Kraftstoffkennzahlen zur Beschreibung von Vorentflammung in Ottomotoren

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1 FORSCHUNG Kraftstoffe AUTOREN Kraftstoffkennzahlen zur Beschreibung von Vorentflammung in Ottomotoren Dipl.-Ing. Jörg Dedl ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA) an der Technischen Universität Wien (Österreich). Moderne Downsizing-Ottomotoren zeigen aufgrund der zunehmenden Leistungsdichte der Aggregate speziell im unteren Drehmomentbereich sporadisch auftretende Verbrennungsanomalien, sogenannte Vorentflammungen. Neben einer Vielzahl an innerbeziehungsweise außermotorischen Ursachen der Vorentflammung spielt der Kraftstoff in diesem Zusammenhang eine wesentliche Rolle. An der TU Wien und der RWTH Aachen wurden im Zuge eines kooperativen FVV-Vorhabens zwei experimentelle Methoden entwickelt, welche die Vorentflammungsresistenz eines Kraftstoffs infolge thermodynamisch kritischer Bedingungen in der Gasphase bewerten. Prof. Dr.-Ing. Bernhard Geringer ist Vorstand des Instituts für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA) an der Technischen Universität Wien (Österreich). Oguz Budak, M. Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen. Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger ist Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen. IFA

2 1 MOTIVATION 2 AUSWAHL DER KRAFTSTOFFE 3 METHODIK 4 ERGEBNIS DER VORENTFLAMMUNGSBEWERTUNG 5 ZUSAMMENFASSUNG Iso-Paraffine (Isohexan, Isooktan) Olefine (n-hexen) Cycloalkane (Cyclohexan) Aromaten (Toluol) Alkohole (Ethanol beziehungsweise Methanol) Ether (ETBE). Sie werden zu 20 % beziehungsweise Methanol ebenfalls zu 40 % molar dem Basiskraftstoff beigemischt. Zusätzlich beinhaltet die Kraftstoffmatrix fünf weitere der EN228 entsprechende Marktbenzine, welche Aufschluss über den Einfluss unterschiedlicher normgerechter Grundkraftstoffzusammensetzung geben sollen. Ein wesentlicher Aspekt der Mischkraftstoffe ist die Unterscheidung zwischen Match Blends und Splash Blends. Match Blends sind Kraftstoffmischungen, die durch Zugabe klopftresistenter (hier: Isooktan mit einer ROZ von 100) Komponenten beziehungsweise bei zu hoher ROZ durch Beimengung von Komponenten geringer Klopfresistenz (hier: n-heptan mit einer ROZ von 0) an eine definierte ROZ angepasst werden. Zu Beginn des FVV-Vorhabens wurde eine Ziel-ROZ für Match Blends von 95 definiert. Des Weiteren wurden auf Basis von Isooktan und n-heptan Drei-Komponenten-ROZ95-Kraftstoffe gemischt, welche der simulativen Betrachtung der Vorentflammung und Gemischbildung dienten. 1 MOTIVATION Bei Ottomotoren hat sich die Kombination aus Direkteinspritzung, Downsizing und Aufladung in den vergangenen Jahren als weltweit einsetzbare Technologie zur Erzielung der geforderten Verbrauchsminderung durchgesetzt. Auch die Verwendung biogener Kraftstoffe bietet ein signifikantes Potenzial zur weiteren CO 2 -Reduktion und gerät zunehmend in den Fokus der Forschung und Entwicklung. Beide Optimierungswege, biogene Kraftstoffe und Downsizing, führen zu neuen Herausforderungen durch das Auftreten von Verbrennungsanomalien. Zusätzlich macht die verstärkte Beimengung alkoholischer Komponenten eine Modifikation des Benzingrundkraftstoffs notwendig, um einen Kraftstoff normgerecht (EN228) darzustellen. Als Beispiel sei hier ein erhöhter Anteil leichtflüchtiger HC-Komponenten zur Anpassung des Siedeverlaufs von ethanolhaltigen Kraftstoffen genannt. Es liegt die