Mobilität
Wissenschaftler optimieren Verbrennungsmotoren

Verbrennungs­analyse
Verbrennungs­analyse

Im Zentrum Mobilitätssysteme des Karlsruher Instituts für Tech­nologie (KIT) entwickeln Wissenschaftler neue Technologien und Konzepte für den Transport von Personen und Gütern. Zum Forschungsprogramm gehört auch die Weiterentwicklung von Benzin- und Dieselmotoren mit dem Ziel, die Effizienz der Motoren zu steigern und ihre Abgase zu reduzieren, denn der Verbren­nungs­motor als Antrieb im Kraftfahrzeug hat durchaus Zukunft. Seine Weiterentwicklung kann schon jetzt und unter den Bedingungen der vorhandenen Infrastruktur die Ressourcen und das Klima schonen.

Professor Ulrich Spicher, Leiter des Instituts für Kolbenmaschinen (IFKM) plädiert dafür, bei der Bewertung von Mobilitätskonzepten das Fahrzeug als Gesamtsystem und unter realen Einsatzbedingungen zu betrachten. Bei Ottomotoren hält Spicher eine Steigerung des Wirkungsgrads von durchschnittlich 25 % bei heutigen Automobilen auf knapp 40 % für möglich. So arbeiten Forscher des IFKM daran, bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung und Schichtladung – im Bereich der Zündkerze besteht ein zündfähiges Gemisch, während der übrige Brennraum ein mageres, das heißt schwer zündfähiges Gemisch aufweist – den Einspritzdruck zu erhöhen. Dadurch werde die Gemischwolke kompakter und homogener, der Kraftstoff verdampfe rascher und die Verbrennung laufe dadurch gleichmäßiger und schneller ab, so Spicher.

Durch eine Steigerung des Einspritzdrucks auf 800 bis 1000 bar wollen die Wissenschaft­ler die CO2-Emissionen um 50 % reduzieren und zugleich den Feinstaubausstoß unter den Grenzwert – für Masse und Partikelanzahl – senken, der ab 2014 gelten wird. Allerdings sind herkömmliche Einspritzpumpen zur Benzindirekteinspritzung bisher auf 200 bar begrenzt und halten derart hohen Drücken nicht lange stand. Die Wissenschaftler des IFKM erproben daher neuartige Pumpen aus keramischen Materialien wie Siliziumcarbid oder Sialonen.

Dieselmotoren mit Direkteinspritzung weisen bereits einen relativ hohen Wirkungsgrad auf. Bei ihnen stellen allerdings die Ruß- und Stickoxidemissionen ein großes Problem dar. Das IFKM befasst sich mit Möglichkeiten, diese Emissionen direkt im Motorbrennraum zu reduzieren, beispielsweise durch eine räumliche Trennung der Vor- und Haupteinspritzung: Im Rahmen des DFG-geförderten Projekts Entwicklung einer neuen Einspritzstrategie zur rußarmen Verbrennung bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung arbeiten die Forscher mit zwei Injektoren. Durch die räumliche Trennung brennt der Kraftstoff aus der Voreinspritzung in einem anderen Brennraumbereich als der Kraftstoff aus der Haupteinspritzung und reduziert dadurch das lokale Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die Hauptverbrennung nicht. Mit dieser Methode ist es den IFKM-Wissenschaftlern bereits gelungen, die Rußemissionen um 80 % zu reduzieren, wobei gleichzeitig auch die Stickoxidemissionen gesenkt wurden.

(KIT / ml)