Vortrag 05.06.2013 in Wels Motor- und fahrzeugtechnische Anforderungen von E5, E10, E85 und E100 Dipl. Ing. Christoph Denk
Inhalt: 1/2 Einleitung Geschichtlicher Rückblick Zusammensetzung konventioneller Ottokraftstoffe Kraftstoffversorgung in Österreich Kraftstoffnorm EN228 für unverbleite Ottokraftstoffe Warum Ethanol als Treibstoff? Eigenschaften Ethanol Definition Bioethanol Unterschiede zwischen konventionellem Ottokraftstoffe und Ethanol Verdampfungsverhalten Verbrennung Korrosivität, chemisches Verhalten 05.06.2013 Wels Ch. Denk Folie 2
Inhalt: 2/2 Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/ Gemischaufbereitung Schmierstoffe Kraftstoffversorgung Tank Zusammenfassung 05.06.2013 Wels Ch. Denk Folie 3
Einleitung E10 sehr kontrovers und emotional geführte Diskussion Gift für Fahrzeuge? völlig problemlos 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 4
Geschichtlicher Rückblick Zurück zu den Wurzeln? 1860 Spiritus verwendet von Nikolaus August Otto in den Prototypen seiner Verbrennungsmotoren 1886 Leichtbenzin (Ligroin) Benz Patent-Motorwagen Nummer 1 1918 Benzin verdrängt trotz geringerer Klopffestigkeit Leichtbenzin auf Grund des geringeren Preises 1920 reines Benzol für Sonderanwendungen 1923 diverse Benzol-Benzin-Gemische 1925 die Reichskraftsprit führt Spiritus zur Stützung der Landwirtschaft ein (Monopolin) 1930 Bezugsverordnung von Spiritus zu Treibstoffzwecken (prozentueller Anteil der eingeführten Kraftstoffmenge war von der Reichsmonopolverwaltung zu beziehen) Pause Verwendung von Alkoholen als Treibstoff in Sonderanwendungen (Rennsport..) 2005 Beimischung von Bio-Ethanol zu konventionellen Ottokraftstoffen in geringen Mengen 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 5
Zusammensetzung konventioneller Ottokraftstoff Rohbenzin Erhöhung der Klopffestigkeit Substitution biogener Kraftstoffe z.b Oxidationsinhibitoren Korrosionsschutzmittel Detergentien 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 6
Kraftstoffversorgung in Österreich o (Normalbenzin mind. ROZ 91) o Eurosuper mind. ROZ 95 o Premiumsorten mind. ROZ 95 o (Superethanol E85) Kraftstoffnorm für unverbleite Ottokraftstoffe EN228 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 7
Kraftstoffnorm für unverbleite Ottokraftstoffe EN228:2008 maximal zulässiger massebezogener Sauerstoffgehalt maximaler volumenbezogener Anteil entsprechend dem zulässigen Sauerstoffgehalt Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge Unverbleite Ottokraftstoffe Anforderungen und Prüfverfahren; Deutsche Fassung EN 228:2008 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 8
Warum Ethanol als Treibstoff? In Anbetracht der Standpunkte des Europäischen Parlaments, des Rates und der Kommission ist es angebracht, verbindliche nationale Ziele festzulegen, die damit im Einklang stehen, dass der Anteil von Energie aus erneuerbaren Quellen am Energieverbrauch der Gemeinschaft im Jahr 2020 zu 20 % und im Verkehrssektor am Energieverbrauch der Gemeinschaft zu 10 % durch Energie aus erneuerbaren Quellen gedeckt wird. RICHTLINIE 2009/28/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 23. April 2009 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 9
Warum Ethanol als Treibstoff? well to wheel Minderung der CO 2 -Emissionen um etwa 50% Impact of the Ethanol Fuel Content on Operation Parameters of Passenger Car Gasoline Engines Dipl.-Ing. Rolf Weinowski, Dipl.-Ing. Andreas Sehr, Dipl.-Ing. Oliver Rütten FEV Motorentechnik GmbH, Aachen www.agrana.com www.ngk.de 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 10
Warum Ethanol als Treibstoff? Vorteile von Ethanol in der ottomotorischen Verbrennung: deutlich höhere Klopffestigkeit (ROZ) verringerte Rohemissionen (HC, CO, NO x ) günstigere CO 2 -Gesamtbilanz Wirkungsgradvorteile in der Verbrennung Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 11
