Entwicklung

Entwicklung von Pflanzenölkraftstoffen der 2. Generation

Einspritzstrategien für angepasste Common-Rail-Motoren

Forschungsprojekt: Nutzung von Jatropha und Pongamia als Biokraftstoffe und Vermessung von Einspritzraten und Einspritzstrahlen von Common-Rail-Diesel-Einspritzsystemen bei der Verwendung reiner Pflanzenölkraftstoffe

Einspritzung von reinen Pflanzenölkraftstoffen

Dr. Georg Gruber, Philipp Graf von und zu Lerchenfeld, Alexander Koder, M.Sc., Thomas DotzerIn wärmeren Klimazonen, beispielsweise in Mittel- und Südamerika, ist die Kaltstartproblematik bei Verbrennungsmotoren weniger kritisch, und es bieteten sich günstige Bedingungen für die Verwendung von reinen Pflanzenölen als Kraftstoff. An der OTH Regensburg wurde daher im Rahmen des Förderprogramms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ des BMWi das Einspritzverhalten von reinen Pflanzenölen bei der Verwendung in Common‑Rail‑Diesel‑Einspritzsystemen untersucht. Um die Einspritzung quantitativ und qualitativ beurteilen zu können, findet sowohl die Einspritzratenvermessung als auch die optische Strahlvermessung Anwendung.

Dabei war dts design maßgeblich an der Entwicklung von schnelllaufenden, kleinvolumigen Common-Rail-Motoren für reines Pflanzenöl an sowie Entwicklung und Test von Pflanzenölen der 2. Generation wie Jatropha- und Pongamia-Öl in Fahrzeugen und Prüfständen beteiligt. Im Projektzeitraum 01.09.2012 bis 31.01.2015 hatte dts design sechs Arbeitspakte abgewickelt.

Zieldefinition

Im ersten Schritt legte dts design in enger Abstimmung mit den Kooperationspartnern die Zieldefinitionen festgelegt und abgeschlossen. Daraus entstand das detaillierte Lastenheft als erster Meilenstein.

Motorenentwicklung

Parallel dazu begann bereits von Anfang an die Motorenentwicklung im mechanischen und digitalen Bereich. Dieser Schritt wurde am 31.05.2013 erfolgreich abgeschlossen. Dabei übernahm Automobiltechnik Alois Dotzer als Subunternehmern die motormechanische Entwicklung. Für den neuen Krafstoffkreislauf wurden dabei Änderungen an Leitungen und Tank vorgenommen.

Neu im Kraftstoffkreislauf sind das Überdruckventil, das auf 2 mm erweiterte Grobsieb im Tankbehälter sowie im Durchmesser erweiterte Kraftstoffschläuche und ein verkürzter Kraftstoffrücklauf. Diese Änderungen bewirken, dass der Pflanzenöl-Kraftstoff sich schneller erwärmt und auch kristalline Feinstteile von Triglyzeriden nicht den Krafststoffilter blockieren.

Zur Kaltstartverbesserung sind nun die Injektoren beheizt. Die Injektorenheizung erlaubt nach einer Vorglühzeit von ca. drei bis fünf Minuten die Freigabe der Startkraftstoffmenge pflanzlicher Kraftstoffe auch bei Minustemperaturen. Dabei wurde die serienmäßig in Eisen gefertigte Injektoren-Halteplatte durch eine gleich geformte Aluminium-Halteplatte ausgetauscht, in die eine Glühkerze eingedreht ist. Mit dem ersten Startvorgang des Tages wird bei kaltem Motor die Wärme aus der Glühkerze über die Montageplatte in den Injektor übergeleitet – genau in den Bereich der Magnetspulem die die Startkraftstoffmenge bei hoch viskosen Pflanzenölen erst bei einer gewissen Temperatur freigibt.

Software-Anpassungen

Parallel zur motormechanischen Entwicklung passte bei dts design die Einspritzstrategien software-seitig an, um neben Diesel auch reine Pflanzenöle einsetzen zu können. Dabei wurden zehn Parameter angepasst, unter anderem Startmoment und Raildruck-Sollwert beim Start. Die Kennfeldännderungen ermöglichen ein besseres Startverhalten im Pflanzenölbetrieb. Beim Erhöhen des Raildruckes während der Startphase warzu beachten, dass bei geringer Motordrehzahl einmal keine erhöhten mechanischen Anforderungen an die Hochdruck Einspritzpumpe gestellt werden bzw. der Kraftstoff während der Startphase nicht die Emissionen erhöhend an die Kolbenwand gespritzt wird.

