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Fachartikel
09. Juni 2020

FOGA-Projekt

Neues Aufladekonzept für Gasmotoren

Gasmotoren wie auch E-Fuel-Motoren wird bei der Reduktion von CO2 ein grosses Potenzial nachgesagt. Im Transportsektor gelten sie als Schlüssel- und Übergangstechnologie der kommenden Dekaden. Als Verbrennungsmotoren brauchen auch sie eine Aufladung – eine, die der Besonderheit von Gasmotoren Rechnung trägt. Hier bietet sich der in der Schweiz erfundene Druckwellenlader Comprex™ aus den 1980er-Jahren perfekt an. Der Comprex™ tritt mit dem Ziel an, den CO2-Ausstoss um bis zu 20% zu senken.
Andreas  Nohl, Mario Skopil, 

Leistungs- und Effizienzsteigerung bei Serienfahrzeugen mit Verbrennungsmotor funktioniert meist über eine Aufladung mit einem Turbolader. Die Varianten der Aufladung sind gross und breit gefächert. Die Bandbreite reicht vom einfachen Turbolader über die mehrstufige Aufladung bis hin zu elektrisch betriebenen Turboladern. Ziel dabei ist stets einen hohen Ladedruck über ein breites Drehzahlspektrum zu erhalten. Hoher Druck im unteren Drehzahlbereich des Motors ist so wichtig für den effizienten Betrieb eines Fahrzeuges wie das schnelle Ansprechverhalten, das zu einer besseren Fahrdynamik führt. Der in den 1980er-Jahren in der Schweiz entwickelte Druckwellenlader (DWL), auch unter dem Markennamen ComprexTM bekannt, hat das Potenzial, genau diese hohen Anforderungen zu erfüllen. Die Schweizer Firma Antrova AG hat einen komplett neuen ComprexTM entwickelt, um die Technik an die heutigen Bedürfnisse anzupassen. In Kombination mit einem Miller-Zyklus hat der DWL das Potenzial, neben schnellem Ansprechverhalten, hohe spezifische Leistung und einen bis zu 20% reduzierten Kraftstoffverbrauch zu erreichen.
Im Rahmen eines Projekts des Forschungsfonds der Schweizer Gaswirtschaft (FOGA) wurde nun an der Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) geprüft, ob ein ComprexTM-Lader auch für die Aufladung von Gasmotoren eine Alternative ist. Und wenn ja, mit welchen Potenzialen zu rechnen ist.

