Ottomotoren

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Der konventionelle Ottomotor ist durch die fremdgezündete Verbrennung eines homogenen und nahezu im gesamten Betriebskennfeld stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemischs gekennzeichnet. Die Lastregelung erfolgt durch die Anpassung der Füllung über den Saugrohrdruck (Quantitätsregelung). Der Saugrohrdruck wird mittels einer Drosselklappe und/oder des Aufladesystems geregelt.

  Zeichnung des Kolbens eines Ottomotors Urheberrecht: © RWTH Aachen | Aachen Abbildung 1: Zeichnung des Kolbens eines Ottomotors

Brennraumgeometrie: Verdichtungsverhältnis & Hub/Bohrungs-Verhältnis

Der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine wird bereits von der geometrischen Grundkonstruktion des Motors bestimmt. So führt eine Anhebung des Verdichtungsverhältnisses zu einer Steigerung des Wirkungsgrades und ist entsprechend anzustreben. Ein zu hohes Verdichtungsverhältnis führt beim Ottomotor jedoch zu Verbrennungsanomalien in Form einer klopfenden Verbrennung. Die klopfende Verbrennung äußert sich in hochfrequenten Druckschwingungen und hohen Temperaturen, welche in kurzer Zeit zu einem Motorschaden führen. Das Auftreten einer klopfenden Verbrennung ist demnach in jedem Fall zu vermeiden.

  Zeichnung des Zylinderkopfes eines Ottomotors Urheberrecht: © RWTH Aachen | Aachen Abbildung 2: Zeichnung des Zylinderkopfes eines Ottomotors

Als weitere geometrische Grundgröße, die den Wirkungsgrad beeinflusst, ist das Hub/Bohrungs-Verhältnis zu sehen. Ein niedriges Hub/Bohrungs-Verhältnis führt zu scheibenförmigen Brennraumformen im Bereich des oberen Totpunktes. Daraus ergeben sich lange Flammenwege, welche eine klopfende Verbrennung begünstigen. Weiterhin resultiert aus einem niedrigen Hub/Bohrungs-Verhältnis ein hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis, welches in einer Steigerung der Wandwärmeverluste resultiert. Aufgrund der für Ottomotoren typischen Dachbrennräume bietet ein hohes Hub/Bohrungs-Verhältnis zusätzlich die Möglichkeit das Verdichtungsverhältnis weiter zu steigern, da das Kompressionsvolumen im Brennraumdach verkleinert werden kann. Vor diesen Gesichtspunkten zeigt die Entwicklung bei Ottomotoren in den letzten Jahren einen Trend zu steigenden Hub/Bohrungs-Verhältnissen.

 

Downsizing & Aufladung

Die Hubraumverkleinerung, das sogenannte Downsizing, in Verbindung mit der Aufladung der Verbrennungskraftmaschine hat sich in den letzten Jahren bei vielen Fahrzeugherstellern als favorisiertes Konzept durchgesetzt, um den Anforderungen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs zu begegnen. Zur Darstellung einer aus der Fahrsituation gegebenen Leistungsanforderung wird die Hubraumverringerung durch eine Anhebung der Mitteldrucks ausgeglichen. Die Anhebung des Mitteldrucks wird hierbei durch eine Erhöhung des Ladedrucks über das Aufladeaggregat dargestellt. Zusätzlich ermöglicht die Anhebung des Mitteldrucks eine Senkung der Motordrehzahl. Schlussendlich wird der Motor in Kennfeldbereichen mit einem niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch betrieben. Oft werden das Downsizing und die Aufladung mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung kombiniert. Der Kraftstoff verdampft dabei direkt im Brennraum und entzieht seiner Umgebung dafür Wärme. Dies führt zu einer Senkung der Brennraumtemperatur, wodurch einer klopfenden Verbrennung entgegengewirkt wird.

  CAD-Modell des Ventiltriebs eines Ottomotors Urheberrecht: © RWTH Aachen | Aachen Abbildung 3: CAD-Modell des Ventiltriebs eines Ottomotors

