Fremdgezündete Motoren - Grundlagenforschungen für eine nachhaltige individuelle Mobilität
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FORSCHUNG F V V- Berichte
Fremdgezündete Motoren –
Grundlagenforschungen für eine
nachhaltige individuelle Mobilität
Fremdgezündete Verbrennungsmoto-
ren haben einen wesentlichen Anteil
an den Antrieben für die individuelle
Mobilität – nicht nur heute, sondern
als Bestandteil elektrifizierter Antriebe
auch in den kommenden Jahrzehn-
ten. Die Forschungsvereinigung Ver-
brennungskraftmaschinen e. V. (FVV)
widmet daher der CO2-Absenkung
beim Einsatz dieser Motoren zahl
reiche Forschungsvorhaben. Ein
besonderer Schwerpunkt liegt dabei
auf dem Realbetrieb mit CO2-neutral
hergestellten Kraftstoffen.
1 MOTIVATION
Durch das Wachstum der weltweiten
Bevölkerung und des Wohlstands steigt
auch die Nachfrage nach individueller
Mobilität. Aufgabe der Industrie ist es,
auf diese Nachfrage mit Angeboten zu
reagieren, die die Ziele der Vereinten
Nationen für eine nachhaltige Entwick-
lung (Sustainable Development Goals) [1]
unterstützen. Dazu gehören neben dem
Klimaschutz (Ziel 13) auch weitere Ziele,
die die Motorenforschung betreffen,
wie Gesundheit (Ziel 3), Beschäftigung
(Ziel 8) oder eine verantwortungsvolle
Produktion (Ziel 12). Derzeit haben
fremdgezündete Verbrennungsmotoren
einen hohen Anteil an der weltweiten
individuellen Mobilität. Angesichts der
Diversität der Anforderungen und der
regionalen infrastrukturellen Vorausset-
zungen ist es unwahrscheinlich, dass
eine einzelne Antriebstechnologie den
mit fossilen Kraftstoffen betriebenen
Ottomotor kurzfristig vollständig ablöst.
Vielmehr ist anzunehmen, dass auf
absehbare Zeit verschiedene Technolo-
66 www.springerprofessional.de/automobiltechnik
STIMMEN AUS DER F V V
Dr.-Ing. André Casal Kulzer ist Leiter
Thermodynamik in der Antriebsvoraus
entwicklung bei Porsche in Stuttgart.
In der FVV leitet er die Planungsgruppe 2
„Selbstzündung“.
„ Mit der Forschung in der FVV legen
wir die technischen Grundlagen, um
geopolitische Fragen der Energiever
© FVV
sorgung beantworten zu können.“
Prof. Dr. Friedrich Dinkelacker leitet das
Institut für Technische Verbrennung (ITV)
der Leibniz Universität Hannover, das als
Forschungsstelle FVV-Vorhaben bearbeitet.
„Grundlegendes Verständnis und
Methodenkompetenz sind die Voraus-
setzung für den Einsatz regenerativer
Energieträger.“
© ITV
Koichi Nakata ist General Manager
der Toyota Motor Corporation
in Susono (Shizouka), Japan.
„ Künftig wird die Zusammenarbeit
zwischen Motoren- und Kraftstoffent-
wicklung bei der Reduktion von Treib
hausgasen wichtiger werden. Deshalb
nützt die Forschung auf diesem Feld
© Toyota
der ganzen Welt.“
Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß ist Inhaber
des Lehrstuhls Thermodynamik/Ther
mische Verfahrenstechnik am Institut für
Elekt rische Systeme und Energielogistik
der Brandenburgischen Technischen
Univers ität Cottbus-Senftenberg (BTU).
