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CNG Archives - STS Switzerland (DE)
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Druck entriegelt das Potenzial von verdichtetem Erdgas

Druck entriegelt das Potenzial von verdichtetem Erdgas

Dank seiner sehr hohen Energiedichte ist verdichtetes Erdgas für den Einsatz als Fahrzeugkraftstoff gut geeignet. Erdgas hat eine Oktanzahl von etwa 120 und eine Verbrennungswärme von 9.000 bis 11.000 kcal/kg oder 38 bis 47 MJ/kg.

Darüber hinaus produziert die Verbrennung von Erdgas deutlich weniger CO2-Emissionen, als es z. B. bei der Verbrennung von Benzin der Fall ist. Und da Erdgas in vielen Märkten einen besonders kostengünstigen Kraftstoff darstellt, zeigen Hersteller ein wachsendes Interesse an der Entwicklung von Fahrzeugen, die mit dieser alternativen Energiequelle angetrieben werden können.

Die größte Herausforderung bei der Optimierung des Erdgas-Antriebs für einen Verbrennungsmotor ist die Regulierung des Einblasdrucks in den Kraftstoffverteiler.

Abbildung 1: Beispiel für ein Zwei-Kraftstoffsystem für Benzin und Erdgas
Bildquelle: Bosch Mobility Solutions

Erdgas wird bei etwa 200 bar gespeichert und wird je nach Motoranforderung üblicherweise in einem Druckbereich von zwei bis neun bar eingeblasen– Niederdruck für sparsames Fahren im unteren Geschwindigkeitsbereich und höhere Drücke für mehr Leistung und ein höheres Drehmoment.

Der Wirkungsgrad der Verbrennung im Motorzylinder hängt stark von der Temperatur und dem Druck des Erdgases ab: Eine Druckerhöhung bei konstantem Volumen führt zu einer höheren Dichte des Gases, wodurch auch der Heizwert ansteigt.

Aber obwohl die Ausgangstemperatur und der anfängliche Injektionsdruck variiert werden können, weisen mit verdichtetem Erdgas angetriebene Fahrzeuge Leistungsverluste und ein schlechtes Fahrverhalten auf, wenn in der Entwicklung keine präzise Kalibrierung erfolgt.

Injektion von Erdgas unter Druck

Erdgas wird dem Kraftstoffverteiler in der Regel aus einem Hochdrucktank über einen Druckregler zugeführt. Für eine effiziente Kraftstoffverbrennung muss die Menge an injiziertem Erdgas immer an den Luftbedarf des Motors angepasst werden. Um das zu erreichen, bedient sich die elektronische Motorsteuerung in der Regel eines Luftmengenmessers, um den genauen Luftbedarf und anschließend die zu injizierende Menge an Erdgas zu bestimmen.

Durch die Zentraleinblasung (Central Point Injection – CPI) wird das Erdgas von einem Erdgas-Einblasmodul (Natural Gas Distributor – NGD) in den Ansaugkrümmer eingeblasen. Ein Mitteldrucksensor misst den Druck und die Temperatur im Einblasmodul, damit die Einblasventile exakt die benötigte Menge an Kraftstoff zur Verfügung stellen.

Alternativ kann die Injektion auch ohne das Einblasmodul erfolgen, indem jedem Einblasventil ein entsprechender Zylinder zugeordnet wird. Bei der Mehrpunktinjektion (Multi Point Injection – MPI) wird das Gas dezentral an den jeweiligen Saugrohr-Einzelenden vor dem Zylindereinlassventil eingeblasen.

Da Druckänderungen bei einem Erdgas-Antrieb einen erheblichen Einfluss auf die Motorleistung, das Motordrehmoment und die Abgasemissionen (CO, CO2, NOx und Kohlenwasserstoffe) haben, müssen all diese Werte während eines Motorentests aufgezeichnet werden.

Optimierung des Raildrucks für alle Fahrbedingungen

Zur Optimierung des Erdgas-Systems ist es wichtig, dass während der Konzeptions- und Testphasen der Innendruck des Rails bei verschiedenen Drosselklappenstellungen präzise gemessen und auf das Drehmoment und die entsprechenden Abgasemissionen bezogen wird. Folglich verlangen die meisten Entwicklungsingenieure nach qualitativ hochwertigen Drucksensoren.

Es ist wichtig, dass diese Sensoren in einem großen Druckbereich genaue Messwerte liefern und auch bei höheren Temperaturen stabil bleiben.

Obwohl eine Erhöhung des Erdgas-Drucks zu einer Reduzierung von CO2, HC und NOx führt, steigt der CO-Anteil im Abgas: Darum ist es entscheidend, die Auswirkungen der Modulation des Erdgas-Einblasdrucks genau zu erfassen.

In der Testphase wird ein Druckregler zur Steuerung des Injektionsdrucks verwendet; dessen Wirkungsgrad wird durch einen im Rail angebrachten präzise kalibrierten Drucksensor gemessen, während ein analoger Durchflussmesser mit einem typischen Messbereich von 2,5 m3/h zur Messung und Kontrolle der Durchflussrate der Ansaugluft dient. Ein Rollenprüfstand wird verwendet, um das Drehmoment des Motors zu erfassen.

Für die Dauer des Tests liegen die Gastemperatur und die Durchflussrate konstant bei 22° C beziehungsweise 0,1 SCFM.  Für den Test wird die Motortemperatur mittels eines Hochleistungsgebläses konstant gehalten und ein Emissionsprüfgerät an den Auspuff angeschlossen, um die CO-, CO2-, Kohlenwasserstoff- und NOx-Werte im Abgas aufzuzeichnen.

Der Prozess ist sehr komplex und erfordert, dass Raildruck, Drehmoment und Emissionen bei Hunderten unterschiedlicher Drosselklappenstellungen gemessen werden, damit alle notwendigen Daten für die Anforderungen des Motors an das Motorsteuergerät abgebildet werden können.

Das Messen, Aufzeichnen und die Eingabe dieser Daten in die entsprechenden Tabellen ist eine zeitintensive Aufgabe, weshalb Entwicklungsingenieure oft auf Modellierungstools zurückgreifen, um die Entwicklung zu beschleunigen. Diese Tools bieten häufig eine Umgebung für die Simulation und das modellbasierte Design von dynamischen und eingebetteten Systemen, wodurch die erforderliche Anzahl von Hardwareversionen zum Design des Systems reduziert wird.

Das Simulationsmodell wird mit den Informationen aus den Echtzeittests programmiert; daraus wird eine ausführbare Datei erzeugt, die mittels C-Compiler in einem Echtzeit-Betriebssystem verwendet werden kann.

Sobald die Ausgangsdaten erfasst wurden, kann für jeden Aspekt des Designzyklus eine unendliche Anzahl von Echtzeitsimulationen generiert werden – vom ersten Konzept über den Entwurf des Reglers bis hin zu Test und Validierung mithilfe von Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulationen.

Im Rahmen eines ausgefeilten Testprogramms mit Drucktransmitter in Laborqualitätund Prüfgeräten weisen Fahrzeuge mit Erdgas-Antrieb eine Leistungsfähigkeit und Fahrbarkeit auf, die mit der von Fahrzeugen vergleichbar ist, die von fossilen Brennstoffen angetrieben werden; gleichzeitig bieten Erdgas-Fahrzeuge Kosten-und Emissionsvorteile.

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