Bioethanol. Alltagstauglichkeit und weiteres Potenzial im motorischen Einsatz

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1 Umwelt - Bioethanol als Kraftstoff Bioethanol Alltagstauglichkeit und weiteres Potenzial im motorischen Einsatz Prof. Dr. Bernhard GERINGER Dipl.-Ing. Florian HOLUB Dipl.-Ing. Michael URBANEK Institut für f r Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau - Technische Universität t

2 Einleitung Kraftstoffqualitäten Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Fahrzeugflottentest Motorprüfstandsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick ÜBERSICHT Folie 2

3 Einleitung Kraftstoffqualitäten Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Fahrzeugflottentest Motorprüfstandsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick ÜBERSICHT Folie 3

4 bmvit A3 Programm: Ökologischer Einsatz von Bioethanol für f r zukünftige Motoren bmvit A3 Strategisches Leitprojekt: Bioethanol aus Zucker und Stärke die kurzfristige umweltfreundliche Kraftstoffalternative Einleitung Folie 4

5 Einleitung Kraftstoffqualitäten Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Fahrzeugflottentest Motorprüfstandsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick ÜBERSICHT Folie 5

6 Untersuchte Kraftstoffvarianten E00 in Sommer- und auch Winterspezifikation ( ROZ95 BOB 1) ) Referenzkraftstoff, Basiskraftstoff für Ethanol-Blends E05 in Sommer- und auch Winterspezifikation derzeit am Markt erhältliche Kraftstoffqualität für Superbenzin E10 in Sommer- und auch Winterspezifikation Geplante künftige Spezifikation mit 10% biogenem Ethanolanteil E65 in Sommer- und Winterspezifikation E75 nur in Winterspezifikation E85 in Sommer- und Winterspezifikation Bandbreite von Kraftstoffqualitäten der Sorte Super Ethanol 1) (BOB Basestock for Oxygenates Blending) Standardbenzin Standardbenzin Ethanol Kraftstoffvarianten für f r die Tests Folie 6

7 Definition: Sommer- / Winterottokraftstoff lt. EN 228 Klasse A => Sommerqualität Klasse D/D1 => Winterqualität Klasse Sommer Grenzwerte Klasse Winter Eigenschaften Einheiten A D/D1 Dampfdruck (VP) kpa, min kpa, max Kraftstoffnormung für f Dampfdruck Folie 7

8 Kraftstoffeigenschaften allgemein E00 E05 E10 E65 E75 E85 Dichte bei 15 C [kg/m³ 753,2 753,8 754,2 778,4 782,9 787,2 Dampfdruck DVPE [kpa] 47,2 56,3 62,5 43,5 38,0 32,3 Oktanzahl ROZ 95,9 97,4 98,8 106,3 106,8 107,2 Dampfdruck (DVPE) ist ein Maß für die Kaltstartfähigkeit Durch den niedrigeren Dampfdruck von Ethanol resultieren beim Motorstart bei tiefen Temperaturen besondere Herausforderungen. Oktanzahl (ROZ) ist ein Maß für die Klopffestigkeit und damit den Motorwirkungsgrad Die höhere Oktanzahl von Ethanol lässt eine Anhebung des Motor- Verdichtungsverhältnisses zu. Dadurch wird der thermische Wirkungsgrad deutlich gesteigert. Dampfdruck und Oktanzahl der Versuchskraftstoffe Folie 8

9 Einleitung Kraftstoffqualitäten Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Fahrzeugflottentest Motorprüfstandsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick ÜBERSICHT Folie 9

10 Ermittlung der tiefstmöglichen Starttemperatur Untersuchte Kraftstoffvarianten E05 in Sommerspezifikation konventioneller Tankstellenkraftstoff Standardbenzin E65 in Sommer- und Winterspezifikation E75 in Winterspezifikation E85 in Sommer- und Winterspezifikation Bandbreite von Kraftstoffqualitäten der Sorte Super Ethanol Definition: Start nicht erfolgreich wenn der Motor nach zwei Startversuchen (jeweils ca. 4s mit 2s Pause) bis zur ersten NEFZ-Rampe (nach 11s) nicht anspringt wenn der Motor die erste Beschleunigungsrampe nicht bewältigt Etnanol Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Folie 10

11 Startkriterium für den NEFZ Geschwindigkeit [km/h] Geschwindigkeitsprofil Zeit [s] Schaltpunkte (5. Gang) Schaltpunkte Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Folie 11

