Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Potentialuntersuchung und Bewertung eines Zündstrahlverfahrens für monovalente, nicht

im Brennraumspitzendruck begrenzte Erdgas-Pkw-Motoren bei Einsatz niederoktaniger

Kraftstoffe als Zündquelle.

Die Entwicklung eines CNG-Zündstrahl-Brennverfahrens, welches durch geringe Zyklenschwankungen, große Magerlauffähigkeit sowie hohe Umsatzraten gekennzeichnet ist, bietet das Potential zur weiteren Reduktion von CO2-Emissionen, woraus sich ein alternatives und aus aktueller Sicht zukunftsorientiertes Brennverfahren ergibt.

Aktuell existieren praktisch keine Veröffentlichungen, in denen der zeitgleiche Einsatz gasförmiger und flüssiger Kraftstoffe in Pkw-Erdgasmotoren auf der Basis von Benzinmotoren untersucht wurde, ohne Einsatz des vorhanden elektrischen Zündsystems.

Ziel dieses Vorhabens ist es, einen geeigneten Flüssigkraftstoff zu bestimmen, der direkt in Brennraum eingespritzt und entsprechend aufbereitet die Entflammung eines homogenen xNG-Hintergrundgemischs in einem nicht spitzendruckbegrenzten Pkw-Erdgasmotoren sicherstellen kann. Bestehende Zündsysteme wirken sich bei diesen Temperatur- und Druckbedingungen im Erdgasgemisch zum Zündzeitpunkt restriktiv gegenüber einem optimalen Wirkungsgrad aus.

Mit den experimentelle Untersuchungen am Pkw-Einzylinder-Aggregat und der Tropfenvermessung des Zündstrahls in einem Phasen-Doppler-Analyse-Labor wird ein geeigneter Zündkraftstoff bestimmt, der sich mit bestehenden Benzininjektoren bestmöglich aufbereiten lässt und tolerant gegenüber abweichenden Erdgasqualitäten das Gemisch entflammt.

Die Erkenntnisse aus diesem Vorhaben legen ggf. die Grundlage für die Entwicklung entsprechender Gemischbildungssysteme. Auf Grund der zu erwartenden, zunächst geringen Stückzahlen, werden solche Komponenten häufig von Dienstleistern (KMU’s) entwickelt.

KMU als Entwicklungsdienstleister, Zulieferer von Systemkomponenten sowie als Anbieter im Bereich Vermessung / Applikation profitieren von den Forschungsergebnissen in besonderem Maße, da sie die gewonnenen Erkenntnisse unmittelbar als Weiterentwicklungsgrundlage nutzen können und so ihre internationale Wettbewerbsfähigkeit steigern können.

Ergebniszusammenfassung:

Im Vorhaben wurde experimentell nachgewiesen, dass ein Zündstrahlverfahren für methanbasierte Kraftstoffe an einem Otto-Grundaggregat unter Einsatz günstiger Einspritzkomponenten aus dem Ottomotorenbereich darstellbar ist. Dabei wurde sowohl der Einsatz einer nach außen öffnenden Düse untersucht (mittleres Kostenpotential) sowie der Einsatz von Mehrlochdüsen (bestes Kostenpotential). Grundlegende Untersuchungen zu den Injektor- und Sprayvorgängen liefern Erkenntnisse, wie die Kraftstoffeinspritzung sich auf das Brennverfahren auswirkt und bilden so einen Beitrag für eine künftige, optimierte Auslegung von Zündstrahlbrennverfahren.

Eine gesamtheitliche Abschätzung der Brennverfahrenstechnologie schließt die Bewertung der erreichbaren Wirkungsgrade ein, welche nachweislich auf Niveau der Funkenzündung darstellbar sind und bei günstiger Auslegung noch höher liegen können. Dabei ist entscheidend, dass der Elektrodenverschleiß der Zündkerze bei derartigen Verfahren keine Rolle mehr spielt, da die Zündkerze durch den Zündölinjektor ersetzt wird. Als weiteren Aspekt wurden diverse Kraftstoffe hinsichtlich ihrer Eignung als Zündöl untersucht und gegeneinander verglichen, was Erkenntnisse zu den Kraftstoffanforderungen für das Verfahren mit sich bringt. Eine Emissionsbewertung zeigt, dass die gasförmigen Emissionen nur marginal von denen eines äquivalenten, funkengezündeten Verfahrens abweichen. Besonders interessant ist hierbei, dass trotz eines selbstgezündeten Verfahrens auch die Partikelemissionen gleich niedrig sind, was durch Vermeidung einer Diffusionsverbrennung erreicht wurde. Lediglich bei ungünstiger Applikation und Spray-Wand-Interaktion sind Partikelemissionen provozierbar.

Die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens sind hauptsächlich für stationäre Motoren zu sehen, welche bei moderaten Drehzahlen und hoher Last betrieben werden. Für kleinere Unternehmen dürfte die Umrüstung von bestehenden Serienmotoren interessant sein.