„ Die Ergänzung herkömmlicher
Kraftstoffe durch synthetische Kom
© BTU
ponenten auf Basis von Wasserstoff
kann die Bestandsflotte klimaverträg
licher machen.“
http://www.fvv-net.de
© Porsche
MTZ 03|2021 82. Jahrgang 67
FORSCHUNG F V V- Berichte
Wirkungsgrad Route A Route B Route C Route D Durchschnittlicher
WLTC „Sportlich“ „Sportlich“ „Moderat“ „Moderat“ Wirkungsg rad RDE
Effizienzmotor
39,9 % 41,7 % 41,8 % 40,5 % 39,7 % 40,9 %
(ohne AGR)
Effizienzmotor
40,6 % 42,6 % 43,2 % 41,3 % 40,4 % 41,9 %
(mit AGR)
Methanol
43,3 % 46,0 % 45,6 % 44,6 % 42,5 % 44,7 %
motor
TABELLE 1 Antriebswirkungsgrad eines Hocheffizienzmotors in verschiedenen Fahrzyklen (© FVV)
Cluster Kraftstoff ρ norm[kg/m 3] ΔLHV [MJ/kg] ΔLHV [MJ/l] C : H : O [-] ΔRON [-] ΔMON [-] Δη i [%]
Referenz RON95E10 756,25 41,16 31,13 6,3 : 11,7 : 0,2 96,7 87,4 39,4
1 M29 765,92 -6,1 -4,27 3,5 : 7,6 : 0,6 +4,70 +0,80 +4,17
1 E49 772,02 -7,07 -4,81 3,5 : 8,0 : 0,7 +9,30 +3,90 +4,83
1 H45 415,98 +35,16 +0,0 0,16 : 13,7 : 0,01 - - +3,09
2 M11 759,97 -2,35 -1,63 4,9 : 9,7 : 0,4 +1,90 +0,30 +3,47
2 E25 764,39 -3,64 -2,45 4,6 : 9,4 : 0,5 +4,80 +2,00 +4,08
2 H45 415,98 +35,16 - 0,16 : 13,7 : 0,01 - - +3,09
Legende = Cluster 1: niedrige CO 2-Emissionen; Cluster 2: niedriger Kraftstoffverbrauch; M: Methanol; E: Ethanol; H: Wasserstoff; ρ norm: Dichte bei
N ormalb edingugen; ΔLHV: Veränderung des unteren Heizwerts im Vergleich zur Referenz; C:H:O: Verhältnis Kohlenstoff zu Wasserstoff zu Sauerstoff;
ΔRON: Veränderung der Research-Oktanwzahl (ROZ) im Vergleich zur Referenz; ΔMON: Veränderung der Motor-Oktanzahl (MOZ) im Vergleich zur
Referenz; Δ ηi: Veränderung der Effizienz der Verbrennung im Vergleich zur Referenz
TABELLE 2 Wirkungsgradsteigerungen durch verschiedene Beimischungen zu Norm-Ottokraftstoff (© Fabian Mauß | BTU)
gien nebeneinander existieren und sich Motoren, wenn es gelingt, ihren Wir- tigt wurde, die nur durch Rekuperation
in Hybridkonzepten ergänzen werden. kungsgrad im realen Fahrbetrieb deut- an Bord gewonnen wurde. Die Wechsel-
Hinzu kommt, dass im Sinne der Nach- lich zu steigern, ohne dass sich die wirkung mit alternativen, potenziell
haltigkeit immer auch der aktuelle welt- Umweltbilanz durch höhere Schadstoff CO2-neutralen Kraftstoffen wurde eben-
weite Bestand von rund 1,2 Milliarden emissionen oder geringere Dauerhaltbar- falls untersucht.
Personenkraftwagen [2] berücksichtigt keit verschlechtert. Im FVV-Vorhaben Schon vor Projektende stand fest,
werden sollte, von denen ein hoher, nicht „ICE 2025+“ [3], das Ende 2020 abge- dass mit normgerechtem Ottokraftstoff
exakt zu beziffernder Anteil über einen schlossen werden konnte, untersuchten für ein Mittelklassefahrzeug (C-Segment)
Ottomotor verfügt. Weitere Forschung Forschungsstellen der RWTH Aachen, durch eine geeignete Technologiekombi-
zu fremdgezündeten Motoren mit dem der Technischen Universität Braun- nation ein Antriebsstrangwirkungsgrad
Fokus auf hohe Nachhaltigkeit ist vor schweig, der Technischen Universität von mehr als 40 % erreicht werden kann.
