Platzhirsch unter der Haube

Zuerst ist es nur ein einsamer Funke im leeren, schwarzen Raum. Dann scheint plötzlich eine zarte blaue Wolke mit hellgelb leuchtenden Rändern auf, bevor sie in sich zusammenfällt und es wieder dunkel wird. So ästhetisch kann ein Phänomen aussehen, dass in jedem fahrenden Auto mehrere tausend Mal pro Minute stattfindet und ihm mittlerweile ein veritables Akzeptanzproblem eingetragen hat: die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in einem Kolbenmotor.

Ans Licht gebracht hat dieses Farbenspiel Professor Christof Schulz von der Universität Duisburg-Essen: Er hat ein „Gläserner Motor“ genanntes Aggregat entwickelt, mit dem sich die Vorgänge zwischen Zylinderkopf und Kolben im Nanosekundentakt analysieren lassen. Dieses Wissen ist entscheidend für die Autobranche, denn sie muss einen Spagat schaffen zwischen Käufern, die Leistung und Laufruhe verlangen, und einer Politik, die verstärkt auf die Einhaltung von Schadstoffgrenzen und niedrigere Verbräuche pocht. Und trotz alternativer Antriebskonzepte wie dem Elektromotor (siehe TR 11/07) sieht es nicht danach aus, als würde jemand der Kolben- Verbrennungsmaschine in absehbarer Zeit die Rolle des Platzhirschen unter der Haube streitig machen.

Obwohl sich am Prinzip des Viertaktmotors seit mehr als einem Jahrhundert nichts verändert hat, trauen ihm Experten noch einiges Potenzial zu, sauberer und sparsamer zu werden. Die entscheidende Stellschraube dafür ist die Optimierung der Verbrennung. Denn sowohl Diesel- als auch Benzinmotor haben dort systembedingte Schwächen. Beim herkömmlichen Ottomotor wird das Benzin-Luft-Gemisch schon im Ansaugtrakt verwirbelt und verteilt sich deshalb gleichmäßig im Zylinder. Die Folge ist eine sanfte und relativ saubere Verbrennung. Der Preis dafür: ein genau definiertes Mischungsverhältnis von Benzin und Luft muss konstant eingehalten werden („Lambda 1“ im Techniker-Jargon). Wird wenig Leistung abgefragt, muss also nicht nur die Benzin-, sondern auch die Luftzufuhr reduziert werden – der Motor wird sozusagen am Atmen gehindert. Dieser sogenannte Drosselklappenverlust ist verantwortlich dafür, dass Benzinmotoren besonders im Teillastbereich uneffizient arbeiten.

Der Dieselmotor kennt dieses Problem nicht, weil er seinen Treibstoff statt durch einen Zündkerzenfunken durch hohe Verdichtung entflammt. Dadurch kann er stets mit Luftüberschuss arbeiten, und es schadet nicht, wenn das Mischungsverhältnis variiert. Allerdings hat der Sprit, da er erst unmittelbar vor der Zündung in den Zylinder kommt, weniger Zeit, sich homogen im Brennraum zu verteilen. Dadurch wird die Verbrennung ungleichmäßiger, was einen raueren Lauf sowie höhere Russpartikel- und Stickoxidwerte als bei einem Ottomotor verursacht. Ideal wäre also ein Motor, der die Vorzüge beider Konzepte vereinen würde. Genau daran arbeiten derzeit die Ingenieure der Autokonzerne und die Forscher an den Universitäten. Doch dafür gilt es zunächst die Feinheiten des Verbrennungsprozesses besser zu verstehen: Bisher mussten die Entwickler ihre Schlüsse im Wesentlichen aus dem ziehen, was in den Zylinder als Blackbox hinein- und wieder hinausging. „Die empirischen Verfahren zur Weiterentwicklung von Verbrennungsverfahren sind mittlerweile weitgehend ausgeschöpft“,... (bs)