Erdgas als alternativer Kraftstoff · Erdgas (CNG) bietet günstige Voraussetzungen ver-stärkt als...

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Technologie-Highlights aus dem FEV-Arbeitsspektrum Sonderausgabe Gasantriebe Oktober 2013 www.fev.com Erdgas (CNG) bietet günstige Voraussetzungen ver- stärkt als alternativer Kraftstoff für PKW verwendet zu werden. Zum einen wird eine langfristige Reich- weite der Vorkommen prognostiziert, zum anderen ist eine flächendeckende Verfügbarkeit von CNG grundsätzlich gegeben. Weiterhin bietet CNG durch sein günstiges C/H-Verhältnis ca. 20% geringere CO 2 -Emissionen. In Bezug auf die Verfügbarkeit von CNG im Tank- stellennetz existiert eine vergleichbare Dichte zu Benzin zwar noch nicht, in den letzten Jahren ist in vielen Staaten Europas aber eine signifikante Zunahme der CNG Stationen zu verzeichnen. Aus Sicht der Fahrzeughersteller können CNG-Fahr- Inhalt Alternative Erdgas: Entwicklungsanforder- ungen an zukünftige PKW-Erdgasmotoren 1 Der Erdgasmotor als Nutzfahrzeugantrieb 4 Erdgas als Kraftstoff für Industriemotoren und Schiffsantriebe. Ein Beitrag zur Reduktion der Treibhausgasemissionen 6 Sonderausgabe Erdgas als alternativer Kraftstoff Ein Potenzial zur Reduktion von Treibhausgasemissionen Alternative Erdgas: Entwicklungsanforderungen an zukünftige PKW-Erdgasmotoren

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Technologie-Highl ights aus dem FEV-Arbei tsspektrum

Sonderausgabe Gasantr iebe Oktober 2013

www.fev.com

Erdgas (CNG) bietet günstige Voraussetzungen ver-stärkt als alternativer Kraftstoff für PKW verwendet zu werden. Zum einen wird eine langfristige Reich-weite der Vorkommen prognostiziert, zum anderen ist eine flächendeckende Verfügbarkeit von CNG grundsätzlich gegeben. Weiterhin bietet CNG durch sein günstiges C/H-Verhältnis ca. 20% geringere CO2-Emissionen.

In Bezug auf die Verfügbarkeit von CNG im Tank-stellennetz existiert eine vergleichbare Dichte zu Benzin zwar noch nicht, in den letzten Jahren ist in vielen Staaten Europas aber eine signifikante Zunahme der CNG Stationen zu verzeichnen. Aus Sicht der Fahrzeughersteller können CNG-Fahr-

Inhalt Alternative Erdgas: Entwicklungsanforder- ungen an zukünftige PKW-Erdgasmotoren 1

Der Erdgasmotor als Nutzfahrzeugantrieb 4

Erdgas als Kraftstoff für Industriemotoren und Schiffsantriebe. Ein Beitrag zur Reduktion der Treibhausgasemissionen 6

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Erdgas als alternativer Kraftstoff Ein Potenzial zur Reduktion von Treibhausgasemissionen

Alternative Erdgas: Entwicklungsanforderungen an zukünftige PKW-Erdgasmotoren

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zeuge einen Baustein zur Absenkung des CO2-Flottenwerts darstellen. Das C/H-Verhältnis ist günstiger als bei Benzin und Diesel. Darüber hinaus ermöglicht die sehr hohe Klopfresistenz bei einer für monovalenten Betrieb optimierten Motorauslegung ein hohes Verdichtungsver-

Liebe Leserinnen und Leser,

Erdgas bringt zwei für den Transportsektor sehr positive Aspekte mit: Die Verfügbarkeit ist hoch und die spezifi-schen CO2-Emissionen sind aufgrund der Stoffeigenschaf-ten um ca. 20% geringer als bei Benzin- oder Dieselkraft-stoffen. Bemerkenswert ist, dass wir im Straßenverkehr weltweit intensivste Entwicklungen hin zum elektrischen Fahren sehen, bei dem schwere Batterien bewegt werden müssen, während doch unsere Häuser vielfach mit Erdgas statt mit Strom geheizt werden. Dafür gibt es verschie-denste technische wie auch politische Gründe. In dieser Ausgabe des Spectrums wollen wir Lösungen für die technischen Herausforderungen beim Einsatz von Erdgas diskutieren:

beim PKW geht es um hohe Drehmomente bei niedri-gen Drehzahlen und gleichzeitig um Bauteilschutz bei Nennleistung – Technologien wie variable Verdichtung eröffnen hier völlig neue Freiheitsgrade.

