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.

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

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