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AP7 - Effizienzsteigerung in Fahrzeugen


Extrem geringe CO2-Emissionen mit Biogas

Dieses Arbeitspaket als Teil des Leitprojektes „Virtuelles Biogas“ verfolgt die Zielsetzung, die Reichweite von Gasfahrzeugen durch effizienzsteigernde Maßnahmen am Antriebssystem zu steigern. Dabei soll die Verwendung von aufbereitetem Biogas (Biomethan) in Verbrennungsmotoren für den Einsatz in Personenkraftwagen untersucht werden. Diese Verbrennungsmotoren arbeiten zu 50% nach dem Otto-Prinzip, also mit Fremdzündung, und bieten daher die besten Voraussetzungen zur Verwendung von Methan als Kraftstoff.

Ziel des Projektes ist die weitere Verbesserung des mittleren Wirkungsgrades eines Gasmotor-PKW-Antriebes im realen bzw. gesetzlichen Fahrzyklus. Dabei sollen Diesel-äquivalente Fahrzykluswirkungsgrade im Bereich von 22-25% erreicht werden, d.h. auch die maximalen Motorwirkungsgrade sollen sich Diesel-ähnlichen Werten annähern und um 38% erreichen. Darüber hinaus soll untersucht werden, ob und in welchem Ausmaß eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte (Motormitteldrücke im Gasbetrieb im Bereich von >25 bar bei Turbo-Hochaufladung) und eine damit einhergehende Anpassung des Motorhubraumes (Downsizing) in Verbindung mit einer Hybridisierung des Antriebes möglich ist.

Es wird durch entsprechende Zyklussimulation geprüft, ob mit solchen Konzepten mittlere Fahrzyklus-Wirkungsgrade im Bereich >30% möglich sind. Durch den niedrigen Kohlenstoffanteil des Methans als Kraftstoff könnte mit einem solchen Antriebskonzept der lokale CO2-Ausstoß abhängig von der Fahrzeugklasse gegenüber Benzinfahrzeugen nahezu halbiert werden! Durch den damit möglichen niedrigeren CO2-Umsatz ist diese Technologiekomponente besonders geeignet, den Versorgungsgrad des Individualverkehrs mit biogenen Kraftstoffen zu erhöhen. Überdies ermöglicht die hohe (Biogas-)Kraftstoffausbeute pro Hektar Anbaufläche und der gute Motorwirkungsgrad insgesamt die stärkste Entlastung der Infrastruktur und Umwelt.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass die CO2-Emissionen für einen Mittelklasse-PKW im Erdgasbetrieb sogar unter 80 g/km gesenkt werden können, wenn ein turbogeladener Gasmotor mit Direkteinblasung als Hybridantrieb ausgeführt wird. Mit einem solchen Antrieb sind typische Reichweiten heutiger Benzin-Fahrzeuge erreichbar.

Um den Einfluss von variierenden Gasqualitäten auf die Verbrennung zu untersuchen, wurden unterschiedliche Biogasmischungen in einem Forschungsmotor untersucht. Mittels Motorprozesssimulationen wurden die Ergebnisse auf einen Fahrzeugmotor übertragen und anschließend das komplette Antriebssystem simuliert. Damit wurden die CO2-Emissionswerte und Reichweitenpotenziale für Biogas-Hybrid-Fahrzeuge bestimmt. In der Folge werden die Potenziale der neu entwickelten Gas-Direkteinblase-Technologie einer vergleichenden Bewertung (hinsichtlich Wirkungsgrad/CO2-Potenzial, Schadstoffemissionen und Abgas-Nachbehandlungstechniken) gegenüber konventioneller Motortechnologie unterworfen.

Folgende zwei wissenschaftliche Hauptprojektziele werden verfolgt:
  • Die Verifikation und verbrennungstechnische Absicherung von aufbereitetem Biogas als geeigneter Kraftstoff für zukünftige, Wirkungsgrad-optimierte Gasmotoren, bei denen das Gas direkt in den Zylinder eingeblasen wird. Um die Auswirkungen der spezifischen Eigenschaften von aufbereitetem Biogas auf die Verbrennung zu testen, wird die Gasqualität gezielt variiert. Variiert wird dabei das Verhältnis Methan zu Kohlendioxid, was bei steigendem Kohlendioxidanteil einer weniger intensiven Gasaufbereitung gleichkommt (= Reduktion der Produktionskosten). Die Gasqualität wird dabei auch über die Grenzen der Netzeinspeisenorm für die Gasbeschaffenheit ÖVGW G31 hinaus variiert.
  • Es soll der Wirkungsgrad des Antriebsstrangs verbessert werden und dadurch auch die Reichweite des Fahrzeuges. Da bei derzeitigen Gas-Fahrzeugen mit Saugrohreinblasung gerade die begrenzte Reichweite ein Problem ist, ist eine deutlich verbesserte Effizienz des Antriebssystems wesentlich für die Kundenakzeptanz von Gasfahrzeugen. Die Effizienzsteigerung am Verbrennungsmotor erfolgt durch die Umstellung von Saugrohreinblasung auf Einblasung direkt in den Zylinder, bzw. durch weitere Optimierung des Direkteinblase-Brennverfahrens.