Technische Universität Berlin

Fachgebiet Verbrennungskraftmaschinen
Prof. Dr.-Ing. H. Pucher

LPG-Betrieb eines Ottomotors

Sven Geitmann

August 2000

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ...

2 Primärenergieträger  ... 2
    2.1 Zeitliche Verfügbarkeit  ... 2
    2.2 Förderung und Verbrauch von Flüssiggas ... 3

3 Flüssiggas ... 6
    3.1 Entwicklung der LPG-Fahrzeug-Technik ... 6
    3.2 Eigenschaften von LPG ... 7
    3.3 LPG-Bestandteil Propan ...
    3.4 LPG-Bestandteil Butan ... 9
    3.5 Brenneigenschaften ... 10
    3.6 Vergleich mit anderen Kraftstoffen ... 11
        3.6.1 Limitierte Emissionen ... 11
        3.6.2 Nichtlimitierte Emissionen ... 15
        3.6.3 Kaltstart ... 17
        3.6.4 Betankung ... 17
        3.6.5 Kosten ... 18
        3.6.6 Vor - und Nachteile ... 19

4 Gaszufuhr in Fahrzeug-Ottomotoren ... 21
    4.1 Speicherung und Betankung ... 21
        4.1.1 Fahrzeugtanks ... 21
        4.1.2 Betankung an Tankstellen ... 22
    4.2 Flüssiggas-Systeme ... 23
        4.2.1 Die erste Generation ... 23
        4.2.2 Die zweite Generation ... 24
        4.2.3 Die dritte Generation ... 25
        4.2.4 MEGI/MEGA-System ... 26
        4.2.5 Sequentielles zylinderselektives System ... 27
        4.2.6 Hochdruck-Direkteinspritzung ... 28
        4.2.7 LPI-System ... 28
    4.3 Motoren-Beispiele ... 30
        4.3.1 Ford ... 30
        4.3.2 Peugeot ... 30
        4.3.3 Renault ... 31
    4.4 Flüssiggas-Fahrzeuge ... 31

5 Stapler-Vergleich ... 34

6 Betriebsparameter ... 37
    6.1 Tankgröße ... 37
    6.2 Speicherdruck ... 37
    6.3 Einblasdruck ... 39
    6.4 Einblastemperatur ... 40

7 Messungen ... 41
    7.1 Messgeräte ... 41
        7.1.1 Thermometer ... 41
        7.1.2 Manometer ... 42
        7.1.3 Lambda-Scanner ... 43
        7.1.4 Thermo-Scanner ... 44
    7.2 Messstellen ... 45

8 Zusammenfassung ... 46

9 Literatur ... 47

10 Anhang ... 53

1 Einleitung
Bei den Motoren, die in dieser Arbeit besprochen werden, handelt es sich um flüssiggas-betriebene Otto-Motoren. Flüssiggas ist ein Propan/Butan-Gemisch und findet neben der Nutzung in Campingkochern und Gasheizungen hauptsächlich als Fahrzeug-Kraftstoff seine Anwendung. Wegen der geringeren Schadstoff-Emissionen von Flüssiggas im Vergleich zu Benzin- oder Diesel-Kraftstoff, wird es vielfach für Flurförderzeuge in Lagerhallen und in der Lebensmittel-Industrie verwendet. Dank der geringeren Kraftstoffkosten in Relation zu Benzin und Diesel findet Flüssiggas auch zunehmend bei Pkw, leichten Nutzfahrzeugen und Bussen Verbreitung.

Als Auftakt dieser Arbeit soll eine kurze Darlegung die momentane Situation bei den Energie-reserven verdeutlichen. Die Betrachtung der Vorräte von Primärenergieträgern sowie des Energieverbrauchs kann helfen, die Notwendigkeit der Suche nach alternativen Energiequellen zu verstehen. Da sich diese Arbeit hauptsächlich mit Flüssiggas als Kraftstoff für Fahrzeugantriebe befasst, bedarf es einer eingehenden Untersuchung der Eigenschaften dieses Kraftstoffes im Vergleich zu Benzin und Diesel. Zu so einem Vergleich gehört u.a. auch die Analyse der Schadstoff-Emissionen und der Speichermedien. Des weiteren werden gemäß der Aufgabenstellung die Anforderungen an die gesamten Flüssiggas-Systeme dargelegt. Dazu zählt bei mobilen Antrieben die gesamte Kraftstoffzufuhr vom Tank bis zur Brennkammer inklusive der elektronischen Steuerung.

