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Projekte - Details

Verbundvorhaben: Gemischbildung und Verbrennung von Alkoholen und anderer biogener Kraftstoffe in mischungskontrollierten Brennverfahren; Teilvorhaben 1: Experimentelle Untersuchung von Gemischbildung und Verbrennung biogener Kraftstoffe in Modellsystemen - Akronym: MiFoCo-bio

Anschrift
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik (LTT)
Am Weichselgarten 8
91058 Erlangen
Projektleitung
Prof. Dr.-Ing. Michael Wensing
Tel: +49 9131 85-29782
E-Mail schreiben
FKZ
2220NR021A
Anfang
01.10.2020
Ende
30.06.2023
Ergebnisverwendung
Der Einfluss physikalischer Eigenschaften auf den Mischungsprozess ist für alle untersuchten Kraftstoffe vernachlässigbar, es resultiert die gleiche Kraftstoff/Luft-Massenverteilung für den jeweiligen Injektor. Dieser beeinflusst das Gemischfeld über Lochdurchmesser und Kegelwinkel. Die physikalische Beschreibung ist dabei für Pkw- und Großinjektoren identisch. Injektoren und Kraftstoffe beeinflussen Zeit, Ort und Wärmefreisetzung der Verbrennung. Injektoreinflüsse können dabei von reaktionschemischen Einflüssen systematisch getrennt werden. Der relative reaktions-chemische Einfluss bei unterschiedlichen Injektoren ist gleich. Diese Charakteristika bezüglich Kraftstoff und Injektor treten auch unter Dual-Fuel-Bedingung auf. Generell mindern biogene Kraftstoffe mit molekularem O2-Gehalt als Reinstoff und Mischungskomponente die Rußbildung deutlich. Injektor- und Kraftstoffeinflüsse sind bei Gemischbildung und Verbrennung systematisch gleich und trennbar und können unabhängig voneinander charakterisiert werden. Großinjektoren können mit denselben Modellen wie Pkw-Injektoren erfasst, biogene auf derselben Basis wie konventionelle Kraftstoffe beschrieben werden. Auf dieser Basis ermöglichten Messungen der quantitativen Gemischzusammensetzung bei der Einspritzung im Einspritzkammerprüfstand (APII.3) die allgemeingültige Validierung von 2D-Spraymodellen. Mit diesen ist nun eine quantitative Beschreibung der Gemischverteilung verschiedener Injektoren und Kraftstoffe variabel möglich. In APII wurden neuwertige thermodynamische Dampfdruck- und VLE-Daten für Ethanol und 1-Octanol sowie die binären Systeme 1-Octanol/N2, 1-Octanol/O2, n-Tridecan/N2, n-Pentadecan/N2, n-Hexadecan/N2 und n-Heptadecan/N2 ermittelt. Zusätzlich wurden Zustandsgleichungen zur kontinuierlichen Modellierung der VLE-Daten herangezogen. Diese und weitere Daten (Siedeverlaufskurve von HVO) wurden direkt in die Simulation integriert und die Qualität der jeweiligen Ergebnisse dadurch signifikant gesteigert.
Aufgabenbeschreibung
Das Vorhaben fokussierte sich auf Biokraftstoffe (HVO, Ethanol, 1-Octanol), die neben Potentialen bei Bereitstellungsemissionen aufgrund ihres chemischen Aufbaus auch geeignet sind, direkte motorische Emissionen zu mindern und Konflikte wie die Ruß-NOx-Schere aufzulösen. In API wurden optische Messtechniken verwendet, um am Einspritzkammerprüfstand Gemischbildung und Verbrennung biogener Kraftstoffe zu untersuchen. Der Fokus lag auf dem Einfluss der Kraftstoffe auf die Schritte der motorischen Prozesskette. Es wurde untersucht, ob physikalische Eigenschaften einen Einfluss auf die Gemischbildung haben. Außerdem wurde analysiert, inwieweit physikalische und chemische Eigenschaften die Verbrennung beeinflussen. Für Verbrennungsmotoren ist nicht mehr der Pkw-Motor der maßgebliche Anwendungsfall, sondern der Bereich der Großmotoren (z.B. Schiffe). Deshalb wurde in allen Aspekten verglichen, welche Einflüsse von unterschiedlichen Injektoren ausgehen. Hierzu wurden ein Großinjektor und ein Pkw-Injektor, für den noch eine breitere Datenbasis besteht, gegenübergestellt. Für die Durchführung von APII zur Stoffdatenermittlung wurde das Institut für Thermische Verfahrenstechnik, Umwelt- und Naturstoffverfahrenstechnik (ITUN) der TU Freiberg im FuE-Auftrag von der FAU eingebunden, um die drei Arbeitspakete zu bearbeiten. In APII.1 wurden Dampfdruckkurven von Alternativkraftstoffen untersucht und Daten bis zum kritischen Punkt ermittelt. Der Hauptfokus lag auf APII.2, in dem die Ermittlung von Dampf/Flüssigkeit-Phasengleichgewichtsdaten (VLE) von Kraftstoff/N2- und Kraftstoff/O2-Gemischen mittels Raman-Spektroskopie untersucht wurden. Es wurden VLE-Daten bei dieselrelevanten Drücken und Temperaturen mit Raman-Spektroskopie ermittelt. In APII.3 wurde die Gemischbildung in Kraftstoffsprays mit Raman-Spektroskopie an einer Einspritzkammer untersucht. Die Messtechnik liefert hierbei direkt quantitative Ergebnisse der Gemischzusammensetzung aus Kraftstoff und Umgebungsgas (N2/Luft).

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