So bekommt der Motor seine Emissionen geregelt
Aktuelle Motoren arbeiten mit Flammenfronten: Entzündet sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Benziner oder Diesel, so wälzt sich eine Flammenfront durch den Brennraum. Die unschöne Folge: Die ungleichmäßige Verbrennung produziert viel Abgas, das gereinigt werden muss. Nun wollen Bosch-Forscher mit dem neuen HCCI-Verfahren dieses „Abfackeln“ zumindest im Teillastbereich abschaffen.
Der gesamte Verbrennungsprozess soll möglichst gleichförmig im Zylinderraum ablaufen. In den Motoren der Zukunft läuft dann die Kraftstoffverbrennung ohne sichtbare Flamme ab. Die Verbrennung findet an jedem Ort innerhalb des Brennraums gleichzeitig statt. Resultat: geringere Emissionen an Ruß und Stickoxiden. Im Prinzip ließe sich dies mit der bläulichen Flamme eines Gasofens vergleichen, die emissionsärmer brennt als ein rußender Kerzendocht. Diesem Idealzustand wollen sich die Bosch-Forscher aus zwei Richtungen nähern: von Diesel- und Benzin-Seite.
Für beide Motorkonzepte gilt es das Gesamtsystem zu optimieren. Bislang werden die Betriebszustände von Otto- oder Dieselmotor in einer Vielzahl von Kennlinienfeldern festgehalten. Drückt der Fahrer aufs Gas, so schaut die Gerätesoftware in diesen Diagrammen und Tabellen nach und stellt Zündung, Luftmenge und Einspritzung auf den geforderten Betriebspunkt des Motors ein. Das HCCI-Verfahren geht einen Schritt weiter: Der Motor regelt sich und seine Emissionen über einen Brennraum-Drucksensor selbst. Das homogene Abbrennen des Sprits kann nämlich nicht einfach eingestellt werden, weil sich jede HCCI-Verbrennung von der nächstfolgenden statistisch unterscheidet.
Mit einem Sensor im Brennraum, der beispielsweise auf Glühstift oder Zündkerze aufgebracht ist, werden die Betriebszustände im Brennraum erfasst. Als geeignetes Maß hat sich der Verbrennungsdruckverlauf erwiesen. Über den gemessenen Innendruck im Brennraum wird das Luftmanagement gesteuert: Die richtige Mischung von Frischluft und zurückgeführtem Abgas ist entscheidend. Das kann mit einer externen Abgasrückführung beziehungsweise in Kombination mit einer internen Abgasrückführung durch variable Ventilsteuerung erreicht werden. Dies setzt einerseits die Verbrennungstemperatur herunter – Stickoxide werden vermieden. Andererseits sind hohe Kompressionsendtemperaturen für einen günstigeren Verbrauch nötig. Über den Sensor wird ein optimaler Kompromiss für die jeweilige Fahrsituation eingeregelt.
Zusätzlich zum Drucksignal können zum Gesamttiming eines Zylindertakts auch Temperatur- oder Klopfsensoren beitragen. Insbesondere die Ottomotor-Variante darf nicht in Richtung unkontrolliertem Klopfen abdriften, das den Motor schädigen könnte.
Prinzipiell funktioniert das HCCI-Verfahren nur bei moderaten Drehzahlen im Teillastbereich. Dies liegt an den Homogenisierungszeiträumen, die sich zwischen 50 und 120 Millisekunden pro Takt bewegen. Mit hochlaufenden Drehzahlen wird das Zeitfenster kleiner bis keine Homogenisierung mehr möglich ist. Da sich der meiste Verkehr im so genannten NEFZ-Zyklus zur Emissionsbewertung bewegt, ist es das Ziel, mit homogenen Brennverfahren gerade diesen Bereich vollständig abzudecken.
Fährt der Fahrer, etwa beim harten Beschleunigen im kleinen Gang, aus der Ideallinie heraus, so springt der HCCI-Motor in den Betriebsmodus eines heutigen Verbrennungsmotors zurück. Zukünftige Motordesigns müssen also beide Betriebszustände erlauben: HCCI bei kleinen und mittleren Lastansprüchen, konventionelle Verbrennung bei Volllast.
Die Forscher bei Bosch arbeiten daran, einen möglichst weiten Lastbereich mit dem HCCI-Verfahren abzudecken. Die Konzeptentwicklung ist noch nicht abgeschlossen. Sie umfasst die Ladungszusammensetzung und Landungsbewegung, Einspritztiming und Aufladestrategie, Brennraumform und aktive Verbrennungsregelung. Erste Prototypen sind schon in der Erprobung. Bis zur Markteinführung sind noch viele technische Hürden zu überwinden. Außerdem muss sich das HCCI-Verfahren beim Ottomotor an künftigen Systemen wie zum Beispiel der elektrohydraulischen Ventilsteuerung (EHVS) messen.
Die große Zahl sich gegenseitig beeinflussender Parameter ist für die Ingenieure eine Herausforderung, gleichzeitig bringt die Vielzahl der Stellgrößen aber die entscheidende Flexibilität für eine optimale Lösung. Denn durch eine geeignete Abstimmung von Kraftstoffen, Einspritzsystem, Luftmanagement und Abgasnachbehandlung sollten sich immer ausreichend stabile Betriebszustände einstellen lassen, die aktuelle gesetzliche oder selbst gesteckte Emissions- und Verbrauchsziele erreichen lassen.
