Kraftstoffe wie Erdgas stellen eine Möglichkeit dar, die Kohlenstoff dioxid-Emissionen im Vergleich zu den konventionellen Kraftstoffen wirksam zu reduzieren. Als negativ sind jedoch der hohe Luftbedarf, der Einfluss auf die erzielbaren Drehmomente des Motors sowie die Stabilität von Methan zu bewerten, welche eine katalytische Nach-behandlung erschwert. An der Technischen Universität Kaiserslautern wurden Ver-fahren für den Einsatz von Erdgas in Otto- und Dieselmotoren entwickelt, die eine simultane Nutzung von zwei Kraftstoffen ermöglichen. Dabei werden die Kraftstoffe je nach Lastpunkt der Verbrennung bedarfsgerecht zugeführt.

SiMULTANE VErbrENNUNg – METhAN-bENziN- UND METhAN-DiESEL-MiSchbETriEb

Prof. Dr.-Ing ruDolf flIerl

ist Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungs-

kraftmaschinen der TU Kaiserslautern.

DIPl.-WIrtsch.-Ing. Arne temP

ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl

für Verbrennungs-kraftmaschinen der TU

Kaiserslautern.

DIPl.-Ing. AnDreAs  WegmAnn

war Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl

für Verbrennungs-kraftmaschinen der TU

Kaiserslautern.

DIPl.-Ing. AnDreAs  BArroIs

ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl

für Verbrennungs-kraftmaschinen der TU

Kaiserslautern.

DIPl.-Ing. stePhAn schmItt

ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl

für Verbrennungs-kraftmaschinen der TU

Kaiserslautern.

AUTOrEN

| Von ExpErtEn aus Forschung und IndustrIE

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forschung KrAfTSTOffE

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1 eInleItung

Der weltweit wachsende Energiebedarf und der resultierende Ausstoß des klimawirksamen Kohlenstoffdioxids fordern die Suche nach alter-nativen, umweltverträglicheren Energiequellen und Kraftstoffen. Die zusätzliche Verknappung der Ölvorräte und zunehmende politische Un-ruhen in den nordafrikanischen Staaten wirken sich zusätzlich auf die Kraftstoffkosten aus. Ebenfalls führt die Diskussion über die Laufzei-ten der Atomkraftwerke sowie die notwendige Substitution durch kon-ventionelle Kohlekraftwerke zu einer verstärkten Diskussion über CO2.

Der Straßenverkehr nimmt einen Anteil von circa 14 % bei den an-thropogenen CO2-Emissionen weltweit ein [1]. Der Einsatz von Me-than (CH4) respektive Erdgas stellt eine Möglichkeit dar, um die CO2-Emissionen im Straßenverkehr abzusenken.

2 methAn für Den eInsAtz Im VerBrennungsmotor

Bei Methan handelt es sich um einen unter Standardbedingungen gasförmigen Energieträger, der entweder fossil (in Gas- und Öl-feldern oder als Methanhydrat in der Tiefsee) vorliegt oder als Faul-gas gewonnen werden kann.

Für den Einsatz in Verbrennungsmotoren eignet sich das Erdgas aufgrund seiner Eigenschaften sehr gut, ❶.

Von seinen Charakteristika her ist die hohe Vergleichsoktanzahl von 140 ROZ hervorzuheben, die dieser Kraftstoff ohne aufwendi-ge Behandlungen wie Cracken oder Reformieren und ohne Addi-tivierung erreicht.

Der Anteil von CO2 im Abgas bei einer stöchiometrischen Verbren-nung wird im Wesentlichen durch das Verhältnis aus der Anzahl an Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen des verwendeten Kraftstoffs be-stimmt. Weiterhin ist das bei der Gewinnung der Kraftstoffe emittier-te CO2 in der Bilanz zu berücksichtigen.

Von allen kohlenstoffhaltigen Kraftstoffen weist Methan das güns-tigste C/H-Verhältnis aus, ❷. Auch die in 1 kg Kraftstoff gespeicherte Energiemenge ist bei Methan höher als bei Otto- oder Dieselkraftstoff.

