HYDROGEIT - Der Wasserstoff-Guide

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Systeme für Ottomotoren
Speicherung und Betankung
Bei den Eigenschaften von LPG wurde bereits darauf eingegangen, daß Flüssiggas lediglich bei einem gewissen Druck flüssig ist und unter Normalbedingungen (Umgebungstemperatur, Atmosphärendruck) gasförmig vorliegt. Aus diesem Grund weisen die LPG-Tanks erhebliche Unterschiede zu den Tanks von Benzin- oder Dieselfahrzeugen auf.
Bei den Flüssiggas-Tanks für Pkw handelt es sich meist um zylindrische Behälter, in denen ein maximaler Betriebsdruck von 30 bar herrscht. Wegen des relativ geringen Drucks im Vergleich zum Erdgas-Tank (200 bar), kann die Tank-Geometrie relativ flexibel gestaltet werden. Im allgemeinen werden die Tanks im Kofferraum oder anstelle der Rücksitzbank montiert. Aus Gründen des geringeren Platzbedarfs gibt es auf Wunsch sogenannte Muldentanks. Hierbei handelt es sich um Tanks, die anstelle des Reserverades in der Kofferraummulde eingebaut werden. Nachteilig bei dieser Variante ist jedoch das geringe Speichervolumen, wodurch die Reichweite der Fahrzeuge reduziert wird. Außerdem muß in diesem Fall das Reserverad anderweitig untergebracht werden.
Jeder Tank muß bestimmte Sicherheitsanforderungen erfüllen (internationale Transportvorschriften). Die Behälter werden einem Prüfüberdruck von 30 bar ausgesetzt. Seit 1984 werden Tanks mit einer Füllbegrenzungseinrichtung versehen, damit sie maximal auf 80 % des Volumens befüllt werden können. Der restliche zur Verfügung stehende Raum ist notwendig, damit sich das Flüssiggas im Falle einer Erwärmung ausdehnen kann, ohne daß im Behälter Flüssigkeitsdruck auftritt.
Flüssiggas-Anlagen in Pkw sind in sich geschlossene Drucksysteme. In ordnungsgemäß installierten Tanksystemen kann sich demnach durch das Fehlen von Luft kein brennbares oder explosionsfähiges Gas/Luft-Gemisch bilden. Die Tanks verfügen über ein Absperrventil, womit sie bei Bedarf (z. B. bei Wartungsarbeiten oder bei Gasverlust) geschlossen werden können. Bei einer Beschädigung des Leitungssystems verhindert ein Durchflußmengenbegrenzer die sofortige Entleerung der Gastanks. Eine Schmelzlotsicherung stellt eine Druckentlastung im Brandfall sicher. Falls Gas durch ein Sicherheitsventil oder ein Leck entweichen sollte, expandiert es und kühlt sich dabei stark ab. Da dabei der Umgebung Wärme entzogen wird, kann es zu Vereisungen der Materialien kommen bzw. bei Hautkontakt zu "Kälteverbrennungen" oder Erfrierungen.
Generell gibt es bei der Speicherung erhebliche Unterschiede zwischen gasförmigen, flüssigen und festen Kraftstoffen. In der Abbildung 9 ist ein Vergleich mehrerer Stoffe zu sehen. Als Bezugsgröße wurde ein Benzinäquivalent von 55 Litern gewählt und alle anderen Speicherungsarten wurden dementsprechend umgerechnet. Demnach ist Diesel die kompakteste Speicherungsvariante. Diesel speichert auf geringstem Raum und bei geringster Masse am meisten Energie. Flüssiggas hat zwar einen relativ hohen gewichtspezifischen Heizwert (s. Kap. 4.5 Brenneigenschaften, Tab. 4). Die Energiedichte des LPG/Luft-Gemisches liegt jedoch 2 % niedriger als die eines Benzin/Luft-Gemisches. Hinsichtlich des Raumbedarfs und der Masse liegt LPG weit vor anderen gasförmigen Kraftstoffen und Methanol.

Abb. 9: Volumen bzw. Gewicht unterschiedlicher Kraftstoffe [Steiger, W., 1998]

Betankung an Tankstellen
Die Speicherung von Flüssiggas an Tankstellen oder bei Gasversorgungsunternehmen wird in großen stationären Tanks vorgenommen. Eine Versorgung mit Flüssiggas über ein Pipeline-Netz gibt es nicht. Zur Betankung der Fahrzeuge gibt es spezielle Tankstutzen (s. Abb. 10). Diese Stutzen unterscheiden sich von den Erdgas-Stutzen, so daß ein Flüssiggas-Fahrzeug nicht versehentlich dem sehr viel höheren Druck einer Erdgas-Tankstelle (200 bar) ausgesetzt werden kann.