FUNKTIONSPRINZIP EINES DRUCKWELLENLADERS

Der Druckwellenlader besteht aus drei grundlegenden Gehäuseteilen, die zu einer Einheit verschraubt sind. Im mittleren, zylinderförmigen Gehäuse (rotor housing) dreht sich ein Zellrad (rotor). Die beiden Gehäuse an den Stirnseiten sind mit einem oder mehreren Ein- und Auslässen für heisse Abgase (exhaust gas housing) und Frischluft (air housing) ausgestattet.
Das Zellrad wird elektrisch angetrieben. Die optimale Drehzahl für das Zellrad bei langsam drehender Kurbelwelle liegt bei etwa 5:1, während bei schnell drehender Kurbelwelle das Verhältnis etwa 3:1 ist. Somit kann der elektrische Antrieb gegenüber einem fix gekoppelten Riemenantrieb immer eine optimale Rotordrehzahl garantieren. Auch ist die Flexibilität bezüglich Einbauort im Motorraum wesentlich grösser als bei einem Riemenantrieb. Die Lagerung des Rotors geschieht mit dauergeschmierten Rollenlagern, die bei den älteren Generationen beide im Luftgehäuse untergebracht waren (Rotor fliegend gelagert).
Der Comprex™ besitzt ein wassergekühltes Gasgehäuse (exhaust gas housing), in das ein Lager eingesetzt werden kann. Dies erlaubt, konstant sehr enge Spiele zwischen Rotor und Gehäuse zu fahren. Der Rotor besteht aus zwei Hälften, durch einen kleinen Spalt in der Mitte wird die Wärmeausdehnung der Bauteile ermöglicht. Dadurch sind alle früheren Probleme zuverlässig gelöst. Die für den Wirkungsgrad äusserst wichtigen Spiele werden in allen Betriebsarten klein gehalten. Der neue ComprexTM löst auch das berühmte Kaltstartproblem bei Benzinmotoren. Diese mussten früher wegen der heisseren Abgase, die grössere Wärmedehnungen des Rotors verursachten, mit grösserem Rotorspiel ausgestattet werden.
Bei Motoren, die mit Lambda=1, also stöchiometrischem Luftverhältnis, betrieben werden, wird die Abgasreinigung (Drei-Wege-Katalysator) vor dem Druckwellenlader positioniert. Dies hat einen sehr positiven Einfluss auf die Emissionen bei einem Kaltstart, da der Katalysator maximal schnell auf Betriebstemperatur kommt. Die aus dem stöchiometrischen Betrieb des Motors resultierenden hohen Abgastemperaturen machen der neuen Ladergeneration dank der Wasserkühlung nichts aus. Die mechanische Haltbarkeit des ComprexTM-Laders ist hoch, da die Umfangsgeschwindigkeiten des Rotors mit 80 bis 100 m/s weit unter denen eines Turboladers liegen, bei denen heute 550 m/s keine Seltenheit sind. Zudem haben Messungen gezeigt, dass allein die Anwesenheit eines ComprexTM-Laders dazu führt, dass – verglichen mit einem baugleichen Turbomotor – die Abgastemperaturen um bis zu 80 °C sinken.
Der Ladedruckaufbau geschieht mithilfe der Energie der einströmenden Auspuffgase. Die Abgase werden jeweils in eine einzelne oder mehrere Zellen des Zellenrades gelenkt, wo sie die darin befindliche Frischluft komprimieren (Prinzip eines Drucktauschers). Durch ein passendes Drehzahl-Timing des Zellenrades verdichtet der Auspuff-Druckstoss eine Frischluftpartie in einer jeweils gerade angesteuerten Zelle. Dann wird durch Weiterdrehen des Zellenrades der Frischluftdruck in der Zelle gehalten, kurz darauf wird die so verdichtete Luft dem Ansaugtrakt zugeführt. Anders als fälschlicherweise oft angenommen , erhält der ComprexTM seine Druckwellen nicht vom Motor, sondern generiert sich seine Druckwellen selbst. Nämlich dann, wenn eine Zelle durch Weiterdrehen vom Niederdruckteil mit Frischluft bestückt vor den unter hohem Druck stehenden Abgaskanal gelangt. Es ist zwar richtig, dass Druckstösse vom Motor kommen, diese sind aber für den sauberen Betrieb des Laders nicht nötig – im Gegenteil: Schlimmstenfalls sind sie sogar hinderlich.
Im Gegensatz zu einem Kompressor oder Roots-Gebläse überträgt der Antrieb des Zellenrads keine mechanische Energie zum Druckaufbau und muss ausser der Lagerreibung keine Kräfte überwinden. Beim Antrieb des ComprexTM-Zellrades geht es nur um eine Drehzahlsynchronisation, damit die gasdynamischen Vorgänge im Lader optimal takten. Die Druckwellen müssen immer im richtigen Moment an einem bestimmten Ort im Lader ankommen, damit schlussendlich eine Saugwelle entsteht, welche die Abgase aus der Rotorzelle herausbefördert und Frischluft in die betreffende Zelle hineinzieht. Diese steht dann für die nächste Kompression zur Verfügung. Üblicherweise kann ein Rotor im Automotivebereich aus Platzgründen zwei gasdynamische Zyklen pro Umdrehung bedienen, bei grösseren Ladern für z. B. schnelllaufende Dieselmotoren mit 1000 kW
und mehr können es auch drei oder vier Zyklen sein.

