Optimiertes Schwergewicht

Ein Team der Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt und FPT Motorenforschung berichtet in einem Open-Access-Artikel in der Zeitschrift Fuel über die Leistungs- und Emissionseigenschaften eines 11-Liter-Hochleistungs-Selbstzündungsmotors, der speziell für DME optimiert wurde (Dimethylether) Verbrennung. Der DME-Motor basierte auf einem FPT Cursor 11 Serienmotor.

Thermischer Bremswirkungsgrad des DME-Motors. Das BTE-Kennfeld sieht so aus, wie man es von einem Selbstzündungsmotor erwarten würde: beste Effizienzwerte bei Reisegeschwindigkeit und mittlerer bis hoher Last und eine Verringerung des Wirkungsgrads bei niedrigeren Lastbedingungen. Oberhalb von etwa 6–7 bar bmep liegt der Wirkungsgrad des Motors bei über 40 % und der maximale Wirkungsgrad liegt bei etwas über 45 %. Allerdings verfügte der Testmotor nicht über das neueste Reibungsreduzierungspaket. Bei der neuesten Auslegung ist mit einer Steigerung des Wirkungsgrades um etwa 1–2 Prozentpunkte zu rechnen. Soltic et al.

Zu den Modifikationen gehörten eine DME-angepasste Hochdruck-Common-Rail-Pumpe, angepasste Einspritzdüsen sowie ein Niederdruck-Kraftstoffversorgungssystem, das DME mit 10 bar fördern und die Rückflüsse der Einspritzdüsen – sowie der Common-Rail-Pumpe – entsprechend zurückführen kann. Die Common-Rail-Pumpe wurde von außen mit Motoröl geschmiert, um der geringen Schmierfähigkeit des Kraftstoffs standzuhalten.

Der Motor war außerdem mit einer elektrisch angetriebenen volumetrischen Pumpe im Abgasrückführungspfad (AGR) ausgestattet, die die Freiheit bietet, jede gewünschte AGR-Rate unabhängig von den Druckverhältnissen am Turbolader einzustellen.

AGR-System bestehend aus einem AGR-Kühler, einer elektrisch angetriebenen AGR-Pumpe und entsprechenden Rohrleitungen. Soltic et al.

Die Forscher optimierten auch die Brennkammergeometrie und das Verdichtungsverhältnis (von 16,5 auf 20,5) für DME.

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass der DME-Betrieb die Leistung des Basisdieselmotors (338 kW Spitzenleistung) beibehält und gleichzeitig die Motoremissionen deutlich reduziert.

Konfiguration des Motors, montiert auf dem Prüfstand. Soltic et al.

Der für Dieselanwendungen typische NOx-Ruß-Kompromiss entfällt grundsätzlich, so dass ein gewünschter NOx-Wert grundsätzlich ohne die Einschränkungen einer rußenden Verbrennung eingestellt werden kann. Darüber hinaus erfolgt die Verbrennung sehr vollständig und es sind nur sehr geringe regulierte und nicht regulierte Schadstoffemissionen nachweisbar (z. B. für Kohlenmonoxid, DME, Methan, Benzol, Toluol, Acetaldehyd, Formaldehyd, Ameisensäure).

Der instationäre Betrieb ist unproblematisch und mit der gleichen Abgasnachbehandlung wie beim Diesel können sehr niedrige Emissionen erreicht werden. Die gesamten Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid- und Partikelemissionswerte der aktuellen Euro VI-Gesetzgebung und möglicherweise sogar der vorgeschlagenen Euro VII-Gesetzgebung für den Straßenverkehr könnten ohne jegliche Abgasreinigung eingehalten werden.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus (nicht dargestellt: Ammoniakmessung nach ATS). Soltic et al.

Bezogen auf die CO2-Emissionen am Auspuff ist im Vergleich zu einem Dieselmotor eine Reduzierung um etwa 11 % möglich.

Die faire Energiedichte von DME in Kombination mit den zahlreichen Wegen zur nachhaltigen Produktion, der dieselähnliche hohe Umwandlungswirkungsgrad sowie die Möglichkeit, äußerst strenge Emissionsvorschriften bei vergleichsweise geringem technischen Aufwand zur Abgasreinigung zu erfüllen, machen DME zu einem sehr attraktiven Kraftstoff für eine Reihe von Anwendungen in der Zukunft.

Die Autoren empfehlen daher, DME ernsthaft als nachhaltigen Zukunftskraftstoff für den Schwerlast-On- und Off-Road-Bereich in Betracht zu ziehen. DME verfügt über das technische, wirtschaftliche und ökologische Potenzial, andere nachhaltige Kraftstoffe wie Wasserstoff, Methanol, Methan oder Ammoniak ideal zu ergänzen.

Bei den in diesem Dokument beschriebenen Experimenten wurden keine Probleme mit der extern geschmierten DME-Pumpe festgestellt. Allerdings muss die Haltbarkeit einer solchen Pumpe über die gewünschte Lebensdauer gründlich beurteilt werden, bevor diese Technologie industrialisiert werden kann.

Ressourcen

Patrik Soltic, Thomas Hilfiker, Yuri Wright, Gilles Hardy, Benjamin Fröhlich, Daniel Klein (2023) „Das Potenzial von Dimethylether (DME), aktuelle und zukünftige Emissionsnormen in Hochleistungs-Kompressionszündungsmotoren zu erfüllen“, Fuel, Band 355 ,doi: 10.1016/j.fuel.2023.129357

Gepostet am 14. August 2023 in DME, Emissionen, Motoren, Schwerlast, Markthintergrund | Permalink | Kommentare (1)