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Magermotor

Ein Magermotor (oder Magermixmotor) ist ein Ottomotor, der mit einem relativ "mageren" Kraftstoff-Luft-Gemisch arbeitet, also mit einem relativ geringen Kraftstoffanteil. Es besteht im Zylinder also ein deutlicher Überschuss an Verbrennungsluft. Der Luftüberschuss wird quantifiziert durch das Verbrennungsluftverhältnis, auch als λ-Wert (Lambda-Wert) bezeichnet: Dieser Wert ist 1 für ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis (wo der Sauerstoffanteil gerade zur Verbrennung ausreicht), beim Magermotor also deutlich größer als 1, z. B. bei 1,2 oder sogar 1,5, in manchen Fällen noch weit höher. Da die Zündfähigkeit des Gemischs bei hohem λ-Wert abnimmt, wird für hohe λ-Werte eine Schichtladung durch Direkteinspritzung erzeugt: Der λ-Wert ist dann in der Nähe der Zündkerze deutlich niedriger (das Gemisch also fetter) als im restlichen Zylindervolumen, um dort eine gute Zündwilligkeit zu erhalten. (Ein positiver Nebeneffekt ist die Verringerung von Wärmeverlusten an die Wände des Brennraums.) Diese inhomogene Gemischbildung ist eine Abweichung vom ursprünglichen Konzept des Ottomotors. Sie erlaubt den Betrieb mit starkem Luftüberschuss, also einem (räumlich gemittelten) Verbrennungsluftverhältnis von weit über 1, beispielsweise 3 oder sogar mehr als 5.

Der Magerbetrieb ist in erster Linie wegen des erhöhten Wirkungsgrad des Motors interessant. Er hat auch zur Folge, dass die Verbrennungstemperatur relativ niedrig ist, wodurch sich relativ wenig Stickoxide bilden. Außerdem minimiert der hohe Sauerstoffanteil die Bildung von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Die Abgasqualität bezüglich Rohemissionen ist somit erheblich besser als bei einem konventionellen Ottomotor mit fetterem (stöchiometrischem) Gemisch. Allerdings gestaltet sich die Abgasnachbehandlung für eine weitere Verbesserung der Abgasqualität deutlich schwieriger als beim herkömmlichen Ottomotor. Ein Drei-Wege-Katalysator funktioniert hier nicht, da der hohe Sauerstoffüberschuss im Abgas bei dieser Technik keine Entstickung erlaubt. (Der Drei-Wege-Katalysator erfordert allerdings einen Betrieb mit λ nahe 1, also praktisch ohne Sauerstoffüberschuss.) Im Magerbetrieb funktioniert ein solcher Katalysator nur als ein reiner Oxidationskatalysator, um die Emissionen von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen noch weiter zu reduzieren, aber dies reduziert die Stickoxidemissionen nicht. Letztere können entweder in einem speziellen Katalysator durch selektive katalytische Reduktion (SCR-Verfahren) vermindert werden (oft mit Zugabe von Harnstoff oder Ammoniak) oder durch einen NO_x- Speicherkatalysator. Solche Katalysatoren werden im Artikel über Abgaskatalysatoren genauer beschrieben.

Ein weiterer Nachteil des Magerbetriebs kann sein, dass der Abgaskatalysator nach einem Kaltstart seine nötige Betriebstemperatur später erreicht. Deswegen wird der eigentliche Magerbetrieb u. U. erst nach Abschluss der Warmlaufphase des Motors verwendet.

Die Motorleistung sinkt im Bereich hoher λ-Werte ab, aber dies kann durch den Einsatz eines Turboladers kompensiert werden.

Manchmal werden auch Dieselmotoren als Magermotoren bezeichnet, da auch sie mit einem hohen Verbrennungsluftverhältnis arbeiten und deswegen in mancher Beziehung ähnlich sind wie benzinbetriebenen Magermotoren.

