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01.04.2016 | Emissionen | Im Fokus | Onlineartikel

Die RDE-Problemzonen des Ottomotors

Autor:
Angelina Hofacker

Ottomotorenentwickler betrachten nun die Maßnahmen zur Reduzierung der CO2-Emissionen durch die Brille der RDE-Gesetzgebung. Davon werden auch bewährte Konzepte wie das Downsizing beeinflusst.

Im Zuge der Betrachtung von Emissionen im realen Fahrbetrieb (Real Driving Emissions, RDE) bei Ottomotoren spielt in der Debatte vor allem die Partikelanzahlemission von Ottomotoren mit Direkteinspritzung und Turboaufladung eine Rolle. Denn neben zahlreichen Vorteilen führt die Technik - im Vergleich zur äußeren Gemischbildung - zu einer Zunahme der Partikelemissionen im Abgas. Die gesundheitsgefährdenden Auswirkungen der ultrafeinen Partikel wurden in diversen Studien nachgewiesen. Die Motorentwicklungsexperten beschäftigen sich deshalb sowohl mit den Ursachen für Partikelemissionen bei DI-Ottomotoren als auch mit Gegenmaßnahmen. 

Innermotorische Ursachen von Partikelemissionen

Forscher am KIT hatten im Rahmen eines FVV-Forschungsvorhabens beispielsweise Untersuchungen zu innermotorischen Ursachen für Partikelemissionen bei DI-Ottomotoren durchgeführt und auf dem 14. Internationalen Stuttgarter Symposium vorgestellt. Im Artikel "Innermotorische Ursachen für Partikelemissionen bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung" stellen die Forscher einen Auszug der Untersuchungsergebnisse vor und zeigen den Einfluss verschiedener Motor- und Betriebsparameter auf die Partikelbildung und -oxidation.

Auch die APL Group beschäftigt sich mit den Mechanismen der Partikelentstehung. "Die emittierte Partikelanzahl und -masse ist das Ergebnis einer Vielzahl miteinander interagierender Einflussgrößen, die einerseits auf den Eintrag von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Brennraum und andererseits auf die Partikelentstehung und anschließende Oxidation einwirken. Bei der Gemischbildung spielt das Kraftstoffsystem, das heißt der Kraftstoff, die Injektordüsengeometrie und der Einspritzdruck, eine entscheidende Rolle", schreiben die Autoren im Fachbeitrag Einflussfaktoren auf die Partikelentstehung unter Realfahrbedingungen in der MTZ 3/2016. Die Ingenieure beschreiben in dem Artikel auch, wie die Optimierung im Bereich der Einspritzung und Gemischbildung unter Verwendung von statistischer Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE) mit reduziertem Zeit- und Kosteneinsatz durchgeführt werden kann.

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Die Nebenwirkungen des Downsizings

In der Motorentwicklung hat sich Downsizing als Maßnahme zur Reduzierung von CO2-Emissionen inzwischen etabliert. Zahlreiche Saugmotoren wurden durch aufgeladene und im Hubraum verkleinerte Motoren ersetzt – zugunsten eines Verbrauchsvorteils bei gleichzeitigem Anstieg der spezifischen Leistung (Kilowatt pro Liter Hubraum). "Das Mittel "Downsizing" hat allerdings auch einige Nebenwirkungen", kommentierte Markus Duesmann, Leiter Antriebsentwicklung bei BMW, bereits vor drei Jahren in seinem Gastkommentar in der MTZ 2/2013. "Der Unterschied zwischen Zyklusverbrauch und Realverbrauch kann je nach Fahrprofil höher sein als bei den abgelösten Vorgängerkonzepten mit größeren Hubräumen", schrieb Duesmann.

