Dieselmotor extrem schadstoffarm

Mit Hochdrucktechnik, aber ohne Katalysator erfüllt neuer Dieselantrieb bereits kommende Abgasnorm Euro 6

Schemazeichnung der Sonde
Schemazeichnung der Sonde

München - Einen quasi schadstofffreien Dieselmotor entwickelten Ingenieure dort, wo Rudolf Diesel einst sein Handwerkszeug lernte: an der Technischen Universität München. Durch eine Kombination aus hohem Druck und raffinierter Kühlung gibt der Lastwagenmotor namens "NEMo" nur noch kaum messbare Mengen an Stickoxiden und Rußpartikeln ab. Ohne Katalysator soll er bereits heute fast die strenge Abgasnorm Euro 6 erfüllen, die ab 2014 für Neufahrzeuge gelten wird. Obendrein entwickelte das Team eine neuartige Sonde, um störungsfrei die Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer analysieren zu können - und zu verstehen, wann und wo im Laufe der Verbrennung Ruß entsteht.

Die Kunst besteht darin, gleichzeitig die Menge an Rußpartikeln und Stickoxiden zu senken, obwohl sich das manchmal widerspricht, so das Team um Sebastian Pflaum und Georg Wachtmeister vom Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der TU München. Grundlage für den aktuellen Erfolg ist die Erhöhung der Drücke im Motor - das Herzstück des Forschungsprojekts "Niedrigst-Emissions-LKW-Dieselmotor" (NEMo). Zum einen erhöhten sie den Druck, mit der eine Düse den Dieselkraftstoff in die Brennkammer spritzt. Statt mit üblichen 1800 bar arbeitet die Einspritzdüse des NEMo-Motors mit einem Druck von mehr als 3000 bar: Damit entstehen deutlich kleinere Treibstoff-Tröpfchen, die wie ein Nebel vollständig und praktisch rußfrei verbrennen. Die Dieseltröpfchen in heutigen Brennkammern hingegen sind zu groß, um komplett zu verbrennen. Stattdessen verglühen sie quasi Schicht um Schicht von außen nach innen und werden dabei von einer immer dichteren Hülle aus den entstehenden Abgase umhüllt. Das schirmt sie vor Sauerstoff ab und führt zu unvollständiger Verbrennung bzw. Rußbildung.

Zum zweiten veränderten die Forscher die Luftzufuhr in der Brennkammer, um diese zu kühlen. Denn zu hohe Temperaturen sollten im Dieselbrennraum nicht entstehen, sonst bilden sich Stickoxide: Im Idealfall verbrennt der Kraftstoff mit den 21 Prozent Sauerstoff in der Luft zu Kohlendioxid und Wasser. Bei großer Hitze allerdings reagiert der Sauerstoff auch mit den 78 Prozent Stickstoff im Luftgemisch und bildet unerwünschte Stickoxide. Entsprechend sorgen moderne Dieselmotoren für eine Kühlung und leiten einen Teil des Abgases zusammen mit frischer Luft in die Brennkammer zurück - damit steht weniger Sauerstoff zur Verfügung, die Reaktion läuft langsamer ab und die Temperatur bleibt niedriger. Im neuen NEMo-Motor nun verdichten die Forscher das Luft-Abgasgemisch und pressen es mit doppelt so hohem Druck (10 bar) in den Brennraum wie üblich. Die Temperatur bleibt niedriger, die Verbrennung verläuft sauberer.

Mit dem Ausbalancieren von Abgasrückführung, Ladedruck und Einspritzdüse konnten die Ingenieure auch dem Effekt entgegen steuern, dass der erste Trick - das feine Vernebeln des Treibstoffes - die Temperatur erhöht. Die ab 2014 für Neufahrzeuge geplante Euro-6-Norm schreibt die kaum noch messbaren Emissionswerte vor, die der NEMo bereits fast erreicht: Dieselmotoren etwa dürfen dann nur noch 80 Milligramm Stickoxide pro Kilometer und fünf Milligramm Rußpartikel pro Kilometer ausstoßen – ein Viertel beziehungsweise ein Fünftel der bisher gültigen Euro-4-Normwerte.

Um die Entwicklung weiter voranzutreiben, erforschen die TUM-Ingenieure nun genauer, wie in den Sekundenbruchteilen des Verbrennungsvorgangs Rußpartikel entstehen. Sie entwickelten eine innovative Sonde, die bis zu dreizehn Proben des Gasgemisches pro Zündung liefern kann, ohne den Verbrennungsvorgang zu stören: Ihre Sonde besteht aus einem kleinen Röhrchen, das in die Mitte des Brennraums geschossen wird und dort binnen einer Millisekunde ihre Ladung aufnimmt, bevor sie den Brennraum wieder verlässt. In Zusammenarbeit mit der Universität Erlangen-Nürnberg wollen die Forscher den Weg noch schadstoffärmerer Motoren ebnen.