close

Anmelden

Neues Passwort anfordern?

Anmeldung mit OpenID

Auf dem Weg zum rußfreien Dieselmotor: Wie maßgeschneiderte

EinbettenHerunterladen
Auf dem Weg zum rußfreien
Dieselmotor:
Wie maßgeschneiderte Kraftstoffe
aus Biomasse entstehen
Dipl.-Ing. Martin Müther
Lehrstuhl für
Verbrennungskraftmaschinen (VKA)
Geschäftsführer Exzellenzcluster
14. Fachkongress Zukunftsenergien
9. Februar 2010
Agenda
 CO2-Reduktion im Straßenverkehr
 Der Kraftstoff und sein Einfluss auf die motorische Verbrennung
- Kraftstoffeigenschaften
- 1. & 2. Generation von Biokraftstoffen
 Der Exzellenzcluster “Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse”
 Der Kraftstoff als “Design-Parameter” für zukünftige Verbrennungsmotoren
 Zusammenfassung
CO2-Reduktion im Straßenverkehr
 Fahrzeugmaßnahmen:
 Leichtbau
 Reduktion Luft- und Rollwiderstand
 Höherer Wirkungsgrad von Motor und
Getriebe
 Reibungsreduzierung
 Downsizing/Turboaufladung
 Magerbetrieb/Abgasrückführung
 Variabilitäten (Motor und Getriebe)
 Hybridisierung/Elektrifizierung
 Alternative/regenerative Kraftstoffe 
Synthetische-/Bio-Kraftstoffe
Otto und Dieselmotor
Wo liegt der Unterschied?
Otto:
Fremdzündung
Diesel:
Selbstzündung
Rohöldestillation
Benzin
150° C
Heutige Kraftstoffe sind eng200°
an COtto- Kerosin
und Dieselmotor geknüpft:
300° C
Dieselöl
Otto: Klopffestigkeit, leicht siedende, kurze Moleküle
370° C
Schweröl
Diesel: hohe Zündwilligkeit,
schwer
siedende, lange Moleküle
Überblick über die Verfahren zur Herstellung
von Biokraftstoffen (1. Generation)
1. Generation Biokraftstoffe:
Getreide
(Zuckerrohr,
Mais, etc.)
Raps, Sonnenblumen, Sojabohnen, etc.
Enzymatische
Aufspaltung
der Frucht
Defizite:
• Wettbewerb mit der Nahrungsmittelkette
• Ungenügende
- Umwandlungs-Wirkungsgrade / Ertrag pro Fläche
- CO2-Einsparung
Glukose
Ölmühle
Fermentation
Umesterung
Pflanzenöl
Methanol (meist fossil)
Bioethanol
Biodiesel
Fettsäuremthylester
(FAME)
Überblick über die Verfahren zur Herstellung
von Biokraftstoffen (2. Generation)
2. Generation Biokraftstoffe (im Forschungsstadium):
Fermentation
Biomasse
(Gesamtes
Pflanzenmaterial)
Vergasung
Wasser/Alkohol
Gemisch
Synthesegas
(CO, H2)
Abscheidung
Alkohole
Fischer-Tropsch
Synthese
Gemisch verschiedener
Kohlenwasserstoffe (BTL)
Erträge 1. und 2. Generation in Deutschland
Liter pro Jahr und Hektar
Getreide
Biokraftstoffe
der
1. Generation
Ethanol
1440 l Dieseläquivalent
Biodiesel
Pflanzenöl
aus Raps
1450 l Dieseläquivalent
Pflanzen-Öl
1480 l Dieseläquivalent
Biokraftstoffe
der
2. Generation
Ganzpflanzen
Ertrag hängt stark vom Rohstoff ab:
z.B. Ethanol aus Zuckerrohr (BRA):
BTL-Kraftstoff
3.910 l Dieseläquivalent
Ethanol (BRA)
3.600 l Dieseläquivalent
Quelle: FNR 2009
Konventionelle Brennverfahren
Otto-Kraftstoff
„leicht-siedende“ Fraktion des Rohöls
Diesel-Kraftstoff
„höher-siedende“ Fraktion des Rohöls
Seit über 120 Jahren werden die
motorischen Brennverfahren auf diese Kraftstoffe optimiert
Aktuell:
1./2. Generation Biokraftstoffe: Nachbildung des Otto- bzw. Dieselkraftstoffs
Zukunft:
Kraftstoff als Freiheitsgrad
 Gleichzeitige Optimierung von Kraftstoff und Brennverfahren
Exzellenzcluster
“Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse”
