"Flexibilität künftig wichtiger als maximaler Druck"

Ein Wissenschaftler, der nach der Wende ein Institut in Magdeburg zu einem der führenden in Deutschland gemacht hat, in der Industrie Ingenieure zum Thema Einspritzung und Verbrennungsmotoren fortbildet und ein Dieselmotoren-Handbuch herausgibt - Professor Helmut Tschöke ist genau der richtige Gesprächspartner für ein MTZ-Interview zur Zukunft der Einspritzung.

Motorentwickler und Zulieferer werben weiterhin mit immer neuen Rekorden beim Einspritzdruck. Hilft viel denn immer viel?
Grundsätzlich schon. Als vor zwanzig Jahren der erste TDI in Serie ging, hatten wir an der Düse 900 bar, pumpenseitig 700 bar. Heute erreichen wir gut 2000 bar, beim Nutzfahrzeug liegen wir schon deutlich darüber. Aber ich glaube, die Druckspirale macht jetzt eine Pause.

Warum?
Nehmen wir mal das Nutzfahrzeug. Abgasnachbehandlungssysteme wie SCR und Partikelfilter sind inzwischen in Serie bewährt. Beim Pkw gilt dies ebenso. Die Überlegung, alles motorintern zu lösen, ist damit ein Stück weit hinfällig. Damit müssen es nicht zwingend 3000 bar werden, die nächste Stufe sind eher 2500 bis 2700 bar, beim Pkw maximal 2500 bar.

Sie selbst untersuchen an Ihrem Institut aber sogar Systeme mit 3500 bar.
Wir tun das nicht mit der Absicht, dies für Serie zu empfehlen, sondern untersuchen mit solchen Systemen alternative Kraftstoffe. Wir wollen wissen, wie sich solche Kraftstoffe unter hohem Druck verhalten. Und da zeigt sich beispielsweise, dass sich das Strahlbild alternativer Kraftstoffe viel stärker ändert als das des konventionellen Diesels.

Was wissen wir denn sicher über das Zusammenspiel zwischen Biokraftstoffen und der Einspritzung?
Es ist ja bekannt, dass es mit reinem Biodiesel, B100 genannt, erhebliche Probleme gab. Das hat sich durch die Zwangsbeimischung entschärft. Mittelfristig müssen wir uns aus meiner Sicht mit bis zu B30 beschäftigen. Schon bei B10, aber erst recht bei höheren Quoten, haben wir ein Problem mit der Schmierölverdünnung, weil die Verdampfungstemperatur des Rapsmethylesters bei etwa 330 Grad Celsius liegt. Vor allem Nacheinspritzungen zur Filterregeneration müssen darauf hin optimiert werden. Man wird aber wohl nicht umhin kommen, die Ölwechselintervalle wieder etwas zu verkürzen, wenn es nicht gelingt, den Kraftstoff zu modellieren.

Wie sieht es mit der zweiten Generation aus?
Das Problem mit der zweiten Generation ist: Wir haben sie nicht. Es wird wohl noch zehn Jahre dauern, bis wir ausreichende Mengen wirtschaftlich produzieren können.

Woran bemisst sich denn ein idealer Einspritzdruck?
Es geht darum, eine optimale Luftausnutzung zu erreichen, damit die Emissionen gering ausfallen. Wenn man das nur über den Druck machen würde, dann hat man zwar geringe Partikelemissionen. Aber eine gute Verbrennung bei hoher Temperatur bedeutet in der Regel hohe Stickoxide. Um diese Abhängigkeit zu durchbrechen, benötigt man eine hohe Abgasrückführrate, die wiederum nur bei guter Luftausnutzung, sprich hohem Einspritzdruck, möglich ist.

Wir reden jetzt die ganze Z eit über Dieselmotoren. Es laufen Forschungsarbeiten an Ottomotoren mit Direkteinspritzung, die mit 1000 bar arbeiten.
Ich kenne diese Untersuchungen, aber sie zeigen meines Erachtens, dass 1000 bar nicht notwendig sind. Eine gewisse Drucksteigerung wäre beim Ottomotor schon noch sinnvoll, besonders bei den verbrauchsgünstigen Schichtladeverfahren. Aber die Schichtladung hat den Nachteil, dass sie ein zusätzliches Abgasnachbehandlungssystem für die Stickoxide erforderlich macht. Der Trend geht also, mit Ausnahmen, eher wieder zum homogenen Verfahren. 1000 bar sehe ich aber auch deshalb nicht, weil die Schmierfähigkeit des Ottokraftstoffs deutlich schlechter ist, so dass man dann mit speziellen Beschichtungen oder gar einer Fremdschmierung für die Pumpe arbeiten muss - also einen Aufwand treibt, der meiner Meinung nach nicht im Verhältnis zum Gewinn steht. Möglicherweise ist es kostengünstiger, Otto-DI-Motoren mit Partikelfilter zu betreiben, statt in eine Einspritzung mit 1000 bar zu investieren. Hier wird die zukünftige Gesetzgebung zur Partikelanzahl die Technologie stark beeinflussen.

Höhere Einspritzdrücke bedeuten in der Regel höhere Spitzendrücke, und die haben akustische Nebenwirkungen.
Wir applizieren heute eine Einspritzung in erster Priorität auf geringe Emissionen und minimalen Verbrauch. In Zukunft werden die Anforderungen an das akustische Verhalten von Dieselmotoren, insbesondere im Start und in der Warmlaufphase, deutlich höher. Denken Sie an Dieselhybridfahrzeuge oder gar einen Dieselmotor als Range-Extender. Wenn der sich plötzlich zuschaltet, erschrickt der Fahrer womöglich und empfindet das laute Verbrennungsmotorengeräusch als besonders lästig. Deshalb arbeiten wir hier am Institut an einem geräuschgeregelten Dieselmotor.

