TEIL 2: ENTWICKLUNG DER BRENNVERFAHRENIn der MtZ 4 haben die tu Kaiserslautern und das Karlsruher Institut für technologie (KIt) die mechanischen

Möglichkeiten zur weiteren entwicklung von homogen, stöchiometrisch betriebenen ottomotoren hinsichtlich

Kraftstoffverbrauch und Co2-emissionen dargestellt. In diesem zweiten teil des Beitrags werden nun neue Brenn-

verfahren zur weiteren effi zienzsteigerung betrachtet. Dazu werden der stöchiometrische und der geschichtete

Magerbetrieb sowie zukünftige Brennverfahren wie homogene Kompressionszündung beim ottomotor vorgestellt

und deren Potenzial aufgezeigt. Die beschriebenen Grenzpotenziale beider Beiträge werden zusammengefasst

und einander gegenübergestellt.

TEIL 2:

GRENZPOTENZIALE DER CO2-EMISSIONEN VON OTTOMOTOREN

entwicklung ottoMotoren

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Motivation

In [1] wurden bereits die Möglichkeiten und Grenzen thermodynamischer Ansätze zur Prozessoptimierung am homogen, stöchiometrisch betriebenen Ottomotor mittels Ventiltriebsvariabilität bewertet und miteinander verglichen. Dazu wurden die Einsatzmöglichkeiten von Phasensteller, diskretem Hubum-schalter und vollvariablem System vonei-nander abgegrenzt. Ferner wurde das Kraftstoffeinsparpotenzial einer Zylin-derabschaltung im drosselfreien Motor-betrieb aufgezeigt. Auch die Technik-kombination aus variabler Verdichtung und mechanisch vollvariablem Ventil-trieb auf der Ein- und Auslassseite wurde dargestellt. Der vorliegende Beitrag erweitert diese Ausführungen um Mög-lichkeiten und Grenzen der Weiterent-wicklung der Brennverfahren.

vollvariabler ventiltrieb und hoMogene abMagerung

Der Kraftstoffverbrauch eines drosselfrei betriebenen Ottomotors kann verringert werden, wenn man ihn homogen mager, das heißt mit Luftüberschuss, betreibt. Eingestellt wird dieser homogen magere Betrieb durch einen vergrößerten Ein-lassventilhub, wodurch die Ladungs-wechselverluste zusätzlich gegenüber dem stöchiometrischen, drosselfreien Betrieb sinken. Da durch die aus der homogenen Ab ma gerung resultierende Ladungsverdünnung auch die Restgas-verträglichkeit des Motors verschlechtert

wird, kann das volle Ladungswechsel-potenzial bei drosselfreier Laststeuerung im Magerbetrieb nicht ausgeschöpft wer-den. Hierzu wären kleinere Ein- und Auslassspreizungen notwendig, welche durch die abgesenkte Restgasverträg-lichkeit nicht fahrbar sind. Bei einem 3,0-l-Motor wurde der effektive spezi-fische Kraftstoffverbrauch um circa 7,5 g/kWh beziehungsweise um 2,5 % im Betriebspunkt n = 2000/min und pme = 2 bar durch den homogen mage-ren Motorbetrieb bei drosselfreier Last-steuerung reduziert, 1.

Durch den homogen mageren Betrieb kann die effiziente Abgasnachbehandlung durch den Dreiwege-Katalysator nicht mehr genutzt werden, um die Stickoxid-emissionen nachzubehandeln. Somit ist eine aufwendige zusätzliche Abgasnach-behandlung zur Reduktion der NOx-Emis-sionen erforderlich, beispielsweise ein NOx-Speicherkatalysator oder ein SCR-Sys-tem. Eine Serienumsetzung ist aufgrund des geringen Kraftstoffverbrauchsvorteils und der aus der Abgasnachbehandlung folgenden hohen Systemkosten aus heuti-ger Sicht unwahrscheinlich.

vollvariabler ventiltrieb und laMbda-Split-verfahren

Die Idee des Lambda-Split-Verfahrens ist es, einen Teil der Zylinder stöchiomet-risch mit λ=1 zu betreiben, während die restlichen Zylinder homogen mager mit λ>1 betrieben werden. Bei dem nachfol-gend untersuchten Sechszylindermotor werden im Lambda-Split-Verfahren drei

Autoren

prof. dr.-ing. rudolf flierlist Leiter des Lehrstuhls

für Verbrennungskraftmaschinen der tu Kaiserslautern.

dipl.-ing. frederic lauerist Wissenschaftlicher Mitarbeiter

am Lehrstuhl für Verbrennungs kraftmaschinen

der tu Kaiserslautern.

dipl.-ing. Stephan SchMittwar Wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen

der tu Kaiserslautern.

prof. dr.-ing. ulrich Spicher ist Leiter des Instituts für

Kolbenmaschinen am Karlsruher Institut für technologie (KIt).

