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 laufen direkt mit Autogas. Es wird zwischen Venturianlagen, sequenziellen Anlagen sowie 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 Eisspray 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.

Seit 1995 werden auch 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, der je nach Last 5 bis maximal 15 Kelvin (also 5°C bis maximal 15°C) betragen kann. Dadurch kommt es zu einer geringfügigen Leistungssteigerung (siehe Turbomotor/Ladeluftkühler) 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 faktisch 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 Luftmangel bzw. -überschüsse wird die Bildung von unerwünschten Verbrennungsnebenprodukten wie Kohlenmonoxid, teil-/unverbrannten Kohlenwasserstoffen oder Stickoxiden unterdrückt.

Zum Thema Sicherheit schreibt der ADAC: „Es gibt keine Hinweise aus der Praxis, dass bei diesen Fahrzeugen ein erhöhtes Sicherheitsrisiko besteht, auch nicht aus jenen Ländern, wo relativ viele Autogasautos zugelassen sind. Crash- und Brandtests zeigen, dass Autogasautos nicht gefährlicher sind als vergleichbare Benzinfahrzeuge.“ Autogastanks und deren Rohrverbindungen sind mit unterschiedlichen Sicherungssystemen ausgestattet: So ist der Füllleitungsanschluss mit einem Rückschlagventil versehen, das bei einem Rohrabriss das Austreten von Gas verhindert. Die Beförderungsleitung in den Motorraum ist direkt bei der Tankentnahme mit einem Magnetventil gesichert, das bei Stromverlust sofort schließt. Bei einem zu hohen Druckverlust schaltet das Gassteuergerät sofort auf 0 Volt, wodurch das Ventil geschlossen wird. Sollte bei einem Unfall die Fahrzeugstromversorgung nicht mehr funktionieren, dann ist das beschriebene Magnetventil aufgrund des Stromverlusts auf jeden Fall geschlossen.

Im Falle eines Brands sind die meisten Tanks bis zu einem Überdruck von 30-35 bar geprüft (Abpressdruck ca. 60-90 bar). Je nach Tankart (1-Loch/4-Loch) ist entweder ein separates Überdruckventil oder ein in das Multiventil integriertes Überdruckventil verbaut. Dieses öffnet bei einem Druck von ca. 25-28 bar, wodurch sichergestellt ist, dass das Gas im Brandfall kontrolliert abgelassen wird und der Tank nicht bersten kann.

Vollsequenzielle Anlagen
Vollsequenzielle Anlagen (zurzeit Stand der Technik) verfügen über ein eigenes Dosierventil je Zylinder. Diese modernen Anlagen verfügen häufig nicht mehr über einen eigenen autonomen Kennfeldrechner, sondern rechnen das im Bordcomputer abgelegte Einspritzkennfeld für Benzin auf äquivalente Gasmengen um. Daher ist die Umrüstung und Programmierung einfacher, erfordert jedoch eine sequenzielle oder gruppensequenzielle Benzineinspritzung. Moderne Fahrzeuge verfügen bereits seit Mitte der 1990er Jahre über diese Technik. Die Einführung der Schadstoffnormen Euro 3 und Euro 4 mit EOBD (Euro-On-Board-Diagnose) machte dann die sequenzielle Benzineinspritzung zwingend erforderlich. Die Abgasnorm Euro 4 wird problemlos erreicht bzw. unterboten (behaupten zumindest die Umrüster). Auf jeden Fall ist eine Abgasbestätigung über die derzeit gültige (bzw. dem Fahrzeug entsprechende) Abgasnorm zu verlangen, da sonst eine Abnahme (TÜV) in Deutschland nicht (bzw. nur sehr schwer, also teuer) zu erhalten ist. Ebenso ist eine Bescheinigung über den korrekten Einbau sowie die Dichtheitsprüfung gemäß VDTÜV 750, etc. zu verlangen. (Dies ist auch bei den vorgenannten Systemen notwendig und bei im Ausland eingebauten Anlagen oft nicht vorhanden.)

