Der Verbrennungsmotor:
Eine revolutionäre Maschine
Keine andere technische Innovation hat in den vergangenen 125 Jahren unsere Lebensweise, das Aussehen unserer Städte und unsere Umwelt so verändert wie die Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Der Individualverkehr hat durch den Straßen- und Autobahnenbau Landschaften komplett umgeformt. Großstädte haben sich dem Autoverkehr angepasst- nicht umgekehrt. Unser Kulturleben, unsere Beziehungen zu anderen Menschen, es gibt kaum einen Bereich des modernen Lebens, der nicht durch das Auto geprägt wurde. Neben dem revolutionären Potential für praktisch alle Lebensbereiche hat der Verbrennungsmotor leider auch gewaltige Auswirkungen auf die Natur, sowohl durch die Fahrzeugproduktion, als auch die Erdölförderung sowie die Fahrzeugemissionen.
Ottomotor und Diesel: ähnliche Prinzipien und verschiedene Bauweisen
Nur wenige Maschinen in ihrer Geschichte wurden so oft verändert und variiert wie der Verbrennungsmotor. Es gibt den Zwei- und den Viertakt-Motor, mit einem bis achtundzwanzig Zylinder in den unterschiedlichsten Anordnungen als Reihen-, Boxer oder V-Motor (sowie vielen anderen mehr). Exotische Konstruktionsprinzipien wie der Kreiskolbenmotor oder der Drehkolbenmotor führen ein Nischendasein. Bei all diesen Varianten verwundert es, dass sich im Wesentlichen nur zwei Motorarten haben durchsetzen können: Der Otto- sowie der Dieselmotor in in verschiedenen Ausführungen. Beide Motoren ähneln sich durch das Prinzip der kontrollierten Explosion im Inneren der Zylinder. Sowohl beim Diesel- als auch beim Ottomotor explodiert ein Treibstoff-Luftgemisch. Die freiwerdende Energie wird über eine Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen, die wiederum die Kraft über ein Getriebe an die Räder (Vorder-, Hinter- oder Allradantrieb) abgibt. Allerdings ist das Zündprinzip der entscheidende Unterschied zwischen den beiden Motoren. Während beim Ottomotor im ersten Takt Luft mit eingespritztem Benzin eingesaugt und anschließend verdichtet wird, zieht der Dieselmotor reine Luft in den Zylinder, die bei hohen Drücken komprimiert wird. Dabei erhitzt sich die Luft, der Dieselkraftstoff wird eingespritzt und entzündet sich durch die Hitze (Selbstzünder), während das Benzin-Luftgemisch des Ottomotors durch den Funken der Zündkerze gezündet wird. Der Dieselmotor besitzt lediglich Glühkerzen für den Kaltstart.
Unterschiedliche Treibstoffe, unterschiedliche Umweltbelastung
Umweltbelastend in einem allgemeinen Sinn sind alle Treibstoffe, die aus fossilen Energieträgern gewonnen werden, allerdings bestehen zwischen den Emissionswerten der Kraftstoffarten starke Unterschiede:
- Benzin für Ottomotoren besteht aus über 100 verschiedenen Kohlenwasserstoffen, verschiedenen Additiven und Beimischungen, die den Motor vor Ablagerungen schützen sollen. Die Oktanzahl gibt Auskunft über die Klopffestigkeit des Kraftstoffs, die auch die Unterschiede zwischen den Sorten wie Normal, Super und Super plus ausmachen. Das E10 enthält einen Anteil an 5 – 10% Bioethanol, welches aus organischen Abfällen wie Stroh, Holz oder Pflanzenresten gewonnen wird.
- Dieselkraftstoff enthält hauptsächlich aromatisierte Kohlenwasserstoffe (z.B. Kerosin) sowie Additive, die den Zündpunkt des Diesels nach unten korrigieren sollen. Wie beim Benzin besteht auch ein Unterschied zwischen Standard und Premium, nur das bei Premiumdiesel die Cetan-, nicht die Oktanzahl erhöht ist. Von normalem Dieseltreibstoff für Kraftfahrzeuge muss zudem noch Schiffsdiesel unterschieden werden.
