Otto zündet jetzt auch selbst: Raumzündverbrennung macht neuartigen Verbrennungsmotor sparsam und emissionsarm

Das Rad muss man nicht mehr neu erfinden – sein Prinzip bewährt sich schon seit 5.000 Jahren. Das 131 Jahre alte Prinzip des Ottomotors neu zu konzipieren, kann dagegen lohnend sein. So hat Mercedes-Benz mit dem DIESOTTO ein völlig neues Motorenkonzept vorgestellt, bei dem ein Ottomotor zeitweise zum Selbstzünder wird und wie ein Diesel arbeitet.

„Unser Ziel ist es, den Benziner so verbrauchsgünstig zu machen wie den Diesel. Das neue DIESOTTO-Konzept ist ein wesentlicher Schritt dahin. Es verbindet die besten Eigenschaften von Otto- und Dieselmotor“, sagt Daimler-Vorstandsmitglied Thomas Weber, verantwortlich für Konzernforschung sowie Entwicklung der Mercedes Car Group.

Temporärer Selbstzünder
Zu diesen „besten Eigenschaften“ zählt neben dem geringeren Spritverbrauch und damit einem verringerten CO₂-Ausstoß auch der geringere Ausstoß an Stickoxiden (NOx). Hinzu kommt: Der Antriebsnovize aus dem Labor der Untertürkheimer Motorenforscher begnügt sich mit handelsüblichem Ottokraftstoff; seinen bescheidenen Durst könnte er schon heute an jeder Tankstelle stillen.

In dem neuen Motor wird das Benzin-Luft-Gemisch beim Start und bei Volllast wie bei einem konventionellen Ottoaggregat per Zündkerze zur Explosion gebracht und läuft als Direkteinspritzer im üblichen Lambda-1-Betrieb. Ganz anders dagegen bei niedrigen und mittleren Geschwindigkeiten: Jetzt mutiert der Benziner flugs zum Selbstzünder. „Die kontrollierte Selbstzündung, auf die der DIESOTTO innerhalb eines Arbeitstakts automatisch umschaltet, erfolgt im Teillastbereich bei geringeren und mittleren Drehzahlen. Und weil Motoren die meiste Zeit im Teillastbereich laufen, ergibt sich daraus ein großes Sparpotenzial“, erläutert Günter Karl aus der Motorenforschung und -vorentwicklung im Mercedes-Benz-Werk Untertürkheim, der an der Erfindung maßgeblich beteiligt war.

