Durch optimierten E-Fuels-Mix

Bereits heute nahezu CO2-neutrale Mobilität

6. November 2018 | Engineering Service

Mittels Power-to-X können synthetische Kraftstoffe aus Wasserstoff und Kohlenstoff hergestellt werden. Idealerweise wird der Wasserstoff mittels Elektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Elektrizität gewonnen; als Kohlenstoffquelle sollte der Atmosphäre entnommenes CO2 beziehungsweise Biomasse genutzt werden. Durch die Verwendung solcher Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren würde eine annähernd CO2-neutrale Mobilität erreicht werden [1, 2]. Aufgrund ihrer optimierten molekularen Struktur bieten sie zudem die Möglichkeit der Schadstoffemissionsreduktion. Um eine schnelle Verringerung der CO2-Emissionen des Verkehrssektors zu erreichen, müssten diese alternativen Kraftstoffe jedoch mit der bestehenden Fahrzeugflotte und Infrastruktur kompatibel sein. Die Kraftstoffe Methan und Dimethylether sind gasförmig und bei Oxymethylenethern ergeben sich teilweise Materialinkompatibilitäten, sodass diese Kraftstoffe nur bedingt geeignet sind. Fischer-Tropsch(FT)-Produkte sind fossilen Kraftstoffen sehr ähnlich und können ohne Probleme zugemischt werden [3].

Heutige FT-Verfahren sind auf eine möglichst hohe Ausbeute an langkettigen, gesättigten Kohlenwasserstoffen ausgerichtet. Mittels „High Temperature Fischer-Tropsch“ (HTFT) könnten auch Alkane und Alkene mittlerer Kettenlänge gewonnen werden. Durch Nachschaltung einer Hydroformylierung sind neuartige Kraftstoffzusammensetzungen (Alkan/Alkohol-Mischungen) über robuste und technisch gut beherrschbare Technologien zugänglich. Vor Betrieb einer Syntheseanlage ist die Produktzusammensetzung nicht exakt vorherzusagen, da die Alkane und Alkohole verschiedener Kettenlängen lediglich mit einer Polymerisationswahrscheinlichkeit gebildet werden. Um das breite Spektrum möglicher Kraftstoffe abzudecken, wurden für motorische Untersuchungen zwei extreme Kraftstoffmischungen gewählt, bestehend aus C7 bis C12 Alkanen und C6 bis C8 Alkoholen.

Tabelle 1: Eigenschaften der untersuchten Kraftstoffe FTF1

Der erste definierte Kraftstoff, im Folgenden wegen des gewählten Prozesses „Fischer Tropsch Fuel 1“ (FTF1) genannt, repräsentiert einen unreaktiven Kraftstoff mit eher kurzer Kettenlänge und einem sehr hohen Alkoholanteil von 40 Prozent m/m. FTF2 bildet hingegen einen sehr reaktiven Kraftstoff mit geringem Alkoholanteil (10 Prozent m/m) und längeren Molekülen ab. Zusätzlich zu den zu diesen beiden FT-Alkohol-Kraftstoffen wurden auch Mischungen Blends mit fossilem Dieselkraftstoff untersucht, wobei der Anteil der FT-Alkohol-Kraftstoffe jeweils 20 Prozent betrug (mit FTF1 im Folgenden als „Blend1“, mit FTF2 als „Blend2“ gekennzeichnet).

Neuartiges Regelungskonzept sorgt für ideale Verbrennung

Abb. 1: Vergleich der Kraftstoffe für eine Referenz-Einspritzung (Drehzahl: 1500 1/min, PMI: 6.8 bar)

