Skriptum

Grundlagen Gasmotoren

Dr. DI Günther Herdin

Koautor: DI Rüdiger Herdin

1. Inhaltsverzeichnis

1. Inhaltsverzeichnis................................................................................................. 2

2. Historischer Rückblick und Allgemeines .............................................................. 4

3. Kraftstoffe ............................................................................................................. 5

3.1. Klassifikation der Kohlenwasserstoffe ........................................................... 6

3.1.1. Alkane (Grenzkohlenwasserstoffe, früher Paraffine)(2): CnH2n+2 ............ 6

3.1.2. Alkene (früher Olefine)(3): CnH2n ............................................................ 7

3.1.3. Cycloalkane (Cyclane, früher: Naphthene, Cycloparaffine)(4): CnH2n ..... 7

3.1.4. Aromaten(5): ........................................................................................... 8

3.1.5. Alkohole (Alkanole)(6): R-OH (R = Alkyl Rest) ........................................ 8

3.2. Methanzahl .................................................................................................... 8

3.2.1. Ermittlung der Methanzahl mehrerer Komponenten ............................... 9

3.2.2. Laminare Flammengeschwindigkeit ...................................................... 10

3.2.3. Wobbeindex .......................................................................................... 11

3.3. Klopfverhalten und Magergrenze................................................................. 12

4. Gemischbildung ................................................................................................. 14

4.1. Allgemeines ................................................................................................. 14

4.2. Gasmischertypen ......................................................................................... 16

4.3. Gasdruckregel- und Sicherheitseinrichtungen ............................................. 22

5. Verbrennungsverfahren ..................................................................................... 23

5.1. Zündungskonzepte ...................................................................................... 25

6. Ladungswechsel und Aufladung ........................................................................ 30

7. Zündung ............................................................................................................. 34

7.1. Stand der Technik ....................................................................................... 34

7.2. Potenziale und Zukunftsprojekte bei der Zündung ...................................... 37

7.2.1. Laserzündung ....................................................................................... 37

7.3. Coronazündung ........................................................................................... 39

3

8. Emissionen und Regelungskonzepte ................................................................. 41

8.1. Emissionen: ................................................................................................. 41

8.2. Regelungskonzepte: .................................................................................... 42

8.2.1. Lambda=1: ............................................................................................ 42

8.2.2. Magermotor Regelung mit Magersonde ................................................ 42

8.2.3. Brennraumtemperaturerfassung (TEM) ................................................ 42

8.2.4. Leanox .................................................................................................. 43

8.2.5. Ionenstromsensor ................................................................................. 44

8.2.6. Zylinderdruckmessung .......................................................................... 44

9. Abgasnachbehandlung ...................................................................................... 45

9.1. 3-Wege Katalysator ..................................................................................... 45

9.2. Oxidationskatalysator .................................................................................. 46

9.3. SCR Technologie ........................................................................................ 46

9.4. Thermische Nachoxidation .......................................................................... 47

10. Motorbauteile .................................................................................................. 48

10.1. Kolbentypen ............................................................................................. 48

10.2. Brennraumgeometrie ................................................................................ 50

10.3. Klopfsensor .............................................................................................. 52

11. Literaturnachweis ............................................................................................ 53

12. Abbildungsverzeichnis .................................................................................... 54

4

2. Historischer Rückblick und Allgemeines

Die ersten Motoren mit Fremdzündung (Ottomotoren) waren Gasmotoren. Als

Kraftstoff wurde ein aus Kohle oder Holz gewonnenes Gas (Generatorgas)

eingesetzt. Die erreichten Mitteldrücke und Wirkungsgrade waren im Vergleich zum

heutigen Stand der Technik bescheiden. Erst später wurde durch die Motorfahrzeuge

auf einen leichter zu speichernden, flüssigen Kraftstoff, der Weg zum "Benzinmotor"

gefunden. Der Gasmotoren geriet daher nahezu in Vergessenheit. Erst durch die

Potentialausschöpfung der sogenannten Magergemischverbrennung konnte der

Gasmotor gegenüber dem Dieselmotor, speziell in der Stromerzeugung, wieder

aufholen. In der Abbildung 1 sind dazu die erreichten Wirkungsgrade den Leistungen

der einzelnen Techniken gegenübergestellt. Der größte Vorteil des Gasmotors

gegenüber dem Dieselmotor ist durch die ausgezeichneten Emissionen gegeben.

Abbildung 1: Wirkungsgrade verschiedener Konzepte in Abhängigkeit der

installierten Leistung(1)

Lange Zeit beherrschten auch die Gasturbinen im Leistungssegment von 1-3 MW

den Markt für Industrielle Energieerzeugung. Durch den immer wichtiger werdenden

Aspekt des Wirkungsgrades, der über den Verbrauch und die Kraftstoffkosten mit

den Betriebskosten der Anlage gekoppelt ist, ergaben sich in diesem

Leistungssegment schnell klare Vorteile für den Gasmotor, vor allem dann, wenn die

elektrische Leistung im Vordergrund stand.

0

10

20

30

40

50

60

70

0,1 1 10 100 1000

eff

icie

ncy [

%]

power [MW]

gas turbine

combined cycle

gas engine

diesel engine

5

3. Kraftstoffe

Die allgemeinen Definitionen für die Verbrennungsrechnung gelten wie bei flüssigen

Kraftstoffen.

Auszug aus der Nomenklatur:

Ho oberer Heizwert [kJ/kg] ([kJ/m³])

Hu unterer Heizwert [kJ/kg] ([kJ/m³])

Dichte [kg/m³]

Lmin Min. Luftbedarf zur vollständigen Verbrennung []

v Verbrennungsluftverhältnis []

Für gasförmige Kraftstoffe sind zusätzlich zu beachten:

Wobbe Index [J/m³]

Dichte des Brenngases [kg/m³]

D Dichte trockener Luft [kg/m³]

w laminare Flammengeschwindigkeit [m/s]

u, o untere, obere Zündgrenze []

MZ Methanzahl []

Ta Selbstentzündungstemperatur [°C]

Gemischheizwert [kJ/m³]

6

3.1. Klassifikation der Kohlenwasserstoffe

Die Kohlenwasserstoffe lassen sich nach der Struktur ihrer Bindung ordnen.

3.1.1. Alkane (Grenzkohlenwasserstoffe, früher Paraffine)(2): CnH2n+2

Name Formel Kugelstabmodell

Methan CH4

Ethan C2H6

Propan C3H8

n-Butan C4H10

... ... ...

n-Oktan C8H18

iso-Oktan C8H18

Tabelle 1: Alkane

Ab dem Butan muss zusätzlich auf die Art der C-Bindung geachtet werden. Neben

den in Reihe angeordneten C-Atomen (Normal-Bindung) kann auch eine

Verzweigung (Isomer-Bindung) auftreten. Diese Isomere haben die gleiche molare

Masse, aber unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Auf diese Gegebenheiten

muss speziell bei der Verwertung von Chemieabfallgasen in Gasmotoren Rücksicht

genommen werden. Stellvertretend für die unterschiedlichen physikalischen

Eigenschaften der n/iso Verbindungen ist in der nachstehenden Tabelle die Situation

bei Butan dargestellt.

7

C4H10

u

Gas in

Luft

[% Vol.]

o

Gas in

Luft

[% Vol.]

Selbstentzündungs-

temperatur

[K]

Molare

Masse

M

[kg/kmol]

Dichte

[kg/m³]

Siedepunkt

@101,325

kPa

[K]

iso-Butan 1,8 8,4 733 58,123 2,689 261,43

n-Butan 1,9 8,5 678 58,123 2,701 272,65

Tabelle 2: Unterschiede n/iso-Butan

3.1.2. Alkene (früher Olefine)(3): CnH2n

Name Formel Kugelstabmodell

Ethen C2H4

Propen C3H6

n-Buten

(cis/trans/iso) C4H8

... ... ...

Tabelle 3: Alkene

3.1.3. Cycloalkane (Cyclane, früher: Naphthene, Cycloparaffine)(4): CnH2n

Name Formel Kugelstabmodell

Cyklopropan C3H6

Cyklobutan C4H8

Cyklopentan C5H10

Cyklohexan C6H12

... ... ...

Tabelle 4: Cycloalkane

8

3.1.4. Aromaten(5):

Name Formel Kugelstabmodell

Benzen C6H6

Toluen C7H8

... ... ...

Tabelle 5: Aromaten

3.1.5. Alkohole (Alkanole)(6): R-OH (R = Alkyl Rest)

Name Formel Kugelstabmodell

Methanol CH3OH

Ethanol (Äthanol) C2H5OH

... ... ...

Tabelle 6: Alkohole

3.2. Methanzahl

Die Methanzahl (MZ) wird definiert durch das volumetrische Mischungsverhältnis von

Methan (MZ = 100) bzw. Wasserstoff (MZ=0) und gibt damit direkt Aufschluss über

die Klopffestigkeit des Gases. Eine Zahl nahe 100 bedeutet eine hohe bzw. eine Zahl

nahe 0 eine niedrige Klopffestigkeit. Ein Gemisch von 20 % H2 und 80 % CH4 hat

demnach eine Methanzahl von 80. Sehr wichtig ist, dass diese Definition bei einem

Lambda von 1 festgelegt wurde. Die Methanzahl von anderen Gasen wurde durch

eine Arbeit von Cartellieri und Pfeifer an einem CFR Einzylindermotor

versuchstechnisch erfasst. (7)

Die nachstehende Tabelle zeigt die Methanzahlen, das Lmin und den Hu der

wichtigsten Gase.

