Direkteinspritzung von „Autogas“ als Option für umweltfreundliche Motorenkonzepte

Thermodynamisch sinnvoll

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Umweltfreundliche Mobilität ist eines der Zukunftsthemen der Automobilindustrie. Eine Vielzahl von Lösungen steht auf dem Prüfstand, um Ökologie und Ökonomie einerseits und den Wunsch nach komfortabler, sicherer Dynamik andererseits auf einen Nenner zu bringen. Beim Entwicklungsdienstleister Bertrandt erarbeiten im Fachbereich Powertrain über 500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter ganzheitliche Lösungen, um zukunftsgerichtete Motorderivate zu entwickeln.

Im Fokus der Arbeiten an umweltfreundlichen Motorenkonzepten steht derzeit die Brennverfahrensentwicklung. Im Rahmen von internen Projekten in verschiedenen Bereichen der Simulation von Ladungswechsel, Gasdynamik, Reaktionskinetik oder Thermomanagement liegt ein Augenmerk auf der gesamtheitlichen Betrachtung der motorischen Effizienz sowie der Bewertung von Einzelmaßnahmen hinsichtlich ihres Potenzials, Schadstoffrohemissionen und den CO2-Ausstoß abzusenken.

LPG: Handelsname „Autogas“
Eines der durchgeführten Projekte befasst sich mit den thermodynamischen Potenzialen des Liquified Petroleum Gas (LPG, Handelsname „Autogas“) als Kraftstoff für Ottomotoren, dessen wesentliche Vorteile in exzellenten Verdampfungseigenschaften, einem relativ geringen Kohlenstoffanteil und einer hohen Klopffestigkeit liegen. Der historischen Entwicklung des Benzinmotors folgend stellt sich die Frage, ob ausgehend von der sequentiellen Gaseinblasung (Stand der Technik) – über die Saugrohr-Einspritzung flüssigen LPGs – der Übergang zur Direkteinspritzung (DI) von LPG sinnvoll ist, beziehungsweise ob die Vorteile der Benzin-DI auf LPG übertragbar sind. Allem voran bietet sich die Möglichkeit zur Innenkühlung und damit zur Füllungssteigerung und Verringerung der Klopfneigung. Letztere erlaubt eine Anhebung des Verdichtungsverhältnisses und in Folge eine Wirkungsgradsteigerung. Ausgeführte Benzin-DI-Motoren, insbesondere mit Aufladung, belegen die praktische Bedeutung der Zusammenhänge.
Vor diesem Hintergrund wurde ein LPG-DI-Motor in einer Prozesssimulation untersucht. Ziel war es, die Erhöhung des gesamtmotorischen Wirkungsgrades und die Absenkung der CO2-Emissionen durch Verbrauchsreduzierung und Dekarbonisierung zu quantifizieren.
Modellaufbau- und Ablauf
Für die Untersuchung wurde der Motorprozess mit Ladungswechsel und Hochdruckteil in einem Matlab-Modell abgebildet, welches neben indiziertem Mitteldruck und Wirkungsgrad auch den Verlauf der Zustandsgrößen wie Druck und Temperatur im Brennraum ausgibt. Die geometrische Beschreibung erfolgt mittels Kolbendurchmesser und Hubfunktion. Außerdem wird der Verlauf des Ventilhubes beziehungsweise des Steuerquerschnittes vorgegeben. Somit kann die Berechnung des Ladungswechsels unter Vorgabe der Drücke vor dem Einlassventil oder hinter dem Auslassventil erfolgen. Die Gasdynamik in Saug- und Abgasanlage blieb bei der Betrachtung außen vor.
Im Hochdruckteil werden Verdichtung und Entspannung mit Realgasverhalten gerechnet. Der Brennverlauf wird mittels Vibe-Funktion beschrieben, wobei auch die längere Brenndauer des LPG mit einfließt. Während der Wärmezufuhr wird mit einem vereinfachten Zweizonenmodell gerechnet, so dass die Verläufe der Zustandsgrößen für die unverbrannte Zone zur Verfügung stehen. Außerdem berücksichtigt das Modell den Wandwärmeübergang und die Kraftstoffverdampfung.
Verdampfungsvorgang und Klopfneigung
Der Verdampfungsvorgang wurde vorab detailliert betrachtet. Zum einen wurden die Verdampfungszeiten verglichen, wobei sich deutliche Vorteile für das LPG zeigten. Auch bei der Direkteinspritzung von flüssigem Autogas liegt dieser Kraftstoff nach kürzester Zeit gasförmig im Brennraum vor. Die Ergebnisse lassen schlussfolgern, dass keine Maßnahmen zur Forcierung der Gemischbildung erforderlich sind.
