DUAL FUEL. Potential kombinierter Verbrennung von Erdgas und Dieselkraftstoff Martin Uhle, Sönke Peschka

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1 DUAL FUEL Potential kombinierter Verbrennung von Erdgas und Dieselkraftstoff Martin Uhle, Sönke Peschka 1

2 Gliederung Einleitung Vorteile von CNG gegenüber Diesel Versuchsmotor Versuchsergebnisse Vergleich Fazit & Ausblick Martin Uhle, Sönke Peschka 2

3 CO 2 Produktion in Abhängigkeit des C/H Verhältnisses Martin Uhle, Sönke Peschka 3

4 Beispielrechnung Annahme: LKW mit 30 Liter / 100 km, km jährlich Liter / Jahr Dieselpreis: 1,35 /Liter Jährliche Kosten von Substitution von 60% Diesel durch CNG 1 kg Erdgas H-Gas (CNG) entspricht ca. 1,31 Liter Diesel Liter Diesel ersetzt durch kg CNG Gaspreis CNG: 1,06 /kg Kraftstoffkosten pro Jahr Ersparnisse von fast /Jahr bzw. ca. 25% Martin Uhle, Sönke Peschka 4

5 Gaszusammensetzung Martin Uhle, Sönke Peschka 5

6 Versuchsmotor Motordaten 4 Zylinder Diesel Motor 129kW bei 2000U/min, 802Nm bei 1500U/min Common Rail System 2000bar, Turboaufladung, Ladeluftkühlung, gekühlte externe AGR Hubraum 7,01 Liter/ Verdichtung 17:1 Abgasnachbehandlung Emissions Standard externe Kraftstoffeindüsung zur Regeneration des CSF DOC (Diesel Oxidation Catalyst), CSF (Continues Soot Filter) Stufe IIIb /Tier4 interim Martin Uhle, Sönke Peschka 6

7 CNG-System Martin Uhle, Sönke Peschka 7

8 CNG Aktivierung Martin Uhle, Sönke Peschka 8

9 Prüfstandergebnisse Martin Uhle, Sönke Peschka 9

10 Substitutionsrate im Kennfeld Martin Uhle, Sönke Peschka 10

11 NO x Emissionen Vergleich im Kennfeld Martin Uhle, Sönke Peschka 11

12 Ruß Emissionen Vergleich im Kennfeld Martin Uhle, Sönke Peschka 12

13 CO 2 Emissionen Vergleich im Kennfeld Martin Uhle, Sönke Peschka 13

14 Emissionen in Abhängigkeit von λ Martin Uhle, Sönke Peschka 14

15 Emissionen in Abhängigkeit von Substitutionsrate Martin Uhle, Sönke Peschka 15

16 Verbesserungspotential von DUAL FUEL Martin Uhle, Sönke Peschka 16

17 Fazit & Ausblick Geringere Treibstoffkosten Geringere CO 2 - und Ruß Emissionen Im oberen Lastbereich mehr NO x -Emissionen Maßnahmen zur Reduzierung von HC-Emissionen finden Durchschnittliche Substitutionsrate am Prüfstand von ca. 60% soll durch weitere Optimierung auf 70% angehoben werden Martin Uhle, Sönke Peschka 17

18 DUAL FUEL Einleitung (Folie 1 und 2) o Thema: Subtitution von Diesel durch CNG es wird Diesel durch CNG ersetzt CNG = Compressed Natural Gas (komprimiertes Erdgas) CNG wird in Ansaugluft des Dieselmotors eingespritzt o Ziele: Dieselkosteneinsparung und Reduktion von Emissionen (CO 2, Rußpartikel, unverbrannte Kohlenwasserstoffe) o Anhand eines Versuchsstandes getestet (Variiert: Prüfzykle, Eistelluge, Vorteile von CNG gegenüber Diesel (Folie 3,4,5) o Abbildung 1: besseres C/H-Verhältnis Besseres C/H-Verhältnis führt zu weniger CO 2 -Emissionen weniger Gramm CO 2 pro MJ Energie o Beispielrechnung geringere Jahreskosten o Abbildung 2: beachten: CNG gibt es in unterschiedlichen Zusammensetzungen und Qualitäten je nach Art des CNG ist Reduktion der CO 2 -Emissionen unterschiedlich bei 70% Methan Zumischung Reduktion um 18% Methanzahl vergleichbar mit Oktanzahl: Maß für Klopffestigkeit (Selbstzündung) Versuchsmotor (Folie 6,7,8) o Tabelle vorstellen DOC: Katalysator CSF: Rußpartikelfilter Emissions Standard: Stufe IIIb = europäisch, Tier4 interim = USA o Gaseinblasung in Ansaugluft mit max. 4bar, Zylinderselektiv o Abbildung 3: zeigt das CNG System (Speicher und Einspritzung) o Abbildung 4: Beispiel CNG-Speichertank bis zu 700bar Speicherdruck o Abbildung 6: CNG Aktivierung Von welchen Parametern ist die Aktivierung Abhängig Motormanagement muss komplett umgearbeitet werden

