MethCar: Gasmotoren für den zukünftigen Straßenverkehr fit machen.

Das wesentliche Ziel im Verkehrssektor ist es, den CO2-Ausstoß zu reduzieren, insbesondere von PKW und LKW. Um zu diesem Ziel beizutragen, entwickelt der Verbund MethCar einen für EE-Methan optimierten PKW-Motor, der gegenüber den besten Gasmotoren am Markt (2017) die CO2-Emissionen pro km im C-Segment um 15 % reduzieren (entsprechend 78 g/km) und die spezifische Leistung um ca. 60 % erhöhen soll.

Allerdings setzt die Ausnutzung der besonderen Eigenschaften von EE-Methan eine deutlich höhere Spitzendruckfähigkeit des Grundmotors voraus, die bei heutigen Methanmotoren noch nicht gegeben ist, da marktübliche Gasmotoren nur moderat abgewandelte konventionelle Motoren sind. Gleiches gilt für die Aufladeaggregate heutiger Motoren. Diese sind vornehmlich für den Benzinbetrieb optimiert, während Methan einen erhöhten Aufladegrad erfordert. Weiterhin gibt es für Methanmotoren noch keine serienreife, drehmomentsteigernde Direkteinspritztechnologie, wie sie bei Benzinmotoren gängig ist. Das spezifische Drehmoment bzw. die spezifische Leistung heutiger Methanmotoren liegt daher um 15 bis 20 % unter der von vergleichbaren Benzinmotoren.

Die Partner in MethCar entwickeln mehrere aufeinander abgestimmte Komponenten, um deutlich höhere Downsizingfaktoren als mit Benzinmotoren zu erzielen: ein sehr spitzendruckfestes Triebwerk, ein entsprechend verbessertes Aufladeaggregat (einen für Methanbetrieb optimierten Turbolader mit variabler Turbinengeometrie), eine robuste Methandirekteinspritzung, und ein ebenso für Methanbetrieb optimierter vollvariabler Ventiltrieb auf der Einlassseite. In der Gesamtheit erzielen diese Entwicklungen dann im Realbetrieb wesentlich bessere Wirkungsgrade, was mit einer deutlichen Reduzierung der CO2-Emissionen einhergeht.

Vorteile von Methan als Kraftstoff

Methan bietet gegenüber Benzin- und Dieselkraftstoffen signifikante Vorteile. Das C/H-Verhältnis ist deutlich günstiger, so dass bei gleicher Energieausbeute gegenüber Benzin mehr als 20 % weniger CO2 emittiert wird. Weiterhin verbrennt Methan im stöchiometrisch betriebenen Ottomotor sehr sauber und weist zudem eine deutlich bessere Klopffestigkeit als konventionelle Ottokraftstoffe auf, so dass die Umsetzung wirkungsgraderhöhender, hoher Verdichtungsverhältnisse und hoher Downsizing-Faktoren möglich ist, ohne eine wirkungsgradsenkende späte Verbrennungslage in Kauf nehmen zu müssen. Die Klopffestigkeit von reinem EE-Methan ist dabei nochmals höher (Methanzahl MN » 98… 100) als die von Erdgas (MN > 65), die ohnehin schon deutlich höher ist als die von Benzin.

Spitzendruckfester Motor

Die optimale Ausnutzung der hohen Klopffestigkeit von Methan erfordert eine Anhebung der Spitzendruckfähigkeit des Basistriebwerks. Diese soll möglichst ohne Erhöhung der inneren Motorreibung erreicht werden, was eine Herausforderung für die Motorkonstruktion darstellt. Kernziel von MethCar ist daher der Aufbau eines für komprimiertes, erneuerbares Methan optimierten Basistriebwerks.

Bild 1: Prüfstand zum Testen des Motors (©Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen University).

Methan-Direkteinspritzung

Bei gleichem Druck nimmt ein Stoff im gasförmigen Zustand mehr Raum ein als im flüssigen Zustand. Das führt dazu, dass das Einbringen von gasförmigem Kraftstoff in den Motor mehr Luft verdrängt als das Einbringen von Benzin. Das ist jedoch nachteilig, da dem Verbrennungsprozess weniger Sauerstoff zur Verfügung steht und somit die Verbrennungsenergie und damit das maximale Drehmoment begrenzt werden. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn der Turbolader bei niedrigen Drehzahlen den Füllungsnachteil noch nicht kompensieren kann. Dem lässt sich entgegenwirken, indem das Methan unter Nutzung des Tankdrucks nach Einlassschluss (d.h. nach dem Ansaugen reiner Luft) direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Die Entwicklung eines solchen Direkteinspritzsystems ist Bestandteil von MethCar.