Umrüstung von Common-Rail-Motoren für Stationär- und Rollenprüfstände

Die OTH Regensburg baute einen Einspritzpumpen-Prüfstand auf, um Simulationen zu Einspritzparametern wie Kaltstart, Einspritzrate, Gemischbildung, Düsenöffnung etc. durchzuführen. dts design steuerte sein pflanzenöl-spezifisches technisches Know-how zur Pflanzenöleinspritzung bei Common-Rail-Piezo-Injektoren bei, während Projektpartner VWP-Gruber den Testkraftstoff und sein Know-how zur Kraftstoffchemie bei Pflanzenölen zur Verfügung stellte.

Aus den Simulationen aus dem Prüfstand ergab sich eine Öffnungstemperatur von ca. 37 °C  zur Freigabe der für den Motorstart notwendigen Startkraftstoffmenge. Ursache dafür waren die bautechnischen Besonderheiten und die hohe Viskosität der schwer verdampfbaren Pflanzenöle.

Design verschiedener Einspritzstrategien zur Verbrauchs- und Emissionsoptimierung auf Prüfständen und Fahrzeugen (Testphase1)

Zwischen 01.02.2013 und 31.05.2014 erfolgte die Testphase 1 mit Praxis- und Prüfstandstests. Dabei wurden zum einen Dieselkraftstoff und Diesel-Jatrophaöl-Mischungen im Winterbetrieb und zum anderen reines Jatrophaöl und Pongamiaöl im Sommer und Herbst gefahren. dts design begleitete diesen Schritt motormechanisch und softwareseitig durch Anpassungsänderungen verschiedenster Kennfelder im Motorsteuergerät der Testfahrzeuge – eines Audi A6, eines Audi Q5 und eines VW Amarok, jeweils mit einem 2.0-l-Common-Rail-Motor des VW-Konzerns. Der Testverlauf erfüllte vollständig die in den Zieldefinitionen gesetzten Erwartungen. 

Rapsöl als Referenzkraftstoff und Jatrophaöl zeigten eine erwartet gute Praxistauglichkeit als nachhaltiger Pflanzenölkraftstoff der 2. Generation im mobilen Anwendungsbereich. Für beide Kraftstoffe konnten die gleichen Software-Parameter hinsichtlich Einspritzung und Abgaskontrolle verwendet werden. Insbesondere die kontinuierliche Optimierung von Startmenge, Raildruck und Einspritzzeitpunkt über den gesamten Drehzahlbereich führte in dieser Testphase zu einem guten Start- und Laufverhalten.

Die Praxiserfahrungen zeigten ebenso wie die Messungen am Systemprüfstand: Trotz des höheren Schmelzpunktes hatte Jatrophaöl bessere Starteigenschaften in Common-Rail-Motoren als Rapsöl. Der Grund dafür ist die temperaturabhängig frühere Düsenöffnung und Freigabe der Startkraftstoffmenge von Jatrophaöl im Vergleich zu Rapsöl und Pongamiaöl.

Mischungen von Pflanzenölen mit Diesel verringern die Viskosität und verbessern so die temperaturabhängige Öffnungszeit der Injektoren verbessert, da sich die Vorglühzeiten der Injektoren verringern. Um einen zu 100 % regenerativen Kraftstoff zu generieren,  wurde im Test als Viskositätsverbesserer nicht nur Diesel, sondern über den Projektplan hinaus auch Orangenschalenöl verwendet. Bereits eine Beimengung von 2,5 % Orangenschalenöl zu Rapsöl wirkte sich positiv auf die Freigabe der Startkraftstoffmenge aus. Eine Beimengung von 5 % Orangenschalenöl zu Rapsöl führte dazu, dass bereits bei < 30 °C die volle Startmenge von ca. 15 m/mg zur Verfügung stand.   

