Forschung
Entwicklungswerkzeuge
In den Einspritzkomponenten von Verbrennungsmotoren kommt es durch Ablagerungen immer wieder zu Problemen beim Motorbetrieb. Die Zusammensetzung und die Entstehung dieser Ablagerungen sind noch weitestgehend unbekannt. Das Projekt zielte darauf ab, Ursachen, Einflussfaktoren, Entstehungsmechanismen sowie konstruktive und kraftstoffseitige Maßnahmen zur Vermeidung zu identifizieren. Praktische Untersuchungen im Labor und am Prüfstand sowie Modellierungsarbeiten zur Abbildung der Reaktionspfade bildeten die Basis. Im Fokus dabei standen Common-Rail-Injektoren mit Diesel- und Biodieselkraftstoffen. Den größten Einfluss auf die Belagsbildung haben die Injektorleckagetemperaturen sowie der Aromaten-, Sauerstoff- und Additivgehalt im Kraftstoff. Daraus lassen sich konkrete Empfehlungen zur Konzeption des Kraftstoffmanagements, zur Auslegung der Injektoren und für den Motorbetrieb ableiten.
» Durch systematische und beharrliche Forschungsarbeit haben wir in der FVV ein vertieftes Verständnis über die Bildung von Ablagerungen in Einspritzkomponenten erarbeitet. Damit leisten wir einen wichtigen Beitrag, um Verbrennungsmotoren effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten. «
Dr.-Ing. Manuel Boog (MTU Friedrichshafen GmbH)
Bei einem Common-Rail-Dieselmotor wird der unter Druck stehende Kraftstoff über ein gemeinsames Rohrleitungssystem in den Motor eingebracht.
Bildquelle: L'Orange
Anhand der Modellierung von Oxidationsprozessen im Kraftstoff konnten bestimmende Vorgänge für die Ablagerungsbildung berechnet werden. Als Kraftstoffe kamen fossiler Dieselkraftstoff und FAME (Fatty Acid Methyl Ester) zum Einsatz.
Bildquelle: Fotolia | Oleksandr
Vergleich von Injektorbauteilen eines neuwertigen (A) und gelaufenen (B) CR-Injektors; rötlich-bräunliche Ablagerungen auf Teilen von Injektor B.
Bildquelle: LKV | Universität Rostock
Schichtdicken in Abhängigkeit des Biodieselgehalts und der Versuchsdauer
Bildquelle: LKV | Universität Rostock
Ablagerungen in Einspritzkomponenten von Verbrennungsmotoren können zu Betriebsstörungen führen. Diese Rückstände bestehen aus organischen Polymeren, über deren chemische Struktur und Entstehungsmechanismen noch keine gesicherten Erkenntnisse vorliegen. Das Projektziel bestand daher darin, eine umfassende Analyse der Ablagerungen – insbesondere in Common-Rail-Injektoren – zu erarbeiten sowie deren Bildung und die relevanten Einflussfaktoren zu beschreiben. Darüber hinaus galt es, aufbauend darauf geeignete Vermeidungsmaßnahmen abzuleiten.
Die Forschungsarbeiten umfassten sowohl Labor- und Prüfstandsuntersuchungen als auch die Modellierung. Im Fokus der Laborversuche stand die Analytik der Kraftstoffe und ihrer Additive. An einem neu entwickelten Prüfstand mit realen Injektoren wurden die Ablagerungen bei verschiedenen Temperaturen vermessen. Parallel dazu konnten anhand der Modellierung von Oxidationsprozessen im Kraftstoff bestimmende Vorgänge für die Ablagerungsbildung berechnet werden. Als Kraftstoffe kamen fossiler Dieselkraftstoff und Biodiesel (Fettsäuremethylester | Fatty Acid Methyl Ester - FAME) zum Einsatz.
Die wesentlichen Einflussgrößen auf die Belagsbildung sind die Injektorleckagetemperaturen, der Aromaten- und Sauerstoffgehalt im Kraftstoff sowie der Gehalt an bestimmten Additiven. Aus diesen Erkenntnissen lassen sich folgende belagssenkende Maßnahmen ableiten: Vermeiden von Kraftstofftemperaturen über 130°C; Optimieren der Zusammensetzung des Dieselkraftstoffs – paraffinische sind aromatischen Grundkraftstoffen vorzuziehen; die FAME-Konzentration ist einzugrenzen; Reduzieren der Sauerstoffkonzentration im Kraftstoff; Vermeiden von Additiven auf Basis niedermolekularer PIB(Polyisobutene)-Kohlenwasserstoffketten. Diese Maßnahmen enthalten eine Vielzahl konkreter Empfehlungen für das Kraftstoffmanagement, die Injektorauslegung und den Motorbetrieb.
Kraftstoffveränderungen I | Änderung von Kraftstoffeigenschaften unter extremen Randbedingungen - Ablagerungen in Common-Rail-Injektoren | Vorhaben-Nr. 1063 | Eigenmittel
Kraftstoffveränderungen II | Änderung von Kraftstoffeigenschaften unter extremen Randbedingungen - Ablagerungen in Common-Rail-Injektoren | Vorhaben-Nr. 1095 | FNR/Eigenmittel
Kraftstoffveränderungen III | Ablagerungen in Common-Rail-Injektoren - kraftstoffseitige und konstruktive Vermeidungsstrategien | Vorhaben-Nr. 1186 | FNR/BMEL/Eigenmittel
Status
Abgeschlossenes Projekt
Programm
Öffentliche Förderung und Eigenmittel
Fördersumme
887.958,00 EUR
Laufzeit
01.04.2011
bis
31.12.2011
Teil I
01.01.2012
bis
30.09.2014
Teil II
01.01.2015
bis
28.02.2017
Teil III
Fördergeber
Projektkoordination
Dr.-Ing. Manuel Boog
MTU Friedrichshafen GmbH
Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren (LKV) | Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik | Universität Rostock
Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Horst Harndorf | I-III
Prof. Dr.-Ing. Bert Buchholz | III
Wissenschaftliche Mitarbeiter:
Dr. rer. nat. Svetlana Crusius | II
Dr.-Ing. Christian Fink | II+III
Dipl.-Ing. René Junk | II+III
Dipl.-Chem. Kornelia Lau | II
Matthias Nowotny, M. Sc. | III
Dr.-Ing. Beate Richter | II
Dr. rer. nat. Ulrike Schümann | I-III
Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.
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60528 Frankfurt am Main
Deutschland
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