32 Daimler DIESOTTO OTTO ZÜNDET JETZT AUCH SELBST. Raumzündverbrennung macht neuartigen Verbrennungsmotor sparsam und emissionsarm

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1 32 Daimler DIESOTTO OTTO ZÜNDET JETZT AUCH SELBST Raumzündverbrennung macht neuartigen Verbrennungsmotor sparsam und emissionsarm

2 HTR 02/2007 DIESOTTO 33 SAUBERES KRAFTPAKET IM F 700 Im Forschungsfahrzeug F 700 ist der 1,8-Liter-Ottomotor mit einem Hybridmodul kombiniert. DIESOTTO Leistung F 700: Nennleistung DIESOTTO 175 kw/238 PS + Hybridmodul + 15 kw/20 PS Max. Drehmoment 400 Nm Beschleunigung km/h 7,5 Sek. Verbrauch/Emission: NEFZ-Gesamtverbrauch 5,3 l/100 km CO 2 -Emission 127 g/km Schadstoffeinstufung Euro 6 Abgasbehandlung 3-Wege-Kat

3 34 Daimler Das Rad muss man nicht mehr neu erfinden sein Prinzip bewährt sich schon seit 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 CO 2 -Ausstoß auch der geringere Ausstoß an Stickoxiden (NO x ). Hinzu kommt: Der Antriebsnovize aus dem Labor der Untertürkheimer Motoren forscher 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

4 HTR 02/2007 DIESOTTO 35 DAS DIESOTTO-PRINZIP HARN- STOFF Turbolader Motorsteuerung 3-Wege-Kat Hybridmotor Baukasten für abgasarme Verbrennung Auf einem Prüfstand der Motorenforschung testen Ingenieure ein DIESOTTO-Aggregat. DIESOTTO ist kein spezieller Motor, sondern ein Motorenkonzept mit verschiedenen Elementen. So kommen statt sechs nur vier Zylinder sowie ein Turbolader-System zum Einsatz. Weitere Komponenten im Motorblock sind (in der Grafik von links nach rechts): Benzindirekteinspritzung, variabler Ventiltrieb, Raumzündverbrennung sowie variabler Kurbeltrieb. Ergänzt wird der selbstzündende Ottomotor durch ein Hybridmodul und ein innovatives Motorsteuergerät. Im Teillastbereich kommt es zur Raumzündverbrennung. Sie läuft bei niedrigeren Temperaturen ab als bei einer Zündung durch Zündkerzen. Dies wiederum führt dazu, dass sich weniger Stickoxide als im herkömmlichen Ottomotor bilden. Ein 3-Wege-Katalysator reicht aus, um künftige Euro-6-Grenzwerte einzuhalten.

5 36 Daimler ANSPRECHZEIT 90 Sek. mit... ^ GÜNTER KARL Günter Karl leitet die Abteilung Forschung/Vorentwicklung Ottomotoren, die zum Bereich Fahrzeuge, Motor/Triebstrang der Daimler-Konzernforschung und Vorentwicklung gehört. Der promovierte Maschinenbauingenieur, der dem Unternehmen seit 1992 angehört, ist einer der geistigen Väter des DIESOTTO-Konzepts. 00s 15s 33s 60s 78s 90s Der DIESOTTO wurde im F 700, einer großen Reiselimousine, präsentiert. Eignet sich das Konzept auch für kleinere Fahrzeuge wie etwa die A-Klasse? Das DIESOTTO-Konzept ist ein modulares Konzept und somit für verschiedene Motorisierungen anwendbar. Die Technologiekombination ist dabei an die jeweilige Fahrzeuganwendung anzupassen. Eine breite Einführung ist dem neuartigen Motor schon wegen seines geringeren Kraftstoffverbrauchs zu wünschen. Wann gibt es den DIESOTTO in Serie? Das Modulkonzept besagt, dass einzelne Bausteine, die serienreif sind, schon früher in das Produkt einfließen werden. Die Kombination aller im F 700 vorgestellten Elemente benötigt bis zur Serieneinführung noch Entwicklungszeit. Ist der selbstzündende Benziner das Ende vom Diesel, der ja eine vergleichsweise aufwendige Abgasnachbehandlung braucht? Otto- und Dieselmotor besitzen nach wie vor ihre Daseinsberechtigung. Zum einen entsteht im Raffinerieprozess aus Erdöl neben anderen Komponenten Otto- und Dieselkraftstoff. Im Sinne der Ressourcennutzung und zur weiteren Sicherstellung von Mobilität müssen beide Kraftstoffe sinnvoll genutzt werden. Auf der anderen Seite arbeiten meine Dieselkollegen sehr intensiv an der Verbesserung der dieselmotorischen Verbrennung. Hier ist das Ziel, die Rohemissionen weiter zu verbessern und damit die aufwendige Abgasnachbehandlungsanlage substituieren zu können. Bereits heute erfüllt der DIESOTTO künftige Abgasgrenzwerte wie Euro 6. Kann er auch noch strengere Limits einhalten? Beim Ottomotor ist es bisher gelungen, auf alle gesetzlichen Forderungen mit entsprechenden Lösungen zu antworten. Dies wird auch im DIESOTTO-Anwendungsfall so sein. Unser Ziel ist es, weiterhin den bewährten 3-Wege- Katalysator als Nachbehandlungssystem zu nutzen. Welchen Anteil hat die Elektronik? Neben Hardwarelösungen spielt das Motorsteuerungsund Regelungskonzept eine große Rolle. Ohne die exakte Ansteuerung der Subsysteme würde der Motor nicht funktionieren. Die bessere physikalische Abbildung der einzelnen Komponenten und damit die Möglichkeit und Notwendigkeit der modellbasierten Steuerung und Regelung ist eine zentrale Aufgabe auch für die weitere Optimierung des Gesamtsystems.

6 HTR 02/2007 DIESOTTO 37 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 Temperatur - spitzen 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 DIES OTTO-Motor ist die variable Ventilsteuerung. Sie erlaubt es, sowohl die Öffnungs - zeiten 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 Teillastund 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 pro grammierte Algorithmen abarbeiten, ist im DIES OTTO-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 CO 2 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. WEB-TIPP Folgende Zusatzinformationen zum selbstzündenden Ottomotor finden Sie in HTR-online: Video DIESOTTO Videoclips Selbst- und Fremdzündung im Ottomotor Bei der Raumzündverbrennung beginnt die Revolution im Auslasstakt Günter Karl