1 Effektiver spezifischer Kraftstoffverbrauch bei homogener Abmagerung

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Zylinder stöchiometrisch und drei Zylin-der homogen mager betrieben. Der Magerbetrieb wird eingestellt, indem die Kraftstoffeinspritzung bei gleicher Luft-menge in den Zylindern verringert wird. Durch die Abmagerung sinkt die Last der entsprechenden drei Zylinder. Um die Drehmomentabgabe des Motors kon-stant zu halten, werden die drei stöchio-metrisch betriebenen Zylinder in der Last und somit auch im Wirkungsgrad angehoben. In den abgemagerten Zylin-dern steigt einerseits durch die homogen magere Verbrennung der Wirkungsgrad, andererseits sinkt er durch die Last-punktschiebung zu einer geringeren indizierten Last. In Summe überwiegt der Vorteil in der Lastpunkt- und Wir-kungsgradverschiebung, sodass im Last-punkt n = 2000/min und pme = 3 bar

Verbrauchsvorteile in Höhe von 2,5 % erzielt werden können, 2.

In höheren Lastpunkten mit gesteiger-ter Restgasverträglichkeit sind bis zu 8 % Verbrauchsvorteil realisierbar [2]. Somit eignet sich dieses Verfahren insbeson-dere in Kombination mit der drossel-freien Laststeuerung zur Verbrauchsre-duktion bei höheren Lasten (Kundenver-brauch). Allerdings muss auch bei dieser Betriebsstrategie die Abgasnachbehand-lung an den Betrieb mit Luftüberschuss angepasst werden.

Strahlgeführte benzin-direkteinSpritzung

Die heute mit einer strahlgeführten Ben-zindirekteinspritzung erzielbaren Kraft-stoffverbräuche werden von Waltner et al.

in [3] an einem 3,5-l-Saugmotor mit mehr-facher Einspritzung durch Piezoinjekto-ren beschrieben. Die dabei ermittelten Verbräuche sowie die Verbrauchspotenzi-ale im Vergleich zum homogenen stöchio-metrischen Motorbetrieb sind in 3 darge-stellt. Legt man die dort veröffentlichten Verbräuche zugrunde und bezieht diese auf einen 2,0-l-Saugmotor, so erreicht man gegenüber dem 3,5-l-Saugmotor mit 290 g/kWh durch die geringfügig höhere Leistungsaufnahme für die Nebenaggre-gate und das Einspritzsystem etwa 300 g/kWh im Betriebspunkt n = 2000/min und pme = 2 bar. Dieser Betriebspunkt entspricht für einen 2,0-l-Saugmotor annähernd der Leistung für die im NEFZ vorliegende mittlere Geschwindigkeit.

Da die tatsächlich auf der Straße gefahrene mittlere Geschwindigkeit

2 Lambda-Split-Verfahren und Verbrauchsvorteile

3 Strahlgeführtes Verfahren und dessen Verbrauchsvorteile [3]

entwicklung ottoMotoren

406

etwa doppelt so hoch ist, ist im realen Fahrbetrieb eine höhere mittlere Leis-tung erforderlich. Der dafür relevante Betriebspunkt eines 2,0-l-Motors ent-spricht bei n = 2000/min einem effekti-ven Mitteldruck von pme = 5 bar. Für diesen Betriebspunkt ergibt sich bei die-sem Saugmotor ein effektiver spezifi-scher Kraftstoffverbrauch von 255 g/kWh, was einem effektiven Wirkungs-grad von 33 % entspricht. Bezieht man diesen Wirkungsgrad auf die bei heuti-gen Antrieben mit homogener Benzin-

direkteinspritzung und Aufladung im realen Fahrbetrieb erreichten tatsäch-lichen Wirkungsgrade von 25 bis 30 %, so wird durch die strahlgeführte Direkt-einspritzung mit Schichtladung und Piezoinjektoren eine Wirkungsgradzu-nahme von 10 bis über 30 % erzielt. Durch intensivierte Forschung und Ent-wicklung an diesen Brennverfahren und hier insbesondere an der Einspritztech-nik, aber auch durch verbesserte Kraft-stoffe, dürften sich Wirkungsgrade von mehr als 40 % erzielen lassen.