diesem Hintergrund zwingend geboten. Darmstadt und der Universität Stutt- Betrug der Mittelwert im gesetzlichen
Dabei muss nicht nur der Energiewandler gart gemeinsam, wie sich die Kombi Prüfzyklus des Worldwide Harmonized
selbst, sondern die komplette Energie- nation verschiedener Technologien Light-Duty Vehicles Test Cycle (WLTC)
kette (Well-to-Wheel) sowie der ganze auswirkt. Ziel war dabei ein bestmög 40,6 %, so konnten im Mittel der simu-
Produktlebenszyklus (Cradle-to-Grave) licher Wirkungsgrad explizit des gesam- lierten Zyklen der Real Driving Emissi-
berücksichtigt werden. Die Industrielle ten Antriebsstrangs in realitätsnahen ons (RDE) sogar 41,9 % erreicht werden,
Gemeinschaftsforschung (IGF), wie sie Fahrzyklen. In verschiedenen Technolo- TABELLE 1. Mit Ersetzen des Normkraft-
die FVV betreibt und die folgenden Pro- giepaketen wurden unter anderem eine stoffs durch Methanol erreichte der
jekte beispielhaft beschreiben, schafft hohe Verdichtung und flexible Ventil- Hybridantrieb im C-Segment-Fahrzeug
die methodischen und technologischen steuerzeiten inklusive des Miller-Ver im Normzyklus einen Wirkungsgrad
Voraussetzungen, wobei auch bewusst fahrens, Abgasrückführung, Steuerung von 43,4 %, im simulierten Straßenbe-
kleine und mittlere Unternehmen in den der Ladungsbewegung, Vorkammer trieb durchschnittlich 42,7 %. Darüber
Innovationsprozess einbezogen werden. zündung, Wassereinspritzung, Mager hinaus wurden zusätzliche Potenziale
betrieb sowie die Auslegung des Motors eines Magerbetriebs untersucht. Mit
als Langhuber untersucht. Für die Er Luftüberschuss betrieben, erreichte der
2 SYSTEMATISCHE
mittlung des Antriebsstrangwirkungs- Methanolmotor Wirkungsgrade über
WIRKUNGSGRADOPTIMIERUNG
grads legten die Forscher verschiedene 40 % in einem großen Teil des Motor-
Einen wesentlichen Beitrag zu höherer Varianten der Hybridisierung zugrunde, kennfelds – in der Spitze sogar 46,9 %.
Nachhaltigkeit leisten fremdgezündete wobei elektrische Energie berücksich- Im Vergleich zu einem Ottomotor nach
68 www.springerprofessional.de/automobiltechnik
Stand der Technik entspricht dies einer es in geeignete Simulationsverfahren zu des nulldimensionalen Berechnungspro-
CO2-Reduzierung um bis zu 25 %. überführen. Zunächst wählten die Pro- gramms „FVV-Zylindermodul“ als auch
jektpartner gemeinsam Kraftstoffkompo- einer detaillierten Datensammlung zu
nenten aus, die das Potenzial besitzen, den einzelnen Kraftstoffkomponenten –
3 OPTIMIERTE KRAFTSTOFF
die Klopfneigung zu verringern und werden als Wissensbasis der komplet-
ZUSAMMENSETZUNG
gleichzeitig die Brenngeschwindigkeit zu ten Industrie zur Verfügung stehen. Der
Die Beimischung regenerativ erzeugter steigern, um die Effizienz der Verbren- Abschluss ist für das Jahr 2022 geplant.
