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Technologie eröffnet eine neue Zukunft für Verbrennungsmotoren

Jun 05, 2023

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Laut Flottenmanagern und Flottenwartungsmanagern könnte sich der Tod des Verbrennungsmotors trotz der Aufregung um Elektroantriebe als stark übertrieben erweisen. Branchenführer haben daran gearbeitet, dem Basis-Kolbenmotor eine längere Lebensdauer zu verleihen.

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Das Geheimnis dieser Verlängerung der Lebensdauer von Verbrennungsmotoren liegt in der Verwendung umweltfreundlicherer Kraftstoffe, da diese geringere Kraftstoff- und Wartungskosten für Flotten ermöglichen und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen reduzieren. Diese neueren Motoren werden es auch viel einfacher haben, die strengen kommenden Emissionsnormen für Primärschadstoffe wie NOx, Partikel und unverbrannte Kohlenwasserstoffe einzuhalten. Experten glauben, dass das wahrscheinliche Endergebnis der neuen Kraftstofftechnologie eine weitaus umweltfreundlichere Zukunft sein wird, die gleichzeitig oft der vertrauten Gegenwart ähnelt.

„Die Probleme des Dieselmotors hängen eher mit dem Kraftstoff als mit dem Motor selbst zusammen“, sagte BJ Johnson, Mitbegründer und CEO von ClearFlame Engine Technologies.

Die neuen Motoren werden alle kohlenstoffärmere Kraftstoffe verwenden, von denen viele aus nichtmineralischen Quellen stammen, die ihre Energie direkt von der Sonne beziehen und so den CO2-Ausstoß in der Atmosphäre reduzieren. Erneuerbares Erdgas wird kohlenstoffarmes Methan aus bestehenden Quellen wie Landwirtschaft und Mülldeponien auffangen und den Kraftstoff in Motoren verbrennen. Obwohl diese Motoren CO2 freisetzen, ist die Menge geringer als beim Betrieb mit Dieselkraftstoff, was zu einem „CO2-negativen“ Ergebnis führt.

Ein Motor wird mit dem ClearFlame-Verbrennungssystem, einschließlich eines ClearFlame-Motorsteuermoduls, nachgerüstet. (ClearFlame)

Cummins wird im Jahr 2024 den X15N vorstellen, einen fremdgezündeten Erdgasmotor, der der erste Motor des Unternehmens sein wird, der auf seiner neuen kraftstoffunabhängigen Plattform basiert, die gemeinsame Teile unterhalb des Zylinderkopfs verwendet. „Der Erdgasmotor wird über einen einzigartigen Zylinderkopf für die notwendige Kühlung und ein Funkenzündungssystem verfügen“, sagte David King, Cummins‘ nordamerikanischer On-Highway-Produktmanager für Erdgas- und erneuerbare Gasmotoren, und fügte hinzu, dass es sich um den 15-Liter-Motor handelt wird aufgrund seines „Steh auf und geh“ ein Game Changer sein.

Der Erdgasmotor verfügt über ein Drehmoment von 1.850 Pfund-Fuß bei 1.100 U/min und 1.800 Pfund-Fuß bei der Drehmomentspitze des X15-Diesels bei 1.000 U/min. King bemerkte auch, dass er leiser als ein Diesel sei, egal ob er im Leerlauf läuft oder ein Geräusch erzeugt.

Johnson

David Johnson, CEO von Westport Fuel Systems, beschreibt einen anderen Typ von Erdgasmotoren, der auf der ursprünglichen Theorie von Rudolf Diesel basiert. Der Motor wird über sein von Westport entwickeltes Hochdruck-Direkteinspritzsystem angetrieben und verbrennt Erdgas als Hauptkraftstoff mit einer kleinen Dieselspritze zur Zündung. Der patentierte HPDI-Injektor stellt über ein duales konzentrisches Nadeldesign beide Kraftstoffe unter extremem Druck bereit. Der Wirkungsgrad, die Leistung und das Drehmoment ähneln denen eines Dieselmotors, er muss jedoch Flüssigerdgas verwenden, damit die integrierte Kraftstoffpumpe den erforderlichen hohen Einspritzdruck erzeugen kann. Außerdem sind ein selektives katalytisches Reduktionssystem für NOx und ein einfacher Dieselpartikelfilter erforderlich. Westport und die Volvo Group haben kürzlich eine Absichtserklärung unterzeichnet, das System zur Reduzierung der CO2-Emissionen zu nutzen, insbesondere wenn erneuerbares Erdgas als Kraftstoff verwendet wird.