im NFZ-Bereich werden bisher übliche Magerbrenn-verfahren aufgrund der verschärften Gesetzgebung in Europa und USA durch stöchiometrische Verfahren abgelöst.

im Marine- und Stationärbereich ist Erdgas ein vielver-sprechender Kraftstoff zur Lösung der Emissionspro-blematik. Bei Großmotoren kommen im Wesentlichen Magerbrennverfahren mit Vorkammer, für spezielle Anforderungen auch Dual-Fuel-Motoren, zum Einsatz.

Wir möchten mit dieser Sonderausgabe unseres Spec-trums die weltweiten Anstrengungen zur Verbreitung des Erdgaseinsatzes im Transportsektor diskutieren. Gerne unterstützen wir Sie bei der Entwicklung und Umsetzung Ihrer Erdgasanwendungen!

Ihr

Dr.-Ing. Markus SchwaderlappGeschäftsführer FEV GmbH

Abb. 1: Kraftstoffpreise Deutschland

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hältnis mit weiterem CO2 Reduktionspotenzial. Für den Endverbraucher bedeutet die erhöhte motorische Effizienz in Verbindung mit dem relativ günstigen CNG Preis (Abildung 1) redu-zierte Betriebskosten und eine vergleichsweise kurze Amortisationszeit des erhöhten Anschaf-fungspreises eines PKW mit CNG-Antrieb. Neben den ökonomischen Aspekten sind die Erfüllung von technischen und ökologischen Vo-raussetzungen für den Erfolg von CNG-Motoren im Wettbewerb mit den benzinbetriebenen Va-rianten essentiell. Hier müssen wettbewerbsfä-hige Fahrleistungen ebenso gewährleistet sein wie Zuverlässigkeit und Haltbarkeit. Zur Kom-pensation des geringeren Gemischheizwerts und Nutzung der Klopffestigkeit von CNG sind Motoren mit Aufladesystemen besonders inte-ressant für CNG-Betrieb. An die Motoren werden dabei mechanisch und thermomechanisch er-höhte Anforderungen gestellt. Diese resultieren aus der fehlenden Additivierung von CNG sowie aus der wirkungsgradgünstigen Verbrennung mit in der Folge erhöhten Zylinderdrücken und Verbrennungstemperaturen. Weiter ist die bei hohen Drehzahlen übliche Anreicherung des Verbrennungsluftverhältnisses zum thermischen Bauteilschutz für CNG nur in sehr begrenztem Maße nutzbar. Das bei direkteinspritzenden Ben-

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zinmotoren bei niedrigen Drehzahlen zur Erhö-hung des Eckdrehmoments bzw. zur Absenkung der Eckdrehzahl übliche Spülen kann mit der heutigen CNG-Saugrohreinblasung deutlich ein-geschränkter genutzt werden. Eine Möglichkeit zur Verbesserung des Low-End Drehmomentes bei CNG Motoren stellt der Einsatz mehrstufiger Aufladesysteme dar. Zur Vermeidung dieser umfangreichen Maßnahme ist mit geringerem Potenzial auch noch die Optimierung an Einbla-seventilen und -strategien zur Darstellung des erforderlichen Gasdurchsatzes aufzuführen. Die Umstellung auf CNG-Direkteinblasung bei monovalenten Antrieben bietet hohes Potenzial zur Darstellung eines hohen Low-End Torques, scheiterte bislang aber an der Verfügbarkeit in allen Betriebszuständen sicher arbeitenden und dauerhaft abdichtenden serienreifen Injektoren.