Kraftstoffe kann in der Bestandsflotte nung zu erhöhen. Basierend auf neuen
schnell zu einer deutlichen Reduktion Messungen und verfügbaren Literaturda-
4 STRAHLDIAGNOSTIK
des CO2-Ausstoßes führen. Für viele der ten wird derzeit ein Reaktionsmechanis-
derzeit diskutierten Kraftstoffe liegen mus entwickelt und in numerischen Strö- Sind für das Verbrennungsverhalten
allerdings bislang keine oder wenige mungssimulationen (Computational vor allem die chemischen Eigenschaf-
grundsätzliche Untersuchungen zum Fluid Dynamics, CFD) angewendet. ten neuer Kraftstoffe entscheidend,
thermodynamischen Verhalten vor. Für Abgeleitet wird ein Modell, mit dem so stehen bei der Gemischbildung die
eine Simulation der Verbrennung und Mischungen aus Norm-Ottokraftstoff physikalischen Eigenschaften im Vor
bestimmter Phänomene wie der unkon und alternativen Kraftstoffen auf mini- dergrund. Bei Direkteinspritzung ent-
trollierten Selbstzündung ist jedoch eine male CO2-Emissionen ausgelegt werden scheidet das Aufbrechen des Einspritz-
genaue Kenntnis der Reaktionskinetik können. Bereits ein Jahr nach Projekt strahls in feine Tröpfchen wesentlich
notwendig. Das Vorhaben „Kraftstoffzu- beginn zeigte sich, dass Beimischungen über Effizienz und Schadstoffemissio-
sammensetzung zur CO2-Reduzierung“ wiederum über einen erhöhten Wir- nen. Zum Primärzerfall des Strahls
soll daher auch die Frage beantworten, kungsgrad ein zusätzliches CO2-Minde- gibt es bislang wenig Daten, dies gilt
wie neue Generationen von Kraftstoffen rungspotenzial in einer Tank-to-Wheel- erst recht für den Einsatz von strom
und deren Zusammensetzung dazu bei- Betrachtung bieten, TABELLE 2. Hierfür basierten Kraftstoffen (E-Fuels).
tragen können, den Wirkungsgrad zu wurde an der Brandenburgischen Tech- In dem in 2020 abgeschlossenen Vor-
verbessern [4]. In der Zusammenarbeit nischen Universität eine virtuelle simul- haben „Strahldiagnostik an ottomotori-
von fünf Forschungsstellen wird das Ver- tane Optimierungsplattform für Kraft- schen E-Fuels“ untersuchten Forschungs-
halten unterschiedlicher Kraftstoffmole- stoffe und Motoren entwickelt und ein stellen an der Friedrich-Alexander-Uni-
küle analysiert und während der Ver- gesetzt. Die Ergebnisse des Projekts – in versität Erlangen-Nürnberg und der
brennung messtechnisch erfasst, um Form sowohl einer erweiterten Fassung Leibniz Universität Hannover den Strahl-
BILD 1 Strahlstruktur verschiedener
Kraftstoffe im Vergleich bei einem
Einspritzdruck von 350 bar (© FAU)
MTZ 03|2021 82. Jahrgang 69FORSCHUNG F V V- Berichte
BILD 2 Vergleich des Temperaturfelds für die Verbrennung von RON95E10-Kraftstoff (iso-Oktan: 40,3 Massen-%; n-Heptan: 12,6 Massen-%; Toluol:
36,5 Massen-%; Ethanol: 10,6 Massen-%) und EFR50-H2OE50-Emulsion (iso-Oktan: 26,9 Massen-%; n-Heptan: 8,4 Massen-%; Toluol: 24,3 Massen-%;
Ethanol: 18,2 Massen-%; Wasser: 22,2 Massen-%) bei unterschiedlichen Grad Kurbelwinkeln (© BTU)
zerfall von normgerechtem Ottokraft- 5 WASSEREINSPRITZUNG sowie Mehrfach-Einspritzstrategien.
stoff, Methylformiat (MeFo), Ethanol, Zudem sollen die Auswirkungen der
Wasser sowie einer Wasser-Benzin- Zur Diversität künftiger Antriebe tragen Wassereinspritzung auf den Ölhaushalt,
Emulsion mit unterschiedlichen Mess- auch Motoren mit hoher Leistungsdichte die Abgasnachbehandlung und andere
techniken [5]. In einem weiteren Vor für besonders sportliche Fahrzeuge bei. Systembestandteile betrachtet und die
haben wurden parallel dieselben Die große Herausforderung bei der Aus- dafür notwendigen Simulationsverfahren
Untersuchungen an künftigen Diesel- legung solcher Motoren ist das Betriebs- entwickelt werden. Das Vorhaben wird
kraftstoffen durchgeführt. Die Strahl- verhalten in volllastnahen Bereichen. im Frühjahr 2022 abgeschlossen.