Vermutung nahe, dass durch solch eine Maßnahme ein signifikanter Einfluss auf das Vorentflammungsverhalten zu erwarten ist. In diesem Zusammenhang hat eine Vielzahl von Untersuchungen bereits bestätigt, dass die bestehenden, genormten Kraftstoffkennzahlen Research Oktanzahl (ROZ) und Motor Oktanzahl (MOZ) das Vorentflammungsverhalten von Kraftstoffen nicht ausreichend beschreiben [1, 2]. Basierend auf den Erkenntnissen der vorhergehenden FVV-Vorhaben Downsizing-Kraftstoff und Kraftstoffkennzahlen Biofuels Otto-DI wurden zwei potenzielle Kraftstoffbewertungsmethoden entwickelt, welche die Auftretenswahrscheinlichkeit einer Vorentflammung als Folge kritischer thermodynamischer Zustände in der Gasphase beziffert [3, 4]. 2 AUSWAHL DER KRAFTSTOFFE Die untersuchte Kraftstoffmatrix sieht Gemische aus verschiedenen reinen Kohlenwasserstoffen mit einem EN228-konformem E0-Benzin vor. Die beigemischten Kraftstoffkomponenten sind Vertreter folgender Stoffgruppen: 3 METHODIK Die zur Quantifizierung der Vorentflammungsneigung entwickelten Prüfmethoden basieren auf zwei unterschiedlichen Versuchsträgern. Prüfmethodik 1 nutzt einen bereits im FVV-Vorhaben Downsizing- Kraftsoff modifizierten CFR-Prüfmotor, wohingegen die Prüfmethodik 2 auf einer beheizten Konstantvolumenbrennkammer zur Analyse der chemisch-physikalischen Zündverzugszeit (AFIDA, Advanced Fuel Ignition Delay Analyzer) beruht. Um ein detailliertes Verständnis des Selbstzündungsvorgangs der Kraftstoffe zu erlangen, wurden projektbegleitend umfassende numerische Untersuchungen sowie Analysen zur Reaktionskinetik vorgenommen. Die Validierung der prädiktiven Prüfmethoden hat sowohl an einem modernen Einzylinder-Forschungsmotor als auch an einem modernen Dreizylinder-Serienaggregat mit einem Hubraum von 1,0 l stattgefunden. Die Vorgehensweise der experimentellen Untersuchung zur Gasphasenzündung am Einzylinder-Forschungsmotor basiert auf einer Ladedruckvariation bei konstanter Ladelufttemperatur. Als Ergebniswert der Analyse wird jener Ladedruck herangezogen, welcher zu einer Vorentflammungshäufigkeit von mindestens 2 % führt. Dieser Wert wird anschließend der Vorentflammungskennzahl der jeweiligen Prüfmethodik gegenübergestellt. Die Messmethodik am Dreizylinder-Serienaggregat unterscheidet sich von jener des Einzylinder-Forschungsmotors, da als Parametervariable die Ladelufttemperatur unter konstantem Ladedruck dient. BILD 1 gibt einen schematischen Überblick der angewendeten Versuchsmethoden. 3.1 UNTERSUCHUNGEN AM CFR-MOTOR Grundlage einer möglichen industriellen Akzeptanz neuer Kennzahlen stellt die weiterführende Verwendung des zur Messung der ROZ beziehungsweise MOZ genormten CFR-Prüfmotors dar. Voraussetzung für die notwendige Modifikation des CFR-Aggregats ist die Möglichkeit, innerhalb eines akzeptablen zeitlichen Aufwands zwischen den Betriebsbedingungen der genormten Verfahren (ROZ, MOZ) und neuer Verfahren zu wechseln. Einen detaillierten Einblick in die bereits im Vorprojekt auf dem CFR-Motor umgesetzten Maßnahmen gibt [3]. Als wesentliche Optimierungsmaßnahme wurde MTZ Jahrgang 77

