ENIAK 2

Entwicklung eines nichtmotorischen Injektor-Verkokungsprüfstandes für alternative Kraftstoffe

Kurzbeschreibung

In den letzten Jahren haben sich maßgebliche Änderungen der Zusammensetzung und Qualität von Dieselkraftstoffen ergeben. Zusätzlich zu den bereits vertretenen alternativen Kraftstoffen wie Fettsäuremethylester (FAME) aus Raps- oder Sojaöl drängen neue Biokraftstoffe und Additive in den Markt. Neben hydrierten Pflanzenölen und alternativen Rohstoffen für die Herstellung von Fettsäuremethylester (FAME) werden auch zukünftige Kraftstoffe auf Basis von Algen und Biomasse (Biomass-to-Liquid, BtL), bereits thematisiert. Auf der Seite der fossilen Kraftstoffe gibt es auch neue Entwicklungen. Rohöl aus konventionellen Lagerstätten wird ergänzt durch flüssige Kohlenwasserstoffe aus alternativen fossilen Quellen wie Erdgas (Gas-to-Liquid, GtL) und Kohle (Coal-to-Liquid, CtL).

Moderne Common-Rail-Dieselmotoren müssen die kontinuierlich verschärften Abgasnormen wie Euro V und Euro VI erfüllen. Hierzu werden bei jedem Einspritzvorgang mehrere Vor-, Haupt- und Nacheinspritzevents von einer Dauer unterhalb einer Millisekunde ausgeführt. Diese multiplen Einspritzungen werden mit kontinuierlich steigenden Einspritzdrücken (aktuell bis zu 2.500 bar, in Prototypen bis 3.000 bar) kombiniert. Hierzu werden entsprechend kleinere Öffnungsquerschnitte benötigt. Die Umsetzung erfolgt durch hochentwickelte und hochagile Einspritzventile mit geringen Spaltmaßen im Injektorinneren. Es ist naheliegend, dass die Injektoren aufgrund der geringen Toleranzen empfindlicher auf die Bildung von Ablagerungen im Injektorinneren (Internal Diesel Injektor Deposits, IDID) reagieren. IDID führen zu einer trägeren Reaktion oder komplettem Versagen des Magnetventils und/oder der Düsennadel, was zu einem verzögerten Öffnen und/oder Schließen oder Ausfall des Injektors führt. Die Folge ist eine Verschiebung des Einspritzzeitpunkts, gegebenenfalls einhergehend mit einer Falschbemessung der eingespritzten Kraftstoffmenge, insbesondere bei niedriger Last und im Leerlauf. Dies führt auch zu erhöhten Emissionen. Die für den Fahrer wahrnehmbaren Folgen sind ein unruhiger Leerlauf, Kaltlaufprobleme und schlimmstenfalls Motorstartprobleme oder ein vollständiger Injektorausfall. Das Auftreten von IDID wird weltweit beobachtet. Für die Zukunft ist zu erwarten, dass IDID an Bedeutung gewinnt, da die Spaltmaße aufgrund der steigenden Einspritzdrücke weiter abnehmen werden.

Für die Industrie ist es von großer Wichtigkeit, eine geeignete, allen Anwendern zur Verfügung stehende Prüfmethode zu haben, mit der die Tendenz zur Ablagerungsbildung von Kraftstoffen und Kraftstoffkomponenten in modernen Dieselmotoren untersucht werden kann. Hierzu steht aktuell im Wesentlichen der motorische DW10-Test (CEC F-98-08) zur Verfügung.

Arbeitsziele des Projekts

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Entwicklung eines nichtmotorischen Injektor-Verkokungsprüfstandes für alternative Kraftstoffe“ (ENIAK II) soll eine strukturierte Effektklärung der Bildung von IDID durchgeführt werden. Dabei wird sowohl auf experimentelle Untersuchungen am Injektorprüfstand zurückgegriffen als auch die Entwicklung eines reaktionsmechanistischen Gesamtmodells durchgeführt.

Die Zielsetzung liegt auf der Entwicklung einer Prüfmethode zur Überprüfung von Kraftstoffen und Kraftstoff-Additiv-Kombinationen hinsichtlich ihrer Neigung zur Ablagerungsbildung sowie von Injektoren hinsichtlich ihrer Sensitivität gegenüber Ablagerungsbildung. Hierzu soll auch eine online-Diagnosemethode entwickelt werden, mit welcher die Injektorfunktion im laufenden Betrieb überprüft werden kann. Außerdem wird, zur Verschärfung der Versuchsbedingungen, der Kraftstoff im Kreis gefördert und somit forciert gealtert. Um den nichtmotorischen Injektorprüfstand „ENIAK“ zu einer schnellen, wiederholbaren, verlässlichen und kostengünstigen Prüfmethode für Kraftstoffe und Additive zu ertüchtigen, die verlässlich Rückschlüsse auf den realen Einsatz zulässt, werden mehrere Ansätze parallel verfolgt und miteinander verknüpft. In einer Parametervariation werden die Einzeleinflüsse, wie die Temperatur im Bereich der Injektornadel, des Injektormagnetventils, des Kraftstoffs bei Eintritt in die Hochdruckpumpe und bei Eintritt in den Injektor, die Einspritzmenge, die Einspritzfrequenz, der Einspritzdruck, der Kraftstoff und die Injektorbauteile untersucht. Um die Anzahl an notwendigen Einzelversuchen zur Bestimmung der vielfältigen Einzelparametereinflüsse mittels Design of Experiment (DoE) effizient minimieren zu können, wird zunächst in einer Sensitivitätsanalyse die Anzahl an Einzelparametern reduziert. Hierzu wird während der gesamten Projektlaufzeit ein reaktionsmechanistisches Gesamtmodell entwickelt, das die einzelnen Ablagerungstypen von IDID und deren Bildungsmechanismen beinhaltet. Generell ist bekannt, dass Ablagerungsarten gleichzeitig beziehungsweise in Kombination auftreten können. Daher sind Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bildungsmechanismen wahrscheinlich. Diese Quereinflüsse müssen bei der Modellbildung berücksichtigt werden.

Um die Auswirkung der einzelnen Parameter auf die IDID-Bildung zu bewerten, werden Injektordiagnosemethoden entwickelt. Neben einer Bewertungsroutine für die Endpunktdiagnose des Injektors (Injektorfunktionstest in Injektordiagnosegeräten, optische Bewertung des Injektorinneren) wird eine Onlinediagnose mittels Körperschallmessung weiterentwickelt. Hierbei wird das Körperschallsignal am Injektor abhängig vom elektrischen Injektoransteuerungssignal aufgezeichnet und bewertet.

Durchführende Forschungsstelle

• Lehrstuhl für Numerische Thermofluiddynamik am Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen der TU Bergakademie Freiberg
• OWI Oel-Waerme-Institut GmbH, Herzogenrath

Projektförderung

Das IGF-Vorhaben 18575 BG der Forschungsvereinigung Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e.V. – DGMK, Überseering 40, 22297 Hamburg wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Projektlaufzeit

01.03.2016 bis 31.08.2018

Ansprechpartner

Sebastian Feldhoff
Tel.: 02407/ 9518-117
E-Mail: S.Feldhoff@owi-aachen.de