Erdgas als Kraftstoff bietet auf Grund seiner chemischen Struktur hohes CO2-Einsparpotential, mit von modernen Otto-Motoren bekannt niedriger Stickoxid-Emission, völlig rußfreier Verbrennung und gut ausgebauter Tankstelleninfrastruktur. Für mobile Anwendungen wird Erdgas komprimiert als „Compressed Natural Gas (CNG)“, getankt. CNG unterstützt, basierend auf erprobten Motorkonzepten, das für 2020 verbindlich gesetzte Ziel der Emissionsabsenkung auf 95 g CO₂/km.
Bereits existierende CNG-Motoren schöpfen das Potential dieses Kraftstoffs im Vergleich zu Benzin, wie die deutlich erhöhte Klopffestigkeit, jedoch nicht vollständig aus. Deshalb kann ein für diesen Kraftstoff ausgelegter CNG-Motor Diesel-ähnliche Effizienz erreichen, aber ohne die für den Diesel-Motor typische aufwändige Abgasnachbehandlung zur Ruß- und Stickoxidreduktion. Eine Herausforderung an die Entwicklungsingenieure ist es aber, die Vermischung von CNG und Luft im Motor richtig zu gestalten. Optimierte Gemischbildung erhöht zudem die Fahrdynamik und damit die Akzeptanz der Käufer.
Von Mai 2014 bis Mai 2017 förderte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ Optische Technologien / Photonik“ mit über 570.000 Euro das Projekt „OMeGa-E - Optische Messung der Gemischbildung am Erdgasmotor“.
Optische Sonden und Laser für eine optimale Gemischbildung
Mittlerweile ist das Ziel, die Bereitstellung ausgereifter, praxiserprobter optischer Messtechnik für die Weiterentwicklung von Erdgas-Verbrennungsmotoren, erreicht. Zwei komplementäre Messtechniken geben nun dem Motorentwickler ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung und Verbesserung der Gemischbildung an die Hand.
Einerseits misst im Ansaugkanal oder direkt im Brennraum eine am Prüfstand einfach applizierbare optische Sonde kontinuierlich mit hoher Zeitauflösung den lokalen Anteil von CNG am Gemisch. Für die Anwendung im Brennraum ist die Funkenzündung in die Sonde integriert, so dass sie einfach anstelle der Zündkerze eingeschraubt werden kann. Andererseits liefert ein laserbasiertes bildgebendes Verfahren durch Fenster in Forschungsmotoren Schnappschüsse der momentanen Verteilung von CNG und Luft im Brennraum. Die Sondenmessung basiert auf der Absorption von infrarotem Licht, dass über Lichtleiterfasern zum und vom Messkopf geführt wird, die bildgebende Messtechnik auf durch ultraviolette Laserstrahlung angeregter Fluoreszenz.
In beiden Fällen war es ein entscheidender Schritt im Projekt, die Messtechniken so zu erweitern, dass die lokale Gastemperatur mit gemessen werden kann, denn die Temperatur übt einen Quereinfluss auf die CNG-Konzentrationsmessung aus. Einzeln oder gemeinsam erlauben es die beiden Messtechniken, die Vermischung und Homogenisierung des CNGs mit der Ansaugluft zu verfolgen. Insbesondere können auf Basis solcher Messungen auch entsprechende Computersimulationen verbessert werden. Die hochkomplexen Prozesse über den weiten Dynamikbereich moderner Motoren können somit insgesamt besser verstanden und optimiert werden.
Die Projektpartner
Die Kooperationsgemeinschaft bildet sich aus Volkswagen als Nutzer der Technologie, dem Institut für Verbrennung und Gasdynamik (IVG) an der Universität Duisburg-Essen für das bildgebende Verfahren, dem Laser-Laboratorium Göttingen e.V. (LLG) für die Sondenmesstechnik und dem auf optische Messtechnik spezialisierten Unternehmen LaVision GmbH aus Göttingen als Anbieter der entwickelten Technologie.
Innerhalb der dreijährigen Projektlaufzeit wurde diese Spitzentechnologie äußerst erfolgreich an Entwicklungs-Prüfständen im Volkswagen Konzern getestet, bei dem CNG ein wichtiger Teil der aktuellen und zukünftigen Antriebsstrategie ist. Erst kürzlich unterstrich der Volkswagen Konzern wieder sein Engagement und unterzeichnete mit Betreibern von CNG-Tankstellen und Gasnetzanbietern eine gemeinsame Absichtserklärung, mit der sich die Initiatoren zum Ausbau der CNG-Mobilität bekennen.
Autoren
- Thomas Berg, LaVision GmbH
- Prof. Dr. Sebastian Kaiser, IVG, Universität Duisburg-Essen
- Dr. Hainer Wackerbart, Laser-Laboratorium Göttingen e.V.
- Jasper Zachow, Volkswagen AG
