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Obwohl moderne Benzin- und Dieselmotoren heute über eine sehr fortschrittliche Motortechnik und Abgasnachbehandlung verfügen, weisen Erdgasmotoren deutliche Emissionsvorteile auf. So liegen die klimawirksamen CO2-Emissionen dank der günstigen chemischen Zusammensetzung des Erdgases um rund 20 % niedriger als bei Benzinmotoren. Auch die Verbrennungsgeräusche sind deutlich geringer.
Ottomotor: Niedrige Emissionen, geringerer Wirkungsgrad
Erdgasmotoren arbeiten üblicherweise nach dem Otto-Prinzip: Das Erdgas/Luft-Gemisch wird stöchiometrisch oder überstöchiometrisch (Magermotor) angesaugt, verdichtet und fremdgezündet. Vorteil dieses Verfahrens sind die geringen Emissionen. Sie resultieren aus der homogenen „äußeren“ Gemischbildung vor der Ansaugung. Die Restschadstoffe können mit einem Drei-Wege- oder Oxidationskatalysator (beim Magermotor) weitgehend abgebaut werden.
Nachteile des Otto-Verfahrens sind ein relativ geringer Spitzenwirkungsgrad und ein vergleichsweise schlechter Teillastwirkungsgrad. Letzterer wirkt sich besonders gravierend aus, weil der Teillastbetrieb sehr häufig auftritt. Um unkontrollierte Frühzündungen (klopfende Verbrennung) zu vermeiden, kann das Gemisch auf maximal 13 zu 1 verdichtet werden. Dadurch wird der thermische Wirkungsgrad begrenzt, der direkt proportional zum Druckverhältnis ist. Zudem wird die Leistung über eine Mengenbegrenzung des gesamten Ansauggemischs (Drosselung) geregelt. Das verursacht Strömungswiderstände bei der Ansaugung.
Dieselprinzip senkt den Verbrauch
Anders ist es beim Diesel-Prozess. Der Motor saugt ausschließlich Luft ungedrosselt an. Sie kann für den Betrieb mit Dieselkraftstoff bis auf 22 zu 1 verdichtet werden. Daraus resultieren ein hoher thermischer Wirkungsgrad und geringe Strömungsverluste. Der Kraftstoff wird anschließend in die durch den Verdichtungsprozess erhitzte Luft direkt eingespritzt und entzündet sich selbständig. Die Leistung wird durch die Menge des eingespritzten Kraftstoffs geregelt. So erzielt man bei Teillast - bezogen auf die gesamte Zylinderfüllung - extrem magere Gemische. Das Ergebnis sind die hohen Spitzenwirkungsgrade und sehr niedrigen Teillastverbräuche von direkt einspritzenden Dieselmotoren.
Vor der Zündung im Brennraum erfolgt beim Dieselmotor allerdings die „innere“ Gemischbildung des eingespritzten Kraftstoffs mit der Luft. Während des Verdichtungsvorgangs stehen dafür nur Bruchteile von Sekunden zur Verfügung. Das verursacht die wesentlichen Nachteile des Dieselverfahrens: hohe Stickstoffoxidemissionen sowie Rußbildung bei Volllast. Als Konsequenz daraus ist die erzielbare Drehzahl und damit die spezifische Zylinderleistung bei Dieselmotoren im Vergleich zum Otto-Verfahren begrenzt. Auch die hohe Abgasqualität eines Otto-Motors wird nicht erreicht.
Deshalb betreibt man bei den Einspritzsystemen von Dieselmotoren erheblichen Aufwand zur Optimierung des Brennverfahrens. Der Kraftstoff wird mit Höchstdrücken von bis zu 2000 bar feinst zerstäubt und mit sehr viel innerer Energie zur Unterstützung von Gemischbildung und Zündung versehen. Das kostet Antriebsenergie; der Aufwand für die Abgasnachbehandlung ist hoch. Die Emissionsreduzierung lässt also den Brennstoffverbrauch wieder ansteigen (vgl. Bild 2). Dieselmotoren halten in Nutzfahrzeugen die EURO-III-Grenzwerte (ab Zulassung 2000) ein.
