Künftige Anforderungen an Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren im Straßenverkehr

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1 Künftige Anforderungen an Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren im Straßenverkehr Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher; MOT GmbH Berlin,

2 Mobilitätsanforderungen Tourismus Oberstdorf

3 Kernfragen zur Mobilität und zur dafür notwendigen Energie Was sind die zukünftigen Mobilitätsanforderungen? Welche Energieformen sind vorhanden und sinnvoll? Lokale Rahmenbedingungen und/oder globale Anforderungen? Individuelle Mobilität oder regulierte Mobilität (Planmobilität)? Kundenakzeptanz und Kosten (Fahrzeug und Energie)? Welche Umweltauswirkungen und was ist mit dem Klimawandel? Mobilität bedeutet nicht nur, von A nach B zu fahren, sondern dieses sicher, komfortabel, sauber und preiswert zu tun!

4 Anforderungen an Kraftstoffe Kraftstoffe sollten den Erfordernissen von Verbrennungsmotoren angepasst sein: Emissionsanforderungen Dauerhaltbarkeit (Motorlebensdauer > km) Neue Motoren sollten auf definierte Kraftstoffe hin entwickelt werden gleiche Kraftstoffqualitäten Neue Kraftstoffe mit ausreichender Vorlaufzeit einführen, damit Motoren gezielt für diese entwickelt werden können beste Umweltverträglichkeit

5 Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ) Randbedingungen: v mittel 33 km/h, Gesamtstrecke 11 km Stadtzyklus (ECE) außerstädtisch Geschwindigkeit [km/h] 15 s for acceleration to 36 km/h 15 s für Beschleunigung auf 36 km/h 25 s für Beschleunigung auf 50 km/h 25 s for acceleration to 50 km/h Acceleration Leistung: power: appr. 44 kw v m Zeit [s] 43 s for acceleration to 70 km/h 43 s für Beschleunigung auf 70 km/h 5

6 Heutiges Mobilitätsverhalten im Alltag Vergleich der CO 2 -Emissionen: Real -NEFZ

7 Kraftstoffverbrauch aktueller Pkw Vergleich des Kraftstoffverbrauchs (NEFZ und Realbetrieb) Realer Verbrauch = 0,5 x (AMS-Testverbrauch + AMS-Sparrunde)

8 Neuer Testzyklus: WLTP Zyklusdauer (gesamt): 1800 s Spitzengeschwindigkeit: 131,3 km/h Zykluslänge (gesamt): 23,3 km Leerlauf: 242 s Durchschnittsgeschwindigkeit: 46,5 Max Beschleunigung: 1,6 m/s 2

9 CO 2 -Gesetzgebung (Energiewandlung)

10 Energieaufwand für den Fahrbetrieb (Mobilitätsanforderungen) Erweiterung der Systemgrenze Antrieb auf Systemgrenze Fahrzeug Klimatisierung + elektr. Versorgung Bei E-Fahrzeug Akkumulator Masse beachten Energieproduktion und Bereitstellung berücksichtigen Energieaufwand muss in der Bewertung in kwh berücksichtigt werden! Systemgrenze Fahrzeug

11 Ermittlung der CO 2 -Emissionen von Benzin und Diesel Energiegehalt und CO 2 -Emission Heizwerte: Superbenzin ROZ 95: kj/dm 3 Superbenzin E10: kj/dm 3 Dieselkraftstoff: kj/dm 3 CO 2 -Emissionen: Superbenzin ROZ 95: Superbenzin E10: Dieselkraftstoff: 268 g CO 2 /kwh 268 g CO 2 /kwh 263 g CO 2 /kwh Bei Berücksichtigung der Emissionen durch Förderung, Transport und Herstellung : Superbenzin ROZ 95: Superbenzin E10: Dieselkraftstoff: 300 g CO 2 /kwh 300 g CO 2 /kwh 300 g CO 2 /kwh Heizwerte auf 1 Liter Kraftstoff bezogen unterscheiden sich deutlich (bis ca. 15%) Diesel enthält 9,9 kwh pro Liter Benzin (ROZ 95) enthält 8,6 kwh pro Liter Benzin E10 enthält 8,4 kwh pro Liter CO 2 pro kwh nahezu gleich (auch einschließlich Produktion und Bereitstellung) 300 g CO 2 /kwh Strom: von 2010 bis 2013 von 515 g CO 2 /kwh auf 575 g CO 2 /kwh zugenommen!