- Autogas, kurz LPG genannt (Liquefied Petroleum Gas) ist ein verflüssigtes Gasgemisch aus Butan und Propan. Fahrzeughalter, die diesen Treibstoff nutzen wollen, müssen ihr Fahrzeug umrüsten lassen. Autogas verbrennt rückstandsfreier und mit weniger schädlichen Emissionen als andere gebräuchliche Kraftstoffe; die hohe Oktanzahl sorgt für Klopffestigkeit und Laufruhe. In Deutschland sind knapp 7.000 Gastankstellen in Betrieb
Sprit sparen durch moderne Motorentechnik
Durch verschiedene Maßnahmen sind die Hersteller heute in der Lage, bei gleicher Leistung signifikant Treibstoff zu sparen. Dazu trägt beispielsweise die allseits bekannte Direkteinspritzung bei Otto- und Dieselmotoren bei. Die Einspritzung des Benzins/Diesels geschieht mittels einer elektronisch gesteuerten Hochdruckpumpe. Dadurch kann die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luftgemischs viel präziser gesteuert werden als bei älteren Verfahren. Die gleiche Leistung bei kleineren Motoren verspricht das so genannte Downsizing, also der Ersatz von vier-, sechs- und Achtzylindermotoren durch Motoren mit weniger Zylindern. Um einen eventuellen Leistungsverlust auszugleichen, werden häufig Turbolader eingesetzt. Auch die Abschaltung von einzelnen Zylindern trägt zur Reduzierung der Verbrauchswerte bei. Mit der Start-Stopp-Automatik soll in Wartesituationen Sprit gespart werden, in dem sich der Motor beispielsweise an der Ampel selbst ausschaltet und mit einem Tritt auf das Gaspedal wieder aktiviert wird. Weniger Luftwiderstand bedeutet auch weniger Verbrauch, weswegen die Hersteller immer aerodynamischere Modelle entwickeln.
Umweltaspekte fossiler Brennstoffe
Die Verbrennung der aromatisierten Kohlenwasserstoffe bringt ein Gemisch aus verschiedenen, gesundheitsschädlichen Gasen hervor. Darunter befinden sich Benzole, Stickoxide, Schwefeldioxid, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Feinstaub und Rußpartikel. In den 90er Jahren wurde Blei als Additiv zum Treibstoff in der EU verboten. An der Senkung der Umweltbelastung durch die genannten Abgase arbeiten die Unternehmen mit verschiedenen Techniken:
- Katalysatoren: Der moderne Dreiwege-Katalysator wirkt wie eine kleine Chemiefabrik im Fahrzeug. Er baut die schädlichen Abgase zu harmloseren Produkten um. Das Gerät reduziert Stickoxide zu Stickstoff, wandelt Kohlenmonoxid in Kohlendioxid um und oxidiert die übriggebliebenen Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid.
- Zwei Baugruppen ermöglichen im Wesentlichen die Funktionsweise des Kats: Da ist einmal ein mit Platinpartikeln bestäubtes Keramik-Inlay, das feinste Kanäle besitzt. Die Abgase werden hier durch geleitet und der Platin reagiert mit dem Gasgemisch, ohne selbst verbraucht zu werden. Auf diese Weise werden 90% der Schadstoffe abgebaut. Die Lambda-Sonde dient dazu, den Sauerstoffgehalt der Abgase zu messen, denn Sauerstoff macht den Kat unwirksam. Ist der Sauerstoffanteil zu hoch, nimmt die Sonde auf elektronischem Weg Einfluss auf die Gemischbildung Benzin-Luft. Je höher der Benzinanteil, desto fetter ist das Gemisch und desto weniger Sauerstoff ist enthalten.
- Die Diesel-Variante des Dreiwege-Katalysators stellt der SCR-Katalysator (Katalysator mit selektiver katalytischer Reduktion) dar. Dieselmotoren emittieren andere Schadstoffe als Ottomotoren. Der Anteil der Stickoxide ist höher, die Abgase enthalten Feinstaub. Dafür ist der Ausstoß an Kohlenmonoxid geringer. Die Feinstaubpartikel werden durch einen Filter mit Siliziumcarbid zurückgehalten und verbrennen dann. Die Stickoxide, die in den Dieselabgasen enthalten sind, werden mit einem speziellen Verfahren in Wasserdampf, Stickstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Die Reaktion beruht auf Harnstoff, welcher das Dieselfahrzeug in einem Tank mit sich führt. Der Harnstoff ist in destilliertem Wasser gelöst und wird mit Hilfe einer Pumpe in den Abgasstrom eingespritzt. Die Lösung ist unter dem Namen AdBlue im Handel.