Wie soll der funktionieren?
Indem man die Einspritzparameter auch abhängig vom aktuellen Geräusch steuert und eine bessere Gesamtoptimierung anstrebt. Man kann das über einen Zylinderdrucksensor machen. Der ist aber so teuer, dass man ihn nur um des besseren Geräusches nicht einsetzen würde. Deshalb wollen wir das über eine Art Klopfsensor machen, einen Beschleunigungssensor, den wir entsprechend auswerten.

Die Idee ist nicht ganz neu - wo liegen die Schwierigkeiten in der Umsetzung?
Es ist nicht ganz einfach, die Korrelation zwischen den Beschleunigungssensor-Signalen und den Einspritzparametern herzustellen. Unsere Aufgabe ist es, diese Korrelationen zu suchen.

Wie groß ist denn der Spielraum, wenn sie gleichzeitig, vor allem im Warmlauf, die Emissionen in einem optimalen Fenster halten müssen?
Das wollen wir ja herausfinden. So sehr groß ist der Spielraum nicht. Aber wir glauben schon, dass wir in kritischen Betriebszuständen eine Verbesserung erreichen können. Und das ist in bestimmten Weltregionen, in denen sehr hohe Ansprüche an Komfort gestellt werden, durchaus von Belang.

Glauben Sie nicht, dass man die Kombination von hohen Anforderungen an CO2 und Komfort immer öfter über Ottohybrid-Konzepte lösen wird?
Hmm... (zögert)

Anders gefragt: Glauben Sie an den Dieselhybrid?
Und ob ich an den glaube! Wenn Sie heute die Zulassungszahlen im Premiumsegment anschauen, dann dominiert der Dieselmotor. Das heißt, diese Klientel ist durchaus an sparsamen Antrieben interessiert. Im Übrigen, wenn wir über Kosten reden, dann sollte man das immer in Relation zu E-Mobilität sehen. Denn die wird teuer. Wenn Sie jedem Diesel-, jedem Ottomotor einen Tausender spendieren, dann können wir noch vieles besser machen und liegen immer noch eine Zehnerpotenz unter den Mehrkosten des E-Antriebes.

Zum Beispiel, indem man sehr variable Einspritzsysteme, vielleicht mit Piezotechnik, einsetzt?
Wir haben heute Einspritzsysteme mit bis zu drei Vor- und vier Nacheinspritzungen, natürlich abhängig vom Betriebspunkt. Diese Flexibilität brauchen wir, zumindest im Pkw. Euro 6 wird dem Piezo einen Schub verpassen, weil wir viel mehr Freiheitsgrade haben. Es geht ja nicht nur um die Anzahl der Einspritzungen, sondern auch darum, ob man beispielsweise den Abstand zwischen den Einspritzungen variabler gestalten kann als bisher. Flexibilität ist künftig noch wichtiger als maximaler Druck. Aber auch in der billigeren Magnetventiltechnik liegen noch Potenziale.

Zumindest so lange es sich beim Verbrennungsmotor nicht um einen Range-Extender handelt, der quasistationär betrieben wird.
Wir werden für ein optimales Energiemanagement keine Range Extender sehen, die im Ein-Punkt-Betrieb arbeiten. Denn Sie müssen je nach Ladezustand der Batterie und geplanter Strecke den Motor steuern, und dies bedeutet eine unterschiedliche Leistungsabgabe.

Sie starten demnächst ein Forschungsvorhaben zum Einsatz eines Dieselmotors als Range-Extender. Was wäre der Vorteil eines solchen Konzepts?
Der Ottomotor ist sicher die erste Wahl. Wir haben uns intensiv mit verschiedenen Wärmekraftmaschinen als Range-Extender beschäftigt und auch exotische Konzepte wie den Stirlingmotor durchdacht. Aber: Wenn wir an die nächsten zehn Jahre denken, dann haben wir mit dem Elektroantrieb und der Batterie ohnehin schon eine große Baustelle im Auto. Wollen wir dann eine zweite Baustelle mit einem nicht ausgegorenen Range-Extender aufmachen? Ganz persönlich: Ich halte Gasturbine oder Wankelmotor, trotz spezifischer Vorteile, in den nächsten Jahren für nicht salonfähig.

Was muss ein Range-Extender können?
Er muss klein, leicht, billig, emissions- und verbrauchsarm und leise sein. Alles Eigenschaften, das gebe ich zu, die nicht für den Diesel sprechen. Aber uns als Forschungsstelle sei zugestanden, dass wir nicht nur den Mainstream untersuchen, sondern uns anschauen, ob der Dieselmotor nicht eine Alternative für spezielle Anwendungen ist, bei denen der Verbrauch eine wichtige Rolle spielt.

Sie denken viel über die Zukunft nach, gehen aber nach dem Wintersemester in den Ruhestand. Was kommt dann?
Ich werde einfach weiterarbeiten. Aber mit anderen Prioritäten. Mehr Kür, weniger Pflicht.

Herr Professor Tschöke, herzlichen Dank für das Gespräch.

(Bild: Tim Hoppe)


Autor(en): Johannes Winterhagen

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