9

Brennstoff Bezeichnung MZ Lmin

[Nm³L/Nm³]

Hu

[kWh/Nm³]

H2 Wasserstoff 0 2,379 2,996

CH4 Methan 100 9,537 9,971

C2H4 Ethylen 15 14,39 16,521

C2H6 Ethan 43,7 16,85 17,89

C3H8 Propan 33 24,24 26,00

C4H10 Butan 10 32,26 34,34

CO Kohlenmonoxid 75 2,381 3,51

Tabelle 7: Methanzahlen wichtiger Gase

3.2.1. Ermittlung der Methanzahl mehrerer Komponenten

Bei Gasgemischen von jeweils 3 Komponenten kann die Methanzahl durch

sogenannte Dreiecksdiagramme bestimmt werden. Das Lesen der Diagramme ist in

Abbildung 2 dargestellt.

Punkt P repräsentiert das

Gemisch der

prozentuellen Anteile

a, b, c der Komponenten

A, B, C

Zweidimensionales

Diagramm welches alle

Gemische mit derselben

Klopfgrenze auf der

eingezeichneten Linie

zeigt

Dreidimensionales

Diagramm: Die

Klopfgrenze jedes

Gemisches wird auf der

vertikalen Achse

dargestellt

Abbildung 2: Aufbau eines Dreiecksdiagrammes

10

Die Abbildung 3 zeigt das Dreiecksdiagramm möglicher Zusammensetzungen von

Klärgas.

methan number lines

test conditions:

n=900 rpm , Ignition= 15°BTDC, =1

CFR / RDH engine

knocking resistance: KI=50 const, LWOT

Abbildung 3: Dreiecksdiagramm von Methan, CO2 und N2

Seit der Verfügbarkeit des Computers werden am Markt Berechnungsprogramme

verschiedener Softwarehersteller angeboten. In Europa wird hauptsächlich das von

der AVL entwickelte Programm eingesetzt. Sehr wichtig bei der Anwendung in

Zusammenhang mit H2 ist, dass je nach dem Gehalt an Wasserstoff der

Betriebspunkt zur "mageren" Seite verschoben werden kann und damit eine

klopffreie Verbrennung stattfindet. Die Rechnung bezieht sich wie oben angeführt auf

Lambda 1 und gibt somit ein nicht korrektes Klopfverhalten an.

3.2.2. Laminare Flammengeschwindigkeit

Die laminare Flammengeschwindigkeit gibt an, mit welcher Geschwindigkeit sich die

Flamme bei laminaren Strömungsverhältnissen ausbreitet. Im Bereich der

stöchiometrischen Verhältnisse ist die laminare Flammengeschwindigkeit am

größten, mit zunehmendem Abmagern des Gemisches wird die laminare

Flammengeschwindigkeit zunehmend langsamer. Ebenso ist dieser Effekt auch bei

dem Anfetten des Gemisches festzustellen. Die verschiedenen Brenngase haben ein

unterschiedliches Verhalten (siehe Abbildung 4).

11

Abbildung 4: Einfluss des Lambdas auf die laminare Flammengeschwindigkeit

verschiedener Gase

3.2.3. Wobbeindex

Der Wobbeindex ist der Quotient aus dem Brennwert oder Heizwert und der

Quadratwurzel der relativen Dichte. Die relative Dichte ist der Quotient aus der

Dichte des Brenngases und der Dichte trockener Luft unter gleichen Druck- und

Temperaturbedingungen.

Formel für den oberen Wobbeindex:

Formel für den unteren Wobbeindex:

Die Einheit des Wobbeindex ist J/m³ oder kWh/m³, analog der Einheit des Heiz- bzw.

Brennwertes.

0

20

40

60

80

100

120

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

lam

inar

flam

e s

pee

d [

cm

/s]

AF-ratio Λ

coke gas

pyrolysis gas

bio gas

natural gas wood gas

12

Stoff Ws [MJ/m³] Wi [MJ/m³]

Wasserstoff, H2 48,34 40,90

Methan, CH4 53,45 48,17

Propan, C3H8 81,18 74,74

Verbund Erdgas Nord 51,55 46,54

Russisches Erdgas 53,21 47,97

Biogas (65 Vol% CH4) 28,44

Tabelle 8: Wobbeindex verschiedener Brenngase

Der Wobbeindex wird benötigt, um die Austauschbarkeit von Brenngasen zu

beurteilen. Brenngase mit gleichem Wobbeindex ergeben bei gleichem Düsendruck

die gleiche Wärmebelastung im Brenner. Die Brennerdüse muss in diesem Fall nicht

ausgetauscht werden.

Wenn zum Beispiel Erdgas durch ein Propan/Luft-Gemisch ersetzt werden soll, reicht

es nicht aus, eine Mischung mit gleichem Heizwert zu erzeugen. Da dieses Gemisch

eine andere Dichte hätte, würde durch den Brenner eine andere Menge strömen und

sich dadurch ein anderer Energieumsatz ergeben. Durch das Einbeziehen der Dichte

ergibt sich jedoch genau der Volumenstrom, der nötig ist um die gleiche

Energiemenge durchzusetzen.

Wichtig für die Anwendung bei Gasmotoren ist, dass der Wobbeindex in diesem

Anwendungsbereich nicht relevant ist. Dieser hat seine wesentliche Anwendung bei

ungeregelten und fix eingestellten Brennern.

3.3. Klopfverhalten und Magergrenze

Im Bereich der stöchiometrischen Verbrennungsführung wird die Leistung durch

Klopfgrenzen beschränkt. Die maximal mögliche Leistung ist je nach dem

verwendeten Kraftstoff (Methanzahl) unterschiedlich. Bei sehr mageren Bedingungen

wird das Fenster für die möglichen Mitteldrücke zu höheren Werten verschoben. Es

stellt sich dann auch die Magergrenze ein, diese Grenze wird durch das nicht mehr

zündbare Brennstoff/Luftgemisch (zu großer Luftüberschuss) bestimmt. Die

Abbildung 5 zeigt diese Effekte.

13

Abbildung 5: Klopfgrenze und Magergrenze (Quelle: Wärtsilä)

14

4. Gemischbildung

4.1. Allgemeines

Wie gemäß Tabelle 8 auf Seite 12 leicht nachvollzogen werden kann, ist die korrekte

Einstellung des erforderlichen Kraftstoff/Luftverhältnisses bei den Gasmotoren

wesentlich schwieriger als bei den Motoren mit flüssigen Kraftstoffen

(Heizwertunterschied ca. 5%). Die verschiedenen Heizwerte stellen vor allem beim

"Zweigasbetrieb" hohe Anforderungen an die Gemischbildungseinheit. Den höchsten

Heizwert (Hu) der in Gasmotoren genutzten Brennstoffe hat Butan mit 34,3 kWh/Nm3,

als niedrigstes Einzelgas wird Wasserstoff mit 2,99 kWh/ Nm3 verwendet. Das sind

Heizwertunterschiede bei Einzelkomponenten von mehr als Faktor 11. Eine weitere

Verschärfung ist durch die Nutzung von Gasgemischen mit Inertgasen, wie CO2 und

N2 gegeben. Die "schwächsten" von Gasmotoren verwertbaren Gasgemische haben

bei ausreichendem H2–Anteil Heizwerte um 0,5 kWh/ Nm3, d.h. der Unterschied

"Schwach- zu Starkgas" kann bis zu 1:60 betragen. Diese großen Unterschiede

müssen noch mit den physikalischen Eigenschaften der Brennstoffe gepaart werden.

Bei stöchiometrischer Verbrennung wird der Mindestluftbedarf bei vollständiger

Verbrennung angegeben (Abbildung 6).

Abbildung 6: Luftbedarf zur stöchiometrischen Verbrennung verschiedener Gase

2,37 4,77

9,35

24,2

32,2

0

5

10

15

20

25

30

35

H2 landfill gas CH4 C3H8 C4H10

(50% CH4)

[m³ air/m³ gas]

15

Die Unterschiede zum Heizwert ergeben sich aus den differierenden C- und H2–

Anteilen. Ein weiteres Kriterium der Brenngase ist durch die Zündgrenzen (Abbildung

7) gegeben. Die Zündgrenzen geben an, innerhalb welcher unter- bzw.

überstöchiometrischen Luftverhältnisse eine Zündung erfolgen kann. Wasserstoff hat

die weitesten Zündgrenzen. Methan hat einen relativ kleinen Zündbereich. Für die

Entflammungsbedingungen im Brennraum ist es daher wesentlich, die

Gemischbildungsvorgänge genau zu verstehen und damit entsprechende

Maßnahmen setzen zu können. Wird Wasserstoff als Brennstoff benutzt, sind die

Anforderungen an die gemischbildende Einheit vergleichsweise bescheiden.

Abbildung 7: Zündgrenzen verschiedener Gase

Bei Erdgas sind die Anforderungen an die Homogenität vor allem beim extremen

Magerbetrieb sehr hoch. Die gemischbildende Einheit kann bei den Gasmotoren vor

oder nach dem Verdichter der Aufladegruppe angeordnet sein. Die Anordnung auf

der Saugseite (Abbildung 8) hat den Vorteil, dass nur ein sehr kleiner Druck

anstehen muss, wie es z.B. bei Klär- oder Deponiegas (30-100 mbar) der Fall ist.

