GM: Neue Verbrennungsmotoren-Technologie HCCI erstmals auf der Straße

Der innovative Verbrennungsprozess hört auf den Namen "homogene Kompressionszündung", kurz HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition). GM führt das Konzept nun mit 2 fahrbaren Studien vor, einem Opel Vectra und dem davon abgeleiteten Saturn Aura. In Kombination mit anderen modernen Technologien sparen die HCCI-Autos bis zu 15 Prozent Kraftstoff und erfüllen bereits heute zukünftige Abgasnormen.

"Schon auf dem College habe ich mit Kommilitonen über diese Technologie diskutiert", erinnert sich Tom Stephens, Group Vice President GM Powertrain and Quality. "Damals war es nur ein Traum, doch heute können wir ihn wahr werden lassen – dank mathematischer Vorhersagemodelle und anderer Werkzeuge. HCCI kann im Verbund mit anderen modernen Verfahren der Ottomotoren-Entwicklung und entsprechenden Kontrollmechanismen unseren Kunden signifikant Benzinkosten sparen."

Als Gesamtkonzept betrachtet, bietet ein HCCI-Motor bis zu 80 Prozent der Kraftstoffeffizienz eines Dieselmotors, jedoch ohne die Notwendigkeit der teuren Stickoxid-Nachbehandlung. In erster Linie rührt diese 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.

Die beiden HCCI-Prototypen Opel Vectra und Saturn Aura basieren auf Serienmodellen mit modifiziertem 2.2 ECOTEC Vierzylinder-Aluminium-Triebwerk. Sie fahren sich genauso wie ihre konventionellen Schwestermodelle, bieten aber den 15-prozentigen Verbrauchsvorteil gegenüber vergleichbaren Motoren mit Saugrohreinspritzung. Die beiden Autos zählen zu den ersten "erfahrbaren" HCCI-Technologieträgern außerhalb des Labors.

"Mit den Fortschritten unseres Entwicklerteams bin ich sehr zufrieden", so Stephens. "Dies ist ein weiterer Baustein der GM-Umweltstrategie, die mit innovativen Antriebstechniken und einem veränderten Energiemix die Abhängigkeit vom Erdöl reduzieren will. HCCI, Zylinderabschaltung, variable Ventilsteuerung, Direkteinspritzung und Hybridantrieb sind Technologien, die den Verbrennungsmotor immer weiter verbessern und sparsamer machen. In den nächsten fünf bis 6 Jahren werden wir weiter an HCCI forschen und festlegen, welchen Platz es in unserem Portfolio von Spritspartechniken der Zukunft einnehmen kann."

Zu den Highlights der HCCI-Technologie zählen:

• Diesel-ähnliche Kraftstoffeffizienz bei deutlich reduzierten Kosten der Abgasnachbehandlung;
• bewährte Technologien wie Benzindirekteinspritzung und variable Ventilbetätigung als Basis;
• Integrierbarkeit in bisherige Ottomotor-Architekturen;
• nur konventionelle Abgasnachbehandlung notwendig;
• Kompatibilität mit allen verfügbaren Kraftstoffsorten sowie Ethanol E85.

Wie HCCI funktioniert

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, dafür aber weniger Kraftstoff verbraucht.

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 traditionellem Zündmechanismus betrieben. Im HCCI-Modus ist das Luft-Kraftstoff-Gemisch vergleichsweise mager, das heißt der Luftanteil ist besonders hoch. Dadurch bietet die HCCI-Technologie annähernd die Effizienz eines Diesels, die bis zu 25 Prozent größer als bei einem herkömmlichen Benziner sein kann; zugleich ist aber nur eine konventionelle Abgasnachbehandlung nötig. Dieselmotoren benötigen eine aufwändigere und teurere Nachbehandlung zur Schadstoff-Reduzierung.

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.

Die Prototypen: Opel Vectra und Saturn Aura

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

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

Momentan erreichen die GM-Prototypen im HCCI-Betrieb eine Geschwindigkeit bis zu 96 km/h (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.

"Die vielleicht größte Herausforderung bei HCCI ist die Kontrolle über den Verbrennungsprozess", so Professor Dr. Uwe Grebe, Executive Director GM Powertrain Advanced Engineering. "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."

Das HCCI-Team von GM wird diese Technologie unter verschiedensten Fahrbedingungen verbessern – von extremer Hitze und Kälte bis hin zu dünner Luft in großen Höhen.

"Wir haben enorme Anstrengungen unternommen, um diese lang ersehnte Verbrennungstechnologie vom Labor auf die Teststrecke zu bringen – was wir jetzt mit den Opel Vectra- und Saturn Aura-Prototypen tun. Bis die Technologie jedoch so ausgereift ist, dass sie allen Fahrsituationen gerecht wird, denen unsere Kunden begegnen, müssen wir noch viel forschen und testen", fasst Professor Grebe zusammen.