Unter den LPG-betriebenen Fahrzeugen nehmen die Flurförderzeuge eine große Gruppe ein. Am Beispiel von Gabelstaplern sollen Otto-Motoren (LPG-Betrieb) mit Diesel- und Elektro-Antrieben verglichen werden. In Verbindung mit praktischen Versuchen an einem Flüssiggas-Motor für einen Gabelstapler soll das Startverhalten untersucht werden.
Die Problematik liegt bei Flüssiggas im Aggregatzustand des Kraftstoffes bei geringen Temperaturen. Im Gegensatz zu Benzin oder Diesel wird Flüssiggas dem Motor gasförmig zugeführt. Es wird zwar unter Druck verflüssigt in der Gasflasche gespeichert, wird aber im Druckregler verdampft und als Gas bis zur Brennkammer gefördert. Da der Gasdruck mit abnehmenden Temperaturen sinkt, besteht die Gefahr von Förderengpässen. Außerdem kann es passieren, dass der Kraftstoff hinter dem Druckregler wieder kondensiert oder das LPG im Druckregler aufgrund der Verdampfungskälte vereist.

2 Primärenergieträger
2.1 Zeitliche Verfügbarkeit
Die Energieversorgung auf der gesamten Erde wird größtenteils über Öl, Gas, Kohle und Kernenergie gedeckt. Die verschiedenen Energieträger weisen unterschiedliche Merkmale in Hinsicht ihrer zeitlichen Verfügbarkeit, ihrer Förderung und ihres Emissionsverhaltens auf. Sollen unterschiedliche Energieträger verglichen werden, stellt sich immer die Frage nach der Umweltbilanz der gesamten Energieumwandlungskette. Die Umwandlungskette umfasst die Förderung, die Speicherung, den Transport, die Aufbereitung, die Nutzung sowie die etwaige Entsorgung. Da ein dementsprechender Vergleich von Flüssiggas mit anderen Energieträgern den Umfang dieser Arbeit sprengen würde, wird im folgenden lediglich auf einige Aspekte eingegangen wie z.B. die zeitliche Verfügbarkeit.

Die Primärenergie ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn natürliche Energieträger verbrannt („verbraucht“) werden. Zu diesen Energieträgern gehören u.a. die fossilen Energieträger Braunkohle, Steinkohle, Mineralöl und Erdgas.

!! Abbildung ist in dieser Vorschau nicht verfügbar !!
Abb. 1: Primärenergie-Verbrauch [http://www.ruhrgas.de/deutsch/, 1999]

In Deutschland wurden im Jahr 1998 insgesamt 86 % des gesamten Energieverbrauchs durch fossile Energieträger gedeckt (s. Abb. 1). Der Anteil von Mineralöl lag bei rund 40 %, der von Erdgas bei etwa 21 %. Flüssiggas nahm etwa einen Anteil von 1 % ein. Verglichen mit dem Vorjahr nahm bei fast allen Energieträgern der Verbrauch ab, bei Braunkohle und Kernenergie beispielsweise jeweils um 5 %. Nur bei Erdgas (+ 0,4 %) und bei sonstigen (+ 7,2 %) nahm der Anteil zu.

Die Ölreserven gemäß der Studie von Petroconsultants (1996):

[Campbell C. J., 1997]

Diese Zahlen zeigen, dass im Jahr 1996 fast die Hälfte des Erdölvorkommens aufgebraucht war. Jetzt um das Jahr 2000 herum ist der sogenannte „mid-depletion point“ erreicht. Das ist der Zeitpunkt, zu dem die Hälfte des insgesamt förderbaren Öls tatsächlich bereits gefördert wurde. Einige klassische Erdölförderländer (z.B. USA, Deutschland, Rumänien) haben ihren Förder-höhepunkt seit einiger Zeit hinter sich. Ihre Förderung nimmt stetig weiter ab. Die meisten OPEC-Länder hingegen haben diesen Punkt noch nicht erreicht.

Die vorhandenen Reserven dieser Mineralölvorkommen sowie aller anderen fossilen Energieträger ist begrenzt. Somit muss überlegt werden, welcher Energieträger sich für den Ge- bzw. Verbrauch in welchem Bereich am besten eignet und ob nicht als Übergang andere Medien die gleiche Funktion erfüllen können. Mineralöl gilt als sogenannter „hochwertiger Energieträger“, weil aus Öl auch andere Produkte erzeugt werden können, für die es z.T. bislang keine Alternativen gibt (z.B. Kunststoffe, Medikamente usw.).

Bei Flüssiggas und Erdgas handelt es sich ebenfalls um endliche, fossile Primärenergieträger. Der Vorteil dieser Gase z.B. gegenüber Öl besteht jedoch darin, dass sie als Übergangsprodukte fungieren können für eine eventuell später einmal zu realisierende Wasserstoffwirtschaft. Jetzt gesammelte Erfahrungen könnten in einigen Jahren bei der Anwendung von Wasserstoff als Energieträger genutzt werden. Langfristig ist es sicherlich notwendig, einen gänzlich neuen Weg der Energieversorgung zu finden.

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