Sauber in Echtzeit

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Ludwigsburg, 23. Juli 2008 – In der Motorenentwicklung ist die Messung des Zylinderdrucks schon seit langem ein kaum verzichtbares Mittel, um die Verbrennung zu optimieren. Doch erst in jüngerer Vergangenheit ist es gelungen, dieses Messprinzip auf Motoren im laufenden Betrieb anzuwenden. So hat zum Beispiel Volkswagen im April eine Variante des 2,0-Liter-Common-Rail-Dieselmotors vorgestellt, bei der auf Grundlage des gemessenen Drucks eine Echtzeitregelung von Parametern wie Einspritzmenge und -dauer oder der Abgasrückführung vorgenommen werden kann.

Festgelegte Kennfelder
Die Idee, eine „Zylinderdruckregelung“ im Fahrbetrieb zu realisieren, ist nicht neu, war aber lange schwer zu realisieren – unter anderem deswegen, weil ein Drucksensor nicht ohne Weiteres die Temperaturen im Brennraum aushält. So legte man bisher feste Profile in der Motorsteuerung ab, um verschiedenen Betriebsbedingungen gerecht zu werden. Sie werden zum Beispiel abhängig von der Gaspedalstellung abgerufen, folgen aber festgelegten Kennfeldern.

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Bei der Drucksensor-Glühkerze von Beru ist der Heizstab beweglich gelagert und wirkt auf ein Piezo-Element, das auf Druck durch einen veränderten elektrischen Widerstand reagiert. (Bild: Beru)

Störquellen
Der große Vorteil einer Echtzeit-Zylinderdruckregelung besteht darin, bei Veränderungen im Verbrennungsprozess sofort Korrekturen bei der Gemischbildung vornehmen können – abhängig vom im Fahrbetrieb gemessenen Zylinderdruck. Mögliche Störquellen gibt es genügend: So gibt es international unterschiedliche Kraftstoffqualitäten – schwefelarmer Dieselkraftstoff soll es zum Beispiel in den USA erst ab 2010 flächendeckend geben, und auch unterschiedliche Cetanzahlen waren beim US-Diesel bisher an der Tagesordnung. Dazu kommen Serienstreuungen bei Motorkomponenten oder veränderte Betriebsbedingungen durch Verschleiß.

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Druckempfindliche Glühkerze
Die strengen amerikanischen Abgasnormen BIN5 / LEV2 veranlassten VW daher, (unter anderem) eine Zylinderdruckregelung in den bekannten 2,0-Liter-Common-Rail-Dieselmotor zu integrieren. Die zwei wesentlichen Elemente sind dabei eine spezielle „Drucksensor-Glühkerze“ des Zulieferers Beru und eine neue Motorsteuerung. Die Drucksensor-Glühkerze ist eine scheinbar normale Glühkerze, die normalerweise nur für den Start des Dieselmotors benötigt wird, aber um eine Zusatzfunktion ergänzt wurde. Weit oben in der Glühkerze und damit außerhalb des Brennraums befindet sich ein Piezo-Element, das auf Druck durch einen veränderten elektrischen Widerstand reagiert. Dazu ist der Heizstab, was sonst nicht üblich ist, beweglich gelagert. Zwar ist das Piezo-Element auch außerhalb des Brennraums etwas Wärme ausgesetzt, doch diese Temperaturveränderung lässt sich als Korrekturfaktor in der Motorsteuerung berücksichtigen.

In Echtzeit regeln
Für die Motorsteuerung bedeutet das notwendigerweise eine Erweiterung der Steuerung, die bisher auf einem festen Kennfeld beruhte. VW ergänzte sie um Regelalgorithmen, die zum Beispiel die Einspritzung oder die Abgasrückführung korrigiert. Dabei handelt es sich laut VW um eine Echtzeit-Regelung – im Unterschied zu einem „konventionellen“ Dieselmotor, bei dem das Kennfeld bei der Entwicklung festgelegt wird und im Alltag für alle Situationen taugen muss.

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Grenzen ausloten
Musste man also bisher alle Eventualitäten in Form von „Konfektions(soft)ware“ abdecken, lässt sich ein Motor hinsichtlich Effizienz und Emissionen mit der Zylinderdruckregelung an seine Grenzen treiben. Selbst Unterschiede bei der Verbrennung in einzelnen Zylindern lassen sich auf diese Weise ausgleichen, oder auch schleichende Veränderungen durch Alterung des Motors. „Durch eine exakte Erfassung des Zylinderdrucks lassen sich vor allem auch in den neuen Downsizing-Motoren höhere Spitzendrücke realisieren und damit Standardbrennverfahren problemlos an ihre Grenzen heranführen“, sagt Beru-Chefentwickler Hans Houben. Downsizing ist bekanntlich nicht nur bei Ottomotoren ein Weg zu mehr Effizienz, sondern auch bei Dieselmotoren, denen mehr noch als beim Benziner die Turboaufladung zum Durchbruch verholfen hat.

Wollen wir auch
Dass die Zylinderdruckregelung bei VW nur amerikanischen Kunden vorbehalten bleibt, ist kaum anzunehmen. Warum sollte der europäische Autofahrer zum Beispiel auf weniger Verbrauch verzichten, wenn aus einem eigentlich baugleichen Motor per Zylinderdruckregelung mehr herauszuholen ist? Am Mehrpreis für die Drucksensor-Glühkerzen sollte es nicht scheitern – umsonst gibt es sie zwar nicht, doch zumindest erfordern sie keinen neuen Zylinderkopf: Beim VW-Dieselmotor ersetzen einfach die bisherige Glühkerze, Abmessungen und Gewindedurchmesser sind identisch – eine kleine Anpassung also, die in Dieselmotoren hoffentlich bald häufiger zu finden sein wird. (ggo)