0,1

1

10

0,14

9,83

AF-ratio []

H2 CH4 CO C3H8

0,59

1,95

2,94

0,14

0,33

2,04

16

Abbildung 8: Gasmischer vor dem Verdichter (Saugseite)

Abbildung 9: Gasmischer nach dem Verdichter (Druckseite)

Ein weiterer Nutzen entsteht durch die Homogenisierung des Gemisches im

Verdichter, so dass bei V-Motoren jede Reihe ein exakt gleiches Lambda erhält. Wird

der Gasmischer auf der Druckseite (p2) angeordnet (Abbildung 9), ist ein

entsprechend höherer Gasvordruck notwendig, der fallweise über einen eigenen

Gasverdichter erzeugt werden muss, außerdem ist die Gefahr eines

durchschlagenden fetten Strömungsfadens immer gegeben und es ist dann

zweckmäßig, dem Gasmischer eine homogenisierende Einheit nachzuschalten.

4.2. Gasmischertypen

Bei Motoren mit geringen Emissionsanforderungen wird häufig der „variable

restriction“ Gasmischer (Impco) verwendet. Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 10

dargestellt. Die Besonderheit dieses Typs ist das "gas metering valve", dessen

äußere Form einen massenstromabhängigen Lambdaverlauf relativ einfach erreichen

lässt. Wird eine andere Charakteristik gewünscht, so wird die Form des „gas

metering valves“ dem erforderlichen Lambdabedarf angepasst. Eine weitere

17

Eingriffsmöglichkeit ist durch die Festlegung der in der Vakuumkammer befindlichen

Feder gegeben. Dieser Gasmischertyp kann auf der Saugseite oder der Druckseite

eingesetzt werden. Als wesentlicher Vorteil dieses Typs ist die einfache Mechanik zu

nennen, da kein elektronisches Stellglied vorhanden ist. Der Nachteil ist jedoch eine

entsprechend der Geometrie fixierte Einstellung und damit ein bestimmtes Lambda

während des Einstellvorganges. Für Anforderungen, die nicht der TA-Luft

entsprechen, wie z.B. US-2g NOx/hph reicht dieses einfache Konzept aus. Mit

diesem Konzept ist kein Regeleingriff zur Kompensation variabler Heizwerte bzw.

sich verändernden Umgebungsbedingungen (Ansaugtemperatur und Luftdruck)

möglich.

Abbildung 10: variable restriction carburator (IMPCO)

Für moderne Gasmotoren mit hohen Mitteldrücken ist bei diesem Gasmischertyp der

Trade-Off von Massendurchsatz und Widerstand am ungünstigsten.

Ein weiteres, weit verbreitetes Gasmischkonzept, stellt der Venturimischer

(Abbildung 11) dar. Das notwendige Lambda wird dabei durch Anpassung des

Gasvordruckes an die Eintrittsquerschnitte eingestellt. Der Regelungseingriff erfolgt

über ein Drosselorgan (main adjustment screw) in der Gaszuführung. Von den

verschiedenen Herstellern werden die unterschiedlichsten Möglichkeiten der

Gaszuführung zum Düsenquerschnitt angeboten, am häufigsten erfolgt die

Gaszuführung über einen außen liegenden Verteilerring. Der Vorteil dieses

18

Mischertyps liegt in den relativ einfach zu optimierenden Druckverlusten, so dass

dieser Mischertyp auch für hohe Mitteldrücke eingesetzt werden kann.

Abbildung 11: Venturi Mischer

Das dritte verbreitete Grundkonzept ist der „Orifice“-Mischer, wo das Lambda über

das Flächenverhältnis Luft zu Gasquerschnitt eingestellt wird (Abbildung 12). Die

Grundidee ist bereits relativ alt (1925) und wurde von der Ruhrgas Mitte der 80er

Jahre aufgegriffen und auf den heutigen Stand gebracht (Markenname: HOMIX)

Abbildung 12: orifice carburetor (HOMIX)

Für Magermotoren hat dieses Konzept den Vorteil, dass mit relativ geringem

Aufwand das Flächenverhältnis Luft/Gas im Betrieb nachgestellt werden kann. Dieser

Gasmischertyp erfordert immer einen Druckregler (Nulldruckregler), der die

19

Druckverhältnisse in der Gaszuführung dem Druck im Saugrohr vor dem Verdichter

anpasst. Als neueste Entwicklung bei den Gasmischern ist das TecJet System zu

nennen. Die Funktionsweise ist in Abbildung 13 (TecJet – erste Generation) gezeigt.

Dieses Konzept hat den Vorteil, dass große Heizwertunterschiede und diverse

Regeleingriffe in sehr kurzer Zeit (100 ms) ausgeregelt werden können. Das Konzept

mit dem axial verschiebbaren Stellkolben wurde bei der Überarbeitung gegen eine

sehr fein verstellbare Drosselklappe ersetzt (Abbildung 14).

Abbildung 13: Gasregeleinrichtung „TecJet“

Abbildung 14: Neue Generation der Woodward TecJet Lösung

20

Bei großen Gasmotoren gibt es auch die Möglichkeit die Gemischbildung unmittelbar

vor dem Einlassventil (port injection) durchzuführen. Ab Zylinderhubräumen größer

als 10 l wird dieses Konzept mit der Kombination einer gespülten Vorkammer bei

mehreren Gasmotorherstellern eingesetzt (Abbildung 15). Das Einblaseventil kann

mechanisch über den Ventiltrieb betätigt (gas admission valve) oder elektrisch

gesteuert werden. Die Homogenität des Gas/Luftgemisches entspricht jedoch nicht

der für die optimale Verbrennung gewünschten Qualität.

exhaust valve

inlet valvegas injection valve

Abbildung 15: Anordnung des Gaseinblaseventils vor dem Einlassventil

Die Abbildung 16 zeigt moderne Einblaseventile für das Saugrohr der Fa. Woodward.

Ein weiterer Anbieter dieser Technologie ist die Firma Heinzmann (Megasol), der

Einblasevorgang erfolgt durch die elektronische Ansteuerung eines Plattenventiles

während des Ansaugtaktes. Dieser Vorgang ist in Abbildung 17 im Fall einer

„Sogav“ Anwendung gezeigt.

21

Abbildung 16: Gaseinblaseventile (Woodward – Sogav 43)

Abbildung 17: Taktung Einblasevorgang

Mit Hilfe der Vorkammerzündung wird dieser Mangel teilweise ausgeglichen. Für

hohe Emissionsanforderungen erzwingt dieses Konzept eine Einzelzylinderregelung.

Toleranzen der betroffenen Bauteile (Durchflussbeiwerte, Geometrien usw.)

beeinflussen das Lambda und zur Gleichstellung ist ein vom Lambda abhängiges

Signal (z.B. Brennraumtemperatur, Ionenstrom oder anderes) erforderlich. Dieses

Konzept ist technisch zwar sehr elegant, jedoch kostenintensiv bzw. hat auch durch

die große Teileanzahl ein hohes Ausfallrisiko. Neben dem Nachteil der auftretenden

Inhomogenitäten benötigen alle auf der Druckseite gaszuführenden Verfahren einen

ausreichenden Versorgungsdruck von 3 bis 6 bar, der speziell bei Biogasanlagen

nicht vorhanden ist.

22

4.3. Gasdruckregel- und Sicherheitseinrichtungen

Um das in den Gasnetzen vorhandene Druckniveau an die bei dem Gasmotor

verwendete Gemischbildung anzupassen ist eine sogenannte Gasregelstrecke

erforderlich. Der grundsätzliche Aufbau, ist in Abbildung 18 gezeigt. Neben der

Funktion der Druckanpassung sind in die Gasregelstrecke auch die

vorgeschriebenen Sicherheitsfunktionen integriert.

Abbildung 18: Typische Gasregelstrecke für Gasmotoren

23

5. Verbrennungsverfahren

Wie in Abbildung 19 gezeigt, hat das Luftverhältnis auf die NOX–Entstehung einen

signifikanten Einfluss. Um den heutigen Anforderungen der TA-Luft zu entsprechen,

können verschiedene Wege eingeschlagen werden. Weiters sind in Abbildung 19 die

möglichen Konzeptgrenzen eingetragen. Der kleinste sinnvolle NOx–Wert bei der

Anwendung der Magerverbrennung liegt bei 250 mg NOx/Nm3. Werte darunter

können zwar kurzzeitig gefahren werden, sind jedoch in Serie derzeit nicht

darstellbar. Der "Schwellwert" von 250 mg NOx/Nm3 gilt auch für Biogase, wobei in

diesem Fall auf eine hohe Konstanz des CH4 –Anteiles geachtet werden muss. Kann

der CH4–Wert aus prozesstechnischen Gründen nicht konstant gehalten werden

(z.B. bei Deponiegas ohne Zwischenpuffer), so liegt der mögliche Grenzwert bei

ca. 350 – 400 mg NOx/Nm3 (z.B. Grenzwert der Schweiz). Werte unter

250 mg NOx/Nm3 können praktisch nur mit dem Lambda=1-Konzept oder mit der

Anwendung der SCR-Technik (selektive katalytische Reduktion) eingehalten werden.

Abbildung 19: NOX-Verlauf über Lambda und Konzeptgrenzen der NOX-Minderungsverfahren

Für mit Schadstoffen (Cl, F, Si, H2S u.a.) beladene Biogase bleibt nur die Möglichkeit

Magermotoren einzusetzen, da die genannten Elemente Katalysatorgifte darstellen

und den Katalysator kurzfristig außer Funktion setzen. Die Anforderungen an den

24

Gasmischer und die Meßsignale sind speziell bei stöchiometrischen

Verbrennungsverfahren sehr groß. Im Falle der Lambda=1-Technik ist es für den 3-

Wege Katalysator erforderlich, das Verbrennungsluftverhältnis im sogenannten

Lambda-Fenster von 0,980 – 0,991 konstant zu halten. Bei einer allfälligen

Kombination der Magertechnologie mit SCR ist bei gleichen Emissionen der

Regelungsbereich auch bei den sogenannten "open loop"-Steuerungen um etwa den

Faktor 15 günstiger. Für die Einhaltung des Lambdafensters ist unbedingt eine

"closed loop"-Regelung mit einem Lambda-Sensor im Abgastrakt erforderlich.

