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Empa: Effizienz-Rekord bei PKW-Gasmotoren

Beim Abschluss-Meeting des »Horizon 2020«-Projekts »GasOn« mit der EU-Kommission konnten Rekord-Effizienz-Werte für Gasmotoren für Personen- und Lieferwagen vermeldet werden.

2L-Vorkammer-Gasmotor Bildquelle: © Empa

2 Liter-Vierzylinder Vorkammer-Gasmotor auf dem Teststand im Motorenlabor der Empa.

Mit aufbereitetem Biogas oder mit synthetischem Methan («e-Gas») betriebene Fahrzeuge weisen sehr geringe CO2-Emissionen auf, haben vom Wirkungsgrad her aber noch erhebliches Potential, weil es sich bei ihnen meist nur um leicht angepasste Benzinmotoren handelt, also noch nicht auf den Betrieb mit Methan hin optimierte Konzepte.

Um dieses brachliegende Potential zu ermitteln, startete 2015 das EU-Projekt »GasOn«, an dem sich auch Forschende der ETH Zürich und der Empa im Rahmen eines von der Volkswagen-Konzernforschung geleiteten Arbeitspakets beteiligten.

Dabei wurde ein hocheffizientes Brennverfahren für einen Gasmotor mit zwei Liter Hubraum umgesetzt: Ein mageres Gasgemisch wird mittels einer Fingerhut großen, strömungsberuhigten Vorkammer entzündet. Im ETH-Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme wurden Grundlagenversuche in optisch zugänglichen Versuchsträgern durchgeführt. Die Prozesse wurden ferner in Computersimulationen detailliert berechnet.

Diese Ergebnisse erlaubten es der Volkswagen-Konzernforschung, das Design von Vorkammer und Hauptbrennkammer zu optimieren. An der Empa wurde dann ein entsprechend ausgerüsteter Motor aufgebaut und Brennverfahrensuntersuchungen durchgeführt. Dabei kam ein vom Institut für Dynamische Systeme und Regelungstechnik der ETH Zürich entwickeltes Motorsteuerungssystem zum Einsatz, das einerseits das komplexe Gesamtsystem koordiniert, andererseits eine effiziente Anpassung an neue Erkenntnisse ermöglicht.

Gegenüber dem Stand der Technik konnte der Verbrauch des neuen Gasmotors mit Vorkammerbrennverfahren um rund 20% reduziert werden (umgerechnet in einen WLTP-Normverbrauch für ein Mittelklassefahrzeug). Der Spitzenwirkungsgrad lag bei über 45%, wobei Wirkungsgrade von über 40% über einen weiten Betriebsbereich des Motors erreicht wurden.