3 FORSCHUNG Kraftstoffe BILD 1 Überblick der durchgeführten Analyseverfahren ( IFA) im Verlauf dieses Projekts zusätzlich zu [3] die Einbindung eines Kompressors inklusive Ladeluftkühlung vorgesehen. Das Messverfahren der CPI (Compression-Pre-Ignition-Kennzahl) beruht auf dem variablen Verdichtungsverhältnis des CFR- Prüfmotors und beziffert die Vorentflammungsresistenz aufgrund kritischer Gasphasenzustände. Als Bewertungskriterium wird das Verdichtungsverhältnis herangezogen, welches zur Vorentflammung des Kraftstoffs führt und nach Gl. 1 einer CPI zugeordnet [3]. Als Referenzkraftstoff dient der Reinstoff Isooktan. TABELLE 1 stellt die CPI Betriebsbedingungen jenen der ROZ beziehungsweise MOZ gegenüber. Gl. 1 Gl. 2 CP I Probe = CP I Isooktan + ( ε Probe ε Isooktan ) * 20 CP I Isooktan = 100 Hierbei ist ε Isooktan das Verdichtungsverhältnis bei Vorentflammung von Isooktan und ε Probe das Verdichtungsverhältnis bei Vorentflammung der Kraftstoffprobe. 3.2 UNTERSUCHUNGEN AM AFIDA Die Messmethodik des AFIDA sieht eine Kraftstoffeinspritzung mittels Piezoinjektor mit 1000 bar Dosierdruck in eine beheizte (650 C) und unter definierten Druck (50 bar) stehende Konstantvolumenbrennkammer vor. Die Ottokraftstoffe entzünden sich aufgrund der gewählten Randbedingungen spontan; eine externe Zündquelle in Form einer Zündkerze wird nicht benötigt. Zur Auswertung des während der Einspritzung und der Verbrennung gemessenen Druckverlaufs wird eine feste Druckschwelle herangezogen. Überschreitet der Brennkammerdruck diese, wird die Zeitspanne zwischen Einspritzbeginn und definierter Druckgrenze als Zünd verzugszeit dokumentiert und als Bewertungsgrundlage der Vor entflammungsneigung herangezogen. Ein wesentlicher Unterschied der Zündverzugszeitmessung dieses Verfahrens gegenüber der Bestimmung mittels einer RCM (Rapid Compression Machine) liegt unter anderem im Prozess der Gemischbildung. Im Fall des 78 AFIDA wird nicht ausschließlich der chemische Zündverzug abgebildet, sondern ebenfalls der physikalische Zündverzug infolge der Gemischaufbereitung. 4 ERGEBNIS DER VORENTFLAMMUNGSBEWERTUNG Basierend auf den reaktionskinetischen Analysen sowie den simulativen Betrachtungen am Einzylinder-Forschungsmotor hat sich gezeigt, dass das Selbstzündungsverhalten der Kraftstoffe, speziell der Paraffine, äußerst sensitiv auf Druck und Temperatur reagiert. Das chemische Zündverhalten der Kraftstoffe führt je nach thermodynamischer Randbedingung zu signifikant abweichenden Selbstzündungstendenzen. Bereits in [4] wurde gezeigt, dass der Druckund Temperaturverlauf im CFR-Brennraum während der Verdichtung deutlich von jenem Zustand in modernen Motoren abweicht. Dementsprechend wird, mit dem Ziel einer hohen Vergleichbarkeit zu modernen Aggregaten, durch Adaption eines externen Verdichters inklusive Ladeluftkühlung das Druck- und Temperaturniveau des CFR-Motors modernen Bedingungen angenähert. BILD 2 umfasst die Motorbetriebsbedingung ROZ MOZ CPI Gemischbildung [-] Vergaser Vergaser DE Drehzahl [/min] Zündzeitpunkt (ZZP) [ KW vor ZOT] konstant f(ε) f(mbf50%) MBF50% [ KW nach ZOT] f(zzp) f(zzp) 35 Ansauglufttemperatur [ C] Gemischtemperatur [ C] 149 Ladedruck [mbar absolut] 1100 Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) [-] variabel variabel 1 Einspritzende [ KW vor ZOT] 203 Kraftstoffraildruck [bar] 60 Verdichtungsverhältnis (ε) [-] variabel variabel variabel TABELLE 1 ROZ-, MOZ- und CPI-Betriebsbedingungen am CFR-Prüfmotor ( IFA)