struktur wurde mithilfe von fluorenz Eine Volllastanreicherung zur Absen-
mikroskopischen Untersuchungen und kung des Temperaturniveaus kommt aus
6 PERSPEKTIVEN
einer Röntgen-Phasenkontrast-Bildge- Schadstoffemissions- und Verbrauchs-
bung analysiert. Beide Verfahren füh- gründen nicht mehr in Frage. Die Wasser Bereits die aktuelle Forschungstätigkeit
ren zu ähnliche Ergebnissen: Die Struk- einspritzung stellt eine Alternative dar bei fremdgezündeten Motoren ist geprägt
turbilder für Benzin, MeFo und Ethanol und wurde im Rahmen eines FVV-Vor vom Einsatz neuer Betriebs- und Kraft-
unterscheiden sich nur geringf ügig, habens bereits wissenschaftlich unter- stoffe sowie dem Ziel der Reduzierung
wohingegen Wasser und die Wasser- sucht. Es verbleibt jedoch die Aufgaben- von CO2-Emissionen oder gar der Neutra-
Benzin-Emulsion einen deutlich gröbe stellung, einen möglichst hohen „Wasser- lisierung im realen Betrieb. Künftige
ren Aufbruch aufweisen, BILD 1. Die Auf- wirkungsgrad“ zu erreichen. BILD 2 zeigt Vorhaben sind noch stärker auf dieses
bruchgeschwindigkeit wurde mit einem CFD-Simulationen der Temperaturfelder Ziel ausgerichtet. Mehrere Projekte sind
Röntgenkontrastverfahren sowie dem für die Verbrennung von RON95E10 und in Planung oder bereits am Start, in
neuen kamerabasierten Verfahren Struc- EFR50 H2OE50 unter Einbeziehung der denen die Wasserstoffverbrennung im
tural Image Velocimetry (SIV) untersucht. Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Mo Hubkolbenmotor grundlegend untersucht
Das vergleichsweise einfach zu realisie- delle (RANS) [6].In einem Folgevorhaben werden soll. Damit unterstützt die FVV-
rende SIV-Verfahren wies hinreichend [7] wird daher eine Hochdruck-Direktein- Forschung die Wasserstoffstrategien
genaue Ergebnisse auf. Am schnellsten spritzung mit 500 bar sowie die Verwen- Deutschlands und Europas und schafft
brachen die Strahlen bei Benzin und dung einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion die technischen Grundlagen zur Indust-
Ethanol auf, wohingegen MeFo, die Emul- untersucht. Das Projekt umfasst auch rialisierung. So werden auch auf weiter-
sion und reines Wasser in absteigender weitere Technikbausteine zur Verbesse- verarbeitetem grünen Wasserstoff basie-
Reihenfolge am meisten Zeit benötigten. rung der Verdampfungseigenschaften rende Kraftstoffe wie Methanol bezie-
70 www.springerprofessional.de/automobiltechnikhungsweise daraus gewonnenes Benzin Wirkungsgradsteigerung in hybridisierten Antriebs- In: SAE International Journal of Engines, Nr. 11(6),
untersucht. Das beschriebene Projekt strängen“. Fördergeber: FVV (1307). Projektleitung: S. 1151-1166, 2018
Arndt Döhler (Opel Automobile GmbH) und Dr.-Ing. [7] IGF-Forschungsvorhaben „Wassereinspritzung
„ICE2025+“ wird fortgesetzt und um André Casal Kulzer (Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG), bei Ottomotoren II“. Fördergeber: FVV (1367). Pro-
den Betrieb mit mehreren alternativen Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.-Ing. Michael jektleitung: Dr.-Ing. André Casal Kulzer (Dr. h.c. F.
Kraftstoffen und einer mageren Verbren- Bargende (Institut für Fahrzeugantriebe, Universität Porsche AG), Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.-
Stuttgart), Prof. Dr.-Ing. Christian Beidl (Institut für Ing. Steffen Müller (Fachgebiet Fahrzeugantriebe,
nung erweitert. Parallel stellen künftige Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugan- TU Berlin), Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß (Lehrstuhl
Vorhaben darauf ab, die Methoden der triebe, TU Darmstadt), Prof. Dr.-Ing. Peter Eilts (Ins- Thermodynamik/Thermische Verfahrenstechnik,
Künstlichen Intelligenz für die Motor titut für Verbrennungskraftmaschinen, TU Braun- BTU Cottbus Senftenberg), Prof. Dr.-Ing. Michael
schweig), Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger (Lehrstuhl Bargende (Institut für Fahrzeugantriebe, Universität
entwicklung zu nutzen, was allein dank
für Verbrennungskraftmaschinen, RWTH Aachen). Stuttgart). (Unveröffentlicht).
