1280223173_diesel-erdgas-verfahren-vortrag-wegmann.pdf

Diesel-Erdgas- 

Mischbetrieb 

Lehrstuhl für 

Verbrennungskraftmasc 

hinen 

Prof. Dr. Rudolf Flierl 

Darstellung der Projektergebnisse 

Dipl.-Ing. Andreas Wegmann 

12.11.2008 

Technische Universität Kaiserslautern 

Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen 

Postfach 3049, 67653 Kaiserslautern

Gliederung des Vortrags 

1 Erdgas-Diesel-Mischbetrieb 

� Motivation 

� Projektpartner 

� Projekthistorie 

� Systemvorstellung 

� Lastenheft/Ziele 

2 Ergebnisse der wissenschaftlichen Untersuchungen 

3 Ergebnisse der Zertifizierungstests nach EU-Norm 

4 Zusammenfassung und Ausblick 


Referent des VKM 

12.11.2008


Motivation 

kombiniertes 

Brennverfahren 

Kombination 

der Vorteile 

Kompensation 

der Nachteile 

Erdgas – Diesel 

homogen inhomogen 



Emission (PM, CO 2) Effektiver Wirkungsgrad 

Verbrennungsgeräusch Emission (HC, CO) 

Verbrennungsgeruch 

Kosten 

12.11.2008


Projektpartner 

Ministerium für Umwelt des Saarlandes: Herr Ministerialrat Bernd Sander 

Ministerium für Wirtschaft des Saarlandes: Herr Regierungsdirektor Klaus Heiss 



12.11.2008 

Stadtbahn Saar GmbH: Herr Dipl.-Wirtschaftsingenieur Jürgen Henrich 

Herr Kfz-Meister Gerhard Gräber 

KS Saarbrücken: Herr Dr.-Ing. Helmut Wiedemann 

TÜV Saarland: Herr Dipl.-Ing. Alois Decker 

Herr Dr.-Ing. Stefan Behrning 

Frau Dipl.-Ing. (FH) Andrea Birkelbach 

Fa. RMS: Herr Kfz-Meister Rainer Dagn 

Herr Elektrotechniker Holger Obinger 

TU Kaiserslautern: Prof. Dr.-Ing. Rudolf Flierl 

Herr Dipl.-Wirtschaftsingenieur Thorsten Fuchs 

Herr Dr.-Ing. Stefan Bier 

Herr Dipl.-Ing. Andreas Wegmann


Projekthistorie 



12.11.2008 

25.08.2000: erster Prototyp eines Diesel-Erdgas-Fahrzeuges, Stadtbahn Saar GmbH 

13.08.2004: Vorstellung des 1. Diesel-Erdgas-Busses Deutschlands





März 2006: Beginn des Aufbaus eines Motorenprüfstandes an der Technischen 

Universität Kaiserslautern 

12.11.2008



19.12.2007: erster erfolgreicher ESC-Test 

21.07.2008: abschließende Zertifizierung 

des Gesamtsystems 



12.11.2008


Systemdarstellung 



12.11.2008


Systemdarstellung 

CNG-Injektoren 

Ansaugkanal 

Dieselmotor 

Oxidationskatalysator 

AGR 

Steuergerät 

Diesel-Injektoren 



12.11.2008 

Ladeluft 

Drosselklappe 

� R6-Nfz-Dieselmotor 

� Reihenpumpe 

� V H = 12 dm 3 

� einstufige AGR 

� Euro III 

� ohne Oxi-Kat


Lastenheft/Ziele 

� energetischer Erdgasanteil >50% 

� maximale Wirkungsgradeinbuße i. H. v. 3% im Vergleich zum Diesel 

� dauerstabile Motorapplikation im Diesel-Erdgas-Mischbetrieb 

� Erreichen der Abgasnorm EU 3 des Basisdieselmotors 

� maximale CO 2 -Ersparnis 



12.11.2008


Stellglieder 

� Menge 

Diesel 

� Einspritzzeitpunkt 

� Einspritzgesetz 

� Menge 

Erdgas 

� Einspritzzeitpunkt 

Abgasrückführung 

Luft 

� Massenstrom 



12.11.2008

2 Ergebnisse der wiss. Untersuchungen 

Einfluss des Erdgasanteils auf die Rohemission 

SZ [BSZ], eNOx [g/kWh] 

