Schadstoffreduzierung und Kraftstoffverbrauch von Pkw-Verbrennungsmotoren

Jeder Verbrennungsvorgang auch im Motor ist eine Oxidation mit Sauerstoff. In der Regel werden bei Motoren Kraftstoffe eingesetzt, die aus Kohlenwasserstoffen bestehen. Benzin und Dieselkraftstoff bestehen aus Gemischen vieler unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe.

Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors und damit der spezifische Kraftstoffverbrauch ist wesentlich vom Prozeßverlauf während eines Arbeitsspiels abhängig. Da der Prozeßverlauf im Motor einer exakten rechnerischen Beschreibung nicht zugänglich ist, ist man auf Vercgleichsprozesse und Beschreibungen von Teilsystemen angewiesen. Diese Vergleichsprozesse ermöglichen prinzipielle Aussagen z.B. über den Einfluß des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder des Verdichtungsverhältnisses auf den Wirkungsgrad. Trotz Berücksichtigung der chemischen Umwandlung des Arbeitsmediums durch den Verbrennungsvorgang sind mit dieser Art von Prozeßführung (z.B. Prozeß des vollkommenen Motors) nur tendenzielle Aussagen über das SchadstoffVerhalten bzw. den Kraftstoffverbrauch möglich. Die Gründe liegen in der notwendigen Vereinfachung der Randbedingungen für solche Prozeßführungen wie z. B. isentrope Kompression und Expansion, Verbrennungsprodukte im chemischen Gleichgewicht und wärmedichte Wände, die teilweise weit vom realen Verhalten in einem Motor entfernt sind. Aus diesem Grund soll hier nicht näher auf Vergleichsprozesse eingegangen werden.

Zweitakt-Motoren haben eine sehr lange Tradition. Sie waren im PKW-Einsatz wegen ihrer Einfachheit (ohne Spülgebläse, ohne Ventiltrieb), ihres geringen Platzbedarfs, des geringen Gewichtes (Leistungsdichte) und des Schwingungskomforts (doppelte Zündfrequenz) eine Alternative zum Viertakt-Motor, Abb. 4.1. Neben den Vergasermotoren war eine interessante Variante z.B. der Zwei- Zylinder-Goliath-Motor mit Benzin-Direkteinspritzung und Umkehrspülung, Abb. 4.2.

Die Nachbehandlung von Motorenabgas zur Schadstoffreduzierung fordert unterschiedliche Systeme für Otto- und Dieselmotor. Während beim konventionellen Ottomotor der Dreiwege- Katalysator eingesetzt wird, ist es beim Dieselmotor der Oxidationskatalysator und zukünftig wohl auch das Partikelfilter. Der Denox- bzw. Magerkatalysator, der sich z.Z. in der Entwicklung befindet, wäre sowohl für den Ottomotor (Magermotor) als auch für den Dieselmotor einsetzbar. Der Magerkatalysator ermöglicht im Bereich λ>1 befriedigende Konvertierungsraten, insbeson-dere von NO_x.

Das Emissionsverhalten von Motoren wird wesentlich durch den verwendeten Kraftstoff bestimmt, jedoch nicht in erster Linie bezüglich der Höhe der Schadstoffkonzentration, sondern vielmehr in bezug auf die Komponenten, die im Abgas enthalten sind. Das wird deutlich z.B. beim Einsatz von alternativen Kraftstoffen. Aber auch bei konventionellen Kraftstoffen spiegelt sich die Zusammensetzung in einem Spektrum kraftstofftypischer Abgaskomponenten. Das ist mit ein Grund, daß bei der Herstellung zukünftiger konventioneller Kraftstoffe dem Emissionsaspekt eine zunehmend größere Bedeutung zukommt [6.1].

Bei der CO₂-Problematik muß nach den Verursaehern unterschieden werden. Dabei werden hier nur die anthropogenen, d. h. die von Menschen durch technische Einrichtungen geschaffenen Emissionen, betrachtet. Das sind im wesentlichen Emissionen, die aus Energieumwandlungsprozessen resultieren. In Deutschland (ohne die neuen Bundesländer) wurden ca. 750 Mio. Tonnen Kohlendioxid emittiert, das entspricht etwa 3,6% des weltweiten anthropogenen C0₂-Aufkommens. Der Verkehrsbereich trägt etwa 20% zum Gesamtergebnis bei. Dieser Anteil ist, wie aus Abb. 7.1 ersichtlich, steigend, wenn man den Primärenergieverbrauch als Maß für die CO₂- Emission ansieht [7.1] [7.2].

Die zunehmende Luftverunreinigung hat bei fast allen hochindustrialisierten Staaten bzw. Ländern mit hohem Motorisierungsgrad dazu gefuhrt, daß der Schadstoffausstoß limitiert wurde [8.2][8.9][8.14][8.15]. Um Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit zu erhalten, werden die emittierten Schadstoffmengen nach vorgeschriebenen Prüfverfahren ermittelt. Nachteilig ist, daß viele Staaten unterschiedliche Prüfverfahren, Bewertungen und Grenzwerte festgelegt haben, so daß ein Vergleich nicht oder nur eingeschränkt möglich ist. Darüber hinaus führt die Vielfalt der Prüfverfahren zu unnötig hohen Entwicklungsaufwendungen. Der Wildwuchs zu vieler unterschiedlicher internationaler Normen, Meßverfahren und Testzyklen muß beseitigt werden, nicht zuletzt auch aus Gründen der Kostenminimierung.