
In einem anderen Vorhaben untersuchten Wissenschaftler der RWTH Aachen im Auftrag der FVV, wie sich verschiedene Biokraftstoffe in hochaufgeladenen Ottomotoren mit Direkteinspritzung verhalten. Generell sind Kraftstoffe mit höherem Ethanolgehalt für kleine Motoren mit hoher Leistungsdichte nämlich sehr geeignet: Sie erhöhen die Klopffestigkeit, die Neigung des Motors zu unkontrollierten Selbstzündungen bei hoher Leistungsanforderung nimmt ab. Dementsprechend kann auch bei hoher Last und Drehzahl mit einem optimalen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gefahren werden. „Gleichzeitig müssen wir jedoch sicherstellen, dass der Motor auch mit normalem Superkraftstoff effizient betrieben werden kann“, erläutert Professor Dr. Stefan Pischinger. Als bewährte Methode gilt die Einspritzung zusätzlichen Kraftstoffs – doch das erhöht die CO2-Emission. Alternativ untersuchten die Aachener zwei Technologien an einem hochaufgeladenen Dreizylindermotor mit 0,8 Litern Hubraum: Zum einen ein späteres Schließen des Einlassventils, zum anderen die Rückführung gekühlten Abgases. Ein so konfigurierter Motor würde bereits im europäischen Normzyklus rund zwei Prozent weniger Kraftstoff verbrauchen. Deutlich höher fällt die Reduktion jedoch aus, betrachtet man den für schnelle Autobahnfahrten relevanten Betriebsbereich. Obwohl Ladedruck und Kühlleistung bei dem Versuchsmotor limitiert waren, konnte eine Leistungssteigerung von 8,5 Prozent ohne „Anfettung“ nachgewiesen werden.
Nutzfahrzeug-Dieselmotore
Auch bei Nutzfahrzeug-Dieselmotoren ist eine weitere Steigerung der spezifischen Leistung möglich. An der Technischen Universität Braunschweig wurde dazu ein variables Ventiltriebssystem untersucht. Das elektrohydraulische System, das ohne Nockenwelle auskommt, ermöglicht eine stufenlose Verstellung der Ventilsteuerzeiten. Durch späteres Schließen des Einlassventils ist eine Steigerung der Leistung um rund zehn Prozent möglich. Die gewonnene Freiheit bei den Ventilsteuerzeiten kann jedoch auch genutzt werden, um die Abgastemperaturen gezielt zu erhöhen. Dies ist wichtig, weil für die einwandfreie Funktion der Abgasreinigungsanlage ein gewisses Temperaturniveau nicht unterschritten werden darf. „Ein variabler Ventiltrieb ermöglicht es grundsätzlich auch, bei gleicher Leistung, Verbrauch und Schadstoffemissionen abzusenken“, erläutert Eilts.