Einsatz bei Gasmotoren

Ansatz und Vorgehen

Um eine gute Lösung für den Einsatz bei Gasmotoren zu finden, wurden vorgängig Simulation und danach Versuche an der Empa in Dübendorf durchgeführt:
– Kalibrierung des Verbrennungsmodells (für 1D-Modell) auf Basis von Messdaten mit Turbo-Set-up
– 1D-Simulation des gesamten Motors mit ComprexTM
– Validierung der Simulationsergebnisse mit Daten aus dem Prüfstand

1D-Simulation und Erwartungen

Für die erste Betrachtung wurde ein komplettes Modell des Motors mit einem Druckwellenlader in GT-Power (Simulationssoftware für Motorenbauer aus dem Hause Gamma Technologies) an der Empa aufgebaut, um eine Potenzialabschätzung dieser Technik zu ermöglichen.

PRÜFZYKLEN NACH WLTC

Das voraussichtlich spätere Fahrzeug, in dem der Gasmotor eingesetzt werden soll, wurde nach Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC) simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Motorendrehzahl nicht über 2700 1/min ansteigt. Es ist auch zu sehen, dass eher der untere Geschwindigkeitsbereich der für den Verbrauch und die Emission wichtig ist. Die kritischen Punkte aus Sicht der Emission liegen bei Niedriglast und kleinen Drehzahlen. Dieser Flächenbereich im Diagramm ist auch wichtig für den Kraftstoffverbrauch.
Um die Effizienz einer solchen Antriebseinheit zu erhöhen, müssen die Emission wie auch der Kraftstoffverbrauch zusammen optimiert werden. Die Berechnungen zeigen, dass durch den Einsatz eines Druckwellenladers die Performance des Motors verbessert werden kann, besonders bei kleinen Drehzahlen. Es könnten auch andere Getriebeabstufungen als jetzt vorgesehen verwendet und damit geringere Verbräuche erzielt werden (Downspeeding).
Am Ende der Versuche sollte als Resultat ein CNG-(Compressed Natural Gas)Motor stehen, dessen Leistung vergleichbar mit der einer Dieselversion ist, aber mit geringerem CO2-Ausstoss und wenig Partikeln. Auch sollten neue Erkenntnisse über das Zusammenspiel von Erdgasmotoren und der Aufladung durch einen Druckwellenlader gewonnen werden.

Durchführung und Messung 

Um das bereits laufende Projekt der Firma FPT Motorenforschung AG an der Empa umgehend mit einem Versuchs-Comprex auszustatten, wurde ein bereits bestehendes Gerät für einen 1,2-Liter-Motor verwendet, der nicht exakt auf den Motor abgestimmt war. Trotz dieser Voraussetzungen konnte sich der bestehende Comprex™ gut behaupten und eine gewisse Gutmütigkeit gegenüber der optimalen Anpassung (matching) beweisen.
Die gemessenen Daten zeigen das grosse Potenzial des Comprex™, obwohl er in dem Bereich der Grössenauslegung zu klein für den 3-Liter-Motor ist.
In den unteren Drehzahlbereichen konnten mehrmals Drehmomentwerte gemessen werden, die auf Augenhöhe mit dem Turbolader liegen. Dies obwohl der Turbo auf den Motor abgestimmt war und der Comprex™ nicht. Dies zeigt das Potenzial, das noch freigesetzt werden kann. Das Testsystem aus Motor, Steuerung, Aufladung und vieles mehr kam mehrmals an die physikalischen Grenzen. Entweder musste aus Rücksicht auf den Motor die Suche nach dem Limit abgebrochen werden oder die Kanäle des Druckwellenladers waren zu klein, um den geforderten Massenstrom durchzuleiten.

