Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Herk\u00f6mmliche dieselmotorische Brennverfahren werden die in Zukunft weiter drastisch abgesenkten Grenzwerte f\u00fcr die Schadstoffkomponenten NOX und Ru\u00df nicht ohne aufw\u00e4ndige Abgasnachbehandlung in Verbindung mit einem Kraftstoffmehrverbrauch unterschreiten k\u00f6nnen. Eine viel versprechende Alternative stellen sogenannte homogene (HCCI-) Brennverfahren dar, bei denen der Kraftstoff vor der Verbrennung homogen mit der Luft gemischt wird. Bei diesem Brennverfahren k\u00f6nnen synthetisch hergestellte Kraftstoffe (z. B. auch aus Biomasse), deren physikalische und chemische Eigenschaften in be-stimmten Bereichen gezielt einstellbar sind, einen wichtigen Beitrag zur nahezu schadstofffreien Verbrennung liefern. Ziel des Projektes war die theoretische und experimentelle Untersuchung des Verdampfungs- und Z\u00fcndverhaltens, der Verbrennung sowie der Ru\u00df- und NOX-Bildung bei Verwendung synthetischer Kraftstoffe im Rahmen einer homogenisierten dieselmotorischen Verbrennung.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen theoretischer Untersuchungen wurden das Verdampfungs- und Z\u00fcndverhalten, die W\u00e4rmefreisetzung und Schadstoffbildung f\u00fcr synthetische Mehrkomponenten-Kraftstoffe modelliert. In einem optisch zug\u00e4nglichen Einhubtriebwerk (ETW) wurden Strahlausbreitung und Z\u00fcndung der Kraftstoffe untersucht. Versuche an einem Einzylinder-Dieselmotor konnten die Eignung der untersuchten Kraftstoffe im realen Betrieb aufzeigen. F\u00fcr die Kraftstoffeinspritzung wurde ein selbst entwickeltes hochdynamisches Piezo-Common-Rail Einspritzsystem eingesetzt. Mit den gewonnenen Daten wurde das theoretische Mo-dell verifiziert. Die Arbeiten wurden in drei Projektphasen (insgesamt 36 Monate) durchgef\u00fchrt. Ziel der ersten Phase waren der Aufbau und die Verifikation der optischen Messtechnik am Einhubtriebwerk, der Aufbau des HCCI-Forschungsmotors, die Erstellung des Multikomponenten-Verdampfungsmodells f\u00fcr synthetische Kraftstoffe, sowie die Auslegung einer geeigneten HCCI-Einspritzd\u00fcse. Die zweite Projekt-phase beinhaltete die Fertigstellung des Verdampfungsmodells, den Beginn der Erstellung des Z\u00fcndmodells sowie erste Parameterstudien. Weiterhin wurden Gemischbildung, Z\u00fcndorte und -zeitpunkte f\u00fcr diverse synthetische Kraftstoffe im ETW untersucht und zur Verifikation des Simulationscodes verwendet. Am Motor wurden Parameterstudien zur Einspritzverlaufsformung, zum Betriebsbereich der Kraftstoffe etc. durchgef\u00fchrt. In der dritten Phase wurde das Gesamtsimulationsmodell fertiggestellt und mit weiteren experimenteller Messergebnissen validiert.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Ziel des Projektes war, synthetische Kraftstoffe hinsichtlich ihrer Merkmale f\u00fcr den Einsatz in der homogenisierten dieselmotorischen Verbrennung zu untersuchen. Diese Aufgabe konnte bei der Bearbeitung mit gro\u00dfem Erfolg durchgef\u00fchrt werden. Dazu wurden die Kraftstoffe Diesel (Referenz), diverse Sorten synthetischer Kraftstoffe wie ein reines n-Alkangemisch, ein Gemisch aus n- und iso-Alkanen, ein Gemisch aus n-Alkanen und Aromat, SMDS (Shell Middle Destilate Synthesis), Reinstoffe (Heptan, Dodekan), ein Gemisch aus n-Heptan und iso-Oktan, und Mischungen handels\u00fcblicher Kraftstoffe (Benzin\/Diesel) untersucht. Das Verdampfungs- und Z\u00fcndverhalten wurde in einer optisch zug\u00e4nglichen Kompressionsmaschine bewertet. Dazu wurden verschiedene Messtechniken (2-Farben-Methode (Ru\u00df), OH-Strahlungsdetektion (Z\u00fcndung), Schlieren- und Streulichtmethode (Verdampfungsverhalten)) erfolg-reich aufgebaut und eingesetzt. Anschlie\u00dfend wurden die Kraftstoffe im realen HCCI-Betrieb in einen eigens daf\u00fcr aufgebauten Forschungsmotor untersucht. Dazu wurden neben den \u00fcblichen Messtechniken auch die 2-Farben-Methode und die Detektion des OH-Leuchtens (optischer bildgebender Zugang) verwendet. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen dienten als Grundlage zur Entwicklung und Validierung eines sehr detaillierten Multikomponenten-Verdampfungs- und Z\u00fcndmodells, welches f\u00fcr den Einsatz in der dreidimensionalen CFD-Simulation entwickelt wurde. Mit Hilfe dieses Modells ist es in Zukunft m\u00f6glich, das Verhalten diverser synthetischer Kraftstoffe beim Einsatz in der HCCI-Verbrennung vorauszuberechnen.
\nDas Projekt wurde an zwei deutschen Universit\u00e4ten (Hannover: Institut f\u00fcr Technische Verbrennung), (Karlsruhe: Institut f\u00fcr Kolbenmaschinen) und in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner bearbeitet. Das sehr gute Arbeitsklima und die herausragende Kooperation unter den Projektpartnern hat letztlich ma\u00dfgeblich dazu beigetragen, dass das Gesamtprojekt vollst\u00e4ndig, termingerecht und mit gro\u00dfem Erfolg bearbeitet werden konnte. Insgesamt l\u00e4sst sich folgende Bilanz ziehen: Eine Realisierung des HCCI-Brennverfahrens bietet den Vorteil einer sehr schadstoffarmen Verbrennung. Damit k\u00f6nnte eine immer aufw\u00e4ndigere, kostenintensivere und den Kraftstoffverbrauch erh\u00f6hende Abgasnachbehandlung in Zukunft vermieden werden. Dies ist gerade vor den Hintergrund der weltweit stetig steigenden Nachfrage nach Dieselmotoren von besonderer \u00f6kologischer und \u00f6konomischer Relevanz. Aus heutiger Sicht besteht bez\u00fcglich einer Serienanwendung des HCCI-Brennverfahren noch erheblicher Forschungsbedarf. Eine der gr\u00f6\u00dften Herausforderungen stellt die Realisierung des Brennverfahren bei hohen Lasten dar. Synthetische ma\u00dfgeschneiderte Kraftstoffe k\u00f6nnen dazu verwendet werden, den HCCI-Betriebsbereich zu erweitern. Hierbei muss zun\u00e4chst eine gute Homogenisierung des Luft-Kraftstoffgemisches vor der Verbrennung erreicht werden. Dies gelingt unter Verwendung von Kraftstoffen mit niedrigem Siedetemperaturbereich sowie der gepulsten Mehrfacheinspritzung mit speziell angepassten Einspritzd\u00fcsen. Weiter-hin m\u00fcssen hohe AGR-Raten von bis zu 70% (gek\u00fchlte AGR) verwendet werden, um eine fr\u00fchzeitige Z\u00fcndung und zu hohe W\u00e4rmefreisetzungsraten zu unterdr\u00fccken. Bez\u00fcglich der Kontrolle von Z\u00fcndung und W\u00e4rmefreisetzung ist die Verwendung von Kraftstoffen mit einem hohen Isomeranteil zielf\u00fchrend. Im Gegensatz dazu f\u00fchrt die Verwendung aromatenhaltige Kraftstoffe (verz\u00f6gern ebenfalls Z\u00fcndung und Verbrennung) zu erh\u00f6hten Schadstoffemissionen und verringerten Wirkungsgraden. Werden synthetische Kraftstoffe z.B. mit dem Fischer-Tropsch-Verfahren aus Biomasse hergestellt (BTL-Kraftstoffe), so stellen sie CO2-neutrale Energietr\u00e4ger dar.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Im Rahmen der Bearbeitung des Forschungsvorhabens sind insgesamt 11 Ver\u00f6ffentlichungen (internationale Konferenzen, Dissertationen) entstanden. Drei Mitarbeiter am haben dabei promoviert. Eine detaillierte Aufstellung der Ver\u00f6ffentlichungen befindet sich im Abschlussbericht.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das HCCI-Brennverfahren bietet den Vorteil einer sehr schadstoffarmen Verbrennung, wobei der Motor-Wirkungsgrad auf dem heute erreichten hohen Niveau gehalten werden kann. Damit k\u00f6nnte eine immer aufw\u00e4ndigere, kostenintensivere und den Kraftstoffverbrauch erh\u00f6hende Abgasnachbehandlung in Zukunft vermieden werden. Eine der gr\u00f6\u00dften Herausforderungen aus heutiger Sicht stellt die Realisierung des Brennverfahren bei hohen Lasten dar. Synthetische ma\u00dfgeschneiderte Kraftstoffe k\u00f6nnen hier einen wichtigen Beitrag leisten. Hierbei muss zun\u00e4chst eine gute Homogenisierung des Luft-Kraftstoffgemisches vor der Verbrennung erreicht werden (Verdampfungseigenschaften, geeignetes Einspritzsystem). Weiterhin m\u00fcssen eine fr\u00fchzeitige Z\u00fcndung und zu hohe W\u00e4rmefreisetzungsraten unterdr\u00fcckt werden. Hierbei ist die Verwendung synthetischer Kraftstoffe mit hohem Isomeranteil zielf\u00fchrend. Synthetische Kraftstoffe aus Biomasse stellen dabei CO2-neutrale Energietr\u00e4ger dar.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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