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Schichtladung

Das Prinzip der Schichtladung wird in manchen Verbrennungsmotoren angewandt, insbesondere bei Ottomotoren für den Betrieb mit hohem Verbrennungsluftverhältnis (→ Magermotoren). Es bedeutet, dass durch geeignete Maßnahmen gezielt ein inhomogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird. Meist strebt man nahe der Zündkerzen ein lokales Verbrennungsluftverhältnis nahe 1 (oder etwas darunter) an, während das Gemisch an anderen Orten sehr viel magerer sein kann, sodass das durchschnittliche Verbrennungsluftverhältnis sehr hoch liegt – in manchen Fällen sogar oberhalb von 5. Dagegen müsste das Verbrennungsluftverhältnis bei Benzinmotoren mit homogenem Gemisch auf z. B. 1,3 oder 1,4 begrenzt werden.

Um eine Schichtladung zu erreichen, verwendet man meist eine Kraftstoffeinspritzung in Form der Direkteinspritzung, also direkt in den Verbrennungsraum, und zwar mit einem relativ späten Einspritzzeitpunkt erst relativ kurz vor der Zündung und nicht etwa bereits zu Beginn der Kompressionsphase. Auf diese Weise steht dem Gemisch nicht die nötige Zeit zur Verfügung, um sich im Brennraum zu homogenisieren. Natürlich muss sichergestellt werden, dass das Gemisch nahe der Zündkerze gut zündfähig, an anderen Orten dagegen recht mager ist.

Vorteile der Schichtladung

Bei den meisten Ottomotoren wird die gelieferte Leistung bei Bedarf mit einer sogenannten Quantitätsregelung reduziert: Man drosselt die Zufuhr des Gemischs, sodass die pro Ansaugtakt aufgenommene Menge entsprechend geringer ausfällt. Dies hat den Nachteil, dass der Wirkungsgrad vor allem durch erhöhte Drosselverluste vermindert wird. Dies ist vor allem bei Kraftfahrzeugen sehr nachteilig, weil dort der Teillastbetrieb nicht die Ausnahme, sondern die Regel ist.

Es wäre nun technisch nicht ohne Weiteres möglich, dem Ottomotor die volle Luftmenge in Verbindung mit einer reduzierten Kraftstoffmenge zu geben. Bei einen zu hohen Verbrennungsluftverhältnis (sehr mageren Gemisch) wird nämlich die Zündfähigkeit zu schlecht.

In dieser Situation ist die Schichtladung eine interessante Lösung. Eine gute Zündfähigkeit wird in der Gegend der Zündkerzen durch ein dort relativ fettes Gemisch aufrechterhalten, selbst wenn das Gemisch im räumlichen Durchschnitt sehr mager ist. Im Idealfall kann man auf die Drosselung der Luftmenge ganz verzichten und erreicht durch den weitgehenden Wegfall der Drosselverluste einen entsprechend höheren Wirkungsgrad im Teillastbetrieb, also einen reduzierten Kraftstoffverbrauch.

Bei geeigneter Realisierung der Schichtladung treten an den Wänden des Brennraums nicht so hohe Gastemperaturen auf wie bei Betrieb mit homogenen Gemisch. Dies vermindert stark die Wärmeverluste an die Brennraumwände, was nochmals zur Steigerung des Wirkungsgrads beiträgt.

Probleme des Schichtladeprinzips

Die technische Umsetzung des Schichtladeprinzips ist leider sehr anspruchsvoll – zumindest, wenn eine hohe Abgasqualität (beispielsweise entsprechend den heutigen Abgasnormen für Kraftfahrzeuge]) gefordert wird. Typischerweise entstehen zumindest erhöhte Rohemissionen von Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und oft auch von Stickoxiden gegenüber dem Motorbetrieb mit homogenem Gemisch, und im Gegensatz zu anderen Ottomotoren können sogar erhebliche Partikelemissionen (Feinstaub) entstehen, die je nach einzuhaltender Abgasnorm zusätzliche innermotorische Maßnahmen oder auch einen Rußpartikelfilter notwendig machen.

Im Folgenden werden die wichtigsten technischen Herausforderungen kurz beschrieben:

• Ein lokal zu fettes Gemisch trägt zur Bildung von Kohlenmonoxid und Partikelemissionen (Feinstaub) bei, da ein Sauerstoffmangel eine vollständige Verbrennung verhindert.
• Ungünstig ist gleichzeitig auch ein an anderen Stellen zu mageres Gemisch mit ungenügender Zündfähigkeit. Dadurch können insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe emittiert werden. Ein Stück weit ist dies jedoch unvermeidbar, da eine gewisse Durchmischung des fetten Gemischs mit der umgebenden Luft auftritt.
• Weitere Probleme entstehen, wenn der eingespritzte Kraftstoff mit Brennraumwänden in Berührung kommt. Dies versucht man heute meist durch eine entsprechend optimierte Kraftstoffeinspritzung zu verhindern. Man verzichtet also auf eine Steuerung der fetten Gemischwolke durch Wandkontakt (wandgeführte Verfahren) und verwendet eher luftgeführte oder strahlgeführte Verfahren.