12 Auswirkungen auf die CO 2 -Emissionen unter Alltagsbedingungen CO 2 -Emissionen bei aktuellen Elektrofahrzeugen ähnlich hoch wie bei Verbrennungsmotoren im Alltagsbetrieb bei gleicher Betriebsweise des Fahrzeugs Reichweiten von Elektrofahrzeugen heute extrem gering. Größere Reichweiten erfordern erheblich größeren Batteriemassen und führen dadurch zu deutlich höheren CO 2 -Emissionen

13 Energiedichten von Energieträgern Volumenspezifisch: Massenspezifisch:

14 Heizwerte von Kraftstoffen Heizwert H u : Energiemenge in kj, die in 1 kg oder 1 Liter enthalten ist (z.b. 1 kg oder 1 Liter Benzin) Gemischheizwert H G : Energiemenge in 1 dm 3 bzw. 1 Liter eines Gemisches aus Luft und Kraftstoff (λ=1) Heizwert H u [kj/kg] [kj/dm 3 ] H u Benzin Gemischheizwert H G [kj/dm 3 ] H G Benzin H u Diesel H G Diesel H u Erdgas H G Erdgas H u Wasserstoff H G Wasserstoff H u Ethanol H G Ethanol H u E H G E

15 Eigenschaften unterschiedlicher Kraftstoffe Eigenschaft Einheit Euro- Super Diesel Schweröl Methanol Ethanol Pflanzenöl Flüssiggas Methan Wasserstoff Heizwert H u MJ/kg 42,00 MJ/dm 3 31,70 42,80 35,60 41,30 39,25 19,70 15,60 26,80 21,20 37,10 34,50 45,84 24,75 50,00 21,20 120,00 8,52 ROZ ,4 114,4 100,0 140,0 MOZ , ,0 CZ Molmasse M K kg/kmol Mengenanteil h c o n ,140 0,840 0,020 0,000 Siedetemperatur C Verdampfungswärme Dichte kg/m ,137 0,863 0,000 0, ,140 0,850 0,000 0, ,125 0,375 0,500 0,000 0,130 0,520 0,350 0, ,177 0,823 0,000 0,000 0,250 0,750 0,000 0,000 1,000 0,000 0,000 0, kj/kg ,06 L St kg/kg 14,50 14,60 14,60 6,46 9,00 12,70 15,50 17,20 34,20 Gemischheizwert MJ/m 3 3,670 3,790 3,657 3,458 3,598 3,777 3,688 3,401 3,200 H G, , ,09 APL Automobil-Prüftechnik Landau GmbH Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen

16 Prüfbedingungen für Oktanzahl (Benzin) Research-Oktanzahl: Motor-Oktanzahl: charakterisiert Motorverhalten bei Beschleunigung aus niedrigen Drehzahlen charakterisiert Motorverhalten bei höheren Drehzahlen und Volllast Sensitivität: S = ROZ - MOZ ( 10) Oktanzahlindex: OI = ROZ - k * (ROZ - MOZ) Betriebsbedingungen Motor-Methode (CFR-Motor) Research-Methode (CFR-Motor) Drehzahl 900 min min -1 Verdichtungsverhältnis verstellbar verstellbar Vorzündung f(ε) 13 KW v. OT Gemischvorwärmung 149 C keine Luftvorwärmung 38 C 52 C Prüfbedingungen für Cetanzahl (Diesel) sind ähnlich: Wirbelkammermotor!

17 Siedelinien für Benzin und Diesel Rückstand und Verlust Rückstand und Verlust Temperatur [ C] Benzin Sommer Winter Temperatur [ C] Diesel Verdampfter Volumenanteil [Vol. %] Verdampfter Volumenanteil [Vol. %]

18 Verbrennungsmotor: Antriebspotential 100 Ottomotor Dieselmotor 25 Gemittelter Wirkungsgrad Antrieb [%] Real NEFZ Relativer Kraftstoffverbrauch [%] 45 Benzinmotor (äußere Einspritzung) Downsizing, Aufladung, Direkteinspritzung (homogen) Direkteinspritzung (Hochdruck geschichtet) Kombinationen Heutiger Dieselmotor (Direkteinspritzung, Aufladung) Hochdruck Variabilitäten

19 Benzin-Direkteinspritzung (zentrale Injektorlage) Äußere Einspritzung: η = 25 % Direkteinspritzung: η = 31 % (homogenes Gemisch, Hochdruck) Direkteinspritzung: η = 37 % (Hochdruck, Schichtladung, aufgeladen) Kombination mit weiteren Maßnahmen: η > 40 % Betriebspunkt entspricht einem mittleren Fahrbetrieb!

