Schichtladung

Die Schichtladung oder Ladungsschichtung ist ein Verfahren der Ottomotortechnik, bei der der Kraftstoff (z. B. Benzin) so aufbereitet wird, dass im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch (Lambda λ = 0,5 bis 1,0) besteht, während der übrige Brennraum ein sehr mageres, schwer zündfähiges Gemisch (λ = 1,5 bis 3,0) aufweist. Das Gesamtluftverhältnis liegt bei Viertaktmotoren etwa zwischen 1,2 und 1,6. Erst nach der Zündung des fetten Teils des Gemisches ergeben sich Verhältnisse, die auch das restliche Gemisch entzünden. Schichtlademotoren können als Hybridmotoren (nicht zu verwechseln mit Hybridantrieben) angesehen werden, da sie das Merkmal Fremdzündung des Ottomotors mit der Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemischs des Dieselmotors verbinden.

In der Literatur und der Praxis nach etwa 2010 wird die Sinnhaftigkeit der Schichtladung angezweifelt, da sie mit einem erheblichen konstruktiven Aufwand des Abgasnachbehandlungssystems sowie der Notwendigkeit hochwertiger schwefelarmer Kraftstoffe (Super Plus) einhergeht, die sie nur bedingt weltweit einsetzbar machen. Hauptmotivation für den Einsatz der Schichtladung war ein erwarteter geringerer Kraftstoffverbrauch und der damit einhergehende niedrigere Kohlenstoffdioxidausstoß; der Praxiseinsatz zeigt jedoch, dass Motoren mit Schichtladung nicht weniger Kraftstoff verbrauchen und somit nicht weniger Kohlenstoffdioxid ausstoßen als konventionelle Motoren.

Verfahren

Das Schichtladungsverfahren wurde zu Ende der 2000er Jahre in Großserie mit Direkteinspritzung und einer qualitativen Regelung (ähnlich wie beim Dieselmotor) angewendet. Diese Regelung ergibt im Teillast- und unteren Drehzahlbereich Verbrauchsvorteile, da keine Drosselverluste durch die Drosselklappe entstehen. Entwicklungsziele waren die Gestaltung des Verbrennungsablaufs hinsichtlich einer Verbesserung des Wirkungsgrads und die Reduzierung der gesetzlich geregelten Schadstoffemissionen (Kohlenwasserstoffe, Stickoxide, Kohlenmonoxid).

Honda brachte bereits 1974 mit dem CVCC-Verfahren (Compound Vortex Controlled Combustion) ein auf einem Vergaser und Fackeldüse basierendes Schichtladeverfahren in Serie.

Ebenfalls wird die Schichtladung in schlitzgesteuerten Zweitaktmotoren, insbesondere umkehrgespülten, umgesetzt, um die Frischladungsverluste zu verringern. Das auch als Spülvorlage (SpV) bekannte Prinzip ist schon seit den 1920er Jahren bekannt und wird aufgrund immer strenger werdenden Abgasvorschriften vermehrt dort in Serie eingesetzt, wo ventilgesteuerte Motoren zu schwer oder fehleranfällig sind. Die Schichtladung beruht darauf, dem Gemisch entweder im Überströmer Frischluft oder Altgas vorzulagern (zeitliche Schichtung) oder mittels eines Frischluftvorhangs den Auslass während des gesamten Ladungswechsels abzuschirmen (räumliche Schichtung). In der zeitlichen Schichtung gelangt die Frischluft über Taschen im Kolbenhemd von den Frischluftkanälen in die Überströmer. Auch mittels Rückschlagventilen an den Überströmern kann die Frischluftzuführung gesteuert werden. Das Gesamtluftverhältnis ist in gemischgeschmierten Motoren wesentlich fetter als in Viertaktmotoren (Lambda zirka 0,8 bis 0,9).

Technik

Die Entwicklung von Schichtladungsmotoren begann mit der vorgesehenen Verschärfung der Abgasgesetzgebung Anfang der 1970er Jahre bei allen namhaften Autoherstellern und verschiedenen Forschungsinstituten. Hauptziel war, die Gesetze möglichst ohne Katalysator zu erfüllen; diese befanden sich damals noch im frühen Entwicklungsstadium.

Das Prinzip eines Dreiventil-Schichtladungskonzepts wurde erstmals 1918 in der Literatur und Patentanmeldungen erwähnt.

Es kristallisierten sich zwei unterschiedliche Schichtladungsverfahren heraus (wobei natürlich Überschneidungen möglich waren, wie das Newhall-Verfahren beispielsweise).

Version A

Gemischverdichtendes Verfahren mit unterteiltem Brennraum (Nebenkammer und Hauptbrennraum). Vorteile dieses Verfahrens waren die definierte Trennung der mit fettem Gemisch versorgten Nebenkammer und des mit magerem Gemisch versorgten Hauptbrennraums und dadurch eine zuverlässige Arbeitsweise im gesamten Betriebsbereich. Nachteilig waren dagegen der zerklüftete Brennraum mit ungünstigem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, höheren Kohlenwasserstoff-Emissionen, erhöhtem Kraftstoffverbrauch bzw. Leistungsminderung.

