Neben Elektro- und Wasserstoffantrieben spielen im von der ETH Zürich geleiteten SCCER Mobility (Swiss Competence Center for Energy research) auch Gasmotoren eine wichtige Rolle. Mit aufbereitetem Biogas oder mit synthetischem Methan («e-Gas») betriebene Fahrzeuge weisen nämlich sehr niedrige CO2-Emissionen auf. Synthetisches Methan kann aus temporär überschüssiger erneuerbarer Elektrizität und CO2 erzeugt werden. Aufbereitetes Biogas und synthetisches Methan können beliebig gemischt werden und erreichen mit bis zu 130 Oktan eine deutlich höhere Klopffestigkeit als Benzin, weshalb sie sich sehr gut als Treibstoffe für Verbrennungsmotoren eignen. Bei hohen Lasten, etwa auf der Autobahn, erreichen Gasfahrzeuge deshalb bereits heute höhere Wirkungsgrade als Benziner.

Wegen der hohen Klopffestigkeit von Methan hat dieser Wirkungsgrad allerdings noch deutliches Steigerungspotential, denn heutige Gasmotoren in PKWs sind typischerweise nur leicht angepasste Benzinmotoren. Sie sind also noch nicht optimierte auf den Betrieb mit Methan hin entwickelt. Um dieses Potential auszuloten, startete 2015 das EU-Projekt GasOn, an dem sich auch Forscher der ETH Zürich und der Empa im Rahmen eines von der Volkswagen-Konzernforschung geleiteten Arbeitspakets beteiligten.

 
Zerlegte Vorkammer. Bild: Empa.

Für Gas optimierter Motor

Dabei wurde ein hocheffizientes Brennverfahren für einen Gasmotor mit 2 l Hubraum entwickelt: Ein mageres Gasgemisch wird mittels einer fingerhutgroßen, strömungsberuhigten Vorkammer entzündet. Im ETH-Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme wurden Grundlagenversuche zum Zündverhalten in der Vorkammer und dem Überströmen heißer Strahlen in die Hauptbrennkammer untersucht. Mit Hilfe dieser Daten wurden numerische Werkzeuge weiterentwickelt, um die Prozesse mittels Computersimulationen detailliert berechnen zu können.

Die 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 und andererseits eine gute Anpassung an neue Erkenntnisse ermöglicht.

 
Schnitt durch den Zylinderkopf: In der Mitte die Vorkammer mit Zündkerze und Gaszuführung. Bild: Empa.

Wirkungsgradrekord für PKW-Motoren

Gegenüber dem Stand der Technik konnte der Verbrauch des neuen Gasmotors mit Vorkammer­brennverfahren um rund 20 % reduziert werden (bezogen auf den WLTP-Normverbrauch eines Mittelklasse-PKWs). Der maximale Wirkungsgrad des Motors lag bei über 45 %, wobei über einen weiten Betriebsbereich Wirkungsgrade von über 40% erreicht wurden. Solche Werte werden aktuell nur von deutlich größeren Motoren erreicht, wie etwa in Nutzfahrzeugen, in stationären oder in Marineanwendungen. Für PKW-Motoren ist dies ein neuer Rekord. Zum Vergleich: Benzinmotoren weisen maximale Wirkungsgrade von 35 bis 40 % im optimalen Arbeitsbereich auf. Im GasOn-Projekt wurde die Abgasnachbehandlung des Motors noch nicht bearbeitet; hier besteht aufgrund des mageren Brennverfahrens noch Forschungsbedarf.

Insgesamt zeigte sich, dass Gasmotoren das Potential haben, ähnliche Wirkungsgrade wie deutlich größere Dieselmotoren zu erreichen. Zudem können sie sehr einfach mit beliebigen Anteilen von erneuerbarem biogenen oder synthetischen Methan betrieben werden und erreichen so sehr niedrige CO2-Emissionen. Die beteiligten Fahrzeughersteller klären nun ab, wie die Ergebnisse des GasOn-Projekts auf Serienfahrzeuge übertragen werden können.