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 (sogenannte) 5. Generation der Autogassysteme dar. Obwohl diese Technik bereits Anfang der 90er Jahre vorgestellt wurde, gestaltet sich die technische Umsetzung nach wie vor problematisch. Diese Systeme sind im Vergleich zu Verdampfungsanlagen in der Regel etwas teurer und die Flüssiggaspumpen/tanks sind relativ laut und waren in den ersten Serienausführungen anfällig. 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 dennoch gekühlt und damit der Liefergrad erhöht, wobei es kein wesentlicher Unterschied sein dürfte, ob die Verdampfung des LPG im Saugrohr oder im Brennraum stattfindet. Dies gilt nicht für Systeme mit Verdampfern. Hier versickert die Kühlwirkung des verdampfenden LPG im Kühlwasser und kann nicht zur Erhöhung des Liefergrads verwendet werden. Dadurch kommt es bei Verdampferanlagen zu höheren Verbrennungstemperaturen die in einer höheren thermischen Motorbelastung und einem niedrigeren Motorwirkungsgrad bzw. einem höheren Verbrauch und einer reduzierten Motorleistung resultieren.

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 separatem Steuergerät generiert - verschiedene Felder sollen schon vorgegeben sein.

Das ICOM-System verwendet LPG-Einspritzdüsen, die in ihrer Charakteristik den Benzineinspritzdüsen gleichen. (Die Charakteristik ist nicht immer identisch, mit dem Resultat, dass in seltenen Fällen ein umgerüstetes Fahrzeug im Gasbetrieb in gewissen Lastbereichen entweder zu fett oder zu mager läuft und sich dadurch die langsame Adaption des Motorsteuergerätes verstellt, so dass sich daraus wiederum im Benzinstartverhalten Probleme ergeben.) Dadurch können die Einspritzzeiten des Benzinsteuergeräts verwendet werden, das Gassteuergerät arbeitet nur als Umschalter zwischen Benzin und Gaseinspritzdüse. Das Einstellen des Gassteuergeräts entfällt hierdurch, jedoch müssen die Gaseinspritzdüsen beim Einbau der Anlage kalibriert werden.

Tankstellen in Europa
In Deutschland gab es im August 2008 4.020 Autogastankstellen. Die Tendenz ist stark steigend; zur Zeit (Anfang August 2008) sind weitere 264 Tankstellen in Planung. (Graphen zur Entwicklung der Anzahl der Autogas- und Erdgastankstellen in Deutschland.)
In Österreich gibt es derzeit elf öffentliche Tankstellen Eine Begründung zu einer parlamentarischen Anfrage von Januar 2006 zeigt, warum Flüssiggas in Österreich nicht als Kraftstoff gefördert wird. Derzeit läuft jedoch ein Antrag auf Senkung der Mineralölsteuer (Möst) auf zirka 0,09 Euro/l die Mitte 2008 realisiert werden soll.
In der Schweiz gibt es 16 Tankstellen. Weitere drei sind geplant.
In anderen europäischen Ländern (Niederlande, Belgien, Italien, Polen, Tschechien, Bulgarien, Frankreich usw.) sowie der Türkei besteht ein flächendeckendes Tankstellennetz.
Tankstellen weltweit
Den größten anteiligen Verbrauch aller Staaten von LPG hat Südkorea (22 %), gefolgt von Japan (9 %), Türkei (8 %), Mexico (8 %), Australien (7 %). Verbreitet ist Autogas außerdem in Kroatien, Russland, Armenien, China, USA, Kanada.

Preise und Kosten
Die Preise für Autogas liegen in Deutschland bei 0,579 bis 0,799 € je l (im Durchschnitt bei 0,72 € je l), im Ausland bei 0,40 bis 0,70 € je l.
Bei dem Preisvergleich mit Benzin muss allerdings noch berücksichtigt werden, dass der Literverbrauch bei Flüssiggasbetrieb im Durchschnitt um 15 % steigt, da Flüssiggas im Vergleich zum Benzin eine erheblich geringere Dichte und somit einen geringeren Brennwert je Liter hat. Daher kann beim Vergleich der Kraftstoffkosten zwischen Benzin/Super und Flüssiggas grob von 60 bis 70 % der Kraftstoffkosten ausgegangen werden. Ottomotoren können bei Autogasbetrieb etwa die Kraftstoffkosten eines entsprechenden Diesels erreichen oder auch unterbieten. Die derzeitige Entwicklung der Kraftstoffpreise auf dem Markt tendiert aber immer mehr zu einer Annäherung von Diesel und Benzinpreis, so dass Flüssiggas im Vergleich zu diesen Kraftstoffsorten preiswerter ist.
Vergleich Flüssiggas (LPG) und Erdgas (CNG) für Kraftfahrzeuge
 Chemisch
LPG ist Propan/Butan, die Oktanzahl liegt, je nach Butananteil, zwischen 105 - 115.
CNG besteht hauptsächlich aus Methan (etwa 84 - 99 Vol.-%), die Oktanzahl beträgt 120 - 140.

