Projekt 12997/01

Entwicklung eines Verbrennungsverfahrens mit innerer Gemischbildung für Fahrzeugmotoren beim Betrieb mit Erdgas

Projektdurchführung

Universität RostockFachbereich Maschinenbau und SchiffstechnikLehrstuhl für Kolbenmaschinen undVerbrennungsmotoren
Albert-Einstein-Str. 2
18059 Rostock

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Verkehrssektor gilt mittlerweile als größter Emittent gasförmiger Luftschadstoffe. Neben der weiteren Optimierung der im Verkehrsbereich eingesetzten Antriebsaggregate besteht eine Möglichkeit zur Emissionsminderung darin, alternative Kraftstoffe einzusetzen, welche ein günstigeres Emissionsverhalten aufweisen. Als besonders wirkungsvolle Möglichkeit hat sich diesbezüglich in den vergangenen Jahren der Einsatz von Erdgas im Bereich der kommunalen Fahrzeuge und des ÖPNV erwiesen. Gegenwärtig werden in solchen Fahrzeugen in der Regel Erdgasmotoren mit einer äußeren Gemischbildung (Ottomotoren) eingesetzt. Das Erdgas wird dabei üblicherweise in Drucktanks (bis 200 bar) mitgeführt. Die bisherigen Erfahrungen aus dem praktischen Einsatz erdgasbetriebener Fahrzeuge haben gezeigt, dass sich folgende Emissionsvorteile gegenüber dem hier üblichen Dieselantrieb ergeben:
· bis zu 80 % weniger Kohlenwasserstoffe (HxCy) und Stickoxyde (NOx);
· bis zu 50 % weniger Kohlenmonoxydemissionen (CO);
· praktisch kein Ausstoß von Ruß;
· praktisch keine Schwefeldioxid-Emissionen;
· keine Verdampfungsverluste beim Tankvorgang und· geringere Geräuschemissionen auf Grund einer weicheren Verbrennung. Ein erheblicher Nachteil der bisher eingesetzten Erdgasmotoren ergibt sich aus der äußeren Gemischbildung. Auf Grund der hiermit einhergehenden Drosselverluste weisen diese Motoren insbesondere im Teillastbereich deutlich höhere Kraftstoffverbräuche als Dieselmotoren auf. Dies ist von besonderer Bedeutung, da eben die Lastkollektive der o. g. Einsatzbereiche erhebliche Teillastanteile aufweisen.
Ziel des hier beantragten Vorhabens ist die Entwicklung eines Verbrennungsverfahrens mit innerer Gemischbildung beim Einsatz von Erdgas in Fahrzeugmotoren. Dadurch soll ein ungedrosselter Betrieb ermöglicht werden und der Kraftstoffverbrauch um ca. 15 % reduziert werden. Die technologische Herausforderung besteht darin, ein Einblasesystem für einen solchen Einsatz zu qualifizieren und ein hierauf abgestimmtes Verbrennungsverfahren zu entwickeln.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Qualifizierung eines geeigneten Gaseinblasesystems, der Entwicklung des erforderlichen Verbrennungsverfahrens sowie der Darstellung der Ergebnisse an einem Einzylinder-Aggregat sind folgende Arbeitsschritte geplant:
· Entwicklung und Erprobung eines hydraulisch betätigten Gaseinblasesystems;
· Aufbau eines Aggregates mit modifiziertem Zylinderkopf, stufenlos verstellbarer Schirmventile und angepasster Brennraumgeometrie;
· Prüfstandsuntersuchungen mit Variation des Einblasedrucks, der Einblasedauer, des Einblasezeitpunkts, verschiedener Brennraumvarianten, Variationen des Ladedrucks und der Abgasrückführung;
· Interpretation und Dokumentation der Ergebnisse sowie deren Veröffentlichungen.
Sollte das Vorhaben mit erfolgversprechenden Ergebnissen abgeschlossen werden, ist perspektivisch eine Umsetzung der Ergebnisse in einem geeigneten Fahrzeug angedacht.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Forschungsvorhabens ist es gelungen, ein Verbrennungsverfahren zu entwickeln, das in der Lage ist, Erdgas mit innerer Gemischbildung ottomotorisch zu verbrennen. Durch Anpassungskonstruktionen an Zylinderkopf und Kolben eines Einzylinder-Dieselmotors bei Verwendung eines hydraulisch betätigten Gasinjektors ist es nach zahlreichen Anpassungsschritten gelungen, einen ungedrosselten Motorbetrieb im gesamten Kennfeld zu gewährleisten.
Unter dem Gesichtspunkt der Fahrzeuganwendung sollte der Blasdruck so gering wie möglich gehalten werden, um eine weitestgehende Entleerung des Kraftstoffbehälters zu gewährleisten. Ein stabiler Motorbetrieb war erst ab einem Gasdruck von 30 bar sicherzustellen. Somit würde sich die Reichweite von Erdgasfahrzeugen bei unveränderten Kraftstoffbehältern entsprechend verringern, oder der durch den geringen volumetrischen Heizwert schon ohnehin hohe Platzbedarf für den Kraftstoffbehälter würde sich weiter erhöhen.
Der direkte Vergleich bei einem mittleren Lastpunkt von pe = 5 bar zeigt, dass bei äußerer Gemischbildung und stöchiometrischem Betrieb der spezifische Kraftstoffverbrauch fast 15 % niedriger als bei innerer Gemischbildung liegt. Beim ebenfalls am Prüfstand realisierten homogenen Magerbetrieb erreicht der Motor sogar einen um fast 28 % besseren Verbrauch. Berücksichtigt man zusätzlich die für äußere Gemischbildung eher ungünstige Brennraumkonfiguration, so dürfte es nur schwer gelingen, das dargestellte Brennverfahren mit innerer Gemischbildung soweit zu optimieren, dass zumindest gleiche Verbräuche erreicht werden. Die Versuchsergebnisse zeigten weiterhin, dass die HC- und CO-Emissionen nur durch Einsatz eines Oxidationskatalysators in den Grenzen der EURO III zu halten sind. Trotz des in weiten Teilen des Kennfeldes hohen globalen Luftverhältnisses gelang es nicht, die NOx-Emission im EURO III-Limit zu halten. Beim dargestellten Brennverfahren ist der EURO-III-Grenzwert nur durch Abgasrückführung und Aufladung einzuhalten. Wogegen der homogene Magermotor schon ab einem - von 1,5 deutlich den EURO III-Grenzwert unterschreitet.
Neben den schlechten Verbrauchswerten und der dargestellten Abgasemission geht beim Betrieb mit innerer Gemischbildung ein weiterer Vorteil des herkömmlichen Gas-Ottomotors verloren. Die für Gasmotoren bekannte, geringe Geräuschemission ist beim Betrieb mit innerer Gemischbildung nicht mehr gegeben.


Fazit

Die erhoffte Verbrauchsreduzierung durch Entdrosselung bei innerer Gemischbildung konnte beim dargestellten Brennverfahren nicht erreicht werden. Der Gewinn durch Entdrosselung wurde durch unvollkommene Verbrennung überkompensiert.