Analyse von LPG-Kraftstoffen

Aufgrund ihres CO2 Reduktionspotenzials und ihrer hohen Klopffestigkeit sind Gaskraftstoffe wie LPG (Liquefied Petroleum Gas) für den Betrieb moderner hochaufgeladener Ottomotoren sehr gut geeignet. Für die Anpassung der gültigen LPG-Kraftstoffnorm EN 589 an moderne Motorkonzepte, müssen allerdings die Einflüsse der Stoffeigenschaften und der Gaszusammensetzung auf das Einspritzverhalten wissenschaftlich untersucht werden. Die Grundlage dieses Forschungsprojekts bildeten daher experimentelle Untersuchungen von vier ausgewählten LPG-Kraftstoffen nach EN 589. Hierfür wurde z.B. ein 1,6-Liter abgasturboaufgeladener Ottomotor mit Direkteinspritzung und ein Hochdruckpumpen-/Injektor-Verschleißprüfstand verwendet. Daraus ließen sich wichtige Erkenntnisse zum maximalen Propangehalt und zum Verschleißverhalten des Injektors sowie der Hochdruckpumpe ableiten. Das Projekt hat einen wichtigen Beitrag zum LPG-Normungsprozess in Europa (CEN) und Deutschland (DIN) geleistet und somit auch dazu, LPG als Kraftstoffalternative weiter zu etablieren.

» Das umfassende Verständnis der Auswirkungen von LPG-Kraftstoffeigenschaften auf das Betriebsverhalten zeitgemäßer Ottomotoren ist eine wichtige Voraussetzung zur Sicherstellung der Kraftstoffqualität mittels Kraftstoffnormung. Wie in den beiden FVV-LPG-Projekten aufgezeigt, ist es zur Erfüllung zukünftiger CO2-Ziele unerlässlich, Grenzen für einen maximalen und minimalen Propangehalt, sowie eine neue Kennzahl zur Bewertung der LPG-Klopfresistenz einzuführen, beispielsweise die Methanzahl. Es wäre wünschenswert, wenn der Erkenntnisgewinn aus den FVV-Projekten in den Normungsausschüssen bald zu einer einvernehmlichen, zukunftsorientierten Definition der Kraftstoffqualität führen würde. «
Dr.-Ing. Ulrich Kramer | John Andrews Entwicklungszentrum (Ford-Werke GmbH)

Gaskraftstoffe wie LPG sind eine vielversprechende Kraftstoffalternative für Ottomotoren.

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Der hohe Dampfdruck der C3- und C4-Kohlenwasserstoffe in Liquefied Petroleum Gas (LPG) kann zur Verdampfung des Kraftstoffs im Hoch- und Niederdruckteil des Kraftstoffsystems führen. Damit geht ein starker Dichteabfall einher, woraufhin der Motor zum Stillstand kommt. Im Rahmen des FVV-Vorhabens LPG-Systemvergleich II wurden am VKA der RWTH Aachen University und am IAP der HTW des Saarlandes Vordrücke der Hochdruckpumpe oberhalb des kritischen Drucks als eine mögliche Lösung für ein LPG-Direkteinspritzsystem ohne Kühlmaßnahmen für moderne Ottomotoren untersucht.

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Verhältnis zwischen erforderlichem Eintrittsdruck an der Hochdruckpumpe und dem Propan/Propen‑Gehalt aller LPG‑Kraftstoffe.

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Ein Versuchsfahrzeug mit einem 1,6-Liter-Ottomotor stand für die Untersuchungen zur Verfügung.

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Motivation

Aufgrund ihres CO2 Reduktionspotenzials und ihrer hohen Klopffestigkeit sind Gaskraftstoffe wie LPG (Liquefied Petroleum Gas) für den Betrieb moderner hochaufgeladener Ottomotoren sehr gut geeignet. Für eine breitere Verwendung von LPG-Kraftstoffen ist es jedoch erforderlich, die europäische LPG-Kraftstoffnorm EN 589 im Hinblick auf moderne Motorkonzepte zu aktualisieren. Dazu muss bekannt sein, welchen Einfluss die Stoffeigenschaften und die Gaszusammensetzung auf das motorische Verhalten dieser Gaskraftstoffe haben.

Methodik

Experimentelle Untersuchungen mit vier der gültigen Norm entsprechenden LPG-Kraftstoffen bildeten die Grundlage des Projekts. Dazu wurden Tests an einem 1,6-Liter abgasturboaufgeladenen direkteinspritzenden Ottomotor, einem Einzylinder-Forschungsaggregat, einem Hochdruckpumpen-/Injektor-Prüfstand, sowie an einem Versuchsfahrzeug mit einem 1,6-Liter-Ottomotor mit Direkteinspritzung durchgeführt. Im Fokus der Untersuchungen stand die detaillierte Analyse des Einflusses der Stoffeigenschaften von LPG nahe dem kritischen Punkt auf die Direkteinspritzung. Dies beinhaltete auch den Vergleich des Einspritzverhaltens für verschiedene LPG-Aggregatzustände (unterkritisch – überkritisch).

Ergebnis

Für ein LPG Direkteinspritzkonzept mit einer Hochdruckpumpe konventioneller Bauart ist es sinnvoll, den Propan-/Propengehalt zukünftiger LPG-Kraftstoffe auf maximal 70 Massenprozent zu begrenzen. Für einen LPG-Kraftstoff mit 70 Massenprozent Propan konnte gezeigt werden, dass mit einem Vordruck von etwa 45 bar die Funktion der Hochdruckpumpe auch bei Kraftstofftemperaturen nahe dem kritischen Punkt und damit hoher Kompressibilität sichergestellt werden kann. Der Propananteil sollte dennoch so hoch wie möglich sein, da sich entsprechende LPG-Kraftstoffe als sehr robust gegenüber Vorentflammungen und Glühzündungen erwiesen haben. Ein signifikanter Injektorverschleiß zeigte sich nur im Betrieb mit überkritischem LPG. An der Hochdruckpumpe kam es im Vergleich zum Benzinbetrieb sowohl mit unter- als auch mit überkritischem LPG zu einem höheren Verschleiß des Pumpenkolbens.

Die Erkenntnisse leisten einerseits einen wichtigen Beitrag zum LPG-Normungsprozess in Europa (CEN) und Deutschland (DIN) und andererseits, um LPG als Kraftstoffalternative weiter zu etablieren.

Dokumentation

LPG-Systemvergleich I | Vergleich des thermodynamischen Potenzials, des Oktanbedarfs und der Verschmutzungsneigung dreier LPG-Konzepte an einem Turbo-DI-Otto-Motor: LPG-DI, LPG-PFI (flüssig) und LPG-PFI (gasförmig) | Vorhaben-Nr. 1069

LPG-Systemvergleich II | Untersuchung der Auswirkungen von überkritischem LPG auf Verbrennungsphänomene und Probleme bei der Handhabung von heißem Brennstoff bei LPG-Direkteinspritzung | Vorhaben-Nr. 1151

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Eigenmittel

Fördersumme
836.844,00 EUR

Laufzeit
01.06.2011 bis 31.07.2013 Teil I
01.08.2013 bis 31.01.2016 Teil II

Fördergeber