Bekannt wurden das Porsche SKS- (Schichtlade-Kammer-System) und das PCI-Verfahren von Volkswagen (beide mit Direkteinspritzung in die Nebenkammer) sowie das Honda CVCC-Verfahren (Compound Vortex Controlled Combustion), wovon lediglich das CVCC kurzzeitig serienmäßig gefertigt und in USA und Japan verkauft wurde. Daneben existierten noch einige andere Verfahren, die sich jedoch nur durch Detaillösungen hauptsächlich im Nebenkammerbereich unterschieden (u. a. Ricardo, Nilov, Gussak, Nissan, Mercedes-Benz, General Motors).

Vor der serienmäßigen Einführung der Direkteinspritzung bei PKW-Dieselmotoren in den 1990er Jahren wurde nahezu ausschließlich dieses Prinzip in Form von Vorkammer- und Wirbelkammer-Motoren in solchen verwendet.

Version B

Luftverdichtendes Verfahren mit modifiziertem Brennraum und Kraftstoff-Direkteinspritzung. Vorteile dieses Verfahrens waren der ungeteilte Brennraum, die leistungssteigernde Direkteinspritzung und die Möglichkeit, höhere Luftzahlen zu fahren und somit den Motor in einem großen Betriebsbereich ausschließlich mit Qualitätsregelung zu betreiben und dadurch Drosselverluste weitgehend zu vermeiden. Nachteilig war dagegen, dass es nicht gelang, im gesamten Betriebsbereich des Motors eine stabile Schichtung und damit einen zuverlässigen Motorbetrieb zu erreichen. Außerdem wird eine aufwendigere Abgasnachbehandlung mit NOx-Speicherkat notwendig. Daher haben alle Massenhersteller für Benzinmotoren das Verfahren zugunsten eines konventionellen stöchiometrischen Betriebes mit Abgasreinigung durch den Dreiwegekatalysator aufgegeben.

Bekannt wurden das Hesselman-Verfahren sowie das

• MAN FM-,
• Deutz AD- (Allstoff-Direkteinspritzung),
• Ford PROCO- (Programmed Combustion) und
• Texaco TCCS-Verfahren (Texaco Controlled-Combustion System),

wovon aber keines über das Versuchsstadium hinauskam und serienmäßig produziert wurde.

Am Anfang der 2000er Jahre wurde dieses Verfahren mit moderner Einspritztechnik in größeren Stückzahlen verwendet. Bekannt sind etwa das GDI-Verfahren (Gasoline Direct Injection) von Mitsubishi und das FSI-Verfahren (Fuel Stratified Injection) von Volkswagen, wobei bei letzterem eine Gemischschichtung aber nur in einem kleinen Teil des Betriebsbereichs realisiert und mit steigender Last und Drehzahl wieder mit homogenem stöchiometrischem Gemisch gefahren wurde. VW hat dieses Verfahren aber wegen technischer und prinzipbedingter Probleme aufgegeben. Alle produziertem FSI-Modelle wurden ab 2009 nur im Homogenbetrieb gefahren., bei den nachfolgenden Modellen war ein Betrieb mit Schichtladung nicht mehr vorgesehen.

Siehe auch

• Direkteinspritzung
• TSI (Motorentechnik) (Schichtung beendet; Markenname bei Audi: TFSI)

Literatur

• Michael C. Turkish: 3-Valve Stratified Charge Engines: Evolvement, Analysis and Progression. SAE-Paper 741163; International Stratified Charge Engine Conference, 30. Oktober – 1. November 1974, Troy, Michigan (USA).
• Walter Brandstetter: Neuere Arbeiten auf dem Gebiet der Schichtladungsmotoren. Bericht über die internationale SAE-Schichtladungskonferenz 1974 in Troy, Michigan (USA). MTZ Motortechnische Zeitschrift, 36 (1975), 4, S. 116–121.
• Walter Brandstetter: Stand der Entwicklung von Schichtladungsmotoren. Verein Deutscher Ingenieure. VDI-Z, 118 (1976), Nr. 19, S. 885–892.
• Richard van Basshuysen (Hrsg.): Ottomotor mit Direkteinspritzung – Verfahren · Systeme · Entwicklung · Potenzial, 3. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2013, ISBN 9783658014087

Weblinks

• Probleme des Verfahrens und Stand der Entwicklung (Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 17. August 2007)

Einzelnachweise

1. Richard van Basshuysen (Hrsg.): Ottomotor mit Direkteinspritzung – Verfahren · Systeme · Entwicklung · Potenzial, 3. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2013, ISBN 9783658014087, S. 1
2. van Basshuysen: Ottomotor mit Direkteinspritzung, 3. Auflage, S. 21 ff.
3. siehe auch FAZ vom 17. August 2007: Die Zukunft gehört dem Magerbetrieb