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Motoren von morgen

Noch lange nicht ausgedient

15.12.2021 | RAINER KLOSE

2021 ist viel geschehen: Im Januar verabschiedet der Schweizer Bundesrat die «Langfristige Klimastrategie der Schweiz» mit dem Ziel Netto Null bis 2050. Und im Laufe des gleichen Jahres veröffentlicht die Empa eine Reihe von Forschungsarbeiten zum Verbrennungsmotor. Aber wie passt das zusammen? Sind Verbrennungsmotoren nicht Technologie von gestern?

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Der Verbrennungsmotor: Eine Ikone der Mobilität. Wie lange werden wir ihn noch nutzen? Bild: istock

Das vertraute Motorenbrummen des 20. Jahrhunderts wird in den nächsten Jahren leiser. «Der Umstieg auf elektrische Antriebe wird allmählich stattfinden», sagt Christian Bach, Leiter der Abteilung Automotive Powertrain Technologies an der Empa. «Doch bei manchen Anwendungen wird es schwer oder gar unmöglich sein, auf Verbrennungsmotoren zu verzichten.»

Selbst die traditionsreiche Deutz AG in Köln verabschiedet sich vom Verbrennungsmotor als tragendem Geschäftsmodell. Die Firma wurde immerhin 1872 von Nikolaus August Otto gegründet, zählte Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach zu ihren Angestellten und baute 1876 den ersten Viertaktmotor der Welt. Nun plant Frank Hiller, der CEO der Deutz AG, bereits 2031 die Hälfte des Firmenumsatzes mit Wasserstoffantrieben und elektrischen Antriebssystemen zu bestreiten, wie das deutsche Manager Magazin berichtet. Das Geld für den Umbau soll mit Hilfe des traditionellen Motorenbaus erwirtschaftet werden. Hiller erwarte, dass Verbrennungsmotoren etwa bei Bau- und Erntemaschinen noch länger gebraucht würden, schreibt die Zeitschrift. So bliebe dem Konzern etwas Zeit für den Umbau.

Die Forschung am Verbrennungsmotor fokussiert sich also auf die nächsten zwei bis drei Jahrzehnte vor uns. Das Ziel ist, möglichst wenig Treibhausgase zu emittieren. Dabei geht es einerseits um die CO2-Emissionen der Motoren, das andere Problem ist das besonders starke Treibhausgas Methan. Aus Ökostrom erzeugtes Methan, auch Syngas genannt, ist eines der Schlüsselprodukte für die Mobilität der Zukunft. Doch auch dieses klimaneutral erzeugte Methan darf nicht unverbrannt aus dem Auspuff entweichen, sonst wäre bezüglich Treibhauseffekt wenig gewonnen.

Wir brauchen also eine neue Generation von sparsamen Motoren und müssen zugleich die Abgas-Zusammensetzung genau im Auge behalten, damit dort, wo Verbrennungsmotoren unersetzlich sind, möglichst wenig Klimaschaden entsteht. Auf den nächsten beiden Seiten erfahren Sie, wie die Empa diese Aufgabenstellung angeht.

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Treibhausgas-Emissionen verschiedener Verkehrsmittel. Direkte Emissionen aus Verbrennungsmotoren (dunkelgrau eingezeichnet) erhöhen den CO2-Ausstoss des Verkehrs besonders. An diesen Stellen müssen besonders rasch Alternativen gefunden werden. Illustration: Empa, Quelle: SCCER Mobility White Paper – March 2021 (www.sccer-mobility.ch)
Forschen mit Taktgefühl - der Verbrennungsmotor auf neuen Wegen
Abgasmessung vom Strassenrand
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Keine Zeit zu sterben: Der Verbrennungsmotor. Bild: istock

Emissionen im realen Fahrbetrieb können mit einer Technik namens “Remote Sensing” gemessen werden. Das Messsystem erfasst dabei berührungsfrei die Schadstoffkonzentrationen im Abgas vorbeifahrender Fahrzeuge. Bei einer Messung durchqueren die Fahrzeuge eine Lichtschranke welche durch Ultraviolett- und Infrarotquellen erzeugt wird. Durch Absorption des Lichtes von verschiedenen Wellenlängen wird

mit einem Spektrometer die Schadstoffkonzentration ermittelt. Das Messsystem ist also fest vor Ort und wartet auf die Emissionen vorbeifahrender Fahrzeuge, um unter den am Ort der Messung vorherrschenden Bedingungen in einer Momentaufnahme die realen Emissionen zu bestimmen. Die Empa evaluierte in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Strassen (Astra) zwei Messgeräte die bereits auf dem Markt sind. Fernziel ist es, Fahrzeuge mit schadhafter Abgasanlage oder Motorsteuerung im fliessenden Verkehr zu ermitteln, die Abgaswerte im Labor nachprüfen zu lassen und den Besitzer zur Reparatur aufzufordern.

