Forschung

Ablagerungen in Common-Rail-Injektoren

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)

Motivation

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.

Methodik

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.

Ergebnis

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.

Dokumentation

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

Themis

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

Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

Wilhelmstr. 54
10117 Berlin
Deutschland

Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) e. V.

Hofplatz 1
18276 Gülzow-Prüzen
Deutschland

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e. V.

Lyoner Str. 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland

Industrie

Dr.-Ing. Manuel Boog
MTU Friedrichshafen GmbH

Forschungsstelle

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

Universität Rostock

Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren (LVK)/Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik

Albert-Einstein-Str. 2
18059 Rostock
Deutschland

Projektmanagement

Ralf Thee

FVV
+49 (0) 69 6603 1349
+49 (0) 69 6603 2349

Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345