Projekt 24376/01

Entwicklung eines verbrauchs- und schadstoffarmen Viertakt-Kleinmotors

Projektträger

BING Power Systems GmbH
Dorfäckerstr. 16
90427 Nürnberg
Telefon: 0911/3267-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Angesichts der Verknappung der fossilen Brennstoffe sowie zunehmender Forderungen nach Schadstoffreduktion und Klimaschutz treten ein sparsamer Verbrauch und geringe Emissionen auch bei Klein-motoren in den Vordergrund. Gemeint sind damit Anwendungen wie Mopeds und Motorräder, aber auch Rasenmäher oder Motorsägen mit Ottomotoren. Im Gegensatz zu größeren Motoren können keine aufwendigen und kostenintensiven Techniken, wie z. B. Katalysatoren, zum Einsatz kommen, da dies von den Kunden nicht akzeptiert würde, denkt man beispielsweise an Massenmärkte für Motorräder in Asien. Dort ist das Motorrad das Hauptfortbewegungsmittel.
Ottomotoren werden entweder mit Saugrohr-Vergasern oder mit Benzineinspritzern betrieben. Für Motorräder kostet ein normaler Vergaser zwischen 10-20 EUR, ein Einspritzer dagegen 100-150 EUR, weshalb letzterer nur für größere Motorräder eingesetzt wird. Die technisch aufwendigere Einspritzung trägt durch genaue Dosierung des Kraftstoffes zur Einsparung bei, während in konventionellen Vergasern, die starr auf einen Hauptlastfall eingestellt sind, Kraftstoff vergeudet wird. Jedoch werden die meisten kleineren Ottomotoren aus Kostengründen mit Vergasern ausgerüstet.
Die Firma BING GmbH ist der größte Vergaserhersteller in Deutschland. Zusammen mit dem Institut für Fahrzeugtechnik (IFZN) der Fachhochschule Nürnberg und der sachs engineering GmbH sollte ein elektronisch gesteuerter Vergaser entwickelt werden, der nur ca. 30% eines Einspritzsystems kostet. Durch die Steuerung sollten 10-15% Kraftstoff und Emissionen eingespart werden. Die Kombination dieser ökologischen und ökonomischen Vorteile bietet weltweit beste Vermarktungsaussichten, gerade angesichts tendenziell steigender Ölpreise.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Vergaser sollte ein Magnetventil vorgesehen werden, wie es gemäß dem Stand der Technik in einfacher Ausführung zur Verhinderung des Nachlaufens eines Motors oder zur Vermeidung von Fehlzündungen nach dem Abstellen üblich ist. Neu ist, dass die Öffnung des Magnetventils mittels eines Aktuators und einer Nadel auch während des Betriebs gesteuert wird. Die Steuerung des Vergasers sollte mit Hilfe von Signalen aus der Zündelektronik erfolgen.
Die Kooperation lief in der Weise ab, dass die BING GmbH die Vergasertechnologie entwickelte, die sachs engineering GmbH die Strömungsverhältnisse bei der gesteuerten Gemischaufbereitung und weitere Vergaserdetails simulierte und das IFZN Prüfstandsversuche durchführte und die wissenschaftliche Beratung bei der Abstimmung des Vergasers übernahm.


Ergebnisse und Diskussion

Im Ergebnis ist ein elektronisch gesteuerter Vergaser mit der Bezeichnung EFC System (Electronic Fuel Control) entstanden, der durch die Steuerung des Luft-Kraftstoff Gemisches eine deutliche Reduzierung von CO und HC erzielt, wenngleich die NOx-Emissionen durch die höhere Verbrennungstemperatur ansteigen. Im Vergleich mit dem Originalvergaser eines Kleinmotorrads verringert der elektronisch gesteuerte BING-Vergaser beispielhaft an einem Punkt maximaler Leistung bei einer Motordrehzahl von 5000 U/min den spezifischen Kraftstoffverbrauch um 15,9 %.