Motoren mit CNG und damit ohne Kraftstoffad-ditivierung dauerhaft sicher zu betreiben, erfor-dert geeignete Werkstoffe für Ventilsitzringe, Führungen und Ventile. Weiter aufzuführen sind angepasste Sitzringgeometrien und Ventilhubkur-ven zur Reduzierung der Ventil-aufsetzgeschwin-digkeiten. Abb. 2 zeigt Ergebnisse einer Sitzring-untersuchung eines Dauerlaufversuches bei dem in definierten Zeit-intervallen der Verschleiß er-mittelt wurde. Mit der ursprünglichen Auslegung für den Benzinbetrieb wurde bereits nach der zweiten Inspektion der maximal zulässige Ver-schleißwert überschritten. Bei der finalen Ausle-gung für den CNG-Betrieb konnte nach einer Ein-laufphase der Verschleiß auf einen sehr niedrigen Wert, weit unterhalb der zulässigen Verschleiß-grenze begrenzt werden. Die höhere mecha-nische Belastung der Kurbeltriebskomponenten und die thermische Beanspruchung weiterer Mo-

torbauteile wie Zündkerzen, Ventile, Krümmer, Turbine und Katalysator sind wesentlich verant-wortlich für die derzeitige obere Grenze der spe-zifischen Leistung von CNG-Serienmotoren bei 75 kW/L. Eine optimierte Kühlung hat daher bei ca. leistungsgleichen CNG-Varianten im Vergleich zu den benzinbetriebenen Motoren noch höhere Bedeutung.

Bei der heute weitverbreiteten Kombination von PFI-Injektoren für CNG und DI-Injektoren für Ben-zin sind für den hochlastigen CNG Betriebsbe-reich auch die DI-Injektoren zu beachten, die bei hoher Wärmebelastung ohne die kühlende Durch- strömung mit Benzin leicht kritische Injektor-spitzentemperaturen überschreiten können. Ein geändertes Abdichtungskonzept des Injektors zur Vergrößerung der wärmeabgebenden Fläche kann durch Änderung der Einragtiefe ergänzt werden, wobei die Auswirkungen auf unerwünschte Se-kundäreffekte wie Verkokung im Benzinbetrieb zu beachten sind. Weiter stellt der Einsatz von gekühlten, integrierten Abgaskrümmern eine wir-kungsvolle und in Serie umgesetzte Maßnahme zur Reduktion der thermischen Belastung der abgasführenden Bauteile dar. Abb. 3 zeigt die Wandtemperaturen bei Nennleistung, die im un-kritischen Bereich liegen. Für signifikant höhere Leistungsdichten sind zusätzliche Maßnahmen, die bereits während der Verbrennung wirksam werden, wie eine gekühlte Abgasrückführung, zu verwenden. Die Wirkungsmechanismen einer solchen Technologie werden am Beispiel von NFZ Motoren auf Seite 5 näher erläutert, sind aber im wesentlichen auf den Einsatz bei PKW Ottomotoren übertragbar. Jedoch ist der Einsatz dieses aufwändigen Systems nur zu erwarten, wenn auch zumindest leistungsstarke Benzinva-

Abb. 2: Einfluss von Ventilsitzmaterial und -geometrie auf den Verschleiß

Abb. 3: Integrierter Abgaskrümmer: Wandtemperaturen bei Nennleistung

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Im Nutzfahrzeugsektor nimmt der Dieselmotor auf-grund seiner prinzipbedingten Vorteile hinsichtlich Verbrauch und Robustheit eine vorherrschende Stellung ein. Allerdings stellen Erdgasmotoren seit langem eine interessante Alternative dar.

Gasmotoren garantieren niedrige Partikelemissio-nen an der Nachweisgrenze. Bis zur Einführung von EURO VI bzw. US10 konnten Magerkonzepte die jeweiligen Grenzwerte für Stickoxidemissionen ohne Abgasnachbehandlung einhalten. Der im Ver-gleich zu Otto- und Dieselkraftstoff deutlich niedrigere Erdgaspreis sowie der aufgrund des günstigen H/C Verhältnisses reduzierte CO2-Ausstoß sind zusätz-liche Argumente für den Einsatz von Erdgasmotoren in Nutzfahrzeugen. Mit Einführung von EURO VI haben sich die Anforderungen an Nutzfahrzeug-Gasmotoren jedoch deutlich verschärft. Die neuen Stickoxid- und HC-Grenz-werte erfordern sowohl eine Anpassung des Brennver-fahrens als auch eine erweiterte Abgasnachbehandlung.

