General Motors testet die flammenlose homogene Kompressionszündung

General Motors (GM) hat soeben erstmals Autos auf die Straße gebracht, die mit einer Verbrennungstechnologie ausgerüstet sind, für die seit vielen Jahren geforscht wurde. Die Besonderheit der neuen Benzinmotoren: In ihnen findet ein innovativer Verbrennungsprozess statt, der auf den Namen ,homogene Kompressionszündung", kurz HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) hört. GM führte das Konzept in den USA mit zwei fahrbaren Studien vor, einem Opel Vectra und dem davon abgeleiteten Saturn Aura für den amerikanischen Markt. In Kombination mit anderen Technologien sparen die HCCI-Autos bis zu 15 Prozent Kraftstoff und erfüllen bereits heute zukünftige Abgasnormen, so GM.

80 Prozent der Effizienz eines Diesels
In ein entsprechendes Gesamtkonzept eingebettet, biete ein HCCI-Motor bis zu 80 Prozent der Kraftstoffeffizienz eines Dieselmotors, jedoch ohne die Notwendigkeit der teuren Stickoxid-Nachbehandlung, schätzt das Unternehmen ein. In erster Linie rühre die Effizienzsteigerung daher, dass das Benzin bei niedrigerer Temperatur verbrannt wird und so weniger Energie in Form von Wärme verloren geht. Entsprechend dem Kraftstoffverbrauch sinken die Kohlendioxid-Emissionen.

Basis: 2,2-Liter-Vierzylinder
Die beiden HCCI-Prototypen basieren auf Serienmodellen mit modifiziertem 2,2-Liter-Ecotec-Vierzylinder-Aluminium-Triebwerk. Sie sollen sich genauso wie ihre konventionellen Schwestermodelle fahren lassen, böten aber gegenüber vergleichbaren Motoren mit Saugrohreinspritzung einen 15-prozentigen Verbrauchsvorteil. Die beiden Autos zählen zu den ersten ,erfahrbaren" HCCI-Technologieträgern außerhalb des Labors.

Fünf bis sechs Jahre weitere Forschung
,Mit den Fortschritten unseres Entwicklerteams bin ich sehr zufrieden", so Tom Stephens, Group Vice President GM Powertrain and Quality. ,HCCI, Zylinderabschaltung, variable Ventilsteuerung, Direkteinspritzung und Hybridantrieb sind Technologien, die den Verbrennungsmotor weiter verbessern und sparsamer machen. In den nächsten fünf bis sechs Jahren werden wir weiter an HCCI forschen und festlegen, welchen Platz es in unserem Portfolio von Spritspartechniken der Zukunft einnehmen kann."

Flammenlose Verbrennung
Der HCCI-Motor zündet ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das im Zylinder verdichtet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Otto- oder Dieselmotoren bewirkt HCCI eine flammenlose Verbrennung bei relativ niedriger Temperatur. Dabei wird der gesamte Kraftstoff in der Kammer exakt gleichzeitig verbrannt. Auf diese Weise wird eine ähnliche Leistung wie bei konventionellen Benzinmotoren erreicht, aber weniger Kraftstoff verbraucht.

Start mit traditionellem Zündfunken
Für den Ablauf des HCCI-Prozesses ist Hitze notwendig. Um diese nach einem Kaltstart rasch in den Zylindern zu erzeugen und den Katalysator schnell zu erwärmen, wird der Motor zunächst mit einem traditionellen Zündmechanismus betrieben. Im HCCI-Modus ist das Luft-Kraftstoff-Gemisch dann vergleichsweise mager, das heißt, der Luftanteil ist besonders hoch. Dadurch biete die HCCI-Technologie annähernd die Effizienz eines Diesels, zugleich sei aber nur eine konventionelle Abgasnachbehandlung nötig. Dieselmotoren benötigen dagegen mit dem Rußpartikelfilter oder gar mit Adblue- oder Bluetec-Systemen eine aufwendigere und teurere Nachbehandlung zur Schadstoff-Reduzierung.

Einsatz von E85-Kraftstoff möglich
Im Verbund mit HCCI können andere moderne Motortechnologien zum Einsatz kommen, von denen einige bereits in Produktion sind, und das neue Verfahren kann in vorhandene Motorarchitekturen integriert werden. Das Verdichtungsverhältnis ähnelt einem normalen Benzin-Direkteinspritzer, so dass der Betrieb mit handelsüblichen Ottokraftstoffen sowie E85-Ethanol möglich ist.

Prototypen: Opel Vectra und Saturn Aura
Der fahrbare Prototyp auf Basis des Opel Vectra mit manueller Schaltung sowie sein amerikanisches Gegenstück Saturn Aura mit Automatik zeigen die Anwendung der HCCI-Technologie in Serienautos. Der in beiden Fahrzeugen eingesetzte 2,2-Liter-Motor verfügt über eine zentrale Direkteinspritzung, variablen Ventiltrieb und zwei elektrisch verstellbare Nockenwellen.

HCCI-Übergang noch spürbar
Ein ausgeklügelter Kontrollmechanismus, der von GM entwickelte Algorithmen und die Daten der vier Zylinderdrucksensoren nutzt, steuert den HCCI-Verbrennungsprozess und vor allem den Übergang zwischen HCCI- und konventioneller Verbrennung mit Funkenzündung. Bei den Prototypen soll dieser Wechsel noch zu spüren sein, in künftigen Serienfahrzeugen nicht mehr – vergleichbar mit der Zylinderabschaltung des Active Fuel Management Systems von GM.

Funktioniert bis 60 Meilen
Momentan erreichen die GM-Prototypen im HCCI-Betrieb eine Geschwindigkeit bis zu 96 km/h, entsprechend den in den USA häufig maximal erlaubten 60 Meilen pro Stunde. Bei höherer Geschwindigkeit oder hoher Last wechseln sie in den konventionellen Modus. Der HCCI-Betriebsbereich soll durch Verbesserungen an Kontrollsystem und Motorkomponenten sukzessive erweitert werden.

Komplexe Steuerung noch nicht erforscht
,Die vielleicht größte Herausforderung bei HCCI ist die Kontrolle über den Verbrennungsprozess", so Professor Dr. Uwe Grebe, Executive Director GM Powertrain Advanced Engineering. Er führt weiter aus: ,Bei einem Ottomotor kann man Zeitpunkt und Intensität des Zündfunkens einstellen, aber bei der flammenlosen HCCI-Verbrennung müssen die Zusammensetzung des Gemischs und die Temperatur auf komplexe Weise und in Echtzeit geändert werden, um eine vergleichbare Leistung zu erzielen. Wir haben enorme Anstrengungen unternommen, um diese lang ersehnte Verbrennungstechnologie vom Labor auf die Teststrecke zu bringen. Bis die Technologie jedoch so ausgereift ist, dass sie allen Fahrsituationen gerecht wird, müssen wir noch viel forschen und testen."

Bildergalerie: Vom Labor auf die Straße