Neben dem konventionellen Lambda=1-Konzept ist auch eine Variante mit

Abgasrückführung und Aufladung möglich. Dieses Konzept hat mehrere Vorteile. So

wird einerseits durch die Abgasrückführung die Rohemission von NOX auf ungefähr

die Hälfte reduziert bzw. andererseits die Bauteilbelastung wesentlich abgesenkt, so

dass über die Aufladung die Mitteldrücke angehoben werden können.

Die Problemkreise der Lambda=1-Technik bestehen in den hohen Anforderungen an

den 3-Wege-Katalysator, an die Zünd- und Gemischregeleinrichtung sowie an die

Reife des Triebwerkes (Ölverbrauch). Der Katalysator muss die NOx-Emissionen zu

99% umsetzen, um die Limits einzuhalten. Wurde z.B. durch den Ölverbrauch und

den daraus entstehenden Ölaschen die Wirksamkeit des Katalysators reduziert oder

ist durch einen Wartungsmangel an den Zündkerzen (Zündspulen) eine thermische

Schädigung der Katalysatoroberfläche eingetreten, so tritt in Folge ein Vielfaches der

NOx-Emission der Magermotoren auf. Bei Lambda=1-Motoren sind daher die

Service- und Wartungskosten entsprechend höher anzusetzen.

Im Wesentlichen konnten sich die Magermotoren speziell wegen der spezifischen

Kosten und des besseren Wirkungsgrades weltweit gegenüber den Lambda=1

Motoren durchsetzen. Die Abbildung 20 zeigt dazu den Vergleich der verschiedenen

Wirkungsgrade.

25

Abbildung 20: Wirkungsgradvergleich der verschiedenen Verbrennungskonzepte

5.1. Zündungskonzepte

Bei den fremdgezündeten Gasottomotoren werden zwei grundsätzlich verschiedene

Zündungskonzepte unterschieden. Bei den schnelllaufenden Motoren (n=1500 min-1)

bis ca. 170 mm Bohrungsdurchmesser wird, bis auf wenige Ausnahmen, die in

Abbildung 21 (links) dargestellte Direktzündung verwendet. Im Wesentlichen

entspricht dieses Konzept auch den bei PKW-Otto-Motoren eingesetzten

Zündungskonzepten. Bei kleinerer Drehzahl (n=800-1200 min-1) und fetterer

Verbrennung (auch Lamda=1) ist die Flammengeschwindigkeit im Brennraum groß

genug, um auch dieses Konzept bis zu einem Bohrungsdurchmesser von 250 mm

einzusetzen. Für Magermotoren mit Bohrungsdurchmesser von 200 mm und größer

sind zur Einhaltung der geforderten NOx-Werte der TA-Luft, sogenannte

Vorkammerzündungskonzepte notwendig. In Abbildung 21 (rechts) ist dieses

Konzept schematisch dargestellt. Es wird hier der Brennraum in zwei Kammern

unterteilt und zwar

a) Hauptbrennraum

b) Vorkammer

26

Die Aufteilung der Vorkammer ist im Gegensatz zu den PKW-Vorkammer-

Dieselmotoren stark asymmetrisch (Hauptbrennraum größer als 95% des

Gesamtbrennvolumens). Weiters wird das Konzept der gespülten von der

ungespülten Vorkammer unterschieden.

Abbildung 21: Verbrennungsverfahren Direktzündung/Vorkammerzündung

Die gespülte Vorkammer wird mit einer eigenen Gaszuführleitung, die im

Allgemeinen die Vorkammer über ein selbsttätiges Schnüffelventil anfettet, versorgt.

Um die Zündung des Gemisches in der Vorkammer sicherzustellen, sollte das

Lambda der Vorkammer im Lambda=1 nahen Bereich sein. Das Luftverhältnis des

Hauptbrennraumes muss im Vergleich zu dem direktgezündeten Konzept wesentlich

magerer sein, um gleiche NOX-Werte zu erreichen. Bei der ungespülten Vorkammer

wird die Zündkerze von einer Kammer umgeben, die mit relativ kleinen

Schusskanälen (Übertrittsbohrungen) mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Bei

gleichen NOX-Emissionen ist das Lambda etwa um 0,2 fetter als beim vorher

genannten Konzept.

Dieselzündstrahl /Diesel-Gasmotor

Neben den über Zündkerzen (fremd) gezündeten Motoren kann die Zündung auch

über einen Dieselkraftstoffstrahl eingeleitet werden. Dieses Konzept hat den Vorteil,

dass bei Ausfall des Gases der Motor auch als Dieselmotor (vor allem für

Notstromanwendungen wichtig) betrieben werden kann. Der Motor wird als

Dieselmotor gestartet, um dann in Folge dem Luftstrom Gas als primären

27

Energieträger zuzumischen. Die Zündstrahlmenge beträgt bei Volllast ca. 5% bis

10% (energetisch). Das Haupteinsatzgebiet dieses Motorentyps ist da, wo große

Gasmengen mit geringen Heizwerten und schwerer Entflammbarkeit vorhanden sind.

Als Beispiel sind hier Gase mit hohen Inertgasanteilen zu nennen. Diesel-

Gasmotoren können die NOX-Grenzwerte nur mit SCR erreichen, da minimal NOX-

Rohemissionen von 1500 bis 2000 mg NOX/Nm3 erreicht werden können. Ein

weiterer Nachteil ist durch die dem Dieselmotor ähnlichen Partikelemissionen

gegeben. Der konventionelle Diesel-Gasmotor (Zündstrahlmotor) ist von den neuen

Konzepten mit Pilotzündstrahl (0,5 bis 1% Diesel) zu unterscheiden. Die Abbildung

22 zeigt hierzu das „AVL Glowplug“ Konzept wie es z.B. bei der Mitsubishi Mach 30

Serie eingesetzt wird.

Abbildung 22: AVL Glow Plug Mikropilot Konzept

Abbildung 23 zeigt das „HJ Schnell“-Konzept, bei dem mit elektronischer

Einspritztechnik der Zeitpunkt und die Zündstrahlmenge angepasst werden kann.

28

Abbildung 23: HJ Schnell Zündstrahl Motor

MAN B&W PGI

Ein neu auf dem Gasmotorenmarkt angebotenes Konzept (Abbildung 24) basiert auf

der Zündungseinleitung des Gas/Luftgemisches in der Vorkammer mit Hilfe eines

„Hotspots“. Als „Hotspot“ wird dabei ein Glühstift wie bei dem AVL Glow Plug

eingesetzt. An Stelle des Dieselkraftstoffes wir aber ein kleiner Teil (1 bis 3 %) des

primär im Hauptbrennraum verwendeten Gases verwendet. Kurz vor dem

gewünschten Zündbeginn wird über das Gaseinblaseventil in der Vorkammer der

kleine Teilstrom an Gas mit Drücken im Bereich von 230 bar eingeblasen. Durch die

Anfettung entzündet sich dann das Gas/Luftgemisch in der Vorkammer und der

Hauptbrennraum wird danach über die sich ausbildenden Fackeln entzündet.

Während des Startvorganges bzw. im Teillastbereich wird der Glühstift eingeschaltet,

wenn das System im Hochlastbereich arbeitet ist die Oberfläche des Glühstiftes

ausreichend heiß um auch den folgenden Arbeitstakt zu zünden. Der wesentliche

Vorteil des PGI Konzeptes ist, dass das für den Hochlastbereich kritische Element

der Zündkerze entfällt. Zusätzlich werden durch die konzeptionell bedingte sehr

magere Betriebsweise die NOX Emissionen sehr niedrig gehalten und Werte unter

250 mg/nm³@ 5% O2 sind gut darstellbar.

29

Abbildung 24: MAN B&W PGI

30

6. Ladungswechsel und Aufladung

Bei den Motoren wird grundsätzlich zwischen Saugmotoren (NA) und den

aufgeladenen Motoren (TC) unterschieden. Saugmotoren wurden in der Zwischenzeit

von den aufgeladenen Motoren nahezu vollständig verdrängt. Der Grund hierzu ist in

den niedrigeren spezifischen Kosten bzw. im höheren Wirkungsgrad der TC Motoren

begründet. In Abbildung 25 ist eine Gegenüberstellung betreffend des

Wirkungsgrades eines praktisch leistungsgleichen Saugmotors mit einem gering

aufgeladenen bzw. mit einem hoch aufgeladenen TC Motor gezeigt. Zwischen dem

Saugmotor und dem hoch aufgeladenen Gasmotor beträgt der Unterschied 3 %. Die

Hubräume der Motoren betragen 35,9 l, 24 l sowie 16 l.

