Probleme der Schwerölverbrennung in Dieselmotoren

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1 Probleme der Shwerölverbrennung in Dieselmotoren Behrens, R. Veröffentliht in: Jahrbuh 1987 der Braunshweigishen Wissenshaftlihen Gesellshaft, S Verlag Erih Goltze KG, Göttingen

2 153 Probleme der Shwerölverbrennung in Dieselmotoren Dipl.-ng. R. Behrens nstitut für Kolbenmashinen, Universität Hannover 1. Einleitung Große Dieselmotoren werden aus wirtshaftlihen Gründen in zunehmendem Maße mit Shweröl betrieben. Probleme treten dabei durh shlehte Zünd- und Brenneigenshaften sowie durh erhöhten Vershleiß auf. 2. Zündverhalten Ein Maß für das Zündverhalten ist der Zündverzug. Als Zündverzug wird die Zeit bezeihnet, die vom Beginn des Einspritzens des Kraftstoffs in den Zylinder bis zum Beginn der Zündung vergeht. Ein langer Zündverzug kann hohe Drukgradienten im Zylinder und damit starke Triebwerksbelastungen und Geräushemission verursahen. Aromatenreihe Kraftstoffe gelten als zündträge. Um diese Abhängigkeit näher zu untersuhen, wurden Kraftstoffmishungen aus Shweröl (Atmosphären-Rükstand), Light-Cy1e-Gasöl und Gasöl mit vershiedenen Aromatengehalten hergestellt. Mit diesen Mishkraftstoffen erfolgte eine Messung des Zündverzuges im Versuhsmotor. Parallel dazu wurden mit der Hohleistungsflüssighromatographie die Aromaten nah Gruppen getrennt. Dabei zeigte sih, daß niht der Gesamtaromatengehalt eine Korrelation mit dem Zündverzug ergab, sondern der Gehalt an Aromaten einer Gruppe mit drei kondensierten Ringen, Aromaten V genannt [1]. Dieses Ergebnis wurde durh Untersuhungen von Kraftstoffen aus dem Feldbetrieb erhärtet. n Bild 1 ist das Gesamtergebnis dargestellt, wobei hier die Dihte der Kraftstoffe als weiterer Parameter hinzugenommen wurde. 3. Vershleiß Erhöhter Vershleiß bei Shwerölbetrieb von Dieselmotoren ist im wesentlihen auf drei Ursahen zurükzuführen: 1. Höhere Drukgradienten im Zylinder, damit größerer mehanisher Vershleiß 2. Der Ashegehalt der Shweröle ist größer, daher folgt erhöhter abrasiver Vershleiß 3. Aufgrund des hohen Shwefelgehaltes ergibt sih ein großer korrosiver Vershleiß. Für Vershleißuntersuhungen steht im fko der Uni Hannover ein Dieselmotor MAN V V 2323 mit a. 150 KW Zylinderleistung zur Verfügung. Die Vershleißmessung erfolgt mit der Radio-Nuklid-Meßtehnik.

3 154 R. Behrens , E 1.4.'= Alternative Brennstoffe - ZV = f ((}. AVab,), SDZ ZP 2 E 1..> QJ 1. a 2. 0 ~ 1. 8 Ol E ~ ~ O. 8 ~ O. 0.4 MAN - Motor n = min ~w= 70 C ~LL= 40 C SOZ F 180+CF L PEN Typ A+CF 'CF... G<20 ~m Ol E - 6 ~.--' ' ' P e =12 bar <10~m 1 CF G < 10 ~m 7 Pe=6ba\Y. 0 Pe = 5 bar... <10 ~m V rp e =3 ba 1.6 E 1.4.> QJ 1.2 a :: QJ 1: u () L:;7f---j:::::4=~~1 o Menge Qm an Cat Fines im Abb.2: Zukünftige Brennstoffe Vershleißmessung Laujbuhse Co-56; ZWV = f (CF, Brennstoff) 0.4

