Forschung

XME: Alternative Kraftstoffe für Diesel-Brennverfahren

Welches Potenzial haben synthetische Kraftstoffe auf Basis von sauerstoffhaltigen Methylethern, um fossilen Diesel in einem selbstzündenden Brennverfahren zu ersetzen? In dem von der FVV begleiteten Forschungsvorhaben XME, gefördert im Rahmen des BMWi-Fachprogramms „Neue Fahrzeug- und Systemtechnologien“, untersuchten Forschungsstellen an der RWTH Aachen und der TU München zusammen mit Denso, Ford und IAV die Eignung von DME (Dimethylether) und OME-1 (einwertigem Oxymethylenether). Wesentliches Ziel des Projektes war es, das Brennverfahren an die physikalischen und chemischen Eigenschaften der neuen Kraftstoffe so zu adaptieren, dass die Schadstoff-Rohemissionen deutlich sinken und sich gleichzeitig der Motor-Wirkungsgrad verbessert.

» DME wird aus Methanol hergestellt. Methanol wiederum lässt sich auf Basis von Sonnen- oder Windstrom in vielen Weltregionen produzieren, mit dem Schiff nach Mitteleuropa transportieren und hier weiterverarbeiten – mit Anlagentechnik, die heute bereits existiert. Damit hätten wir sofort einen synthetischen Kraftstoff in großen Mengen. «
Dr.-Ing. Werner Willems (Ford Research and Innovation Center Aachen)

Motivation

Aus der Literatur sind zahlreiche Einzel-Untersuchungen zur schadstoffarmen oder sogar rußfreien Verbrennung von Methylether-basierten Kraftstoffen bekannt. Für den Fahrzeugeinsatz müssen jedoch Gemischbildung und Verbrennung auf die Eigenschaften neuer Kraftstoffe adaptiert werden. Gelingt dies, können synthetisch hergestellte Kraftstoffe perspektivisch nicht nur einen Beitrag zur Luftreinhaltung, sondern auch zu einem klimaverträglichen Straßenverkehr leisten.

» Sektorkopplung durch Nutzung strombasierter Kraftstoffe ist extrem wichtig für zukünftige Mobilitätskonzepte, da sie gezielt innovative Energie- und Verkehrsthemen miteinander verknüpft. Das XME-Diesel-Projekt wurde im Rahmen des Programms „Neue Fahrzeug- und Systemtechnologien“ gefördert, das sich auf Forschung und Entwicklung verbrennungsmotorischer Antriebe für alternative Kraftstoffe konzentriert und mittelfristig auch Bestandsfahrzeugen eine CO2-neutrale Perspektive bietet. «
Dipl.-Ing. Dietmar Goericke (FVV e. V.)

Methodik

Zunächst musste ein Einspritzsystem entwickelt werden, das in der Lage ist, mit den im Vergleich zu fossilem Diesel deutlich veränderten physikalischen Eigenschaften von DME und OME-1 umzugehen. Die sich anschließenden Tests an einem Einzylindermotor galten vor allem der Auslegung eines geeigneten Brennverfahrens. Neben diesen grundlegenden Untersuchungen wurden Testreihen an Vollmotoren durchgeführt, die die Vorteile der Kraftstoffe hinsichtlich Rußemissionen bestätigten. Anschließend wurden zwei Demonstrator-Fahrzeuge für den DME-Betrieb umgerüstet und einem Emissionstest nach WLTP unterzogen.

» Dass wir so gute Ergebnisse erzielen konnten, lag vor allem an der breiten Unterstützung durch die Konsortialpartner und den Forschungskreis. Alle, die daran mitgearbeitet haben, waren sehr motiviert. «
Dipl. Wirt.-Ing. Ralf Thee (FVV e. V.)

Ergebnis

Bereits die Tests am Einzylindermotor zeigten, dass mit beiden Kraftstoffen eine rußfreie Verbrennung einzustellen ist, mit DME konnte zudem die Leistungsdichte des fossil betriebenen Verbrennungsmotors erreicht werden. Untersuchungen am Pkw-Vollmotor bestätigten das vorhergesagte Emissionsverhalten des Einzylinders bei gleichen CO2-Emissionen des korrespondierenden Dieselmotors. Eine weitere CO2-Reduktion (bis zirka zehn Prozent) lässt sich erzielen, wenn das Brennverfahren sowie Luft- und Abgaspfad für den DME-Betrieb angepasst werden. Für Test mit OME-1 wurde ein Nutzfahrzeugmotor aufgebaut, an dem für anwendungsspezifische Lastpunkte ebenfalls deutliche Emissionsvorteile nachgewiesen wurden. Schließlich wurden zwei Pkw als Demonstratorfahrzeuge mit dem auf dem Prüfstand entwickelten optimierten Motorkonzept sowie einem Flüssiggas-Tanksystem, das von einem konventionellen LPG-System abgeleitet wurde, ausgestattet. Im Prüfzyklus WLTC erreichten diese Fahrzeuge, deren Fahrbarkeit nicht eingeschränkt war, einen vollständig rußfreien Betrieb bei gleichzeitiger Verringerung der Stickoxide um ein Drittel. Trotz mangelnder Adaption des Luftpfades und Brennverfahrens im Fahrzeug blieben die CO2-Emissionen nahezu konstant. Abschließende Tests am Einzylindermotor zeigten, dass der Motorwirkungsgrad noch deutlich gesteigert werden kann – und gleichzeitig ein Notlauf mit konventionellem Dieselkraftstoff bei minimierter Emissionsverschlechterung möglich ist.

Dokumentation

XME-Diesel | (Bio-)Methylether als alternative Kraftstoffe in bivalenten Diesel-Brennverfahren | Vorhaben-Nr. 1005 | Verbundforschung | Fördernummer 19U15007 A-D

Wir danken den Firmen Oberon Fuels und Prins Westport für die Bereitstellung von Dimethylether bzw. DME-Tanksystemen.

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Öffentlich gefördert

Fördersumme
3.500.000,00 EUR

Laufzeit
01.06.2015 bis 31.03.2019

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
Deutschland

Industrie

Dr.-Ing. Werner Willems
Ford Research and Innovation Center Aachen

Dr.-Ing. Bernhard Koonen
TÜV Rheinland Consulting GmbH

Forschungsstellen

1 | Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) - RWTH Aachen University

Wissenschaftliche Leitung:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger

2 | Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (LVK) - Technische Universität München

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Georg Wachtmeister

Projektpartner

1 | IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr

Wissenschaftliche Leitung:
Dipl.-Ing. Thorsten Tietze

2 | DENSO AUTOMOTIVE Deutschland GmbH

Wissenschaftliche Leitung:
Dr.-Ing. Jost Weber

Technische Universität München (TUM)

Lehrstuhl für Verbrennungskraft­maschinen (LVK)

Arcisstr. 21
80333 Garching
Deutschland

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH)

Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA)

Forckenbeckstr. 4
52074 Aachen
Deutschland

Projektmanagement

Ralf Thee

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


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