0.25

0.3

0.35

0.4

40 60 80 100

lean engine (displ. = 20l)

500 mg NOx/Nm³

stoichiometric engine (displ. = 30l)

J 208 GS C 01 (displ. = 16l)

500 mg NOx/Nm³

efficiency

load [%]

Abbildung 25: Vergleich des Wirkungsgrades von verschiedenen Konzepten

Die Aufladung ermöglicht neben der größeren Leistungsdichte auch noch zusätzliche

Potenziale den Wirkungsgrad zu steigern. Bei kleinen Turboladern haben sich primär

die Radialturbine/Radialverdichter (automotive Standard) durchgesetzt. Bei größeren

Gasmotoren (<5MW) sind meist die Kombinationen von Axialturbine/Radialverdichter

vorherrschend. Die Motoren mit Leistungen zwischen 0,5 und 4 MW nutzen meist

high-tech Turbolader der Radialtypen mit bestmöglichen Wirkungsgraden. Zur

Erreichung von guten Motorwirkungsgraden ist seitens der Aufladegruppe auf eine

optimale Kombination von Turbine und Verdichter zu achten. Das Arbeitsvermögen

31

der Turbine soll bestmöglich mit dem Bedarf des Verdichters übereinstimmen. Um

gute Wirkungsgrade der Aufladegruppe zu erreichen ist weiter die Lage der

Schlucklinie in dem Bereich der Wirkungsgradoptima des Verdichterkennfeldes zu

legen.

Die Abbildung 26 zeigt als Beispiel ein Verdichterkennfeld mit eingezeichneter

Schlucklinie. Das Druckverhältnis (p2/p0) bzw. der Volumsstrom (v‘) sind die

wesentlichen Parameter. Gut zu sehen ist der Verlauf der Schlucklinie nahe dem

Zentrum im Bereich der höchsten Verdichterwirkungsgrade. Die linke Begrenzung

des Kennfeldes wird als Pumpgrenze (surging line) bezeichnet. Der Kennfeldbereich

links dieser Linie ist nicht „fahrbar“, da die Strömung am Laufrad abreißt und das in

der Branche bekannte Verdichterpumen auftritt.

1 2 3 intake volume flow [m3/s]

comp. pressure ratio

2

3

4

960

850

746

640

533

5

[1/sec]1066

Abbildung 26: Kennfeld eines Verdichters (ABB TPS 57)

Die Lage der Schlucklinie im Verdichterkennfeld hängt bei gleicher Motoreinstellung

auch von den Umgebungsbedingungen (Temperatur und Druck) ab und kann sich

dadurch auch verschieben. Im reellen Betrieb können daher Unterschiede zur

theoretischen Auslegung auftreten, die sich dann auch im Wirkungsgrad des Motors

erkennen lassen. Kritisch kann eine zu kalte Ansaugluft werden (hohe Masse), die

Lage der Schlucklinie verschiebt sich dann in Richtung der Pumpgrenze. Bei

größeren Seehöhen bzw. geringen Luftdichten verschiebt sich die Schlucklinie nach

oben und das „Laufzeug“ des Turboladers kann in den Bereich der Überdrehzahl

32

gelangen. Dabei ist Vorsicht geboten, da sich die Verdichterschaufeln durch

Überlastung „auflösen“ können.

Für den Versuchsingenieur kann eine Turboladerauslegung betreffend der Qualität in

einem Volllastpunkt mit einem Blick beurteilt werden. Es ist dabei das so genannte

Spülluftgefälle die Kenngröße die entsprechend aussagefähig ist. In Abbildung 27 ist

der Vergleich eines typischen Automotiveturboladers mit einem „high-tech“

Turbolader (ABB RR Serie) gezeigt. Der qualitativ hochwertige Turbolader bringt in

weiten Bereichen ein positives Spülluftgefälle, d.h. der Ladedruck ist immer größer

als der Gegendruck vor der Turbine. Im gezeigten Anwendungsfall hat der

„automotive“ Turbolader einen Wirkungsgradnachteil von ca. 3 % Punkten zur Folge

(Volllastpunkt).

Abbildung 27: Spülluftgefälle verschiedener Turbolader

Bei Gasmotoren ist im Vergleich zu Dieselmotoren die Ventilüberschneidung relativ

klein. Diese ist erforderlich um das Durchspülen vom Frischgasgemisch zu

vermeiden und den Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen möglichst zu

minimieren. Bei Gasmotoren mit zentraler Gemischbildung (vor dem Turbolader) wird

die Ventilüberschneidung auf unter 20 °KW ausgelegt, bei Motoren mit „port

injection“ kann die Ventilüberschneidung durch ein spätes Starten des

Einblasevorganges auch größer sein.

33

Steuerzeiten nach „Miller“

Bei modernen Gasmotoren wird der Ladungswechsel nicht nach der maximal

möglichen Zylinderfüllung optimiert, sondern auch auf die Bedingungen des

Kraftstoffes (Klopfneigung) Rücksicht genommen. Das wird erreicht indem das

Einlassventil deutlich vor (EIC – early inlet valve closing) oder weit nach dem unteren

Totpunkt (LIC – late inlet valve closing) geschlossen wird. Damit kommt es zum

Effekt der inneren Ladungskühlung und bei der Einleitung der Zündung ist das

Temperaturniveau im Brennraum geringer und die Klopfneigung nimmt ab (Abbildung

28). Durch diesen Lösungsansatz können thermodynamisch günstigere (höhere)

Verdichtungsverhältnisse dargestellt werden.

Abbildung 28: Steuerzeiten nach „Miller/Atkinson“

34

7. Zündung

7.1. Stand der Technik

Im Allgemeinen erfolgt die Zündung des Gas/Luftgemisches wie bei den PKW

Ottomotoren mit Hilfe einer Zündkerze. Bis Anfang der Neunzigerjahre wurde ein

mechanischer, von der Nockenwelle getriebener Zündgenerator verwendet (z.B.

Altronic). Mit dieser Technologie sind erforderliche Eingriffe in die Anpassung des

Zündzeitpunktes (wegen klopfender Verbrennung) praktisch nicht möglich. Neue

Gasmotoren haben nahezu zu 100% eine elektronische Zündung

(Kondensatorzündung). Es wird dabei ein Kondensator aufgeladen und zum

gewünschten Zeitpunkt mit Hilfe eines Thyristors entladen. Der Entladungsvorgang

erfolgt über die Primärwicklung (wenig Windungen) der Zündspule mit niedriger

Spannung, jedoch hohem Strom. An der Sekundärseite der Spule (hohe

Windungszahl) wird eine hohe Spannung bei niedrigem Strom induziert, die dann in

Folge zum Zündfunken an der Zündkerze führt. Wichtig ist die Unterscheidung der

zur Funkenbildung erforderlichen Spannung (Zündspannungsbedarf) bzw. der

maximal möglichen Zündspannung (Zündspannungsangebot). Prinzipiell soll die

Zündspannung zur Minderung des Verschleißes der Elektroden so niedrig wie

erforderlich eingestellt werden. Die Höhe der Zündspannung ergibt sich primär aus

dem Spaltmaß von Mittel- und Massenelektrode bzw. der während des Funkens

vorherrschenden Dichte im Brennraum. Abbildung 29 zeigt dazu die

Zusammenhänge des Zündspannungsbedarfes über dem Mitteldruck bei TA-Luft

Anforderungen (500 mgNOx/Nm³). Zusätzlich ist der Verlauf bei ½ TA-Luft (höhere

Ladungsdichte – magere Verbrennung) in Abbildung 29 eingezeichnet.

35

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3

500 mg NOx/Nm3

250 mg NOx/Nm3

spark voltage [kV]

BMEP [MPa]

Abbildung 29: Abhängigkeit des Zündspannungsbedarfes von dem Mitteldruck bzw.

vom NOX Niveau

Um die für Stationärmotoren erforderliche Lebensdauer der hoch belasteten

Zündkerzen zu erreichen, werden von einigen Zündkerzenherstellern mit

Edelmetallen armierte Elektroden angeboten. Als im Markt gängige Typen sind z.B.

die Champion RB 77 WPC bzw. Denso 3-1 bekannt. Einige Motorhersteller wie z.B.

GE Jenbacher setzen auf Eigenentwicklungen. Als typische Edelmetalle an den

Elektroden werden Pt, Ir und Rh verwendet. Die Abbildung 30 zeigt so genannte

Schirmkerzen (links) bzw. auch Standard G Type Zündkerzen (rechts).

Abbildung 30: Fotos Zündkerzen (links - Schirmkerzen für hoch turbulente

Verbrennungsführung/rechts - Standardtypen)

36

Multitorch

Ein im Gasmotorenmarkt zunehmend erfolgreiches Konzept bietet die Fa. Multitorch

(Sinnheim) an. Es handelt sich hier um eine Zündkerze mit Vorkammer [7]

(Abbildung 31, Abbildung 32), wobei die Mittelelektrode [6] aus Edelmetall und relativ

dünn mit der Ausnutzung des Spitzeneffektes ausgebildet ist. Dadurch wird die

Zündspannung abgesenkt und die Lebensdauer der Zündkerze verbessert. Durch die

sich im Hauptbrennraum ausbildenden Fackeln [8] können relativ magere Gemische

sicher und schnell entzündet werden. Für die Wirkungsgradverbesserung ist die

Multitorch-Zündkerze eine effektive Maßnahme, da sonst betreffend der

Verbrennungsausauslegung (z.B. größere Ladungsbewegung) keine weiteren

Maßnahmen getroffen werden müssen. Als Einschränkung eines Einsatzes ist aber

der Einbauwinkel (max. Abweichung von der Senkrechten von 10°) zu

berücksichtigen, da sonst eine der Fackeln auf ein Segments des Muldenrandes

brennt und dort Überhitzungen mit folgender Selbstentzündung (pre- oder

autoignition) entsteht. Die Folge ist dann ein Totalausfall der Zylindereinheit bzw. des

ganzen Motors.