4 BILD 2 Validierung der relevanten Prüf methoden mittels Einzylinder-Forschungsmotor und Dreizylinder-Serienaggregat auf Basis von 20 Kraftstoffen (Rot: Kraftstoffe ähn licher ROZ beziehungsweise MOZ) ( IFA) NUTZEN SIE IHREN FACHBEITRAG und platzieren Sie Ihre Themen bei den relevanten Zielgruppen! WIR GESTALTEN FÜR SIE SONDERAUSGABEN PRINT ODER DIGITAL: für Ihre Messekommunikation Ihre Firmenevents Ihre Kundenkommunikation Ihre Produkteinführung Ihr Jubiläum UNSER SERVICE: Beratung und Planung Ihrer individuellen Ausgabe Redaktionelle Bearbeitung Ihres Content Projektdurchführung Druck und Distribution Sprechen Sie uns an! Kontakt: ATZextra Redaktion Markus Bereszewski Telefon: markus.bereszewski@springer.com MTZ Jahrgang 79

5 FORSCHUNG Kraftstoffe BILD 3 Ergebnis der Vorentflammungsanalyse von Kraftstoffen ähnlicher ROZ beziehungsweise MOZ am Einzylinder-Forschungs motor und Dreizylinder-Serienmotor ( IFA) Korrelationsanalysen von Realkraftstoffen mit einer ROZ von 92 bis 99. In dieser Darstellung werden die Ergebnisse der Einzylinderbeziehungsweise Dreizylinder-Analysen den zugehörigen kraftstoffspezifischen Werten der ROZ (a), MOZ (b) sowie der AFIDA- Zündverzugszeit (c) und der CPI (d) gegenübergestellt. BILD 2 (a) lässt hierbei zwar einen tendenziellen Zusammenhang zwischen der Klopffestigkeit und der Vorentflammungsneigung erkennen, jedoch weisen ebenfalls Kraftstoffe ähnlicher ROZ (in BILD 2 rot gekennzeichnet) deutlich unterschiedliches Selbstzündungsverhalten auf. Das MOZ-Verfahren lässt in dieser Betrachtung absolut keine Aussage auf die Vorentflammungsneigung zu. Im Vergleich dazu zeigen die neu entwickelten Bewertungsmethoden in BILD 2 (c) und BILD 2 (d) ein sehr vielversprechendes Ergebnis zur prädiktiven Vorentflammungscharakterisierung realer Kraftstoffmischungen. Beide Verfahren lassen auf Basis der Analyse von 20 Kraftstoffen ein vergleichbar gutes Ergebnis erkennen. "Kraftstoffkomponente" Anteil Mischung ROZ MOZ CPI AFIDA [ms] [% mol.] M S M S M S M S M S Isohexan 20 95,1 92,9 91,9 84,1 53,4 36,4 3,4 3,3 Toluol 20 95,3 97,8 84,3 86,6 56,6 81,9 4,2 6,1 Cyclohexan 20 95,2 95,5 89,6 83,0 55,8 39,2 4,1 4,0 n-hexen 20 92,0 80,6 39,2 3,3 Ethanol 20 95,2 98,0 84,3 86,4 59,1 88,4 4,2 5,7 Methanol 20 95,3 97,1 83,9 85,6 53,4 83,0 3,7 5,3 ETBE 20 95,4 86,0 53,4 3,7 Isooktan 20 96,8 87,5 68,1 4,6 Methanol 40 94,9 99,1 83,2 86,0 66,9 124,1 3,8 7,4 TABELLE 2 Resultat der Kraftstoffcharakterisierung der analysierten Match- (M) und Splash-Blend- (S) Mischungen ( IFA) 80

6 Marktkraftstoffe Paraffine Naphtene Olefine Cyc.-olefine Aromaten Oxygenate ROZ MOZ CPI AFIDA [% volumen] [% volumen] [% volumen] [% volumen] [% volumen] [% volumen] [-] [-] [-] [ms] E5 EN228 44,8 5,7 5,1 1,3 33,9 9,2 97,3 86,1 75,8 4,8 E5 EN228 41,6 5,2 8,3 0,9 35,1 8,9 95,4 84,0 59,1 4,2 E5 EN228 50,1 3,9 16,8 0,8 20,7 7,6 95,3 85,0 57,5 4,0 E5 EN228 43,4 5,5 7,1 1,2 37,9 4,8 95,6 85,6 60,1 4,5 E10 EN228 45,5 3,7 6,9 0,7 34,0 9,3 97,0 85,9 78,2 5,0 TABELLE 3 Zusammensetzung und Charakterisierung der untersuchten marktkonformen Kraftstoffe ( IFA) BILD 3 beinhaltet ausschließlich die Vorentflammungsanalyse jener Kraftstoffgruppe ähnlicher ROZ beziehungsweise MOZ (Messtoleranz der Prüfverfahren +/- 0,3 OZ [5, 6]) aus BILD 2. Aus BILD 3 (a) und BILD 3 (b) lässt sich das eingeschränkte Potenzial der bestehenden Norm-Prüfverfahren zur Vorentflammungsbewertung von Kraftstoffen erkennen. Es ist festzuhalten, dass trotz ähnlicher ROZ beziehungsweise MOZ ein signifikant unterschiedliches Selbstzündungsverhalten in modernen Motoren auftritt. Betrachtet man demgegenüber das Ergebnis der CPI-Analyse in BILD 3 (d), so ist ein deutlich höheres Charakterisierungspotenzial innerhalb dieser Kraftstoffgruppe zu erkennen. Die Prüfmethodik der AFIDA in BILD 3 (c) zeigt bezüglich der