Hyliion hat ein Hybridmodell entwickelt, ERX Powertrain, das mit erneuerbarem Erdgas betrieben wird. Es kombiniert einen großen Batteriesatz im hinteren Teil der Kabine mit einem 12-Liter-Motor, der mit RNG betrieben wird. Es kann netzunabhängig aufgeladen werden, um 75 Meilen rein elektrischen Betrieb zu ermöglichen. Sein 12-Liter-Erdgasmotor treibt lediglich einen Generator an, der die Batterien auflädt und über Tandem-Elektroachsen für den Antrieb sorgt. Auch beim Bremsen regenerieren sich die Achsen, was eine Gesamtreichweite von etwa 1.000 Meilen ergibt. Bis zu 672 PS Spitzenleistung stehen zur Verfügung und die Batterien versorgen in den Ruhepausen alle Lasten des Hotels.

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Charles Mueller, Wissenschaftler an den Sandia National Laboratories, leitete die Bemühungen zur Entwicklung einer kanalisierten Kraftstoffeinspritzung, die einen kleinen Kanal in kurzer Entfernung von jedem von der Einspritzdüse eines Dieselmotors erzeugten Sprühstrahl für eine bessere Kraftstoff-Luft-Mischung bereitstellt. Das System reduziert Partikel bis zu einem Punkt, an dem AGR zum Abtöten von NOx im Zylinder verwendet werden kann, wodurch das SCR-System entfällt. Beim Betrieb mit sauerstoffhaltigen Biokraftstoffen kann das System die Einhaltung der NOx-Normen ohne Abgasrückführung ermöglichen und gleichzeitig die Netto-Kohlenstoffemissionen um 70 % reduzieren. Mueller arbeitet mit Motorenherstellern und Anbietern von Kraftstoffen mit niedrigem Netto-CO2-Ausstoß zusammen, um einen Hochleistungsmotor mit DFI nachzurüsten, die Technologie mit einem kommerziell erhältlichen Kraftstoff mit niedrigem Netto-CO2-Ausstoß zu demonstrieren und die Technologie schnell näher an kommerzielle Anwendungen heranzuführen.

Johnson beschrieb das System von ClearFlame, das die gesamte bereits in einem Dieselmotor verfügbare Wärme nutzt, um die Verbrennung umweltfreundlicher Kraftstoffe zu unterstützen. Mit dem ClearFlame-System modifizierte Motoren werden mit Kraftstoffen mit niedriger Cetanzahl wie Ethanol betrieben, die sich in normalen Dieselmotoren nicht entzünden. Der Schlüssel liegt darin, dass die Wärme, die normalerweise von der Ladeluft und den AGR-Kühlern abgeführt wird, in der Ansaugluft verbleibt. Dadurch steigt die Temperatur im Zylinder am oberen Ende des Verdichtungstakts erheblich an, und das ist alles, was nötig ist, um umweltfreundliche Kraftstoffe zu zünden, die keinen Ruß produzieren – was bedeutet, dass kein DPF erforderlich ist. Die Fähigkeit des Motors, seine Abgase heiß zu halten, ermöglicht ein einfaches SCR-System, das künftig strengere NOx-Standards erfüllt.

Auf dem Symposium des Engine Research Center an der University of Wisconsin im vergangenen Sommer diskutierte Andre Boehman, Professor für Maschinenbau und Direktor des WE Lay Automotive Laboratory, Treibstoff- und Motortechnologien mit geringem Treibhausgasausstoß und machte auf den als Dimethyl bekannten Dieselkraftstoff aufmerksam Äther.

