Projekt 27165/01

Optimierung der motorischen Verbrennung von reinem Rapsöl in modernen Dieselmotoren

Projektträger

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)Institut für Kolbenmaschinen (IFKM)
Kaiserstr. 12
76131 Karlsruhe
Telefon: 0721/608-48561

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Dieselmotoren stellen heute die maßgebliche Antriebsquelle für Fahrzeuge bei Eisenbahnen außerhalb der Hauptstrecken und bei Binnensee-Schifffahrtsbetrieben dar. Reines Pflanzenöl stellt unter den regenerativen Energiequellen eine sinnvolle Alternative dar. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Rapsöl zu herkömmlichem Dieselkraftstoff muss jedoch ein Dieselmotor, in erster Linie das Einspritzsystem, an den Kraftstoff Rapsöl angepasst werden. Bisherige Konzepte zur Nutzung von Rapsöl in Dieselmotoren sind nicht ausgereift und führen zu inakzeptablen Emissionen oder gar zu Motorschäden.
Das Forschungsvorhaben soll zur Lösung dieser Aufgaben beitragen, indem die grundsätzlichen Anforderungen des Kraftstoffs Rapsöl an ein Einspritzsystem erarbeitet und anschließend umsetzt werden. Auf diese Weise soll ein sicherer und schadstoffarmer Motorbetrieb mit Rapsölkraftstoff unter Einhaltung aktueller Emissionsgesetze ermöglicht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben umfasst die folgenden Schritte:
o Optimierung der Einspritzdüsengeometrie in einer Einspritzkammer
o Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Rapsölkraftstoff und Motoröl
o Optimierung des Brennverfahrens am gefeuerten Forschungsmotor
Der erste Schritt des Vorhabens ist die optische Analyse der Strahlausbreitung von Pflanzenöl. Mittels Einsatz moderner optischer Messtechnik kann sowohl das Strahlauffächerungsverhalten als auch die innere Beschaffenheit des Einspritzstrahls und der Kraftstofftropfen analysiert wurden. Im zweiten, zeitlich parallelen Arbeitsschritt sollen Wechselwirkungen zwischen dem Motoröl und dem in das Motoröl eingetragenen Rapsölkraftstoff untersucht werden. Ziel ist die Entwicklung eines geeigneten Sensors, der eine Onboard-Diagnose erlaubt. Schließlich werden die gewonnen Ergebnisse an einem Forschungsmotor übertragen. An diesem Einzylindermotor können verschiedene Konfigurationen des Einspritzsystems getauscht und erprobt werden. Die Aufzeichnung verschiedener Temperaturen und Drücke, beispielsweise die des Zylinderdruckverlaufs, sowie die der Abgasemissionen erlaubt die Optimierung der motorischen Verbrennung.


