Projekt 14100/01

Entwicklung eines schadstoffarmen Nutzfahrzeugmotors mit Hochdruckdirekteinblasung von Erdgas für den Einsatz in Stadtbussen

Projektträger

Westport GERMANY GmbH
Rheinlanddamm 201
44139 Dortmund
Telefon: 0231/28668-400

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung eines vom Dieselmotor abgeleiteten Erdgasmotorkonzeptes mit elektronisch gesteuerter Direkteinblasung und Glühzündung für den Einsatz im Stadtbus vor dem Hintergrund der zukünftigen europäischen Gesetzgebung (Euro IV, ESC). Während konventionelle Erdgasmotoren auf Grund der äußeren Gemischbildung insbesondere im Teillastbereich erhebliche Wirkungsgradnachteile aufweisen, ermöglicht das Glühzündungsbrennverfahren mit direkter Erdgaseinblasung auf konstant hohem Druckniveau (ca. 200 bar) einen ungedrosselten Teillastbetrieb. Hierbei lässt sich ein dem Dieselmotor vergleichbares günstiges Energieverbrauchs- und Leistungsverhalten realisieren. Erdgasbedingte Vorteile bezüglich der CO2-Bilanz lassen sich insbesondere im dynamischen Fahrbetrieb verstärkt nutzbar machen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenVoraussetzung zur Darstellung des Wirkungsgrad- und Emissionsminderungspotenzials für diesen Technologieansatz war die Entwicklung eines direkteinblasenden Erdgasbrennverfahrens (DING-Verfahren) für den Einsatz in Nutzfahrzeugen. Ein wesentlicher Aspekt für das Erreichen der Zielsetzung bestand in der auf den dynamischen Fahrbetrieb ausgerichteten Entwicklung der Teilsysteme Brennverfahren, Einblasesystem und Motorelektronik sowie deren Integration in das Gesamtsystem Motor. Ein vorentwickeltes Druckspeicher-Einblasesystem wurde hierzu für den Einsatz im Nutzfahrzeugmotor weiterentwickelt und in Verbindung mit dem vom Dieselmotor abgeleiteten Brennverfahren hinsichtlich Kraftstoffverbrauchs- und Schadstoffemissionsverhalten abgestimmt. Ein wichtiger Teilaspekt der durchgeführten Entwicklungsarbeiten lag in der Wirkungsgradoptimierung der Einheit zur Erdgasverdichtung, die als kompakter On-Board-Verdichter konzipiert und in das Motorkonzept integriert, einen weitgehend konstanten Versorgungsdruck für die Gaseinblasung im gesamten Kennfeldbereich rea-lisieren kann. Als Versuchsträger für die Basisentwicklung wurde ein in Stadtbussen häufig eingesetzter Motor der DaimlerChrysler AG, Typ OM447hLA, 184 kW herangezogen, der die derzeit geltenden Schadstoffgrenzwerte (Euro II) erfüllt. Dynamische Untersuchungen wurden an einem kompakteren Nfz-Motor (DC OM906LA) mit vergleichbarer Leistungscharakteristik durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Auf Grund der hier entwickelten technischen Eigenschaften der DI-Erdgastechnologie sind wesentliche Barrieren für eine Einführung von Erdgasantrieben in Nutzfahrzeugen und Stadtbussen aus dem Weg geräumt worden. Die aufgezeigten Eigenschaften hinsichtlich Leistungs- und Wirkungsgradverhalten sowie die Kompatibilität der Systemtechnologie zu bestehenden Lösungsansätzen für konventionelle Kraftstoffe bilden eine ausgezeichnete Grundlage für eine industrielle Nutzung.
Anhand der durchgeführten experimentellen Untersuchungen konnte aufgezeigt werden, dass mit dem DI-Erdgasmotor und in Verbindung mit Abgasrückführung sowie katalytischer Abgasnachbehandlung durch einen Oxidationskatalysator, Schadstoffemissionen auf dem Niveau der Euro 4-Grenzwerte (Ba-sis: ESC-Test) durchaus erreicht werden. Unter instationären Betriebsbedingungen (ETC-Test) werden bereits heute Partikel- und CO-Emissionen deutlich unterhalb des Niveaus Euro 5 bzw. EEV erreicht, während bezüglich der NOx- und HC-Emissionen das Euro 4 Niveau überschritten wurde.