Trotz der Ähnlichkeit dieser Kraftstoffe zu fossilem Dieselkraftstoff ergeben sich teilweise große Unterschiede in den Verbrennungscharakteristika (Abb. 1), vor allem wenn eine kennfeldbasierte Motorsteuerung genutzt wird. Die Zündwilligkeit von FTF2 zeigt sich deutlich in einem sehr kurzen Zündverzug. Durch die Nutzung von AGR vergrößert sich der Unterschied im Vergleich zu Diesel weiter auf bis zu 10 °KW. Auch Blend2 zeigt diese Tendenz.
Reine kennfeldbasierte Steuerungskonzepte können das gesamte Potenzial von E-Fuels nicht ausschöpfen. Auch eine maßgeschneiderte Kalibrierung dieser Kennfelder für eine gewisse Anzahl an vordefinierten Kraftstoffen ist aufgrund der Diversitäten, begründet im Produktionsprozess und der Beimischrate, nicht zielführend. Notwendigerweise wird daher ein Regelungskonzept genutzt, welches es unabhängig des genutzten Kraftstoffes ermöglicht, eine gewünschte Verbrennungsform einzuhalten.
Ein neuartiges Regelungskonzept, basierend auf dem Ansatz der digitalen Verbrennungsratenregelung (DiCoRS), kann hier eine Lösung bieten. Vor allem im Hinblick auf unvorhersehbare Kraftstoffzusammensetzungen garantiert dieser Ansatz weiterhin eine zuverlässige Regelung aller Zielwerte, ohne dass die Kraftstoffzusammensetzung weder bei der initialen Motorkalibrierung, noch während des anschließenden Fahrzeugbetriebs bekannt sein müssen.
Die entscheidende Abgrenzung von DiCoRS zu den konventionellen innermotorischen Regelungskonzepten ist die verwendete Regelgröße. Im Gegensatz zu einer Verbrennungslagen- oder PMI-Regelung wird keine Optimierung von zuvor kalibrierten Einspritzverläufen durchgeführt, um auf einzelne Kennwerte zu regeln. Vielmehr regelt DiCoRS auf eine vollständig vordefinierte kurbelwinkelaufgelöste Verbrennung. Somit nutzt DiCoRS den maximalen Freiheitsgrad einer Verbrennungsregelung aus.
Aus dieser betriebszustandsabhängigen Vorgabe der optimalen Verbrennung errechnet ein Vorsteueralgorithmus automatisiert die dazugehörige notwendige Einspritzrate, inklusive der Anzahl der Einspritzungen, der elektrischen Ansteuerzeiten und Einspritzmengen. An dieser Stelle ist anzumerken, dass diese Vorgehensweise in einer Verlagerung der konventionellen Motorkalibrierung, von der Definition des Einspritzverlaufes auf die Vorgabe eines idealen Verbrennungsverlaufs resultiert. Zeitgleich wird der Kalibrieraufwand drastisch reduziert und das angestrebte thermodynamische Optimum zuverlässiger gefunden [4].

DiCoRS-Regelung ermöglicht Kraftstoffvergleich

Die motorischen Untersuchungen demonstrieren eindrucksvoll, dass der entwickelte Regelungsalgorithmus auch ohne eine Kalibration auf variierende Kraftstoffspezifikationen eine akzeptable Verbrennung mit unterschiedlichsten Kraftstoffmischungen einregeln kann. Durch den Einsatz der DiCoRS-Regelung ist es zudem erstmals möglich, verschiedene Kraftstoffe bei einer fixierten, gleichbleibenden Brennrate zu vergleichen. Dies ermöglicht eine nahezu form- und lageunabhängige Aussage über die Emissionierung der Kraftstoffe.

Abb. 2: Vergleich der Kraftstoffe für drei verschiedene AGR-Raten (Drehzahl: 1500 1/min, PMI: 6,8 bar)

Abb. 2 zeigt einen Ausschnitt der Untersuchungsergebnisse. Bei allen AGR-Raten sind die Sollverläufe der Brennrate gut getroffen. Eine Verschiebung der Einspritzraten entsprechend der Zündwilligkeiten der Kraftstoffe ist deutlich zu erkennen. Bei diesem Lastpunkt ist die Reduktion der Ruß-Emissionen durch die Verwendung der FT-Alkohol-Krafstoffe sehr ausgeprägt: Mit FTF1 ist eine Reduktion um bis zu 80 Prozent, mit FTF2 immerhin noch um bis zu 50 Prozent verglichen mit fossilem Dieselkraftstoff zu erreichen (Abb. 3).