4 Probleme der Shwerölverbrennung in Dieselmotoren Vershleiß durh eat-fines Cat-Fines sind harte ASi-Partikel, die als Katalysatorrükstände aus der Cat Crak-Anlage der Erdölraffinerie ins Shweröl gelangen. Sie verursahen im Motor Versheiß hauptsählih am Einspritzsystem, an der Laufbuhse und an Kolbenringen und Kolbenringnuten. Zur Untersuhung des Cat-Fines-Vershleißes am Versuhsmotor wurden vershiedenen Kraftstoffen gezielt Cat-Fines zugesetzt. Dazu kamen zwei Fraktionen zum Einsatz, eine beinhaltete Partikel bis zu einer Größe von 10 lm, die andere Partikel bis zu 20 lm Größe. Das Ergebnis der zugehörigen Vershleißmessungen zeigt Bild 2. Die untershiedlihe Vershleißzunahme bei den vershiedenen Kraftstoffen bei Zugabe von Cat-Fines ist durh die untershiedlihe Verkokungsneigung der Kraftstoffe bedingt [2]. Gasöl besitzt eine sehr geringe, das Shweröl SDZ eine sehr hohe Verkokungsneigung. n Koks- und Asphaltablagerungen im Brennraum reihem sih offenbar Cat Fines an und können erhöhten Vershleiß bewirken Korrosionsvershleiß Shweröle können bis zu 5% Shwefel enthalten. Dadurh entsteht bei der Verbrennung Shwefelsäure, die korrosiven Vershleiß an den Bauteilen hervorruft (Naßkorrosion), die mit dem Verbrennungsgas in Berührung kommen und deren Oberflähentemperaturen die Tautemperaturen von Wasserdampf und Shwefelsäure untershreiten. An der Laufbuhse besonders gefährdet ist der Zwikel, d.h. der obere Umkehrpunkt des ersten Kolbenrings. Um Aussagen über die Gefährdung durh Tautemperatur mahen zu können, wurden die Partialdrüke der Verbrennungsgaskomponenten und die Tautemperaturen von Wasserdampf und Shwefelsäure berehnet (Bild 3). Ein Gefährdungsfaktor (G), der diese Daten berüksihtigt, wurde definiert und ist ebenfalls Bild 3 zu entnehmen. Drehzahl n =900 11min; P e = 4.6 bar ; FB = 41 KW v.ot; Shwefelgehalt 0.2 % 180 u 0... :> '0... (\J 0. E ~ V ~N.L1,:)N.~~~,'}NL \ \ f.." ~.J (~ ~ges _,:)H20.-;-, G = J'p (p - p ) dlj> Pt H.S04 H20 W ~" """"" o Kolbenweg in KW Abb.3: Tautemperaturen - Wandtemperaturen

5 156 Probleme der Shweröl verbrennung in Dieselmotoren Die Gefährdung durh Naßkorrosion läßt sih durh Verändern der Bauteiloberflähentemperaturen, z. B. mittels Variation der Kühlwassertemperaturen, beeinflussen [2]. Ebenfalls steigt oder fällt die Gefährdung bei gleihbleibenden Wandtemperaturen mit der Veränderung des Zünddruks, die sih auf die Partialdrüke von Wasserdampf und Shwefelsäure auswirkt. Die rehnerishen Untersuhungen konnten experimentell am Versuhsmotor bestätigt werden. Literatur [1) Hesse, A., Krause, D.: Ermittlung der Abhängigkeit motortehnisher Kenndaten von den Eigenshaften alternativer Brennstoffe, Forshungsberiht BMFf-FB (MTK ), [2) Behrens, R., Groth, K., Hesse, A.: Vershleißgefährdung beim Einsatz Cat-Fines-haltiger Brennstoffe und beim Einsatz shwefelhaltiger Brennstoffe, Jahrbuh der Shiffbautehnishen Gesellshaft 80 (1986).