Selbstfremdzünder

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München, 16. September 2013 – Bislang waren Erdgasmotoren in Autos aus guten Gründen umgerüstete Ottomotoren. Forscher der ETH Zürich zeigen nun das hohe Effizienzpotenzial eines Fahrzeugdiesels im vorwiegenden Erdgasbetrieb. Doch genügt das wirklich, um den bivalenten Ottomotoren Konkurrenz zu machen?

Umgerüstete Ottomotoren sind im Ergdasbetrieb wahre CO2-Wunder – der Ausstoß des Treibhausgases geht bei gleicher Leistung um bis zu 25 Prozent zurück. Und doch geht dabei noch unnötig viel Energie ungenutzt verloren. Der Ottomotor muss als grundsätzlicher Benzinverwerter nämlich wegen der niedrigen Klopffestigkeit des Kraftstoffs in seiner Verdichtung unter 14:1 bleiben – die meisten gängigen Motoren liegen in einem Bereich von etwa 10:1. Das ist deshalb ungünstig, weil die Effizienz der Verbrennung mit der Verdichtung steigt. Das ist neben dem höheren Energiegehalt des Kraftstoffs und der Entdrosselung ein Faktor für die bessere Energieverwertung im Dieselmotor, der ja etwa 17:1 (als Kammermotor sogar bis über 21:1) verdichtet. Weil der Ottomotor die hohe Klopffestigkeit des fossilen Gases nicht nutzt, ist er für den Erdgasbetrieb technisch nur zweite Wahl. Die hohe Verdichtung im Selbstzünder dagegen kann man auch im Erdgasbetrieb vorteilhaft nutzen. Erdgas verkraftet mit seinen 130 Oktan auch die in Dieselmotoren übliche Verdichtung und kann dadurch bei seiner Verbrennung mehr Arbeit verrichten. Das macht den Dieselmotor im Gasbetrieb noch einige Prozent effizienter als einen Ottomotor. Das ist eine Menge, wenn man bedenkt, wie sehr sich Ingenieure mittlerweile schon über halbe Prozente bei der Effizienzsteigerung freuen.

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Wohlbekanntes Prinzip

Deshalb laufen Dieselmotoren in stationären Anwendungen wie Kraftanlagen längst im kombinierten Dieselöl/Gasbetrieb. Bei gleichbleibender Leistung und Drehzahl ist es hier relativ einfach, Gas- und Ölmenge effizient aufeinander abzustimmen. Ja, Ölmenge. Denn im Erdgasbetrieb nutzt man das Prinzip "Selbstfremdzündung": Als Auslöser der Verbrennung dient eine geringe Menge in das verdichtete Gas eingespritzten Dieselkraftstoffs, der sich durch die Hitze der Ladung selbst und damit erst das Erdgas entzündet. Auf die sonst im Dieselbetrieb üblichen Pilot- und Nacheinspritzungen wird dabei normalerweise verzichtet, um den Verbrennungsablauf der Gasladung nicht zu stören.

Der große Vorteil gegenüber einer Fremdzündung ist, dass der flüssige "Zündstoff" einen hocheffizienten Gas-Magerbetrieb mit hohem Luftüberschuss ermöglicht. Wird zum Zündzeitpunkt Dieselöl eingespritzt, entzünden sich auch magere Gasladungen wegen der kurzen Wege von den brennenden, weit verteilen Ölpartikeln zu den wenigen Gasmolekülen. Man spricht von einem Zündstrahlbetrieb und rüstet wegen dieses Vorteils bivalente Dieselmotoren in der Regel gar nicht erst mit einer Zündanlage aus. Bei einer elektrischen Zündanlage benötigt man ein bedeutend reicheres Gas/Luft-Gemisch wegen weit längeren Distanz von der Zündkerze zu den entlegensten Zonen des Brennraums.

