Verbrennungsmotoren: interne Lösungen für eine grünere Zukunft.

Bis vor kurzem wurde vorausgesagt, dass Verbrennungsmotoren aufgrund des zunehmenden Trends zur E-Mobilität, der durch Umwelt- und Leistungsaspekte angetrieben wird, einen raschen Rückgang erleben werden. Derzeit legen die Hersteller jedoch großen Wert auf die Entwicklung von Verbrennungsmotoren, deren Zukunft in hohem Maße von ihrer emissionsarmen Bauweise abhängt. Die Abgasreinigungsverfahren lassen sich in innermotorische und außermotorische Abgasnachbehandlungssysteme unterteilen. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf erstere.

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über:

• Emissionsprobleme von Verbrennungsmotoren
• die Rolle von Emissionsstandards
• die Auswirkungen von Abgasen
• interne Lösungen zur Emissionsreduzierung

Haben wir ein Emissionsproblem?

Die fortschreitende Entwicklung der Automobilindustrie in der zweiten Hälfte des 20^{. Jahrhunderts} führte dazu, dass eine beträchtliche Anzahl von Kraftfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor auf den Markt kam. Vor allem in den 1950er und 1960er Jahren sahen sich die Vereinigten Staaten mit dem Problem einer übermäßigen Umweltverschmutzung konfrontiert. Untermotorisierte Antriebseinheiten mit unvollkommenen Verbrennungsprozessen erwiesen sich im Laufe der Zeit als unzureichend, sodass nach Methoden gesucht wurde, um die Betriebsparameter der Motoren zu verbessern und den hohen spezifischen Kraftstoffverbrauch zu senken. Die zunehmenden Aktivitäten von Menschen, die sich für Ökologie interessieren, haben die Aufmerksamkeit auf die mögliche Erschöpfung der natürlichen fossilen Brennstoffressourcen, die Umweltverschmutzung und die Bedrohung der menschlichen Gesundheit und des Lebens durch die Abgasverschmutzung gelenkt. Infolgedessen wurden quantitative und qualitative Beschränkungen für Abgasemissionen eingeführt. Der Einführung dieser Grenzwerte gingen Überlegungen zu den komplexen Mechanismen der Bildung schädlicher und toxischer Verbindungen im Verbrennungsmotor voraus. Derzeit wird davon ausgegangen, dass die Angst vor einer Zerstörung der natürlichen Umwelt durch Abgasemissionen viel größer ist als die Möglichkeit einer Erschöpfung der natürlichen Brennstoffquellen, da ein sehr großer Teil der Vorkommen noch unentdeckt ist.

Normen – Hindernisse oder Innovationsmotoren?

Die Vereinigten Staaten waren Vorreiter bei der Einführung von Abgasnormen, indem sie 1967 das CARB (California Air Resources Board) und 1970 die EPA (United States Environmental Protection Agency) gründeten. In den darauffolgenden Jahren schufen Europa, Japan und Australien ihre eigenen Zentren zur Bekämpfung von Emissionen auf lokalen Märkten. Infolgedessen werden an Verbrennungsmotoren immer strengere Anforderungen hinsichtlich der Emission schädlicher und giftiger chemischer Verbindungen gestellt, die bei der Kraftstoffverbrennung entstehen.

Die Emissionsnormen gelten nicht nur für Personenkraftwagen, sondern auch für die große Bandbreite an motorgetriebenen Schwerlastfahrzeugen und Maschinen an Land, für Boote und Schiffe auf dem Meer und sogar für Flugzeuge, die den Himmel durchqueren – alles, was einen Verbrennungsmotor verwendet. Einerseits zwingen sie Ingenieure dazu, sich auf Techniken und Technologien zu konzentrieren, die Abgasemissionen stark reduzieren und innovative Ansätze vorantreiben, andererseits kontrollieren sie die Entwicklung von Motoren, da Konstrukteure während des gesamten Konstruktionsprozesses des Motors und der Subsysteme Top-Down-Beschränkungen im Hinterkopf haben. Interessanterweise beziehen sich die Emissionsstandards heutzutage nicht nur auf Abgase, sondern können alle Faktoren umfassen, die zur Umweltverschmutzung beitragen, wie z. B. Partikel von Reifen und Bremsen. Es ist auch wichtig, dass übermäßige Emissionsgrenzwerte Bedingungen schaffen können, die nur durch die Förderung alternativer Antriebsmethoden wie der Elektrifizierung erfüllt werden können. E-betriebene Einheiten zeigen ihre großen Vorteile in einer Vielzahl von Anwendungen, die sich im Laufe der Jahre als zuverlässig und effizient erwiesen haben, obwohl die vollständige Abkehr von der Verbrennungstechnologie unter Berücksichtigung verschiedener Anwendungen und einer globalen Perspektive derzeit nicht realistisch erscheint. Parallel dazu haben nachhaltige Energielösungen, einschließlich zukünftiger Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren, große Erfolgschancen. Diese Kraftstoffe sind so konzipiert, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen fossilen Kraftstoffen wie Benzin und Diesel eine geringere Umweltbelastung aufweisen.