Das Bestreben, mit einem Nutzfahrzeug-Gasmotor hohe Wirkungsgrade bei niedrigen NOx-Emissionen darzustellen, kann durch homogene Magerkonzepte realisiert werden. Die mit zunehmender Abmager-ung durch Quenching-Effekte ansteigende Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe führt jedoch zu einem Trade-off, der nur bis zu bestimmten Grenzen durch Abgasnachbehandlungssysteme beherrscht werden kann. Die zum größten Teil aus Methan be-stehenden HC-Emissionen führen durch ihre geringe Reaktivität zu hohen Katalysator Light-off-Tempera-turen. Den dadurch limitierten Konvertierungsraten in Transientzyklen muss durch niedrige Rohemis-sionen begegnet werden. Abb. 5 zeigt schematisch dieses Verhalten. Der Rohemissions-Trade-off NOx/CH4 ist durch die gestrichelte Linie gekennzeich-net. Bisherige Magerkonzepte setzten als Abgasnach-behandlungssystem einen Oxidationskatalysator ein, der das CH4-Emissionsniveau so weit absenkte, dass damit alle Emissionsstufen bis EURO V/EEV erfüllt werden konnten. Eine weitere Absenkung der NOx-Emissionen auf EURO VI Niveau würde jedoch zu einem weiteren Anstieg der CH4-Werte führen, der durch einen konventionellen Oxidationskatalysator nicht mehr beherrscht werden kann. Zusätzlich wird die im Test erreichbare Konvertierungsrate durch den für EURO VI verpflichtenden Kaltstart erschwert, so dass alternative Verfahren zur Erfüllung der neuen Gesetzgebung entwickelt werden müssen.

Grundsätzlich stellen sich zwei Möglichkeiten dar: Zunächst ein Magerverfahrens, bei dem das Luft-

Der Erdgasmotor als Nutzfahrzeugantrieb

rianten aus der entsprechenden Motorenfamilie damit ausgestattet werden.

Für Fahrer, die potenziell hohe Fahrleistungen bei geringem Kraftstoffverbrauch im Alltagsbetrieb fordern, kann ein Bi-Fuel-Motor angeboten wer-den. Dieser ermöglicht eine sehr hohe spezifische Leistung (> 125 kW/L) im Benzinbetrieb und im CNG-Betrieb eine reduzierte Leistung mit gerin-gerem Verbrauch. Zur Lösung des Zielkonflikts eines für die Leistung erforderlichen niedrigen und im sparsamen CNG-Betrieb hohen Verdich-tungverhältnisses kann das 2-stufige VCR-Pleuel

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Abb. 4: VCR – Umschaltstrategie für bivalenten oder Flex-Fuel - Betrieb

(Variable Compression Ratio) der FEV integriert werden. In Abb. 4 ist eine entsprechende Ausle-gung dargestellt in der die Vorteile eines varia-blen Kompressionsverhältnisses anhand eines direkteinspritzenden Ottomotors verdeutlicht werden. Während im Benzinbetrieb je nach Dreh-zahl die Umschaltlinie von einer Verdichtung von 8,5 auf 13 im mittleren Lastbereich erfolgt, kann der Motor im gesamten CNG-Betriebsbereich mit dem hohen Kompressionsverhältnis betrieben werden. Das von FEV entwickelte VCR-Pleuel kann damit dem bivalenten Konzept zum Durch-bruch verhelfen.