1.8 

1.6 

1.4 

1.2 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

0.0 

Emission als f(Erdgasanteil) 

Schwärzungszahl eNOx_roh eHC_roh eCO_roh 

10 20 30 40 50 60 70 

energetischer Erdgasanteil [%] 



16 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

eHC, eCO [g/kWh] 

12.11.2008 

B50 

Lambda 1,5 

AGR ein

SZ [BSZ], 

eNOx [g/kWh] 


Einfluss des Verbrennungsluftverhältnisses auf 

die Rohemission 

1.8 

1.6 

1.4 

1.2 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

0.0 

Emission als f(Verbrennungsluftverhältnis) 

Schwärzungszahl eNOx_roh 

eHC_roh eCO_roh 

1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 

globales Verbrennungsluftverhältnis [ ] 



9 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

eHC, eCO [g/kWh] 

12.11.2008 

B50 

x CNG=20% 

AGR ein


Stickoxid- und Rußemission 

eNOx [g/kWh]; SZ [BSZ] 

2.5 

2 

1.5 

1 

0.5 

0 

NO x- und Rußemission 

eNOx SZ 



Diesel ohne AGR Diesel mit AGR 50% CNG ungedrosselt 50% CNG gedrosselt 

Anmerkung: 50% CNG jeweils ohne Anpassung des Zündzeitpunktes 

B50 

12.11.2008


Emissionen im Vergleich: Diesel vs. Mischbetrieb 

ei [g/kWh]; SZ [BSZ]; 

Luftverhältnis [ ] 

2 

1.8 

1.6 

1.4 

1.2 

1 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

0 

Emissionen im Vergleich: Diesel vs. CNG-Mischbetrieb 

B50 

Diesel mit AGR 50% CNG gedrosselt 

+43% 

-34% 

eHC eNOx eCO SZ Lambda 

Anmerkung: 50% CNG ohne Anpassung des Zündzeitpunktes 

+33% 

-42% 



-13% 

12.11.2008

Anzahl [#/cm3] 


Partikelverteilung als Funktion des Betriebsmodus 

Tausende 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

Partikelanzahl als f(Modus) 

1 10 100 1000 

Partikelgröße [nm] 



12.11.2008 

B50 

AGRein 

Diesel ohne 

AGR 

Diesel mit 

AGR 

50% CNG 

ungedrosselt 

50% CNG 

gedrosselt



Partikelverteilung als Funktion des 

Verbrennungsluftverhältnisses 

Tausende 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

Partikelanzahl als f(Luftverhältnis) 

globales Lambda 

1 10 100 1000 




12.11.2008 

B50 

AGRein 

x CNG=30% 

Lambda 1,50 

Lambda 1,60 

Lambda 1,65



Partikelverteilung als Funktion des energetischen 

Erdgasanteils 

Tausende 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

Partikelanzahl als f(CNG-Anteil) 

xCNG 

1 10 100 1000 




12.11.2008 

B50 

AGRein 

Lambda 1,50 

20% CNG 

30% CNG 

40% CNG 

50% CNG 

60% CNG

eNOx, eCO [g/kWh] 

3 Ergebnisse der Zertifizierungstests 

ESC-Test nach EU-Norm 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

spezifische Emissionen im Vergleich 

Stickoxide NOx Kohlenmonoxid CO 



Originalmotor_100% Diesel CNG-Diesel-Mischbetrieb mit OxiKat 

Euro 3 

Euro 4 

-17,3% 

Euro 3 

Euro 4 

-97,7% 

12.11.2008 

ESC-Prüfzyklus

eHC, ePM [g/kWh] 