Über eine Reihe von Softwareänderungen in Bezug auf die Startparameter, wurde versucht, eine elektronische Anpassung der unterschiedlichen Düsenöffnungszeiten zu programmieren. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit und der unterschiedlichen Grundeigenschaften der getesteten Pflanzenöle ließ sich diese Aufgabenstellung nur begrenzt elektronisch lösen, etwa durch eine Kaltstart-Mengenregelung. Durch verlängerte Injektoren-Vorglühzeiten für Rapsöl und Pongamiaöl gegenüber Jatrophaöl wurde das Problem in erster Linie mechanisch gelöst.

Umgekehrt verringerten sich die Injektor-Vorglühzeiten, je mehr Diesel oder Orangenschalenöl den Pflanzenölen beigemengt wurde. Sobald die Testmotoren ihre Betriebstemperatur erreicht hatten, waren folgende Motorstarts ohne Vorglühzeit möglich, da die Injektoren bereits die nötige Temperatur zur Düsenöffnung aufwiesen. Je nach Außentemperatur im Sommer oder Winter speicherten die Injektoren genügend Wärmerestmenge eines einmal betriebswarmen Motors, um im Sommer mehr als 8 h nach Motorstopp ohne Vorglühen sofort starten zu können. Im Winter reduzierte sich diese Zeit auf ca. 4 h.

Technisch problemlos funktionierten auch Mischungen von Diesel oder Orangenschalenöl mit Jatropha im Winter, um Kristallbildung im Tank- und Kraftstoffsystem zu vermeiden.

Die Verbrennungseigenschaften von Pongamiaöl waren ausgezeichnet. Ausgehend von der Analyse zur Fettsäurestruktur ergab sich im Praxistest jedoch der erwartet geringe Einsatzzeitraum von Pongamia in Zeiträumen mit durchschnittlichen Außentemperaturen von < 25 °C. Ohne wesentliche Beimengung von Viskositätsverbesserern oder ohne Beheizung des Kraftstoffkreislaufes inklusive Tank sollte Pongamiaöl vorwiegend in stationären Anlagen zur Stromerzeugung verwendet werden, wo ausreichend Motorabwärme das Pongamiaöl flüssig hält.

Für alle Testkraftstoffe ließ sich durch die elektronischen Eingriffe und mechanischen Anpassungen des Kraftstoffkreislaufes eine für die Kaltstartphase erhöhte und für den betriebswarmen Motor ausreichende Kraftstoffmenge von ca. 15 m/mg bei einer Kraftstofftemperatur zwischen 50–60 °C sicherstellen.

Erfolgreiche Begleitung eines praktischen Funktionstests

In der Redesign- und Testphase 2 wurde funktionell die Dauer- und Kurzstrecken-Tauglichkeit der getesteten Pflanzenöle bzw. der Wintermischungen von Diesel oder Orangenschalenöl mit Pflanzenöl erreicht. Die Anpassungen der Software-Architektur und motormechanische Verfeinerungen beschränkten sich im Wesentlichen auf die Verbesserung der Alltagstauglichkeit. Hier ließen sich die Injektor-Vorglühzeiten beim ersten Kaltstart von anfangs rund 10 auf ca. 5 Minuten verringern.

Größte Herausforderung war jedoch die Beherrschung der Rußabbrandstrategien und verschiedenen Regenerationsphasen des Partikelfilters. Damit sich der Partikelfilter nicht mit Ruß zusetzt und in seiner Funktion beeinträchtigt wird, muss er im Dieselbetrieb und auch mit Pflanzenölkraftstoffen regelmäßig regeneriert werden. Beim Regenerationsvorgang werden die im Partikelfilter gesammelten Rußpartikel verbrannt (oxidiert). Die Regeneration des Partikelfilters erfolgt in folgenden Stufen:

  • Passive Regeneration
  • Aufheizphase
  • Aktive Regeneration
  • Regenerationsfahrt durch Fahrer
  • Service-Regeneration

Passive Regeneration

Während der passiven Regeneration werden die Rußpartikel ohne Eingriff der Motorsteuerung kontinuierlich verbrannt. Dies geschieht überwiegend bei hoher Motorlast bei Abgastemperaturen von 350–500 °C. Die Rußpartikel werden dabei durch eine Reaktion mit Stickstoffdioxid in Kohlendioxid umgewandelt.