Engine speed in 1/min

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verhältnis so weit abgesenkt wird, bis das CH4-Limit sicher unterschritten werden kann. Die steigenden NOx-Emissionen werden mit einem SCR-System reduziert. Die zweite Möglichkeit ist die Umstellung des Brennverfahrens auf eine stöchiometrische Ver-brennung, die Abgasnachbehandlung übernimmt ein 3-Wege-Katalysator. Dieses Verfahren wird schon seit längerem auch bei Nutzfahrzeug-Gasmotoren eingesetzt, weist aber gegenüber Magerkonzepten prinzipbedingt niedrigere Wirkungsgrade auf und stellt mit deutlich höheren Abgastemperaturen die meist von Dieselmotoren abgeleiteten Triebwerke vor zusätzliche Herausforderungen.

Aufgrund der einfacheren Abgasnachbehandlung un-ter Vermeidung eines Reduktionsmittels hat sich in Europa für EURO VI Applikationen das stöchiometri-sche Konzept mit 3-Wege-Katalysator durchgesetzt. Eine Möglichkeit, den Wirkungsgrad eines stöchio-metrischen Konzepts zu verbessern und gleichzeitig die Temperaturbelastung des Motors in Grenzen zu halten, ist der Betrieb mit externer gekühlter Abgas-

rückführung (AGR). Im Teillastbetrieb erlaubt sie eine Entdrosselung des Motors mit entsprechender Ver-brauchsabsenkung. Im Hochlastbereich kann durch gekühlte AGR die Klopfneigung deutlich reduziert werden. Ein dadurch mögliches höheres Verdich-tungsverhältnis sowie frühere Verbrennungsschwer-punkte senken die Abgastemperaturen und damit die Temperaturbelastung bei gleichzeitiger Wirkungs-gradsteigerung. In Abb. 6 ist das Optimierungspo-tenzial anhand der spezifischen CO2-Emissionen der einzelnen Verfahren dargestellt. Der für Nutzfahrzeug-motoren im Bereich von 20% liegende CO2-Vorteil des mageren Gasmotors gegenüber einem Diesel-verfahren wird durch den geringeren Wirkungsgrad des konventionellen stöchiometrischen Konzepts ge-schmälert. Ein Konzept mit externer AGR kann diesen Nachteil zum großen Teil wieder kompensieren.

Abb. 5: Emissions-Trade-off bei Nfz-Gasmotoren

Abb. 6: CO2-Emissionen von Nfz-Brennverfahrenskonzepten

Abb. 7: FEV ATAC Brennverfahren

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Die Auslegung eines ottomotorischen Brennverfah-rens, welches die Abgasrückführung im gesamten Kennfeldbereich nutzt, konzentriert sich auf hohe Ver-brennungsstabilität, kurze Brenndauern und hohe Klopffestigkeit. Für die im Wesentlichen von Diesel-motoren abgeleiteten Nutzfahrzeug-Gasmotoren hat FEV Konzepte entwickelt, die deren spezifischen An-forderungen Rechnung tragen. Als Beispiel ist das patentierte ATAC (Advanced Turbulence Assisted Combustion) Konzept in Abb. 7 dargestellt. Die Er-zeugung eines hochturbulenten Strömungsfeldes zum Zeitpunkt der Verbrennung sowie die gezielte Nutzung der Quetschströmungseffekte ermöglichen eine stabile, schnelle und vollständige Umsetzung von Gemischen mit hohen AGR-Raten bei gleich-zeitig hoher Klopffestigkeit. FEV arbeitet aktuell an der Entwicklung von Nutzfahrzeug-Gasmotoren für unterschiedliche Emissionsszenarien. Hierbei werden alle Stufen von der Konzepterstellung bis zur Serien-kalibrierung abgedeckt.

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Erdgas als Kraftstoff für Industriemotoren und Schiffsantriebe: Ein Beitrag zur Reduktion der Treibhausgasemissionen

Für den Einsatz von Erdgas als Kraftstoff für Industrie-motoren und Schiffsantriebe gibt es unterschiedliche Treiber. Neben den Betriebskosten, die im Wesentlichen vom Kraftstoffpreis bestimmt werden, sind gesetzliche Regelungen wichtige Faktoren, die den Einsatz und die Konzeption der Motoren bestimmen.