Mit der RDE-Gesetzgebung, die ab September 2017 eine zusätzliche Emissionsmessung auf der Straße vorsieht, erhält die von Duesmann angesprochene Problematik aktuell besondere Relevanz für die Motorenentwickler. Downsizing-Konzepte und verbrauchsorientierte Getriebestrategien sollen die CO2-Emissionen bei Ottomotoren verringern, können unter RDE-Bedingungen jedoch zusätzliche Problembereiche wie NOX- oder CO-Emissionen aufweisen. Die Maßnahmen zur CO2-Emissionsreduzierung stehen vielfach in einer Trade-off-Beziehung zu den Maßnahmen zur Verbesserung der RDE-Emissionen, erklärte Dr. Paul Kapus von AVL in seinem Fachvortrag beim 9. Internationalen Forum Abgas- und Partikelemissionen. Kapus skizzierte im Rahmen seines Vortrags mehrere Problemkreise von stöchiometrischen Ottomotoren in Bezug auf die RDE-Emissionen. Dazu zählte er auch den Spülbetrieb bei niedrigen Drehzahlen zur Anhebung des Drehmoments.

Magere Spülstrategie birgt Risiko für RDE

Um etwa verbrauchsgünstige lange Antriebsübersetzungen bei ausreichender Fahrbarkeit bei Downsizing-Ottomotoren in einem vergleichsweise schweren Fahrzeug (etwa einem SUV-Modell) zu erreichen, werden solche Motoren zur Verbesserung des Drehmomentverhaltens bei niedrigen Drehzahlen mit spülendem Ladungswechsel kalibriert, erklärte Kapus. Solche ausgeprägten mageren Spülstrategien seien heute durchaus charakteristisch für Verbrauchskonzepte mit aufgeladenem Otto-Direkteinspritzmotoren.

Speziell beim Anfahren und bei Beschleunigungs-/schaltvorgängen bei Motordrehzahlen zwischen 1000 bis 2500/min bewirke allerdings der im Spülbereich magere Motorbetrieb ein Überfahren der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators und damit ein Durchschlagen der NOX-Emissionen. Kapus berichtete: "Insbesondere in der Kombination von extremen Downsizing, verbrauchsorientierter Getriebeauslegung und ungünstigem Leistungsgewicht kann dieser Effekt bereits bei moderater Fahrweise auftreten." Der Grad des spülenden Ladungswechsels könne durch eine geänderte Motorkalibrierung reduziert werden, dies bewirke jedoch eine signifikante Verschlechterung der Fahrbarkeit insbesondere bei verbrauchsorientierter Getriebeauslegung.

Auslegung der Verdichtung

Die fortschreitende Verbrauchsreduzierung beim Ottomotor führt Kapus zufolge auch bei der Auslegung der Verdichtung zu einem immer komplexeren Balancieren zwischen Teillast- und Volllastanforderungen. "Für verbrauchsorientierte Konzepte wird die Verdichtung eher an eine obere Grenze geführt, bei der in repräsentativen Kundenfahrprofilen aus Bauteileschutzgründen kein nennenswerter Anreicherungsbedarf besteht", erklärt Kapus. Insbesondere bei Beschleunigungen im höheren Geschwindigkeitsbereich, könne es dabei trotzdem durch Fettbetrieb zu erhöhten Partikelanzahl- und CO-Emissionen kommen.

Um den Teillast-Wirkungsgrad des Ottomotors unter Beachtung der RDE-Gesetzgebung zu verbessern, haben der Entwicklungsdienstleister IAV und die Westsächsische Hochschule Zwickau Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse stellen die Forschungspartner im Fachartikel „Potenziale des variablen Verdichtungsverhältnisses am voll gemillerten Ottomotor“ in der MTZ 4/2016 vor. Den Autoren des Artikels zufolge kann an Downsizingkonzepten der Teillastverbrauch signifikant reduziert werden, wenn die Potenziale des Millerzyklus mit der variablen Verdichtung kombiniert werden.

Als weitere Problemkreise werden die Ottomotorenentwickler laut Kapus zudem das Überschreiten günstiger Katalysator-Raumgeschwindigkeiten bei hohen Abgasmassenströmen, extreme Lastdynamik, Temperatureffekte im Katalysator, Langzeitstabilität der Partikelemission sowie Start/Wiederstart–Strategien (Hybrid) künftig beschäftigen. Optimierungsmaßnahmen der Entwickler stehen hierbei fast immer im Spannungsfeld von CO2-Reduzierung und RDE.

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