Ist die Abgasnorm Euro 5 bereits ein alter Hut? Saubermänner der TU München entwickeln schadstoffarme Dieselmotoren

Erst im September 2005 trat für alle neuen Automodelle die Abgasnorm Euro 5 in Kraft. Nun stellten die Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) einen Motor vor, der schon jetzt die weit strengere Euro 6-Norm beinahe erfüllt.

Ein Forscherteam um Prof. Georg Wachtmeister vom Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen konnte die Schadstoffmengen im Abgas auf kaum noch messbare Werte reduzieren. Außerdem haben die Ingenieure der TUM eine Sonde entwickelt, mit der sie während der Verbrennung Proben aus der Brennkammer entnehmen können. So wollen die Wissenschaftler verstehen, wie genau Ruß entsteht. Danach sollen neue Methoden zur Abgasreinigung entwickelt werden.

In einer Halle des TUM-Lehrstuhls für Verbrennungsmotoren (LVK) riecht es kaum nach Abgasen, obwohl der zwei Tonnen schwere LVK-Forschungsmotor auf Hochtouren läuft. Der Motor ist Kernstück des Forschungsprojekts NEMo oder "Niedrigst-Emissions-LKW-Dieselmotor". Ziel der Wissenschaftler war es, diesen Motor so einzustellen, dass er die Euro-6-Grenzwerte einhält, und das sogar ohne Katalysator.

Die Euro-6-Norm, die spätestens 2014 in Kraft treten soll, hat es in sich. Immerhin schreibt die Richtlinie Emissionswerte vor, die kaum noch messbar sind. Ein Dieselmotor zum Beispiel darf dann nur noch fünf Milligramm Rußpartikel und 80 Milligramm Stickoxide pro Kilometer ausstoßen. Das ist nur etwa ein Fünftel des Rußes und ein Viertel der Stickoxide, die die bis August 2009 gültige Euro-4-Norm erlaubte und nochmals weniger als die Hälfte der Stickoxide, die die Euro 5-Norm toleriert.

Doch das Verringern der Abgaswerte ist schwierig, denn Stickoxide und Rußpartikel lassen sich nun mal nicht unabhängig voneinander reduzieren.

Stickoxide entstehen dadurch, dass der Dieselkraftstoff im Brennraum des Motors an der Luft verbrannt wird. Luft ist ein Gemisch aus 21 Prozent Sauerstoff und 78 Prozent Stickstoff. Bekanntlich verbrennt Sauerstoff den Dieselkraftstoff zu Kohlendioxid und Wasser. Diese Reaktion läuft sehr schnell ab. Deshalb entstehen im Brennraum hohe Temperaturen, bei denen Sauerstoff auch mit dem Stickstoff der Luft reagiert. Dadurch bilden sich Stickoxide.

Moderne Dieselmotoren leiten daher einen Teil des Abgases, der zudem noch gekühlt wird, zusammen mit der Luft wieder in den Brennraum zurück. In dem Gemisch sorgen das Kohlendioxid und das Wasser des Abgases dafür, dass die Verbrennung langsamer abläuft und die Temperatur nicht so stark ansteigt. Dadurch entstehen zwar weniger Stickoxide - doch gleichzeitig mehr Ruß, weil in dem Abgas-Luftgemisch der Anteil an Sauerstoff geringer ist.

Hier setzte der erste Trick der TUM-Forscher an: Sie konstruierten den LVK-Forschungsmotor so, dass er das Luft-Abgasgemisch mit hohem Druck in den Brennraum presst. Der Turbolader des Motors komprimiert das Gemisch bis auf das Zehnfache des Atmosphärendrucks (gemessen in bar).

Übrigens - die Motoren von Serienfahrzeugen halten weniger als die Hälfte aus. Das so verdichtete Luft-Abgas-Gemisch enthält jetzt wieder genügend Sauerstoff, um den Dieselkraftstoff zu verbrennen.

Der zweite Trick der TUM-Ingenieure setzt an der Düse an, mit der Dieselkraftstoff in die Brennkammer gespritzt wird. Die Düse zerstäubt den Kraftstoff in winzig kleine Tröpfchen, sodass diese vollständig verbrennen können. Bei größeren Kraftstofftröpfchen, wie sie in herkömmlichen Düsen entstehen, verbrennt zuerst die äußerste Hülle an Kraftstoffmolekülen. Dies ist ähnlich dem Prinzip einer Zweibel, bei der die erste Schicht abgeschält wird. Die dabei entstehenden Abgase umhüllen den Kraftstofftropfen und schirmen ihn vom Sauerstoff ab. Mit jeder weiteren „Zwiebelhaut" aus Kraftstoffmolekülen, die in Flammen aufgeht, wird die Abgashülle immer dichter. Schließlich kann der Sauerstoff kaum noch mit dem Kraftstoff reagieren - deshalb entsteht Ruß.

Die Einspritzdüse des NEMo-Motors dagegen zerstäubt den Dieselkraftstoff mit einem Druck von mehr als 3.000 bar - normal sind höchstens 1800 bar. So wird ein Kraftstoffnebel erzeugt, der zwar sehr gut und fast rußfrei verbrennt - aber wiederum die Temperatur nach oben schnellen lässt. Eine verzwickte Sache, fanden die Wissenschaftler, denn das feine Ausbalancieren der drei Einstellungen von Abgasrückführung, Ladedruck und Einspritzdüse war äußerst knifflig.

Doch die Ingenieure am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der TUM sind auch mit dem Euro-6-Motor noch nicht zufrieden. Sie möchten herausfinden, wie denn genau Ruß entsteht in den Sekundenbruchteilen, in denen die Kraftstofftröpfchen verglühen. Einfach eine Sonde mitten in den Brennraum einzubauen, wäre einfach gewesen, hätte aber den Verbrennungsvorgang gestört.

Die Forscher konstruierten daher ein kleines Röhrchen, das blitzschnell in die Mitte des Brennraums geschossen wird. Kaum eine Millisekunde benötigt das Gasentnahmeventil, um eine Probe zu aufzunehmen. Während nur einer Zündung können so dreizehn Proben gewonnen werden - beste Voraussetzungen, um das Wachstum von Rußpartikeln zu untersuchen und noch schadstoffärmere Motoren zu entwickeln.

Fazit:
Da darf man wirklich gespannt sein.

Bleibt allerdings zu hoffen, dass die Autoindustrie am Ende nicht auch diese Patentlösung kassieren wird, um weiterhin die bestehenden eigenen Patente ungehindert und profitabel zu vermarkten - Stichwort: Ein-Liter-Motor.

Weitere Information über die
Technische Universität München
Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (Prof. Georg Wachtmeister)
Dipl.-Ing. Sebastian Pflaum
Tel. 089-289-24108
pflaum@lvk.mw.tum.de

Autor: Hans Peter Hahn