4 Spezifischer Kraftstoff-verbrauch bei geschichteter strahlgeführter Benzindirekt-einspritzung mit Aufladung (n = 2000/min, pmi = 6 bar, Einspritzdruck = 1000 bar)

5 Rußkonzentration bei Variation des Einspritzdrucks bei geschichteter strahlgeführter Benzindirekteinspritzung (n = 2000/min, pmi = 6 bar) [5]

6 Gesamtmasse der Partikel bei geschichteter strahlgeführter Ben z in direkteinspritzung und Variation der Last (n = 2000/min) [5]

05I2012 73. Jahrgang 407

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Die elastische Kupplung

Die strahlgeführte Benzindirektein-spritzung zeigt damit das bisher größte Verbrauchspotenzial, das mit heute erprobten Techniken erschlossen werden kann. Weitere Verbesserungen lassen sich auch bei diesem Verfahren wie bei der Direkteinspritzung mit homogenen Kraft-stoff-Luft-Gemischen durch Aufladung erzielen. So haben erste Untersuchungen in [4] mit extrem hohen Einspritzdrücken bis zu 1000 bar und Aufladung bei Ver-wendung von Mehr loch düsen für Diesel-anwendungen gezeigt, dass im Schichtla-debetrieb Wirkungsgradsteigerungen bis über 40 % indiziert und über 35 % effektiv mit weiteren Verbrauchsreduzie-rungen (bi = 208 g/kWh beziehungs-weise be ≈ 230 g/kWh) möglich sind, 4. Dabei wurde der Motor mit einem Aufla-degrad von 1,5 betrieben, wodurch sich bei einem Mitteldruck von pmi = 6 bar

(pme = 5 bar) ein sehr mageres Luftver-hältnis von λ= 3,3 ergab.

Dabei hat sich auch gezeigt, dass ins-besondere die Partikelemissionen (Masse und Anzahl) deutlich unterhalb der zukünftigen Grenzwerte bleiben [5]. 5 zeigt die Rußkonzentration für den glei-chen Betriebspunkt mit pmi = 6 bar und der Motordrehzahl n = 2000/min. Dabei wurde der Motor mit Schichtladung im Saugmodus betrieben, also ohne Aufla-dung. Variiert wurde der Einspritzdruck, ausgehend von 200 bar, in Schritten von 100 bar, bis zum maximalen Einspritz-druck von 1000 bar. Mit zunehmendem Einspritzdruck zeigt sich ein deutlicher Abfall der Rußkonzentration. Der Abfall von circa 3 mg/m3 auf 0,1 mg/m3 resul-tiert dabei aus der reduzierten Anzahl von Partikeln mit großen Durchmessern. Insgesamt nimmt die Anzahl der Parti-

kel um 88 % ab, während die Partikel-masse sogar um 97 % durch die Ein-spritzdruckerhöhung abnimmt. 6 zeigt die Gesamtmasse der Partikel für eine Lastvariation im Schichtbetrieb für die Motordrehzahl n = 2000/min und einen Einspritzdruck von 200 sowie 1000 bar mit den zwei in [5] eingesetzten Einspritzdüsen.

Es zeigt sich, dass die Gesamtmasse der emittierten Partikel bei 1000 bar Ein-spritzdruck erheblich geringer ist als bei 200 bar. Bis zu einem Mitteldruck von pmi = 6 bar bleibt die Masse der Partikel bei 1000 bar Einspritzdruck unterhalb von 0,05 mg/m3 und steigt erst ab pmi = 7 bar auf 0,5 mg/m3 bei pmi = 8 bar. Dieser Wert wird mit dem – heute in der Praxis maximalen – Einspritzdruck von 200 bar nur beim indizierten Mitteldruck von 3 bar erreicht.

8 Luftverhältnis, Verbesserung im Kraftstoff verbrauch, Variationskoeffizient der Mitteldruck schwankung und Druck gradient beim HCCI-Betrieb mit Piloteinspritzung [8]

7 Vergleich der Wirkungsgradeffekte von Brennverfahren und Ventiltriebfreiheits-graden im Teillastbetriebspunkt mKR = 8 mg, n = 2000/min [7]

entwicklung ottoMotoren

408

Bei den NOx-Emissionen konnten dabei zwar ebenfalls Reduzierungen gegenüber dem Betrieb mit einem Einspritzdruck von 200 bar erzielt werden, hier sind jedoch noch weitere Untersuchungen erforderlich. Insbesondere bieten sich Stra-tegien an, bei denen Abgasrückhaltung und Abgasrückführung kombiniert wer-den. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Kombination von Direkteinspritzung und vollvariabler Ventilsteuerung auf der Einlass- und der Auslassseite vielverspre-chend. So haben Untersuchungen zur geschichteten Abgasrückführung [6] gezeigt, dass sich die NOx-Emissionen um weit über 90 % reduzieren lassen, teil-weise sogar um bis zu 99 %.

