Nutzfahrzeuge geben Gas

Absicherung der Zuverlässigkeit von Nutzfahrzeug-Erdgasmotoren

20. Juli 2016 | Engineering Service

Auch im Nutzfahrzeugsektor gewinnen Erdgas-betriebene Fahrzeuge zunehmend an Attraktivität. Gründe hierfür liegen in der hohen Verfügbarkeit des Primärenergieträgers, seiner guten Eignung für ottomotorische Brennverfahren und seines hinsichtlich CO2-Emission günstigen H/C-Verhältnisses. FEV arbeitet bereits seit Jahren an der Entwicklung von Gasmotoren für Nutzfahrzeuge und Industrieanwendungen und deckt das gesamte Spektrum des Entwicklungsprozesses für unterschiedliche Emissionsszenarien ab. Ein besonderes Augenmerk richtet sich hierbei auf die Absicherung der Zuverlässigkeit der Motoren. Hierfür verfügt FEV über etablierte Prozesse und intern entwickelte Werkzeuge.

Vielschichtiger Entwicklungsprozess

Im Entwicklungsprozess ergeben sich vielschichtige Herausforderungen – speziell bei der im Nutzfahrzeugsektor üblichen Ableitung der Erdgasvariante von einem Basis-Dieselmotor. Der Gasbetrieb bedingt zum einen Änderungen der Motor-Hardware, um Gaszufuhr, Zündung und Abgasnachbehandlung zu realisieren. Zum anderen muss das Aggregat auf das geänderte Brennverfahren angepasst werden.
Die zum Teil neue Motorkonfiguration wird im Hinblick auf mechanische Zuverlässigkeit konstruiert und erprobt. Die Motorsteuerung erfährt Anpassungen für die Regelung des Gasbrennverfahrens und Modifikationen hinsichtlich Sicherheitsfunktionen, Komponentenschutz und variierende Randbedingungen – darunter Gasqualität, klimatische Verhältnisse und mehr.

Praktisches Beispiel

Die wichtigsten Parameter zur Absicherung der Zuverlässigkeit einer Gasmotor-Variante zeigen sich am Beispiel eines Turbo-aufgeladenen Erdgasmotors mit stöchiometrischem Brennverfahren. Das Derivat wurde von einem bestehenden Dieselmotor abgeleitet und verfügt über eine externe, gekühlte Abgasrückführung (AGR) sowie einen 3-Wege-Katalysator. Eine derartige Konfiguration wird seit Einführung der EURO VI-Abgasnorm für Nutzfahrzeuge vermehrt eingesetzt und entspricht somit gängigem Stand der Technik.

Die Konzeptauslegung hat das Ziel, die thermische und mechanische Belastung zu minimieren. Diese kann durch das geänderte Brennverfahren in bestimmten Betriebsbereichen höher ausfallen als beim Basisaggregat. Gleichzeitig werden hohe Verbrennungswirkungsgrade angestrebt. Die externe gekühlte AGR kommt zum Einsatz, um die Klopfneigung zu reduzieren und gleichzeitig Verbrennungs- und Abgastemperaturen zu senken. Als Absicherung werden eine adaptive Klopfregelung sowie diverse Motorschutzfunktionen genutzt – darunter Abgastemperaturbegrenzung, Aussetzererkennung, und mehr.

Zusätzliche Anpassungen

Trotz der Maßnahmen zur Minimierung, lässt sich die gestiegene thermische Beanspruchung nicht vollständig kompensieren. Zudem verursacht Erdgas als Kraftstoff weitere verschleißkritische Effekte, denen durch eine Anpassung von Komponenten begegnet werden muss. Um den Motor für den Dauerbetrieb abzusichern, sind so zusätzliche Erprobungsschritte notwendig, die FEV in den Entwicklungsprozess einbezieht.

Chancen und Risiken

Von technischer Seite steht einer flächendeckenden Einführung von Gasmotoren – trotz eines vielschichtigen Entwicklungsprozesses – also nichts im Wege. Dank einer zielgerichteten Entwicklung erfüllen die Motoren alle gesetzlichen Regelungen und Grenzwerte. In Abhängigkeit der länderspezifischen Kraftstoffpreise können die Betriebskosten eines Gasmotors gegenüber einer vergleichbaren Diesel-Variante signifikant reduziert werden. Als Hemmnis erweist sich jedoch weiterhin die derzeit noch unzureichende Erdgas-Infrastruktur.

>> TROTZ UNTERSCHIEDLICHER MASSNAHMEN ZUR MINIMIERUNG, LÄSST SICH DIE GESTIEGENE THERMISCHE BEANSPRUCHUNG NICHT VOLLSTÄNDIG KOMPENSIEREN

Nutzfahrzeuge Erdgasmotor

Überblick der wichtigsten Parameter

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