Beim Einsatz von Pflanzenölen ergaben sich hier deutliche Vorteile, da die Abbrandtemperatur um ca. 100 °C geringer als bei Diesel ausfällt. Ursache ist vermutlich die bei Pflanzenölen gröbere Partikelstruktur mit mehr Hohlräumen im Partikelfilter und daraus resultierend ein verbessertes Oxidationsverhalten.

Aufheizphase

Um einen kalten Oxidationskatalysator und Partikelfilter möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, leitet das Motormanagement im Originalbetrieb nach der Haupteinspritzung gezielt eine Nacheinspritzung ein. Der auf diese Weise eingespritzte Kraftstoff erhöht das Temperaturniveau der Verbrennung im Brennraum. Die entstehende Wärme wird in den Abgasen abgeleitet, gelangt durch den Abgastrakt zum Oxidationskatalysator sowie zum Partikelfilter und heizt diese auf. Die Aufheizphase ist abgeschlossen, sobald die Betriebstemperatur des Oxidationskatalysators und des Partikelfilters für einen bestimmten Zeitraum erreicht ist.

Während der Testphasen 1 und 2 wurde für Pflanzenöle die Aufheizphase auf niedrige Werte gestellt. Dies war möglich, da sich der Partikelfilter bei der groben Partikelkonsistenz bereits früher regeneriert. Dadurch konnte die Nacheinspritzung so stark verringert werden, dass sie einen für reinen Dieselbetrieb gerade noch ausreichenden Abbrand sicher stellt.

Aktive Regeneration

Bei einem hohen Anteil verschiedener Betriebszustände (z. B. viele Kaltstarts und lange Leelaufzeiten) sind im Dieselbetrieb die Abgastemperaturen zu niedrig für eine passive Regeneration. Dadurch kommt es zu einer Rußanhäufung im Filter. Sobald eine bestimmte Rußbeladung erreicht ist, leitet die Motorsteuerung eine aktive Regeneration ein, wobei die Russpartikel bei einer Abgastemperatur von 550 bis 650 °C zu Kohlendioxid verbrannt werden.

Die Rußbeladung des Partikelfilters und dessen Abbrand werden durch zwei programmierte, im Kennfeld des Motorsteuergeräts gespeicherte Beladungsmodelle berechnet. Von den unterschiedlichen Maßnahmen des Motorsteuergerätes zur Erhöhung der Abgastemperatur bei der aktiven Partikelfilterregeneration wurde bei Pflanzenölen nach wie vor die Ansaugluftzufuhrregelung durch die Drosselklappe verwendet. Die Abgasrückführung wurde abgeschaltet, um Verbrennungstemperatur und Sauerstoffanteil im Brennraum zu erhöhen.

Die erste und zweite Nacheinspritzung einer auf „spät“ verschobenen Haupteinspritzung wurde bei Pflanzenölen stark reduziert. Dies war nötig, da bei einer im Original für Diesel starken Verschiebung des Förderbeginns der Einspritzung das für die Temperaturerhöhung im Abgastrakt spät eingespritzte Pflanzenöl nicht verbrannte. Stattdessen verdampfte es aufgrund der niedrigen Kolbentemperaturen nur und gelangte zum Teil flüssig ins Schmieröl. Da Pflanzenöl, das ins Schmieröl gelangt, bei den üblichen Öltemperaturen bis zu 120 °C nicht wieder abdampft, sondern sich anreichert, droht bei einem gewissen Verhältnis von Pflanzenöl und Schmieröl eine Polymerisierung des Schmieröls mit anschließendem Motor-Totalverlust. Dies konnte bei einem Testfahrzeug im Sommerbetrieb knapp verhindert werden. Die Nacheinspritzungen konnten soweit verringert werden, da eben Pflanzenölpartikel früher abbrennen und die begleitenden temperatur rhöhenden Maßnahmen wie Steuerung von Drosselklappe und Abgasrückführung für eine erfolgreiche Regeneration ausreichten.

Um eine Schmierölanreicherung durch unverbranntes Pflanzenöl auszuschließen, wurde zudem der Einspritzbeginn in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Einspritzmenge während der Regenerationsphase des Partikelfilters angepasst.