hoMogene koMpreSSionS zündung

Ein mechanisch vollvariabler Ventiltrieb auf der Einlass- und der Auslassseite und eine variable Verdichtung sind die besten Voraussetzungen für einen Betrieb mit homogener Kompressionszündung (HCCI) in einem möglichst großen Kennfeldbe-reich. Dabei kann auch der Zielkonflikt aus hoher effektiver Verdichtung in der Teillast und hohen darstellbaren Mittel-drücken für die Volllast gelöst werden. Nach Gottschalk [7] können bei einem aufgeladenen Motor mit einem geometri-schen Verdichtungsverhältnis von ε = 13:1 und magerem Motorbetrieb Verbräu-che von be = 270 g/kWh in einem Teil-lastpunkt bei einer eingespritzten Kraft-stoffmenge von 8 mg erreicht werden, 7.

In [8] beschriebene Arbeiten, in denen grundlegende Zusammenhänge und Phä-nomene zwischen Einspritzung, Gemisch-bildung, Selbstzündung und Verbrennung bei vorgemischten Kraftstoff-Luft-Gemi-schen untersucht wurden, zeigen, dass durch homogene Kompressionszündung neben dem Kraftstoffverbrauch auch die Stickoxidemissionen drastisch verringert werden können.

8 zeigt Ergebnisse des Motorverhal-tens bei Lasten zwischen 4 und 6 bar indizierten Mitteldruck pmi für die Motordrehzahl n = 2000/min sowie für einen Betriebspunkt mit der Motordreh-zahl n = 1500/min und dem indizierten Mitteldruck pmi = 6 bar. Hier wurde der Motor so betrieben, dass die NOx-Emis-sionen immer unterhalb von 10 ppm (0,07 g/kWh) liegen, wodurch sich Luft-verhältnisse zwischen λ = 1,65 und 1,8 ergaben. Der Motor wurde zusätzlich

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mit einem extern angetriebenen Kom-pressor aufgeladen. Ansaugdruck und Abgasgegendruck wurden jeweils in glei-cher Weise angepasst, um die Betriebs-punkte genau einzustellen. Der Zeit-punkt, bei dem jeweils 50 % der Kraft-stoffmasse (xB = 0,5) umgesetzt ist, wurde auf 8° KW nach dem oberen Tot-punkt appliziert. Die Varianz der zyk-lischen Schwankungen im indizierten Mitteldruck lag im Bereich von annä-hernd 1 %. Die mittleren maximalen Druckgradienten schwankten zwischen 5,5 und 7 bar/° KW. Der spezifische Kraftstoffverbrauch wurde mit dem eines entsprechenden Motors mit Aufladung, variabler Ventilsteuerung und Direktein-spritzung (TVDI) verglichen. Bei jedem

der untersuchten Betriebspunkte lag die Kraftstoffverbrauchsreduzierung beim HCCI-Betrieb im Bereich zwischen circa 6 und 7 %. Dies zeigt, dass das HCCI-Brennverfahren neben der deutlichen Reduzierung von Schadstoffemissionen, insbesondere der NOx-Emissionen, auch einen Vorteil beim Kraftstoffverbrauch gegenüber den heute aktuellen Brenn-verfahren aufweist. Er fällt aber nicht so deutlich aus wie beim Schicht-ladungsbetrieb mit strahlgeführter Direkteinspritzung und Aufladung.

Trotzdem ist das HCCI-Brennverfahren für die zukünftige Entwicklung bei Ottomotoren interessant. Insbesondere die extrem niedrigen Schadstoffemissio-nen erlauben es, auf eine aufwendige

Abgasnachbehandlung (Partikelfilter oder NOx-Katalysatoren) zu verzichten. Denkbar ist in diesem Zusammenhang auch eine Kombination von Direktein-spritzung mit Schichtladung und HCCI-Betrieb, abhängig vom Betriebsbereich im Motorkennfeld.

zuSaMMenfaSSung und auSblick

Der vorliegende Beitrag zeigt, dass noch erhebliche Weiterentwicklungspotenzi-ale hinsichtlich Wirkungsgrad, Kraft-stoffverbrauch und CO2-Emissionen bei Ottomotoren erkennbar sind. Bei der Betrachtung künftiger Brennverfahren ist zu erkennen, dass man sich immer

❿ Vergleich der Wirkungsgradsteigerung und der Kraftstoff-verbrauchsreduzierung durch unterschiedliche Techniken

9 Vergleich der Kraftstoffverbrauchs-reduzierung durch unterschiedliche mechanische Techniken

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mehr von der konventionellen ottomoto-rischen Verbrennung entfernt. Eine Kom-bination verschiedener Brennverfahren in einem Motor kann sinnvoll sein, um in jedem Betriebspunkt das größtmögli-che Verbrauchpotenzial bei geringen Emissionen nutzen zu können.