Turbolader mit variabler Turbinengeometrie

Der gegenüber Benzinmotoren erforderliche höhere Ladedruck ließe sich bei kleinen Drehzahlen beispielsweise durch einen kleineren Turbolader realisieren. Für hohe Drehzahlen ist solch ein kleiner Turbolader jedoch ungeeignet, da er so viel Abgasgegendruck erzeugen würde, dass die Spitzenleistung signifikant reduziert werden müsste. Eine Lösung für dieses Dilemma stellt ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) dar, die sich dem Drehzahlbereich dynamisch anpassen lässt. Bislang verbietet sich der Einsatz von VTG-Ladern, da diese im Allgemeinen nicht so temperaturfest sind, wie es der Einsatz an Ottomotoren mit ihren heißen Abgasen verlangen würde. Erst ein optimierter Motor mit sehr hoher Spitzendruckfestigkeit bietet, in Kombination mit sehr klopffestem EE-Methan, die Möglichkeit, auch bei Darstellung heute üblicher spezifischer Leistung die Abgastemperatur so signifikant zu senken, dass ein solcher Turbolader verwendet werden kann.

Bild 2: Ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie ermöglicht hohe Drücke über den gesamten Drehzahlbereich (©Continental Automotive GmbH).

Vollvariabler Ventiltrieb

Eine weitere Maßnahme, um die Temperatur zu senken, ist das Zwischenkühlen der komprimierten Luft vor der Zündung. Das lässt sich im sogenannten Miller-Zyklus realisieren, der einen vollvariablen Ventiltrieb für den Einlass der Luft benötigt. Ein solcher muss jedoch erst an die hohen Verbrennungsdrücke, wie sie hier angestrebt sind, angepasst werden. Der variable Einlassventiltrieb ermöglicht zudem einen weitgehend drosselfreien Teillastbetrieb, wodurch Ladungswechselverluste vermieden werden und so der Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Das ist ein weiteres Ziel in MethCar.

Qualität des Kraftstoffs

Außerdem untersuchen die Partner in MethCar die Anforderungen an die Kraftstoffzusammensetzung, da zum einen die Darstellung eines möglichst hohen Wirkungsgrades in Kombination mit niedrigen, zukünftigen Abgasemmissionsanforderungen und zum anderen die Robustheit der neuen Komponenten gewisse Kraftstoffqualitätsanforderungen mit sich bringen, die von heute bekannten Erdgasqualitäten nicht unbedingt erfüllt werden. So birgt beispielsweise ein zu hoher Wasserstoffgehalt die Gefahr, Injektoren oder andere Komponenten zu schädigen und gleichzeitig die Klopffestigkeit des Kraftstoffs zu reduzieren, was Wirkungsgradeinbußen zur Folge hat. Weiterhin kann sowohl ein zu hoher als auch ein zu niedriger Kompressorölgehalt schädliche Auswirkungen auf das Verschleißverhalten von Komponenten (insbesondere Injektoren) haben. Zur Bestimmung des Kompressorölgehalts, insbesondere am Motorenprüfstand, gibt es zurzeit noch kein genormtes Messverfahren. Daher erarbeiten die Partner im Rahmen von MethQuest Empfehlungen für Grenzwerte von EE-Methan zum bestmöglichen Betrieb in optimierten Motoren, genauso wie erforderliche neue Messverfahren. Weiterer Untersuchungsgegenstand ist die Bildung von Partikeln während der Verbrennung, die trotz grundsätzlich erheblich besserer Verbrennungseigenschaften als bei flüssigen Kraftstoffen unter ungünstigen Umständen auftreten könnte. Ziel ist es nachzuweisen, dass die optimierte Methanverbrennung robust gegen das Entstehen von Partikeln ist.

Bild 3: In MethCar wir ein UniAir-Aktuator weiterentwickelt. Ein vollvariabler Ventilbetrieb ermöglicht das Zwischenkühlen der Luft vor der Zündung und verringert so die Endtemperatur des Abgases (©Schaeffler Technologies AG & Co. KG)

Die Projektpartner

Continental Automotive GmbH; Division PowertrainContinental Automotive GmbH; Division Powertrain
Engler-Bunte-Institut, Teilinstitut Verbrennungstechnik (KIT EBI vbt)Engler-Bunte-Institut, Teilinstitut Verbrennungstechnik (KIT EBI vbt)
Ford-Werke GmbHFord-Werke GmbH
Kompetenzcenter Gasqualität der Open Grid Europe GmbHKompetenzcenter Gasqualität der Open Grid Europe GmbH
Schaeffler Technologies AG & Co. KGSchaeffler Technologies AG & Co. KG
Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen UniversityLehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen University

Verbundkoordination:

Ford-Werke GmbH
Henry-Ford-Str. 1
50735 Köln