Vergleich der ottomotorischen Verbrennung von Erdgas bei bivalenter und monovalenter Motorauslegung

Abstract

Erdgas bietet aufgrund seiner chemischen Beschaffenheit besonderes Potenzial zur Reduzierung der für den Treibhauseffekt verantwortlich zu machenden Kohlendioxidemissionen von Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der Steigerung des motorischen Wirkungsgrads durch konsequente Auslegung des Verbrennungsmotors auf den klopffesten Kraftstoff Erdgas.<br />In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse der Untersuchungen zur Optimierung eines monovalenten aufgeladenen Erdgasmotors gezeigt. Dabei steht die Maximierung des Teillastwirkungsgrads im Fokus der Untersuchungen, während im Hinblick auf das Volllastverhalten die erreichbaren Mitteldrücke bewertet werden. Als Ergebnis zeigt sich die starke Abhängigkeit des Wirkungsgrads von der Güte der Gemischbildung und der Ladungsbewegung. Insbesondere in Kombination mit hoher Abgasrückführrate sind beim stöchiometrischen Brennverfahren mit optimierter Gemischbildung und Ladungsbewegung signifikante Verbrauchsverbesserungen gegenüber einem bivalenten Brennverfahren zu erzielen. Die Darstellung eines Mager- oder Mager-Mix-Brennverfahrens bietet unter den angenommenen Randbedingungen keinen Vorteil gegenüber dem stöchiometrischen Brennverfahren. Die erreichbare Reduzierung der Kohlendioxidemissionen wird für das optimierte monovalente Brennverfahren mit bis zu 32 % gegenüber einem vergleichbaren Ottomotor beziffert.<br />

Due to its chemical composition, Compressed Natural Gas (CNG) as an internal combustion engine fuel has the potential for a major reduction in carbon dioxide emissions. A further CO2 reduction can be realized by a subsequent engine adaptation which takes advantage of the high knock resistance of CNG.<br />The following work discusses the results from investigations focussing on optimizing a monofuel, turbocharged internal combustion engine.<br />During part load operation the engine efficiency is considered, while at full load the attainable mean effective pressure is the focus of the evaluation. It was found that the mixture formation process and the charge motion intensity have a strong impact on the engine efficiency. When high exhaust gas recirculation rates are used in combination with stoichiometric operation, an optimized mixture formation and charge motion lead to a significant increasing in the engine efficiency, compared to a bifuel engine.<br />When lean burn technologies are considered under the prescribed operating conditions, they provide no advantage over the investigated stoichiometric operation with regard to engine efficiency. An optimized monofuel CNG engine provides an overall CO2 reduction potential of up to 32 %, when compared to a conventional gasoline engine.<br />