Homogene Kompressionszündung

Homogene Kompressionszündung (engl.: Homogeneous Charge Compression Ignition, abgekürzt: HCCI, oder Controlled Auto Ignition, abgekürzt CAI) bezeichnet das Konzept für einen Motor, bei dem die Verbrennung eines homogenen Gemisches gleichzeitig im gesamten Brennraum beginnt. Primäres Ziel dieser Entwicklung ist die Senkung des Schadstoffausstoßes.

Beschreibung

Der HCCI-Motor arbeitet mit einem homogen (gleichmäßig) verteilten Gemisch aus Kraftstoff und Luft. Die Zündung wird dabei durch die bei der Verdichtung steigende Temperatur und gegebenenfalls im Brennraum verbleibende Radikale ausgelöst. Anders als beim konventionellen Ottomotor ist diese Selbstzündung durchaus erwünscht und Grundlage des Prinzips, weshalb eine Zündkerze im HCCI-Betrieb nicht benötigt wird. Da HCCI-Betrieb nur im Teillastbereich erfolgt, ist bei Motoren für Ottokraftstoff dennoch eine Zündkerze vorhanden.

Mit Diesel-Kraftstoff angetriebene Motoren, die mit dem HCCI-Verfahren arbeiten, laufen im Warmlauf, Leerlauf und bei Volllast im konventionellen Diesel-Betrieb und im Teillastbereich nach dem HCCI-Verfahren. Allerdings ist der HCCI-Betrieb mit Dieselkraftstoff schwerer zu erreichen als mit Benzin.

Im HCCI-Motor soll die Ladungszusammensetzung so gleichmäßig sein, dass die Verbrennung im gesamten Brennraum gleichzeitig beginnt. Die Regelung dieses Vorganges kann durch mehrere Motorparameter erfolgen. Unbedingt zu vermeiden ist eine unkontrollierte Verbrennung, weil diese zu einer klopfenden Verbrennung mit einem hohen Druckgradienten führt. Dies ist akustisch störend und kann den Motor beschädigen. Zur Leistungsregelung und zur Reduzierung der Verbrennungsgeschwindigkeit kann eine innere oder äußere Abgasrückführung eingesetzt werden. Durch die Abgasrückführung lässt sich in einem gewissen Umfang die Verbrennungslage kontrollieren. Bei Otto-Motoren wird in der Regel eine innere Abgasrückführung eingesetzt, um die Zündung des klopffesten Kraftstoffes durch freie Radikale zu beschleunigen. Beim Dieselmotor geht man den Weg der gekühlten Abgasrückführung, um die chemische Reaktion zu verlangsamen, da die Temperatursenkung der hohen Zündwilligkeit von Dieselkraftstoff entgegenwirkt. Durch die fast gleichzeitige Umsetzung des gesamten Kraftstoff-Luftgemisches entstehen sehr hohe Drucksteigerungsraten und Spitzendrücke. Aus diesem Grund ist es aus Gründen der Bauteilfestigkeit nicht möglich, höhere Teillastpunkte bzw. Volllastpunkte zu fahren.

Schadstoffe wie NOx und Rußpartikel lassen sich durch die homogene Kompressionszündung fast vollständig innermotorisch vermeiden. Daher kann man gegebenenfalls auf Abgasnachbehandlungssysteme verzichten. Gleichzeitig wird der Wirkungsgrad erhöht. Die Emissionen von Kohlenstoffmonoxid und unverbrannter Kohlenwasserstoffe lassen sich jedoch nicht vermeiden und sind erhöht.

Das Kompressionsverhältnis ist dabei stets ein Kompromiss und vom Kraftstoff sowie dem gewählten Betriebspunkt abhängig. Der ideale Kraftstoff für den HCCI-Betrieb weicht von den bisher gehandelten Kraftstoffen ab. Jedoch besteht die Möglichkeit, die bisherigen Kraftstoffe entweder zu mischen (Benzin+Diesel) oder Additive zu verwenden.

Forschung

Weltweit erforschen Unternehmen und Universitäten die Möglichkeiten eines Motors mit homogener Kompressionszündung. Ziel ist unter anderem den Betriebsbereich der homogenen Kompressionszündung zu vergrößern, die Leistungsregelung und den Fahrkomfort zu verbessern und Emissionen zu verringern.

Serieneinsatz

Honda verwendet für Zweitakt-Motoren ein Activated Radical Combustion ^[1] genanntes homogenes Kompressionszündungsverfahren, das im Teillastbereich das Gemisch ohne Fremdzündung zündet. Dies wird durch eine Auslasssteuerung erreicht, die als wesentliches Sensorelement einen Klopfsensor besitzt.

Historisches

Als der erste HCCI-Motor gilt, von den Selbstzünder-Modellmotoren einmal abgesehen, der Lohmann-Hilfsmotor von 1949. Hier wurde der HCCI-Betrieb über eine variable Verdichtung erreicht.

Siehe auch

• Ottomotor
• Dieselmotor
• Diesotto-Motor
• Kurbelschlaufenmotor
• Wankelmotor

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.motorradtechniklinke.de/roller/fes125/fes125.htm Honda ARC-Verbrennungssystem

Weblinks

• Publikationen zu CFD- und Mehrzonen-Modellierung und reduzierten Reaktionsmechanismen für HCCI
• http://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/volltexte/2003/3663/pdf/DissEnd.pdf (PDF-Datei; 2,30 MB)
• Honda-ARC-Serienentwicklung
• Honda Making Significant Progress on HCCI Engine for Hybrid Application
• Spiegel-Artikel zum Diesotto-Motor
• Sonderforschungsbereich 686 "Modellbasierte Regelung der homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung"
• Steuergerät zur HCCI-Brennverfahrensentwicklung der IAV GmbH (PDF-Datei; 868 kB)