Speicherung und Betankung
Bei den Eigenschaften von LPG wurde bereits darauf eingegangen, da� Flüssiggas lediglich bei einem gewissen Druck fl�ssig ist und unter Normalbedingungen (Umgebungstemperatur, Atmosph�rendruck) gasfütmig vorliegt. Aus diesem Grund weisen die LPG-Tanks erhebliche Unterschiede zu den Tanks von Benzin- oder Dieselfahrzeugen auf.
Bei den Flüssiggas-Tanks füt Pkw handelt es sich meist um zylindrische Beh�lter, 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 R�cksitzbank montiert. Aus Gr�nden 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. Au�erdem mu� in diesem Fall das Reserverad anderweitig untergebracht werden.
Jeder Tank mu� bestimmte Sicherheitsanforderungen erf�llen (internationale Transportvorschriften). Die Beh�lter werden einem Pr�füberdruck von 30 bar ausgesetzt. Seit 1984 werden Tanks mit einer F�llbegrenzungseinrichtung versehen, damit sie maximal auf 80 % des Volumens bef�llt werden können. Der restliche zur Verf�gung stehende Raum ist notwendig, damit sich das Flüssiggas im Falle einer Erw�rmung ausdehnen kann, ohne da� im Beh�lter Fl�ssigkeitsdruck auftritt.
Flüssiggas-Anlagen in Pkw sind in sich geschlossene Drucksysteme. In ordnungsgem�� installierten Tanksystemen kann sich demnach durch das Fehlen von Luft kein brennbares oder explosionsf�higes Gas/Luft-Gemisch bilden. Die Tanks verf�gen über ein Absperrventil, womit sie bei Bedarf (z. B. bei Wartungsarbeiten oder bei Gasverlust) geschlossen werden können. Bei einer Besch�digung des Leitungssystems verhindert ein Durchflu�mengenbegrenzer 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 k�hlt sich dabei stark ab. Da dabei der Umgebung W�rme entzogen wird, kann es zu Vereisungen der Materialien kommen bzw. bei Hautkontakt zu "K�lteverbrennungen" oder Erfrierungen.
Generell gibt es bei der Speicherung erhebliche Unterschiede zwischen gasfütmigen, fl�ssigen und festen Kraftstoffen. In der Abbildung 9 ist ein Vergleich mehrerer Stoffe zu sehen. Als Bezugsgr��e wurde ein Benzin�quivalent von 55 Litern gew�hlt 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 gasfütmigen 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 gro�en station�ren 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 da� ein Flüssiggas-Fahrzeug nicht versehentlich dem sehr viel h�heren 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 m�glich. Nach Angaben des deutschen Flüssiggas-Verbandes gibt es mittlerweile in Deutschland 160 �ffentliche Tankstellen. In der Praxis sieht es so aus, da� zur Betankung zum Teil spezielle Tankkarten ben�tigt werden oder die �ffnungszeiten der Tankstellen auf bestimmte Zeit eingeschr�nkt 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 erh�ht, 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, da� auch bei geringen Temperaturen füt ausreichend Druck sorgt.
Flüssiggas-Systeme
Die erste Generation
Wird von Flüssiggas-Motoren gesprochen, handelt es sich meist um umger�stete Otto-Motoren. Bei der Umr�stung bleibt der Motor selber weitestgehend unver�ndert. Es werden lediglich einige zus�tzliche Komponenten eingebaut. In Diesel-Motoren kann lediglich ein gewisser Prozentsatz des Kraftstoffes (ca. 35 %) durch Flüssiggas ersetzt werden. füt den Betrieb mit reinem Flüssiggas ist jedoch eine Fremdz�ndung zur Entz�ndung 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 f�nften Generation. Die erste und einfachste Generation wird immer noch in L�ndern genutzt, die keine strikten Emissionsgrenzwerte haben. Zu diesen L�ndern geh�ren beispielsweise Indonesien, die fr�here Sowjetunion sowie einige L�nder 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 �hnlich 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) F�llanschlu� b) Dampfr�ckstr�m-Ventil c) Sicherheitsventil
e) Abblas-Ventil f) Abblas-Leitung nach au�en g) LPG-Ventil
h) Hochdruck-Schlauch k) Tankanzeige l) Verbindung zum Mixer
m) Ein- und Ausla� füt Wasser s) Ausgleichsverbindung t) Befestigungsschraube
Die zweite Generation
Moderne Elektronik kann dabei helfen, auftretende Unzul�nglichkeiten 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 erm�glicht.