Koordinator:
Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger
Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA)
Vision:
Gesamtheitliche Optimierung von Kraftstoff und Motor
Neue Synthese- und Produktionswege
Kraftstoffherstellung
Nachhaltige Biokraftstoffe,
maßgeschneidert für eine
saubere Verbrennung
Verbrennungsmotor
Modellbasierte Analyse der Verbrennungseigenschaften
TMFB-Gesamtprozess
Biomasse
Reaktion
Trennung
Mischung
Kraftstoff
Verbrennung
Antriebsenergie
Emissionen
Katalysator-Design
Prozess-Design
Verbrennungs-Design
Gesamtprozess: Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Bîomasse
Forschungsfeld 1:
Molekulare Umwandlung
Biologie / Chemie
Forschungsfeld 2:
Verfahrenstechnik für
nachwachsende Rohstoffe
Forschungsfeld 3:
Kraftstoffeinspritzung
und Verbrennung
3. Generation der Biokraftstoffe:
TMFB-Ansatz
Erhaltung der
Syntheseleistung
der Natur
C-Atome
10000
Biopolymere
TMFB-Ansatz
(Selektive (bio-)chemische Synthese)
1000
“BTL”-Ansatz
100
Tailor-Made Fuel
Kraftstoffkomponenten
(Mittelgroße Moleküle)
10
1
Synthesegas
z. B. CO, H2
Von der molekularen Struktur zur Verbrennung
Zündung und
Verbrennung
Tribologie
Luft
Kraftstoff-Mischung
Kraftstoff-Parameter
KraftstoffMischung
•
•
•
•
•
•
•
Emissionen
Viskosität
Oberflächenspannung
Verdampfungsverhalten
Heizwert
Kraftstoffeinspritzung
Injection and Fuel
Zündverhalten
und
Atomisation,
-verdampfung,
Laminare Brenngeschw.
Strömungsstruktur
Flow Structure and
und
…?
Gasphasen-Vermischung
Gas Phase Mixing
Inverses Problem
Leistung und
Geräusch-Emissionen
Einrichtungen zur Verbrennungsanalyse
im Exzellenzcluster TMFB
Stoßwellenrohr
• Zündverzug im
Hochtemperaturbereich
Optik-Motoren
(Otto/Diesel)
• Strömungsanalyse
• Gemischbildung
• Räumliche Auflösung
der Emissionen
Rapid Compression
Machine*
• Zündverzug im
Niedertemperaturbereich
*im Aufbau
Hochdruckkammer/
Reaktor
CFD-Simulationen
• Visualisierung von Einspritzung und Verbrennung
• Lam. Brenngeschwindigkeit
• Rußbildung
• Gemischbildung
• Verbrennung
• ,T-Verteilung
• Emissionen
Thermodynamik-Motoren
Diesel
Otto
• Brennverfahrensentwicklung
• Emissionsverhalten
Hochdruckkammer
Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen
Daten:
TMax = 1000 K
pMax = 150 bar
VMin = 50 mn3/h
Untersuchung von
Kraftstoffeigenschaften
und motornahen
Betriebsbedingungen
mit Hilfe von optischer
Diagnostik
Source: www.exzellenz-initiative.de
Hochdruckkammer
Ergebnisse – Rußeigenleuchten
Decanol/
Heptan
Heptan
Decanol
Dodecan
Einspritzdauer: 400 µs, Belichtungsdauer über gesamten Verbrennungsvorgang
 deutlich stärkeres Rußeigenleuchten mit Dodecan
FEV HECS Einzylinder Diesel Forschungsmotor
Engine Configuration:
 Displacement Vh = 390 cm³
High Efficiency
Combustion System
 Bore = 75 mm
 Stroke = 88.3 mm
 Compression ratio: 15
(variable dependent on piston bowl)
 Peak pressure capability: 250 bar
 External boosting system: 3.8 bar
 EURO-6 w - type piston bowl
 Highly flexible 2000 bar
CRIP 3 Piezo FIE-system
© by FEV – all rights reserved. Confidential – no passing on to third parties
Emissionspotential von alternativen Kraftstoffen
Verbrennung im Dieselmotor
Dilemma: NOx/Partikel-Schere
min-1,8.2
8.2bar
barBMEP
PME
2280 rpm,