Abb. 10: Betankung eines LPG-Pkws

An Flüssiggas-Tankstellen ist eine Schnellbetankung innerhalb von drei bis vier Minuten möglich. Nach Angaben des deutschen Flüssiggas-Verbandes gibt es mittlerweile in Deutschland 160 öffentliche Tankstellen. In der Praxis sieht es so aus, daß zur Betankung zum Teil spezielle Tankkarten benötigt werden oder die Öffnungszeiten der Tankstellen auf bestimmte Zeit eingeschränkt sind.
Bei der Speicherung von Butan gibt es wegen des hohen Siedepunktes (TS = -0,5 °C) eine Besonderheit. Bei niedrigeren Temperaturen entsteht in den Tanks ein Unterdruck (pDampf = 0,51 bar bei T = -20 °C). Weil der Unterdruck die Kraftstoffentnahme erschwert, wird der Druck im Tank erhöht, indem Stickstoff zugegeben wird.
Da Stickstoff ein Inertgas ist, kommt es zu keiner Reaktion oder Vermischungen der unterschiedlichen Substanzen. Statt dessen bildet sich ein sogenanntes Stickstoffpolster, daß auch bei geringen Temperaturen für ausreichend Druck sorgt.

Flüssiggas-Systeme
Die erste Generation
Wird von Flüssiggas-Motoren gesprochen, handelt es sich meist um umgerüstete Otto-Motoren. Bei der Umrüstung bleibt der Motor selber weitestgehend unverändert. Es werden lediglich einige zusätzliche Komponenten eingebaut. In Diesel-Motoren kann lediglich ein gewisser Prozentsatz des Kraftstoffes (ca. 35 %) durch Flüssiggas ersetzt werden. Für den Betrieb mit reinem Flüssiggas ist jedoch eine Fremdzündung zur Entzündung des Kraftstoff/Luft-Gemisches notwendig, wie sie in einem Otto-Motor verwendet wird.
Die LPG-Systeme, wie sie zur Zeit genutzt werden, existieren mittlerweile in der fünften Generation. Die erste und einfachste Generation wird immer noch in Ländern genutzt, die keine strikten Emissionsgrenzwerte haben. Zu diesen Ländern gehören beispielsweise Indonesien, die frühere Sowjetunion sowie einige Länder Afrikas und des Mittleren Ostens.
Das abgebildete System (s. Abb. 11) von Impco (USA) wird zur Zeit noch in Gabelstaplern und Industriemaschinen weltweit benutzt. Es gab weitere Systeme, die alle ähnlich aufgebaut waren, z. B. von Landi Renzo, Lovato, Bedini und Tartarini (alle aus Italien).

Abb. 11: Mechanisches LPG-System von Impco [Hollemans, B., 1999]
1) LPG-Tank 2) Hydrostatisches Abblas-Ventil 3) Kraftstoffilter
4) Umformer 5) Luftfilter 6) Vergaser
a) Füllanschluß b) Dampfrückström-Ventil c) Sicherheitsventil
e) Abblas-Ventil f) Abblas-Leitung nach außen g) LPG-Ventil
h) Hochdruck-Schlauch k) Tankanzeige l) Verbindung zum Mixer
m) Ein- und Auslaß für Wasser s) Ausgleichsverbindung t) Befestigungsschraube

Die zweite Generation
Moderne Elektronik kann dabei helfen, auftretende Unzulänglichkeiten der mechanischen Sys-teme zu überwinden. Aus diesem Grund wurde das Basismodell in der zweiten Generation um elektronische Komponenten erweitert. Die Dosierung der Gasmenge wird zwar noch durch den Druckregler und die Mischeinheit übernommen, diese werden nun jedoch elektronisch überwacht. Dadurch wird der Einsatz von Drei-Wege-Katalysatoren mit Lambdasonden-Regelung ermöglicht.
Als Beispiel der zweiten Generation dient das Prinzip von Necam (Niederlande) (s. Abb. 12). Es handelt sich hierbei um ein System mit Venturidüse und Drosselklappe. Durch den erhöhten Strömungswiderstand (Unterdruck) infolge der Querschnittreduzierung im Ansaugtrakt tritt ein gewisser Wirkungsgradverlust auf. Im Gegensatz zu anderen Herstellern platziert Necam die Mischeinheit nicht oberhalb, sondern unterhalb der Drosselklappe. Da Flüssiggas schwerer als Luft ist, läßt sich die Kraftstoffmenge dadurch besser dosieren.

Abb. 12: Necam-Flüssiggassystem Mirkoprozessor gesteuert [Hollemans, B., 1999]

Seit 1995 gibt es Systeme, die sich selber regulieren. Es wurden elektronische Einheiten konzipiert, die lernfähig sind, wodurch das manuelle Einstellen entfällt. Unterschiedliche Propan/Butan-Zusammensetzungen können dadurch in gewissen Grenzen erkannt und ohne Nachregulieren betrieben werden.

