Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Kompressionszündung regenerativer Kraftstoffe

Forschungsziel: Eine nachhaltige, regenerativ gespeiste Mobilität benötigt kompakte Speicher für volatile dezentrale Energie. „E-fuels“ - synthetisch hergestellte Kraftstoffe - sind solche Energiespeicher, die klimaneutrale Mobilität ermöglichen. Sie bieten nicht nur das Potential zur CO2-neutralen Energiespeicherung, sondern können auch optimiert werden, um Schadstoffemissionen zu vermeiden. Dabei haben sich oxygenierte Kraftstoffe wie OME und Alkohole als vielversprechend für kompressionsgezündete motorische Brennverfahren erwiesen. Diese Brennverfahren, z.B. das dieselmotorische, haben die höchsten Wirkungsgrade und könnten durch e-fuels auch sehr sauber werden. Dafür müssen aber die physikalisch-chemischen Vorgänge bei der Einspritzung und Zündung dieser neuen Kraftstoffe erst verstanden werden.

Lösungsweg: In einem internationalen Forschungskonsortium (USA, China, Österreich und Deutschland) werden die chemischen Prozesse bei der Selbstzündung von oxygenierten Kraftstoffen im Experiment mit hoher zeitlich-räumlicher Auflösung gemessen und so einer anschließenden Simulation zugänglich gemacht. Im Gegensatz zu früheren Grundlagenuntersuchungen werden auch Mehrfacheinspritzungen, typisch für moderne Motoren, untersucht. Daraus ergibt sich eine konsistente Datenbasis für die Verbrennungsentwicklung von e-fuels.

Ergebnisse: Erwartet wird eine Beförderung von Innovationen in der Speicherung erneuerbarer Energien, die auch dezentrale Erzeugung regenerativer Energien dauerhaft attraktiv macht. Davon profitieren KMU, die die Prozesse und Anlagen für neue Kraftstoffe entwickeln bzw. herstellen. In der Forschung geleistete Methodenentwicklung befördert spezialisierte KMU auf den Gebieten der Messtechnik und Optik und der Simulation von reaktiven Strömungsprozessen. Wertschöpfung für KMU ergibt sich auch dadurch, dass sie gerade auf dem noch sehr neuen Thema der e-fuels die Erkenntnisse aus vorwettbewerblicher Forschung zu schutzfähigen Innovationen entwickeln können.

Ergebniszusammenfassung:

Messtechnik

An der FAU wurden zum ersten Mal IR-Messungen durchgeführt, um die Verbrennung von Kraftstoffsprays genauer zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass mit dieser Messtechnik sowohl die Gasphase des Kraftstoffs als auch die Verbrennungsprodukte sichtbar gemacht werden können, mit dem Vorteil, dass der Aufbau der Messtechnik im Vergleich zu anderen Messtechniken einfach ist.

Ergebnisse für die motorische Verbrennung

OME verbrennt rußfrei, unabhängig von den Betriebsbedingungen. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass bei der Verbrennung von OME keinerlei Rußvorläufer gebildet werden. Der Grund dafür ist, dass OME keine C-C-Doppelbindungen aufweist. Die Messungen mit OME und dem dieselähnlichen Dodekan haben gezeigt, dass OME eine vergleichsweise größere Eindringtiefe der Flüssigphase und eine längere Flammenabhebelänge hat. Für den Einsatz in bestehenden Dieselmotoren bedeutet dies, dass andere Kolben mit angepassten Kolbenmulden verwendet werden müssen, um die Temperaturbelastung zu reduzieren. Es hat sich gezeigt, dass OME einen kürzeren Zündverzug als Dodekan aufweist und dass die Ausbrandphase (bei gleicher Kraftstoffmasse) ebenfalls kürzer ist. Folglich muss bei der Verwendung des e-Kraftstoffs in einem bestehenden Dieselmotor der Beginn der Einspritzung angepasst werden. Sowohl OME als auch 1-Octanol beeinflussen die Injektorhydraulik. Insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen zeigten sich für OME und 1-Octanol im Vergleich zum dieselähnlichen Dodekan deutliche Abweichungen im Öffnungs- und Schließverhalten des Injektors.

Die motorbezogenen Ergebnisse sollen einen physikalischen Einblick geben und können als Auslegungshilfe für zukünftige CI-Motoren verstanden werden, um das volle Potenzial der e-Fuels nutzen zu können. Mit e-Fuels können nicht nur kohlenstoffneutrale, sondern auch emissionsarme Antriebsstränge realisiert werden. Aufgrund der rußfreien Verbrennung von OME sind hohe AGR-Raten möglich, was die NOx-Emissionen deutlich reduziert.