Variable Steuerzeiten

Ventiltriebe mit variablen Steuerzeiten befinden sich seit einigen Jahren bei vielen Fahrzeugherstellern in Serie, wobei sich die Systeme hinsichtlich ihrer Komplexität unterscheiden. Im einfachsten Fall erlaubt ein System die Verstellung der Phasenlage, d.h. die Steuerzeiten werden im Motorkennfeld dynamisch in ihrer Lage gegenüber der Kurbelwelle verschoben; der Ventilhub wird hingegen nicht verändert. Etwas komplexere Systeme bieten zusätzlich die Möglichkeit einer Ventilhubverstellung. Die meisten Fahrzeuge mit einem solchen System besitzen verstellbare Nockenwellen mit jeweils zwei verschiedenen Nockenkonturen pro Ventil. Das ermöglicht z.B. die Anwendung eines kleinen Ventilhubs bei niedrigen Drehmomentanforderungen und eines großen Ventilhubs für hohe Drehmomente. Auch die gezielte Abschaltung einzelner Zylinder kann über ein solches System mit Hubumschaltung realisiert werden. Dabei befindet sich auf der Nockenwelle ein Nocken mit einem Null-Hub, d.h. das Ventil öffnet mit diesem Nocken überhaupt nicht. Einige wenige Fahrzeuge hatten in der Vergangenheit noch komplexere Systeme, welche eine stufenlose Verstellung des Ventilhubs und der Ventilöffnungsdauer ermöglichen. Diese Systeme sind technisch aber sehr komplex und teuer, sodass sie sich bisher nicht für die breite Masse durchgesetzt haben.

 

Der Grundgedanke hinter variablen Steuerzeiten ist die Krafstoffverbrauchssenkung durch eine Anpassung der Zylinderladung in Abhängigkeit der Leistungsanforderung. Durch die Verwendung von kleinen Ventilhüben bei niedrigen Drehmomentanforderungen können beispielsweise die Drosselverluste des Motors reduziert werden, da die Drosselklappe weiter öffnen muss, um ausreichend Frischladung bereitzustellen. Eine weitere Möglichkeit der Kraftstoffverbrauchssenkung besteht durch sogenannte Miller-Steuerzeiten. Dabei wird der Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils vom unteren Totpunkt weggeschoben. Daraus resultiert eine Verringerung der angesaugten Frischgasmasse (frühes Einlass schließt) bzw. ein teilweises Ausschieben von bereits angesaugter Frischgasmasse (spätes Einlass schließt). Die fehlende Frischgasmasse zur Darstellung der geforderten Leistung wird über eine Anhebung des Saugrohrdrucks ausgeglichen. Somit können Miller-Steuerzeiten die Drosselverluste in der Teillast reduzieren und einer klopfenden Verbrennung bei hoher Last entgegenwirken, indem ein Teil der Verdichtung vom Zylinder auf das Aufladeaggregat mit nachgeschaltetem Ladeluftkühler verschoben wird.

  Prinzipien der Ladungsverdünnung Abbildung 4: Prinzipien der Ladungsverdünnung

Ladungsverdünnung: Abmagerung & Abgasrückführung

Eine der wirkungsvollsten Betriebsstrategien zur Wirkungsgradsteigerung des Ottomotors ist die Ladungsverdünnung, mit welcher sich seit einigen Jahren etliche Forschungsaktivitäten befassen. Dabei kann zwischen dem Magerbetrieb und der Ladungsverdünnung durch Abgasrückführung unterschieden werden. Beim Magerbetrieb wird das Luftverhältnis angehoben und liegt über dem klassischerweise verwendeten stöchiometrischen Luftverhältnis. Das Frischgemisch kann dabei global homogen oder geschichtet vorliegen. Bei der Abgasrückführung liegt das Luftverhältnis im stöchiometrischen Bereich, jedoch besteht ein Teil der Zylinderfüllung aus Abgas, welches dem Zylinder mittels einer internen oder externen Abgasrückführung zugeführt wird.

 

Beide Konzepte zur Ladungsverdünnung ermöglichen eine Reduktion der Drosselverluste in der Teillast aufgrund der gestiegenen Gasmasse, welche dem Zylinder zugeführt werden muss. Bei hohen Lasten führt die Ladungsverdünnung zu einer Reduktion der Verbrennungstemperatur, wodurch einer klopfenden Verbrennung entgegengewirkt werden kann. Weiterhin resultiert eine sinkende Verbrennungstemperatur in sinkenden Stickoxidemissionen, sodass ggf. auf die Abgasnachbehandlung dieser Emissionen verzichtet werden kann. Die Abmagerung des Frischgemisches ist aber u.a. durch das Zündsystem beschränkt. Steigt das Luftverhältnis zu stark an kann eine konventionelle Zündkerze das Gemisch nicht mehr entzünden. Weiterhin steigt die Brenndauer bei hohen Luftverhältnissen an, was sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkt. Zur weiteren Wirkungsgradverbesserung des Ottomotors werden alternative Brennverfahren entwickelt, welche die Verluste des klassischen Ottomotors verringern.

 

Alternative Brennverfahren

Der klassische Ottomotor hat zwei große Verlustquellen. Diese sind zunächst die Drosselverluste in der Teillast und weiterhin die Beschränkungen durch eine klopfende Verbrennung bei hoher Last.