Resultat und Auswirkung für die Zukunft

Das Aufstauverhalten des zu kleinen Druckwellenladers hat sich in der Folge als etwas unglücklich erwiesen. Die Messungen zeigen hier ein klares Bild in Form von hohem Gegendruck. Zudem konnten wichtige Effekte wie Klopfen oder Fehlzündungen nicht vorausberechnet werden, somit würde der maximale Ladedruck dem Motor Schaden zufügen.
Die genauere Analyse der Messwerte durch Antrova AG zeigt, dass die Steuerkanten vom 1,2-Liter-Motor selbst die Eigenschaft haben, eher weniger Ladedruck aus dem aufgestauten Druck zu generieren, dafür müssten die Steuerkanten für einen 3-Liter-Motor wie im Versuch verwendet weiter geöffnet werden oder der Druckwellenlader selbst müsste grösser sein.

Fazit

Was wurde bis jetzt erreicht?

Es konnte im Versuch gezeigt werden, dass ein Comprex™-Lader für die Aufladung von CNG-Motoren durchaus eine Alternative ist und Potenzial nach oben hat. Soweit die Autoren wissen, war dies die allererste Anwendung eines Comprex™ auf einem CNG-Motor.
Es wurde nachgewiesen, dass die technischen Schwächen (Kaltstartproblem, Dichtheit, Kühlung, …) des Druckwellenladers aus den 80er- und 90er-Jahren komplett behoben werden konnten. Somit steht erstmals ein voll funktionierender Comprex™ für Fahrzeuge zur Verfügung.
Es ist angedacht, dass die Versuche weitergehen mit einem auf den 3-Liter-Motor ausgelegten Druckwellenlader. Das
Potenzial und die verbesserte Fahrdynamik für Gasmotoren rechtfertigen weitere Versuche.

Dieses Projekt profitierte stark davon, dass bereits auf einem funktionsfähigen Grundsystem (Testaufbau, Motor) aufgebaut werden konnte. Ein grosser Teil der Empa-seitigen Aktivitäten in diesem Projekt waren vom BFE (Bundesamt für Energie) finanziert, mit Eigenleistungen von Empa sowie von FPT Motorenforschung AG. Den Zusatzaufwand für den Druckwellenlader trugen der Forschungsfonds FOGA und die Antrova AG.

Warum werden so viel Ehrgeiz und Energie in eine vermeintlich veraltete Technik gesteckt?

Der Umbau der Gesellschaft von einer mineralölbasierenden zu einer CO2-neutralen Gesellschaft ist nicht in wenigen Jahren zu schaffen. So müssen Alternativen wie E-Fuels (synthetisch hergestellter Treibstoff, der aus überschüssigem erneuerbarem Strom produziert wird und somit speicherbar ist) und Gasmotoren entwickelt werden, die den CO2-Ausstoss schnell und nachhaltig reduzieren können.
Gemäss einer 2019 erschienenen Studie von Bloomberg werden 2040 noch immer jährlich ca. 67 Mio. reine Verbrenner (ICE) und Hybridelektrokraftfahrzeuge (HEV) mit Verbrennern gebaut und verkauft werden. Hinzu kommt die Tatsache, dass der Lebenszyklus eines Auto durchschnittlich zwölf Jahre beträgt: Der CO2-Ausstoss der Flotte wird also um diese Jahre nach hinten verlegt. Jede Anstrengung, die eine Reduktion des Ausstosses zur Folge hat, sollte deshalb so schnell wie möglich eingeführt werden.

Bibliographie

[1] Antrova AG (2020): Comprex Technologie. Von Antrova AG: https://www.antrova.com/comprex-technology
[2] Bloomberg New Energy Finance (2019): Inside EVS. (M. Network., Herausgeber, & Bloomberg New Energy Finance) Von https://insideevs.com/news/328687/bloomberg-new-energy-finance-electric-vehicles-to-be-35-of-global-new-car-sales-by-2040/
[3] Rojewski, J.; Patrik Soltic, P. (2019): New boosting concept for a methane-powered engine. Automotive Powertrain Technologies Laboratory. Dübendorf: Empa
[4] Soltic, P.; Zsiga, N.; Rojewski, J. (2019): EMeLi – CNG Project with Comprex. Automotive Powertrain Technologies Laboratory. Dübendorf: Empa

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