 Physikalisch
LPG wird bei etwa 5 - 10 bar Druck flüssig gespeichert (ca. 400 g Kraftstoff je Liter Bruttotankvolumen).
CNG wird gasförmig bei etwa 200 bar gespeichert (ca. 160 g Kraftstoff je Liter Druckgas-Tankvolumen) und durch einen Hochdruckregler auf 7 bar verringert.

 Motorleistung
Jedes Gas (LPG und CNG) verdrängt Luft aus dem Zylinder, dadurch steht für die Verbrennung weniger Sauerstoff zur Verfügung. Im alltagsrelevanten Teillastbereich kann die Motorleistung durch eine homogenere und bessere Zylinderfüllung sogar leicht ansteigen. Bei aufgeladenen Motoren wie Turbos oder Kompressorfahrzeugen kann der Leistungsverlust durch einen höheren Ladedruck und damit eine höhere Sauerstofffüllung kompensiert werden. Die hohe Oktanzahl von deutlich über 100 des LPG und CNG begünstigt diese Maßnahme. Bei klassischen Saugmotoren muss bei beiden Kraftstoffen mit einem vom Kraftstoff abhängigen Leistungsverlust gerechnet werden.

LPG: Ein Molekül Propan verbraucht bei der Verbrennung fünf Sauerstoffmoleküle, ein Molekül Butan deren sechseinhalb. Je nach Gaszusammensetzung bestehen bis zu 4 % der Zylinderfüllung aus Autogas. Alte Venturianlagen bzw. deren Düse (zulässig nur bis Euro 2) können bis 10 % Leistungsverlust durch zusätzliche Drosselverluste im Ansaugtrakt verursachen. Bei neueren sequenziellen Verdampferanlagen ist theoretisch ein Leistungsverlust von bis zu 3,8 % zu erwarten, der in der Praxis jedoch nicht spürbar ist. Eine flüssig einspritzende Anlage kühlt die Luft im Ansaugtrakt herunter, wodurch die Zylinderfüllung (analog zum Ladeluftkühler) verbessert wird. Daher ist oft kein Leistungsverlust mehr messbar oder sogar ein leichter Leistungsgewinn zu beobachten.
CNG: Ein Molekül Methan (Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas) verbraucht bei der Verbrennung zwei Sauerstoffmoleküle, daher muss deutlich mehr Erdgas (typisch 12 %) in den Zylinder eindosiert werden, es wird in dessen Folge noch mehr Luftsauerstoff verdrängt. Dieser Sauerstoff steht folglich zur Verbrennung nicht zur Verfügung und es muss mit einem Leistungsverlust von eben diesen 12 bis 15 % gerechnet werden. Der Leistungsverlust kann sich gerade bei schwach motorisierten Fahrzeugen und hohen Volllastanfettungen deutlich bemerkbar machen.

 Kohlendioxid-Ausstoß
Die LPG CO2-Emissionen betragen zwischen 1740 g und 1780 g pro Liter je nach dem Verhältnis Propan/Butan. LPG reduziert den CO2-Ausstoß gegenüber Benzinverbrennung um etwa 15 %.
CNG reduziert den CO2-Ausstoß gegenüber Benzinverbrennung um etwa 25 %. Bei Motoren, die auf CNG-Verbrennung optimiert werden, ist eine stärkere CO2-Reduzierung durch Anhebung der Verdichtung und dadurch bedingte Steigerung des Wirkungsgrades möglich. Im Reservebetrieb unter Benzin tritt dann jedoch ein höherer Verbrauch auf (stärker als wenn ein Super-Plus optimiertes Fahrzeug unter Normalbenzin fahren muss).

 Tanktechnik
LPG kann in Radmuldentanks ohne Kofferraumverlust nachgerüstet werden. Zylindertanks sind mit Volumina bis über 200 l verfügbar; Radmuldentanks werden je nach Muldengröße bis über 60-70 l angeboten. Der Einbau von Zusatztanks ist z.B. bei Pickups oder Transportern ohne weiteres möglich.Das Nettotankvolumen beträgt 80 % des Bruttovolumens. Dies ist aus Sicherheitsgründen (Ausdehnung im heißen Fahrzeug) erforderlich. Der Prüfdruck dieser Tankanlagen (TÜV) liegt bei 40 bar, mit üblichen Betriebsdrücken von 8 bis 12 bar. Da es sich bei LPG-Tanks um keine Druckbehälter handelt, ist eine Vielzahl von Tankformen möglich.
CNG wird in im Kofferraum untergebrachten Zylindertanks oder, wie bei Serienfahrzeugen inzwischen üblich, in unterflur oder auf dem Dach (Nutzfahrzeuge) angeordneten Tanks mitgeführt. CNG-Tanks haben einen Prüfdruck von über 300 bar, der Berstdruck beträgt 600 bar.

