"Wir brauchen eine neue Kraftstoff-Spezifikation"

Die Vorteile des Otto- und Dieselprinzips in einem Motor miteinander verbinden will Dr. Wolfgang Steiger, Leiter der Antriebeforschung bei Volkswagen. Der MTZ Motortechnische Zeitschrift erlaubte er einen Einblick in seine Arbeiten am "Combined Combustion System" (CCS) und verriet, warum eigentlich alles nur am Kraftstoff hängt.

Werden Motoren nach dem Otto- oder Dieselprinzip bald nur noch im Museum zu bestaunen sein?
Nein. Die Einführung von CCS-Motoren wird zusätzlich erfolgen. Das Ziel des CCS-Konzeptes ist, die Vorteile von Otto- und Dieselmotor zu kombinieren. Es entsteht ein Motor, der - mit einem entsprechenden CCS-Kraftstoff - effizienter als ein Diesel und im unteren Kennfeldbereich auch ohne größere Abgasnachbehandlung weitgehend frei von Stickoxiden und Partikeln ist. Um dieses Brennverfahren umsetzen zu können muss allerdings ein hoher technischer Aufwand betrieben werden. Deshalb wird es Bereiche geben, in denen zum Beispiel der Ottomotor mit einem Drei-Wege-Katalysator sinnvoller eingesetzt werden kann: Bezüglich der Effizienz zwar unterlegen ist dieser emissionsbezogen jedoch mindestens gleichwertig. Deshalb wird es unterschiedliche Märkte geben. An "CCS statt Otto und Diesel" glaube ich daher nicht.

Die Einführung der Ottodirekteinspritzung näherte den Ottomotor schon an den Dieselmotor an. Inwieweit geht das CCS-System sowohl über den Otto-DI als auch über die teilhomogenisierte Dieselverbrennung hinaus, sei sie nun mit oder ohne Selbstzündung?
Das Ziel von CCS ist, höchste Effizienz bei niedrigsten Emissionen zu erreichen. Höchste Effizienz setzt einen selbstzündenden Verbrennungsprozess, möglichst im gesamten Brennraum, voraus, der im Gegensatz zur fremdgezündeten Verbrennung bezüglich der Druckentwicklung besser an den idealen Carnot-Prozess angenähert ist. Wir haben sowohl im Otto- als auch im Dieselmotor solch ein Brennverfahren dargestellt; es gibt einen selbstzündenden Ottomotor, homogen direkteinspritzend und aufgeladen und einen vergleichbaren Dieselmotor. Noch aber verwenden diese Motoren unterschiedliche Kraftstoffe. Das kann nicht optimal sein, da ein bestimmter Verbrennungsablauf nur mit einem ganz bestimmten Kraftstoff optimal dargestellt werden kann. Das ist der Punkt, der über die beiden bekannten Verfahren hinausgeht: Der neue Kraftstoff, der dezidiert auf CCS abgestimmt ist. Damit können wir den Betriebsbereich, in dem diese selbstzündende und weitgehend homogene Verbrennung stattfindet, deutlich ausweiten.

Was bewirkt den Verbrauchsvorteil gegenüber einem TDI bei gleichzeitiger Stickoxid- und Rußreduktion?
Im traditionellen Dieselverfahren haben wir eine inhomogene Gemischverteilung: Während der Verbrennung ergeben sich im inneren Bereich des sich auflösenden Einspritzstrahls Crackreaktionen, die zur Rußbildung führen. Am Strahlrand sind die Lambda-Werte nahe 1, wodurch lokal extrem hohe Temperaturen mit Überschreitung der Stickoxidbildungsgrenze von 2000 Kelvin entstehen. Um die Stickoxidbildung zu reduzieren, müssen die Spitzentemperaturen abgesenkt werden. Dies erfolgt üblicherweise, indem die Einspritzung nach "spät" verschoben wird, wodurch sich neben der Spitzentemperatur allerdings auch die durchschnittliche Verbrennungstemperatur reduziert, was zu einem reduzierten Wirkungsgrad führt. Bei der idealen homogenen Verbrennung dagegen gibt es weder lokal "fette" Zonen, noch Zonen, in denen exakt Lambda 1 vorliegt. Lokale Temperatur und mittlere Temperatur sind beinahe identisch und auf hohem Niveau. Auf der einen Seite sind in diesem Fall Partikel- und Stickoxidemission gleich Null, auf der anderen Seite erreicht das Brennverfahren eine hohe Effizienz. Diese liegt im NEFZ um 5 bis 8 % höher als bei einem heutigen Dieselmotor.