Als Beispiel der zweiten Generation dient das Prinzip von Necam (Niederlande) (s. Abb. 12). Es handelt sich hierbei um ein System mit Venturid�se und Drosselklappe. Durch den erh�hten Str�mungswiderstand (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, l��t 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 lernf�hig sind, wodurch das manuelle Einstellen entf�llt. 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 st�ranf�llig ist, wurde es durch die Multi-Point-Einspritzung ersetzt. Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Systemen ist, da� 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 gasfütmig in ein zentrales Mischsystem eingeblasen. Die Gefahr des R�ckz�ndens ("backfiring") und seine Folgen sind weitestgehend unterbunden. Ansonsten best�nde die Gefahr, da� das Benzin-Einspritzsystem und der Ansaugtrakt besch�digt werden k�nnten.
Weitere Vorteile dieser vierten Generation gegenüber den Vorg�nger-Modellen sind eine exaktere Kraftstoff-Dosierung, weniger Schadstoffe und eine h�here Zuverl�ssigkeit. Da die Einspritzsysteme keine Verengung im Ansaugrohr aufweisen, entf�llt 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 Dr�cke sind einstellbar. Der Druckregler wird über das K�hlwasser des Motors beheizt, da sich das Gas beim Entspannen stark abk�hlt und die Zuleitung auf Dauer vereisen k�nnte.
Vom Verdampfer gelangt das Gas durch den Gasfilter zum Verteiler (Gasdosiereinheit), der die einzelnen Zylinder mit der richtigen Gasmenge versorgt. Die passiven Einblasd�sen sitzen direkt vor dem Einla�ventil am Saugrohr. Das Gas wird gem�� dem kontinuierlichen Einspritzprinzip kontinuierlich im Saugrohr zugef�hrt. Da die Vermischung mit der Verbrennungsluft erst kurz vor der Brennkammer geschieht, entf�llt das Risiko der R�ckz�ndung.
Die wichtigsten Signale füt den Mikroprozessor im Steuerger�t 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 Steuerger�tes stellt das Signal füt den Schrittmotor des Verteilers dar, weil darüber die korrekte Menge des zugef�hrten Gases geregelt wird.
Da dieses System über ein unabhängiges Motormanagement-System mit eigenem Steuerger�t (ECU = Electronic Control Unit) verfügt, kann es auch füt monovalente Fahrzeuge genutzt werden. Das System ist selbstregulierend und verfügt darüber hinaus über eine Lernfunktion. Sonstige Einstellm�glichkeiten sind nicht notwendig.
Im Steuerger�t sind sogenannte Kennfelder abgespeichert. füt nahezu alle Lastzust�nde existieren Daten über die jeweiligen Betriebszust�nde. 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 l��t sich während der Fahrt problemlos zwischen Benzin und Gas umstellen. Wenn der Gastank leergefahren ist, verschlechtert sich die Verbrennung, wodurch der Katalysator besch�digt werden k�nnte. Um dies zu vermeiden, schaltet das System bei einer verminderten Gaszufuhr automatisch auf Benzinbetrieb um.
Sequentielles zylinderselektives System
Dieses System der f�nften Generation baut auf dem MEGA-System auf. Anstelle des Verteilers mit Schrittmotor gibt es in diesem Fall eine Einspritzleiste (�hnlich einer common rail). Von dieser Leiste gehen Schl�uche zu den Einblasd�sen, die aktiv vom Steuerger�t angesteuert werden. Das Steuerger�t sendet so viele Signale aus, wie der Motor Zylinder hat, an die dementsprechenden Einblasd�sen. Das bedeutet, da� jeder Zylinder individuell mit Gas versorgt wird.
