Immer mehr Kraft aus immer weniger Hubraum. Moderne Ottomotoren kommen dank Turboaufladung und Direkteinspritzung auf eine Leistungsdichte von 100 kW je Liter Hubraum, ein Wert, der vor wenigen Jahren noch Sportwagen vom Schlag eines BMW M3 oder eines Porsche Turbo vorbehalten war. Doch die hohen Spitzentemperaturen, die bei der Verbrennung in solchen Motoren auftreten, zwingen die Entwickler dazu, Kompromisse einzugehen. Bei voller Last und hoher Drehzahl treten Temperaturen von mehr als 1000 °C auf, die den Turbolader schädigen würden.
Bauteile durch Verdunstungskühlung schützen
Daher wird mehr Benzin eingespritzt als während der Verbrennung eigentlich notwendig, nur um die Bauteile durch Verdunstungskühlung zu schützen. So weicht denn auch der reale Verbrauch in Kundenhand oft deutlich von den Prospektangaben ab. Letzterer wird im genormten „Neuen Europäischen Fahrzyklus“ gemessen, der relativ geringe dynamische Anteile aufweist. Zudem steigt durch die hohen Drücke während der Verbrennung die Klopfneigung, deshalb muss die Verdichtung begrenzt werden – auch dies kostet Wirkungsgrad.
Im Vorfeld der für 2020 geforderten CO2-Grenzwerte (95 g/km) rückt eine neue Technologie in den Fokus: die gekühlte Niederdruck-Abgasrückführung. Wie heute schon in fast allen Dieselmotoren wird ein Teil der Frischluft durch Abgas ersetzt, das dabei nicht mehr im Abgaskrümmer, sondern erst hinter dem Katalysator abgezweigt wird. Dort herrschen nicht nur niedrigere Drücke, sondern auch geringere Temperaturen.
Verdichtungsverhältnis erhöhen
Dies hat gleich zwei Vorteile: Zum einen bleibt die Abgasenthalpie dem Turbolader in vollem Umfang erhalten, da der gesamte Massenstrom über die Turbine geführt wird. Zum anderen sinkt die Abgastemperatur, sie kann durch einen zusätzlichen Kühler Werte von 60 °C erreichen. „Die deutliche Absenkung der Verbrennungstemperatur erlaubt es, das Verdichtungsverhältnis um etwa 10 % zu erhöhen“, schätzt Heinrich Dismon, Cheftechniker beim Zulieferer KSPG.
Wie groß das Verbrauchspotenzial ist, das sich durch Abgasrückführung erschließen lässt, hat der Wettbewerber Mahle mit einem Demonstratorfahrzeug ermittelt. Monatelang fuhren wechselnde Mitarbeiter das Fahrzeug, das mit einem selbst entwickelten Dreizylinder-Turbobenziner ausgestattet ist. Zudem verfügt es über eine Hochdruck- und eine Niederdruck-Abgasrückführung.
Verbrauch senken
Die Datenauswertung ergab, dass der Verbrauch in Summe um 2,4 % sank. Dabei wirkte das Niederdrucksystem vor allem bei sehr niedrigen bis mittleren Lasten sowie beim Beschleunigen aus dem niedrigen Drehzahlbereich positiv. Das Hochdrucksystem hingegen ermöglichte bei Nennleistung einen vollständigen Verzicht auf das Anfetten. „Bei Volllast können wir die Eintrittstemperatur an der Turbine nur durch Abgasrückführung um bis zu 80 Kelvin absenken“, erläutert Marco Warth, der die Entwicklung von Mahle Powertrain verantwortet. Der Verlust an Enthalpie zählt bei diesem Betriebszustand nicht, ein Teil des Abgases wird ohnehin durch ein Waste-Gate-Ventil abgeblasen.
Entwickelt wurde die Abgasrückführung ursprünglich vor allem, um die Bildung von Stickoxiden in Dieselmotoren zu mindern. Je nach Fahrzustand wird in Serienmotoren bis zu 30 % der Frischluft durch rückgeführtes Abgas ersetzt. Künftig könnte dieser Wert auf bis zu 60 % steigen, dafür werden Hochdruck- und Niederdrucksysteme kombiniert. „Dies löst einen Teil des Zielkonfliktes, der zwischen günstigen CO2- und NOx-Emissionen besteht“, sagt Dismon. Da die Rohemissionen günstiger ausfallen, kann die Abgasanlage – bei schweren Fahrzeugen vor allem der ungeliebte zusätzliche Harnstofftank – kompakter ausfallen.
Immer präzisere Regelungstechnik
Hohe Rückführraten, die sehr schnell geändert werden sollen, zwingen die Zulieferer, immer präzisere Regelungstechnik zu entwickeln. Dies gilt für Otto- und Dieselmotoren. Übereinstimmend berichten Dismon und Warth davon, dass elektromotorisch betätigten Abgasrückführventilen die Zukunft gehört. Zudem steige die Regelqualität in der Motorsteuerung durch präzise, physikalisch basierte Modelle.
Als Volkswagen-Chef Martin Winterkorn Ende April auf dem Wiener Motorensymposium die Entwicklung einer neuen Dieselmotorengeneration ankündigte, sprach er vor allem über die Hochdruckeinspritzung mit bis zu 3000 bar und die Aufladung durch einen zusätzlichen elektrischen Kompressor. Das Leistungspotenzial dieses Motors ist jedoch nur durch eine kombinierte Hochdruck-Niederdruck-Abgasrückführung auszuschöpfen.
