Antriebstechnik 30.01.2004, 18:28 Uhr

Synthetischer Sprit für sauberen Motor

VDI nachrichten, Wolfsburg, 30. 1. 04 -Bald könnte es statt Diesel- und Ottomotor einen Serienmotor geben, der die herkömmlichen Brennverfahren vereint. Das extrem schadstoffarme Aggregat wird u.a. von VW entwickelt und Shell tüftelt dazu an dem passenden synthetischen Kraftstoff.

Die Kosten der Abgasnachbehandlung explodieren. Um sie einzudämmen, sollen sich in künftigen Verbrennungsmotoren erst gar keine Schadstoffe bilden. Gleichzeitig müssen sie effizienter werden, denn Europas Autohersteller haben in einer Selbstverpflichtung festgelegt, dass ab 2008 Pkw im Schnitt nur noch 140 g CO2/km emittieren sollen – immerhin ein Viertel weniger als 1995.
Die Entwickler setzen auf Direkteinspritzung, Homogenisierung und hohe Verbrennungsdrücke, um alle Vorgaben erfüllen zu können – und nivellieren dabei nach und nach die Unterschiede zwischen Otto- und Dieselmotor. So laufen heute selbstzündende Ottomotoren auf den Prüfständen, in denen unter großem Druck homogene Gemischwölkchen zünden. Und der Dieselmotor, der ebenfalls (aber auf umgekehrtem Wege) beim teilhomogenen Betrieb angekommen ist, könnte für Kaltstarts Zündkerzen bekommen.
Angesichts solcher Entwicklungen stellt sich die Frage, worin sich die beiden Konzepte eigentlich noch grundlegend unterscheiden? „Im Kraftstoff“, sagte Dr.-Ing. Wolfgang Steiger, Leiter VW-Aggregatforschung, den VDI nachrichten. Ein zu kleiner Unterschied, um die teure Parallelwelt von Otto- und Dieseltechnik beizubehalten, meinen die Ingenieure. So haben u.a. VW und Shell damit begonnen, einen neuen Kraftstoff zu entwickeln, der zur Fusion beider Brennverfahren führen soll.
„Plakativ gesprochen versuchen wir, unter den 1000 unterschiedlichen Erdölmolekülen jene 20 zu finden, die für die motorische Verbrennung optimal sind“, erklärte Steiger. Die ideale Mischung müsse so gleichmäßig verbrennen, dass erst gar keine Stickoxide (NOx) oder Partikel entstehen. Das sei bei 200 €/l leicht zu realisieren. Doch VW und Shell wollen einen exakt definierten Kraftstoff zu Tankstellenpreisen – das heißt, er muss sich synthetisch in Großanlagen erzeugen lassen.
Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg. Denn zunächst gilt es unter unzähligen möglichen Molekül-Mixturen die Idealkomponenten eines Kraftstoffes zu finden, der ein Brennverfahren ermöglichen soll, das selbst noch im Stadium der Vorentwicklung steckt. „Wir orientieren uns an Kerosin. Denn um homogenere Prozesse zu erreichen, brauchen wir leichte, schnell verdampfende Kraftstoffe, die sich nicht zu leicht selbst entzünden“, so Steiger.
Inzwischen habe man das Anforderungsprofil an den Wunschkraftstoff verfeinert. Es lägen nun 20 unterschiedliche Parameter für mögliche Mixturen vor, vom Siedeverhalten und den Zündeigenschaften über die Durchbrenngeschwindigkeit bis zum Verhältnis der Kohlenstoff- und Wasserstoffmoleküle, das wegen der CO2-Problematik möglichst in Richtung Wasserstoff verschoben werden soll.
Bei ihrer akribischen Suche nach dem idealen Molekülmix setzen die Entwickler auf Simulationsverfahren, die es erlauben, anhand der physikalischen und chemischen Eigenschaften einzelner Moleküle ganze Brennverläufe inklusive der Abgasemissionen zu prognostizieren. Bietet eine Mixtur Erfolgsaussichten, schafft sie den Sprung aus der virtuellen Welt auf reale Motorprüfstände, die endoskopisch und durch gläserne Kolben Einblick in den Brennraum gewähren. An Farbe und Form der Flammen erkennen die Entwickler, wie gleichmäßig ein Gemisch verbrennt, wo lokale Überfettungszonen entstehen oder ob die Temperaturen jene Grenze überschreiten, jenseits der überhaupt erst NOx entsteht. Dabei ist laut Steiger der Verbrennungsverlauf am besten, den man nicht sieht.
Im Betrieb ohne Lastwechsel gelingen solche unsichtbaren Brennverläufe bereits, bei denen keine schädlichen Abgase entstehen. Doch im dynamischen Betrieb unter ständigen Lastwechseln sieht die Sache anders aus. Aber auch bei dieser Feinarbeit auf dem Motorprüfstand hilft der Computer: Anhand unterschiedlicher Messpunkte errechnet ein Optimierungsverfahren, wie Verbrauch und Emissionen bei einem optimierten Motor aussehen könnten. Laut Steiger schafft die Methode eine Datenreduzierung um den Faktor 1000 – wo früher 1000 Versuche vorzunehmen und auszuwerten waren, reicht heute ein einziger.
Dennoch rechnen die Motorenentwickler bei VW frühestens in zehn Jahren mit der Serienreife des neuen Brennverfahrens, das die von Rudolf Diesel und Nikolaus August Otto vereinen soll. Auf den Zwischenstationen des teilhomogenisierten Diesels und des selbstzündenden Ottomotors wollen die Entwickler weitere Erkenntnisse über die optimalen Druckverhältnisse und Gemischverteilung im Brennraum gewinnen.
Angesichts erster Erfahrungen mit aufgeladenen, selbstzündenden Ottomotoren und ihren teilweise extremen Spitzendrücken geht man bei VW heute allerdings davon aus, dass die „Motoren-Fusion“ auf einer robusten Dieselplattform stattfinden wird. Das ist auch für die Einführung des neuen Brennverfahrens von Bedeutung. Ziel sei es, so Steiger, „den neuen Kraftstoff zunächst als Premium-Kraftstoff für moderne Diesel am Markt zu positionieren, um dann, wenn er in der Fläche verfügbar ist, mit dem neuen Motor nachzukommen.“

 

  • Peter Trechow

  • Wolfgang Pester

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