Probleme mit dem Zündverhalten

Das Zünden der Verbrennung mit einer Zündkerze in einem Magermotor kann problematisch werden, wenn der Gasdruck hoch und das Gemisch mager ist. Zunächst erfordert der hohe Gasdruck eine besonders hohe Zündspannung, was zu beschleunigter Erosion der Zündelektroden führt. Außerdem ist die Flammengeschwindigkeit herabgesetzt, so dass eine höhere Zündenergie benötigt wird und hohe Drehzahlen ungünstig sind.

Problematisch wird dies vor allem bei Gasmotoren (z. B. für Erdgas), die zwecks hoher Energieeffizienz und hoher Abgasqualität mit hohem Verdichtungsverhältnis bei recht magerem Gemisch betrieben werden sollen. Die Probleme der elektrischen Zündung werden in diesem Bereich so groß, dass an neuen Verfahren geforscht wird, wo die Zündung mit Hilfe intensiver Laserpulse (Lichtpulse) erfolgt. Der deutliche höhere Aufwand für ein Laser-Zündsystem kann zumindest für große stationäre Motoren akzeptabel sein. Die Laser-Zündung verspricht gerade in den Bereichen, wo die elektrische Zündung problematisch ist, besonders gut zu funktionieren, nämlich bei hoher Verdichtung und hohen Temperaturen. Zudem hat sie zusätzliche Vorteile, z. B. dass der Ort der Zündung im Brennraum optimiert werden kann und dass negative Einflüsse der Elektroden (Abkühlung des Gasse in ihrer Nähe) vermieden werden.

Ein anderer Ansatz ist die bereits oben erwähnte Schichtladung: Man versucht in der Nähe der Zündkerze ein fetteres Gemisch zu erhalten, um die Zündung zu erleichtern. Die Schwierigkeit ist, dies in allen Betriebszuständen zu erreichen – vor allem bei Automotoren, bei denen Drehzahl und Leistung in großen Bereichen variiert werden. Es ist oft notwendig, den echten Magerbetrieb auf bestimmte Betriebszustände zu begrenzen.

Anwendungen von Magermotoren

Eine Zeit lang bestand die Hoffnung, die Ottomotoren von mit Benzin betriebenen Fahrzeugen mit dem Magermotor-Prinzip (als Primärmaßnahme) so emissionsarm zu machen, dass auf eine aufwendige Abgasnachbehandlung mit Katalysator (eine Sekundärmaßnahme) verzichtet werden kann. Diese Hoffnung wurde allerdings zumindest bei Fahrzeugen bislang nicht erfüllt. Wenn der Magermotor noch zusätzliche Sekundärmaßnahmen zur Abgasreinigung braucht, vermindert dies seinen Vorteil, zumal solche Sekundärmaßnahmen eher aufwendiger sind. Allerdings erzeugen vor allem die zunehmend verschärften Emissionsgrenzen bezüglich des klimaschädlichen Kohlendioxids einen zunehmenden Druck, den Kraftstoffverbrauch weiter zu reduzieren, sodass man auf das Potenzial des Magermotors ungern verzichten würde.

Stationäre Gasmotoren z. B. in Blockheizkraftwerken werden häufig als Magermotor betrieben. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn belastetes Biogas (oder Klär- und Deponiegas) verwendet wird: Ein Oxidationskatalysator kann dann immer noch eingesetzt werden, während ein Dreiwegekatalysator eine aufwendigere Vorbehandlung des Gases erfordern würde. Ein Gas-Magermotor mit Oxidationskatalysator kann auch bei Erdgasbetrieb relativ gute Abgaswerte erreichen, allerdings mit typischerweise deutlich höheren Stickoxidemissionen als beim konventionellen Motor mit Dreiwegekatalysator. Fortschritte z. B. bei Laser-Zündsystemen (siehe oben) könnten zukünftig allerdings deutlich bessere Stickoxidwerte durch Verwendung eines extremen Magerbetriebs mit entsprechend reduzierten Verbrennungstemperaturen ermöglichen.

Siehe auch: Ottomotor, Verbrennungsluftverhältnis, Abgasrückführung, Kraftstoffeinspritzung, Schichtladung