Abbildung 31: Multitorch Schnitt

Abbildung 32: Multitorch Detail

37

7.2. Potenziale und Zukunftsprojekte bei der Zündung

7.2.1. Laserzündung

Die Erzeugung des Zündplasmas über einen fokussierten Laserstrahl ist eine

Möglichkeit die das Hauptproblem des Anstieges des Zündspannungsbedarfes

entfallen lässt. In Abbildung 33 ist der Verlauf der minimal erforderlichen Zündenergie

gezeigt. Für Gasmotoren bedeutet diese Charakteristik, dass höhere Drücke im

Brennraum zu einem kleineren Energiebedarf führen. Damit können

thermodynamisch günstigere Verdichtungsverhältnisse auch bei hohen Mitteldrücken

gewählt werden. Durch moderne Lasersysteme auf Basis von Diodenlasern kann

auch eine kostenoptimale Darstellung erwartet werden. Veröffentlichte Konzeptbilder

der AVL bzw. von GE Jenbacher sind in Abbildung 34 gezeigt.

Abbildung 33: Zündenergiebedarf bei der Laserzündung

38

Abbildung 34: Technologieansätze zur Darstellung der Laserzündung

Grundsätzlich wird bei der Laserzündung der „Funke“ durch eine Fokussierung des

gepulsten Laserstrahles erzeugt. Die Leistungen im Zentrum des Plasmablitzes sind

dabei im 2-stelligen MW Bereich. Abbildung 35 zeigt hierzu den gemessenen Verlauf

über dem Querschnitt. Im Fall der Messungen von GE Jenbacher betragen die

Leistungen zwischen 16 und 20 MW. Die zeitliche Dauer sollte deutlich weniger als 5

nS betragen, um kostengünstig dargestellt zu werden.

Abbildung 35: Leistungsverlauf im Fokus des Laserpulses

39

Einer der wesentlichen Vorteile der Laserzündung ist eine sehr magere

Betriebsweise des Gasmotors. Im Fall von direkter Entzündung des Gasgemisches

(kleinere Zylinderbohrungen – unter 160 mm) kann das Lambda um ca. 0,3 Einheiten

(bei Betrieb mit Erdgas) zur mageren Betriebsweise verschoben werden. Für die NOX

Emissionen bedeutet das eine Absenkung von minimal 80 ppm auf weniger als 30

ppm. Bei der Ausnützung der minimal möglichen NOX Emissionen müssen aber

Maßnahmen getroffen werden die Verbrennung zu beschleunigen. Wird keine

Maßnahme (Turbulenzgraderhöhung) durchgeführt gibt es wegen der sehr

langsamen Verbrennung Wirkungsgradeinbußen. Durch die sehr magere

Betriebsweise wird auch die Klopfgrenze später erreicht, d.h. mit der Laserzündung

sind auch sehr hohe Mitteldrücke (über 28 bar) darstellbar. Diese Ergebnisse wurden

auch im parallel zu den GE Jenbacher Forschungen durchgeführten Untersuchungen

des US-ALIS Programmes bestätigt (Abbildung 36).

Abbildung 36: Erweiterung der Zündgrenzen bei Laserzündung (US ALIS Programm)

7.3. Coronazündung

Eine neue (alte) Möglichkeit eröffnet sich bei dem heutigen

Technologiemöglichkeiten durch die kalte Coronazündung. Im für Gasmotoren

unteren Mitteldruckbereich kann etwa das gleiche Lambda wie bei der Laserzündung

gefahren werden. D.h. minimale NOX Emissionen im Bereich von 20 ppm sind gut

darstellbar. Das Problem dieses Konzeptes ist aber bei hohen Mitteldrücken (hohe

Dichte im Brennraum) ein „elektrisches“. Mit zunehmender Dichte bildet sich die

40

Corona erst bei hohen Spannungen aus (über 75 kV). Zusätzlich ist der energetische

Aufwand mit etwa dem 10 bis 30 fachen gegenüber konventionellen CDI (capacitor

discharge ignition) beachtlich. Eine CDI oder eventuell eine HF

Hochleistungszündung benötigt einen energetischen Einsatz von 160 bis 500 mJ.

Optisch betrachtet ist der Effekt der Coronazündung allenfalls sehenswert – siehe

Abbildung 37.

Abbildung 37: Sich ausbildende Corona im Fall ECCOS

41

8. Emissionen und Regelungskonzepte

8.1. Emissionen:

In Europa orientieren sich die Emissionslimits im Wesentlichen an der deutschen TA-

Luft. Die Emissionslimits regulieren neben den NOX, CO und den NMHC (nicht

Methan-Kohlenwasserstoffe), auch die Partikelemissionen und die C-Verbindungen,

geordnet nach C1, C2, C3, .... sowie auch z.B. Dioxine und Furane. Als Besonderheit

ist zu erwähnen, dass die Grenzwerte nicht wie bei den Motorherstellern üblich auf

die spezifische Arbeit des Motors bezogen werden (z.B. gNOX/kWh) sondern auf den

Volumendurchsatz in g/Nm³ bei einem definierten O2 Gehalt von 5% im Abgas.

Dieses Regulativ kommt von den Emissionen der Feuerungsanlagen und der

Wirkungsgrad bei der Stromproduktion geht nicht ein. Es gibt jedoch einzelne Länder

wie z.B. Dänemark, die den Wirkungsgrad in ihre Limits eingebaut haben.

Derzeit gelten folgende, für Motoren wichtige Limits (nicht vollständig):

Emissionskomponente Limit

NOx 500 mg/Nm³

CO 650 mg/Nm³

NMHC 150 mg/Nm³

Partikel 20 mg/Nm³

Formaldehyd 60 mg/Nm³

Dioxine 10 ng/Nm³

Tabelle 9: Grenzwerte TA-Luft

Im Vergleich zu den Dieselmotoren haben die Gasmotoren speziell bei den NOX-

Emissionen durch die mögliche magere Verbrennung entsprechende Vorteile.

Während bei den spezifischen NOX-Emissionen des Dieselmotors nach EURO 3 mit

5g/kWh bereits sehr viele Detailoptimierungen durchgeführt werden müssen, hat der

Gasmotor im Erdgasbetrieb mit 0,7g/kWh je nach Verbrennungskonzept größeres

Potential. Speziell bei Kraftstoffen mit höheren Anteilen an H2 ist die Abmagerbarkeit

auf 0,1 mgNOX/Nm³ möglich. Gleiche Werte sind ebenso mit Lambda = 1 Motoren

kurzfristig darstellbar, wobei bereits im Kapitel 3 auf die Probleme dieses Konzeptes

eingegangen wurde.

42

8.2. Regelungskonzepte:

8.2.1. Lambda=1:

Wie bei den Fahrzeugottomotoren ist es auch bei den Gasmotoren möglich, das

Gas/Luftgemisch stöchiometrisch einzustellen. Die Regelung erfolgt in gleicher

Weise mit Hilfe einer Lambda-Sonde im Abgasstrom. Um dem 3-Wege-Katalysator

die Möglichkeit der Reduktion der NOX-Emissionen zu geben, muss die Verbrennung

leicht unterstöchiometrisch bei ca. 0,997 erfolgen. Der einzustellende Arbeitsbereich

des Kraftstoff/Luftverhältnisses wird als Lambdafenster bezeichnet. Die Grenzen des

„Fensters“ werden durch den Anstieg der CO bzw. der NOX-Emissionen vorgegeben.

Im Laufe der Betriebsdauer wird dieser Regelbereich durch Alterungserscheinungen

des Katalysators immer kleiner. Aus thermischen Gründen werden die Lambda=1-

Motoren meist als Saugmotoren ausgeführt (pe = ca. 8 bar), als spezielle Bauart ist

die Version mit Abgasrückführung und Aufladung zu nennen. Mit der

Abgasrückführung werden die Bauteiltemperaturen und die Rohemissionen an NOX

gesenkt.

8.2.2. Magermotor Regelung mit Magersonde

In ähnlicher Weise wie bei den Lambda=1-Motoren ist eine Verwendung eines

speziellen Typs einer Lambdasonde, die bei einem Wert von oberhalb 1,6 ein

auswertbares Signal liefert, möglich. Für Stationärmotoren, die Betriebsdauern von

8.000 Bh per anno haben, ist dieses Konzept relativ kostspielig, da die Lebensdauer

der Sonde beschränkt ist und speziell bei Biogasanwendungen diverse Schadstoffe

(Cl, Si u.a.) die Funktion der Lambdasonde in kurzer Zeit negativ beeinflussen.

8.2.3. Brennraumtemperaturerfassung (TEM)

Von der Firma MWM wird ein Konzept eingesetzt, mit dem auf Basis einer Messung

einer repräsentativen Temperatur Brennraumvolumenelementes (siehe Abbildung

38) auf das Lambda rückgeschlossen werden kann. Es handelt sich dabei

keineswegs um die tatsächlich in dem Volumenelement vorherrschende Temperatur

sondern um einen sich aus dem Arbeitsspiel ergebenden Mittelwert. Es wird der sich

(z.B. bei Volllast) der ergebende Mittelwert der einzelnen Zylinder einer gemessenen

NOX-Emission zugeordnet und im Magermotorregler (TEM) abgespeichert. Bei

gleichen gemessenen Mitteltemperaturen wird davon ausgegangen, dass die

gleichen NOX-Emissionen von dem Motor emittiert werden. Als nachteilig ist eine

43

über der Laufzeit ansteigende NOX-Emission zu nennen, da die Temperaturmessung

durch Ablagerungen an Ölaschen oder mit dem Kraftstoff mitgeführten Elementen

(z.B. Si) beeinträchtigt wird. Dieser Effekt beruht auf der Isolationswirkung des

Belages am Temperaturmesselement, da eine niedrigere Brennraumtemperatur

vorgetäuscht wird und der Regler auf diesen Vorgang durch das Anfetten des

Gemisches reagiert. Als vorteilhaft ist zu nennen, dass bei sehr klopfnahem Betrieb

(guter Wärmeübergang zur Brennraumsonde) der Motorregler von sich aus in

Richtung mager verstellt und den Motor damit automatisch schont.