Für den neuen Motor haben Karl und seine Kollegen ein modulares Konzept entwickelt, das folgende Komponenten umfasst: Downsizing, Turbolader, Benzindirekteinspritzung, variabler Ventil- und Kurbeltrieb, innovative Motorsteuerung sowie die Raumzündverbrennung, bei der es sich aber nicht um ein Bauteil, sondern um ein neues Brennverfahren handelt. Der erste Schritt auf dem Weg zum verbrauchsarmen DIESOTTO war das Down-sizing, die Verkleinerung des Motors. Statt eines großvolumigen 6-Zylinder-Saugmotors kommt ein kompaktes 4-Zylinder-Triebwerk zum Einsatz. Den dadurch bedingten Leistungsverlust gleicht ein zweistufiges Turbolader-System mehr als aus. Ein größerer Niederdrucklader und ein Hochdrucklader mit kleinerem Durchmesser sind hintereinander geschaltet und decken den gesamten Drehzahlbereich ab. Eine weitere Stellschraube im DIESOTTO-Baukasten ist die Benzindirekteinspritzung. Günter Karl erläutert die Zielrichtung: „Während die Direkteinspritzung in aktuellen Serientriebwerken wie dem 350-CGI-Motor dazu dient, eine zündfähige Gemischwolke rund um die Zündkerze zu schichten, nutzen wir sie im DIESOTTO vor allem, um ein gutes homogenes Gemisch zu erzeugen und um die Selbstzündung zu steuern.“ Damit legten die Ingenieure die Basis für die neuartige Raumzündverbrennung, die auf einer grundlegenden Veränderung der Arbeitstakte und des Verbrennungsverlaufs beruht. Anstelle der von einer Zündkerze ausgelösten Fremdzündung kommt es zu einer Selbstzündung des Benzins. „Bei der Raumzündverbrennung“, so Günter Karl, „beginnt die Revolution im Auslasstakt, denn der DIESOTTO stößt seine Abgase nicht vollständig aus.“ Stattdessen öffnen die Auslassventile nur sehr kurz und mit einem kleinen Hub. Deshalb kann lediglich die Hälfte der Abgase aus dem Zylinder entweichen – die anderen 50 Prozent bleiben im Brennraum und mit ihnen auch der Großteil der Abgaswärme. Um die Temperatur weiter zu steigern, düsen die Einspritzinjektoren zusätzlich eine kleine Menge Kraftstoff in den Zylinder. Sie zündet zwar nicht, reagiert aber thermisch mit dem heißen Restgas. Im nachfolgenden Einlasstakt wird der Kraftstoff in der für jeden Zylinder individuell dosierten Menge eingespritzt. Anschließend öffnet das Einlassventil kurzzeitig und mit kleinem Hub. Ein exakt bemessenes Volumen an Frischluft strömt ein und vermischt sich mit dem Restgas. Homogene Verbrennung Im anschließenden Verdichtungstakt steigt nun die Temperatur des Gemischs aus Restgas, Kraftstoff und Luft weiter an. Das Verhältnis aus Luft und Kraftstoff ist dabei so eingestellt, dass sich mehr Luft im Zylinder befindet, als zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffes notwendig ist. Die Fachleute bezeichnen es deshalb als „mager“. Der folgende Arbeitstakt setzt ein, sobald die Temperatur so weit angestiegen ist, dass es zur kontrollierten Selbstzündung kommt. Die hohe Kunst der Daimler-Ingenieure besteht darin, den Verbrennungszeitpunkt über die Kraftstoffmengen und Einspritzzeitpunkte zu steuern. „Die Daten hierfür liefern uns Brennraumdrucksensoren in jedem der vier Zylinder“, erklärt Günter Karls Kollege Rüdiger Herweg. „Da sich das Gemisch an vielen Stellen gleichzeitig entzündet, ist die Verbrennung sehr gleichmäßig, sprich homogen.“ Dies wiederum bietet zwei Vorteile, die der Umwelt zugutekommen: niedriger Spritverbrauch und geringe Stickoxidemissionen. Wenig Stickoxide Der Verbrauchsvorteil ergibt sich vor allem aus dem mageren Gemisch mit hohem Abgasanteil und einem je nach Lastzustand angepassten Verdichtungsverhältnis. Weil die homogene Verbrennung gleichmäßig abläuft und dabei nur relativ geringe Temperaturen erreicht werden, fällt – anders als bei früheren „Magerkonzepten“ – nur eine äußerst geringe Menge an Stickoxiden an. Bei der konventionellen Verbrennung per Zündkerze können dagegen Temperaturspitzen und sogenannte Hitzenester entstehen, was die Bildung von Stickoxiden fördert. „Weil dies bei der Raumzündverbrennung nicht passiert, reicht für den DIESOTTO ein üblicher Drei-Wege-Katalysator zur weiteren Abgasreinigung völlig aus“, freut sich der Daimler-Umweltbevollmächtigte Herbert Kohler, Leiter Konzernforschung und Vorentwicklung für den Bereich Fahrzeugaufbau und Antrieb. Ein weiteres wichtiges Bauelement für den DIESOTTO-Motor ist die variable Ventilsteuerung. Sie erlaubt es, sowohl die Öffnungszeiten als auch den Ventilhub zu verstellen. Dazu besitzen die Nockenwellen für jedes Ventil zwei unterschiedlich große Nocken. Der große Ventilhub wird für hohe Drehzahlen und Lastanforderungen gebraucht, der kleine kommt vor allem für die Raumzündverbrennung bei Teillast zum Einsatz. Um die unterschiedlichen Anforderungen im Teillast- und Volllastbetrieb erfüllen zu können, besitzt der temporäre Selbstzünder zudem auch einen variablen Kurbeltrieb. Mit ihm lässt sich die Verdichtung für jeden Kolben stufenlos einstellen – der Motor hat also kein konstantes, sondern ein variables Verdichtungsverhältnis. Effiziente Regelung Das Zusammenfügen der diversen Einzeltechnologien zu einem alltagstauglichen Antrieb erfordert ein ausgeklügeltes Konzept. Die Daimler-Ingenieure haben deshalb auch eine höchst effiziente Motorsteuerung und -regelung entwickelt. Während herkömmliche Motorsteuergeräte vergleichsweise „stur“ sind und programmierte Algorithmen abarbeiten, ist im DIESOTTO-Steuergerät auch ein geschlossener Regelkreis integriert, der mithilfe der Brennraumdrucksensoren den Motor online überwacht und aktiv regelt. Dass das Prinzip des selbstzündenden Benziners funktioniert, beweist das Mercedes-Benz-Forschungsfahrzeug F 700. Unter dessen Motorhaube leistet der 1,8-Liter- DIESOTTO-Motor 175 kW (238 PS), verbraucht dafür nur 5,3 l/100km, stößt lediglich 127 Gramm CO2 je Kilometer aus und erfüllt schon heute die künftige Abgasnorm Euro 6. Der Verbrennungsmotor erweist sich trotz seiner mehr als hundertjährigen Geschichte als jung und innovativ.