Validierung am Einzylinder-Forschungsmotor ebenfalls einen verbesserten Korrelationsgrad. Die Bewertung der beiden neu entwickelten Prüfmethoden findet jedoch über einen weiten Zündverzugszeitbereich beziehungsweise CPI-Bereich statt und bietet somit die Möglichkeit einer reproduzierbaren Wertung von Kraftstoffen ähnlicher beziehungsweise gleicher ROZ. TABELLE 2 und TABELLE 3 geben einen detaillierten Überblick der analysierten Kraftstoffe und deren Kraftstoffkennzahlen. DANKE Dieser Beitrag ist das Resultat einer abgeschlossenen Forschungsaufgabe der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V. (FVV, Frankfurt), welche am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Bernhard Geringer sowie am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der RWTH Aachen unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger bearbeitet wurde. Dank gilt der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., der FVV, dem Fachverband der Fahrzeugindustrie Österreichs, der Südzucker AG sowie Rofa Wien für die finanzielle Förderung und der OMV AG für die Bereitstellung der umfassenden Kraftstoffmatrix. Des Weiteren gilt der Dank Prof. Alexander Heufer, Juniorprofessor für Physikalisch- Chemische Grundlagen der Verbrennung an der RWTH Aachen, für dessen fachliche Unterstützung und Mitwirkung sowie Dr.-Ing. Ulrich Kramer für die Leitung des begleitenden FVV-Arbeitskreises. 5 ZUSAMMENFASSUNG Mit dem Ziel einer prädiktiven Kraftstoffbewertungsmethodik zur Vorentflammungscharakterisierung von Ottokraftstoffen wurden in diesem FVV-Vorhaben zwei potenzielle Prüfverfahren entwickelt. Prüfmethodik 1 umfasst die Modifikation eines genormten CFR- Prüfmotors zur Messungen der sogenannten CPI (Compression Pre-Ignition Kennzahl). Prüfmethodik 2 beruht auf einer beheizten Konstantvolumenbrennkammer mit Direkteinspritzung zur Messung des chemisch-physikalischen Zündverzugs. Auf Basis von umfangreichen Forschungsarbeiten konnten Versuchsrandbedingungen für beide Prüfverfahren definiert werden, mit welchen eine vielversprechende Vorhersagegenauigkeit bezüglich der Vorentflammungsneigung eines Kraftstoffs getroffen werden kann. LITERATURHINWEISE [1] Zahdeh, A.; Rothenberger, P.; Nguyen, W.; Anbarasu, M.; Schmuck-Soldan, S.; Schaefer, J.; Goebel, T.: Fundamental Approach to Investigate Pre-Ignition in Boosted SI Engines. In: SAE International Journal of Engines 4 (2011), S [2] Mansfield, A. B.; Chapman, E.; Briscoe, K.: Effect of market variations in gasoline composition on aspects of stochastic pre-ignition. In: Fuel 184 (2016), S [3] Martin, C.; Geringer, B.; Luef, R.; Grabner, P.; Eichlseder, H.; Prenninger, P.: Development of New Test Methods to Describe Knock and Pre-Ignition Behaviour of Fuel and Oil in Highly Charged Gasoline Engines. 35 th International Vienna Motor Symposium, Wien, 2014 [4] Cracknell, R.; Warnecke, W.; Redmann, J.-H.; Goh, T. K.: Oktanbedarf bei modernen aufgeladenen Ottomotoren. In: MTZ 76 (2015), Nr. 7 8, S [5] Günther, M.; Uygun, Y.: Kraftstoffkennzahlen Biofuels Otto-DI. FVV-Vorhaben Nr. 1059, Heft 1042, 2013 [6] DIN EN ISO 5163:2014: Mineralölerzeugnisse Bestimmung der Klopf festigkeit von Otto- und Flugkraftstoffen Motor-Verfahren. Berlin: Beuth Verlag, 2006 [7] DIN EN ISO 5164:2014: Mineralölerzeugnisse Bestimmung der Klopffestigkeit von Ottokraftstoffen Research-Verfahren. Berlin: Beuth Verlag, 2006 READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: MTZ Jahrgang 81