Russpartikel aus nichtfossilen Treibstoffen (Pflanzenöl, OME)
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Bild: Empa

Um Treibhausgase zu reduzieren, könnten Verbrennungsmotoren künftig mit Biotreibstoffen wie Pflanzenöl oder mit Synfuels wie Polyoxymethylendimethylether (OME) betrieben werden. OME lässt sich zum Beispiel aus grünem Wasserstoff und CO2 aus der Luft herstellen. Er kann in Selbstzündungsmotoren (Dieselmotoren) genutzt werden. Doch bis heute ist unklar, welche Russpartikel aus diesen alternativen Treibstoffen entstehen und auf welche Weise man sie aus dem Abgas entfernen kann. Im Labor der ETHZ wurde ein Einzylindermotor mit Pflanzenöl und OME, sowie verschiedenen Treibstoffmischungen betrieben. Die Empasammelte den entstehenden Russ in Russpartikelfiltern, und brannte den Filter unter kontrollierten Bedignungen wieder frei. Ergebnis: Mit OME entstanden viel weniger Russpartikel, die waren jedoch  schwer entflammbar und daher nur mit grösserer Hitze aus dem Partikelfilter zu entfernen.

Gasmotoren, die wenig Methan ausstossen
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Image: Empa

Auch Methan lässt sich aus grünem Wasserstoff und CO2 aus der Luft gewinnen und eignet sich daher als klimaneutrales Synfuel für Langstrecken-Lastwagen. Doch es gibt ein Problem: unverbranntes Methan lässt sich in einem Katalysator nur schwer oxidieren beziehungsweise umwandeln. Dann schlüpft es durch den Abgastrakt in die Atmosphäre und verursacht einen Treibhauseffekt, der je nach Betrachtung 30 - 80 mal grösser ist als derjenige von CO2. Damit wäre der ökologische Gewinn von Methan-getriebenen Lastwagen reduziert. Die Empa unternahm Prüfstandversuche mit Lastwagenmotoren im "fetten" Betrieb (mit Treibstoff-Überschuss), im "mageren" Betrieb (mit Luftüberschuss) und im Lambda-Eins-Betrieb (Methan und Sauerstoff im passenden Brennverhältnis). Dies entspricht einem Lastwagen, der mit konstanter Geschwindigkeit bergauf oder bergab fahren muss. In einem Modellversuch wurde untersucht, welche chemischen Prozesse im Katalysator stattfinden müssen, damit das unverbrannte Methan möglichst weitgehend zerstört wird – und keinen unerwünschten Treibhauseffekt erzeugt. Dadurch ist es gelungen, ein Katalysatorkonzept vorzuschlagen, der die Methanemissionen bis massgeblich verringert. So wird es für Gasmotoren möglich,  die für die nächsten Abgasstufe (Euro-7) zu erfüllen.

Durchzugsstarke, Gasmotoren dank Comprex-Lader
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Bild: Empa

Der ComprexTM-Lader ist, wie der Turbolader auch, eine Schweizer Erfindung. Der Comprex nutzt Druckwellen im direkten Kontakt des Abgases mit der Frischluft zur Aufladung, während ein Turbolader zwei Strömungmaschinen (Turbine und Verdichter) koppelt.  In den 1980er Jahren wurden Comprex-Lader in PW-Dieselmotoren von Opel und Mazda eingesetzt. Doch der Lader hatte Nachteile: beim Motorkaltstart war der Aufbau des Druckwellenprozesses schwierig und temperaturbedingte Effekte bei Lastwechseln führten zu Emissions- und Effizienzproblemen. Inzwischen haben Ingenieure der Firma Antrova AG (Stein am Rhein) den Comprex-Lader weiterentwickelt: Unterstützt von einem Elektromotor funktioniert er in allen Bedingungen problemlos und ein neues Design des sogenannten Zellenrotors löst die früheren Schwierigkeiten bei Temperaturänderungen vollständig. Empa-Forscher haben, in Zusammenarbeit mit einem Nutzfahrzeug- und dem Comprexhersteller, einen Erdgasmotor mit einem solchen "Comprex 2.0"-Lader aufgebaut und sowohl im Kaltstart, wie auch im gesamten warmen sowie auch im dynamischen Betrieb das sehr gute Funktionieren des neuen Comprex-Designs aufzeigen können. Der Motor liefert, im Gegensatz zum Turbo-Pendant, bereits praktisch ab Leerlaufdrehzahl ein enorm hohes Drehmoment, was einerseits die Fahrbarkeit verbessert und, in Kombination mit sogenanntem Miller-Betrieb und einer Anpassung der Getriebeübersetzung, Verbrauchseinsparungen mit sich bringt.

Zugleich wird der Katalysator sechsmal schneller warm als beim Turbomotor, was für bessere Abgaswerte sorgt. Schliesslich ermöglicht der Comprex eine hohe Motor-Bremswirkung – der Fahrer eines Nutzfahrzeugs müsste sehr viel seltener die mechanischen Bremsen benutzen.
 