Allerdings muss der gasförmige Kraftstoff durch eine Druckerhö-hung auf circa 220 bar auf ein spezifisches Volumen von 29 dm3/kg verdichtet werden, um einen Fahrzeugantrieb bei einer akzep tablen Tankgröße mit einer vertretbaren Reichweite auszustatten.

Trotz dieser Verdichtung ist der volumetrische Energiegehalt von flüs-sigen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel deutlich höher als der von Erdgas. So ist in 1 l Benzin circa die 3,4-fache Energiemenge gegen-über 1 l Erdgas (200 bar) gespeichert, wodurch die Reichweite und die Tankgröße der gasbetriebenen Fahrzeuge wesentlich geprägt wird.

Der Verbrennungsluftbedarf von Methan ist mit 17,1 kg Luft/kg Kraftstoff deutlich höher als bei Benzin oder Dieselkraftstoff mit 14,5 bis 14,7 kg Luft/kg Kraftstoff. Füllt man den Zylinder eines Motors mit der gleichen Menge an Luft, so liefert ein mit Methan betriebe-ner Ottomotor bei gleichem Kraftstoff/Luft-Verhältnis λ gegenüber ei-

1 EinLEiTUnG

2 METHAn FüR DEn EinSATZ iM VERBREnnUnGSMOTOR

3 MiSCHBETRiEB AUS METHAn UnD BEnZin

4 VERSUCHSTRäGER

5 ERSTE VERSUCHSERGEBniSSE

6 VERWEnDUnG VOn ERDGAS iM DiESELMOTOR

7 ZUSAMMEnFASSUnG UnD AUSBLiCK

merkmAl BenzIn methAn

oktAnzAhl / VergleIchs oktAnzAhl 95 … 100 120 … 140

luftBeDArf [kg luft / kg krAftstoff] 14,7 17,1

heIzWert [mJ / kg] 44,5 50

zünDgrenzen 0,6 < λ < 1,6 0,7 < λ < 2,1

❶ Physikalische und thermodynamische Kennzahlen von benzin und Methan

❷ Energiespezifische cO2-Menge in Abhängigkeit vom c/h-Verhältnis verschiedener Kraftstoffe

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nem benzinbetriebenen Motor ein um circa 10 % geringeres Dreh-moment [2].

Da Erdgas je nach Herkunft mitunter nur zu einem Anteil von 85 % aus Methan besteht, wird das erreichbare Drehmoment eines mit Erd-gas betriebenen Ottomotors noch stärker verringert. Durch die hohe Klopffestigkeit von Erdgas können die Motoren jedoch mit einem hö-heren geometrischen Verdichtungsverhältnis ausgestattet werden, oh-ne durch negative Einflüsse in Folge klopfender Verbrennung beein-flusst zu werden. Eine Steigerung des Motordrehmoments ist eben-falls durch hohe Aufladegrade bei mit Erdgas betriebenen Ottomoto-ren möglich, wodurch die hohe Klopffestigkeit des Kraftstoffs ausge-nutzt werden kann.

Bei der nutzung von Methan als Kraftstoff in einem Ottomotor stellt die Stabilität des Moleküls eine entscheidende Randbedin-gung für die Prozessführung dar. Bei nicht für Erdgas optimierten Katalysatoren ist die Konvertierungsrate von Methan geringer als die von unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus unvollständiger Ver-brennung von Benzin. Zusätzlich wirkt sich hier die Treibhausakti-vität von Methan aus, die um den Faktor 25 höher ist als die von Kohlenstoffdioxid. Bei Messungen an einem älteren Erdgasfahrzeug

waren die Methan-Rohemissionen im Erdgasbetrieb um den Fak-tor 10 höher als die Methanemissionen im Benzinbetrieb – die Kon-vertierung von Methan ist ebenso geringer, ❸.