Anspruch von Bosch ist es, durch innermotorische Maßnahmen die Rohemissionen des Motors schon soweit zu senken, dass beispielsweise weitere Reinigungsschritte möglichst wirtschaftlich ausfallen.
Da Partikelfilter beim Diesel künftig zum Standard gezählt werden, kann etwa das Brennverfahren auf eine geringst mögliche Stickoxid-Emission eingestellt werden.
Für beide Motorkonzepte gilt es das Gesamtsystem zu optimieren. Bislang werden die Betriebszustände von Otto- oder Dieselmotor in einer Vielzahl von Kennlinienfeldern festgehalten. Drückt der Fahrer aufs Gas, so schaut die Gerätesoftware in diesen Diagrammen und Tabellen nach und stellt Zündung, Luftmenge und Einspritzung auf den geforderten Betriebspunkt des Motors ein. Das HCCI-Verfahren geht einen Schritt weiter: Der Motor regelt sich und seine Emissionen über einen Brennraum-Drucksensor selbst. Das homogene Abbrennen des Sprits kann nämlich nicht einfach eingestellt werden, weil sich jede HCCI-Verbrennung von der nächstfolgenden statistisch unterscheidet.
Mit einem Sensor im Brennraum, der beispielsweise auf Glühstift oder Zündkerze aufgebracht ist, werden die Betriebszustände im Brennraum erfasst. Als geeignetes Maß hat sich der Verbrennungsdruckverlauf erwiesen. Über den gemessenen Innendruck im Brennraum wird das Luftmanagement gesteuert: Die richtige Mischung von Frischluft und zurückgeführtem Abgas ist entscheidend. Das kann mit einer externen Abgasrückführung beziehungsweise in Kombination mit einer internen Abgasrückführung durch variable Ventilsteuerung erreicht werden. Dies setzt einerseits die Verbrennungstemperatur herunter – Stickoxide werden vermieden. Andererseits sind hohe Kompressionsendtemperaturen für einen günstigeren Verbrauch nötig. Über den Sensor wird ein optimaler Kompromiss für die jeweilige Fahrsituation eingeregelt.
Zusätzlich zum Drucksignal können zum Gesamttiming eines Zylindertakts auch Temperatur- oder Klopfsensoren beitragen. Insbesondere die Ottomotor-Variante darf nicht in Richtung unkontrolliertem Klopfen abdriften, das den Motor schädigen könnte.
Prinzipiell funktioniert das HCCI-Verfahren nur bei moderaten Drehzahlen im Teillastbereich. Dies liegt an den Homogenisierungszeiträumen, die sich zwischen 50 und 120 Millisekunden pro Takt bewegen. Mit hochlaufenden Drehzahlen wird das Zeitfenster kleiner bis keine Homogenisierung mehr möglich ist. Da sich der meiste Verkehr im so genannten NEFZ-Zyklus zur Emissionsbewertung bewegt, ist es das Ziel, mit homogenen Brennverfahren gerade diesen Bereich vollständig abzudecken.
Fährt der Fahrer, etwa beim harten Beschleunigen im kleinen Gang, aus der Ideallinie heraus, so springt der HCCI-Motor in den Betriebsmodus eines heutigen Verbrennungsmotors zurück. Zukünftige Motordesigns müssen also beide Betriebszustände erlauben: HCCI bei kleinen und mittleren Lastansprüchen, konventionelle Verbrennung bei Volllast.
Die Forscher bei Bosch arbeiten daran, einen möglichst weiten Lastbereich mit dem HCCI-Verfahren abzudecken. Die Konzeptentwicklung ist noch nicht abgeschlossen. Sie umfasst die Ladungszusammensetzung und Landungsbewegung, Einspritztiming und Aufladestrategie, Brennraumform und aktive Verbrennungsregelung. Erste Prototypen sind schon in der Erprobung. Bis zur Markteinführung sind noch viele technische Hürden zu überwinden. Außerdem muss sich das HCCI-Verfahren beim Ottomotor an künftigen Systemen wie zum Beispiel der elektrohydraulischen Ventilsteuerung (EHVS) messen.
Die große Zahl sich gegenseitig beeinflussender Parameter ist für die Ingenieure eine Herausforderung, gleichzeitig bringt die Vielzahl der Stellgrößen aber die entscheidende Flexibilität für eine optimale Lösung. Denn durch eine geeignete Abstimmung von Kraftstoffen, Einspritzsystem, Luftmanagement und Abgasnachbehandlung sollten sich immer ausreichend stabile Betriebszustände einstellen lassen, die aktuelle gesetzliche oder selbst gesteckte Emissions- und Verbrauchsziele erreichen lassen.
Anspruch von Bosch ist es, durch innermotorische Maßnahmen die Rohemissionen des Motors schon soweit zu senken, dass beispielsweise weitere Reinigungsschritte möglichst wirtschaftlich ausfallen.
Da Partikelfilter beim Diesel künftig zum Standard gezählt werden, kann etwa das Brennverfahren auf eine geringst mögliche Stickoxid-Emission eingestellt werden.