12 Ergebnisse Kaltstart: gesamt Dampfdruck [kpa] ,0 56,3 58,1 60,0 48,0 43,5 38,0 45,0 31,5 34,0 30,0 15,0 0,0-15,0 E05-S E65-S E75-S E85-S E65-W E75-W E85-W -30,0 Sommerspezifikation Winterspezifikation -45,0 Versuchskraftstoff Kaltstarttemperatur [ C] Kaltstarttemperatur FORD Kaltstarttemperatur SAAB Dampfdruck Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Folie 12

13 Zusammenfassung - Kaltstartuntersuchungen Aus den Messergebnissen bestätigt sich ein direkter Zusammenhang von Kaltstarttemperatur des Motors und Dampfdruck des Versuchskraftstoffes Anhand unserer erzielten Versuchsergebnisse zeigt sich, dass die Definition von Winter- und Sommer-E85 nach ÖNORM C1114 für die klimatischen Bedingungen in Österreich gut geeignet ist Resümee: Min. Kaltstarttemperatur E05 Sommer (56,3kPa) -27 C Min. Kaltstarttemperatur E65 Winter (56,6kPa) -27 C Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Folie 13

14 Einleitung Kraftstoffqualitäten Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Fahrzeugflottentest Motorprüfstandsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick ÜBERSICHT Folie 14

15 Fahrzyklen Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ) ARTEMIS Programm (CADC urban / road / motorway) Fahrzeuge Konventionelle Fahrzeuge (3 VW Golf) FlexFuel- Fahrzeuge (FORD Focus FlexiFuel, SAAB 9-5 BioPower) Kraftstoffvarianten E05 (VW-Fahrzeuge und FlexFuel-Fahrzeuge) E10 (VW-Fahrzeuge) E85 (FlexFuel-Fahrzeuge) Fahrzeugflottentest Zyklen, Fahrzeuge und Kraftstoff Folie 15

16 Fahrleistung der Versuchsfahrzeuge Fahrleistung - Flottentestteil E05 Fahrleistung - Flottentestteil E kmfahrleistung - Flottentestteil E85km Kraftstoffbedarf 8610 km km 2518 l 9716 km 9257 km 5010 l km km 7728 km 9636 km 3166 l FORD Focus Flexifuel SAAB 9-5 BioPower VW FORD Golf Focus RabbitFlexifuel VW SAAB Golf 9-5 GTBioPower VW FORD VW Golf Golf GTI Focus Flexifuel SAAB 9-5 BioPower Rabbit VW Golf GT VW Golf Rabbit VW Golf GT VW Golf GTI VW Kraftstoff Golf GTI E05 Kraftstoff E10 Kraftstoff E85 Fahrzeugflottentest Fahrleistungen und Kraftstoffmenge Folie 16

17 Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ) Konditionierphase: 6 Stunden Konditionierung auf 20 C Zyklusdauer: 1180s Wegstrecke: ca.11km Fahrzeugflottentest - Fahrzyklen Folie 17

18 CADC urban / road / motorway Konditionierphase: 3 Minuten Konstantfahrt mit 18 / 57 / 97 km/h urban: Zyklusdauer: 919s Wegstrecke: ca.5km road: Zyklusdauer: 979s Wegstrecke: ca.17km motorway: Zyklusdauer: 734s Wegstrecke: ca.29km Fahrzeugflottentest - Fahrzyklen Folie 18

19 CO 2 - Emission (Bsp. VW Golf Rabbit 1.6) NEFZ CADC Fahrzeugflottentest Ethanoleinfluss auf CO 2 -Ausstoß Folie 19

20 CO 2 - Emission (Bsp. SAAB 9-5 BioPower) NEFZ CADC Fahrzeugflottentest Ethanoleinfluss auf CO 2 -Ausstoß Folie 20

21 CO 2 - Emission (Bsp. FORD Focus FlexiFuel) NEFZ CADC Fahrzeugflottentest Ethanoleinfluss auf CO 2 -Ausstoß Folie 21

22 Zusammenfassung - Fahrzeugflottentest Kraftstoff E85 - Im Fahrzyklus ergibt sich eine Absenkung der CO 2 - Emission um bis zu 5% Kraftstoff E05 und E10 - Aus den Ergebnissen des Fahrzeugflottentest sind keine signifikanten Auswirkungen bei geringen Ethanol-Beimischungen (bis E10) auf die Emissionen während der verschiedenen Fahrzyklen zu erkennen Ebenso ergaben sich bei E05 und E10 keine relevanten negativen Auswirkungen auf die praktischen Eigenschaften im Fahrbetrieb (wie Kaltstart, Gasannahme, Leistungsverhalten u.a.) oder erkennbaren ungebührlichen Verschleiß gegenüber Standardbenzin (E00) Fahrzeugflottentest - Fazit Folie 22

23 Einleitung Kraftstoffqualitäten Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Fahrzeugflottentest Motorprüfstandsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick ÜBERSICHT Folie 23

