Homogene Kompressionszündung

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Homogene Kompressionszündung (engl. Homogeneous Charge Compression Ignition, abgekürzt: HCCI, oder Controlled Auto Ignition, abgekürzt CAI) bezeichnet das Konzept für einen Motor, bei dem die Verbrennung eines homogenen Gemisches gleichzeitig im gesamten Brennraum beginnt. Primäres Ziel dieser Entwicklung ist die Senkung des Schadstoffausstoßes. Diese Technik kombiniert Vorteile aus der Diesel- und Benzintechnik.

Herausforderung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit dieser Motortechnik sollen die Vorteile des Dieselmotors und Ottomotors vereint werden, jedoch stehen dem auch Herausforderungen entgegen:

  • Selbstzünder (Dieselmotor): Dem Vorteil des niedrigen Kraftstoffverbrauchs steht ein höherer Schadstoffausstoß gegenüber. Der Kraftstoff wird unter sehr hohem Druck und in scharfen, sehr feinen Strahlen so eingespritzt, dass sich die Luft vor der Verbrennung unzureichend mit dem Diesel vermischt. Daraus resultiert unerwünschte Partikelbildung.
  • Ottomotor: Dem Vorteil des niedrigeren Schadstoffausstoßes steht die Zündfähigkeit gegenüber. Je hochwertiger der Kraftstoff (hohe Oktanzahl), umso klopffester, bzw. zündunwilliger wird er. Die Verbrennung kann nur durch einen Zündfunken initiiert werden.

Funktionsweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Zündung wird bei geringer und hoher Last wie beim Ottomotor üblich über Fremdzündung eingeleitet. Im mittleren Leistungsbereich wird die Gemischverbrennung durch HCCI eingeleitet. Eine elektrisch gesteuerte Nockenwellenverstellung regelt die Ventilsteuerung. Des Weiteren werden nach Bedarf Direkteinspritzung, Turboaufladung und eine variable Verdichtung verwendet.

Der HCCI-Motor arbeitet mit einem homogen (gleichmäßig) verteilten Gemisch aus Kraftstoff und Luft. Die Zündung wird dabei durch die bei der Verdichtung steigende Temperatur und gegebenenfalls im Brennraum verbleibende Radikale ausgelöst. Anders als beim konventionellen Ottomotor ist diese Selbstzündung durchaus erwünscht und Grundlage des Prinzips, weshalb eine Zündkerze im HCCI-Betrieb nicht benötigt wird. Da HCCI-Betrieb nur im Teillastbereich erfolgt, ist bei Motoren für Ottokraftstoff dennoch eine Zündkerze vorhanden.

Mit Dieselkraftstoff angetriebene Motoren, die mit dem HCCI-Verfahren arbeiten, laufen im Warmlauf, Leerlauf und bei Volllast im konventionellen Dieselbetrieb und im Teillastbereich nach dem HCCI-Verfahren. Allerdings ist der HCCI-Bereich mit Dieselkraftstoff schwerer zu erreichen als mit Benzin.

Im HCCI-Motor soll die Ladungszusammensetzung so gleichmäßig sein, dass die Verbrennung im gesamten Brennraum gleichzeitig beginnt. Dieser Vorgang kann über mehrere Motorparameter geregelt werden. Unbedingt zu vermeiden ist eine unkontrollierte Verbrennung, weil diese zu einer klopfenden Verbrennung mit einem hohen Druckgradienten führt. Dies kann den Motor beschädigen und ist zudem akustisch störend. Zur Leistungsregelung und zur Reduzierung der Verbrennungsgeschwindigkeit kann eine innere oder äußere Abgasrückführung eingesetzt werden; dadurch lässt sich in einem gewissen Umfang die Verbrennungslage kontrollieren. Bei Ottomotoren wird in der Regel eine innere Abgasrückführung eingesetzt, um die Zündung des klopffesten Kraftstoffes durch freie Radikale zu beschleunigen. Beim Dieselmotor wird Abgas gekühlt und dann zurückgeführt, um die chemische Reaktion zu verlangsamen, da die niedrigere Temperatur die hohe Zündwilligkeit von Dieselkraftstoff ausgleicht. Es entstehen sehr hohe Drucksteigerungsraten und Spitzendrücke, weil sich das gesamte Kraftstoff-Luftgemisch fast gleichzeitig umsetzt. Volllast, aber auch höhere Teillast kann nicht gefahren werden, weil dies die Bauteile des Motors zu hoch beanspruchen würde.

Schadstoffe wie NOx und Rußpartikel lassen sich durch die homogene Kompressionszündung im Motor fast vollständig vermeiden. Daher kann man gegebenenfalls auf Abgasnachbehandlungssysteme verzichten. Gleichzeitig wird der Wirkungsgrad erhöht. Die Emissionen von Kohlenstoffmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffe lassen sich jedoch nicht vermeiden und sind erhöht.

Das Kompressionsverhältnis ist dabei stets ein Kompromiss und vom Kraftstoff sowie dem gewählten Betriebspunkt abhängig. Der ideale Kraftstoff für den HCCI-Betrieb weicht von den bisher gehandelten Kraftstoffen ab. Jedoch können die bisherigen Kraftstoffe (Benzin und Diesel) entweder gemischt werden oder es werden Additive verwendet.

Forschung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weltweit erforschen Unternehmen und Universitäten die Möglichkeiten eines Motors mit homogener Kompressionszündung. Ziel ist es unter anderem, den Betriebsbereich der homogenen Kompressionszündung zu vergrößern, die Leistungsregelung und den Fahrkomfort zu verbessern und Emissionen zu verringern.

Der Prototyp Diesotto[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Diesotto-Motor (auch Combined Combustion System oder Combined Combustion Engines) ist eine Mercedes-Benz-spezifische Bezeichnung für Motoren mit homogener Kompressionszündung.

Technische Spezifikationen des Versuchsmotors der Daimler AG:

Der Diesotto-Motor wurde 2007 erstmals im Forschungsfahrzeug Mercedes-Benz F 700 gezeigt[1].

Serieneinsatz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Honda verwendet für Zweitaktmotoren ein Activated Radical Combustion [2] genanntes homogenes Kompressionszündungsverfahren, das im Teillastbereich das Gemisch ohne Fremdzündung zündet. Das wird durch eine Auslasssteuerung erreicht, die als wesentliches Sensorelement einen Klopfsensor besitzt.

Historisches[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als erster HCCI-Motor gilt, von den Selbstzünder-Modellmotoren abgesehen, der Lohmann-Hilfsmotor von 1949. Hier wurde der HCCI-Betrieb über eine variable Verdichtung erreicht.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3
  • Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage, Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 2000, ISBN 3-14-221500-X

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. [1] Diesotto Stand 2014
  2. http://www.motorradtechniklinke.de/roller/fes125/fes125.htm Honda ARC-Verbrennungssystem

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]