Drucksensor als Kernstück

Einen Vorstoß mit LNG (verflüssigtem Erdgas) im Fahrzeugdieselmotor mit Strahlzündung haben kürzlich einige Lkw-Hersteller gemacht. Bosch sagt, mit seinem so genannten Dual-Fuel-Antrieb können bis zu 90 Prozent des Dieselkraftstoffs durch Erdgas ersetzt werden, Volvo kommt auf ein Verhältnis von nur 75 Prozent Gas und 25 Prozent Dieselkraftstoff. Die Wissenschaftler der ETH dagegen haben einen herkömmlichen Zwei-Liter-Common-Rail Dieselmotor mit Turboaufladung von Volkswagen so umgebaut, dass er bis zu 98 Prozent, durchschnittlich aber zu 90 Prozent mit Erdgas betrieben werden kann. Nur im Leerlauf sinkt der Gasanteil auf null wegen der dafür nicht ausgelegten Einspritzausrüstung. Der Verbrauch an Dieselkraftsoff, der sog. "Zündölanteil" wird von Herstellern von Stationärmotoren zwischen zehn und zwei Prozent an der erzeugten Feuerungswärmeleistung angeben. Da es sich beim schweizer Versuchsobjekt aber um einen Pkw-Motor handelt, wird man einen nach Betriebsbedingungen wechselnden Verbrauch im Bereich von Bruchteilen eines Liters auf 100 Kilometer erwarten können.

Die Regelung haben sie mit Modifikationen an den motoreigenen Steuergeräten (von Bosch) umsetzen können. Kernstück ist ein nachgerüsteter Sensor, der den Druck in den Zylindern misst und damit einerseits den dieseltypischen Zündverzug steuern und andererseits die unkontrollierte Selbstentzündung des Gasgemischs verhindern hilft. Mit komplexen Steuer- und Regelungsalgorithmen gelang es den Wissenschaftlern, Menge und Einspritzzeitpunkt des Dieselöls auf Last und Drehzahl kontinuierlich anzupassen. Die Effizienz der Verbrennung soll damit einem maximalen Wirkungsgrad von 39,6 Prozent erreichen – das liegt auf dem Niveau von Dieselmotoren im konventionellen, monovalenten Treiböl-Betrieb, der CO2-Ausstoß ging hingegen um 22 Prozent gegenüber der Diesel-Version zurück.

Die Heizwerte der verwendeten Kraftstoffe gaben die Wissenschaftler für Diesel mit 43,1 und Erdgas mit 46,11 MJ/kg an, die respektiven CO2-Emissionen mit 3,16 und 2,61. Zudem vermeidet der Erdgasbetrieb den Zielkonflikt zwischen Wirkungsgrad und Partikelemission einerseits und die aufwendige und teure Abgasnachbehandlung per Speicherkat- oder SCR-Einspritzung andererseits.

Zwischen Abgasqualität und Zapfsäulennetz

Die Wissenschaftler rechnen mit einer möglichen Serienproduktion in fünf Jahren. Der Erfolg ihres Motors hängt entscheidend von den Produktionskosten ab. Weil ihr Konzept auf bereits vorhandenen Technologien beruhe, sei es schnell umsetzbar und ideal als Brückentechnologie für die nächsten zehn bis 20 Jahre. Mit einem Automobilhersteller führen die Forscher bereits konkrete Gespräche. Im Moment beschäftigt sie nur noch – wie viele ihrer Kollegen in anderen Laboren – die zu niedrige Temperatur im Katalysator, weil der Prototyp die Wärmeenergie so effizient in mechanische Energie umwandelt. Sie greifen zur bewährten Standardlösung, den Motor während des Warmlaufs so zu regeln, dass er schneller eine hohe Abgastemperatur erreicht.

Das dürfte sich noch relativ einfach bewerkstelligen lassen. Doch könnte gerade die Abgasreinigung einer der Knackpunkte einer künftigen Umsetzung werden. Theoretisch wäre der Erdgas-Diesel in der Lage, Euro 6 mit einem günstigen Dreiwege-Kat und ohne Stickoxid-Speicherkat zu erfüllen, weil er nur unter Teillast im Magerbetrieb und bei hoher Last mit homogenem Gemisch arbeitet. Ein aufwendiger Dieselmotor inklusive kostspieliger Komponenten für den Erdgasbetrieb wie Drucktanks und Einspritzausrüstung plus der Kosten für die Diesel-Abgasreinigung wäre den meisten Autokäufern viel zu teuer. Um den Aufpreis für die Entstickung zu vermeiden, könnte man den Zündstrahl-Diesel zwar exklusiv für Erdgasbetrieb auslegen. Für so ein monovalentes Erdgasfahrzeug aber gibt es heute noch viel zu wenig Erdgas-Zapfsäulen. Wahrscheinlich werden wir also aus ganz profanen Kostengründen noch eine ganze Zeit länger mit umgerüsteten Ottomotoren leben müssen, wenn wir Erdgas tanken wollen. (fpi)