 Verbreitung
LPG: Wird an derzeit 4.020 Tankstellen in Deutschland flächendeckend angeboten (Stand Juli 2008). 64% der LPG-Tankstellen führen auch Benzin und 33% sind 24h geöffnet. In Brandenburg ist die Dichte der LPG-Tankstellen am geringsten.[3]
CNG: Wird an derzeit 800 Tankstellen in Deutschland angeboten (Stand Juli 2008). 74% der CNG-Tankstellen führen auch Benzin und 64% sind 24h geöffnet.[3] (per 1. Januar 2007 42.759 CNG-Fahrzeuge in Deutschland, Schweiz, Österreich, Italien und Argentinien(Quelle: Kraftfahrt-Bundesamt). Mit Ausnahme Nordrhein-Westfalens ist die Dichte der CNG-Tankstellen gering.
Allgemein: Seit Juni 2006 besteht die rechtliche Grundlage fuer eine bundesweit einheitliche Vorwegbeschilderung auf Autobahnen fuer LPG- und CNG-Tankstellen. Bei geringer Gastankstellendichte ist es ratsam, sich vor Fahrtantritt bezüglich der an der Reiseroute befindlichen Gastankstellen zu erkundigen. Reine Gas-Tankstellen sind oft nicht mit Personal besetzt, so dass die Bezahlung ausschließlich mittels Karte (EC-Karte bzw. Kundenkarte) möglich ist. Nicht mit Personal besetzte Tankstellen sind in der Regel -,05 bis -,08 € günstiger als reguläre Tankstellen.

 Verteilung
LPG wird wie Benzin- und Dieselkraftstoffe in der Regel auf der Straße zur Tankstelle transportiert und belastet so den Straßenverkehr. Allerdings ist der Tankstellenbetreiber nicht zwingend an einen regionalen Gasversorger gebunden.
CNG hingegen besteht aus Erdgas und findet seinen Weg zum Verbraucher über Pipelines. Tankstellen erhalten das Erdgas aus dem Netz der örtlichen Gasversorgungsunternehmen; die Kompression auf den Tankdruck von mehr als 220 bar erfolgt vor Ort. Ländliche CNG-Tankstellen ohne Anschluss an ein Erdgasnetz sind nur schwer bzw. teuer zu versorgen. Hier stellen Bio-Erdgas-Tankstellen eine sinnvolle Alternative dar.

 Praktische Konsequenzen
LPG ist als Kraftstoff zwar effektiv etwas teurer als CNG (Juli 2008), die Umbauten sind jedoch durch den geringeren Druck und die weltweit höhere Verbreitung deutlich billiger und erzielbare Reichweiten allgemein höher. Wird ein Ottomotor auf Gasbetrieb nachgerüstet, so bietet sich aus Kosten- und Platzgründen häufig LPG an.
CNG ist als Kraftstoff effektiv etwas billiger als LPG (Juli 2008 [3]), erfordert jedoch aufgrund des höheren Drucks dickwandigere und damit schwerere Tanks und erlaubt häufig nur geringere Reichweiten, je nach Verbrauch von 240 bis 300 km. Ist ein Fahrzeug ab Werk mit Unterflurtanks ausgestattet, so sind auch bei CNG Reichweiten von über 400 km mit einer Tankfüllung erreichbar. Es gilt jedoch auch zu beachten, dass einige Änderungen gegenüber dem Benzin-Serienfahrzeug bestehen, wie z.B. Auspuffanlage, die wegen der derzeit geringen Stückzahl der CNG-Fahrzeuge zu Problemen bei der Ersatzteilversorgung bzw. deren Preisen führen dürften. Häufig werden Neuanschaffung und Umrüstung vom örtlichen Gasversorgungsunternehmen gefördert, die durchschnittliche Fördersumme liegt bei etwa 500 €.
Alle Informationen aus Wikipedia!