Um die Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Erd-gasbetrieb (welches typischerweise in das Saugrohr eingeblasen wird) möglichst zu minimieren, sind ausgeprägte überschneidungen zwi-schen Ein- und Auslassventilöffnungsdauer während des Ladungs-wechsels zu vermeiden. Dies führt jedoch zu einem schlechten La-dungswechsel für Volllastanwendungen beziehungsweise erlaubt bei Turbomotoren keine Restgasausspülung durch Scavenging (bei Ver-meidung von HC-Emissionen an der Volllast).

Dieser nachteil lässt sich dahingegen umgehen, wenn der gasför-mige Kraftstoff direkt in den Brennraum, zum Beispiel nach erfolgtem Schließen der Auslassventile, eingebracht wird. Die geringe Energie-

❸ gemessene hc- und Methanemissionen im benzin- und Erdgasbetrieb vor und nach Katalysator (bMW 518 g E34)

❹ brennraum mit Direkteindüsung von cNg und MPi-benzineinspritzung

❺ Package-Situation am Vollmotor

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dichte des gasförmigen Kraftstoffs sowie der Kraftstoffdruck von circa 8 bar fordern relativ große Querschnitte für die Einspritzdüse.

Der Ladedruck der Turbomotoren stellt im Hochlastbetrieb zusätz-lich große Anforderungen an die Kraftstoffzuführung und resultiert damit in vergleichbar großen Einspritzdüsen, die in eine bestehende Ottomotorenstruktur nicht ohne wesentliche konstruktive änderun-gen integrierbar ist. So eine Düse benötigt Platz, der heute bei hoch-entwickelten, „downgesizten“ Turbomotoren nicht vorhanden ist.

3 mIschBetrIeB Aus methAn unD BenzIn

Durch den Einsatz einer Düse für das Erdgas, die die gleichen Ab-messungen wie ein typischer injektor für das Benzin aufweist, ent-stehen keine Package-Probleme; es kann jedoch nur ein Teil des Kraftstoffbedarfs an der Volllast aufgrund der geringeren Durchfluss-mengen bei gasförmigen Medien zugeführt werden. Durch den zu-sätzlichen Einsatz einer Einspritzdüse für Benzin, welche konventio-

nell im Saugrohr positioniert ist, kann der flüssige Kraftstoff im Hochlastbetrieb zusätzlich zum Erdgas beigemischt werden. in ❹ ist eine Prinzipskizze dargestellt.

Durch den bedarfsgerechten, last- und drehzahlabhängigen Ein-satz von zwei verschiedenen Kraftstoffen können die Vorteile beider Energieträger zielgerichtet genutzt werden, um Emissionen von Schadstoffen, Kraftstoffverbrauch, CO2-Emissionen, Drehmoment und Leistung zu optimieren.

im Teillastbetrieb wird vornehmlich das Methan direkt in den Brennraum eingedüst. neben dem erhöhten Luftbedarf, der sich po-sitiv auf den Ladungswechsel und die Ladungswechselverluste aus-wirkt, führt das günstige C/H-Verhältnis des Methans zu abgesenk-ten CO2-Emissionen. Dabei wird das Gas in den Saughub nach dem Schließen der Auslassventile eingedüst.

Bei Beschleunigungsvorgängen und an der Volllast wirken sich der hohe Luftbedarf des Erdgases und das bei einer Saugrohrzufüh-rung des Gases nicht sinnvoll mögliche Spülen des Brennraums ne-

❼ gemessene Emissionen im E85-Erdgas-Mischbetrieb

❻ gemessene Emissionen im benzin-Erdgas-Mischbetrieb

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❾ Variation des Erdgasanteils an einem Dieselmotor

❽ Volllastdrehmoment mit zunehmen dem gasanteil

gativ auf das zu erreichende Drehmoment aus. Der Einsatz von flüs-sigen Kraftstoffen führt hier zu maximalen Drehmoment- und Be-schleunigungswerten.