Dieses System hat gegenüber dem kontinuierlichen MEGA-System folgende Vorteile:
� jeder Zylinder erh�lt seine eigene Ration Kraftstoff,
� die Gasmenge wird schneller und genauer dosiert,
� das Gemisch ist homogener,
� die Leistung und das Drehmoment sind h�her,
� der Verbrauch und die Emissionen sind geringer.
Abb. 14: sequentielles zylinderselektives System [IAV, 1999]
Hochdruck-Direkteinspritzung
Die sechste Generation existiert bis jetzt noch nicht. füt die Zukunft ist jedoch ein System geplant, bei dem der Kraftstoff �hnlich wie beim Dieselmotor mit Hochdruck direkt in die Brennkammer eingeblasen wird. Momentan wird noch an den direkteinspritzenden Systemen füt Otto-Motoren gearbeitet. Sobald diese Technik ausgereift ist, kann sie modifiziert auch bei Flüssiggas-Fahrzeugen zum Einsatz kommen.
LPI-System
LPI steht füt Liquid Propane Injection (Fl�ssigpropan-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 gasfütmigen Aggregatzustand setzen. Genau wie im Benzin-Betrieb wird hierbei jedoch fl�ssiger Kraftstoff eingespritzt.
Urspr�nglich (1993) war dieses Verfahren als Single-Point-Einspritzung konzipiert worden, ist jedoch wegen der geringeren R�ckz�ndungsgefahr 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 k�nnte es in der Leitung an hei�en Stellen im Motorraum zur Gasblasenbildung kommen. Dies wiederum w�rde beim Einspritzvorgang zum Druckverlust f�hren. Um die Blasenbildung zu vermeiden, mu� ein ausreichend hohes Druckniveau vorliegen. In der R�ckstr�mleitung befindet sich deswegen ein Druckregler, der den Druck immer mindestens 5 bar über dem aktuellen Tankdruck (8 bar bei 25 �C) h�lt.
Die LPG-Einspritzd�sen sitzen direkt vor den Einla�ventilen, wo das Flüssiggas während des Einla�taktes sequentiell bei jedem einzelnen Zylinder eingespritzt wird. Der fl�ssige Kraftstoff verdampft bei der Einspritzung sofort und k�hlt sich und die angesaugte Luft ab. Durch die Abk�hlung der angesaugten Luft erh�ht sich dessen Dichte. Dies bewirkt eine bessere F�llung der Brennkammer und dadurch eine h�here Leistungsf�higkeit, die um ca. 3 % h�her liegen soll als die von Benzin. [Sykes, 1999]
Die Signale füt die Einspritzung kommen vom Benzin-Steuerger�t, gehen als Input ins LPG-Steuerger�t und werden weiter an die D�sen geleitet. Die Ansteuerung über das Benzin-Steuerger�t ist m�glich, da die LPG- und die Benzin-Einspritzd�sen �hnliche Charakteristika aufweisen. Das Lambdasonden-Signal wird nur an das Benzin-Steuerger�t geleitet. Das bedeutet, da� dies die Grunddaten und meisten Berechnungen vorgibt. füt das LPG-Steuerger�t bleibt der Druck des Flüssiggases als wichtigster Parameter. Das System ist ausgelegt füt Umgebungstemperaturen von -25 �C bis + 70 �C. Ein beheizter Verdampfer ist deswegen überfl�ssig.
Die Vorteile dieses Systems sind laut Vialle, da� kein Unterschied zwischen LPG- und Benzin-Betrieb bemerkbar ist, keine Leistungseinbu�en auftreten, keine Einstellungen notwendig sind, keine R�ckz�ndungsgefahr besteht und keine Einflu�m�glichkeiten seitens der Umgebungsfaktoren (Temperatur, Feuchtigkeit) zu befütchten sind. [Vialle, 2000], [Hollemans, B., 1999]
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