20 Direkteinspritzung mit geschichtetem Gemisch; Umsetzung kompliziert! Innere Gemischbildung: Kraftstoffeinspritzung in den Kompressionstakt kurz vor der Zündung Vergleich Milchkaffee: Mischen von Kaffee und Milch in der Tasse kurz vor dem Trinken

21 Einspritzdrucksteigerung als Maßnahme zwecks Umsetzung! (Eigene Forschung!) 200 bar 500 bar 750 bar 1000 bar Mit steigendem Einspritzdruck: Deutlich bessere und schnellere Gemischbildung Rußstrahlung erheblich geringer nahezu keine Rußpartikel

22 Direkteinspritzung mit Aufladung und geschichtetem Gemisch (1000 bar) Saugbetrieb λ Aufladegrad b i [g/kwh] λ = 1, Aufgeladen λ = 3, λ [-]; Aufladegrad [-] Indizierter Wirkungsgrad: 41%; effektiver Wirkungsgrad: 36%

23 Direkteinspritzung mit geschichtetem Gemisch: 300 bar bis 1000 bar p mi = 6,09 bar n= /min

24 BtL - synthetische Kraftstoffe (Ersatz für Benzin) Erhöhter Ethanolanteil erschwert den Kaltstart

25 Diesel (Emissionen): Abgasrückführung, Hochaufladung, Hochdruckeinspritzung Mittlere Last und Drehzahl Konventioneller Diesel Hochaufladung Hochaufladung + Hoch-AGR Hochaufladung + Hoch-AGR + Hochdruckeinspritzung Rußemission [%] Ruß-NOx-Zusammenhang

26 Räumlich getrennte Vor- und Haupteinspritzung Neue Einspritzstrategie (NES) Konventionelle Einspritzung (KES) Haupteinspritzung NES KES Voreinspritzung NES opt bessere Luftausnutzung weniger Luftmangelgebiete 75% weniger Rußemission Geräuschminderung

27 Rußkonzentrationsverlauf: Messung mit erweiterter Zwei-Farben-Methode Räumlich getrennte Vor- und Haupteinspritzung Konventionelle Einspritzstrategie Brennraumdruck [bar] ]r ab[ er usser Pr ed inl y C Rußkonzentration [-] ]. u. [a MF2t oo S TDC Kurbelwinkel Crank Angle [ KW[ CA] nach ZOT]

28 BtL - synthetische Kraftstoffe (Ersatz für Diesel) 360 Rückstand und Verlust Temperatur [ C] Verdampfter Volumenanteil [Vol. %] Vermeidung von Rückständen Ruß Zündwilligkeit reduzieren Vorgemischter Anteil Homogenere Verbrennung

29 Zusammenfassung 1 Erdölvorräte sind begrenzt (ca Jahre?) Gas ist geeignet, aber wie Erdöl nur begrenzt zur Verfügung Wasserstoff muss mit hohem Energieaufwand erzeugt werden (Speicherung problematisch) Strom ist möglich für Kurzstreckenbetrieb (Energiedichte?) Für Überlandmobilität ist Strom nur bedingt geeignet (Speicher, Lebensdauer der Speicher, Anzahl Ladezyklen) Infrastruktur mit Ladestationen teuer und im großem Umfang kaum möglich (Platzmangel; Leistungsanforderung)

30 Zusammenfassung 2 Weltweite Mobilitätsanforderungen werden sich kaum ändern (zumindest in den nächsten Jahrzehnten) Benzin und Diesel noch lange die Hauptenergieträger Heutige Gesetzgebung berücksichtigt kaum die realen Mobilitätsbedingungen und anforderungen Anpassung! Verbrennungsmotoren bieten erhebliches Potential im Hinblick auf Wirkungsgradsteigerung und Verbrauchsreduzierung Angepasste Kraftstoffe aus Biomasse und weiterentwickelte Verbrennungsmotoren sind zukunftsweisend! Elektrifizierung im Antriebsstrang (Hybrid) sinnvoll für städtische Mobilität und teilweise auch für Überlandbetrieb

31 Ende Vielen Dank! 31