Diesel als Zündkerze für Erdgas

München. Aufgrund seiner Chemie bietet Erdgas Emissionsvorteile. Aber in Europa erreichen Erdgas-Serienmotoren nur etwa 220 Kilowatt Leistung und 1400 Newtonmeter Drehmoment, wie Iraklis Avramopoulos, Abteilungsleiter Gasantriebe bei IAV, erläutert. Für schwere Nutzfahrzeuge seien aber etwa 370 Kilowatt mit 2500 Newtonmetern oder mehr gewünscht. Aktuelle Gasmotoren, so Avramopoulos, basieren auf dem Otto- Prinzip, das „einen geringeren Wirkungsgrad aufweist als das Konzept des Selbstzünders“. Die Gasmotoren verbrauchen mehr als ein Diesel, der CO2-Vorteil des Erdgases schrumpft damit merklich. „Um den CO2-Vorteil des Erdgases umzusetzen, muss ein dieselähnliches Brennverfahren unter Einsatz von Gas realisiert werden“, beschreibt Avramopoulos die Aufgabenstellung. Die IAV-Entwickler setzen auf eine „Dual-Fuel“-Strategie, bei der Dieselkraftstoff die Rolle einer chemischen Zündkerze für das Methan übernimmt. Während aktuelle Gasmotoren mit einer Saugrohreinspritzung arbeiten, soll nun das Gas direkt in den Zylinder eingebracht werden. Zudem soll ein „möglichst dieselähnlicher und klopfunempfindlicher Kraftstoffumsatz“ erreicht werden, so Avramopoulos. Abhängig von der Last würden dabei die Mischungsverhältnisse von Methan und Diesel schwanken. Eine intelligente Motorsteuerung sorgt betriebspunktabhängig für das passende Gas-Dieselgemisch. „Als Beispiel kann man sich vorstellen: Leerlauf im Dieselbetrieb, Teillast bis zu 50 Prozent Erdgas und Volllast bis zu 95 Prozent“, erklärt Andreas Broda, Teamleiter Motorversuch/Applikation Abgasnachbehandlung für Nutzfahrzeug-Motoren bei IAV. Der minimale Dieselanteil beim Volllastbetrieb dient nur noch als Zündkerzenersatz. In den anderen Lastsituationen soll die jeweilige Mischung von Erdgas und Dieselkraftstoff die klopffreie Verbrennung und ausreichend hohe Zünddrücke ermöglichen. Realisierbar wären nach IAV-Einschätzung rund 400 Kilowatt und 3000 Newtonmeter. In den USA, wo Erdgas teilweise nur ein Zehntel des Dieselkraftstoffs kostet, rechnet IAV neben einem CO2-Vorteil mit der Halbierung der Kraftstoffkosten gegenüber einem normalen Dieselmotor.

Mehraufwand erfordert die Abgasnachbehandlung. Denn Methan verbrennt selten komplett – und es ist etwa 25-mal klimaschädlicher als CO2. Will man das Methan im Katalysator zersetzen, kann das erheblich mehr Platin erfordern. Daher setzt IAV darauf, schon die Methan-Rohemissionen zu reduzieren. Eine schwierige Aufgabe, wie Andreas Broda erklärt: „Insbesondere für einen gasbetriebenen Dual-Fuel-Motor stellen niedrige Methan-Rohemissionen eine große Herausforderung an Einspritzstrategie und Brennraumabstimmung dar.“