Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erweiterte Betrachtung von Wirkmechanismen und thermodynamischen Randbedingungen bei der innermotorischen NO2-Bildung bei Verwendung Diesel E-Fuels.

Die Stickoxid-(NOx-)belastung überschreitet in einigen Städten noch den vorgegeben Grenzwert. Dabei hat der Straßenverkehr, trotz deutlich fallender Tendenz über die letzten Jahre, nach wie vor den größten Anteil an den gesamten NOx-Emissionen.

Um künftig weitere Verbesserungen zu erzielen, ist ein fundamentales Verständnis aller Vorgänge und Prozesse einerseits bei der Entstehung motorischer Schadstoffe sowie andererseits im Abgasnachbehandlungssystem vorauszusetzen. Von großer Bedeutung ist hierbei Stickstoffdioxid (NO2). Ungeachtet aller schädlichen Auswirkungen von NO2, ist diese Spezies gerade bei der Abgasnachbehandlung von großem Nutzen. Die verstärkte Rußoxidation durch NO2 gilt als Schlüsselreaktion der passiven Dieselpartikelfilter-Regeneration, und auch bei der Nachbehandlung von NOx mit einem SCR-System hängt der katalytische Wirkungsgrad signifikant vom NO2/NO-Verhältnis im Abgas ab.

Im Rahmen des Vorhabens „Bildung/Modellierung NO2“ BMWi/IGF-Nr. 17770 konnten wichtige Zusammenhänge, Einflussparameter und Mechanismen der innermotorischen NO2-Bildung in Dieselmotoren erarbeitet werden. Die Untersuchungen identifizieren als bedeutendsten Parameter die Abhängigkeit des Verhältnisses NO2/NOX von der Sauerstoffkonzentration. Dieses Grundlagenverständnis soll nun mit synthetischen Biokraftstoffen, sogenannten E-Fuels, grundlegend mittels experimenteller und simulativer Betrachtungen analysiert und erweitert werden. Gerade hinsichtlich der Bereitstellung reaktiver sauerstoffhaltiger Spezies zeigen sich Oxygenat-Kraftstoffe durch ihren Sauerstoffgehalt als vielversprechend, das Verhältnis von NO2/NOX innermotorisch weiter zu steigern und somit weitere Freiheitsgrade in der Abgasnachbehandlung zu generieren.

Klein- und mittelständische Unternehmen sind nicht in der Lage, die Untersuchungen in der notwendigen Tiefe durchzuführen. Erst das erarbeitete Grundlagenverständnis ermöglicht diesen daher, zielgerichtete Abgasnachbehandlungslösungen zu entwickeln.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurden experimentelle Befunde, aus Untersuchungen mit einem Einzylinder-Forschungsmotor, mit theoretischen Betrachtungen vereint. Die Experimente wurden bei typischen Betriebspunkten mit drei verschiedenen Oxygenatkraftstoffen durchgeführt, diese sind Oxymethylenether (OME), 2-Ethoxyethylether (2-EEE) und Oktanol. Individuelle Parametervariationen wurden zusätzlich zu den Experimenten aus der statistischen Versuchsplanung durchgeführt. Es wurden Informationen über den Einfluss der verschiedenen E-Fuels auf die Stickoxidbildung, insbesondere die NO2-Bildung, gewonnen. Außerdem wurden Einflussgrößen in Bezug auf die Formaldehydbildung untersucht. Parameterbereiche, die mit handelsüblichem Dieselkraftstoff wegen der hohen Rußbildung nicht sinnvoll betrieben werden können, wurden ebenfalls untersucht. Zudem wurden die Auswirkungen von Vor- und Nacheinspritzung während des Motorbetriebes genauer geprüft.

In chemisch-kinetischen Simulationen wurde die OME-Verbrennung genauer behandelt. Zu diesem Zweck wurde ein kinetischer Mechanismus für OME3-Oxidation aus der Literatur um Reaktionen für höhere Homologe der OMEs bis OME6 und tiefere Temperaturen ab 600 K erweitert. Ergebnisse aus Simulation und Experiment sind in guter Übereinstimmung. Der Einfluss von Temperatur, Druck, Verbrennungsluftverhältnis, Mischungsverhältnis und Nacheinspritzung wurden tiefgründiger untersucht.

Die vereinten Ergebnisse aus Experiment und Simulation liefern ein umfassenderes Verständnis der Bildungsmechanismen des NO2 und des Formaldehyds bei der dieselmotorischen Verbrennung von E-fuels.