Durch die Umsetzung der Ergebnisse in die Serienproduktion erwartet BING, dass mittelfristig ca. eine Million gesteuerte Vergaser verkauft werden können. Damit könnten innerhalb von drei bis vier Jahren ca. 109 Mio. Liter Benzin eingespart werden, entsprechend einer Verminderung des CO2-Ausstoßes um ca. 270.000 Tonnen.

Im Vorhaben kam es durch die für die Steuerung benötigten zusätzlichen mechanischen Komponenten zu Schwingungsproblemen, deren Beherrschung einigen Aufwand verursachte. Zur Erzielung der Se-rienreife des gesteuerten Vergasers müssen noch wirksame Maßnahmen zur Unterdrückung von Schwingungsneigungen getroffen werden.

In den Versuchen kam ein Klappenvergaser für die elektronische Steuerung zum Einsatz. Ursprünglich war der Klappenvergaser für den Stationärbetrieb geplant, z. B. von Rasenmähern. Im Vorhaben wurde er aber aus Gründen des einfacheren Aufbaus auch mit dem originalen Schiebervergaser eines Kleinmotorrads verglichen. Für den praktischen Einsatz in Motorrädern ist jedoch geplant, mit der Steuerung auf Schiebervergaser überzugehen, die beim Beschleunigen bessere Ergebnisse erzielen. Der gesteuerte Vergaser ist dafür noch umzubauen.

Der neue Vergaser besitzt gegenüber konventionellen Saugrohr-Vergasern von Viertakt-Kleinmotoren deutlich bessere Verbrauchs- und Emissionswerte, wenngleich er die Werte von Einspritzern nicht ganz erreichen dürfte. Allerdings besitzt der gesteuerte Vergaser gegenüber einem Einspritzer wesentliche Kostenvorteile.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Vorhabensergebnisse sollen für zwei Anwendungsgebiete auf den Markt gebracht werden:
1. Kleinere Motorräder und Motorroller mit 125 bis 200 ccm Hubraum (EFC-Modul als Schieberverga-ser)
2. Stationär betriebene Motoren, wie Rasenmäher, Motorsägen, Laubblasegeräte, Häcksler oder Rasentrimmer (EFC-Modul als Klappenvergaser)

Zu Firmen aus diesen Gebieten bestehen gute Kontakte, so dass die Firma BING nach dem kompletten Abschluss der Entwicklungsarbeiten aufgrund des Einsparpotenzials von Kraftstoff und Emissionen sofort ins Geschäft kommen kann. Einige der Kunden wurden bereits von den Ergebnissen unterrichtet und zeigten großes Interesse. Weitere Interessenten sollen durch Fachveröffentlichungen in der Motortechnischen Zeitschrift MTZ oder auf der SAE-Konferenz (Society of Automotive Engineers) angesprochen werden. Der gesteuerte Vergaser soll als EFC-Modul in etwa einem Jahr auf den Markt gebracht wer-den.


Fazit

Mit dem Vorhaben wurde das Prinzip der Steuerbarkeit der Gemischzufuhr für Viertakt-Kleinmotoren mit einer getakteten Düse auf Basis von Signalen aus der Zündelektronik nachgewiesen, so dass auch ohne Verwendung einer Lambda-Sonde ein Motorbetrieb mit ? ? 1 für annähernd alle Lastfälle eingestellt werden kann. Es ist ein effizienter Kompromiss zwischen Saugrohr-Vergaser und Einspritzer entstanden, der in puncto Kraftstoffverbrauch und Emissionen bessere Werte erzielt als der Saugrohr-Vergaser, aber kostengünstiger angeboten werden kann als der technisch aufwendigere Einspritzer. Mit dem neuen System werden für kleine Viertakt-Motoren auch in Zukunft verschärfte Abgasnormen eingehalten wer-den können.