Konstanter
Verbrennungsschwerpunkt
4.0
3.5
Referenz Diesel
Cetanzahl = 56.5
Rußzahl [-]
SZBO [-]
3.0
 kein Sauerstoff-Anteil
 Aromatengehalt: ~ 25 %
2.5
Euro 5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
NOX-Emissionen [g/kWh]
2.0
Emissionspotential von alternativen Kraftstoffen
Verbrennung im Dieselmotor
Dilemma: NOx/Partikel-Schere
min-1,8.2
8.2bar
barBMEP
PME
2280 rpm,
Konstanter
Verbrennungsschwerpunkt
4.0
3.5
Referenz Diesel
Cetanzahl = 56.5
100% RME
Cetanzahl = 51.8
Biodiesel
 10 % Sauerstoff-Anteil
 aromatenfrei
Rußzahl [-]
SZBO [-]
3.0
2.5
Euro 5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
NOX-Emissionen [g/kWh]
2.0
Emissionspotential von alternativen Kraftstoffen
Verbrennung im Dieselmotor
Dilemma: NOx/Partikel-Schere
min-1,8.2
8.2bar
barBMEP
PME
2280 rpm,
Konstanter
Verbrennungsschwerpunkt
4.0
3.5
Referenz Diesel
Cetanzahl = 56.5
100% RME
Cetanzahl = 51.8
Fischer Tropsch
Cetanzahl ~ 80
Synthetischer Kraftstoff
 kein Sauerstoff-Anteil
 aromatenfrei
Rußzahl [-]
SZBO [-]
3.0
2.5
Euro 5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
NOX-Emissionen [g/kWh]
2.0
Emissionspotential von alternativen Kraftstoffen
Verbrennung im Dieselmotor
Dilemma: NOx/Partikel-Schere
min-1,8.2
8.2bar
barBMEP
PME
2280 rpm,
Konstanter
Verbrennungsschwerpunkt
4.0
3.5
Rußzahl [-]
SZBO [-]
3.0
2.5
Euro 5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
NOX-Emissionen [g/kWh]
2.0
Referenz Diesel
Cetanzahl = 56.5
100% RME
Cetanzahl = 51.8
Fischer Tropsch
Cetanzahl ~ 80
Kerosin niedrigen
Aromatengehaltes
Cetanzahl ~ 45
 kein Sauerstoff-Anteil
 niedrige Siedelinie
 geringer Aromatenanteil
 abgesenkte Cetanzahl
Emissionspotential von alternativen Kraftstoffen
Verbrennung im Dieselmotor
Dilemma: NOx/Partikel-Schere
min-1,8.2
8.2bar
barBMEP
PME
2280 rpm,
Konstanter
Verbrennungsschwerpunkt
4.0
3.5
Rußzahl [-]
SZBO [-]
3.0
2.5
Euro 5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
NOX-Emissionen [g/kWh]
2.0
Referenz Diesel
Cetanzahl = 56.5
100% RME
Cetanzahl = 51.8
Fischer Tropsch
Cetanzahl ~ 80
Kerosin niedrigen
Aromatengehaltes
Cetanzahl ~ 45
Decanol *)
Cetanzahl
= 54

10 % Sauerstoff-Anteil
 aromatenfrei
 Reinstoff
Beispiel Sauerstoffeinfluss
Wie wirkt sich Sauerstoff im Kraftstoff aus?
Startanteil: ~ 50 % (Sauerstoff-Massenanteil in Cellulose)
• Reduktion der Ruß-Emissionen
• Heizwert sinkt
 weniger spez. Energieinhalt
 größerer Tank bei gleicher
Energiemenge notwendig
Chemisch
gebundener
Sauerstoffanteil
im Biokraftstoff
• Heizwert steigt
• Entfernung aus Biomasse notwendig
 H2 Bedarf
 Energiebedarf / CO2-Emissionen
 Zielwert: ~ 20 % (Sauerstoff-Massenanteil im Biokraftstoff)
Kompromiss aus Energieinhalt und Rußreduktion
Volumenbezogener Energiegehalt
von Kraftstoffen
220 % mehr Energiegehalt
pro Volumeneinheit
70
60
Liter
50
1 GJ =
61,2 Liter
1 GJ =
50,5 Liter
40
30
1 GJ =
32,3 Liter
20
1 GJ =
31,6 Liter
D = 13 %
1 GJ =
27,7 Liter
10
0
Methanol
Ethanol
Biodiesel
Benzin
Diesel
Anforderungen an einen
maßgeschneiderten Dieselkraftstoff
1.
definierter Sauerstoffgehalt
2.
definiertes (niedriges) Siedeverhalten
3.
definiertes Zündverhalten (brennverfahrensabhängig)
4.
geringer Aromatenanteil (ringförmige Kohlenwasserstoffe)
5.
