Branchenexperten diskutieren die Zukunft von Propan in Verbrennungsmotoren

Letzten Monat untersuchte das Engine Technology Forum in seinem Webinar „Wie sich Propan für die Zukunft entwickelt“ die Realisierbarkeit von Propan als alternativer Kraftstoff in Verbrennungsmotoren (IC).

„Propan als Kraftstoff bietet mehrere Vorteile, darunter eine hohe Oktanzahl und die weit verbreitete Verfügbarkeit bei über 3.500 Händlern“, erklärte das Engine Technology Forum in einer Pressemitteilung im Anschluss an die Veranstaltung. „Im Vergleich zu Benzin oder Diesel weist Propan im Allgemeinen geringere Emissionen auf, und diese können durch den Einsatz eines Dreiwege-Emissionskatalysators, ähnlich wie bei Benzin, kostengünstig kontrolliert werden.“

Unterschiede in der Nachbehandlung

Gavin Hale, Direktor für Produktentwicklung und Stromerzeugung beim Propane Education & Research Council (PERC), ging während des Webinars auf die Unterschiede zwischen Diesel- und Propan-Nachbehandlungssystemen ein und sagte, die größte Chance für Motorenhersteller und Fahrzeug-OEMs im Vergleich zu Propan liege in einer vereinfachten Abgasnachbehandlung.

Betankung eines Propan-Lieferwagens. (Foto: Propane Education & Research Council)

„Sie können die Emissionen mit einem verfügbaren Kraftstoff reduzieren und gleichzeitig die meisten Konstruktionsmerkmale des Lkw beibehalten“, sagte er. „Das ist entscheidend, denn viele andere alternative Energiequellen bedeuten für die Erstausrüster große Kosten.“

Hale beschrieb die aktuelle Abgasnachbehandlungstechnologie für Dieselmotoren und verwies auf ein SCR-System von Bosch für stickstoffarme (NOx) Hochleistungs-Dieselmotoren, das im Juni 2020 in einem Bericht des California Air Resources Board (CARB) veröffentlicht wurde. Zu den Komponenten dieses Abgasnachbehandlungssystems gehören primäre und sekundäre Dieseloxidationskatalysatoren (DOC), selektive katalytische Reduktion (SCR), Ammoniak-Sperrkatalysatoren (ASC), Kraftstoffbrenner, NOx-Sensoren und ein Dieselpartikelfilter (DPF).

„Ihre Abgasnachbehandlung ist viel komplizierter als Ihr Motor“, sagte er. „Sie wird zum dominierenden Faktor.“

Im Gegensatz dazu sei die Abgasnachbehandlung bei einem Propan-betriebenen Verbrennungsmotor deutlich einfacher, sagte Hale.

„Heute benötigt man für Propan lediglich einen Dreiwegekatalysator, ähnlich denen, die Sie heute in Ihrem Auto haben. Für die Vorschriften von 2027 werden wahrscheinlich zwei Katalysatoren benötigt.“

Er fügte hinzu, dass die Treibhausgasgrenzwerte der Phase 3 möglicherweise geringfügige Änderungen erfordern würden.

„Dies bleibt das Schlüsselrezept, möglicherweise mit der Ergänzung von SCR in der Abgasnachbehandlung“, sagte Hale. „Aber das hängt von der Balance der Technologien ab, die wir im Zylinder einsetzen können, um die beste Effizienz des Motors zu erzielen, anstatt sich darauf zu verlassen, dass die Nachbehandlung alles auffängt.“

Untersuchung der Direkteinspritzung

Laut Allen Schaeffer, Geschäftsführer des Engine Technology Forum, ist Innovation auch der Schlüssel, um Propan als alternativen Kraftstoff für On- und Off-Highway-Anwendungen nutzbar zu machen. Eine solche Innovation ist die Propan-Direkteinspritzung (DI). In der Pressemitteilung sagte er, die DI-Technologie habe „das Potenzial, den Einsatz der Propantechnologie auf weitere Anwendungen auszuweiten“.