24 Volllastdrehmoment Das Volllastdrehmoment kann mit E85-Kraftstoff aufgrund der höheren Oktanzahl und Verdampfungswärme um bis zu 14% gesteigert werden. Motorprüfstandsergebnisse Volllastverhalten mit Ethanol Folie 24

25 Wirkungsgrad an der Volllast Der Wirkungsgrad kann mit E85-Kraftstoff an der Volllast um bis zu 7 Prozentpunkte gesteigert werden. Motorprüfstandsergebnisse - Wirkungsgradvergleich Folie 25

26 Verbesserte Volllastcharakteristik von Ethanol Gesteigertes Drehmoment und höhere Leistung ermöglichen Downsizing-Motorkonzepte mit zusätzlichem Verbrauchspotenzial des Fahrzeuges Erhöhte Klopffestigkeit und höhere Verdampfungswärme des Ethanolkraftstoffes ergeben bessere Wirkungsgrade an der Vollast durch thermodynamische Vorteile (hohes Verdichtungsverhältnis und optimale Zündzeitpunkte) Motorprüfstandsergebnisse Positiver Volllasteinfluss Ethanol Folie 26

27 Verlustteilung bei Voll- und Teillast Effektive Arbeit Reibung Ladungswechsel Wandwärme Unvollkommene Verbrennung Reale Verbrennung 80 Reales Gas Thermischer Wirkungsgrad - Gleichraumprozess [%] ,1 1,6 8,0 10,9 3,8 32,3 2,7 2,0 + 8,0 5,2 3,7 38,1 3,1 8,0 11,5 4,5 4,4 7,9 20,3 2,7 + 8,0 9,9 4,6 4,4 8,5 21,7 0 ROZ 95 E 85 ROZ 95 E 85 Vollast Teillast Motorprüfstandsergebnisse Detaillierte Wirkungsgradanalyse Folie 27

28 Zusammenfassung - Motorprüfstandsergebnisse Beim Einsatz von Kraftstoff E85 wird das Volllastmoment um bis zu 14% höher Die hohe Verdampfungswärme von Ethanol führt zur Kühlung der Frischluftladung und damit zur Motorfüllungsverbesserung Die höhere Oktanzahl und schnellere Energieumsetzung bei Ethanol bewirken eine wirkungsgradgünstige Energieumsetzung. Dies bewirkt auch geringere Temperaturbeanspruchung der Motorbauteile im Abgasbereich. Wirkungsgradverbesserungen mit Ethanol von 5% zeigen sich auch in der Teillast auf Grund der rascheren Energieumsetzung Motorprüfstandsergebnisse Fazit Folie 28

29 Einleitung Kraftstoffqualitäten Kaltstartuntersuchungen am Rollenprüfstand Fahrzeugflottentest Motorprüfstandsergebnisse Zusammenfassung und Ausblick ÜBERSICHT Folie 29

30 Zusammenfassung Ausblick: Ethanol besitzt somit nicht nur CO 2 -Vorteile im Bereich Well to Tank ( Quelle der Energie bis zum Fahrzeugtank ) sondern weist: auch im direkten motorischen Betrieb ein interessantes Verbesserungspotenzial in Bezug auf den Wirkungsgrad und somit den CO 2 Ausstoß (Tank to Wheel; also Tank bis Antriebsrad) auf. Dieses motorbezogene Einsparpotenzial bei gleichen Schadstoffemissionen kommt additiv zum biogenen Vorteil von Ethanol als Treibhausgasminderer hinzu und weist diese alternative Bioenergieform als ausgezeichneten Ottomotorkraftstoff aus. Zusammenfassung und Ausblick Folie 30

31 Umwelt - Bioethanol als Kraftstoff DANKE für Ihre Aufmerksamkeit!

32 Kraftstoffeigenschaften Heizwert E00 E05 E10 E65 E75 E85 Heizwert MJ/kg 42,1 41,4 40,7 30,9 29,9 30,5 C Kohlenstoffgehalt %M 86,3 84,6 82,2 63,8 60,5 57,0 H Wasserstoffgehalt %M 13,1 12,7 12,9 13,4 13,7 13,1 O Sauerstoffgehalt %M 0,5 2,1 5,7 23, ,8 Volumetrischer Kraftstoffverbrauch CO 2 Emission Durch das veränderte C-H-Verhältnis bzw. den anderen Heizwert resultiert ein höherer volumetrischer Verbrauch bei gleicher CO 2 Emission Verbrauchsberechnung für 140 g/km CO 2 Ergebnis für E00: 4,2 l/100km Ergebnis für E85: 6,1 l/100km Energieinhalt (Heizwert) der Versuchskraftstoffe Folie 32