Gesetzliche Vorgaben nehmen hierbei in unterschiedlich-ster Weise Einfluss: als allgemeine Emissionsstandards hinsichtlich Schadstoffemissionen, als Regelungen mit dem Ziel der Reduktion von Treibhausgasemissionen oder z. B. in Form von regionalen Anforderungen oder Förder-programmen. Nicht zuletzt wird eine entsprechende Infra-struktur zur Absicherung der Gasverfügbarkeit benötigt, um einen breiten Einsatz von Gasmotoren zu ermöglichen.

Klassischer industrieller Anwendungsbereich des Gas-motors ist die dezentrale Stromerzeugung, oft in Ver-bindung mit einer Kraft-Wärme-Kopplung. Hier werden ohne Stickoxidnachbehandlung niedrigste Emissionslimits (z. B. 50% Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft, TA-Luft) eingehalten. Motorische Wirkungsgrade, die für durchoptimierte Konzepte über denjenigen von Dieselmo-toren liegen, erlauben eine Reduktion der CO2-basierten Treibhausgasemissionen gegenüber dem Dieselmotor um mehr als 25%. Die in der Regel stationäre Anwendung bedingt einen Anschluss an ein Gasnetz oder die Verfüg-barkeit von Gas als standortspezifische Ressource: z. B. Biogas, Deponiegas, Klärgas, Kokerei- und Hochofengas, Grubengas, etc.

Die Notwendigkeit, Erdgas über weitere Strecken per Schiff zu transportieren, begründete den Einsatz von

Gasmotoren als Schiffsantrieb. Das zur Reduzierung des notwendigen Speichervolumens kryogene Erdgas (LNG) liefert während der Fahrt durch das natürlich anfallende „boil off gas“ die Energie für den Antrieb. Die Verschärf-ung der Emissionsregularien für Schiffsantriebe mit der Einführung von Emission Control Areas (ECA) macht den Einsatz von Gasmotoren jedoch auch für andere Schiffs-typen interessant, da die NOx- und SOx-Emissionslimits ohne aufwändige Abgasnachbehandlung unterschritten werden. Dies zeigt die zunehmende Anzahl von Schiffen mit Gasantrieb (Abb. 8). Eine weitere Motivation ist der von der IMO eingeführte „Energy Efficiency Design Index“, der die Treibhausgasemissionen von Schiffen reglemen-tiert, und nicht zuletzt die prognostizierte günstige Preis-entwicklung von LNG gegenüber den ölbasierten Marine-kraftstoffen. Voraussetzung für die mobile Anwendung ist die Verfügbarkeit einer entsprechenden LNG-Infrastruktur in den Häfen. Diese ist in den relevanten Küstengebieten im Aufbau und ebenfalls für Flussrouten geplant.

Abb. 9 zeigt die Wirkungsgrade von z. Z. im Markt befindlichen 4-Takt-Gasmotoren über dem Zylinder-durchmesser. Das Konzept mit offenem Brennraum wird für Bohrungen bis max. 260 mm eingesetzt, aller-dings werden ab 200 mm zur Beherrschung der großen Flammenwege in der Regel zusätzliche Hilfsmittel wie z. B. Kammer-Zündkerzen verwendet. Stöchiometrische Konzepte finden sich im Wesentlichen in robusten Appli-kationen mit der Forderung nach niedrigen Emissionen und einfacher Regelbarkeit, wobei die prinzipbedingten relativ niedrigen Wirkungsgrade in Kauf genommen wer-den. Hohe Wirkungsgrade werden nur mit Magerkon-zepten erreicht, die jedoch auch höhere Anforderungen

Abb. 8: Anzahl LNG betriebener Schiffe (ohne LNG Tanker)

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Abb. 9: Wirkungsgrade ausgeführter Gasmotoren

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Manufacturer DataFuel Tolerance up to 5% included (DIN ISO 3046/1)

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BaseOptimized (Stability)Optimized (Burning Rate)NOx-Limit