DING: Erdgas im Dieselmotor
Das DING-Prinzip (= Direct Injection Natural Gas) ist sehr einfach zu erklären: Erdgas wird mit einem Druck von 200 bar aus dem Tank direkt in einen Dieselmotor eingeblasen. Der Druck steht durch die Betankung zur Verfügung. Weil der Kraftstoff bereits gasförmig vorliegt, ist die Gemischbildung gegenüber dem Dieselkraftstoff vereinfacht. Da Methan als Hauptbestandteil des Erdgases höhere Zündenergien als Dieselöl benötigt, wird der Zündvorgang durch eine Glühzündung unterstützt. Sie nimmt den Platz der Vorglühkerze im Zylinderkopf des sonst unveränderten Dieselmotors ein.
Ein modifizierter Dieselinjektor dient als Gasinjektor. Die Dieseleinspritzpumpe wird entfernt. An ihrer Stelle treibt der Motor bei abnehmendem Speicherdruck einen Verdichter an. Dieser sorgt bei veränderlichem Vordruck im Gasdrucktank für konstanten Einblasdruck. Die Abbildung stellt das Gesamtsystem schematisch dar. Die Verdichtungsarbeit des Erdgases wird durch den Vordruck des Speichers unterstützt. Bezogen auf eine Tankfüllung ist der Leistungsbedarf deshalb mit dem der ursprünglichen Dieseleinspritzpumpe vergleichbar.
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| Schematische Darstellung des DING-Gesamtkonzepts |
Vielversprechende Lösung
Die hohen Wirkungsgrade des Dieselmotors sind durch das DING-Verfahren prinzipiell auch mit Erdgas erreichbar. Die Emissionen, insbesondere Rußwerte, liegen dagegen deutlich geringer als bei der Dieselvariante. Das Ziel, die strengen Grenzwerte für die EURO-V-Norm durch ein dieselähnliches Verfahren mit Erdgas zu erfüllen, ist mit einem angepassten Katalysatorsystem durchaus erreichbar.
Der ursprüngliche Dieselmotor bleibt beim DING-Verfahren in seiner Basis unverändert erhalten. Er wird durch Austausch und Anpassung von wenigen Komponenten in einen Erdgasmotor umgewandelt. Verglichen mit der Umwandlung von Dieselmotoren zu Erdgas-Magermotoren mit Otto-Verfahren ist der Aufwand deutlich reduziert. Das macht die Umrüstung kostengünstiger.
Ideal für Nutzfahrzeuge
Das DING-Verfahren ist als monovalentes Motorkonzept ideal für Flottenfahrzeuge wie Linienbusse und Müllfahrzeuge. Der reduzierte Umrüstungsaufwand kann die Amortisationszeiten der höheren Anschaffungskosten bei Erdgasbussen deutlich senken. Mit Ruhrgas-Beteiligung wird derzeit ein Busmotor von Daimler/Chrysler in der Fachhochschule Dortmund zum DING-Motor umgewandelt. Es han-delt sich um den modernsten Typ OM 906, der in der Diesel-Version mit der aktuellen Common-Rail-Technik ausgestattet ist und die EURO-III-Emissionsgrenzwerte erfüllt.
Die Komponenten des DING-Systems sind noch Einzelanfertigungen, mit denen der Motor zunächst auf dem Prüfstand angepasst wird und sein Potenzial unter Beweis stellen soll. Dabei wird auch der tatsächliche Umrüstungsaufwand ermittelt. Die Entwickler an der Fachhochschule Dortmund können bereits auf Erfahrungen beim Umbau eines 1,9-Liter-TDI-Motors von Volkswagen zurückgreifen. Sollten sich bei unverändertem Basismotor die erwarteten Leistungen erzielen lassen, ist die Überführung in eine Serienfertigung in relativ kurzer Zeit möglich.
Quelle: Ruhrgas AG
Kontakt: Ruhrgas AG
E-Mail: ulrich.duda@ruhrgas.com
Tel.: +49.2362.93 85 55
Ansprechpartner : Ulrich Martin Duda
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