der erheblichen Datenmengen aus Ver- In: FVV (Hrsg.): Tagungsband R590, S. 333-370,
suchsreihen von früheren FVV-Projekten Frankfurt am Main, 2019
sinnvoll ist. Durch die Indust rielle Ge [4] IGF-Forschungsvorhaben „Kraftstoffzusammen-
setzung zur CO 2-Reduktion“. Fördergeber: FVV
meinschaftsforschung (IGF) können (1348). Projektleitung: Dr. Yoshihiro Okada (Toyota
auch kleine und mittlere Unternehmen Motor Corporation), Wissenschaftliche Leitung: Prof.
auf KI-basierte Simulationsmethoden Dr.-Ing. Michael Bargende (Institut für Fahrzeugan-
triebe, Universität Stuttgart), Prof. Dr.-Ing. Karl Ale-
zur ückgreifen. Nachhaltigkeit im Sinne xander Heufer (Physico-Chemical Fundamentals of
der Ziele der Vereinten Nationen ver Combustion, RWTH Aachen), Prof. Dr.-Ing. Fabian
langt auch, CO2-arme und -neutrale Mauß (Lehrstuhl Thermodynamik/Thermische Ver-
Motoren so robust auszulegen, dass sie
hohe Betriebsstundenzahlen erreichen.
fahrenstechnik, BTU Cottbus Senftenberg), Prof.
Dr.-Ing. Heinz Pitsch (Institut für Technische Ver- DANKE
brennung, RWTH Aachen), Prof. Dr.-Ing. Stefan
Die Beantwortung von Forschungsfragen Pischinger (Lehrstuhl für Verbrennungskraft Die Forschungsvereinigung Verbrennungskraftma-
maschinen, RWTH Aachen). (Unveröffentlicht) schinen e.V. dankt den öffentlichen Fördergebern und
zur Betriebsfestigkeit und zu neuarti-
[5] IGF-Forschungsvorhaben „Strahldiagnostik
gen Werkstoffen – in der FVV durch eine allen FVV-Mitgliedern für die großzügige Unterstüt-
an ottomotorischen E-Fuels unter RDE-Bedingun-
eigene Planungsgruppe verankert – wer- gen“. Fördergeber: FVV (1317). Projektleitung: zung der in diesem Beitrag genannten Forschungs-
den daher weiterhin verfolgt. Dr.-Ing. Eberhard Kull (Vitesco Technologies vorhaben. Unser besonderer Dank gilt den For-
GmbH), Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.-
schungsstellen, Projektleitern und Mitgliedern der
Ing. Michael Wensing (Lehrstuhl für Techni-
LITERATURHINWEISE sche Thermodynamik, Friedrich-Alexander- Arbeitskreise und projektbegleitenden Ausschüsse
[1] United Nations, Department of Economic and Univers ität Erlangen-Nürnberg), Prof. Dr. für die vertrauensvolle und gute Zusammenarbeit.
Social Affairs: The 17 Goals. Online: https://sdgs. Friedrich Dinkelacker (Institut für Technische
un.org/goals, aufgerufen 14. Oktober 2020 Verbrennung, Leibniz Universität Hannover).
[2] Umweltbundesamt: Weltweiter Autobestand. In: FVV (Hrsg.): Tagungsband R596, S. 145-178,
Online: https://www.umweltbundesamt.de/bild/welt- Frankfurt am Main, 2020
weiter-autobestand, aufgerufen 14. Oktober 2020 [6] Netzer et al.: Numerical Analysis of the Impact READ THE ENGLISH E-MAGAZINE
[3] IGF-Forschungsvorhaben „ICE2025+: Ultimate of Water Injection on Combustion and Thermodyna- Test now for 30 days free of charge:
System Efficiency: Grenzen der ottomotorischen mics in a Gasoline Engine Using Detailed Chemistry. www.mtz-worldwide.com
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