Im Stationärbetrieb konnten Sie mit dem CCS-Prinzip schon gute Erfahrungen sammeln, auf welche Schwierigkeiten stoßen Sie jetzt im realen Fahrbetrieb?
Auch im realen Fahrbetrieb können sich die Ergebnisse sehen lassen. Um CCS umsetzen zu können, sind extrem hohe Abgasrückführraten erforderlich und die Einspritzung verschiebt sich deutlich nach früh, um das Gemisch zu homogenisieren. Bei plötzlichen Lastwechseln ist es schwierig, die Rückführrate ausreichend schnell anpassen. Hier könnte ein vollvariabler Ventiltrieb helfen. Derzeit wechselt die Regelung bei hoher Lastanforderung vom Homogenbetrieb in den Normalbetrieb. Wesentliche Grundlage, solch ein Brennverfahren zu betreiben, ist ein zylinderdruckgeführtes Motormanagement. Mit einer heute üblichen Steuerung betrieben würden die Motoren nur hüpfen und stottern.

Welche Anforderungen stellt CCS an den Kraftstoff?
Wir brauchen eine neue Kraftstoff-Spezifikation. Der neue Kraftstoff muss deutlich leichter siedend sein als heutige Dieselkraftstoffe, etwa wie Kerosin. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Selbstzündungseignung. Dazu müssen wir für die Zündwilligkeit eine Ober- und eine Untergrenze einführen, derzeit haben wir nur eine Untergrenze beim Dieselkraftstoff. Als Drittes sollte man die Zahl der Komponenten im Kraftstoff deutlich reduzieren, um Quereinflüsse abzubauen. Hervorragend geeignet sind hier synthetische Kraftstoffe wie BtL und GtL, bei deren Herstellung man über die Zwischenstufe Synthesegas einen relativ homogenen, parafinischen Grundkraftstoff erzeugt, der noch 15 bis 20 verschiedene Moleküle enthält.

Wann wird man CCS in Serie kaufen können?
Teilfunktionalitäten werden schon bald in die Serie einfließen. Die volle Funktionalität hängt von der Verfügbarkeit des Kraftstoffs ab. Mit normalem Dieselkraftstoff ist der Wirkungsbereich auf nur drei bis vier bar Mitteldruck begrenzt.

Zu welchem Mehrpreis gegenüber einem heutigen TDI?
Wenn wir einmal davon ausgehen, dass ein entsprechender Kraftstoff etwa im Jahr 2015 zur Verfügung stünde, dann wird der Mehrpreis zum dann aktuellen Diesel relativ gering sein.

Bewirkt nicht die zunehmende Verteuerung der Antriebstechnik, das CCS-Prinzip wird auch seinen Teil dazu beitragen, dass die Endverbraucher ihre umweltbelastenderen Fahrzeuge nicht noch länger halten, als sie es ohnehin schon tun?
Die längere Haltedauer von Euro-1- und Euro-2-Fahrzeugen konterkariert ganz sicher den Effekt der Euro-5-Grenzwerte. Grundsätzlich stellt sich der positive Effekt neuer Technologien immer mit zeitlicher Verzögerung ein ...

... da zunächst nur ein Bruchteil der knapp eine Milliarde Autos auf der Welt mit der neuen Technik unterwegs sein wird. Warum investieren Automobilindustrie und Mineralölindustrie nicht deshalb gemeinsam hauptsächlich in alternative Kraftstoffe, die heute allen Kunden zur Verfügung gestellt, auf einen Schlag eine Umweltentlastung brächten, die moderne Antriebstechnik auch in Jahrzehnten nicht bewirken könnte, weil sie vom Großteil der Weltbevölkerung einfach nicht gefahren wird?
Sie haben Recht. Daher engagiert sich Volkswagen massiv bei der Entwicklung alternativer Kraftstoffe der zweiten Generation. Dafür spricht, dass die CO2-Vermeidungskosten eines fast CO2-neutralen Kraftstoffes mindestens um den Faktor 5 niedriger sind als die Kosten für die Einführung einer neuen Technologie. Mit unserer Kraftstoff- und Antriebsstrategie haben wir uns klare CO2-Ziele mithilfe biogener Kraftstoffe der zweiten Generation gesetzt. Wir brauchen den richtigen Kraftstoff, um CO2 und gleichzeitig die Emissionen in allen Fahrzeugen reduzieren zu können. BtL-Kraftstoffe können hierzu einen enormen Beitrag leisten. Wir unterstützen an dieser Stelle, wo wir können.

Zur Person:
Dr.-Ing. Wolfgang Steiger (51) studierte an der TH Darmstadt Allgemeinen Maschinenbau. Nach einem zweijährigen Intermezzo bei Bosch als Entwicklungsingenieur kehrte er 1983 als Wissenschaftlicher Mitarbeiter an die TH Darmstadt zurück und bereitete am Fachgebiet Verbrennungskraftmaschinen seine Dissertation vor, die er 1989 abschloss. Nach Stationen bei Opel und Audi übernahm er 1998 die Leitung der Aggregateforschung bei der Volkswagen AG und ist seit 2002 Leiter im Forschungsfeld Antriebe der Konzernforschung. Steiger ist im Jahr 2005 gemeinsam mit Wolfgang Warnecke von Shell (s. Interview MTZ 3/2007) für die Weiterentwicklung von synthetischen Kraftstoffen mit dem Ferdinand-Porsche-Preis ausgezeichnet worden. Der gebürtige Hesse ist verheiratet und zwei Töchter.

Autor(en): Moritz-York von Hohenthal

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