Was finden wir in den Abgasen?

Die Idee hinter der Verwendung eines Verbrennungsmotors besteht darin, die im Kraftstoff enthaltene chemische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Dieser Prozess ist mehrstufig und beinhaltet die Wiederholung physikalisch-chemischer Prozesse. Das Endergebnis von Drehmoment und Leistung ist dank des chemischen Hauptprozesses möglich – der Verbrennungsreaktion zwischen Kohlenwasserstoffen (HC) aus dem Kraftstoff in Gegenwart von Luft, die Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂) enthält. Abgase, die als Abfallstoffe gelten, entstehen bei der Oxidation und unvollständigen Verbrennung von Erdölkraftstoffen und müssen aus dem Motor entfernt oder wiederverwendet werden. Die genaue Zusammensetzung der Abgase hängt stark von der Art des Kraftstoffs, der Motorkonstruktion und den Betriebsbedingungen ab. Obwohl die meisten Abgase aus reinem Stickstoff und Sauerstoff bestehen, gibt es drei Hauptgruppen chemischer Verbindungen:

• Neutral – H₂O (Wasserdampf)
• Schädlich – CO₂ (Kohlendioxid)
• Giftig – CO (Kohlenmonoxid), HC (Kohlenwasserstoffe), NO_x (Stickoxide), PM (Feinstaub)

Aus ökologischer Sicht sind toxische Verbindungen, die die Umwelt und Gesundheit am stärksten belasten, am wichtigsten, weshalb der Schwerpunkt auf ihrer Bekämpfung liegt. Ihr Gesamtanteil kann weniger als 1 % der gesamten Abgaszusammensetzung betragen. Die Prozesse der Bildung toxischer Verbindungen sind kompliziert und hängen von einer Reihe von Faktoren ab, die für jede Verbindung individuell charakteristisch sind.

Können wir reinigen, bevor wir verbrennen?

Bei den derzeit hergestellten Verbrennungsmotoren muss die Emission toxischer Verbindungen bereits in einer der ersten Entwurfsphasen berücksichtigt werden. Die Konstruktion einzelner Motorkomponenten und ihre funktionalen Beziehungen zwischen den Teilsystemen haben einen sehr wichtigen Einfluss auf die Gesamtemissionen. Durch entsprechende Berechnungen und Simulationen kann bereits in der ersten Entwurfsphase beurteilt werden, ob die Struktur die gesetzlich vorgeschriebenen Standards erfüllen kann. Maßnahmen zur Verbesserung der Motorbasis unter Berücksichtigung der Reduzierung der in den Abgasen des Motors vorhandenen Schadstoffe werden als interne (primäre) Maßnahmen bezeichnet. Dazu gehören hauptsächlich:

