2021 ist viel geschehen: Im Januar verabschiedet der Schweizer Bundesrat die «Langfristige Klimastrategie der Schweiz» mit dem Ziel Netto Null bis 2050. Und im Laufe des gleichen Jahres veröffentlicht die Empa eine Reihe von Forschungsarbeiten zum Verbrennungsmotor. Aber wie passt das zusammen? Sind Verbrennungsmotoren nicht Technologie von gestern?
Das vertraute Motorenbrummen des 20. Jahrhunderts wird in den nächsten Jahren leiser. «Der Umstieg auf elektrische Antriebe wird allmählich stattfinden», sagt Christian Bach, Leiter der Abteilung Automotive Powertrain Technologies an der Empa. «Doch bei manchen Anwendungen wird es schwer oder gar unmöglich sein, auf Verbrennungsmotoren zu verzichten.»
Selbst die traditionsreiche Deutz AG in Köln verabschiedet sich vom Verbrennungsmotor als tragendem Geschäftsmodell. Die Firma wurde immerhin 1872 von Nikolaus August Otto gegründet, zählte Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach zu ihren Angestellten und baute 1876 den ersten Viertaktmotor der Welt. Nun plant Frank Hiller, der CEO der Deutz AG, bereits 2031 die Hälfte des Firmenumsatzes mit Wasserstoffantrieben und elektrischen Antriebssystemen zu bestreiten, wie das deutsche Manager Magazin berichtet. Das Geld für den Umbau soll mit Hilfe des traditionellen Motorenbaus erwirtschaftet werden. Hiller erwarte, dass Verbrennungsmotoren etwa bei Bauund Erntemaschinen noch länger gebraucht würden, schreibt die Zeitschrift. So bliebe dem Konzern etwas Zeit für den Umbau.
Die Forschung am Verbrennungsmotor fokussiert sich also auf die nächsten zwei bis drei Jahrzehnte vor uns. Das Ziel ist, möglichst wenig Treibhausgase zu emittieren. Dabei geht es einerseits um die CO2-Emissionen der Motoren, das andere Problem ist das besonders starke Treibhausgas Methan. Aus Ökostrom erzeugtes Methan, auch Syngas genannt, ist eines der Schlüsselprodukte für die Mobilität der Zukunft. Doch auch dieses klimaneutral erzeugte Methan darf nicht unverbrannt aus dem Auspuff entweichen, sonst wäre bezüglich Treibhauseffekt wenig gewonnen.
Wir brauchen also eine neue Generation von sparsamen Motoren und müssen zugleich die Abgas-Zusammensetzung genau im Auge behalten, damit dort, wo Verbrennungsmotoren unersetzlich sind, möglichst wenig Klimaschaden entsteht. Auf den nächsten beiden Seiten erfahren Sie, wie die Empa diese Aufgabenstellung angeht.
Forschen mit Taktgefühl - der Verbrennungsmotor auf neuen Wegen
Emissionen im realen Fahrbetrieb können mit einer Technik namens "Remote Sensing" gemessen werden. Das Messsystem erfasst dabei berührungsfrei die Schadstoffkonzentrationen im Abgas vorbeifahrender Fahrzeuge. Bei einer Messung durchqueren die Fahrzeuge eine Lichtschranke welche durch Ultraviolettund Infrarotquellen erzeugt wird. Durch Absorption des Lichtes von verschiedenen Wellenlängen wird
mit einem Spektrometer die Schadstoffkonzentration ermittelt. Das Messsystem ist also fest vor Ort und wartet auf die Emissionen vorbeifahrender Fahrzeuge, um unter den am Ort der Messung vorherrschenden Bedingungen in einer Momentaufnahme die realen Emissionen zu bestimmen. Die Empa evaluierte in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Strassen (Astra) zwei Messgeräte die bereits auf dem Markt sind. Fernziel ist es, Fahrzeuge mit schadhafter Abgasanlage oder Motorsteuerung im fliessenden Verkehr zu ermitteln, die Abgaswerte im Labor nachprüfen zu lassen und den Besitzer zur Reparatur aufzufordern.
Um Treibhausgase zu reduzieren, könnten Verbrennungsmotoren künftig mit Biotreibstoffen wie Pflanzenöl oder mit Synfuels wie Polyoxymethylendimethylether (OME) betrieben werden. OME lässt sich zum Beispiel aus grünem Wasserstoff und CO2 aus der Luft herstellen. Er kann in Selbstzündungsmotoren (Dieselmotoren) genutzt werden. Doch bis heute ist unklar, welche Russpartikel aus diesen alternativen Treibstoffen entstehen und auf welche Weise man sie aus dem Abgas entfernen kann. Im Labor der ETHZ wurde ein Einzylindermotor mit Pflanzenöl und OME, sowie verschiedenen Treibstoffmischungen betrieben. Die Empasammelte den entstehenden Russ in Russpartikelfiltern, und brannte den Filter unter kontrollierten Bedignungen wieder frei. Ergebnis: Mit OME entstanden viel weniger Russpartikel, die waren jedoch schwer entflammbar und daher nur mit grösserer Hitze aus dem Partikelfilter zu entfernen.