Diese Abbildung zeigt die Oberseite des kommenden Cummins-Wasserstoffmotors, der auf der kraftstoffunabhängigen Motorplattform des Unternehmens gebaut werden soll. (Cummins)

Er wies darauf hin, dass DME ein idealer Dieselkraftstoff mit einer Cetanzahl sei, die knapp über der von heutigem Diesel liegt, und dass er, da er Sauerstoff enthält, ohne Rauch verbrennt. Es kann problemlos aus erneuerbaren Kraftstoffen wie Ethanol und vielen anderen, sogar landwirtschaftlichen Nebenprodukten, hergestellt werden, und sein rauchfreier Charakter bedeutet eine hohe Toleranz für AGR zur Bekämpfung von NOx-Emissionen. Obwohl ein Drucktank erforderlich ist, ist der erzeugte Druck viel niedriger als selbst bei Propan, was bedeutet, dass die Drücke weitaus niedriger sind als bei Erdgas.

Der Kraftstoff erfordert ein anderes Einspritz- und Verbrennungssystem als Standarddiesel, da er sehr schnell verdunstet und keine natürliche Schmierfähigkeit aufweist, kann aber wahrscheinlich für den Einsatz in Motoren mit bekannten Einspritz- und Verbrennungssystemen angepasst werden.

OEMs wie Volvo haben DME schon früher auf der Straße getestet, während in Ländern wie Schweden groß angelegte Tests stattgefunden haben, bei denen zehn schwere Nutzfahrzeuge mit dem Kraftstoff angetrieben mehr als 1,5 Millionen Kilometer zurückgelegt haben. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, eine ausreichende Haltbarkeit der DME-Einspritzsysteme zu erreichen, ein Prozess, der durch exotische Schmiermittel verbessert werden kann.

Ein bemerkenswerter alternativer Kraftstoff, Wasserstoff, ist 100 % grün und lässt sich leicht aus Ökostrom herstellen. Johnson von Westport weist darauf hin, dass Brennstoffzellen bei geringer Last am effizientesten sind, während Kolbenmotoren mit zunehmender Last effizienter sind. Daher könnte ein Verbrennungsmotor die ideale Möglichkeit sein, Wasserstoff im gewerblichen Transportwesen zu nutzen, im Gegensatz zu Personenkraftwagen, bei denen die Motoren mit geringer Last fahren. Er sagte, dass das HPDI-Erdgaskraftstoffsystem von Westport leicht für die Nachrüstung an jedem Verbrennungsmotor angepasst werden könne, auch an einem, der mit Wasserstoff betrieben wird. Er argumentiert, dass die umfangreiche Erfahrung des Unternehmens in der Versorgung von Motoren mit gasförmigen Kraftstoffen seinem Unternehmen einen Vorsprung auf dem Markt für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren verschaffen wird.

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Cummins entwickelt einen fremdgezündeten Wasserstoffmotor. Jim Nebergall, General Manager von Cummins Hydrogen Engine Business, sagte gegenüber Transport Topics, dass der Wasserstoffmotor des Unternehmens, ein weiterer, der auf seiner kraftstoffunabhängigen Plattform basiert, „ein Hybrid aus unseren Erdgas- und Dieselmotoren“ sein wird. Es wird fremdgezündet, aber direkt eingespritzt sein.“

Er erklärte, dass Wasserstoff eine so schnelle Flammenausbreitung erzeugt, dass die Zufuhr von im Ansaugkrümmer vorgemischtem Kraftstoff und Luft zu den Zylindern dazu führen kann, dass die Flamme zurück in den Ansaugkrümmer wandert. Daher versorgt ein Niederdruck-Kraftstoffsystem, ähnlich wie eine Dieseleinspritzung, den Brennraum mit Kraftstoff. Der Motor ähnelt insofern einem Diesel, als er sehr mager läuft, wobei die zusätzliche Luft etwa 20 % mehr Leistung ermöglicht.

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