19 Verbrennung nicht mehr nur von Dieselmenge abhängig, sondern auch von Gasmenge dadurch muss Diesel neu berechnet werden für Serienanwendung muss neue Betriebsart geschaffen werden, in der Gas und Diesel arbeiten hierbei muss eine effektive Kraftstoffmenge errechnet werden vom Momentanforderung ist Dieselmenge und Gasmenge abhängig Versuchsergebnisse o Verwendet Messpunkte Typische Emissionszyklen WHTC (World Harmonized Transient Cycle) NRTC (Non Road Transient Cycle) Über die Prüfdauer den Verlauf der Geschwindigkeit und des Drehmoments in Prozent Mitteldruck über Drehzahl Daraus wurde das Motorkennfeld modelliert o Subtitutionsrate im Kennfeld Maximale Substitutionsrate im mittleren Lastbereich zwishe 4 aris zu 85%) Im oberen Lastbereich ist eine hohe Substitutionsrate aus akustischen Gründen nicht mehr vertretbar und es kann zu Klopfen kommen Im unteren Lastbereich begrenzt auf max. 60% durch minimale Dieseleinspritzungsmenge (Zündstrahlgeführte Verbrennung) o NO x Emissionen Vergleich zwischen Diesel und DUAL FUEL in Prozent (Skala) Im unteren und mittleren Lastbereich wesentlich geringere NO x Emissionen Im oberen Lastbereich höhere Emissionen aufgrund hoher Verbrennungstemperaturen (ähnlich wie beim Ottomotor) o Ruß Emissionen Vergleich zwischen Diesel und DUAL FUEL in Prozent (Skala) Im gesamten Kennfeld weniger Emissionen o CO 2 Emissionen Vergleich zwischen Diesel und DUAL FUEL in Prozent Insgesamt weniger CO s Emissionen, besonders im mittleren und unteren Lastbereich o Emissionen in Abhängigkeit von Lambda Betriebspunkt nennen Besten Bereich zeigen und erklären

20 Idealer Ladawert:,,6 Höher führt zu besserer Entflammbarkeit von CNG aber zu höheren HC Emissionen Daraus ergeben sich ideale das beste Verhältniss von CO 2, NO x, PM und gute Substitutionsrate o Emissionen in Abhängigkeit von Substitutionsrate Betriebspunkt nennen Erklären Mehr CNG weniger CO 2 und Ruß, mehr Kohlenwasserstoffe und NO x Um noch weniger CO 2 Emissionen zu erhalten, muss innermotorisch optimiert werden (Motor umbauen) Vergleich und Fazit o Vergleich (Folie 16) Umgebauter Motor und normaler Motor haben verschiedene Prüfzyklen durchlaufen NRSC (Non Road Stationary Cycle) NRTC (Non Road Transient Cycle) Diagramme erklären Rußemissionen und CO 2 Emissionen in beiden Prüfzyklen gesunken nur HC-Emissionen sind gestiegen, zurückzuführen auf nicht für den Gasbetrieb abgestimmten Brennraum o Fazit und Ausblick (Folie 17) Geringerer Treibstoffkosten, wie an Beispielrechnung erklärt Geringere CO 2 - und Ruß-Emissionen bis zu 25% weniger CO 2 Emissionen in einzelnen Betriebspunkten Im oberen Lastbereich mehr NO x -Emissionen Kann durch AGR (Abgasrückführung) bzw eine spätere Verbrennungslage gesenkt werden Wird noch nicht durchgeführt da Nachteile noch nicht groß genug, bzw. es zu mehr Rußpartikeln und höherem Treibstoffverbrauch führt Maßnahmen zur Reduzierung der HC-Emissionen Brennraumoptimierung Erhöhung der Ladungsbewegung (bessere Vermischung)

21 Optimierung der Gaseindüsung (Höherer Druck und bessere Positionierung der Düse) Durch Abgasnachbehandlung können NO x - und HC-Emissionen reduziert werden Zur Zeit CNG Substitution von 60% auf 70% optimieren noch weniger CO 2 Emissionen DUAL FUEL Technologie bietet beachtliches Emissionsreduktionspotential und signifikante Kraftstoffreduktion in einem kurzen Zeitraum Wenig Umbau der Motoren notwendig Umbau am Fahrzeug wird sich schnell armotisieren Im Notfall kann immer noch mit reinem Dieselbetrieb gefahren werden

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