Verbrennungsmotoren: Immer noch ein Quäntchen besser

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Detailfragen rund um Gemischbildung und Verbrennung beschäftigten schon Generationen von Motorenentwicklern. Auch die aktuellen und künftigen Studienjahrgänge kommen um das Thema nicht herum. Denn Kernthema der Weiterentwicklung von Diesel- und Ottomotoren ist und bleibt die Verbrennung mit vorgelagerter Gemischbildung. Kein anderer Parameter bestimmt Leistung, Kraftstoffverbrauch und Rohemissionsniveau des Verbrennungsmotors so stark wie das Brennverfahren. Auch wenn in diesem Zusammenhang durchaus von reifen Techniken gesprochen werden darf, finden Motorenentwickler immer wieder neue Ansatzpunkte, um noch ein Quäntchen mehr herauszuholen. Zu den aktuellen Ansatzpunkten zählt die Wassereinspritzung bei Otto- und Dieselmotoren ebenso, wie weitere Optimierungen an den Einspritzsystemen.

So beschreiben Jürgen Hagen, Olaf Erik Herrmann, Jost Weber und Dirk Queck vom japanischen Zulieferer Denso in ihrem Aufsatz Optimierung der dieselmotorischen Verbrennung durch Weiterentwicklung des Injektors für die MTZ 4/2016, wie sie durch die Anhebung der Nadelöffnungsgeschwindigkeit Verbrauchsvorteile bei gleichzeitiger Verringerung der Rußemissionen darstellen konnten. Darüber hinaus, so die Autoren, bieten die neu entwickelten Injektoren, egal ob mit Magnet- oder Piezoventil, weitere Freiheitsgrade bei der Applikation angelagerter Pilotmengen. Anhand eines Dreifachpiloteinspritzmusters konnte überdies ein weiteres Potenzial zur Senkung von Verbrauch und Rußemission nachgewiesen werden. Und dies sowohl bei Pkw- als auch bei Nutzfahrzeuganwendungen. Das schnellere Nadelöffnen wurde nach Angaben der Autoren an einem 2,2-l-Pkw-Dieselmotor untersucht. Dabei konnte der Kraftstoffverbrauch um 0,9 Prozent reduziert werden, wobei die Rußemission ebenfalls leicht verbessert wurde. Am Nutzfahrzeugmotor konnte der Rußausstoß den Angaben zufolge sogar um 50 Prozent reduziert werden.

Weniger Stickoxide dank Wassereinspritzung

Die aus stationären Großmotoren sowie dem Tuning hochaufgeladener Ottomotoren bekannte Wassereinspritzung auf Serienmotoren zu portieren, ist ein anderer aktueller Entwicklungsansatz. Für Prof. Stefan Pischinger, Direktor des Instituts für Thermodynamik der RWTH Aachen und Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen, lässt sich derzeit zwar noch keine Aussage über einen breiten Serieneinsatz der Technik treffen. Im Doppelinterview Die Zeit ist reif für neue Generationen von Kraftstoffen in der MTZ 4/2016 konstatiert er jedoch: "Grundsätzlich hilft bei hohen Lasten, also speziell im RDE-Bereich, alles, was kühlt." Dabei seien die einzuspritzenden Wassermengen beträchtlich. Sie liegen laut Pischinger in der gleichen Größenordnung wie der Kraftstoff selbst. Und auch Prof. Michael Bargende, Leiter des Lehrstuhls für Fahrzeugantriebe, der für das Interview als zweiter Gesprächspartner zur Verfügung stand, ist überzeugt: "Ich verstehe die Wassereinspritzung als eine ganz klare RDE-Maßnahme."

Welchen Einfluss eine direkte Wassereinspritzung mit einem separaten Wasserinjektor auf die Verbrennung und die Emissionsbildung von Dieselmotoren hat, ist derzeit Gegenstand von Untersuchungen am Lehrstuhl Verbrennungsmotoren der TU Dresden. In ihrem Beitrag Wassereinspritzung im Dieselmotor für die MTZ 4/2016 beschreiben Robert Plöntzke und Hans Zellbeck die direkte Wassereinspritzung als wirkungsvolle Methode zur Stickoxidreduktion. Im Gegensatz zur herkömmlichen Abgasrückführung, die im Wesentlichen heute in der Serie zur Reduzierung der Stickoxide im Motor angewendet werde, bleibe die Sauerstoffkonzentration im Brennraum nahezu unverändert. Die Optimierung von Einspritzstrahlauslegung und Einspritzzeitpunkt, so die Autoren zusammenfassend, erlaube, das Wasser bis zum Einsetzen der dieselmotorischen Verbrennung thermodynamisch effektiv zu nutzen. So könne die Stickoxidemission bei moderatem Anstieg der Partikelemission lastunabhängig zwischen 60 und 70 Prozent reduziert werden.