HCCI Homogene Ladungskompressionszündung

Auf der Suche nach einer immer besseren Kraftstoffeffizienz und Emissionsreduzierung hat eine alte und vielversprechende Idee neues Leben gefunden. Die HCCI-Technologie (Homogene Charge Compression Ignition) gibt es schon seit langer Zeit, sie hat jedoch in letzter Zeit erneut Aufmerksamkeit und Begeisterung erfahren. In den Anfangsjahren gab es viele unüberwindbare Hindernisse, die nur durch die Entwicklung und Reifung hoch entwickelter computergesteuerter Elektronik zu zuverlässigen Technologien überwunden werden konnten. Die Zeit hat wie immer ihren Zauber gewirkt und fast jedes Problem wurde gelöst. HCCI ist eine Idee, deren Zeit mit fast allen Teilen und Teilen der Technologie und des Know-hows reif dafür ist.

Was ist HCCI??

Ein HCCI-Motor ist eine Mischung aus herkömmlicher Fremdzündung und Dieselkompressionszündung. Die Mischung dieser beiden Konstruktionen bietet einen dieselähnlichen hohen Wirkungsgrad, ohne dass der Umgang mit NOx- und Partikelemissionen schwierig und teuer ist. In seiner einfachsten Form bedeutet dies einfach, dass Kraftstoff (Benzin oder E85) mit Luft im Brennraum homogen (gründlich und vollständig) vermischt wird (sehr ähnlich wie bei einem normalen Ottomotor), jedoch mit einem sehr hohen Anteil an Benzin Luft zu Kraftstoff (mageres Gemisch). Wenn der Kolben des Motors beim Kompressionshub seinen höchsten Punkt (oberer Totpunkt) erreicht, entzündet sich das Luft / Kraftstoff-Gemisch wie bei einem Dieselmotor durch Kompressionswärme automatisch (spontan und ohne Zündkerzenunterstützung vollständig brennbar). Das Ergebnis ist das Beste aus beiden Welten: geringer Kraftstoffverbrauch und geringe Emissionen.

Wie funktioniert HCCI??

Bei einem HCCI-Motor (der auf dem Viertakt-Otto-Zyklus basiert) ist die Steuerung der Kraftstoffzufuhr für die Steuerung des Verbrennungsprozesses von größter Bedeutung. Beim Ansaughub wird Kraftstoff über Kraftstoffinjektoren, die direkt im Zylinderkopf montiert sind, in den Brennraum jedes Zylinders eingespritzt. Dies wird unabhängig von der Luftansaugung durch den Ansaugraum erreicht. Am Ende des Ansaugtakts wurden Kraftstoff und Luft vollständig in den Brennraum des Zylinders eingeleitet und gemischt.

Wenn sich der Kolben während des Kompressionshubs wieder nach oben bewegt, beginnt sich Wärme in der Brennkammer zu sammeln. Wenn der Kolben das Ende dieses Hubs erreicht, hat sich genügend Wärme angesammelt, um das Kraftstoff / Luft-Gemisch spontan zu verbrennen (es ist kein Funken erforderlich) und den Kolben für den Arbeitshub nach unten zu drücken. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren (und sogar Dieselmotoren) ist der Verbrennungsprozess eine magere, niedrige Temperatur und flammenlose Energiefreisetzung im gesamten Brennraum. Das gesamte Kraftstoffgemisch wird gleichzeitig mit gleicher Leistung verbrannt, verbraucht aber deutlich weniger Kraftstoff und setzt dabei weitaus weniger Emissionen frei.

Am Ende des Arbeitstakts kehrt der Kolben die Richtung erneut um und leitet den Ausstoßtakt ein. Bevor jedoch alle Abgase abgesaugt werden können, schließen die Ausstoßventile frühzeitig und fangen einen Teil der latenten Verbrennungswärme ein. Diese Wärme bleibt erhalten, und eine kleine Menge Kraftstoff wird vor dem Beginn des nächsten Ansaugtakts zum Vorfüllen in den Brennraum eingespritzt (um die Verbrennungstemperaturen und -emissionen zu steuern).

Herausforderungen für die HCCI

Ein anhaltendes Entwicklungsproblem bei HCCI-Motoren ist die Steuerung des Verbrennungsprozesses. Bei herkömmlichen Ottomotoren lässt sich der Verbrennungszeitpunkt einfach einstellen, indem das Motormanagement-Steuermodul das Zündfunkenereignis und möglicherweise die Kraftstoffzufuhr ändert. Mit der flammenlosen Verbrennung von HCCI ist das bei weitem nicht so einfach. Die Brennkammertemperatur und die Gemischzusammensetzung müssen innerhalb sich schnell ändernder und sehr enger Grenzwerte, die Parameter wie Zylinderdruck, Motorlast und -drehzahlen sowie Drosselklappenstellung, extreme Umgebungslufttemperaturen und Änderungen des atmosphärischen Drucks umfassen, streng kontrolliert werden. Die meisten dieser Zustände werden durch Sensoren und automatische Anpassungen an sonst normalerweise festgelegte Aktionen ausgeglichen. Enthalten sind einzelne Zylinderdrucksensoren, ein variabler hydraulischer Ventilhub und elektromechanische Phasensteller für die Nockenwellensteuerung. Der Trick besteht nicht darin, diese Systeme zum Laufen zu bringen, sondern darin, dass sie sehr schnell und über viele tausend Kilometer und Jahre hinweg zusammenarbeiten. Vielleicht genauso herausfordernd wird das Problem sein, diese fortschrittlichen Steuerungssysteme erschwinglich zu halten.

Vorteile von HCCI

• Durch die magere Verbrennung wird die Kraftstoffeffizienz gegenüber einem herkömmlichen Ottomotor um 15 Prozent gesteigert.
• Sauberere Verbrennung und geringere Emissionen (insbesondere NOx) als bei einem herkömmlichen Ottomotor.
• Kompatibel mit Benzin und E85 (Ethanol).
• Kraftstoff wird schneller und bei niedrigeren Temperaturen verbrannt, wodurch der Wärmeenergieverlust im Vergleich zu einem herkömmlichen Ottomotor verringert wird.
• Das drossellose Ansaugsystem eliminiert Reibungspumpverluste, die bei herkömmlichen (Drosselklappen-) Zündfunkenmotoren auftreten.

Nachteile von HCCI

• Hohe Zylinderdrücke erfordern eine stärkere (und teurere) Motorkonstruktion.
• Begrenzterer Leistungsbereich als ein herkömmlicher Ottomotor.
• Die vielen Phasen der Verbrennungseigenschaften sind schwierig (und teurer) zu steuern.

Es ist klar, dass die HCCI-Technologie im Vergleich zum herkömmlichen Benzinmotor mit Fremdzündung eine überlegene Kraftstoffeffizienz und Emissionskontrolle bietet. Was noch nicht so sicher ist, ist die Fähigkeit dieser Motoren, diese Eigenschaften kostengünstig und, was wahrscheinlich noch wichtiger ist, zuverlässig über die Lebensdauer des Fahrzeugs zu liefern. Die ständigen Fortschritte bei der elektronischen Steuerung haben HCCI an den Rand der realisierbaren Realität gebracht, und es sind weitere Verbesserungen erforderlich, um sie in alltägliche Serienfahrzeuge zu integrieren.