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Schichtladung

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Definition: die Verwendung eines inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Verbrennungsmotor

Englisch: stratified charge, layer charge

Kategorie: Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 02.05.2015; letzte Änderung: 27.08.2016

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.

Erst die Kraftstoffdirekteinspritzung ermöglicht die Realisierung des Schichtladeprinzips.

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.

Die Schichtladung ermöglicht den Betrieb des Motors mit einem im Durchschnitt sehr mageren Gemisch, ohne die Zündfähigkeit zu gefährden.

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:

Eine präzise Kontrolle des Verbrennungsluft Verhältnisses ist bei der Schichtladung schwieriger als mit homogenem Gemisch.

Für die Gemischbildung bleibt sehr wenig Zeit – ein Problem vor allem bei hohen Drehzahlen.

Bei hoher Motorlast, vor allem auch bei hohen Drehzahlen, muss von Schichtladung auf homogenes Gemisch umgeschaltet werden.

Auch die Abgasreinigungsanlage muss angepasst werden.

Der Entwicklungsaufwand für Motoren auf der Basis des Schichtladeprinzips ist sehr hoch. Jedoch kann ein erheblicher Aufwand hingenommen werden angesichts des erheblichen Potenzials der Schichtladung für die Reduktion von Kraftstoffverbrauch und klimaschädlichen Emissionen.

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
sowie andere Artikel in der Kategorie Kraftmaschinen und Kraftwerke

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