Zwischenbericht XME-Diesel: Bio-)Methylether als alternative Kraftstoffe in bivalenten Diesel Brennverfahren

Im Rahmen des Projekts „xME Diesel“ werden Dimethylether (DME) und Methylal (OME1) als alternative Kraftstoffe für die dieselmotorische Verbrennung untersucht. Ziel des Projekts ist es je ein Demonstratorfahrzeug für DME und OME1 und einen Nutzfahrzeugmotor für OME1 aufzubauen. Des Weiteren wird für DME eine Bivalenz mit Diesel untersucht. Um dies zu erreichen werden zunächst grundlegende Untersuchungen der Gemischbildung an einer Hochdruckkammer durchgeführt. Darauf werden die Kraftstoffe an PKW- und NFZ-Einzylindermotoren untersucht und im Anschluss wird eine Brennverfahrensoptimierung durchgeführt. Im vorliegenden Bericht werden die Gemischbildungsuntersuchungen, sowie Ergebnisse der Einzylindermotoren von OME1 im Vergleich zu Diesel präsentiert. Dabei wurden unterschiedliche Düsenkonfigurationen verwendet um den geringeren volumetrischen Heizwert von OME1 auszugleichen. Die Gemischbildungsuntersuchungen zeigten eine sehr kurze flüssige Eindringtiefe von OME1 im Vergleich zu Diesel. Außerdem steigt die flüssige Eindringtiefe von OME1 bei der Verwendung einer Düse mit größerem Spritzlochquerschnitt nur unwesentlich an. Im Gegensatz dazu zeigt Diesel bei der Verwendung der größeren Düse einen starken Anstieg der flüssigen Eindringtiefe, wodurch es zu einer Benetzung des Turbulenzrings kommen kann. Außerdem wurde aufgrund der geringen Cetanzahl von OME1 (Cetanzahl = 26) eine hohe Varianz des Zündzeitpunkts in der Hochdruckkammer festgestellt. Die Untersuchungen am PKW-Einzylindermotor zeigten vor allem eine rußfreie Verbrennung bei der Verwendung von OME1 für die untersuchten Lastpunkte und Düsenkonfigurationen. Allerdings steigen durch die geringe Cetanzahl von OME1 die Geräuschemissionen an und durch den größeren Kühlungseffekt, aufgrund der größeren eingespritzten Kraftstoffmasse, sind die Abgastemperaturen um bis zu 100 °C gegenüber Diesel reduziert. Aufgrund der rußfreien Verbrennung von OME1 wurden am NFZ-Einzylinder die Abgasrückführungsraten (AGR) bis hin zum stöchiometrischen Betrieb sukzessive erhöht. Dadurch konnte eine drastische Reduktion der Stickoxide im gesamten Kennfeld erreicht werden und es würde die Verwendung eines Drei-Wege-Katalysators zur Abgasnachbehandlung ermöglichen. Allerdings sinkt der Wirkungsgrad durch die hohen AGR-Raten um bis zu 3 % im Kennfeld ab und die Methanemissionen steigen drastisch an. Daher wurde die AGR-Rate gesenkt, um ein Kraftstoffluftverhältnis von λ = 1,1 im Kennfeld zu erreichen. Dadurch konnte ebenfalls eine drastische Reduktion der Stickoxide erreicht werden, was erhebliche Vorteile für ein SCR- bzw. NOx-Speicher-Katalysator-System mit sich bringen würde ohne nennenswerte Defizite im Wirkungsgrad oder den Methanemissionen.     «

Im Rahmen des Projekts „xME Diesel“ werden Dimethylether (DME) und Methylal (OME1) als alternative Kraftstoffe für die dieselmotorische Verbrennung untersucht. Ziel des Projekts ist es je ein Demonstratorfahrzeug für DME und OME1 und einen Nutzfahrzeugmotor für OME1 aufzubauen. Des Weiteren wird für DME eine Bivalenz mit Diesel untersucht. Um dies zu erreichen werden zunächst grundlegende Untersuchungen der Gemischbildung an einer Hochdruckkammer durchgeführt. Darauf werden die Kraftstoffe an PK...     »

Within the project “xME Diesel“ the alternative fuels dimethyl ether (DME) and methylal OME1) are investigated in a compression ignition engine. The goal of the project is to build a demonstrator vehicle for DME and OME1 as well as a heavy-duty engine for OME1. Furthermore, for DME the bivalency with Diesel is investigated. In order to achieve these goals first fundamental investigations are carried out in a high pressure chamber in order to characterize the mixture formation. Afterwards, the fuels are investigated in light-duty and heavy-duty single cylinder engines and the combustion process will be optimized. In the present report the mixture formation investigations as well as the single cylinder results for OME1 in comparison to Diesel are presented. Here, different nozzle configurations are regarded in order to compensate the lower volumetric heating value of OME1. The spray investigations showed a very short liquid penetration length for OME1 in comparison to Diesel. Furthermore, the liquid penetration length of OME1 using the larger nozzle was only increasing marginally. Opposed to that, the liquid penetration length of Diesel in combination with the larger nozzle was increasing strongly, which could lead to wetting of the piston’s turbulence ring. Due to the lower Cetane number (CN) of OME1 (CN = 26) a high variance of the ignition timing was observed. The light-duty single cylinder investigations revealed a soot free combustion for OME1 for all investigated load points and nozzle configurations. However, for OME1 the combustion induced noise is increased due to the low Cetane number and the exhaust gas temperature is up to 100 °C lower compared to Diesel, due to the higher amount of injected fuel. Due to the soot free combustion of OME1, the exhaust gas recirculation rates (EGR) were gradually increased up to stoichiometric operation. Thereby, the nitrous oxide emission could drastically be decreased throughout the whole engine load range and the use of a three-way catalyst for the exhaust gas treatment would be possible. However, due to the high EGR-rates the indicated efficiency is reduced by up to 3 % throughout the engine map and the methane emissions increase drastically. Therefore, the ERG-rates were decreased to achieve a relative air-fuel ratio of λ = 1.1. This led to a drastic reduction of nitrous oxides emissions as well which is beneficial for the SCR- or rather lean NOX trap system without having the high methane emissions and decreased in efficiency.     «

Within the project “xME Diesel“ the alternative fuels dimethyl ether (DME) and methylal OME1) are investigated in a compression ignition engine. The goal of the project is to build a demonstrator vehicle for DME and OME1 as well as a heavy-duty engine for OME1. Furthermore, for DME the bivalency with Diesel is investigated. In order to achieve these goals first fundamental investigations are carried out in a high pressure chamber in order to characterize the mixture formation. Afterwards, the fu...     »