Die dritte Generation
Bei der dritten System-Generation handelt es sich um die sogenannte "Single-Point-Einspritzung". Dieses System (GFI-II) hat sehr stark in den USA Verbreitung gefunden. Da es sehr kompliziert und störanfällig ist, wurde es durch die Multi-Point-Einspritzung ersetzt. Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Systemen ist, daß bei der Mulit-Point-Einspritzung an mehreren Stellen statt nur an einer Stelle eingespritzt wird.

MEGI/MEGA-System
Das MEGI-System (Multi Point Electronic Gas Injection), auch MEGA genannt, wurde von Koltec und Necam gemeinsam mit TNO (alle Niederlande) entwickelt (s. Abb. 13). Flüssiggas wird hierbei gasförmig in ein zentrales Mischsystem eingeblasen. Die Gefahr des Rückzündens ("backfiring") und seine Folgen sind weitestgehend unterbunden. Ansonsten bestünde die Gefahr, daß das Benzin-Einspritzsystem und der Ansaugtrakt beschädigt werden könnten.
Weitere Vorteile dieser vierten Generation gegenüber den Vorgänger-Modellen sind eine exaktere Kraftstoff-Dosierung, weniger Schadstoffe und eine höhere Zuverlässigkeit. Da die Einspritzsysteme keine Verengung im Ansaugrohr aufweisen, entfällt der damit verbundene Wirkungsgradverlust.

Abb. 13: Multi Point Electronic Gas Injection [IAV, 1999]

Bei diesem System gelangt das Flüssiggas vom Tank in den Druckregler, wo es in zwei Stufen entspannt wird. Der Tankdruck von 8 bar wird in der ersten Stufe im Verdampfer auf ca. 1,4 bar und dann in der zweiten Stufe auf 0,96 bar vermindert. Diese Drücke sind einstellbar. Der Druckregler wird über das Kühlwasser des Motors beheizt, da sich das Gas beim Entspannen stark abkühlt und die Zuleitung auf Dauer vereisen könnte.
Vom Verdampfer gelangt das Gas durch den Gasfilter zum Verteiler (Gasdosiereinheit), der die einzelnen Zylinder mit der richtigen Gasmenge versorgt. Die passiven Einblasdüsen sitzen direkt vor dem Einlaßventil am Saugrohr. Das Gas wird gemäß dem kontinuierlichen Einspritzprinzip kontinuierlich im Saugrohr zugeführt. Da die Vermischung mit der Verbrennungsluft erst kurz vor der Brennkammer geschieht, entfällt das Risiko der Rückzündung.
Die wichtigsten Signale für den Mikroprozessor im Steuergerät stellen die Drehzahl und der absolute Druck im Ansaugrohr (MAP = Manifold Absolute Pressure = absoluter Ladedruck) dar. Der MAP-Sensor ist im Motorraum installiert. Weitere Signale betreffen die Drosselklappenstellung sowie den Lambda-Wert. Das wichtigste Ausgangssignal des Steuergerätes stellt das Signal für den Schrittmotor des Verteilers dar, weil darüber die korrekte Menge des zugeführten Gases geregelt wird.
Da dieses System über ein unabhängiges Motormanagement-System mit eigenem Steuergerät (ECU = Electronic Control Unit) verfügt, kann es auch für monovalente Fahrzeuge genutzt werden. Das System ist selbstregulierend und verfügt darüber hinaus über eine Lernfunktion. Sonstige Einstellmöglichkeiten sind nicht notwendig.
Im Steuergerät sind sogenannte Kennfelder abgespeichert. Für nahezu alle Lastzustände existieren Daten über die jeweiligen Betriebszustände. So kann die Gemischzusammensetzung reguliert und korrigiert werden, bevor sich die Abgaswerte verschlechtern.

Gestartet wird der Motor bei bivalentem Betrieb immer mit Benzin. Nach einigen Sekunden findet dann der mikroprozessorgesteuerte, kaum merkliche Wechsel auf LPG statt. Mit dem extra am Armaturenbrett eingebauten Schalter läßt sich während der Fahrt problemlos zwischen Benzin und Gas umstellen. Wenn der Gastank leergefahren ist, verschlechtert sich die Verbrennung, wodurch der Katalysator beschädigt werden könnte. Um dies zu vermeiden, schaltet das System bei einer verminderten Gaszufuhr automatisch auf Benzinbetrieb um.

Sequentielles zylinderselektives System
Dieses System der fünften Generation baut auf dem MEGA-System auf. Anstelle des Verteilers mit Schrittmotor gibt es in diesem Fall eine Einspritzleiste (ähnlich einer common rail). Von dieser Leiste gehen Schläuche zu den Einblasdüsen, die aktiv vom Steuergerät angesteuert werden. Das Steuergerät sendet so viele Signale aus, wie der Motor Zylinder hat, an die dementsprechenden Einblasdüsen. Das bedeutet, daß jeder Zylinder individuell mit Gas versorgt wird.

