Technologie

Neues Brennverfahren für Gasmotoren

24.06.2019 - Hoher Wirkungsgrad der Motorvariante lässt sich weiter steigern.

Gasfahrzeuge punkten mit niedrigen Schadstoff­emissionen und dürften künftig aufgrund der Möglichkeit, mit erneuer­barer Energie betrieben zu werden, weiter an Bedeutung gewinnen. Neben Elektro- und Wasserstoff­antrieben spielen im von der ETH Zürich geleiteten Schwei­zerischen Kompetenz­zentrum für Energieforschung im Bereich der Mobilität („SCCER Mobility“) auch Gasmotoren eine wichtige Rolle. Dies, weil mit aufbereitetem Biogas oder mit synthetischem Methan betriebene Fahrzeuge sehr tiefe CO2-Emissionen aufweisen.

Synthetisches Methan wird aus temporär überschüssiger erneuerbarer Elektrizität und COerzeugt. Aufbereitetes Biogas und synthetisches Methan können beliebig gemischt werden und haben mit bis zu 130 Oktan eine deutlich höhere Klopffestigkeit als Benzin, weshalb sie sich sehr gut als Treibstoffe für Verbrennungs­motoren eignen. Bei hohen Lasten, etwa auf der Autobahn, erreichen Gasfahrzeuge deshalb bereits heute höhere Wirkungsgrade als Benziner. Allerdings ließen sich die Wirkungsgrade wegen der hohen Klopf­festigkeit von Methan noch deutlich steigern; denn heutige Gasmotoren in Personen­wagen sind typischerweise nur leicht angepasste Benzinmotoren, also noch nicht auf den Betrieb mit Methan hin optimierte Konzepte. Um dieses brachliegende Potential zu ermitteln, startete 2015 das EU-Projekt „GasOn“.

Dabei wurde ein hoch­effizientes Brennverfahren für einen Gasmotor mit zwei Liter Hubraum umgesetzt: Ein mageres Gasgemisch wird mittels einer fingerhut­großen, strömungs­beruhigten Vorkammer entzündet. Im ETH-Labor für Aero­thermochemie und Verbrennungs­systeme wurden Grundlagen­versuche in optisch zugänglichen Versuchsträgern durchgeführt. Diese dienten dazu, das Verhalten der Zündung in der Vorkammer und das Überströmen der heißen Strahlen in die Hauptbrennkammer zu untersuchen. Mit Hilfe dieser Daten wurden auch numerische Werkzeuge weiterentwickelt, um die Prozesse mittels Computer­simulationen detailliert berechnen zu können. Diese Ergebnisse erlaubten es der Volkswagen-Konzern­forschung, das Design von Vorkammer und Hauptbrennkammer zu optimieren. An der Empa wurde dann ein entsprechend ausgerüsteter Motor aufgebaut und Brennverfahrensuntersuchungen durchgeführt. Dabei kam ein vom Institut für Dynamische Systeme und Regelungstechnik der ETH Zürich entwickeltes Motor­steuerungssystem zum Einsatz, das einerseits das komplexe Gesamtsystem koordiniert, andererseits eine effiziente Anpassung an neue Erkenntnisse ermöglicht.

Gegenüber dem Stand der Technik konnte der Verbrauch des neuen Gasmotors mit Vorkammer­brenn­verfahren um rund zwanzig Prozent reduziert werden. Der Spitzenwirkungsgrad lag bei über 45 Prozent, wobei Wirkungsgrade von über vierzig Prozent über einen weiten Betriebs­bereich des Motors erreicht wurden. Solche Werte werden aktuell nur von deutlich größeren Motoren erreicht, wie sie etwa in Nutzfahrzeugen, in Stationär- oder in Marineanwendungen im Einsatz sind; für Personen­wagenmotoren ist dies ein neuer Rekord. Zum Vergleich: Benzinmotoren weisen im Bestpunkt typischerweise Wirkungsgrade von 35 bis 40 Prozent auf.

Im GasOn-Projekt noch nicht bearbeitet wurde die Abgasnach­behandlung eines solchen Motors; hier besteht aufgrund des mageren Brennverfahrens noch Forschungs­bedarf. ;Insgesamt zeigte sich, dass Gasmotoren das Potential haben, ähnliche Wirkungsgrade wie deutlich größere Dieselmotoren zu erreichen. Zudem können sie sehr einfach mit beliebigen Anteilen an erneuerbarem biogenen oder synthetischen Methan betrieben werden und erreichen so sehr niedrige CO2-Emissionen. Die beteiligten Fahrzeug­hersteller klären nun ab, wie die Ergebnisse des GasOn-Projekts auf Serienfahrzeuge übertragen werden können.

Empa / JOL

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