So wird beim Beschleunigen und an der Volllast bevorzugt flüs-siger Kraftstoff und in der Teillast bevorzugt gasförmiger Kraftstoff genutzt. Die Eindüsung des Erdgases erfolgt dabei stets nach dem Schließen der Auslassventile. Während des Ladungswechsels herr-schen die geringsten Drücke im Brennraum – wodurch das Gas-tankvolumen optimal genutzt werden kann. Durch die nutzung bei-der Kraftstoffe ist die Reichweite von Gasfahrzeugen zumindest auf dem niveau von heutigen Benzinfahrzeugen.

im Motorpackage eines Großserienmotors, ❺, kann die verwen-dete Erdgas-Di-Düse modular gegen die Benzineinspritzdüse aus-getauscht werden. Das Kraftstoffrail für das Erdgas wird über einen Druckminderer (Eingangsdruck 220 bar, Ausgangsdruck 8 bar) di-rekt vom Gastank gespeist. Die MPi-Düse für die flüssigen Kraft-stoffe kann standardmäßig in der Sauganlage untergebracht wer-den. Die Hochdruckpumpe der Benzindirekteinspritzung entfällt.

4 Versuchsträger

An der Technischen Universität Kaiserslautern wird ein 2-l-Vierzy-linder-Ottomotor mit dem mechanisch vollvariablen Ventiltrieb Univalve sowie einer Methan-Direkteindüsung und einer Saug-rohreinspritzung für flüssige Kraftstoffe betrieben. Um Reibkorrosi-on an der nadel des auf einem Serieninjektor basierenden Erdgas-injektors zu verhindern, wird eine kohlenstoffhaltige Beschichtung aufgebracht. Als flüssige Kraftstoffe werden Ottokraftstoff und Etha-nol (E85) verwendet. Dieses Forschungsvorhaben wurde von der in-novationsstiftung Rheinland-Pfalz unterstützt und gefördert.

5 erste VersuchsergeBnIsse

Eine erste Versuchsreihe in der Teillast wurde im allgemeinen Ver-gleichspunkt bei einer Motordrehzahl von n = 2000/min und einem effektiven Mitteldruck von pme = 2 bar durchgeführt. Dabei wurde ausgehend vom reinen Benzinbetrieb der Gasanteil in mehreren Stu-

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fen erhöht. in allen Betriebspunkten wurden ein stöchi o metrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis sowie eine Lage des maximalen Zylinder-innendrucks bei 14° KW nach OT eingestellt.

in ❻ sind die Emissionen für die unverbrannten Kohlenwasser stoffe (THC – Total Hydro Carbons), die Stickoxide und das emittierte Koh-lenstoffdioxid dargestellt. Der energetische Erdgasanteil wurde dabei bis auf circa 55 % erhöht.

Dabei wurden die CO2-Rohemissionen um 14 %, die nOx-Emissio-nen um 25 % und die HC-Emissionen um 26 % abgesenkt. Dabei wirkte sich der gasförmige Kraftstoff mit seinem günstigen C/H-Ver-hältnis positiv auf die CO2-Emissionen aus. Ebenso wirkte sich der erhöhte Luftbedarf des Methans auf die im Brennraum eingeschlos-sene Masse und damit auf die Spitzentemperaturen aus, wodurch die Stickoxidemissionen positiv beeinflusst wurden. Durch den gas-förmigen Kraftstoff und Vorteile in der Gemischaufbereitung konn-ten die HC-Emissionen ebenfalls abgesenkt werden.

Eine analoge Versuchsreihe wurde im nächsten Schritt unter Verwendung von E85 (85 % Ethanol, 15 % Super-Kraftstoff) durch-geführt. Die Versuchsergebnisse sind in ❼ dargestellt.

Dabei werden die CO2-Rohemissionen bei einem zugeführten Erdgas-anteil von 45 % um circa 15 % gegenüber dem reinen MPi-Benzinbe-trieb gesenkt. Die nOx-Emissionen gehen um 36 % zurück. Die HC-Emis-sionen gehen um 48 % gegenüber dem reinen Benzinbetrieb zurück.