Das Fertigungs-, Entwicklungs- und Prüfunternehmen Katech Engineering und der Kraftstoffsystemspezialist Stanadyne haben sich zusammengeschlossen, um Propan-DI in Verbrennungsmotoren zu erforschen. Sie präsentierten ihre Ergebnisse im Webinar.

Eric Suits, leitender Ingenieur bei Katech, erklärte, die Direkteinspritzung von Propan lohne sich aus mehreren Gründen. Er wies darauf hin, dass die Direkteinspritzung bei Benzinmotoren einen großen Anteil am Markt für leichte Nutzfahrzeuge ausmacht. Laut einem Bericht des US-Energieministeriums vom 24. Februar nutzen 73 Prozent der Fahrzeuge des Modelljahres 2023 diese Technologie.

„Es erfreut sich bereits großer Akzeptanz und bietet seine natürlichen Vorteile sowie seine Effizienz und verbesserten Emissionen. Deshalb steigt der Anteil der OEMs, die es derzeit verwenden, weiter an“, sagte Suits und fügte hinzu, dass in Verbindung mit der hohen Oktanzahl (105) und den niedrigen Emissionen von Propan „die Zusammenführung dieser beiden Technologien ein naheliegender Ansatz war“.

Es gab jedoch einige Hindernisse zu überwinden. Eines davon ist die Dampfblasenbildung, da Propan je nach Temperatur und Druck entweder gasförmig oder flüssig sein kann, so Suits. Wird das Propan auf dem Weg zur Zapfsäule bis zu einem bestimmten Punkt erhitzt und steigt der Druck nicht entsprechend an, verdampft es und verursacht eine Dampfblasenbildung.

Suits sagte außerdem, die Propangas-Direkteinspritzung sei nicht besonders gut erforscht. „Es gibt zwar ein paar Artikel hier und da, aber aus Machbarkeitsgründen hat sich niemand wirklich damit befasst.“

DI-Test

Katech begann das DI-Projekt mit Tests ohne Zündung, um die aktuellen Komponenten der Benzindirekteinspritzung (GDI) auf dem Markt, wie Einspritzdüsen und Pumpen, zu vergleichen, so Suits. Ziel war es, die Schwächen dieser Komponenten im Propangasbetrieb zu ermitteln. Daraus entstanden Zündtests, die Benzin mit Propangas vergleichen sollten. Die Ergebnisse wurden Stanadyne übermittelt, damit das Unternehmen die spezifischen Eigenschaften für den Propangasbetrieb bestimmen konnte.

Der General Motors L8T 6.6L GDI-Testmotor wurde mit Stanadyne-Komponenten modernisiert und mit LPG-Direkteinspritzung betrieben. (Foto: Stanadyne)

Nachdem die notwendigen Komponenten des Kraftstoffsystems entwickelt waren, erprobte Stanadyne das Konzept mit einem 6,6-Liter-L8T-V8-Ottomotor von General Motors als Basismotorplattform, so Srinu Gunturu, Chefingenieur bei Stanadyne. Er sagte, Stanadyne habe für den Einsatz mit Propangas lediglich einige Hardwarekomponenten geändert.

„Beim Motor handelt es sich nur um die Kraftstoffpumpe und die Einspritzdüse“, sagte er, „und der Motor wurde so verwendet, wie er war.“

Gunturu sagte, Stanadyne müsse den volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpe verbessern und Änderungen am Injektor vornehmen, um einen höheren Kraftstoffdurchfluss zu erreichen und dem Motor die richtige Kraftstoffmenge zuzuführen.

„Wir haben einen zweiten Einlass hinzugefügt, um sicherzustellen, dass es in der Pumpe, insbesondere im Kolben- und Hülsenbereich, nicht zu Dampfblasenbildung kommt“, sagte er.