Abbildung 38: Temperaturmessung beim TEM-Konzept (Deutz)

8.2.4. Leanox

Das von der Fa. GE Jenbacher verwendete und patentierte Konzept beruht auf den

physikalischen Größen Druck und Temperatur nach der Drosselklappe. Die beiden

Größen entsprechen bei einer vorgegebenen Motoreinstellung einer energetischen

Energiezufuhr zum Motor. Über die mit Hilfe eines NOX-Messgerätes

einzumessenden „LEANOX Gerade“ wird diese Energiezufuhr mit der gewonnenen

Leistung des Motors korreliert. Es ergibt sich dann ein eindeutiger physikalischer

Zusammenhang zwischen dem Lambda und der NOX-Emission. Der Vorteil dieses

Konzeptes ist die Unempfindlichkeit gegenüber Ablagerungen und diversen

Veränderungen über der Laufzeit des Motors. Sinkt z.B. der Heizwert des Gases ab,

44

so bemerkt der Regler ein „Abmagern – Abweichung von der LEANOX Geraden“ und

es wird das Signal "Anfetten" ausgegeben.

8.2.5. Ionenstromsensor

Die zeitlich aufgelöste Erfassung zwischen dem Durchbruch des Funkens und dem

Signal des Ionenstroms an einer in einem bestimmten Abstand befindlichen

Ionenstromsonde kann ebenfalls als NOX relevantes Signal ausgewertet werden. Das

Grundprinzip beruht auf der Erfassung der Geschwindigkeit der Flammenfront von

der Zündkerze zu einer in büchsenbundnähe angeordneten Ionenstromsonde. Die

Geschwindigkeit der Flamme wird bei der „Einmessung“ einer NOX-Emission

zugeordnet. Bei sehr magerer Verbrennungsführung ist das von der

Ionenstromsonde relativ unscharf, sodass die NOX-Regelung an Präzision verliert.

Bei dem Stand der Technik kann dieses Konzept bis zu ca. einem Lambda von 1,4

eingesetzt werden (dies reicht aber zur Eihaltung der TA-Luft nicht aus).

8.2.6. Zylinderdruckmessung

Eine sehr elegante Möglichkeit ist durch die zylinderselektive Druckmessung und der

danach durchzuführende thermodynamische Auswertung gegeben. Dieser Weg hat

den Vorteil, dass alle relevanten Kenngrößen (pi, Zündzeitpunkt,

Zylinderdruckmaxima, Brenndauer u.a.) sowie auch Klopferscheinungen für die

Regelung und Überwachung verwendet werden können. Bei großen

Schiffsdieselmotoren wird dieses (derzeit noch sehr kostspielige) Konzept bereits

eingesetzt, neue Sensoren und moderne Rechner lassen die Umsetzung dieser

Technologie auch im Gasmotorenbereich möglich erscheinen.

45

9. Abgasnachbehandlung

Wie bekannt verursacht die Verbrennung (Oxidation) neben Energie auch

Abfallprodukte. Unter diesen finden sich neben unschädlichen (inerten) Produkten

auch schädliche bzw. sogar toxische.

Dass die Verbrennung kein einfacher Vorgang ist, zeigt die Abbildung 39. Dieses

Schema ist jedoch stark vereinfacht, denn es sind laut heutigen wissenschaftlichen

Erkenntnissen mehr als 100 Teilreaktionen bekannt.

Abbildung 39: Mögliche Reaktionspfade der Methanverbrennung (stark vereinfacht)

(Quelle: J. Warnatz (Ber. Bundsenges. Phys. Chem. 87, 1008 (1983))

9.1. 3-Wege Katalysator

Die Technologie des 3-Wegekatalysators wurde bereits im Kapitel 5 (Seite 23)

erklärt. Es werden über Oxidation und Reduktion schädliche Komponenten aus dem

Abgas entfernt.

2 CO + O2 2 CO2

2 C2H6 + 7 O2 4 CO2 + 6 H2O

2 NO + 2 CO N2 + 2 CO2

Die Bedeutung dieser Technik geht für die Gasmotoren aus Gründen der

Wirtschaftlichkeit stark zurück.

46

9.2. Oxidationskatalysator

Gemäß den Limits der TA-Luft müssen die CO Emissionen der Gasmotoren auf unter

650 mg/Nm³ gebracht werden. Die Rohemission von wirkungsgradoptimierten

Gasmotoren liegt gemäß dem Stand der Technik bei ca. 800 bis 1100 mg CO. Primär

wird das CO durch nicht vollständige Reaktionen bei der Verbrennung verursacht. Im

Fall des Formaldehyds liegt ein Zwischenprodukt bei der Oxidation des Methans vor.

Beide Emissionskomponenten sowie auch höhere Kohlenwasserstoffe können bei

ausreichender Dimensionierung (Raumgeschwindigkeit und Edelmetallgehalt) des

Oxidationskatalysators stark reduziert werden.

9.3. SCR Technologie

Die Technologie der selektiven NOX Reduktion (Abbildung 40) kommt aus dem

Kraftwerksbereich und diese hält zunehmend auch bei den kleineren Einheiten

(Gasmotorenanlagen im MW Bereich) bzw. auch bei den Nutzfahrzeugen (adblue

(VDA)) Einzug. Aus Gründen der Toxizität des Ammoniaks bzw. der leichten

Brennbarkeit wird bei den kleineren Einheiten praktisch durchgehend Harnstoff in

wässriger Lösung als Reduktand eingesetzt. Bei der thermischen Pyrolyse im

Abgasstrom entstehen dann wieder das NH3 bzw. auch andere Reagenzien.

06. August 2007

(NH2)2 CO+H2O

urea injection

SCR-/DENOX

catalyst

oxy - catalyst

exhaust clean gas

SCR (selective NOX Reduction)

Abbildung 40: Schema SCR Katalysator

Es gibt bei dem Einsatz der SCR Technologie zwei verschiedene

Regel/Steuerkonzepte, diese sind:

a. Open Loop (ohne aktive NOX Messung) mit der Eindüsung von

Reduktionsmittelmengen, die gemäß den Erfordernissen aus einem Kennfeld

47

rückgerechnet wurden. Mit diesem Konzept sind 1/5 des TA-Luft Grenzwertes

an NOX erreichbar.

b. Closed Loop Konzept mit „on line“ NOX Messung und exakter Nachjustierung

der für minimale NOX Emissionen erforderlichen Mengen. Diese Technik wird

z.B. bei Glashausanwendungen eingesetzt. Minimale NOX Werte von 5 ppm

sind hier möglich.

9.4. Thermische Nachoxidation

Im Fall von Gasen (z.B. Deponiegas) die Katalysatorgifte enthalten ist die

Verwendung von Oxidationskatalysatoren nicht möglich, da diese die Wirkung in

kurzer Zeit außer Kraft setzen. Für diese Anwendungen ist bei optimierten

Gasmotoren eine thermische Nachoxidation zur Reduktion der teil- bzw.

unverbrannten Komponenten erforderlich. Da sich je nach Verbrennungskonzept

ausreichend O2 im Abgasstrom befindet, muss das Abgas auf die erforderliche

Oxidationstemperatur (> 760°C) gebracht werden. Um den energetischen Aufwand

zu reduzieren sind rekuperative oder regenerative Wärmetauscher einsetzbar. Bei

den Deponiegasanwendungen hat sich derzeit das System CL.AIR von Jenbacher

durchgesetzt (Abbildung 41).

Abbildung 41: Schema Cl.Air System (GE Jenbacher)

48

10. Motorbauteile

10.1. Kolbentypen

Bei der Motorbaugruppe gibt es drei verschiedene ausgeführte Kolbenkonzepte die

abhängig vom Hubraum pro Zylinder eine bestimmte spezifische Leistung

ermöglichen. Abbildung 42 zeigt den Stand der Technik (Kolbenschmidt). Auch bei

den von Mahle gelieferten Kolben sind die gleichen spezifischen Belastungen

erlaubt. Die Erfahrung lehrt (z.B. GE Jenbacher/MWM) dass für lange Lebensdauern

ab ca. 16 kW/l ein Kühlkanalkolben eingesetzt werden sollte. Das ist im speziellen

bei hohen Verdichtungsverhältnissen zur Erreichung von guten Wirkungsgraden bzw.

schneller Verbrennung wichtig. Außerdem ist auf die Pressungen in der

Kolbenbolzennabe zu achten. Bei alten Kolbendesigns ist der Kolbenbolzen meist zu

schwach (zu kleiner Durchmesser), hier hilft eine in den Kolben eingesetzte

Bronzebüchse. Die Kolbenausführung in Abbildung 43 (Kühlkanalkolben) zeigt eine

Verstärkung durch die erwähnte Büchse. Bei richtiger Dimensionierung beugt diese

Büchse dann Spaltbrüchen vor.

Abbildung 42: Anwendungsgrenzen von Kolbenbauarten (Quelle: Kolbenschmidt)

49

Der Kühlkanalkolben hat zusätzlich den Vorteil, dass die Nut des Toprings (bevorzugt

Doppeltrapezring) (Abbildung 43) gut gekühlt wird und somit ein langfristiger Lauf bei

hohen Lasten ohne einer Verkokung sichergestellt werden kann. Dem gegenüber

steht der konventionelle Vollschaftkolben wie in Abbildung 44 abgebildet.