Dieses System hat gegenüber dem kontinuierlichen MEGA-System folgende Vorteile:
§ jeder Zylinder erhält seine eigene Ration Kraftstoff,
§ die Gasmenge wird schneller und genauer dosiert,
§ das Gemisch ist homogener,
§ die Leistung und das Drehmoment sind höher,
§ der Verbrauch und die Emissionen sind geringer.

Abb. 14: sequentielles zylinderselektives System [IAV, 1999]

Hochdruck-Direkteinspritzung
Die sechste Generation existiert bis jetzt noch nicht. Für die Zukunft ist jedoch ein System geplant, bei dem der Kraftstoff ähnlich wie beim Dieselmotor mit Hochdruck direkt in die Brennkammer eingeblasen wird. Momentan wird noch an den direkteinspritzenden Systemen für Otto-Motoren gearbeitet. Sobald diese Technik ausgereift ist, kann sie modifiziert auch bei Flüssiggas-Fahrzeugen zum Einsatz kommen.

LPI-System
LPI steht für Liquid Propane Injection (Flüssigpropan-Einspritzung) und ist von der Firma Vialle aus den Niederlanden entwickelt worden. Es unterscheidet sich grundlegend von den Verfahren aller anderen LPG-Teile-Produzenten, die alle auf die Einspritzung von Flüssiggas im gasförmigen Aggregatzustand setzen. Genau wie im Benzin-Betrieb wird hierbei jedoch flüssiger Kraftstoff eingespritzt.
Ursprünglich (1993) war dieses Verfahren als Single-Point-Einspritzung konzipiert worden, ist jedoch wegen der geringeren Rückzündungsgefahr auf die Multi-Point-Variante umgebaut worden.

Abb. 15: LPI-System von Vialle [Vialle, 2000]

Die im Tank befindliche Pumpe setzt den Kraftstoff unter Druck, damit der nicht verdampft. Ansonsten könnte es in der Leitung an heißen Stellen im Motorraum zur Gasblasenbildung kommen. Dies wiederum würde beim Einspritzvorgang zum Druckverlust führen. Um die Blasenbildung zu vermeiden, muß ein ausreichend hohes Druckniveau vorliegen. In der Rückströmleitung befindet sich deswegen ein Druckregler, der den Druck immer mindestens 5 bar über dem aktuellen Tankdruck (8 bar bei 25 °C) hält.
Die LPG-Einspritzdüsen sitzen direkt vor den Einlaßventilen, wo das Flüssiggas während des Einlaßtaktes sequentiell bei jedem einzelnen Zylinder eingespritzt wird. Der flüssige Kraftstoff verdampft bei der Einspritzung sofort und kühlt sich und die angesaugte Luft ab. Durch die Abkühlung der angesaugten Luft erhöht sich dessen Dichte. Dies bewirkt eine bessere Füllung der Brennkammer und dadurch eine höhere Leistungsfähigkeit, die um ca. 3 % höher liegen soll als die von Benzin. [Sykes, 1999]

Die Signale für die Einspritzung kommen vom Benzin-Steuergerät, gehen als Input ins LPG-Steuergerät und werden weiter an die Düsen geleitet. Die Ansteuerung über das Benzin-Steuergerät ist möglich, da die LPG- und die Benzin-Einspritzdüsen ähnliche Charakteristika aufweisen. Das Lambdasonden-Signal wird nur an das Benzin-Steuergerät geleitet. Das bedeutet, daß dies die Grunddaten und meisten Berechnungen vorgibt. Für das LPG-Steuergerät bleibt der Druck des Flüssiggases als wichtigster Parameter. Das System ist ausgelegt für Umgebungstemperaturen von -25 °C bis + 70 °C. Ein beheizter Verdampfer ist deswegen überflüssig.
Die Vorteile dieses Systems sind laut Vialle, daß kein Unterschied zwischen LPG- und Benzin-Betrieb bemerkbar ist, keine Leistungseinbußen auftreten, keine Einstellungen notwendig sind, keine Rückzündungsgefahr besteht und keine Einflußmöglichkeiten seitens der Umgebungsfaktoren (Temperatur, Feuchtigkeit) zu befürchten sind. [Vialle, 2000], [Hollemans, B., 1999]

⇒⇒⇒ weiter zu: LPG-Kosten



Bei der hier veröffentlichten Arbeit handelt es sich um eine Zusammenfassung der Flüssiggas-Technologie aus dem Jahr 2000. Weiterführende und aktuellere Informationen gibt es im Hydrogeit Verlag Shop.

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