Suits sagte, die Motortests seien bei einem Lambda-Wert von 1,0 durchgeführt worden und fügte hinzu, dass dies aus Emissionssicht wichtig sei.

„Mit den neuen Vorschriften von 2027 wird eine Anreicherung bei Volllasttests nicht mehr erlaubt sein“, sagte er. „Mit Propan können wir das problemlos ohne Abgastemperatur-Grenzwerte oder Bedenken durchführen, und der Katalysator funktioniert wie vorgesehen.“

DI-Testergebnisse

Die von Stanadyne und Katech durchgeführten Tests gingen über die bloße Untersuchung der Motor- und Komponentenleistung hinaus.

„Wir haben den Motor auf eine Haltbarkeit von bis zu 250 Stunden getestet, um zu beweisen, dass dieser DI-Motor für Propangassysteme vielversprechend ist“, sagte Gunturu.

Suits fügte hinzu, dass die Haltbarkeitstests sowohl On-Highway- als auch Off-Highway-Testzyklen sowie Testzyklen der US-Umweltschutzbehörde (EPA) und des CARB umfassten.

Im Anschluss an die Haltbarkeitstests untersuchte Stanadyne die Komponenten seines Kraftstoffsystems.

„Bei den Pumpen haben wir nach 250 Betriebsstunden mit Propan keine Leistungsänderungen festgestellt“, sagte Gunturu. Allerdings habe sich die Leistung des Einspritzventils etwas verändert, sagte er.

„Wir haben aufgrund der Hubveränderung an unseren Injektoren Verschleiß festgestellt“, sagte er. „Und wir konnten feststellen, was sich daran geändert hat – was die Hubveränderung verursacht hat. Wir konnten einige Korrekturen vornehmen.“

Gunturu sagte, bei genauer Untersuchung sei ein Verschleiß zwischen Anker und Halter festgestellt worden, den Stanadyne auf die Verringerung des Auftriebs zurückführte.

„Wir haben bereits eine Designkorrektur implementiert, um diese Veränderung beim Hub und Verschleiß von Anker und Halter zu beheben“, sagte er. „Außerdem planen wir bereits weitere Tests.“ Stanadyne arbeitet mit OEMs zusammen, um diese Korrekturmaßnahmen zu erproben, so Gunturu.

Suits sagte, dass die Dauerhaltbarkeitstests beim Motor keinen nennenswerten mechanischen Verschleiß ergeben hätten.

„Oft hieß es früher – nach 10, 20, 30 Jahren Propanbetrieb –, man müsse die Ventilsitze verbessern, weil es Propan sei und keine Flüssigkeit über die Ventile ströme“, sagte Suits. „Moderne Direkteinspritzmotoren berücksichtigen das jedoch. Die dafür verwendeten Materialien und Technologien haben sich weiterentwickelt. Daher gab es im Propanbetrieb keinen Ventilrückgang, nirgendwo am Motor, selbst unter strengen Testbedingungen.“

Bezüglich der Dampfblasenbildung sagte Suits, dass Katech dieses Problem im Rahmen des Projekts erfolgreich gelöst habe.

„Einer der großen Bereiche, auf die sich Katech konzentrierte, wobei Stanadyne die Hardware lieferte, war der Aufbau eines Hardware- und Softwaresystems, das das Propan korrekt an die Pumpe lieferte und niemals eine Dampfblasenbildung zuließ“, sagte er.

Suits sagte, Katech sei über einige Ventile und Steuersysteme „in der Lage gewesen, unter allen Testbedingungen flüssiges Propan an die Pumpe zu liefern“.

Forschungsprogramm zeigt Machbarkeit der LPG-Direkteinspritzung in mittelschweren Motoren. Das von PERC finanzierte und von Katech Engineering durchgeführte Projekt nutzte Software sowie speziell entwickelte Hardware von Stanadyne, um die Dampfblasenbildung zu verhindern.