Ebenfalls wurde das Volllastverhalten unter der zusätzlichen Zufuhr von Erdgas im λ=1-Betrieb untersucht. Während der Zündwinkel im Benzinbetrieb aufgrund einer klopfenden Verbrennung auf 3° KW nach OT limitiert wurde, wirkte die zusätzliche Zuführung von Erdgas posi-

tiv auf die Klopffestigkeit des Kraftstoffgemischs. So konnte der Zünd-winkel bis zur Klopfgrenze um 7° KW nach frühe auf 4° KW vor OT verstellt werden, wodurch Vorteile im Hochdruckprozess entstehen.

Aus der Auswertung der Daten der Druckindizierung geht hervor, dass die Zufuhr von Erdgas zu einer deutlichen schnelleren Energie-umsetzung führt, siehe auch laminare Flammfortschrittsgeschwindig-keit von Methan und Benzin [3].

❽ zeigt das erzielbare Volllastdrehmoment ausgehend vom Ben-zinbetrieb bis zu einem Gasanteil von 25 %. Durch die zunehmen-den Vorteile bei der Energieumsetzung in Folge des verbesserten Klopfverhaltens konnte das Drehmoment trotz der Zumischung von 25 % Erdgas nahezu konstant gehalten werden.

6 VerWenDung Von erDgAs Im DIeselmotor

neben dem Ottomotor kann ebenfalls der Dieselmotor durch die an-teilige Substitution von Diesel durch Erdgas hinsichtlich der CO2-Emissionen optimiert werden. Hierbei eignet sich Erdgas ebenfalls für den Einsatz in der Teillast an den hoch verdichteten Dieselmo-toren durch seine hohe Klopffestigkeit. Gegenüber dem Ottomotor, der sowohl mit Benzin als auch Erdgas homogen betrieben wird, wird der Dieselmotor inhomogen betrieben.

Der Mischbetrieb aus Diesel und Erdgas wird mit der Kombination aus einer homogenen, mageren Vormischung mit Erdgas und dem inhomogenen Dieselbetrieb realisiert. Die Untersuchungen am Lehr-stuhl für Verbrennungskraftmaschinen wurden von den europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) unterstützt.

EXPLORING INNOVATIVE CONCEPTS TO MEET FUTURE CO2 EMISSIONS AND HYBRIDIZATION CHALLENGES

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PROGRAMME AND REGISTRATION ONLINE: WWW.SIA.FR

INTERNATIONAL CONFERENCE AND EXHIBITION

NOVEMBER 30DECEMBER 1 2011INSA DE STRASBOURG, FRANCEThis SIA international congress, together with its exhibition, intends to provide the opportunity for experts from the automotive industry (OEMs and their suppliers), the oil industry, research laboratories and universities to exchange their points of view and information on the potential of the future spark ignition engine to respond to the main challenges of mobility, CO2 emissions and hybridization.

in ❾ sind neben den CO2-Emissionen ebenfalls die Schadstoff-komponenten HC sowie die Schwärzungszahl (SZ) über dem Erd-gasanteil dargestellt. Der energetische Erdgasanteil wurde auf bis zu 70 % angehoben.

Bei einem energetischen Erdgasanteil von 70 % konnten die CO2-Emissionen durch den Einfluss des günstigen C/H-Verhältnisses des Erdgases um bis zu 23 % verringert werden.

Die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen nehmen bei den eingestellten Einspritzparametern jedoch mit zunehmen-dem Erdgasanteil um einen Faktor von 10 zu, was auf die gemischt homogene-inhomogene Verbrennung zurückzuführen ist.

Diese hohen HC-Emissionen schließen den Erdgas-Diesel-Mischbetrieb in einigen Lastpunkten und im Warmlauf des Motors aufgrund der erschwerten katalytischen nachbehandlung aus.