0,8 

0,7 

0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

0,2 

0,1 

0 

spezifische Emissionen im Vergleich 

Kohlenwasserstoffe HC Partikel PM 




-87,8% 

Euro 3 

Euro 4 

-17,5% 

12.11.2008 

ESC-Prüfzyklus 

Euro 3



eCO2, Partikel *1000 [g/kWh] 

1000 

900 

800 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

Kenngrößen im Vergleich 

CO2 Partikel 




-10,4% 

-44,7% 

12.11.2008 

ESC-Prüfzyklus



eta effektiv [%], be [g/kWh] 

300 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

Kenngrößen im Vergleich 

Wirkungsgrad eta Kraftstoffverbrauch be 




+ 0,99 rel-% 

- 5,3% 

12.11.2008 

ESC-Prüfzyklus



Euro 3- Grenzwert 

100% Diesel, 

Originalmotor 

Zweistoffbetrieb 

Differenz [%] 

Zweistoffbetrieb zu 

Euro 3 

Differenz [%] 

Zweistoffbetrieb zu 

Originalmotor 

Gesamtergebnis des ESC-Testzyklus 

eNO x 

[g/kWh] 

5,0 

2,929 

4,133 

-17,3 

+41,1 

eCO 

[g/kWh] 

2,1 

1,361 

0,048 

-97,7 

-96,5 

eHC 

[g/kWh] 

0,66 

0,251 

0,080 

-87,8 

-68,0 

ePM 

[g/kWh] 

0,149 

0,0825 

-17,5 

-44,7 

Angaben für eCO 2 , b e und eta e ohne Wichtung und ohne LL-Anteil 

CNG-Anteil im Zweistoffbetrieb ohne LL: 55,98% 

0,1 

eCO 2 

[g/kWh] 

- 

754,3 

676,2 

- 

-10,4 

b e 

[g/kWh] 

- 

233,6 

221,22 

- 

-5,3 

eta e 

[%] 

- 

36,1 

36,5 

- 

+ 0,99 

rel-% 



CNG- 

Anteil 

energ. 

[%] 

- 

0 

52,06 

- 

- 

12.11.2008

4 Zusammenfassung 

Erdgas-Diesel-Mischbetrieb 

� Lastenheft und Ziele wurden vollständig erfüllt 

� energetischer Erdgasanteil 56% 

� keine Einbußen bei effektivem Wirkungsgrad im Vergleich zum 

Basisdieselmotor 

� in Relation zum Ottomotor signifikant gesteigerter Wirkungsgrad 

(+25%) 

� > 600h Prüfstands-Motorbetrieb 

� Euro 3-Norm in allen vier Emissionskomponenten erreicht 

� Euro 4-Norm für die Komponenten HC und CO durch den Einsatz 

eines Oxidationskatalysators erreicht 

� CO2-Einsparung von 10,4% 

� großes Kraftstoffkosten-Einsparpotential 

� Reduzierung der Rußemission um 40 % – 50 % 



12.11.2008

4 Ausblick 

Forschungsbedarf aus wissenschaftlicher Sicht 

� Zusammenspiel von Diesel-Erdgas-Mischbetrieb mit hochmodernen 

Common-Rail-Dieselsystemen 

� Potentiale durch Pilotinjektion und Nacheinspritzung 



� Zusammenspiel von Diesel-Erdgas-Mischbetrieb und einer vollvariablen 

Ventilsteuerung 

� Erweiterung des Anwendungsbereiches (PKW, light duty) 

� Schritt zu Euro 4 ,5 und 6 

� weitere denkbare Kraftstoffkombinationen 

Diesel 

Biodiesel 

Pflanzenöl 

+ 

CNG 

Biogas 

Wasserstoff 

12.11.2008

Herzlichen Dank für Ihr Interesse. 



12.11.2008

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