Ein großes Potenzial zur Verringerung der Klopfanfälligkeit bietet die Wassereinspritzung, insbesondere wenn die Einspritzung direkt in den Brennraum erfolgt. Das eingespritzte Wasser verdampft im Brennraum und entzieht seiner Umgebung dafür Wärme. Als Folge sinkt die Brennraumtemperatur und einer klopfenden Verbrennung kann entgegengewirkt werden.

  Schematische Darstellung eines Vorkammer-Brennverfahrens Urheberrecht: © RWTH Aachen | Aachen Abbildung 5: Schematische Darstellung eines Vorkammer-Brennverfahrens

Seit einigen Jahren befinden sich Vorkammerbrennverfahren zunehmend im Fokus der Forschung. Hierbei befindet sich die Zündkerze in einer kleinen Kammer im Brennraumdach, welche mittels Überströmbohrungen mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Ist nur die Zündkerze in der Vorkammer positioniert spricht man von einer passiven oder ungespülten Vorkammer. Befindet sich ein zusätzlicher Injektor in der Vorkammer wird diese als aktive oder gespülte Vorkammer bezeichnet. Vorkammerbrennverfahren können in stöchiometrischen und überstöchiometrischen Bedingungen betrieben werden und die Magerlaufgrenze im Vergleich zu einer konventionellen Entzündung mittels einer Zündkerze im Hauptbrennraum erweitern. Weiterhin kann mittels einer Vorkammer die Brenndauer reduziert werden und so einer klopfenden Verbrennung entgegengewirkt werden.

 

Zur Erweiterung der Magerlaufgrenze und zur Reduktion der Brenndauer wurden weiterhin einige Selbstzündbrennverfahren entwickelt. Dazu zählen u.a. Controlled Auto-Ignition (CAI), Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) und Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI). Alle Verfahren arbeiten mit hohen Luftverhältnissen und die Entzündung erfolgt gegen Ende der Kompression an vielen Stellen im Brennraum simultan. Daraus ergeben sich kurze Brenndauern und niedrige Verbrennungstemperaturen, wodurch sich die Stickoxidemissionen reduzieren.

 

Alternative Kraftstoffe

Kraftstoffe haben einen wesentlichen Einfluss auf die Verbrennungseffizienz und die Emissionen. Alternative Kraftstoffe bieten ein großes Potenzial die Effizienz der Verbrennungskraftmaschine weiter zu steigern. Im Vergleich zu konventionellem Benzin bieten alternative Kraftstoffe die Möglichkeit einer Steigerung der Klopffestigkeit, der Verdampfungsenthalpie und des Sauerstoffanteils. Während die Klopffestigkeit und die Verdampfungsenthalpie zur Wirkungsgradsteigerung beitragen, reduziert der hohe Sauerstoffanteil die HC- und Ruß-Emissionen.

  Proben alternativer Kraftstoffe für Grundlagenexperimente Urheberrecht: © RWTH Aachen | Aachen Abbildung 6: Proben alternativer Kraftstoffe für Grundlagenexperimente

In Serie befinden sich bereits die alternativen Kraftstoffe Erdgas (Compressed Natural Gas) und Autogas (Liquefied Petroleum Gas). Alkoholkraftstoffe wie z.B. Ethanol werden Benzin in geringen Mengen (10 %) beigemischt und in Deutschland als E10 vermarktet. In anderen Ländern liegt der Ethanolanteil bei Alkohol-Mischkraftstoffen aber bereits bei bis zu 85 %. Bei Ethanolanteilen von mehr als 85 % spricht man von Alkohol-Reinkraftstoffen. Aktuell wird intensiv an weiteren alternativen Kraftstoffen wie z.B. Methanol und Wasserstoff geforscht. Diese Kraftstoffe werden als e-Fuels bezeichnet, weil sie aus erneuerbaren Energien hergestellt werden können und somit die Möglichkeit für einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf bieten.

 

Abgasnachbehandlung

Der homogene, stöchiometrische Betrieb des klassischen Ottomotors erlaubt eine effektive und kostengünstige Abgasnachbehandlung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOX) mittels eines 3-Wege-Katalysators. Im Magerbetrieb funktioniert der 3-Wege-Katalysator aufgrund des Sauerstoffüberschusses jedoch nicht mehr für die Reduktion der Stickoxidemissionen. Sofern die Stickoxidemissionen nicht allein durch das Brennverfahren unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte liegen, bedarf es zusätzlicher Abgasnachbehandlungssysteme. Für die Reduktion der Stickoxidemissionen im Magerbetrieb können NOX-Speicher-Katalysatoren oder Katalysatoren mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR) zum Einsatz kommen. In der aktuellen Gesetzgebung sind weiterhin die Partikelemissionen limitiert, sodass in Fahrzeugen mit Ottomotor zusätzlich Partikelfilter verbaut werden.