Auch Methan lässt sich aus grünem Wasserstoff und CO2 aus der Luft gewinnen und eignet sich daher als klimaneutrales Synfuel für Langstrecken-Lastwagen. Doch es gibt ein Problem: unverbranntes Methan lässt sich in einem Katalysator nur schwer oxidieren beziehungsweise umwandeln. Dann schlüpft es durch den Abgastrakt in die Atmosphäre und verursacht einen Treibhauseffekt, der je nach Betrachtung 30 - 80 mal grösser ist als derjenige von CO2. Damit wäre der ökologische Gewinn von Methan-getriebenen Lastwagen reduziert. Die Empa unternahm Prüfstandversuche mit Lastwagenmotoren im "fetten" Betrieb (mit Treibstoff-Überschuss), im "mageren" Betrieb (mit Luftüberschuss) und im Lambda-Eins-Betrieb (Methan und Sauerstoff im passenden Brennverhältnis). Dies entspricht einem Lastwagen, der mit konstanter Geschwindigkeit bergauf oder bergab fahren muss. In einem Modellversuch wurde untersucht, welche chemischen Prozesse im Katalysator stattfinden müssen, damit das unverbrannte Methan möglichst weitgehend zerstört wird - und keinen unerwünschten Treibhauseffekt erzeugt. Dadurch ist es gelungen, ein Katalysatorkonzept vorzuschlagen, der die Methanemissionen bis massgeblich verringert. So wird es für Gasmotoren möglich, die für die nächsten Abgasstufe (Euro-7) zu erfüllen.
Der ComprexTM-Lader ist, wie der Turbolader auch, eine Schweizer Erfindung. Der Comprex nutzt Druckwellen im direkten Kontakt des Abgases mit der Frischluft zur Aufladung, während ein Turbolader zwei Strömungmaschinen (Turbine und Verdichter) koppelt. In den 1980er Jahren wurden Comprex-Lader in PW-Dieselmotoren von Opel und Mazda eingesetzt. Doch der Lader hatte Nachteile: beim Motorkaltstart war der Aufbau des Druckwellenprozesses schwierig und temperaturbedingte Effekte bei Lastwechseln führten zu Emissionsund Effizienzproblemen. Inzwischen haben Ingenieure der Firma Antrova AG (Stein am Rhein) den Comprex-Lader weiterentwickelt: Unterstützt von einem Elektromotor funktioniert er in allen Bedingungen problemlos und ein neues Design des sogenannten Zellenrotors löst die früheren Schwierigkeiten bei Temperaturänderungen vollständig. Forscher haben, in Zusammenarbeit mit einem Nutzfahrzeugund dem Comprexhersteller, einen Erdgasmotor mit einem solchen "Comprex 2.0"-Lader aufgebaut und sowohl im Kaltstart, wie auch im gesamten warmen sowie auch im dynamischen Betrieb das sehr gute Funktionieren des neuen Comprex-Designs aufzeigen können. Der Motor liefert, im Gegensatz zum Turbo-Pendant, bereits praktisch ab Leerlaufdrehzahl ein enorm hohes Drehmoment, was einerseits die Fahrbarkeit verbessert und, in Kombination mit sogenanntem Miller-Betrieb und einer Anpassung der Getriebeübersetzung, Verbrauchseinsparungen mit sich bringt.
Zugleich wird der Katalysator sechsmal schneller warm als beim Turbomotor, was für bessere Abgaswerte sorgt. Schliesslich ermöglicht der Comprex eine hohe Motor-Bremswirkung - der Fahrer eines Nutzfahrzeugs müsste sehr viel seltener die mechanischen Bremsen benutzen.
Die Empa hat in den letzten Jahren eine vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung entwickelt, welche sich für Verbrennungsmotoren und andere thermische/pneumatische Maschinen einsetzen lässt. Vollvariabel bedeutet, dass sowohl der Ventilhub wie auch der Öffnungssowie der Schliesszeitpunkt frei eingestellt werden können - und dies sogar von einem Zyklus zum nächsten. Am Verbrennungsmotor eingesetzt gibt diese volle Flexibilität neue Freiheitsgrade für Optimierungen. Beispielsweise lässt sich die Last bei Ottomotoren ohne Drosselklappe und von einem Zyklus zum nächsten einstellen, die Volllast kann optimiert werden und der Motor lässt sich auf verschiedene Treibstoffe "per Software" anpassen.
Die Empa hat den Ventiltrieb an einem Ottomotor aufgebaut und erforscht die Potentiale. Eine Variante der Laststeuerung ist die Zylinderabschaltung. Das heisst, einzelne Zylinder werden im Teillastbereich in hoher Last betrieben, andere werden zugleich ganz abgeschaltet indem alle Ventile geschlossen bleiben. Der plötzliche Übergang vom Betrieb mit allen Zylindern auf den Betrieb mit abgeschalteten Zylindern würde allerdings ungewünschte Drehmomentspitzen mit sich bringen, so dass der Übergang sanft gestaltet werden muss. In heute auf dem Markt befindlichen System ohne vollvariable Ventilsteuerungen werden solche Zylinderabschaltungen durch stark effizienzmindernde Zündeingriffe ausgelöst. Mit der vollvariablen Ventilsteuerung der Empa lassen sich einzelne Zylinder dagegen ohne Effizienzverlust abschalten.
Ebenso wie die vollständige Abschaltung von Zylindern ist es auch möglich, sie seltener zu zünden. So wird aus einem Viertakt-Betrieb, ein Achtoder Zwölftakt-Betrieb. Im Vergleich zu einem gedrosselten Viertakter arbeitet ein solcher Motor deutlich effizienter.
