LEHRSTUHL FÜR

TECHNISCHE THERMODYNAMIK

Kurzfassung

Da die Verringerung des CO₂-Ausstosses von Verbrennungskraftmaschinen sowie die Begrenzung der fossilen Ressourcen bei weltweit steigendem Konsum eine Herausforderung für die individuelle Mobilität darstellt, gewinnt die Suche nach alternativen und möglichst CO₂-neutralen Dieselkraftstoffen zunehmend an Bedeutung. In Bezug darauf liegt der Fokus der vorliegenden Arbeit auf der Charakterisierung der Gemischbildungseigenschaften und des Brennverhaltens der alternativen Dieselkraftstoffe zweiter Generation „Gas To Liquid“ (GTL), hydriertes pflanzliches Öl (HVO) und biogener Kraftstoff (BF) im Vergleich zum konventionellen Diesel. Durch die gezielte Anwendung optischer Messmethoden, wie Hochgeschwindigkeitsvisualisierungen, PDA, PIV, 2‑Farben-Pyrometrie und OH* Chemilumineszenz, wurden die erzeugten Luft-Kraftstoff-Gemische sowie die anschließende Verbrennung und Emissionsbildung in einer Druckkammer sowie in einem optisch zugänglichen Motor detailliert untersucht. Im Zusammenhang mit der Optimierung des Brennverfahrens in kleinvolumigen Dieselmotoren wurden darüber hinaus Injektoren mit variierender Düsengeometrie charakterisiert.

Durch die Anwendung der „Design of Experiments“ Methode konnten für die mikro- und makroskopischen Spraygrößen aussagekräftige Tendenzen hinsichtlich der Einflüsse der Betriebsparameter Einspritzdruck, Umgebungstemperatur und –dichte aufgedeckt werden. Da in der Literatur teilweise widersprüchliche Bewertungen der untersuchten Parameter veröffentlicht sind, wurden die erstellten Modelle mit ausgewählten Korrelationen verglichen und diskutiert.

In einem Transparentmotor wurde neben der Charakterisierung der Brennraumströmung auch die Untersuchung der Abhängigkeit der Verbrennung und Schadstoffentstehung von der Motordrehzahl, Aufladung, Einspritzdruck und –strategie vorgenommen. Somit konnte zusätzlich eine umfangreiche Datenbasis von Gemischbildungs- und Verbrennungsuntersuchungen zur Validierung numerischer Berechnungen geschaffen werden.

Sowohl in den Gemischbildungsuntersuchungen in der Druckkammer als auch im Transparentmotor zeigen GTL, HVO und BF etwas größere Spraywinkel im Vergleich zu Diesel auf, was durch die geringere Kraftstoffdichte bedingt ist. Dabei weisen alle untersuchten alternativen Kraftstoffe der zweiten Generation sowie Diesel vergleichbare Eindringtiefen auf. Bedingt durch die stärkere radiale Ausbreitung zeichnen sich die alternativen Kraftstoffe jedoch, unter Voraussetzung des gleichen Betrachtungszeitpunktes, durch ein ca. 5 bis 7% größeres Sprayvolumen aus. Die mikroskopischen Untersuchungen deuten auch auf ähnliche Zerstäubungseigenschaften für GTL, HVO, BF und Diesel hin, wobei bei GTL, bedingt durch seine vergleichsweise geringe Viskosität, die kleinsten Tropfendurchmesser nachgewiesen wurden.

Im Gegensatz zu den ähnlichen Gemischbildungseigenschaften wurden bei den Verbrennungsuntersuchungen deutliche Unterschiede zwischen den alternativen Kraftstoffen und Diesel mit einer bis zu 45% geringeren Abgasopazität festgestellt, was primär auf die chemischen Kraftstoffeigenschaften zurückzuführen ist.

Die alternativen Kraftstoffe der zweiten Generation zeigen, im Vergleich zu Diesel, eine vergleichbare innermotorische Rußmenge auf, was jedoch, bedingt durch die wesentlich größere Fläche der Rußwolken, zu einer geringeren über den gesamten Zyklus gemittelten Rußkonzentration von ca. 20% führt. Somit ergeben sich bei den alternativen Kraftstoffen ein größeres Sauerstoffangebot und daher bessere Oxidationsbedingungen für den Ruß. Zudem wurde eine bis zu 50% stärkere OH* Chemilumineszenz für GTL, HVO und BF im Vergleich zu Diesel detektiert, was ihre überlegenen Oxidationseigenschaften bestätigt. Darüber hinaus wurden bei den alternativen Kraftstoffen der zweiten Generation etwas höhere mittlere Rußtemperaturen gemessen, wobei ihre Temperaturfelder geringere örtliche sowie zyklische Schwankungen und daher einen stabileren Verbrennungsablauf aufweisen.