Autogassysteme

Technik von Flüssiggasfahrzeugen

Mit Autogas betriebene KFZ werden entweder mit Benzin gestartet und danach je nach eingebauter Anlage per Schalter oder automatisch auf Gasbetrieb umgestellt, um eventuelle Warmlaufprobleme zu umgehen, oder sie starten direkt mit Autogas. Es wird zwischen Venturi-Anlagen, sequenziellen Anlagen und LPI-Anlagen unterschieden.

Die ersten beiden Anlagentypen haben gemeinsam, dass das im Tank unter Druck befindliche flüssige Gas dem Motor über einen Verdampfer und Druckregler gasförmig zugeführt wird. Da das Gas beim Verdampfen ähnlich wie Kältespray stark abkühlt, wird der Verdampfer mit Kühlwasser beheizt. Aus diesem Grund schalten die meisten Autogasanlagen erst ab ca. 30 °C Kühlwassertemperatur auf Gas, um ein Vereisen der Verdampfer bei niedrigen Außentemperaturen zu verhindern.

In einem zwei Jahre dauernden Projekt ist es Mitarbeitern der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes in Saarbrücken gelungen, einen Kleinwagen auf monovalenten Gasantrieb umzurüsten. Das Fahrzeug benötigt somit zum Starten kein Benzin mehr und stößt nur noch 90,9 Gramm Kohlendioxid pro Kilometer aus. Erreicht wird die Monovalenz unter anderem durch eine flüssige Einspritzung des Autogases in das Ansaugrohr mit einem erhöhten Druck bis zu 15 bar. Dabei wird das LPG erst nach der Einspritzung durch die Entspannung gasförmig. In den meisten bisherigen Autogasanlagen wird dagegen ein Verdampfer eingesetzt, der erst durch das Kühlwasser auf Betriebstemperatur gebracht werden muss.

Seit 1995 werden LPI-Anlagen angeboten. Diese Systeme fördern mittels einer Kraftstoffpumpe flüssiges Gas unter Druck in einer Ringleitung, von wo es durch Dosierventile in flüssiger Form in den Ansaugtrakt gespritzt wird. Durch die für die Verdunstung aufgenommene Wärme kommt es zu einem Kühleffekt der Ansaugluft, abhängig vom Gasdurchsatz verringert sich die Ansaugtemperatur um 5 bis maximal 15 Kelvin. Dadurch kommt es zu einer geringfügigen Leistungssteigerung respektive zu einem geringeren Leistungsverlust bezogen auf Verdampferanlagen. Zur Verbrennung wird Kraftstoff und der in der Luft enthaltene Sauerstoff benötigt. Kalte Luft enthält je Volumen mehr Sauerstoff als warme. Bei einem klassischen Benzinmotor wird der Kraftstoff als Aerosol eingespritzt, welcher fast kein Volumen benötigt. Gasförmige Kraftstoffe verdrängen Luft und senken so die Sauerstoffmenge im Zylinder. Bei LPG werden theoretisch 3 % der Luft verdrängt, bei Erdgas bis zu 10 %.

Die Autogasverbrennung erfolgt bei geringeren Schadstoffemissionen und erhöhter Laufruhe. Diese Effekte sind u. a. auf die hohe Klopffestigkeit von 105 bis 115 Oktan zurückzuführen sowie auf die homogene Gemischbildung. Gase sind im Gegensatz zu Aerosolen sehr schnell und sehr gleichmäßig mit der Verbrennungsluft mischbar. Durch die Vermeidung lokaler Luftmängel bzw. -überschüsse wird die Bildung von unerwünschten Verbrennungsnebenprodukten wie Kohlenmonoxid, teil-/unverbrannten Kohlenwasserstoffen oder Stickoxiden unterdrückt.

Venturi-Technik

Die Venturi-Technik ist die älteste und preiswerteste Lösung. Hierbei wird eine Venturi-Düse vor die Drosselklappe in den Ansaugkanal montiert, die der Ansaugluft selbsttätig Gas beimischt, das aus einem unterdruckgesteuerten Verdampfer angefordert wird. Das Arbeitsprinzip ist einem Vergaser ähnlich. Diese Technik funktioniert grundsätzlich auch ohne jegliche Regelung, lediglich der Verdampfer wird auf ein bestimmtes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt. Aktuelle geregelte Venturi-Anlagen verfügen dennoch über ein Steuergerät, das u. a. die vorhandene Lambdasonde auswertet und das Gemisch durch Feinregelung der Gasmenge optimiert. Durch die prinzipbedingte Verengung des Ansaugquerschnitts ist bei Venturi-Anlagen mit leichtem Leistungsverlust und Mehrverbrauch zu rechnen. Viele Luftmengenmesser arbeiten auch bei älteren Fahrzeugen nach dem gleichen Prinzip. Hier ist vor allem die Erfahrung des Umrüsters gefragt. Zudem kann es bei dieser Technik zu einer Rückverbrennung im Ansaugtrakt kommen. Dieses als Backfire bekannte Phänomen ist jedoch kein Zufall, es tritt nur bei fehlerhafter Technik, z. B. durch zu mageres oder viel zu fettes Gemisch (analog zum Vergaserpatschen), durch defekte oder verschlissene Zündanlagen oder auch bei undichten Einlassventilen auf. In den Ansaugstutzen und/oder in den Luftfilterkasten eingebaute Überdruckventile, die sich im Falle der Explosion öffnen und den Druck entweichen lassen, können Schäden durch Backfire verhindern. Die (geregelte) Venturitechnik ist bis zur Abgasnorm Euro 2 ohne Verlust einer Steuerklasse geeignet.