Knock-Limit

Bei der Brennverfahrensauslegung von Gasmotoren mit gespülter Vorkammer liegt der Entwicklungs-schwerpunkt auf der Vorkammergestaltung. Sowohl ihr Volumen als auch die Größe und Ausrichtung der Überströmkanäle bestimmen im Wesentlichen Entflam-mungsprozess und Verbrennung im Hauptbrennraum. Ziel ist zum einen die sichere und stabile Zündung des mageren Gemischs durch die austretenden Fackel-strahlen, zum anderen eine weiträumige Erfassung des Hauptbrennraums zur Sicherstellung einer schnellen Verbrennung mit geringer Klopfneigung. Abb. 10 zeigt die Abstimmung einer Vorkammer in unterschiedlichen Entwicklungsschritten. Im ersten Schritt erfolgt eine Optimierung hinsichtlich Verbrennungsstabilität. Durch

an das Brennverfahren stellen. Bereits im Bohrungs-bereich unter 200 mm zeigt das Konzept mit gasge-spülter Vorkammer deutliche Vorteile. Die für den Hauptbrennraum zur Verfügung stehende Zündener-gie wird durch die Zündung von fettem Gemisch in der Vorkammer und in den Hauptbrennraum austretende Fackelstrahlen verstärkt und liefert damit eine sichere Entflammung auch magerster Gemische. Daraus resul-tiert das höchste Wirkungsgradpotenzial bei limitierten NOx-Emissionen. Die dargestellten Dual-Fuel-Konzepte bieten zum einen die Möglichkeit des annähernd reinen Gasbetriebs, wobei die Zündung durch eine Kleinstmen-ge Diesel erfolgt, zum anderen ermöglichen sie einen Betrieb mit 100% Diesel. Bei diesen Konzepten wird in der Regel hinsichtlich der Verfahrensauslegung ein Kompromiss zwischen Gas- und Dieselbetrieb einge-gangen, und eine Wirkungsgradeinbuße gegenüber dem reinen Gas- bzw. Dieselmotor akzeptiert. Jedes der in den Streubändern dargestellten Konzepte erfordert eine spezifische Auslegung der für das Brennverfahren wich-tigen Parameter: Gemischbildung, Zündung, Ladungsbe-wegungsunterstützung, Brennraumform.

Das Konzept mit offenem Brennraum benötigt für den zuverlässigen Magerbetrieb eine optimierte Gemisch-bildung, die Inhomogenitäten im Brennraum weitgehend eliminiert. Die Zündung muss für mageres Gemisch und hohe Zylinderdrücke ausgelegt sein und genügend Reserven aufweisen, um den durch Verschleiß wach-senden Elektrodenabstand zu kompensieren und somit akzeptable Zündkerzenwechselintervalle zu realisieren. Die Steuerung der Verbrennung erfolgt über die Ab-stimmung von Einlasskanalgeometrie und Brennraum-form mit dem Ziel einer optimalen Unterstützung der Verbrennung durch Turbulenz. Das bereits im Artikel über Nutzfahrzeug-Gasmotoren als Maßnahme zur Beherrschung hoher Abgas-Rückführraten beschrie-bene FEV ATAC-Konzept eignet sich gleichermaßen für Magerverfahren mit offenem Brennraum. Die beschrie-bene Funktionsweise liefert die Voraussetzung für niedrigste NOx-Emissionen, hohe Leistungsdichte und hohen Wirkungsgrad.

Abb. 10: Brennverfahrensoptimierung an einem Gasmotor mit gespülter Vorkammer

Abb. 11: FEV Charge Motion Design (Courtesy of MAN Diesel & Turbo SE)

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Impressum

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von einlassseitig generierter Ladungsbewegung (Tumble), Brennraumform (Piston) und Vorkammer-geometrie (Pre) wird die sehr gute Korrelation zwischen gemessener und simulierter Brenndauer demonstriert.