Regenerationsfahrt durch Fahrer

Bei extremem Kurzstreckenverkehr wird keine ausreichend hohe Abgastemperatur erreicht, um den Filter zu regenerieren. Erreicht der Beladungszustand des Dieselpartikelfilters einen Grenzwert, signalisiert die Partikelfilter-Kontrolleuchte im Armaturenbrett, dass eine Regenerationsfahrt nötig ist. Hier muss das Fahrzeug über einen kurzen Zeitraum mit erhöhter Geschwindigkeit in einem bestimmten Drehzahlbereich gefahren werden, damit eine ausreichend hohe Abgastemperatur erreicht wird und die Betriebsbedingungen für eine erfolgreiche Regeneration über den Zeitraum gleich bleiben. Die nötige Anzahl von Regenerationsfahrten durch den Testfahrer nahm über die Testphase 1 und 2 ab, und zwar im Verhältnis zur zunehmenden Wirksamkeit der pflanzenölspezifischen Software-Eingriffe für einen erfolgreichen Rußabbrand.

Service-Regeneration

Ist die Regenerationsfahrt durch den Fahrer nicht erfolgreich verlaufen und hat der Dieselpartikelfilters den höchstmöglichen Beladungszustand erreicht, leuchtet zusätzlich zur Kontrollleuchte für den Dieselpartikelfilter noch die Kontrollleuchte für die Vorglühzeit. Im Display erscheint der Text „Motorstörung Werkstatt“. Damit wird der Fahrer aufgefordert, die nächste Werkstatt aufzusuchen. Diese Notmaßnahme des VW-Konzerns, die einen kontrollierten Rußabbrand oder Austausch des Partikelfilters in der Werkstatt vorsieht, war während der Testphase bei keinem Fahrzeug nötig.

Im Pflanzenölbetrieb waren nach Ende der Testphase 2 durch die Summe der erfolgreichen Softwaree-Engriffe in die Partikelfilter-Abbrandstrategien auch keine Regenerationsfahrten durch den Testfahrer mehr nötig.

Emissionsmessungen

Ein weiterer Schwerpunkt in der Testphase 2 war ein Testabschluss mit Emissionsmessungen. Neben stationären Messungen am Prüfstand der OTH Regensburg war auch eine mobile Abschlussmessung auf dem Rollenprüfstand vorgesehen. Als Testfahrzeug wurde hierzu ein VW Amarok verwendet. Dabei wurden Abgasmessungen nach dem gültigen Euro-5-Abgasprüftest 715/2007/EC durchgeführt. Als Referenzkraftstoff für die Ausgangsmessung wurde Diesel nach Norm EN 590 verwendet. Als weitere Testkraftstoffe kamen Rapsöl und Jatrophaöl gemäß CEN 16379 zum Einsatz und jeweils im Prüfzyklus über 1.180 s gemessen.

Durch Software-Anpassungen zwischen den Prüfzyklen der jeweiligen Kraftstoffe konnten verschiedene Abgasparameter optimiert werden. In allen Abgasbestandteilen zeigte die Messung mit Jatrophaöl Emissionswerte unter dem 100-%-Limit. Bei gleicher Software-Einstellung waren insgesamt die Emissionsergebnisse für Jatrophaöl etwas besser als die Ergebnisse für Rapsöl. Jatrophaöl ist somit ein aussichtsreicher alternativer und nachträglicher Kraftstoff auch im mobilen Transportbereich.

Fazit

Arbeits-, Zeit- und Kostenplanung haben sich im Vergleich vom angestrebten zum erreichten Projektstand nicht geändert. Alle gestellten Meilensteine wurden sowohl inhaltlich als auch innerhalb des vorgesehenen Zeitmanagements vollständig erreicht. Lediglich die Winter-Flottentestphase wurde auf Antrag um einen Monat über die ursprünglich geplante Projektlaufzeit hinaus verlängert. Angesichts der zuvor überdurchschnittlich milden Winter war es Absicht und erreichtes Ziel, noch die Möglichkeit deutlicher und dauerhafter Minustemperaturen und somit für den Einsatz von Pflanzenölen und Kraftstoffmischungen anspruchsvolle Testbedingungen zu erhalten. Durch die Projektausdehnung um einen Monat wurde auch der Rollenprüfstandstest später durchgeführt.