Teilsequenzielle Anlagen

Teilsequenzielle Anlagen verwenden ein elektronisch gesteuertes Dosierventil, welches das Gas mittels eines sternförmigen Gasverteilers in die Ansaugstutzen der Zylinder einbläst. Eine Querschnittsverengung im Ansaugtrakt und damit ein Leistungsverlust findet nicht statt. Ebenso ist die Backfire-Gefahr geringer, da das Gas unmittelbar vor den Einlass-Ventilen zugeführt wird und sich daher kein maßgebliches zündfähiges Gemisch im Ansaugtrakt befindet. Diese Anlagen verfügen häufig über einen eigenen programmierbaren Kennfeldgeber für den Gasbetrieb, der lediglich das Signal der Lambdasonde, die Drehzahl und die Drosselklappenstellung vom Fahrzeug abgreift. Daher lassen sich auch ältere Fahrzeuge bis zur Schadstoffnorm Euro 3 mit diesem System ausstatten. Allerdings werden die teilsequenziellen Anlage inzwischen recht selten angeboten. Diese sind gegenüber einer Venturi erheblich teurer in der Anschaffung und durch das zu programmierende Kennfeld aufwändiger einzustellen. Daher übersteigt der Preis häufig den Restwert des umzurüstenden Fahrzeugs.

Vollsequenzielle Anlagen

Vollsequenzielle Anlagen verfügen über ein eigenes Dosierventil je Zylinder. Diese modernen Anlagen besitzen häufig nicht mehr einen eigenen autonomen Kennfeldrechner, sondern rechnen die vom Benzinsteuergerät ermittelte Einspritzdauer unter Benzin in eine äquivalente Einblasdauer für Gas um. Statt der Benzindüse wird eine Gasdüse betätigt, das Steuergerät für Gas ermittelt lediglich druck- und damit lastabhängige Korrekturfaktoren. Daher ist die Umrüstung und vor allem Programmierung einfacher, setzt jedoch eine vorhandene sequenzielle oder gruppensequenzielle Benzineinspritzung voraus. Moderne Fahrzeuge verfügen bereits seit Mitte der 1990er Jahre über diese Technik. Die Einführung der Schadstoffnormen Euro 3 und Euro 4 mit EOBD machte dann die sequenzielle Benzineinspritzung zwingend erforderlich. Die Abgasnorm Euro 4 wird problemlos erreicht bzw. unterboten. Auf jeden Fall ist eine Abgasbestätigung über die derzeit gültige Abgasnorm zu verlangen, da sonst eine Abnahme in Deutschland nicht zu erhalten ist. Ebenso ist eine Bescheinigung über den korrekten Einbau sowie die Dichtheitsprüfung gemäß VDTÜV 750 etc. zu verlangen.

LPI-Anlagen

LPI ist die Abkürzung für Liquid Propane Injection und heißt übersetzt Flüssig-Propan-Einspritzung, also Flüssiggaseinspritzung. Die sequenzielle Gaseinspritzung in flüssiger Form stellt wohl die neueste 5. Generation der Autogassysteme dar. Diese Technik wurde bereits Anfang der 1990er Jahre vorgestellt. Diese Systeme sind im Vergleich zu Verdampfungsanlagen meist etwas teurer. Die Flüssiggaspumpen und -tanks sind relativ laut und waren damals in den ersten Serienausführungen anfällig. Mittlerweile gibt es spezielle Flüssiggaspumpen welche nach der geltenden ECE 67R-01 Richtlinie homologiert wurden und für den Betrieb mit Autogas ausgelegt sind. Da auch die Pumpe ein separates Bauteil einer Autogasanlage ist, muss dieses mit einer entsprechenden Prüfnummer nach 67R-01 gekennzeichnet sein. Nur daran lässt sich die Zulassung der Pumpe für LPG zweifelsfrei erkennen.

Die Hersteller werben mit Brennraumkühlung, da das Autogas flüssig in den Motor eingespritzt wird. Auch wenn unter Umständen deutlich vor den Einlassventilen der Brennräume das Autogas in den Ansaugkrümmer eingespritzt wird und das LPG bereits im Saugrohr verdampfen sollte, wird der Ladeluftstrom des Motors durch die für die Verdampfung nötige Wärme dennoch gekühlt und damit der Liefergrad erhöht. Dies gilt nicht für Systeme mit Verdampfern. Hier wird die nötige Verdampfungswärme dem Kühlwasser entnommen und kann nicht mehr zur Erhöhung des Liefergrads verwendet werden.

Die Bezeichnung LPI hat sich der niederländische Hersteller Vialle markenrechtlich schützen lassen. Der Hersteller ICOM bezeichnet die Technik der Flüssiggaseinspritzung daher als JTG.

Bei der Vialle-Anlage wird ein eigenes Kennfeld mittels separaten Steuergeräts generiert – verschiedene Felder sollen schon vorgegeben sein.

Das ICOM-System verwendet LPG-Einspritzdüsen, die in ihrer Charakteristik den Benzineinspritzdüsen gleichen. Dadurch können die Einspritzzeiten des Benzinsteuergeräts verwendet werden. Das Gassteuergerät arbeitet nur als Umschalter zwischen Benzin und Gaseinspritzdüse. Lediglich die Gaseinspritzdüsen müssen beim Einbau kalibriert werden. Ein kompliziertes Einstellen des Gassteuergerätes entfällt hierdurch wie bei den Verdampfersystemen. Weitere Vorteile sind die nicht vorhandenen Wartungskosten für Filterwechsel oder Nachjustierungen der Software für den Fahrbetrieb.