Zum anderen wurde die Verdampfungsenthalpie ermittelt. Diese ist bei LPG zwar größer, kann aber nur teilweise genutzt werden. Bei der Einspritzung wird der Kraftstoff auf Zylinderdruck entspannt. Der neue Zustand liegt für LPG im Zweiphasengebiet, weshalb es sich stark abkühlt und anteilig sofort verdampft. Somit muss ausschließlich für den flüssig verbliebenen Teil die Verdampfungsenthalpie aufgewendet werden. Die große Temperaturdifferenz zwischen Kraftstoff und Umgebung im Zylinder forciert den Wärmeübergang und erklärt die insgesamt schnelle Verdampfung von LPG. Im Anschluss muss der kalte Kraftstoffdampf auf Zylindertemperatur aufgeheizt werden. Dies entzieht der Luft im Zylinder zusätzlich Wärme, womit die Abkühlung in Summe etwas größer ausfällt als bei der Verdampfung von Benzin. Im Modell wird die erforderliche Energie in Abhängigkeit vom Einspritz- bzw. Verdampfungszeitpunkt und damit unter Berücksichtigung des aktuellen Zustands im Zylinder ermittelt. So steht ein Werkzeug zu Verfügung, welches die wesentlichen Einflüsse berücksichtigt und umfassende Aussagen zum LPG-Prozess erlaubt.
Die wichtigste Fragestellung war die nach der geänderten Klopfneigung. Dazu wurden die Zündverzugszeiten der Kraftstoff-Luft-Gemische miteinander verglichen. Mit den aktuellen Werten für Druck und Temperatur in der unverbrannten Zone konnte der Reaktionsmechanismus für den jeweiligen Kraftstoff berechnet werden. Für LPG wird dieser durch eine modifizierte Form des GRI-Mechanismus dargestellt, der in seinen Grundzügen die Reaktion von Methan beschreibt. Der Reaktionsweg von Iso-Oktan wird durch den Golovitchev-Mechanismus beschrieben. Aus dem Verlauf der OH-Konzentration kann auf die Zündverzugszeit geschlossen werden.
Modellsimulation bestätigt Vorteile von LPG
Die Simulation bestätigte die Vorteile des LPG, welche die hohe Oktanzahl von etwa 110 und das gute Verdampfungsverhalten bereits erwarten ließen. Bei identischen Randbedingungen, wie innerer Mitteldruck, Verdichtungsverhältnis und Verbrennungsschwerpunktlage, ergaben sich beim LPG erheblich größere Zündverzugszeiten. Zur Abschätzung des Verbrauchspotenzials wurde die Verdichtung schrittweise erhöht, bis sich die Zeiten annäherten. Basierend auf einem moderat aufgeladenen Pkw-Otto-DI mit dem Verdichtungsverhältnis von 11:1 kann bei identischer, wirkungsgradoptimaler Verbrennungsschwerpunktlage die Verdichtung auf etwa 14:1 angehoben werden. Die Klopfneigung liegt dann auf gleichem Niveau. Der innere Wirkungsgrad des Prozesses steigt um gut 5 %, der Verbrauch sinkt entsprechend. Der CO2-Ausstoß ist etwa 14 % niedriger. Die Ergebnisse wurden für Volllast ermittelt, lassen sich jedoch prinzipiell auf die Teillast übertragen.
Bei einem LPG-Sauger liegt das mögliche Verdichtungsverhältnis noch darüber und wird dann primär durch andere Randbedingungen wie die konstruktive Umsetzbarkeit oder die steigenden Wandwärmeverluste begrenzt. Die Zylinderfüllung liegt mit LPG bis zu 3 % über der bei Benzinbetrieb.
LPG-DI als Basis für Designerkraftstoffe
Zusammenfassend ist die homogene Direkteinspritzung von LPG aus thermodynamischer Sicht sinnvoll. Die Vorteile der Benzindirekteinspritzung sind prinzipiell übertragbar. Die Gemischbildung ist unkritisch und erlaubt eine freiere Wahl des Einspritzzeitpunktes als bei herkömmlichem Ottokraftstoff.
Offen bleibt die Frage nach den Einflüssen auf moderne Brennverfahren. Während die Homogenisierung des Gemisches unter den dargestellten Randbedingungen unkritisch ist, stellt sich jedoch die Frage nach der Möglichkeit zur Ladungsschichtung, da zum Ausgleich der geringeren Brenngeschwindigkeit eine hohe Turbulenz innerhalb der Zylinderladung wünschenswert wäre. Um einer vorzeitigen Auflösung des Kraftstoffstrahls und damit einem Verwehen der Kraftstoffwolke entgegenzuwirken, muss die Spanne zwischen Einspritzbeginn und Zündung gegenüber Benzinbetrieb weiter verkürzt werden. Inwieweit dies den gewünschten Erfolg bringt, wäre in einer weiterführenden Simulation und im Versuch zu klären.
Ein solcher Aufwand muss differenziert beurteilt werden – speziell vor dem Hintergrund des geringen Anteils von LPG am globalen Kraftstoffmix sowie Herausforderungen bei der konstruktiven Umsetzung und einer serientauglichen Fahrzeugkonfiguration. In jedem Fall lassen sich durch die Untersuchung der LPG-DI wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung neuer Designerkraftstoffe gewinnen, deren Verfügbarkeit voraussichtlich besser als die von LPG sein wird.
Bertrandt;
Telefon: 07034/ 6 56–0; E-Mail: anja.schauser@de.bertrandt.com
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