Physikalische Eigenschaften ausgewählter Pflanzenöle

Das Einspritzverhalten reiner Pflanzenöle hängt maßgeblich von den physikalischen Eigenschaften ab, vor allem die Viskosität der Öle spielt eine entscheidende Rolle:

  • Starke Temperaturabhängigkeit von Dichte und Viskosität (Abb. 1)
  • Kritische Kaltstarteigenschaften

Prüfstandsaufbau und Messmethode

Systemprüfstand für Pflanzenölbetrieb (Abb. 2):

  • Common-Rail-Einspritzsystem mit Piezo-Injektoren (Raildrücke bis 1.600 bar)
  • Einspritzratenmessung mit HDA-Einspritzanalysator der Moehwald GmbH, Homburg
  • Einspritzstrahlvermessung mit CCD-Kamera und Einspritzkammer (Kammerinnendruck bis 20 bar)

Einspritzratenverläufe am Beispiel Rapsöl

  • Vermessung der Einspritzrate in Abhängigkeit der Leckagetemperatur des Injektors (in Vorversuchen als optimale Referenztemperatur ermittelt)
  • Starke Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte von reinem Rapsöl spiegelt sich auch in der Einspritzrate wider (Abb. 3)

Referenzierung der Einspritzstrahlvermessung auf die jeweilige Einspritzrate

Neben der Vermessung der Einspritzrate ist die Betrachtung des Strahlbildes ebenfalls essenziell, um eine optimale Einspritzung zu gewährleisten. Mit dem entwickelten Systemprüfstand ist eine Referenzierung des Strahlbildes auf die Einspritzrate möglich, was enorme Vorteile für den Vergleich verschiedener Kraftstoffe bietet (Abb. 4).

Ausgewählte Pflanzenöle und die ursprüngliche Herkunft ihrer Ausgangsstoffe

Jatrophaöl

  • kin. Viskosität @ 40 °C: 33,9 mm²/s
  • Dichte @ 40 °C: 902,8 kg/m³
  • Heizwert, unterer: 37,1 MJ/kg
  • Cetanzahl (ACZ): 49,7
Typisches Fettsäuremuster
C 12:0< 0,1 %
C 14:0< 0,1 %
C 16:014,0 %
C 16:10,9 %
C 18:06,2 %
C 18:142,2 %
C 18:234,9 %
C 18:31,1 %
C 20:00,2 %
C 20:10,2 %
C 22:0< 0,1 %
C 22:1< 0,1 %
C 24:00,1 %
C 24:1< 0,1 %

Rapsöl

  • kin. Viskosität @ 40 °C: 34,3 mm²/s
  • Dichte @ 40 °C: 903,8 kg/m³
  • Heizwert, unterer: 37,1 MJ/kg
  • Cetanzahl (ACZ): 40,1
Typisches Fettsäuremuster
C 12:0< 0,1 %
C 14:0< 0,1 %
C 16:04,8 %
C 16:10,3 %
C 18:01,7 %
C 18:162,2 %
C 18:220,5 %
C 18:37,8 %
C 20:00,6 %
C 20:11,2 %
C 22:00,3 %
C 22:10,3 %
C 24:00,1 %
C 24:1< 0,1 %

Orangenschalenöl

  • kin. Viskosität @ 40 °C: 0,96 mm²/s
  • Dichte @ 40 °C: 835,9 kg/m³
  • Zusammensetzung:
    • Limonen (ca. 90 %)
    • Octanal
    • Decanal
    • Sinensal
    • Octylacetat
    • Nerylacetat
  • Hauptanbaugebiet: Brasilien, aber auch Kalifornien, Florida und Sizilien

Pongamiaöl

  • kin. Viskosität @ 40 °C: 43,2 mm²/s
  • Dichte @ 40 °C: 921,9 kg/m³
  • Heizwert, unterer: 36,1 MJ/kg
  • Cetanzahl (ACZ): 42,3
Typisches Fettsäuremuster
C 12:00,1 %
C 14:0< 0,1 %
C 16:010,3 %
C 16:1< 0,1 %
C 18:06,7 %
C 18:149,3 %
C 18:219,9 %
C 18:35,0 %
C 20:01,6 %
C 20:11,3 %
C 22:05,2 %
C 22:10,1 %
C 24:00,2 %
C 24:1< 0,1 %

Pflanzenöle haben überwiegend eine triglyceride Struktur.