Forschungs- und Innovationsprojekt Evolum
Einspritz- und Verbrennungsverhalten von Rapsölkraftstoff

Rapsöl in einer Glasflasche vor einem blühenden Rapsfeld

Biokraftstoffe sind ein Ersatz für Dieselkraftstoff und helfen Treibhausgasemissionen zu vermeiden. Für den Einsatz in der Landwirtschaft kommen beispielsweise Biodiesel oder Rapsölkraftstoff in Betracht. Ziel ist es, einen modernen Landtechnikmotor optimal auf Rapsölkraftstoff abzustimmen. In diesem Vorhaben wird zunächst das Einspritz-, Zünd- und Verbrennungsverhalten von Rapsölkraftstoff in Abhängigkeit von Einspritz - und Brennraumbedingungen umfassend analysiert. Darauf aufbauend sollen Maßnahmen für die kraftstoffspezifische Anpassung von Motoren abgeleitet werden, um das Potenzial hinsichtlich Betriebssicherheit und geringen Emissionen auszuschöpfen. Im Fokus stehen dabei die Einspritzparameter, die eine kraftstoffspezifische Optimierung der Motorsteuerung ermöglichen. Anhand der Erkenntnisse soll ein Motor mit Abgasnachbehandlung bestmöglich für Rapsölkraftstoff optimiert werden.

Ziel

Das Ziel des Verbundvorhabens besteht in der Erarbeitung von Grundlagen zur Auslegung der Motorsteuerung von pflanzenöltauglichen Off-Road-Motoren mit moderner Abgasnachbehandlung und der anschließenden Validierung der Ergebnisse am Prüfstand. Hierfür sind zunächst spezielle Kenntnisse über die Parameter Einspritz-, Zünd- und Brennverhalten der alternativen Kraftstoffe zu ermitteln. Die Ergebnisse sollen auf unterschiedliche Motoren übertragbar sein, um kraftstoffoptimierte Applikationen zu realisieren und Simulationsberechnungen zu ermöglichen.
Im Rahmen des Teilvorhabens 1 des TFZ sollen das Zündverhalten und der Brennverlauf von Rapsölkraftstoff und weiteren Pflanzenölen mit einem Constant-Volume-Combustion-Chamber Prüfgerät (AFIDA) charakterisiert werden. Im Rahmen des Teilvorhabens 2 der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg (OTH) wird an einem Einspritzsystemprüfstand die hydraulische Einspritzcharakteristik von Pflanzenölkraftstoffen mittels dem Einspritzratenmessgerät Moehwald HDA und einer optisch zugänglichen Hochdruckkammer ermittelt. An der OTH wird ein Versuchsmotor aufgebaut und auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse optimiert.

Methode

Integration eines Off-Road-Motor-Injektors am Einspritzratenmessgerät, einer optisch zugänglichen Hochdruckkammer und am AFIDA
Charakterisierung der Einspritzung (Einspritzmengen, Strahlzerfall und Gemischbildung)
Ermittlung des Zünd- und Verbrennungsverhaltens in Abhängigkeit von Einspritzparametern, Brennraumtemperatur und -druck sowie Gaszusammensetzung
Aufbau eines Off-Road-Motors mit Abgasnachbehandlung am Motorprüfstand
Übertragung der Ergebnisse auf den Vollmotor (Basiskalibrierung, Einspritzung, Emissionsmessung)
Anpassung der Abgasnachbehandlung an den Motorbetrieb mit Rapsölkraftstoff und Ermittlung des Emissionsverhaltens

Einblicke in die Forschung

Ein Meßgerät namens Afida der Firma ASG steht auf einem Labortisch

Zündverzugsmessung am TFZ mit AFIDA

Acht Probenfläschchen mit weißen Deckel und verschiedenen Flüssigkeiten von durchsichtig bis zu transparenten Gelbtönen stehen in einer Reihe vor weißen Hintergrund.

Unterschiedliche Pflanzenöle

Gezeigt wird Diesel und Rapsölkraftstoff in Flaschen mit Gefahrensymbolen.

Dieselkraftstoff und Rapsölkraftstoff

Ein Versuchsmotor auf dem Motorprüfstand umgeben von Kabeln, Schläuchen und Messgeräten

Motorenprüfstand an der OTH Regensburg

Gezeigt ist eine Messapparatur, bei der verschiedene Linsen hintereinander aufgereiht sind.

Einspritzprüfstand an der OTH Regensburg

Die Schwarz-weiß-Aufnahme zeigt zwei Bilder nebeneinander, die eine unterschiedlich stark ausgebreiteten Fleck in einem runden Kammer zeigen.

Kraftstoffstrahlbilder nach der Einspritzung

Das Forscherteam im Kraftstofflabor des TFZ: (v. l.) Jürgen Gebhard (TFZ), Robert Altmann (OTH Regensburg), Dr. Klaus Thuneke (TFZ), Gesamtprojektleiter Dr. Edgar Remmele (TFZ), Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Rabl (OTH Regensburg), Markus Winkler (Deutz AG) und Dr.-Ing. Peter Emberger (TFZ)

Kickoff-Treffen im Labor des TFZ

Projektergebnisse

Einspritzverhalten von Rapsölkraftstoff (R100) weist eine höhere Sensitivität gegenüber Kraftstofftemperaturänderungen als Dieselkraftstoff (DK) auf
Höhere Viskosität und Siedetemperaturen von R100 führen zu einem schmäleren Spritzwinkel und verzögerter Verdampfung im Vergleich zu DK
Zündverzug von R100 bei mittlerer und hoher Last kürzer und bei niedriger Last länger als von DK
Erhöhung des Einspritzdrucks verkürzt den Zündverzug für R100 stärker als für DK
Off-Road-Motor hat bei unveränderter Motorapplikation mit R100 geringere Leistung aufgrund des niedrigeren Heizwerts
Angleich der Motorleistung durch Anhebung der Einspritzmenge von R100 erfolgreich bei gleichbleibenden oder geringeren Schadstoffkonzentrationen
Abgasnachbehandlung arbeitet für R100 und DK ähnlich effizient
Regeneration des Abgasnachbehandlungssystems mit R100 durch Anpassungen möglich
Motorprüfstandsuntersuchungen bestätigen qualitativ die mit den anderen Prüfstanden gewonnen Erkenntnisse
Weiteres Optimierungspotential bezüglich der Verringerung der Schadstoffemissionen und Verbesserung von Motorkaltstart und Leerlauf mit R100 vorhanden

Weiterführende Informationen

TFZ-Bericht 69: Zünd- und Brennverhalten von Pflanzenölkraftstoff und Übertragung von Pflanzenölkraftstoff und Übertragung auf einen Motor der Abgasstufe V 9,6 MB

Projektinformationen
Projekttitel: Grundlagenorientierte Untersuchungen zum Einspritz- und Verbrennungsverhalten von Pflanzenölkraftstoff und Übertragung auf ein Motorsystem der Abgasstufe IV/V Teilvorhaben 1: Charakterisierung des Zündverhaltens und Brennverlaufs von Rapsölkraftstoff und weiteren Pflanzenölen
Projektleitung: Dr. Edgar Remmele
Projektbearbeiter: Jürgen Gebhard
Laufzeit: 01.06.2017–30.11.2019
Finanzierung: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.
Förderkennzeichen: 22004016

Projektpartner: OTH Regensburg, Deutz AG