Ottomotoren

 
Ottomotor
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Der konventionelle Ottomotor ist durch die fremdgezündete Verbrennung eines homogenen und nahezu im gesamten Betriebskennfeld stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Gemischs gekennzeichnet. Die Lastregelung erfolgt durch die Anpassung der Füllung über eine Drosselklappe bzw. mittels Wastegates im aufgeladenen Betrieb (Quantitätsregelung).

Der homogen-stöchiometrische Betrieb erlaubt eine vergleichsweise effektive und günstige Abgasnachbehandlung mittels 3-Wege-Katalysator. Insbesondere die dazu nötige Drosselung des Motors in der Teillast wirkt sich dabei negativ auf den erreichbaren Wirkungsgrad aus. Daher steht neben der Reduzierung der Schadstoffemissionen vor allem die Wirkungsgradsteigerung sowie einhergehend die Verringerung der Kohlenstoffdioxidemissionen des Ottomotors im Fokus der Forschung und Entwicklung am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen.

Die Hubraumverkleinerung, das sogenannte „Downsizing“, in Verbindung mit Aufladung des Aggregats hat sich in den letzten Jahren bei vielen Automobileherstellern als favorisiertes Konzept durchgesetzt, um den Anforderungen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Kohlendioxidemissionen zu begegnen. Durch die Verkleinerung des Hubraums werden bereits bei geringen Drehmomentanforderungen für den spezifischen Kraftstoffverbrauch günstigere Mitteldrücke erreicht. Die verringerte Drehmomentreserve des kleineren Hubraums wird üblicher Weise durch Erhöhung des Ladedrucks mittels Aufladung kompensiert. Variable ein- und auslassseitiger Ventilsteuerzeiten stellen bei aufgeladenen Ottomotoren den Stand der Technik dar.

Diese Variabilität ermöglicht eine Erhöhung des Wirkungsgrads durch Entdrosselung über interne Abgasrückführung in der Teillast sowie über eine Verkürzung des Kompressionshubes gegenüber dem Expansionshub, was ebenfalls durch einen verkürzten oder auch verlängerten Nockenhub realisiert werden kann. Zudem besteht durch variable Steuerzeiten die Möglichkeit, das untere Eckdrehmoment durch den spülenden Ladungswechsel anzuheben sowie im weiteren Bereich der Volllast den Restgasgehalt und damit die Klopfneigung zu reduzieren. Klopfsenkend wirkt sich auch die Innenkühlung der Direkteinspritzung (DI) aus und ermöglicht in Kombination mit einer Anhebung des Verdichtungsverhältnisses eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades.

Ein sehr großes Potenzial zur Verringerung der Klopfanfälligkeit bietet die Wassereinspritzung, insbesondere wenn die Einspritzung direkt in den Brennraum erfolgt. Die externe Rückführung von gekühltem Restgas kann ebenfalls genutzt werden, um die Klopfneigung von aufgeladenen Ottomotoren an der Volllast zu verringern als auch zur Entdrosselung in der Teillast. Diese Systeme haben eine hohe Systemkomplexität und haben vor allem im Bereich der Volllast gesteigerte Anforderungen insbesondere bzgl. der Kühlung und des Aufladeaggregats und finden daher in der Serie nur vereinzelt Einsatz.

  Motoreinspritzung RWTH Aachen | VKA

Eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist durch Magerbetrieb möglich. Dabei wird der Ottomotor mit Luftüberschuss betrieben. Bei Magerbetrieb kann zwischen homogenem und geschichtetem Magerbetrieb unterschieden werden. Beim Homogenbetrieb sinkt die Brenngeschwindigkeit mit zunehmender Abmagerung. Dadurch kommt es zu erhöhten Schwankungen im Brennverlauf zwischen den einzelnen Motorzyklen. Beim geschichteten Magerbetrieb wird der Motor global mager betrieben. Im Bereich der Zündkerze liegt allerdings ein lokal ein zündfähiges Gemisch vor. Dadurch ergeben sich spezielle Anforderungen an das Gemischbildungsystem, da dieses für jeden Betriebspunkt ein zündfähiges Gemisch an der Zündkerze bereitstellen muss. Deshalb wird dieses Verfahren bis jetzt nur in der Teillast eingesetzt.

Eine weitere Herausforderung beim Magerbetrieb ist die Abgasnachbehandlung. Eine ausreichende Konvertierung der Stickoxid-Emissionen mittels 3-Wege-Katalysator ist meist nicht möglich. Dies erzwingt teure Abgasnachbehandlungsysteme, wie z. B. ein NOx-Speicher-Katalysator oder die selektive katalytische Reduktion mit Harnstoffeinspritzung. Um diese Systeme zu vermeiden, werden auch Brennverfahren untersucht, bei denen die Stickoxid Rohemissionen bereits auf einem sehr niedrigen Niveau liegen. Deshalb existieren Ansätze wie die kontrollierte Selbstzündung im Teillastbereich, bei der durch weitere Ladungsverdünnung mit Restgas die Spitzentemperatur der Verbrennung abgesenkt wird. Aufgrund der Herausforderungen beim Magerbetrieb, wird dieses Konzept bisher nur vereinzelt in der Großserie verfolgt.

  Bild zur Einspritzung FVV

Neben dem Einsatz von konventionellen Ottokraftstoffen wie Benzin werden auch vermehrt alternative Kraftstoffe in Ottobrennverfahren eingesetzt. Bereits jetzt bieten viele Hersteller Ottomotoren an, die neben Benzin auch mit Erdgas (Compressed Natural Gas) oder Flüssiggas (Liquefied Petroleum Gas) betrieben werden können. Bei Betrieb mit Erdgas oder Flüssiggas können Vorteile durch die höhere Klopffestigkeit im Vergleich mit konventionellem Ottokraftstoff erreicht werden. Es ergeben sich allerdings Nachteile in der erreichbaren Füllung des Motors, da diese Kraftstoffe in der Regel in das Saugrohr eingebracht werden. Daher ist auch die Untersuchung von Verfahren zur direkten Einbringung von Erdgas und Flüssiggas in den Brennraum ein untersuchtes Forschungsfeld. Daneben werden auch Kraftstoffe, die auf regenerativen Wegen hergestellt und für die ottomotorische Verbrennung ausgelegt wurden, erforscht.

Am VKA werden in einer Vielzahl von F&E Projekten grundlegende Erkenntnisse im Bereich der Ottomotoren sowie der Anwendung alternativer Kraftstoffe erforscht.