Abb. 3: Vergleich der Emissionierung der Kraftstoffe – Euro 6 NOx-Niveau (Drehzahl: 1500 1/min, PMI: 6.8 bar)

Der Zielkonflikt Ruß-NOx ist in Abb. 4 für zwei Lastpunkte dargestellt. Die alternativen Kraftstoffe verschieben die Kurve, so dass man zu einer besseren Lösung gelangt. Der starke Rußvorteil kann vor allem als eine höhere AGR-Verträglichkeit der alternativen Kraftstoffe gesehen werden. In zukünftigen Kalibrierstrategien könnte somit die AGR-Rate angehoben werden, um die NOx-Emissionen schon innermotorisch zu reduzieren.

Abb. 4: Entschärfter Ruß-/NOx-Zielkonflikt zwei unterschiedliche mittlere Motorlasten und Drehzahlen

Positive Effekte regenerativer Kraftstoffe

In der vorliegenden Untersuchung wurde das Potenzial neuartiger E-Fuels auf Basis des Fischer-Tropsch-Verfahrens mit nachgeschalteter Hydroformylierung bewertet. Aufgrund des Produktionsprozesses ist eine große Variation der Kraftstoffzusammensetzung möglich. Der Einsatz solcher FT-Alkoholkraftstoffe ermöglicht es somit, mit bestehender Motorentechnologie und Infrastruktur durch Erhöhung des Anteils regenerativer Energien im Transportsektor den CO2-Fußabdruck deutlich zu senken. Aufgrund ihrer optimierten physikalischen und chemischen Eigenschaften ist es gleichzeitig möglich, die Schadstoffemissionen, insbesondere Ruß und Stickoxide, weiter zu senken.
Durch die Anwendung des Reglers war eine Aussage über das Emissionspotenzial der Kraftstoffe bei gleichem Verbrennungsablauf und somit gleichem Verbrennungsgeräusch möglich.
Bezüglich der Regelgüte des DiCoRS-Konzeptes konnte eine über alle Kraftstoffe, Lastbereiche und AGR-Raten, gute Qualität erreicht werden. Der Regler war jeweils in der Lage, die vorgegebene Sollbrennrate einzuregeln. Um das ganzheitliche E-Fuel Regelungskonzept zu vervollständigen, ist die Erweiterung des Konzeptes um einen äußeren Regelkreis denkbar. Ein zusätzlicher Einspritzdruck- und AGR-Regler könnten die gezeigte Entschärfung des Ruß-/NOx-Zielkonfliktes optimal nutzen. Je nach Kraftstoffmischung und dazugehörigem Ruß-Potenzial kann der Einspritzdruck oder auch die AGR-Rate bedarfsgerecht online nachgeregelt werden, um den idealen Kompromiss zu finden.

LITERATURHINWEISE
[1] Leitner, W., Klankermayer, J., Pischinger, S., Pitsch, H., Kohse-Höinghaus, K., Advanced Biofuels and Beyond: Chemistry Solutions for Propulsion and Production; Angewandte Chemie International Edition 56 (20), 5412-5452, 2017.
[2] Artz, J., Müller, T. E., Thenert, K., Kleinekorte, J., Meys, R., Sternberg, A., Bardow, A., Leitner, W., Sustainable Conversion of Carbon Dioxide: An Integrated Review of Catalysis and Life Cycle Assessment; Chemical Reviews 118 (2), 434-504, 2018
[3] Gill, S. S., Tsolakis, A., Dearn, K. D., & Rodríguez-Fernández, J., Combustion characteristics and emissions of Fischer–Tropsch diesel fuels in IC engines. Progress in Energy and Combustion Science, 37(4), 503-523, 2011.
[4] Jörg, C., Zubel, M., Neumann, D., Heufer, A., Schaub, J., Weber, J., & Herrmann, O., Digital Combustion Rate Shaping Control as a Tool to Identify Modern Fuel Injection Strategies, 26th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2017, Aachen, 2017.

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