Das durchgeführte Projektvorhaben hat ebenso aufgezeigt, dass die Systemtechnologie hinsichtlich ihrer Umsetzung in den industriellen Ablauf noch einen nicht ausreichenden Entwicklungsstand aufweist, so dass weitergehende Ziele zur Darstellung weiter abgesenkter Schadstoffemissionen nur bei entsprechender Weiterentwicklung des Betriebsverhaltens der Gasventilkomponenten möglich ist. Zukünftige Entwicklungsschritte sollten sich deshalb darauf konzentrieren, die noch offenen Fragen der Komponentenfertigung zu adressieren, um die Abstimmung des Motorkonzeptes in Verbindung mit der Abgasrückführung weiter zu optimieren.
Mit der Einführung der Emissionsstufen Euro 4 und Euro 5 für Nutzfahrzeuge ist absehbar, dass sich konventionelle und alternative Antriebskonzepte sowohl bezüglich der resultierenden Emissionswerte wie auch hinsichtlich der Anschaffungs- und Betriebskosten aufeinander zu bewegen. Die stets kritisierte Komplexität aktueller Gasottomotoren, die allerdings heute bereits in der Lage sind, Euro 5 bzw. EEV-Niveau zu bieten, wird dann auch für einen Dieselmotor gleicher Abgasgüte gelten. Hier sind z.T. deut-lich erhöhte Kosten für die Dieselabgasnachbehandlung durch die SCR oder SCRT-Technologie wie auch die Schaffung einer Infrastruktur für die Harnstoff-Additivversorgung zu berücksichtigen. Ebenso wird der Wartungsaufwand dieser höher entwickelten Technologie die Betriebskostensituation weiter belasten.
Demzufolge sind die Kraftstoffkosten letztendlich die einzig verbleibende Kostenart, die der Fahrzeugbetreiber durch Wahl des Fahrzugantriebes (Diesel oder Erdgas) noch entscheidend beeinflussen kann. Aus diesem Grund ist der zukünftige Markt für Erdgasfahrzeuge in den Bereichen der Nutzfahrzeuganwendung zu sehen, die entweder auf Grund hoher Fahrleistung einen hohen Kraftstoffkostenanteil haben bzw. auf Grund hoher Fahrzeuganschaffungskosten mit einer langen Nutzungsdauer planen. Gerade in diesen Segmenten ergibt sich ein hoher Kundennutzen durch eine frühzeitige Amortisation der Mehrkosten bei der Erdgasfahrzeugbeschaffung.
In letztendlicher Konsequenz bestätigt das die absolute Notwendigkeit zum Einsatz eines Erdgasantriebes mit dieselmotorischen Eigenschaften hinsichtlich der Leistungsentfaltung und des Kraftstoffverbrauchsverhaltens, wie er mit dem hier vorgeschlagenen Lösungsansatz zur Verfügung steht. Denn auch wenn absehbar ist, dass Dieselmotoren in Zukunft mit Euro 5- bzw. EEV-Niveau im Markt vertreten sein werden, so hat die Erdgasanwendung weitergehende Vorteile bezüglich der CO2-Emissionen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Publikationen der in diesem Projektvorhaben erzielten Ergebnisse sind geplant im nationalen Umfeld u.a. im Rahmen einer Veranstaltung im Haus der Technik e. V., Gasfahrzeuge - Die passende Antwort auf die CO2-Herausforderung der Zukunft, bzw. im internationalen Umfeld auf einer Veranstaltung der US Society of Automotive Engineering (SAE), Powertrain & Fluid Systems Conference.


Fazit

Mit Einsatz der DING-Technologie muss sich der Erdgas-Nfz-Motor auf Grund gleicher Leistungs- und Verbrauchskennwerte nicht mehr hinter dem Dieselmotor verstecken. Vor dem Hintergrund der Euro 4/5-Schadstoffgrenzwerte für Nutzfahrzeuge kann der DI-Erdgasantrieb eine wirtschaftliche Alternative in relevanten Marktsegmenten darstellen. Die Weiterentwicklung der Systemkomponenten der Erdgaseinbla-sung für ein stabiles Langzeitverhalten ist eine wesentliche Anforderung für eine mögliche zukünftige Markteinführung.

Übersicht

Fördersumme

373.243,07 €

Förderzeitraum

01.07.1999 - 31.03.2003

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik