Projekt 19558/01

Untersuchung von synthetischen Kraftstoffen hinsichtlich ihrer Merkmale für den Einsatz in der homogenisierten dieselmotorischen Verbrennung

Projektträger

Universität HannoverInstitut für Technische Verbrennung
Welfengarten 1 A
30167 Hannover
Telefon: 0511/762-2418

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Herkömmliche dieselmotorische Brennverfahren werden die in Zukunft weiter drastisch abgesenkten Grenzwerte für die Schadstoffkomponenten NOX und Ruß nicht ohne aufwändige Abgasnachbehandlung in Verbindung mit einem Kraftstoffmehrverbrauch unterschreiten können. 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 können 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 Zündverhaltens, der Verbrennung sowie der Ruß- und NOX-Bildung bei Verwendung synthetischer Kraftstoffe im Rahmen einer homogenisierten dieselmotorischen Verbrennung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen theoretischer Untersuchungen wurden das Verdampfungs- und Zündverhalten, die Wärmefreisetzung und Schadstoffbildung für synthetische Mehrkomponenten-Kraftstoffe modelliert. In einem optisch zugänglichen Einhubtriebwerk (ETW) wurden Strahlausbreitung und Zündung der Kraftstoffe untersucht. Versuche an einem Einzylinder-Dieselmotor konnten die Eignung der untersuchten Kraftstoffe im realen Betrieb aufzeigen. Für 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) durchgeführt. 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 für synthetische Kraftstoffe, sowie die Auslegung einer geeigneten HCCI-Einspritzdüse. Die zweite Projekt-phase beinhaltete die Fertigstellung des Verdampfungsmodells, den Beginn der Erstellung des Zündmodells sowie erste Parameterstudien. Weiterhin wurden Gemischbildung, Zündorte und -zeitpunkte für diverse synthetische Kraftstoffe im ETW untersucht und zur Verifikation des Simulationscodes verwendet. Am Motor wurden Parameterstudien zur Einspritzverlaufsformung, zum Betriebsbereich der Kraftstoffe etc. durchgeführt. In der dritten Phase wurde das Gesamtsimulationsmodell fertiggestellt und mit weiteren experimenteller Messergebnissen validiert.


Ergebnisse und Diskussion

Ziel des Projektes war, synthetische Kraftstoffe hinsichtlich ihrer Merkmale für den Einsatz in der homogenisierten dieselmotorischen Verbrennung zu untersuchen. Diese Aufgabe konnte bei der Bearbeitung mit großem Erfolg durchgeführt 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 handelsüblicher Kraftstoffe (Benzin/Diesel) untersucht. Das Verdampfungs- und Zündverhalten wurde in einer optisch zugänglichen Kompressionsmaschine bewertet. Dazu wurden verschiedene Messtechniken (2-Farben-Methode (Ruß), OH-Strahlungsdetektion (Zündung), Schlieren- und Streulichtmethode (Verdampfungsverhalten)) erfolg-reich aufgebaut und eingesetzt. Anschließend wurden die Kraftstoffe im realen HCCI-Betrieb in einen eigens dafür aufgebauten Forschungsmotor untersucht. Dazu wurden neben den üblichen 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 Zündmodells, welches für den Einsatz in der dreidimensionalen CFD-Simulation entwickelt wurde. Mit Hilfe dieses Modells ist es in Zukunft möglich, das Verhalten diverser synthetischer Kraftstoffe beim Einsatz in der HCCI-Verbrennung vorauszuberechnen.
Das Projekt wurde an zwei deutschen Universitäten (Hannover: Institut für Technische Verbrennung), (Karlsruhe: Institut für Kolbenmaschinen) und in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner bearbeitet. Das sehr gute Arbeitsklima und die herausragende Kooperation unter den Projektpartnern hat letztlich maßgeblich dazu beigetragen, dass das Gesamtprojekt vollständig, termingerecht und mit großem Erfolg bearbeitet werden konnte. Insgesamt lässt sich folgende Bilanz ziehen: Eine Realisierung des HCCI-Brennverfahrens bietet den Vorteil einer sehr schadstoffarmen Verbrennung. Damit könnte eine immer aufwändigere, kostenintensivere und den Kraftstoffverbrauch erhöhende Abgasnachbehandlung in Zukunft vermieden werden. Dies ist gerade vor den Hintergrund der weltweit stetig steigenden Nachfrage nach Dieselmotoren von besonderer ökologischer und ökonomischer Relevanz. Aus heutiger Sicht besteht bezüglich einer Serienanwendung des HCCI-Brennverfahren noch erheblicher Forschungsbedarf. Eine der größten Herausforderungen stellt die Realisierung des Brennverfahren bei hohen Lasten dar. Synthetische maßgeschneiderte Kraftstoffe können dazu verwendet werden, den HCCI-Betriebsbereich zu erweitern. Hierbei muss zunächst 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 Einspritzdüsen. Weiter-hin müssen hohe AGR-Raten von bis zu 70% (gekühlte AGR) verwendet werden, um eine frühzeitige Zündung und zu hohe Wärmefreisetzungsraten zu unterdrücken. Bezüglich der Kontrolle von Zündung und Wärmefreisetzung ist die Verwendung von Kraftstoffen mit einem hohen Isomeranteil zielführend. Im Gegensatz dazu führt die Verwendung aromatenhaltige Kraftstoffe (verzögern ebenfalls Zündung und Verbrennung) zu erhöhten Schadstoffemissionen und verringerten Wirkungsgraden. Werden synthetische Kraftstoffe z.B. mit dem Fischer-Tropsch-Verfahren aus Biomasse hergestellt (BTL-Kraftstoffe), so stellen sie CO2-neutrale Energieträger dar.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen der Bearbeitung des Forschungsvorhabens sind insgesamt 11 Veröffentlichungen (internationale Konferenzen, Dissertationen) entstanden. Drei Mitarbeiter am haben dabei promoviert. Eine detaillierte Aufstellung der Veröffentlichungen befindet sich im Abschlussbericht.


Fazit

Das HCCI-Brennverfahren bietet den Vorteil einer sehr schadstoffarmen Verbrennung, wobei der Motor-Wirkungsgrad auf dem heute erreichten hohen Niveau gehalten werden kann. Damit könnte eine immer aufwändigere, kostenintensivere und den Kraftstoffverbrauch erhöhende Abgasnachbehandlung in Zukunft vermieden werden. Eine der größten Herausforderungen aus heutiger Sicht stellt die Realisierung des Brennverfahren bei hohen Lasten dar. Synthetische maßgeschneiderte Kraftstoffe können hier einen wichtigen Beitrag leisten. Hierbei muss zunächst eine gute Homogenisierung des Luft-Kraftstoffgemisches vor der Verbrennung erreicht werden (Verdampfungseigenschaften, geeignetes Einspritzsystem). Weiterhin müssen eine frühzeitige Zündung und zu hohe Wärmefreisetzungsraten unterdrückt werden. Hierbei ist die Verwendung synthetischer Kraftstoffe mit hohem Isomeranteil zielführend. Synthetische Kraftstoffe aus Biomasse stellen dabei CO2-neutrale Energieträger dar.