Ethanol (Ethylalkohol) Eigenschaften Ethanol Name Strukturformel Kurzbeschreibung Ethanol (20 C) C 2 H 6 O klare, farblose, würzig riechende und brennend schmeckende, leichtentzündliche, hygroskopische Flüssigkeit Molmasse Aggregatzustand 46,07 g/mol flüssig C 2 H 6 O Dichte 0,79 g/cm 3 ph-wert 7,0 Zündtemperatur 400 C Schmelzpunkt Siedepunkt Dampfdruck Löslichkeit GESTIS-Stoffdatenbank -114 C 78,3 C 58hPa beliebig mit Wasser, Diethylether, Chloroform, Benzin und Benzol mischbar 05.06.2013 Wels Ch. Denk Folie 12
Definition Bioethanol Als Bioethanol bezeichnet man Ethanol, das ausschließlich aus Biomasse oder den biologisch abbaubaren Anteilen von Abfällen hergestellt wurde und für die Verwendung als Biokraftstoff bestimmt ist. Richtlinie 2003/30/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 8. Mai 2003 zur Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen erneuerbaren Kraftstoffen im Verkehrssektor Center for Environment, Commerce & Energy 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 13
Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Ethanol (C 2 H 6 O) Verdampfungsverhalten Verbrennung hygroskopisches Verhalten Korrosivität, chemische Beständigkeit Siedetemperatur Heizwert metallische Werkstoffe nichtmetallische Werkstoffe Verdampfungsenthalpie Sauerstoffgehalt Dampfdruck 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 14
Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Ethanol (C 2 H 6 O) Verdampfungsverhalten Verbrennung hygroskopisches Verhalten Korrosivität, chemische Beständigkeit Siedetemperatur Verdampfungsenthalpie Ölverdünnung Gemisch wird Wärme entzogen + Wirkungsgrad höhere geometrische Verdichtungsverhältnisse frühere Zündwinkel geringerer Anfettungsbedarf an der Vollast Dampfdruck reduzierte Verdampfungsneigung - Kaltstartverhalten bei Kraftstoffen mit bis zu 10% Ethanolanteil unproblematisch 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 15
Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Wirkungsgrad + höhere geometrische Verdichtungsverhältnisse möglich frühere Zündwinkel möglich geringerer Anfettungsbedarf an der Vollast - Kaltstartverhalten bei Kraftstoffen mit bis zu 10% Ethanolanteil unproblematisch 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 16
Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Ethanol (C 2 H 6 O) Verdampfungsverhalten Verbrennung hygroskopisches Verhalten Korrosivität, chemische Beständigkeit Heizwert Mehrverbrauch Eurosuper 41 MJ/kg Ethanol 27 MJ/kg Sauerstoffgehalt Abmagerung des Gemisches 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 17
Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Beispiel E10: L L L L ST, E0 ST ST, E100 14,3 8,9 L L ST L ST m L m B Verbrennungskraftmaschinen Grundzüge, Auflage SS 2006, Prof. Dr. B. GERINGER Die Luftzahl λ erhöht sich bei Verwendung von E10 gegenüber ethanolfreiem Kraftstoff um den Faktor 1,039 Fahrzeuge mit Lambdaregelung regeln diesen Faktor in einem gewissen Rahmen nach bei Ethanolgehalten >30% ohne Anpassung jedoch Probleme durch Begrenzungen der hydraulischen Leistung des Einspritzsystems 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 18
Unterschiede konventionelle Ottokraftstoffe - Ethanol Ethanol (C 2 H 6 O) Verdampfungsverhalten Verbrennung hygroskopisches Verhalten Korrosivität, chemisches Verhalten metallische Werkstoffe nichtmetallische Werkstoffe 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 19
Betrachtung Gesamtfahrzeug Gemischaufbereitung Tank Kraftstoffpumpe Kraftstofffilter Leitungssystem Beständigkeit gegen Motor Ottokraftstoff Ethanol Wasser Ottokraftstoff Ethanol Wasser Ottokraftstoff Ethanol Wasser Wasserdampf 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 20
Betrachtung Gesamtfahrzeug Gemischaufbereitung Tank Kraftstoffpumpe Kraftstofffilter Leitungssystem Motor chemische und physikalische Beständigkeit der Bauteile abhängig von: Druck Temperatur Konzentration Benetzungsdauer 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 21