Effiziente Niedriglast durch vollvariable Ventilsteuerung
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Bild: Empa

Die Empa hat in den letzten Jahren eine vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung entwickelt, welche sich für Verbrennungsmotoren und andere thermische/pneumatische Maschinen einsetzen lässt. Vollvariabel bedeutet, dass sowohl der Ventilhub wie auch der Öffnungs- sowie der Schliesszeitpunkt frei eingestellt werden können – und dies sogar von einem Zyklus zum nächsten. Am Verbrennungsmotor eingesetzt gibt diese volle Flexibilität neue Freiheitsgrade für Optimierungen. Beispielsweise lässt sich die Last bei Ottomotoren ohne Drosselklappe und von einem Zyklus zum nächsten einstellen, die Volllast kann optimiert werden und der Motor lässt sich auf verschiedene Treibstoffe "per Software" anpassen.

Die Empa hat den Ventiltrieb an einem Ottomotor aufgebaut und erforscht die Potentiale. Eine Variante der Laststeuerung ist die Zylinderabschaltung. Das heisst, einzelne Zylinder werden im Teillastbereich in hoher Last betrieben, andere werden zugleich ganz abgeschaltet indem alle Ventile geschlossen bleiben. Der plötzliche Übergang vom Betrieb mit allen Zylindern auf den Betrieb mit abgeschalteten Zylindern würde allerdings ungewünschte Drehmomentspitzen mit sich bringen, so dass der Übergang sanft gestaltet werden muss. In heute auf dem Markt befindlichen System ohne vollvariable Ventilsteuerungen werden solche Zylinderabschaltungen durch stark effizienzmindernde Zündeingriffe ausgelöst. Mit der vollvariablen Ventilsteuerung der Empa lassen sich einzelne Zylinder dagegen ohne Effizienzverlust abschalten.

Ebenso wie die vollständige Abschaltung von Zylindern ist es auch möglich, sie seltener zu zünden. So wird aus einem Viertakt-Betrieb, ein Acht- oder Zwölftakt-Betrieb. Im Vergleich zu einem gedrosselten Viertakter arbeitet ein solcher Motor deutlich effizienter.

SCCER

Eine gute Übersicht über mögliche Szenarien im Verkehrsbereich bietet das White Paper «Pathways to a net zero CO₂ Swiss mobility system» des SCCER Mobility (Swiss Competence Center for Energy Research, www.sccer-mobility.ch ), an dem 18 Antriebs- und Mobilitätsexpertinnen und Experten mitwirkten, darunter Christian Bach von der Empa.

Die Expertinnen und Experten des SCCER sind unter anderem zu diesen Erkenntnissen gelangt:

  • Für Transporte auf Kurzstrecken eigenen sich besonders gut Elektrofahrzeuge – das gilt für den Strassenverkehr, aber auch für Fährschiffe, die kurze Distanzen bedienen.
  •  Für Transporte auf längeren Strecken eignet sich dagegen besser die Kombination aus Wasserstoff und Brennstoffzelle oder die Kombination aus synthetischen Treibstoffen (Synfuel) und Verbrennungsmotor.
  • Synfuels lassen sich im sonnenarmen Mitteleuropa – besonders im Winter – nur unter hohen Kosten herstellen. Der Import von Synfuels aus sonnenreichen Gegenden ist eine von nur ganz wenigen Optionen, um den steigenden Energiebedarf im Winter mit erneuerbarer Energie zu versorgen
  • Um die Klimaziele zu erreichen, ist vor allem ein drastischer und schneller Abschied von fossilem Benzin und Diesel nötig: In der Schweiz stammen (laut Bundesamt für Umwelt Bafu) 40% der Treibhausgas-Emissionen aus diesen beiden Energieträgern. 22% stammen allein von Personenautos, 6 % aus Lastwagen und Bussen, 12% aus dem Luftverkehr.

Der Verbrennungsmotor wird also aus vielen Anwendungsbereichen allmählich verschwinden, sagen die SCCER-Experten voraus:

  • Der Individualverkehr auf Kurzstrecken soll künftig nicht mehr mit Verbrennungsmotor-Autos bewältigt werden. Wir müssen zu effizienteren Verkehrsmitteln umsteigen wie e-Bikes, dem öffentlichen Nahverkehr (ÖV) und zu Car-Sharing mit leichten Kurzstrecken-Elektroautos
  • Leichte Nutzfahrzeuge für den Stadtverkehr sollten elektrifiziert werden, weil das auf Kurzstrecken recht einfach möglich ist
Verbrennungsmotoren sollten nicht mehr im Stop-and-Go-Verkehr eingesetzt werden, weil sie da besonders ineffizient sind. Die Lösung sind Plug-in-Hybride, die in der Stadt elektrisch fahren und auf Überlandstrecken den Verbrennungsmotor nutzen. 
Informationen
Christian Bach
Automotive Powertrain Technologies
Tel. +41 58 765 4137
christian.bach@empa.ch

Redaktion / Medienkontakt


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