Ergebnisse und Diskussion

Common Rail Systeme sind im allgemeinen besser für Rapsölkraftstoff geeignet als ältere, nockengesteuerte Einspritzsysteme, gleichwohl besteht die Notwendigkeit der Anpassung des Einspritzsystems an den Kraftstoff.
Mit Hilfe der herausgearbeiteten Spritzlochgeometriekonfiguration konnte der Betrieb eines Dieselmotors mit Rapsölkraftstoff hinsichtlich des Emissionsverhaltens im Vergleich zu Dieselkraftstoff verbessert werden. Gleichzeitig wurde die Ablagerungsbildung und der Kraftstoffeintrag ins Motoröl im Rapsölbetrieb reduziert.
Eine Düse mit zylindrischen Spritzlöchern mit einem Durchmesser von 270 µm erscheint für Rapsölkraftstoff und den verwendeten Motor optimal. Größere (300 µm) oder kleinere (240 µm) Lochdurchmesser produzieren abhängig vom Lastpunkt entweder mehr Ruß und Kohlenmonoxid oder mehr Stickoxide.
Der Einsatz von Abgasrückführung wirkt sich im Teillastbereich sehr positiv auf die motorische Verbrennung von Rapsölkraftstoff aus. Rapsölkraftstoff toleriert eine größere Abgasrückführrate als Dieselkraftstoff.
Mit Online-Ölsensoren können Vorgänge der Ölalterung anhand von Kennwerten, wie der Viskosität oder Permittivität beschrieben werden. Bei Kenntnis von Motor und Motoröl lassen sich in Verbindung mit Laboranalysen einsatzspezifische Warn- und Grenzwerte ableiten, die auf einen erforderlichen Ölwechsel hinweisen. Dies kann dazu beitragen Schäden abzuwenden, Ölwechselintervalle zu verlängern, den Altölanfall zu reduzieren und gleichzeitig Wartungskosten einzusparen. Insbesondere bei rapsölkraftstoffbetriebenen Motoren kann aufgrund des nicht ganz vermeidbaren Kraftstoffeintrags ins Motoröl und der daraus folgenden stärkeren Beanspruchung des Motoröls eine Online-Ölüberwachung sinnvoll sein. Voraussetzung für die Verwendung von Online-Ölsensoren ist neben der grundsätzlichen Funktionstauglichkeit vor allem auch die technische Zuverlässigkeit der Sensoren im Langzeiteinsatz bei unterschiedlichen Versuchsträgern. Aufgrund der hohen Temperatur-, Druck- und mechanischen Beanspruchung sind weitere Einsatzerfahrungen unter Praxisbedingungen notwendig.
Bei der Fortführung der Untersuchungen in einem Nachfolgeforschungsvorhaben sollen ausgewählte, im Rahmen dieses Vorhabens untersuchte Online-Sensoren auf einen konkreten Anwendungsfall (Versuchsmotor für die Verbrennungsoptimierung) abgestimmt werden. Dabei sollen Sensoren Verwendung finden, die die Messgrößen Viskosität und Permittivität gleichzeitig erfassen, um die Qualität des Motoröls möglichst umfassend beschreiben zu können. Erst wenn noch weitere Einsatzerfahrungen vorliegen, können Grenzwerte für kritische Motorölzustände abgeleitet werden.
Während im hier berichteten Forschungsvorhaben einzelne Detailsysteme detailliert analysiert wurden, steht in der nächsten Projektphase das Gesamtsystem Verbrennungsmotor mit Rapsölkraftstoff im Fokus. Hierzu gehört ein mehrzylindriger Vollmotor mit Abgasnachbehandlungssystem, ähnlich wie in einem der Zielfahrzeuge.
Erst danach folgt der Übertrag der Ergebnisse in den praktischen Betrieb an Hand von zwei Demonstratoren. Hierfür sind ein Eisenbahntriebwagen und ein Binnenschiff vorgesehen. Die Risiken für die Betreiber halten sich dabei aufgrund der vorangehenden Untersuchungen am Vollmotor in Grenzen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

17. November 2009 - ATZ Konferenz On-/Off- Highway Engines, Friedrichshafen
03. November 2010 - 8. FAD Konferenz (Förderkreis Abgasnachbehandlung Dieselmotor), Dresden
24. Januar 2011 - Konferenz Kraftstoffe der Zukunft, Berlin
18. Mai 2011 - Workshop zum DBU Forschungsprojekt, KIT, Karlsruhe
30. August 2011 - SAE Conferenc Fuels, Lubricants and Powertrain, Kyoto (Japan)
15. Mai 2012 - Abschlusspräsentation des Forschungsprojekts, KIT, Karlsruhe


Fazit

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der Einsatz von Rapsölkraftstoff in modernen Verbrennungsmotoren mit moderaten Anpassungen des Brennverfahrens bei Einhaltung aktueller und zukünftiger Abgasgrenzwerte möglich ist. Schon im nächsten Schritt kann ein dem praktischen Betrieb entnommener Motor im Labor unter Realbedingungen für den Betrieb mit Rapsölkraftstoff vorbereitet und experimentell erprobt werden. Zusammen mit seinem großen Treibhausgasminderungspotenzial kann Rapsölkraftstoff einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung ehrgeiziger Klimaziele leisten.