Betrachtung Gesamtfahrzeug Im Feld befindliche Fahrzeuge An die speziellen Erfordernisse von Alkoholkraftstoffen angepasste Fahrzeuge 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 22
Betrachtung Gesamtfahrzeug Motor/Gemischaufbereitung o o o o pauschale Aussagen zur Beständigkeit schwierig, da kaum unlegierte Metalle und Kunststoffe in technischen Anwendungen verwendet werden Analyse jedes einzelnen mit Kraftstoff in Verbindung stehenden Bauteiles wäre notwendig praktisch unmöglich Korrosionsvorgänge mit Metallen laufen bei niedrigen Ethanolgehalten sehr langsam ab kritisch einzuschätzen wenn Materialien wie Naturkautschuk, Kork und Leder mit ethanolhaltigen Kraftstoffen in Verbindung stehen Die auftretenden Herausforderungen durch Einsatz ethanolsubstituierter Kraftstoffe sind technisch beherrschbar, lediglich im Feld befindliche Fahrzeuge sind gesondert einzuschätzen 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 23
Betrachtung Gesamtfahrzeug Schmierstoffe Schmierstoffe Siedetemperatur von Ethanol 78,3 C Siedetemperatur von Wasser 100 C erhöhter Anteil von Ethanol und Wasser im Motoröl unerwünschte Reaktionen mit Motorölkomponenten (Polymerisation ) Verdünnung des Schmierstoffes überdurchschnittliche Ölalterung Abnahme von Viskosität, Scherstabilität.. teilweiser Verlust der Motoröleigenschaften 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 24
Betrachtung Gesamtfahrzeug Schmierstoffe Additive moderner Motoröle: TYP SUBSTANZEN FUNKTION Basische Detergents Calzium-/Barium-/Magnesium- Neutralisation von Säuren; Sulfonate; Phenolate; Salicylate Verhinderung von Lackbildung Aschefreie Polyisobuten/ Dispergieren von Ruß; Dispersants Succinimide Verhinderung von Ablagerungen Antioxidantien Zinkdithiophosphate; Verhindert Öleindickung und gehinderte Phenole; Metallsalicylate Öloxidation Hochdruck (EP) Additive Zinkdithiophosphate; org. Phosphate; org. Schwefelverbindungen Verhindert Verschleiß an hochbelasteten Bauteilen von besonderer Bedeutung im Betrieb mit alkoholhaltigen Kraftstoffen Korrossionsschutz- Calzium-/Natrium- Verhindert Verhindert Korrosion additive Korrosion/Barium-Sulfonate; org. Amine VI-Verbesserer Polyisobuten Dispergieren von Ruß; Succinimide Verhinderung von Ablagerungen Stockpunktverbesserer Polymethacrylate Bessere Fließeigenschaften bei Tieftemperatur Schaumdämpfer Silikonverbindungen Verhindert Schaumbildung Friction-Modifier Fettsäuren; Fettsäure- derivate; org. Amine; Amin-Phosphate Reduzierung Reibungsverluste abgestimmte Motoröle verwenden Dipl.-Ing. Ulrich F. Grütering, Dipl.-Ing. Yves Rosefort, Dipl.-chem. Peter Mauermann, Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger Bilanzierung von Motorölkomponenten bei einem PKW-Dieselmotor mit Abgasnachbehandlungssystem 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 25
Zusammenfassung Ethanol besitzt eine deutlich höhere Klopffestigkeit (ROZ) als konventionelle Ottokraftstoffe und damit Wirkungsgradvorteile in der Verbrennung verringerte Rohemissionen (HC, CO, NOx) günstigere CO 2 -Gesamtbilanz Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern nach der aktuellen Kraftstoffnorm EN228 dürfen Ottokraftstoffe bis zu 5% Ethanol enthalten bei Ethanolgehalten von bis zu 10% sind im allgemeinen keine Anpassungen von gemischbildenden Organen notwendig Korossionsvorgänge bei sehr geringen Ethanolanteilen laufen sehr langsam ab Die Wartung sowie die Auswahl der verwendeten Betriebsstoffe sollte an die geänderten Erfordernisse angepasst werden Angepasste Kaltstart- und Warmlaufstrategie erforderlich Grenze für E100 liegt mit dem heutigen Stand der Technik ohne Zusatzmaßnahmen bei etwa -5 C 05.06.2013 Wien Ch. Denk Folie 26
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl. Ing. Christoph Denk christoph.denk@ifa.tuwien.ac.at