Abbildung 43: Vollschaftkolben mit Kühlkanal, Ringträger, Bronze Büchse und

Jet/Ölkühlung (Quelle: Mahle)

Abbildung 44: Konventioneller Vollschaftkolben (Quelle: KS)

50

Bei sehr hohen Motorlasten und optimierten Reibungsverhalten werden Stahlkolben

eingesetzt. Die Abbildung 45 zeigt einen Monothermkolben dieser Bauart.

Abbildung 45: Monothermkolben aus Stahl (Mahle)

10.2. Brennraumgeometrie

Die Brennraumgeometrie ist entscheidend für einen guten Wirkungsgrad,

konventionelle Konzepte haben nur eine einfache Topfmulde. Die Abbildung 46 zeigt

hier die Brennraummulde der MAN 08 Baureihe als Beispiel. Durch eine tiefere und

im Durchmesser kleinere Mulde kann der Squish vergrößert werden und damit das

Turbulenzniveau angehoben werden. Das ist eine Voraussetzung für gute

Wirkungsgrade. Es gibt unzählige geometrische Möglichkeiten dieses Ziel zu

erreichen, jedoch ist darauf zu achten, dass die Strömungsgeschwindigkeit im

Bereich der Zündkerze gewisse Werte nicht überschreitet, da es ansonsten zum

"Ausblasen" des Funkens kommt. Bei GE Jenbacher wird dieser Lösungsansatz

durch den „Herzbrennraum“ umgesetzt (Abbildung 47).

51

Abbildung 46: Topfmulde MAN Baureihe 08

Abbildung 47: "Herzmulde" GEJ Baureihe 2&3, hochturbulent

Die Abbildung 48 zeigt den Vergleich der Brennraumgeometrien der 2G Agenitor

Baureihe 306 (links) mit der Originalausführung der MAN Baureihe 2876 (rechts),

auch hier wurde bereits der Turbulenzgrad durch kreuzförmige Einfräsung

angehoben und der Wirkungsgrad gegenüber der alten MAN Version verbessert, der

Squishanteil ist aber noch nicht ausreichend um das Wirkungsgradniveau der GE

Jenbacher Motoren zu erreichen. Im Fall der 2G Agenitor Baureihe werden inklusive

der Wirkung des höheren Verdichtungsverhältnisses mehr als 2 % bessere

Wirkungsgrade gegenüber den MAN Basismotoren erreicht.

52

Abbildung 48: Brennraumgeometrie (links Agenitor 206/rechts MAN 2876 standard)

10.3. Klopfsensor

Bei hohen Motorlasten und wirkungsgradoptimalem Betrieb eines Gasmotors ist in

jedem Fall eine Überwachung durch eine Klopfauswertung zu empfehlen. Die

Abbildung 49 zeigt einen häufig eingesetzten Sensor (Bosch).

Abbildung 49: Klopfsensor der Fa. Bosch

53

11. Literaturnachweis

1. Diesel and Gasturbine Catalog . 2007.

2. wikipedia alkane. [Online] 13. 07 2011. [Zitat vom: 13. 07 2011.]

http://de.wikipedia.org/wiki/Alkane.

3. Wikipedia Alkene. [Online] 2011. [Zitat vom: 13. 07 2011.]

http://de.wikipedia.org/wiki/Alkene.

4. Wikipedia Cycloalkane. [Online] 2011. [Zitat vom: 13. 07 2011.]

http://de.wikipedia.org/wiki/Cycloalkane.

5. Wikipedia Aromaten. [Online] 2011. [Zitat vom: 13. 07 2011.]

http://de.wikipedia.org/wiki/Aromaten.

6. Wikipedia Alkohole. [Online] 2011. [Zitat vom: 13. 07 2011.]

http://de.wikipedia.org/wiki/Alkohole.

7. Mollenhauer, Klaus. Handbuch Dieselmotoren. Berlin : Springer, 2007.

9783540721642.

54

12. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Wirkungsgrade verschiedener Konzepte in Abhängigkeit der

installierten Leistung(1)............................................................................................... 4

Abbildung 2: Aufbau eines Dreiecksdiagrammes ....................................................... 9

Abbildung 3: Dreiecksdiagramm von Methan, CO2 und N2 ....................................... 10

Abbildung 4: Einfluss des Lambdas auf die laminare Flammengeschwindigkeit

verschiedener Gase ................................................................................................. 11

Abbildung 5: Klopfgrenze und Magergrenze (Quelle: Wärtsilä) ................................ 13

Abbildung 6: Luftbedarf zur stöchiometrischen Verbrennung verschiedener Gase .. 14

Abbildung 7: Zündgrenzen verschiedener Gase ....................................................... 15

Abbildung 8: Gasmischer vor dem Verdichter (Saugseite) ....................................... 16

Abbildung 9: Gasmischer nach dem Verdichter (Druckseite) ................................... 16

Abbildung 10: variable restriction carburator (IMPCO) ............................................. 17

Abbildung 11: Venturi Mischer .................................................................................. 18

Abbildung 12: orifice carburetor (HOMIX) ................................................................. 18

Abbildung 13: Gasregeleinrichtung „TecJet“ ............................................................. 19

Abbildung 14: Neue Generation der Woodward TecJet Lösung ............................... 19

Abbildung 15: Anordnung des Gaseinblaseventils vor dem Einlassventil ................. 20

Abbildung 16: Gaseinblaseventile (Woodward – Sogav 43) ..................................... 21

Abbildung 17: Taktung Einblasevorgang .................................................................. 21

Abbildung 18: Typische Gasregelstrecke für Gasmotoren........................................ 22

Abbildung 19: NOX-Verlauf über Lambda und Konzeptgrenzen der NOX-

Minderungsverfahren ................................................................................................ 23

Abbildung 20: Wirkungsgradvergleich der verschiedenen Verbrennungskonzepte .. 25

Abbildung 21: Verbrennungsverfahren Direktzündung/Vorkammerzündung ............ 26

Abbildung 22: AVL Glow Plug Mikropilot Konzept .................................................... 27

Abbildung 23: HJ Schnell Zündstrahl Motor .............................................................. 28

Abbildung 24: MAN B&W PGI .................................................................................. 29

Abbildung 25: Vergleich des Wirkungsgrades von verschiedenen Konzepten ......... 30

Abbildung 26: Kennfeld eines Verdichters (ABB TPS 57) ........................................ 31

Abbildung 27: Spülluftgefälle verschiedener Turbolader .......................................... 32

Abbildung 28: Steuerzeiten nach „Miller/Atkinson“ ................................................... 33

55

Abbildung 29: Abhängigkeit des Zündspannungsbedarfes von dem Mitteldruck bzw.

vom NOX Niveau ....................................................................................................... 35

Abbildung 30: Fotos Zündkerzen (links - Schirmkerzen für hoch turbulente

Verbrennungsführung/rechts - Standardtypen) ......................................................... 35

Abbildung 31: Multitorch Schnitt ............................................................................... 36

Abbildung 32: Multitorch Detail ................................................................................. 36

Abbildung 33: Zündenergiebedarf bei der Laserzündung ......................................... 37

Abbildung 34: Technologieansätze zur Darstellung der Laserzündung .................... 38

Abbildung 35: Leistungsverlauf im Fokus des Laserpulses ...................................... 38

Abbildung 36: Erweiterung der Zündgrenzen bei Laserzündung (US ALIS Programm)

................................................................................................................................. 39

Abbildung 37: Sich ausbildende Corona im Fall ECCOS ......................................... 40

Abbildung 38: Temperaturmessung beim TEM-Konzept (Deutz) ............................. 43

Abbildung 39: Mögliche Reaktionspfade der Methanverbrennung (stark vereinfacht)

(Quelle: J. Warnatz (Ber. Bundsenges. Phys. Chem. 87, 1008 (1983)) ................... 45

Abbildung 40: Schema SCR Katalysator .................................................................. 46

Abbildung 41: Schema Cl.Air System (GE Jenbacher) ............................................. 47

Abbildung 42: Anwendungsgrenzen von Kolbenbauarten (Quelle: Kolbenschmidt) . 48

Abbildung 43: Vollschaftkolben mit Kühlkanal, Ringträger, Bronze Büchse und

Jet/Ölkühlung (Quelle: Mahle) .................................................................................. 49

Abbildung 44: Konventioneller Vollschaftkolben (Quelle: KS) ................................... 49

Abbildung 45: Monothermkolben aus Stahl (Mahle) ................................................. 50

Abbildung 46: Topfmulde MAN Baureihe 08 ............................................................. 51

Abbildung 47: "Herzmulde" GEJ Baureihe 2&3, hochturbulent ................................. 51

Abbildung 48: Brennraumgeometrie (links Agenitor 206/rechts MAN 2876 standard)

................................................................................................................................. 52

Abbildung 49: Klopfsensor der Fa. Bosch................................................................. 52

56

Tabelle 1: Alkane ........................................................................................................ 6

Tabelle 2: Unterschiede n/iso-Butan ........................................................................... 7

Tabelle 3: Alkene ........................................................................................................ 7

Tabelle 4: Cycloalkane ............................................................................................... 7

Tabelle 5: Aromaten ................................................................................................... 8

Tabelle 6: Alkohole ..................................................................................................... 8

Tabelle 7: Methanzahlen wichtiger Gase .................................................................... 9

Tabelle 8: Wobbeindex verschiedener Brenngase ................................................... 12

Tabelle 9: Grenzwerte TA-Luft .................................................................................. 41