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Open Access
Untersuchungen zur optimalen Zusammensetzung synthetischer Dieselkraftstoffe für konventionelle Brennverfahren
(2012) Bloch, Peter; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)
Der Inhalt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses chemischer und physikalischer Eigenschaften synthetischer Kraftstoffe auf das Brenn- und Emissionsverhalten bei konventioneller dieselmotorischer Verbrennung. Dazu wurde eine Kraftstoffmatrix bestehend aus sieben synthetischen Kraftstoffen mit unterschiedlichen, Merkmal prägenden Komponenten definiert und sowie motorisch als auch optisch in einer Hochdruck-/ Hochtemperaturzelle untersucht. Die Ergebnisse wurden mit einem Referenzkraftstoff (CEC) verglichen. Um die Kraftstoffeigenschaften motorisch zu beurteilen wurden Untersuchungen an einem modernen Einzylinder Forschungsmotor durchgeführt. Als Bewertungskriterien für das Brennverhalten wurden der Zündverzug, die 50%-Umsatzlage und die Brenndauer definiert. Während die Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff-, Stickoxid- und Russ-Rohemissionen zur Bewertung des Emissionsverhaltens dienten, wurden der spezifische Kraftstoffverbrauch, der Energieeintrag sowie die Kohlendioxidemissionen zur Beurteilung der Wirkungsgradunterschiede herangezogen. Um die Interpretation der motorischen Ergebnisse zu unterstützen, wurden am LAV der ETH Zürich in einer optisch zugänglichen konstant-Volumen Brennkammer (HDTZ) optische Messungen zu Eindringtiefe und Ausbreitung eines Einspritzstrahls, zu Verdampfung, Zündverzug und -ort und Russbildung durchgeführt. Zudem wurde der verwendete Injektorentyp durch Einspritzverlaufsmessungen charakterisiert, um eventuelle Unterschiede beim Kraftstoffeintrag in den Brennraum zu eruieren und genaue Daten für quantitative Prozessrechnungen zu erhalten. Die Ergebnisse aus den motorischen Untersuchungen zeigten eine starke Abhängigkeit vom betrachteten Lastzustand und der gewählten Betriebsstrategie (mit oder ohne Voreinspritzung). Der Einfluss des Lastzustands war einerseits im Temperaturniveau bei Beginn der Einspritzung und andererseits in der benötigten Zeit für den Einspritzvorgang zu sehen. Bei niedrigen Lasten führten das niedrige Temperaturniveau und die kurzen benötigten Einspritzzeiten bei allen Kraftstoffen zu einem vollständig vor dem Brennbeginn abgeschlossenen Einspritzvorgang. Die gemessenen Zündverzugszeiten waren qualitativ in den Cetanzahlen der Kraftstoffe wiederzufinden. Qualitative Aussagen auf Basis der Cetanzahlen waren aber nicht möglich. Bezüglich des Wirkungsgrads wurde beachtliches Potenzial der Kraftstoffe gefunden, die vorwiegend aus langen geradkettigen Molekülstrukturen bestanden. Hohe teil- und unverbrannte Emissionen des Referenzkraftstoffs und des aromatischen Blends bestärkten in der Annahme, dass eine vollständigere Verbrennung der sehr zündwilligen Kraftstoffe die Ursache für Wirkungsgradunterschiede war. Aufgrund der langen zur Verfügung stehenden Zeit für die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und ausreichend zur Verfügung stehenden Luftsauerstoffs spielte Russ bei niedrigen Lasten nur eine marginale Rolle. Bei höheren Lasten wurden einerseits weitaus kürzere Zündverzugszeiten beobachtet und andererseits musste eine größere Kraftstoffmenge eingespritzt werden. Grundlegend resultierte dies in einer vorwiegend diffusiven Verbrennung wobei das kraftstoffspezifische Brennverhalten an Bedeutung gewann. Die dokumentierten Brennverläufe und 50%-Umsatzlagen deuteten darauf hin, dass der Referenzkraftstoff eine höhere Sensibilität gegenüber verschiedenen Zündverzügen aufweist als die FT-Kraftstoffe: Hohe Anteile vorgemischter Verbrennung wurden bei höherer Teillast und späten Einspritzbeginn beobachtet, während das Brennverhalten der synthetischen Kraftstoffe weiterhin vornehmlich diffusiv war. Bei diesen Bedingungen waren die Russemissionen des Referenzkraftstoffs niedriger als die der synthetischen Kraftstoffe. Mit Voreinspritzung waren aber die bei weitem höchsten Russemissionen beim Referenzkraftstoff zu verzeichnen. Bezüglich der synthetischen Kraftstoffe wurde der höchste Russausstoß beim naphtenischen Kraftstoff beobachtet worden. Das kann durch die im Vergleich am langsamsten ablaufenden Russoxidationsprozesse begründet werden, wie es durch Ergebnisse aus den Untersuchungen in der HDTZ nahegelegt wird. Demgegenüber konnten die niedrigsten Russemissionen bei Untersuchung des alkoholischen Blends mit Mehrfacheinspritzung dokumentiert werden. Dieser zeigte auch die niedrigsten Maxima des KL-Wertes in HDTZ-Untersuchungen. Aus einer abschließenden Kraftstoffbewertung folgt, dass der FT-Basiskraftstoff bezüglich Wirkungsgrad, teil- und unverbrannten Emissionen und Stickoxiden das günstigste Verhalten aufwies. Der Russausstoß konnte durch den Kraftstoff mit niedrigem Siedebeginn, dem Kraftstoff mit gesteigertem iso-Paraffin Anteil und dem Kraftstoff mit langkettigen Alkoholen nochmals verringert werden. Aber abgesehen vom alkoholischen Kraftstoff hatte dies negative Auswirkungen auf die weiteren Bewertungskriterien. Folglich stellen langkettige Alkohole eine vielversprechende Kraftstoffkomponente für zukünftige Kraftstoffe dar.