Materialverträglichkeit
6.
gute tribologische Eigenschaften (Schmierfähigkeit)
7.
möglichst geringe Geruchsbelästigung
8.
keine Toxizität
Kompromisse sind notwendig
 Eigenschaften sind nicht unabhängig
Diesel-Ergebnisse
Diesel
EN590
1Decanol
4.0
-
56.5
54
3.0
m-%
0.14
10.3
Cetanzahl
Sauerstoffanteil
Heizwert
Siedekurve
Aromatenanteil
MJ/kg
42.9
38.9
°C
180-350
221.5
m-%
~ 25
0
n=2280 1/min, pmi=9.4 bar
3.5
Rußzahl / FSN
Einheit
2.5
Euro 5 - Streuband
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
1-Decanol
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
NOX-Emissionen / g/kWh
Konstanter Verbrennungsschwerpunkt
Diesel EN 590
1-Decanol
Diesel-Ergebnisse
Diesel
EN590
1Decanol
1. TMFB
Fuel
4.0
-
56.5
54
~25.4
3.0
m-%
0.14
10.3
20.6
Cetanzahl
Sauerstoffanteil
Heizwert
MJ/kg
Siedekurve
Aromatenanteil
42.9
38.9
32.1
°C
180-350
221.5
213-233
m-%
~ 25
0
0
n=2280 1/min, pmi=9.4 bar
3.5
Rußzahl / FSN
Einheit
2.5
Euro 5 - Streuband
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
1-Decanol
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
NOX-Emissionen / g/kWh
Butyllevulinate
n-Tetradecane
Konstanter Verbrennungsschwerpunkt
Diesel EN 590
1-Decanol
1. Tailor-Made Fuel
Diesel-Ergebnisse
Diesel
EN590
1Decanol
1. TMFB
Fuel
2. TMFB
Fuel
4.0
-
56.5
54
~25.4
~15
3.0
m-%
0.14
10.3
20.6
18.6
Cetanzahl
Sauerstoffanteil
Heizwert
MJ/kg
Siedekurve
Aromatenanteil
42.9
38.9
32.1
33.5
°C
180-350
221.5
213-233
80
m-%
~ 25
0
0
0
n=2280 1/min, pmi=9.4 bar
3.5
Rußzahl / FSN
Einheit
2.5
Euro 5 - Streuband
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
1-Decanol
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
NOX-Emissionen / g/kWh
Butyllevulinate
n-Tetradecane
2-MTHF
Konstanter Verbrennungsschwerpunkt
Diesel EN 590
1-Decanol
1. Tailor-Made Fuel
2. Tailor-Made Fuel
MTHF: Methyltretrahydrofuran
Ein erster maßgeschneiderter Kraftstoff
Motorische Ergebnisse
Aber …
The International Advisory Board
Scientific Advisors
Yale University
University of
Notre Dame
Technical University
of Denmark
Universidad de
Valencia
The University
of Nottingham
Princeton
University
Massachusetts
Inst. of Techn.
University of
Wisconsin-Madison
University of
California
Petroleum
Process
Automotive
Industrial Advisors
BP
Shell
Zusammenfassung
 Kraftstoffeigenschaften sind heute eng an Diesel und Ottomotoren geknüpft
 Kraftstoffe haben das Potential das Motorverhalten zu beeinflussen
 Höherer Wirkungsgrad
 Verringerte Schadstoffemissionen
 Das volle Potential von Kraftstoffen ist noch nicht ausgeschöpft
 Neue synthetische und/oder maßgeschneiderte Kraftstoffe, auch aus
Biomasse, eröffnen eine neue Perspektive für Motoren
 Möglicherweise können Diesel und Ottomotoreigenschaften zu einem
optimalen zukünftigen Brennverfahren kombiniert werden
Der Exzellenzcluster
„Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse“
Tailor-Made Fuels from Biomass
Neue Synthese- und Produktionswege
Kraftstoffherstellung
Nachhaltige
Biokraftstoffe,
maßgeschneidert für eine
saubere Verbrennung
•
•
21 Institute der RWTH Aachen University
2 Externe Partner
•
Verbrennungsmotor
•
Modellbasierte Analyse der Verbrennungseigenschaften
Kontakt:
exc@vka.rwth-aachen.de
www.fuelcenter.rwth-aachen.de
•
•
•
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung,
Mülheim (MPI)
Fraunhofer Institut für Molekulare
Biologie and Angewandte Ökologie
5 Juniorprofessuren
60 Doktoranden/innen und PostDocs
Einrichtung des “Fuel Design Centers”
Einladung zum
3. TMFB International Workshop
des
Exzellenzclusters
“Maßgeschneiderte Kraftstoffe
aus Biomasse”
23.-24. Juni 2010
Eurogress Aachen
Informationen unter:
www.fuelcenter.rwth-aachen.de
Document
Kategorie
Automobil
Seitenansichten
6
Dateigröße
2 326 KB
Tags
1/--Seiten
melden