Zukünftige Biokraftstoffe für fortschrittliche Brennverfahren

  • Future biofuels for advanced combustion systems

Heuser, Benedikt; Pischinger, Stefan (Thesis advisor); Heufer, Karl Alexander (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Vor dem Hintergrund des Klimaschutz-Abkommens von Paris werden auch die CO2-Emissionen des Transportwesens signifikant sinken müssen. Diese sollen in Deutschland im Verkehrssektor bis 2030 um 40-42% gegenüber dem Referenzjahr 1990 reduziert werden. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Eignung 1-Oktanols und Di-Butylethers als mögliche zukünftige, maßgeschneiderter Biokraftstoffe für selbstzündende Brennverfahren mittels experimenteller Untersuchungen zu beurteilen. Durch optische Messungen konnte gezeigt werden, dass die Gemischbildung der beiden Biokraftstoffkandidaten sich deutlich von derer fossilen Diesels unterscheidet. Mittels detaillierter Emissionscharakterisierung wurde nachgewiesen, dass die zukünftigen Biokraftstoffe aufgrund der unterschiedlichen Gemischbildung und ihrer molekularen Struktur deutlich reduzierte Rußemissionen aufweisen. Dabei ist nicht nur die Partikelmasse, sondern auch die Partikelanzahl um bis zu 93% geringer als mit fossilem Kraftstoff. Durch modellbasierte Optimierung der Kalibrierung konnte der Wirkungsgrad mit den Biokraftstoffen gegenüber Diesel um jeweils ca. 1%-Punkt gesteigert werden. Ähnliche Verbesserungen konnten mit einer Erhöhung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses erzielt werden, allerdings wurden bei hoher Teillast die Partikelemissionen leicht negativ beeinflusst. Um weitere Wirkungsgradsteigerungen bei noch niedrigeren Rohemissionen zu erreichen, wurden im zweiten Teil der Arbeit Zweistoffbrennverfahren untersucht. Als Zündkraftstoff wurde neben fossilem Diesel auch Di-Butylether genutzt. Über das Saugrohr wurden ein konventioneller ROZ95 E10 Kraftstoff, Ethanol und der hochklopffeste Biokraftstoffkandidat 2-Butanon eingespritzt. Bei den Untersuchungen standen das Kraftstoffmischungsverhältnis, Paarungen unterschiedlicher Kraftstoffreaktivitäten und Einspritzzeitpunkte im Fokus. Aufgrund des sehr homogenen Gemisches im Zweistoff-Betrieb konnten in allen betrachteten Teillastuntersuchungen – unabhängig von der Kraftstoffpaarung – die Rußemissionen bis an die Nachweisgrenze minimiert werden. Allerdings stiegen die Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen signifikant an. Im reaktivitätskontrollierten Brennverfahren konnten mit Di-Butylether und 2-Butanon wegen verringerter Spitzentemperaturen auch die Stickoxidemissionen um über 90% gegenüber dem klassischen Dieselverfahren reduziert werden. Gleichzeitig wurde der Wirkungsgrad im Bestpunkt auf fast 46% gesteigert. Aufgrund der sehr guten Gemischbildung und hohen Reaktivität ist Di-Butylether fossilem Diesel als Zündkraftstoff in einem Zweistoff-Betrieb vorzuziehen. Wegen des höheren Wirkungsgrades ist ein konventionelles Einstoffverfahren bei Nutzung maßgeschneiderter Kraftstoffe wie Di-Butylether einem Zweistoffverfahren in der sehr niedrigen Teillast überlegen. Im Bereich niedriger bis hoher Teillast bietet das reaktivitätskontrollierte Verfahren Wirkungsgradvorteile, und an der Volllast ist das Zündstrahlverfahren aufgrund der guten Verbrennungskontrolle dem reaktivitätskontrollierten Verfahren überlegen. Die Nutzung der maßgeschneiderten Biokraftstoffe ermöglichte in dieser Arbeit – unabhängig vom Brennverfahren – immer höhere Wirkungsgrade und niedrigere Rohemissionen als mit fossilen Kraftstoffen. Daher kann es mit zukünftigen Biokraftstoffen gelingen, sowohl annähernde CO2-Neutralität, als auch geringste Schadstoffemissionen im Verkehr zu erreichen.

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