Einige der neuen Brennverfahren stel-len auch Anforderungen an die Motorme-chanik, wie den Einsatz vollvariabler Ventiltriebe zur erweiterten Restgassteue-rung oder von Systemen für ein variables Verdichtungsverhältnis. Somit muss die gemeinsame Entwicklung von mechani-schen und thermodynamischen Ansätzen weiter vorangetrieben werden, um das Grenzpotenzial der ottomotorischen Ver-brennung zu erschließen, 9 und ❿.

Vergleicht man die verschiedenen Maßnahmen zur Verbesserung des Motorwirkungsgrads, so ist zu erwarten, dass durch gezielte Entwicklungen bei den Einspritzsystemen, bei der Aufla-dung, im Ventiltrieb, bei der Reibung und den Nebenaggregaten sowie bei der Grundauslegung des Motors (Brenn-raumform, Ladungsbewegung, Kompres-sion) Antriebswirkungsgrade von 40 % und sogar darüber hinaus erzielt werden können. Bezogen auf den NEFZ, bei dem heute im Mittel aller Neufahrzeuge des B-Segments circa 6,5 l/100 km (146 g CO2/km) Kraftstoff verbraucht werden [9], bedeuten 40 % im Wirkungsgrad einen Kraftstoffverbrauch von circa 4,15 l/100 km (93 g CO2/km). Damit ist der für das Jahr 2020 geforderte Wert von 95 g CO2/km bei einem Fahrzeug des B-Segments (zum Beispiel VW Golf) allein durch die konsequente Weiterent-wicklung der Ottomotoren erzielbar, bei Zusatzkosten, die immer noch unterhalb der Kosten von Dieselmotoren und weit unter den Kosten neuer Antriebssysteme (Vollhybrid, Plug-in-Hybrid, Elektrofahr-zeug, Brennstoffzelle) liegen.

literaturhinweiSe[1] Flierl, r.; Lauer, F.; Schmitt, S.; Spicher, u.: Grenzpotenziale der Co2-emissionen von ottomoto-ren, teil 1: Mechanische Verfahren. In: MtZ 73 (2012), nr. 4[2] Werth, C.: Lambda-Split. Kaiserslautern, tech-nische universität, Diplomarbeit, 2010[3] Waltner, A.; Lückert, P.; Doll, G.; Kemmler, r.: Der neue 3,5-l-V6-ottomotor mit Direkteinspritzung von Mercedes-Benz. In: MtZ 71 (2010), nr. 9[4] Spicher, u.; Sarikoc, F.: engine Downsizing by Gasoline Direct Injection and turbocharging. Isromac-13, International Symposium on transport Phenomena and Dynamics of rotary Machinery, Hawaii, 2010[5] Schumann, F.; Buri, St.; Kubach, H.; Spicher, u.; Hall, M. J.: untersuchung zur Partikelemission

bei Benzin-Direkteinspritzung mit einspritzdrücken bis zu 1000 bar. 19. Aachener Kolloquium Fahr-zeug- und Motorentechnik, 2010[6] Sarikoc, F.: untersuchungen zur reduzierung der Stickoxidemissionen bei modernen Brennver-fahren für Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung. Karlsruhe, universität, Dissertation, 2009[7] Gottschalk, W.: Wirkungsgrad- und emissions-potentiale zukünftiger Brennverfahren von Pkw-Motoren. Ilmenau, technische universität, Habilitationsschrift, 2010[8] Hübner, W.; Gehrke, u.; Boulouchos, K.; Peters, n.; Schulz, C.; Spicher, u.: Influence of pilot injec-tion on controlled auto-ignition combustion – A the-oretical and experimental study. SIA International

Conference the Spark Ignition engine of the Future, Straßburg, 2009 [9] Spicher, u.: Analyse und effizienz zukünftiger Antriebssysteme für die individuelle Mobilität – Ver-gleich und Grenzen. MtZ-tagung Der Antrieb von morgen, Wolfsburg, 2012

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05I2012 73. Jahrgang 411

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