Innovationsschub für Erdgasmotoren

×

61,5 Millionen Fahrzeuge waren nach Zahlen des Kraftfahrtbundesamts am 1. Januar 2016 in Deutschland zugelassen. Gerade einmal 80.300 davon verfügen über einen mono- oder bivalenten Erdgasantrieb. Das sind magere 0,2 Prozent. Dabei hätte die Technik durchaus etwas zu bieten. Allein die chemische Struktur verringert den Kohlendioxidausstoß um bis zu 30 Prozent. Denn vier Wasserstoffatome sind jeweils an nur ein Kohlenstoffatom gebunden. Und: Wenn CNG nicht als Erdgas gewonnen, sondern regenerativ hergestellt wurde, lässt sich dieser Wert praktisch bis an die 100-%-Marke verbessern. Darauf weist Martin Westerhoff in seinem Artikel Potenziale von Erdgasmotoren aus der MTZ 7-8-2016 hin. Als ein wichtiger Schritt zu größerer Kundenakzeptanz und damit höherer Verbreitung im Pkw-Segment nennt Westerhoff monovalente CNG-Ottomotoren. Denn erst so lasse sich das Potenzial dieses Kraftstoffs umfänglich ausschöpfen.

Dies bestätigen beispielsweise Arbeiten bei Mahle. In ihrem Artikel Monovalenter Erdgasbetrieb und Downsizing für niedrigste CO2-Emissionen aus der MTZ 7-8-2016 berichten Simon Streng, Peter Wieske, Marco Warth und Jonathan Hall über Motorversuche an einem 1,2-l-Dreizylindermotor. Die Versuche zeigen den Autoren zufolge, dass aufgrund der Kompromisse einer bivalenten Motorauslegung das volle Kraftstoffpotenzial von Erdgas nicht ausgeschöpft wird: "Durch eine konsequent monovalente Auslegung lassen sich bei einem Verdichtungsverhältnis über 13:1 Mitteldrücke von 30 bar sowie spezifische Leistungen von 100 kW/l bei Erdgasverbräuchen um 200 g/kWh realisieren." Mit einer VTG-Abgasturboaufladung könne bei einer Erdgas-Saugrohreinblasung zusätzlich das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen verbessert werden. Nachteile, die durch den Verzicht auf Scavenging entstehen, so die Autoren weiter, können gemildert und kennfeldweit ein stöchiometrischer Betrieb erreicht werden. Zusammen mit einer Start-Stopp-Funktion könnten somit in Summe bis zu 31 Prozent CO2 bei identischen Fahrleistungen eingespart werden.

Erdgasmotor für ein Ultraleichtfahrzeug

Auch an der TU Wien und beim Zulieferer Delphi sind Optimierungen an Gasmotoren ein Thema. In ihrem Gemeinschaftsartikel Potenzial der CNG-Direkteinblasung für Downsizingmotoren aus der MTZ 7-8-2016 stellen Peter Hofmann, Thomas Hofherr, Guy Hoffmann und Jean-Francois Preuhs ein Dreizylinder-Antriebsaggregat für ein Ultraleichtfahrzeug vor, bei dem durch Adaption der CNG-Direkteinblasung ein Drehmomentverlauf wie bei modernen DI-Benzinmotoren erreicht werden konnte. Der Drehmomentnachteil von CNG-Motoren mit Saugrohreinblasung, so die Autoren, konnte speziell im unteren Drehzahlbereich aufgrund der geringeren Füllung und des nicht anwendbaren Scavengings, eindrucksvoll eliminiert werden. Die Einstellung von Steuerzeiten für einen spülenden Ladungswechsel sei dabei ohne Methanschlupf möglich. Entsprechend der hohen Klopffestigkeit von Methan wurde das Verdichtungsverhältnis beim Versuchsträger angehoben. Limitierend wirken dabei nicht irreguläre Verbrennungsereignisse, sondern, bedingt durch das steigende O-V-Verhältnis, höhere Wandwärmeverluste und Verluste durch unverbrannten Kraftstoff. Mit einem Verdichtungsverhältnis von ε = 12 wurde den Autoren zufolge ein optimaler Kompromiss gefunden.

Einen Betrieb von Dieselmotoren mit Erdgas propagiert das kanadische Unternehmen Westport Innovations, das dafür ein neues Hochdruck-Direkteinspritzsystem vorgestellt hat. Im Titelinterview Wir kratzen an der 45-%-Marke des thermischen Wirkungsgrads aus der MTZ 7-8-2016 diskutiert Patric Ouellette, Technischer Direktor des Unternehmens, dessen Vorteile hinsichtlich Effizienz und Leistungsfähigkeit, die Herausforderungen der Euro-VI-Gesetzgebung und den möglichen Einsatz des Systems in Motorsegmenten, die über den aktuell adressierten Nutzfahrzeugsektor hinausgehen. Ouellette zufolge könnte die Technik durchaus bei einem Pkw angewendet werden, "wenngleich das sowohl technisch als auch wirtschaftlich herausfordernd ist". Von der technischen Seite her betrachtet, würde es bedeuten, einen Injektor mit zwei Ventilnadeln - das Grundprinzip der heutigen Hochdruck-Direkteinspritzung - so kompakt zu gestalten, dass er die geeignete Dimension für einen Pkw erreicht.