• Verwendung eines Abgasrückführungssystems – EGR wird hauptsächlich zur Reduzierung der Stickoxidemissionen und indirekt der Kohlenwasserstoffemissionen eingesetzt. Dabei wird eine bestimmte Menge an Abgasen zum Zylinder (Einlasskrümmer) geleitet, damit sie erneut an der Verbrennungsreaktion teilnehmen können. Dies führt zu einem teilweisen Ersatz von Sauerstoff durch Abgase, wodurch die Durchschnittstemperatur des gesamten Verbrennungsprozesses sinkt. Eine niedrigere Zylindertemperatur reduziert die NOx-Emissionen. Die positive Wirkung der EGR auf die Kohlenwasserstoffemissionen ergibt sich aus der Möglichkeit, Kohlenwasserstoffketten zu oxidieren, die während des primären Verbrennungsprozesses nur teilweise aufgebrochen wurden.
• Entwicklung von Kraftstoffeinspritzsystemen – eine präzise Steuerung der Kraftstoffmenge und des Zeitpunkts der Zuführung zum Zylinder führt zu einer Verringerung der Emissionen toxischer Verbindungen. Hohe Einspritzdrücke ermöglichen eine bessere Vermischung von Kraftstoff und Luft im Zylinder, wodurch große Kraftstofftropfen in kleinere zerbrechen und Kohlenwasserstoffe schneller verdunsten. Dies wirkt sich positiv auf die Partikelemissionen aus, während die Menge der erzeugten Stickoxide zunimmt. Ein verbessertes Einspritzerdesign sorgt für viel schnellere Öffnungs- und Schließzeiten, wodurch die dem Zylinder zugeführte Kraftstoffmenge präziser gesteuert werden kann. Darüber hinaus sorgt die Entwicklung des Einspritzstrahls für eine bessere Kraftstoffverteilung in der Brennkammer, was sich positiv auf die Größe der Kraftstofftropfen auswirkt.
• Verbesserung der Turbolader-Effizienz: Für eine ordnungsgemäße Verbrennung muss dem Motor zusammen mit dem Kraftstoff eine angemessene Menge Frischluft zugeführt werden. Zu diesem Zweck werden Luftversorgungssysteme mit einem Turbolader verwendet, der Luft mit erhöhtem Druck in die Zylinder drückt. Durch den Ladedruck kann das Verdichtungsverhältnis gesenkt und der Kraftstoffverbrauch reduziert werden, was zu einer Verringerung der Emissionen toxischer Verbindungen führt, ohne die Betriebsparameter des Motors zu verschlechtern.
• Reduzierung der Kohlenwasserstoffemissionen – ein großes Problem bei Verbrennungsmotoren ist der Verlust von Kohlenwasserstoffen, die aus dem Kraftstoff stammen, der nicht aktiv am Verbrennungsprozess beteiligt ist, und aus dem Schmieröl. Es gibt mehrere Quellen für saubere Kohlenwasserstoffe, aus denen Emissionen begrenzt werden – das Kurbelgehäuse und das Kraftstoffsystem. Während des Betriebs eines Verbrennungsmotors entsteht im Kurbelgehäuse ein Gasdruck, der in die Atmosphäre entweichen können muss, um den Motor vor Schäden zu schützen. Aufgrund der hohen Motortemperatur verdampft das Schmieröl und Kraftstoff gelangt durch Undichtigkeiten im Bereich Zylinder-Kolben-Ringe in das Kurbelgehäuse. Moderne Motoren verwenden eine geschlossene Kurbelgehäuseentlüftung (CCV), bei der die verunreinigten Gase und Dämpfe gefiltert werden – das Öl wird in das Kurbelgehäuse zurückgeführt, während die Gase wieder in den Ansaugkrümmer eingeleitet werden.
• Ventilsteuerung optimieren – Die Entwicklung der Ventilsteuerung stellt sicher, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum effizient verbrannt wird. Dadurch wird die Menge an unverbranntem Kraftstoff und Kohlenwasserstoffen im Abgas reduziert.

Es gibt auch andere Methoden im Motor, die sich zusätzlich auf die geringe Emission toxischer Verbindungen in Abgasen auswirken. So wird beispielsweise die Optimierung von Motorkühlsystemen eingesetzt, um die Temperatur der Antriebseinheit im Bereich der niedrigsten Emissionen zu halten, die Elektrifizierung von Komponenten, um den Aufwand der Antriebseinheit zu reduzieren, oder die Auswahl der entsprechenden Qualitätskraftstoffe und -öle. Motorkonstrukteure entwickeln aktiv weitere Aspekte von Verbrennungsmotoren, um eine angemessene Qualität der Abgase zu gewährleisten.

Verbrennungsmotoren in einer grüneren Zukunft relevant halten

Während Verbrennungsmotoren einem zunehmenden regulatorischen Druck und der Konkurrenz durch elektrische Antriebe ausgesetzt sind, unterstreichen laufende Innovationen im Bereich der Emissionsreduzierung ihre anhaltende Lebensfähigkeit in einem sich wandelnden Markt. Durch fortschrittliche Designstrategien reduzieren Ingenieure aktiv die Umweltauswirkungen von Verbrennungsmotoren. Diese Entwicklungen, in Kombination mit dem Abgasnachbehandlungssystem, das wir im nächsten Artikel vorstellen werden, und den aufkommenden nachhaltigen Kraftstoffoptionen, deuten darauf hin, dass die Verbrennungsmotor-Technologie neben elektrischen Lösungen weiterhin eine bedeutende Rolle spielen könnte, insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine vollständige Elektrifizierung nach wie vor eine Herausforderung darstellt. Während die Branche voranschreitet, unterstreicht der Fokus auf sauberere Verbrennungstechnologien einen ausgewogenen Ansatz für die Mobilität, der sowohl traditionelle als auch alternative Antriebssysteme integriert und auf eine nachhaltige Zukunft abzielt, die die Stärken jedes einzelnen Systems nutzt.

Jakub Szylar

Project Leader, Antriebssysteme

Ich habe mich schon immer für Autos begeistert. Manche sagen, ich sei in der Garage geboren worden, aber es war mein Vater, ein Automechaniker, der mich in die Welt der Automobile einführte. Als Projektleiter bei Endego fühle ich mich kreativ und verantwortlich für Arbeitsergebnisse, die unsere Kunden zufriedenstellen. Da ich sowohl Design- als auch Managementtätigkeiten ausführe, kann ich Teil jedes Teams auf dem Weg zum Erfolg sein.