Zeitung Heute : Motoren: Neues vom Verbrennungsmotor

Heiko Schwarzburger

"Leichtere Baugruppen und deutlich weniger Abgase, das sind die Trends der nächsten Jahre", prophezeit Dieter Seipler, Vorstandschef der Kolbenschmidt Pierburg AG in Neuss, einer der weltweit größten Zulieferer für Motortechnik im Automobil. "Beim Dieselmotor hat sich der Direkteinspritzer schon durchgesetzt, Motoren mit Vorkammer und indirekter Einspritzung haben keine Zukunft. Der Benzindirekteinspritzer GDI ist noch ganz neu, aber er wird in den nächsten Jahren dominieren." Bosch erwartet, dass Benzindirekteinspritzer bis 2005 rund 40 Prozent aller neuen Benzinmotoren in Europa stellen, in Japan ungefähr ein Viertel. Bis 2007 werde die Hälfte aller europäischen Autos einen solchen Antrieb führen.

Vor einem Jahr hatten die Ingenieure von Volkswagen und Kolbenschmidt gemeinsam einen neuen Kolben für GDI-Motoren vorgestellt, von dessen Boden ein gebirgsähnliches Profil in den Brennraum ragt. Diese hoch komplizierte geometrische Struktur wurde in endlosen Versuchsläufen ermittelt. Sie soll den eingespritzten Kraftstoff und die Verbrennungsluft möglichst gut durcheinander wirbeln. Bis zur Zündung bleiben nur Millionstel Sekunden, um die mikroskopischen Benzintröpfchen möglichst gleichmäßig mit der Luft zu mischen.

Auch Bosch forscht am GDI, allerdings mit anderem Ansatz: Das Unternehmen stellte auf dem diesjährigen Weltkongress der Automobilingenieure in Detroit ein neues Steuersystem zur Direkteinspritzung in Ottomotoren vor. Dabei wird die Verbrennung in zwei Stufen aufgeteilt. Zuerst kommt ein kraftstoffreiches Gemisch zur Zündung, das sehr heiß und extrem schnell verbrennt. Danach zündet ein mageres Gemisch, bei dem der Luftanteil überwiegt. Im Zusammenspiel beider Prozesse entstehen kaum noch Abgase, die Werte für Stickoxide, Schwefeloxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid rauschen in den Keller. Bislang ließ sich diese zweistufige Verbrennung nur bei kleinen Drehzahlen und geringer Motorlast verwirklichen. Das Bosch-System, erstmals beim 1,4-Liter des Lupo in Serie, erreicht immerhin, dass der Motor rund 70 Prozent aller Fahrzustände in diesem Modus abdeckt. Das erhöht die Kraftstoffausbeute um 15 bis 20 Prozent.

Zusätzliche Reserven könnte die elektronisch gesteuerte Kraftstoffversorgung aus dem Tank erschließen, wie sie die amerikanische Firma TI Automotive unlängst auf den Markt brachte: Im 2000x Smart Tank befindet sich ein eingebauter Computer, der direkt an den Bordcomputer des Fahrzeugs angeschlossen ist. Er steuert die Benzinabgabe an die Zylinder und erfasst auch die Verdunstungsverluste im Tank, eine zusätzliche Quelle für HC-Emissionen.

Beim Dieseldirekteinspritzer gibt es gleichfalls Fortschritte: Bosch stellte kürzlich die Common-Rail-Technik für den Duramax 6600 von General Motors vor. Dabei wird der Einspritzdruck unabhängig von der Drehzahl der Maschine bereit gestellt. Die Hochdruckpumpe für den GM-Diesel bringt 1600 bar auf, der Motor soll im GM 2001 Chevy Silverado und in GM-Pickups eingebaut werden. Noch in diesem Jahr will Bosch in seinem Werk in Charleston in South Carolina die Produktion dieser Common-Rail-Systeme aufnehmen.

Höhere Einspritzdrücke kitzeln mehr Leistung aus dem Liter Kraftstoff: Techniker der Universität von Wisconsin stellten in Detroit eine Diesel-Einspritzpumpe vor, die sogar 2600 bar aufbringt. Zudem werden die Motoren immer leichter. Kolbenschmidt verwendet seit kurzem eine Magnesium-Legierung, aus der sich hochfeste Kolben und andere Motorteile etwa am Zylinderkopf herstellen lassen. Die Legierung ist rund 66 Prozent leichter als Aluminium und sehr fest, auch bei hohen Temperaturen. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise die Wandstärke von Saugrohren auf 1,5 Millimeter reduzieren. Das damit ausgerüstete V12-Kraftpaket, das DaimlerChrysler in seine S-Klasse einbaut, leistet 270 Kilowatt (367 PS) und wiegt nur noch 222 Kilogramm. Die Serienproduktion der Magnesium-Komponenten soll noch in diesem Jahr anlaufen.

Der aus dem gleichen Material gefertigte Kolben verträgt sehr hohe Verbrennungstemperaturen und Drücke. Seine Oberfläche ist mit einer Oxidschicht versehen, die wesentlich härter als die Basislegierung ist. Für größere Leistungen in Nutzfahrzeugen könnte demnächst der so genannte Pendelschaftkolben kommen, bei dem Kolben und das Kolbenhemd aus getrennten Teilen bestehen, die durch den Kolbenbolzen zusammen gehalten werden. Der durch die Verbrennung stärker beanspruchte Kolbenkopf besteht aus Stahl, das Hemd aus einer leichten Alu-Legierung. Allerdings bereitet dieser Zwei-Komponenten-Kolben noch Geräuschprobleme. Für weitere Tests baut Kolbenschmidt in Fort Wayne im US-Bundesstaat Indiana ein neues Forschungslabor mit acht neuen Motorprüfständen auf.

Kolbenschmidt führte beim GM-Motor "Saturn" als erster Hersteller einen Kolben ein, dessen Feuersteg nur 2,5 Millimeter hoch ist. Als Feuersteg bezeichnen die Techniker den Abstand des Kolbenbodens bis zum ersten Kolbenring. Dieser Steg bildet mit der Zylinderwand einen haarfeinen Spalt, in dem sich unverbrannter Kraftstoff sammelt: eine erhebliche Quelle für HC-Emissionen. Die Kolbenschmidt-Ingenieure schweißen in die Nut für den obersten Kolbenring einen Nickel-Alu-Draht ein, der den glühenden Feuersteg stützt, er kann dadurch dünner ausfallen. Das spart zusätzlich Gewicht und lässt die Abgaswerte weiter sinken.

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