Eine positive Wirkung des zunehmenden Gasanteils ist ebenfalls an der SZ zu erkennen. Die Rußemissionen nehmen mit zuneh-mendem Gasanteil stetig ab.

Eine detaillierte Messung der Partikel hinsichtlich Partikelgrö-ße und -anzahl mit verschiedenen Erdgasanteilen ist in ❿ darge-stellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Partikelemissionen über das gesamte Größenband durch den Einsatz eines steigen-den Gasanteils verringert werden und sich das Spektrum der Par-tikelgröße nicht verschiebt.

7 zusAmmenfAssung unD AusBlIck

Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Kraftstoffen in Verbrennungsmotoren eröffnet der Applikation eine zusätzliche Mög-lichkeit, um Emissionen, CO2-Austoß und Kraftstoffverbrauch wei-ter zu optimieren.

Es sind heute keine technischen Maßnahmen bekannt, die eine Absenkung der CO2-Emissionen in Höhe von 10 bis 20 % ermög-lichen, ohne die Fahrleistungen von Fahrzeugen zu beeinträchti-gen und die Kosten dramatisch zu erhöhen.

Die Verwendung von Erdgas mit seinem günstigen C/H-Verhältnis stellt eine Möglichkeit dar, um den Otto- und Dieselmotor hinsicht-lich der Zielgrößen Verbrauch und Emissionen weiter zu optimie-

ren. Der Ottomotor wird dabei homogen mit einem möglichst hohen Erdgasanteil in der Teillast betrieben und im Vollastbetrieb durch den flüssigen Kraftstoff unterstützt. Der Dieselmotor wird dahin-gegen mit einer Kombination aus homogener Vormischung und in-homogener Dieselzufuhr betrieben.

Bis 2018 ist eine niedrige Besteuerung von Erdgas gesetzlich festgehalten, die die Betriebskosten von gasbetriebenen Fahrzeu-gen zudem gegenüber den konventionellen Kraftstoffen relativie-ren. Gelingt es, die Rohölvorkommen und die Erdgas- beziehungs-weise Methanvorkommen gemeinsam zu nutzen, kann der Wunsch nach freier Mobilität für einen deutlich längeren Zeitraum durch den Verbrennungsmotor erfüllt werden.

Die zukünftigen Untersuchungen im Mischbetrieb am Ottomo-tor zielen darauf ab, einen geschichteten Betrieb zu realisieren, bei dem gezielt Methanmoleküle in die Randzone des Zylinders gebracht werden. in diesen Bereichen ist die Bildung von Klopf-nestern am wahrscheinlichsten, wodurch hier der höchste Bedarf für einen klopffesten Kraftstoff wie Erdgas vorliegt. Zusätzlich wird der Einfluss des Verdichtungsverhältnisses in der Teillast einge-hend untersucht. in weiteren Untersuchungen mit Gemischen aus flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen wird das Betriebsverhalten eines Motors im Wasserstoff/Benzin-Mischbetrieb untersucht.

lIterAturhInWeIse[1] höpfner, U.: Emissions- und immissionsprognosen für den Straßenverkehr in Deutschland. in: UWSf 04-2001 [2] Eichlseder, h.; Klellm, M.; Schaffer, K.; Leitner, D.; Sartory, M.: Synergie-potenzial eines fahrzeugs mit variablem Erdgas/Wasserstoff-Mischbetrieb. in: Tagung gasfahrzeuge – Die Schlüsseltechnologie auf dem Weg zum emis-sionsfreien Antrieb? berlin, 2008[3] Egli, r. A.; Soltic, P.; Lämmle, c.; Wright, Y. M.; boulouchos, K.: Optimie-rung des Verbrennungsmotors in einem Di-Erdgas-hybrid-Antriebskonzept. 4.  Tagung gasfahrzeuge, Stuttgart, 2009

❿ Partikelgrößenverteilung bei Variation des Erdgasanteils

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