Forschung am sauberen Dieselmotor: Stickoxidemissionen und Verbrauch senken
Die Entwickler von Dieselmotoren stehen vor einem Zielkonflikt: Viele Maßnahmen, die die Stickoxidemissionen verringern, führen zu einer spürbaren Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs. Auf der Herbsttagung der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e.V. in Würzburg stellten Wissenschaftler neue Ansätze vor, mit denen beide Ziele zu vereinen sind.
Um die Schadstoffbilanz von Dieselmotoren weiter zu verbessern, muss nicht nur die Abgasreinigungsanlage perfekt funktionieren. Ziel der Motorenentwickler ist es, bereits die Rohemissionen im Motor zu verringern. Neben konstruktiven Maßnahmen spielt dabei die Steuerung des Motors eine entscheidende Rolle. Es gilt, verschiedene variable Systeme so zu steuern, dass die gesetzlichen Abgasgrenzwerte sicher eingehalten werden, der Motor aber gleichzeitig so wenig Kraftstoff wie möglich verbraucht. Drei der wichtigsten, voneinander nicht unabhängigen Einflussgrößen bei einem typischen Pkw-Dieselmotor sind der Einspritzbeginn, die Menge des in den Zylinder zurückgeführten Abgases sowie die Bewegung der Luft im Zylinder, die zum Beispiel über die Zu- oder Abschaltung eines Einlasskanals beeinflusst werden kann. Wissenschaftler der ETH Zürich berichteten über die Ergebnisse eines FVV-Vorhabens, mit denen die Regelung dieser Größen künftig wesentlich flexibler gestaltet werden könnte.
Der wesentliche Kniff der Motorenforscher besteht darin, den Verbrennungsvorgang im Motor anhand des sogenannten Heizverlaufes zu berechnen und den Motor anhand der Ergebnisse dieser Rechnung zu steuern. Heutige Motoren sind dafür auf den Input physikalischer Schadstoffsensoren – etwa zur Bestimmung des NOx-Gehaltes im Abgas – angewiesen. „Zwar könnte unser Rechenmodell auf solche Sensoren verzichten. Wir wollen die realen Sensoren aber nicht ersetzen, sondern lediglich durch ein virtuelles Sensornetzwerk ergänzen“, erläutert Prof. Dr. Konstantinos Boulouchos, Institut für Energietechnik. Gemeinsam mit den Regelungstechnikern der ETH Zürich untersuchte sein Team, wie gut die Berechnung mit der Realität übereinstimmt. Das Ergebnis: Auch für dynamische Testzyklen wie den WLTC (World Light-Duty Test Cycle), über dessen Einführung derzeit diskutiert wird, stimmen kumuliert die berechneten mit den tatsächlichen Emissionswerten überein.
Eine schnellere Motorregelung könnte in der Zukunft auch ein weiteres Problem moderner Dieselmotoren lösen: Der Verbrennungsprozess ist sehr dynamisch – wichtig dafür, dass das Fahrzeug sofort reagiert, wenn der Fahrer auf das Gaspedal tritt. Physische Sensoren, die die Rohemmisionen erfassen, reagieren stets mit einer Verzögerung von bis zu zwei Sekunden auf die Änderung des Motorbetriebszustandes. Hinzu kommt die Trägheit der Systeme zur Abgasnachbehandlung. Dadurch kommt es kurzzeitig zu erhöhten Emissionen. „Wir sind zuversichtlich, mit modernen Regelungsmethoden diese Latenzzeit etwa halbieren zu können“, sagt Boulouchos.
Nicht nur in Europa, sondern auch in Japan wird intensiv daran geforscht, wie die Emissionen des Dieselmotors weiter verringert werden können. So stellte Professor Dr. Jin Kusaka von der Waseda University in Tokio aktuelle Forschungsschwerpunkte der Forschungsvereinigung AICE (Research Association of Automotive Internal Combustion Engines) vor. Auch hier sucht man nach Wegen, die Regeneration des Partikelfilters exakter zu steuern. Da für jeden Reinigungsvorgang zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt wird, kann eine exakte Kenntnis des tatsächlichen Beladungszustandes über die Lebensdauer des Fahrzeugs zu erheblichen Verbrauchseinsparungen führen. Sowohl für Oxidations- als auch für SCR-Katalysatoren werden Konzepte untersucht, die bei geringeren Temperaturen funktionieren. Dies ist wichtig, um die nach einem Kaltstart stets erhöhten Emissionen zu verringern. Ein weiterer Ansatz besteht darin, die Ablagerungen, die im Motor durch die Abgasrückführung entstehen, zu reduzieren. Dies würde es erlauben, dauerhaft mit höheren Abgasrückführraten zu arbeiten – die Temperaturabsenkung, die daraus resultiert, führt im Motor zu geringerer NOx-Bildung.
Die erst 2014 gegründete Forschungsvereinigung AICE ist eine der FVV ähnliche Organisation der japanischen Fahrzeughersteller. Dietmar Goericke, Geschäftsführer der deutschen Forschungsvereinigung FVV betont: „Dass sowohl bei uns als auch in Japan so intensiv am Dieselmotor geforscht wird, zeigt das Potenzial, das in diesem Verbrennungsprinzip steckt. Der Dieselmotor ist für mobile Anwendungen der klimafreundlichste Antrieb. Mit weiterer Forschung wird es möglich sein, die Emissionen auch im realen Straßenverkehr noch einmal deutlich abzusenken.“
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