Dual-Fuel-Konzepte entstanden ursprünglich aus der Überlegung heraus, günstiges oder lokal verfügbares Erdgas als Energiequelle zu nutzen, jedoch im Notfall auf einfacher speicherbaren flüssigen Kraftstoff zurück-greifen zu können. Durch die geplante Einführung von IMO 3 bietet der Dual-Fuel-Motor als Schiffsantrieb die Möglichkeit, weiterhin HFO als Hauptkraftstoff einzu-setzen und die in ECAs geltenden Emissionslimits im Gasbetrieb ohne Abgasnachbehandlung einzuhalten. Für optimierte Dual-Fuel-Konzepte hat sich die Aus- legung mit 2 Einspritzsystemen für den flüssigen Kraft-stoff durchgesetzt. Eines dient als Pilotsystem zur Zün-dung des mageren Gasgemischs, das andere zum Be-trieb mit flüssigem Kraftstoff (MDO, HFO). Im Gasbetrieb mit sehr kleinen Pilotmengen (ca. 1% der Gesamtenegie) werden Emissionswerte erreicht, die denjenigen von Motoren mit elektrischer Zündung sehr nahe kommen.

Einfache Systeme, die zum Teil als Retrofit Lösungen angeboten werden oder zur kurzfristigen Überbrückung einer noch lückenhaften Gasinfrastruktur dienen sollen, übernehmen weitgehend einen Basis-Dieselmotor und statten diesen mit einer Gaseinblasung aus. In Abb. 12 ist das grundsätzliche Betriebsverhalten einer derartigen Auslegung dargestellt. Da das Einspritzsystem nicht wie ein Pilotsystem für Kleinstmengen ausgelegt ist, liegt der minimale Dieselanteil bei ca. 15%. Niedrige Lasten bedingen reinen Dieselbetrieb. Um ein entflammbares Gas-Luftgemisch sicherzustellen, muss im Teillast- betrieb das Luftverhältnis durch Androsselung reduziert werden, der Gasanteil ist limitiert. Bei hoher Last verhin-dert auftretendes Klopfen die Möglichkeit, den Motor mit hohen Gasraten zu betreiben. Ein grundsätzliches Problem sind hohe Methan-Emissionen, die aufgrund ihres Treibhauspotenzials sehr kritisch zu bewerten sind. Eine Optimierung dieser Konzepte hinsichtlich höherer Gasanteile, Wirkungsgrade und niedrigerer Abgasemis-sionen ist im Wesentlichen von der Leistungsfähigkeit des Diesel-Einspritzsystems abhängig. Speziell auf die-sen Anwendungsfall ausgelegte Systeme versprechen hier zukünftiges Verbesserungspotenzial.

die richtige Kombination von Vorkammervolumen und Überströmquerschnitten wird eine stabile Entflammung des Hauptbrennraums mit geringen zyklischen Schwan-kungen realisiert. Gleichzeitig kann durch die geringere Klopfempfindlichkeit bei gleichen NOx-Emissionen der Wirkungsgrad verbessert werden. Ein weiterer Optimie-rungsschritt ist die Brennverlaufsformung durch die Ausrichtung der Überströmbohrungen. Eine verbesserte räumliche Erfassung des Hauptbrennraums durch die austretenden Fackelstrahlen erlaubt durch eine Ver-kürzung der Brenndauer und klopffreien Betrieb eine zusätzliche Wirkungsgradsteigerung. Dabei unterstützt die Methode des „Charge Motion Designs“ (CMD). Diese bei FEV insbesondere im Entwicklungsprozess von konventionellen Ottomotoren seit längerem etablierte Methode wird erfolgreich auch bei Vorkammer-Gasmo-toren angewendet (Abb. 11). Es handelt sich um einen integrierten Ansatz zur Auslegung von Ladungsbewe-gung, Brennraumform und Vorkammercharakteristik. Da das Brennverhalten des Motors im Wesentlichen von der Zylinderinnenströmung bestimmt wird, basiert CMD auf der CFD-Simulation von Strömungsfeld und Turbulenz- niveau im Brennraum. Diese werden durch die Ein-lassströmung, die Kolbenbewegung und die aus der Vorkammer austretenden Fackelstrahlen definiert. Ein theoretischer Ansatz zur Flammenkernbildung sowie eine korrelationsbasierte Vorhersage für den 5%-90% Brenn-stoffumsatz liefern ohne detaillierte Verbrennungsrech-nung die relevanten Größen zur Brennverfahrensaus- legung und -optimierung. Am Beispiel einer Variation

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Abb. 12: Dual-Fuel-Konzept mit Einzel-Diesel-Injektor, Beispiel Marine-Applikation

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