• Ein grundsätzliches Problem der Schichtladung ist, dass die für die Gemischbildung zur Verfügung stehende Zeit sehr gering ist. Dadurch können beispielsweise zu Beginn der Zündung noch kleine, nicht verdampfte Kraftstofftröpfchen vorliegen. Dies erschwert eine vollständige Verbrennung und begünstigt dadurch erhöhte Schadstoffemissionen.

• Bei hoher Last des Motors ist der Schichtladeprinzip kaum anwendbar; die höchste Motorleistung wird mit einem homogenen Gemisch erzielt. Man kann nämlich ein mancherorts mageres Gemisch nicht durch ein an anderen Stellen überfettes Gemisch ausgleichen, weil sonst an den letzteren eine unvollständige Verbrennung die Folge wäre. Also muss die Motorsteuerung je nach Last und Drehzahl gezielt zwischen geschichtetem Betrieb und homogenem Betrieb umschalten können.

• Ein Dreiwege-Abgaskatalysatoren funktioniert nicht, wenn das Abgas noch erhebliche Mengen von Sauerstoff enthält. Für die Entstickung (die Reduktion von Stickoxide-Emissionen) kann man stattdessen einen sogenannten NO_x-Speicherkatalysator einsetzen, der zu den meisten Zeiten die Stickoxide nicht etwa abbaut, sondern nur speichert. Er muss dann regelmäßig regeneriert werden, indem man den Motor kurzzeitig mit fettem Gemisch betreibt – was aber leider einen Teil der Kraftstoffeinsparung wieder zunichte macht.
• Die Anforderungen an das Zündsystem sind deutlich höher als bei homogenen Verbrennungsverfahren. Dies liegt vor allem an der Schwierigkeit, unter allen Umständen ein etwa konstantes Verbrennungsluftverhältnis nahe der Zündkerzen aufrecht zu erhalten. Deswegen kann eine erhebliche Steigerung der Zündenergie notwendig sein, was zusammen mit der möglichen Benetzung der Zündkerzen durch Kraftstofftröpfchen auch zu einer erhöhten Belastung der Zündkerzen führt.

Aus diesen Überlegungen wird klar, dass das Schichtladeprinzip nur unter Verwendung sehr aufwendiger Optimierungen so gestaltet werden kann, dass ein erhöhter Motorwirkungsgrad im Teillastbetrieb erzielt wird, ohne erhebliche Nachteile bei der Abgasqualität in Kauf nehmen zu müssen. In den letzten Jahren wurden allerdings erhebliche Fortschritte erzielt, insbesondere durch Verwendung optimierter Verfahren der Kraftstoff-Direkteinspritzung. Es zeichnet sich ab, dass die weitere Erhöhung der Einspritzdrucke auf Werte, wie sie bisher nur bei Dieselmotoren nötig waren (beispielsweise über 500 bar oder sogar 1000 bar), den Verbrauchsvorteil weiter vergrößern und gleichzeitig die Abgasqualität erhöhen kann, weil so eine feinere Zerstäubung des Kraftstoffs möglich wird, die angesichts der kurzen Zeit für die Gemischbildung besonders wichtig ist. Unabdingbar ist außerdem eine komplexe Gesamtoptimierung des Motorsystems unter gezielter Verwendung von Abgasrückführung, einer optimierten Brennraumform, eines verbesserten Zündsystems und anderer Maßnahmen. Spezielle Messungen an Versuchsmotoren beispielsweise mit Hochgeschwindigkeitskameras sowie aufwendige Computersimulationen des Verbrennungsprozesses können hierbei sehr hilfreich sein. Der enorme Aufwand für solche Entwicklungen wird von etlichen Automobilherstellern in Kauf genommen, da das Potenzial des Schichtladeprinzips für die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und damit auch der klimaschädlichen CO₂-Emissionen sehr wesentlich ist, um zukünftige Emissionsgrenzwerte einhalten zu können, ohne massive Leistungseinbußen akzeptieren zu müssen. Allerdings gibt es auch andere mögliche technische Ansätze, beispielsweise den Atkinson-Motor, der mit homogenem Gemisch betrieben werden kann und ebenfalls erheblich reduzierte Drosselverluste im Teillastbetrieb aufweist.

Siehe auch: Kraftstoffeinspritzung, Ottomotor, Magermotor, Verbrennungsluftverhältnis, Abgasqualität