CNG und Downsizing – Über 30 Prozent weniger CO2-Emissionen

Die Kombination aus Downsizing und dem Betrieb mit komprimiertem Erdgas (CNG) bietet die Möglichkeit, die CO2-Emissionen drastisch zu reduzieren. MAHLE hat die Potenziale und die damit verbundenen Herausforderungen anhand eines umgerüsteten Downsizing-Motors im Motorenversuch und im Versuchsfahrzeug bewertet. Bei einer optimierten Motorauslegung ergeben sich bis zu 31 Prozent geringere CO2-Emissionen.

CNG-betriebene Fahrzeuge verschiedener Hersteller sind bereits seit vielen Jahren auf dem Markt. Deren Motoren sind ursprünglich auf den Betrieb mit konventionellem Kraftstoff ausgelegt und schöpfen daher überwiegend das CO2-Potenzial durch die reine Kraftstoffsubstitution aus – die bereits bis zu 24 Prozent Verbesserung bewirken kann. Einer weiteren Optimierung durch erdgasspezifische Entwicklungen stehen die heute noch relativ geringen Stückzahlen der CNG-Fahrzeuge entgegen. MAHLE hat nun die Potenziale zur weiteren Absenkung der CO2-Emissionen durch die Kombination von Downsizing und CNG untersucht. Im ersten Schritt wurde dazu der bekannte MAHLE Downsizing-Motor – ein einstufig aufgeladener Dreizylinder-Ottomotor mit Benzin-Direkteinspritzung und 1,2 l Hubraum – so angepasst, dass er bivalent mit Erdgas und Benzin betrieben werden kann. Hierzu wurde das Verdichtungsverhältnis auf 12,5:1 erhöht und zusätzlich eine CNG-Saugrohreinblasung implementiert. Der Motor wurde anschließend auf dem Motorprüfstand erprobt und appliziert sowie in ein Erprobungsfahrzeug integriert und vermessen. Ziel der ersten Stufe war es, die Potenziale und Grenzen der bivalenten Variante nachzuweisen, mögliche Optimierungsfelder zu erkennen und die damit verbundenen Herausforderungen zu identifizieren. Die Ergebnisse dienen als Basis für die zweite Stufe, in der eine optimierte, monovalente Auslegung sowie die Applikation benötigter Motorsysteme und -komponenten umgesetzt werden.

Die geringere Klopfneigung von CNG gegenüber Ottokraftstoff kommt dem Downsizing-Ansatz zunächst grundsätzlich entgegen: Ein früherer Zündzeitpunkt wird ebenso möglich wie die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses. Allerdings steigen dabei die Druck- und Temperaturbelastungen für die Motorkomponenten. Um die Höchstleistungs-Anforderungen erfüllen zu können, müssen die Komponenten den veränderten Verhältnissen angepasst und die dafür erforderlichen Randbedingungen präzise verstanden werden. Um die extremen Anforderungen an die Druckbeständigkeit und die Temperaturleitfähigkeit der Motorkomponenten zu gewährleisten, hat MAHLE folgende Technologien für die monovalente Variante vorgesehen:

  • Kolben: Der EVOTEC® RSC vereint hohe Stabilität und optimale Kühlung durch seinen eingegossenen Ringträger und den Kühlkanal
  • Ringpaket: Reibleistungs- und verschleißoptimiertes Ringpaket mit dreiteiligem Ölabstreifring
  • Pleuel: Trapezpleuel mit eingepresster Buchse zur besseren Ableitung des höheren Flächendrucks
  • Ventile: Ein- und auslassseitig natriumgekühlte Top-Therm®-Ventile zur erhöhten Temperaturbeständigkeit und mit einer stärkeren Bodenplatte
  • Kolbenbolzen: Bolzen mit DLC-Beschichtung
  • Lager: Polymerbeschichtete Pleuel- und Hauptlager

Die Ergebnisse der MAHLE Motorversuche zeigen drei Betriebsbereiche, in denen die Leistung des CNG-Downsizing-Motors derzeit limitiert ist und durch gezielte Maßnahmen deutlich verbessert werden kann.

