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Neues Brennverfahren für Gasmotoren ergibt einen Rekord-Wirkungsgrad: Ausgabe 02/2019, 09.10.2019

Reduktion der CO2-Emissionen im Fokus

Ende Mai fand in Brüssel das Abschluss-Meeting des «Horizon 2020»-Projekts «GasOn» mit der EU-Kommission statt. Ziel dieses EU-Projekts, an dem sich rund 20 Partner beteiligten – darunter auch die ETH Zürich und die Empa sowie vier europäische Automobilhersteller und namhafte Zulieferer –, war die Weiterentwicklung von Gasmotoren für Personen- und Lieferwagen.

Bilder: Empa

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 («e-Gas») betriebene Fahrzeuge sehr tiefe CO2Emissionen aufweisen. Synthetisches Methan wird aus temporär überschüssiger erneuerbarer Elektrizität und CO2 erzeugt. 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.

Benzinmotoren müssen für Gas optimiert werden
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 Antriebskonzepte. Um dieses brachliegende Potenzial zu ermitteln, startete 2015 das EU-Projekt «GasOn», an dem sich auch Forscher und Forscherinnen der ETH Zürich und der Empa im Rahmen eines von der Volkswagen-Konzernforschung geleiteten Arbeitspakets beteiligten.
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 zahlreiche 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.

Prozesse mittels Simluationen detaillierter berechnen
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.

Ergebnis: Wirkungsgradrekord für  Personenwagenmotoren
Gegenüber dem Stand der Technik konnte der Verbrauch des neuen Gasmotors mit Vorkammerbrennverfahren um rund 20 % reduziert werden (umgerechnet in einen WLTP-Normverbrauch für ein Mittelklassefahrzeug). Der Spitzenwirkungsgrad lag bei über 45 %, wobei Wirkungsgrade von über 40 % 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 % auf. Im GasOn-Projekt noch nicht bearbeitet wurde die Abgasnachbehandlung eines solchen Motors; hier besteht aufgrund des mageren Brennverfahrens noch Forschungsbedarf.

Übertragung auf Serienmotoren wird geprüft
Insgesamt zeigte sich, dass Gasmotoren das Potenzial 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 CO2Emissionen. Die beteiligten Fahrzeughersteller klären nun ab, wie die Ergebnisse des GasOnProjekts auf Serienfahrzeuge übertragen werden können.

Infoservice
Empa
Überlandstrasse 129, 8600 Dübendorf
Tel. 058 765 11 11
www.empa.ch



Die zerlegte Vorkammer mit Rückschlagventil, Zündkerze, Drucksensor und Gaszuführleitung


Zwei-Liter-Vierzylinder-Vorkammer-Gasmotor auf dem Teststand im Motorenlabor der Empa


Schnitt durch den Zylinderkopf des Versuchsmotors: In der Mitte ist die Vorkammer mit Zündkerze und Gaszuführung erkennbar