Im Bereich niedriger Drehzahlen zeigt der Motor im Erdgasbetrieb Leistungseinbußen im Vergleich mit modernen Benzinmotoren mit Direkteinspritzung. Grund hierfür ist, dass im Fall des Erdgasbetriebs mit Saugrohreinblasung dort kein spülendes Brennverfahren („Scavenging“), das heißt eine teilweise Überschneidung der Öffnungszeiten von Einlass- und Auslassventil zur Verbesserung des Ansprechverhaltens des Turboladers, möglich ist. Zudem verdrängt Erdgas einen Teil der angesaugten Luftmasse und verringert damit die Zylinderfüllung. Ausgeglichen werden kann dieses Manko beispielsweise durch den Einsatz eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie in Verbindung mit einer CNG-Saugrohreinblasung. Alternativ hierzu kann auch eine CNG-Direkteinblasung in Kombination mit einem optimierten Wastegate-Turbolader die Leistung in diesem für den realen Fahrbetrieb wichtigen Drehzahlband verbessern. Beide Varianten wird MAHLE am Versuchsträger applizieren und bewerten.

Der Bereich mittlerer Drehzahlen wird in erster Linie dominiert von der Zylinderspitzendruckbegrenzung und damit durch die Limitierung der Komponentenspezifikationen. Ausgehend von 125 bar müssen hier Spitzendrücke von bis zu 185 bar ausgehalten werden, was über die genannten MAHLE Motorkomponenten möglich wird.

Die Leistungseinbußen im oberen Drehzahlbereich lassen sich primär auf die thermische Belastung der Injektordichtungen der Direkteinspritzung und Zylinderkomponenten zurückführen. Wird der Motor ausschließlich monovalent, das heißt nur mit CNG und damit ohne Benzin-Direkteinspritzung betrieben und werden die Motorkomponenten entsprechend optimiert, kann der nennleistungsrelevante Betriebsbereich signifikant gesteigert werden.

Berechnungen und Simulationen zeigen, dass mit den oben genannten Verbesserungen des Grundmotors die geforderte Spitzendruckfestigkeit von 185 bar und höhere Temperaturlimits möglich sind. Damit werden auch eine spezifische Leistung im monovalenten CNG-Betrieb von 110 kW/l sowie ein Nenndrehmoment von 270 Nm (ab 1.600 1/min) im MAHLE Downsizing-Motor darstellbar. Ein Familienvan mit einem Leergewicht von 1.700 kg kann so einen CO2-Ausstoß von circa 106 g/km erreichen und liegt damit knapp 31 Prozent unterhalb der derzeitigen Benzin-Variante mit vergleichbaren Fahrleistungen.

  • Der bekannte MAHLE Downsizing-Motor wurde so angepasst, dass er bivalent mit Erdgas und Benzin betrieben werden kann. Anschließend wurde er auf dem Motorprüfstand erprobt und appliziert sowie in ein Versuchsfahrzeug eingebaut und getestet.
  • Diese Ergebnisse dienen als Basis für den nächsten Schritt, in dem eine optimierte, monovalente Auslegung mit optimierten Motorsystemen und –komponenten umgesetzt wird.
  • Berechnungen und Simulationen zeigen bereits jetzt, dass mit Verbesserungen des Grundmotors die geforderte Spitzendruckfestigkeit von 185 bar und höhere Temperaturlimits möglich sind.
  • Beim Downsizing-Motor werden im monovalenten CNG-Betrieb eine spezifische Leistung von 110 Kilowatt pro Liter sowie ein Nenndrehmoment von 270 Newtonmeter darstellbar.
  • Bei einer optimierten Motorauslegung werden sich im Versuchsfahrzeug bis zu 31 Prozent geringere CO2-Emissionen ergeben.