Diesel-Wasser-Emulsion als Maßnahme zur Schadstoffreduzierung bei Dieselmotoren Prof. Dr.-Ing. Ch. Simon Dipl.-Ing. (FH) H. Dörksen Dipl.-Ing. (FH) A. Berenz cand. Ing. (FH) A. Franzen 1
Vortragsübersicht Schadstoff-Grenzwerte Ruß-NOx-Trade-Off Möglichkeiten der Wassereinspritzung Ausblick 2
Grenzwerte Pkw Europa, USA, Japan AC-Koll. 2006 Bd 1 CARB: California Air Recources Board EPA: Environmental Protection Agency BIN: Emissionsstandards CAFE: Corporate Average Fuel Economy 3
Grenzwerte Nfz Europa EURO IV: 1.10.2006 EURO V: 1.10. (neue Typen) Übergangszeit alte Typen bis: 1.10.2009 danach Fahrzeuge nur noch nach EURO V (WM-Sym. Bd1, S. 52/53) 4
Ruß-NOx-Trade-Off (Dieseldilemma) 8 Partikel [g/h] 6 4 2 0 100 150 250 NOx [ppm] 5
Möglichkeiten der Wassereinspritzung Geschichtete Wassereinspritzung Wassereindüsung Diesel-Wasser-Emulsion Vorgemischte Emulsion On-Board-Mixing (extern) On-Board-Mixing (intern) 6
Geschichtete Wassereinspritzung 7
Systemübersicht geschichtete Wassereinspritzung Axialverteiler- Einzelpumpen- Element Wasserförderung Einspritzpumpe VP37 8
Zweistoff-Einspritzdüse Düse mit Nadel Zwischenstück Rückschlagventil Wasserkanal Kraftstoffkanal 9
Einzylinder Forschungsmotor Hub mm 95,0 Bohrung mm 79,5 Hubvolumen ltr 0,47 Verdichtung -- 20,0 max. Mitteldruck bar 8,0 10
NOx-Konzentration in Abhängigkeit der Motorlast 2000 1800 1600 1400 1200 NOx [ppm] 1000 800 ohne Wasser 25 % Wasser 40% Wasser 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 30 Motordrehmoment [Nm] 11
Rußbeladung in Abhängigkeit der Motorlast 3,0 2,5 2,0 Russbeladung [FSN] 1,5 1,0 ohne Wasser 25% Wasser 40% Wasser 0,5 0,0 0 5 10 15 20 25 30 Motordrehmoment [Nm] 12
Spez. Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit der Motorlast 600 550 500 be [g/kwh] 450 400 350 ohne Wasser 25% Wasser 40% Wasser 300 250 200 0 5 10 15 20 25 30 Motordrehmoment [Nm] 13
Wassereindüsung 14
Versuchsmotor 4-Zylinder-Motor ATL-Aufladung mit Ladeluftkühlung PLD-Direkteinspritzung Hubraum: 3,2 ltr Leistung: 82 kw 15
Anordnung Wassereindüsung 16
Systemübersicht Wassereindüsung 17
NOx- und Russbildung bei Wassereindüsung 1100 NOx [ppm] 1000 900 800 700 600 500 10% Wasser 20% Wasser 30% Wasser Diesel 400 300 200 100 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Md_mitt [Nm] 18
NOx- und Russbildung bei Wassereindüsung 2 FSN 1,8 1,6 1,4 1,2 1 10% Wasser 20% Wasser 30% Wasser Diesel 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Md_mitt [Nm] 19
Vorgemischte Diesel-Wasser- Mikro-Emulsion Institut für Physikalische Chemie Universität Köln Prof. Dr. Strey 20
Vergleich Diesel-Wasser-Mikroemulsion n = 2100 1/min Diesel 20% Wasser 30% Wasser 40% Wasser 50% Wasser 21
Lastsprünge 5-Zylinder-Motor 22 ATL-Aufladung mit Ladeluftkühlung Hubraum: 10 ltr Leistung: 192 kw
Lastsprünge 23
Diesel-Wasser-Emulsion On Board-Mixing (extern) 24
Systemübersicht externe Diesel-Wasser-Mischereinheit 25
Versuchsmotor mit Mischereinheit 26
13-Punkte-Test 03.09.2007 Diesel (ohne Chip) 1200 180 1000 2 8 10 150 Md [Nm] 800 600 400 6 5 4 3 12 13 120 90 60 Pe [kw] Md Pe 200 7 9 11 30 0 1 0 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 n [U/min] 27
Vergleich spez. Kraftstoffverbrauch Diesel-Wasser-Emulsion 28
Vergleich spez. Kraftstoffverbrauch Diesel-Wasser-Emulsion 29
Vergleich Russbeladung Diesel-Wasser-Emulsion 30
Vergleich Russbeladung Diesel-Wasser-Emulsion grav. PM: Reduzierung um ca.50 % 31
Vergleich Stickoxide Diesel-Wasser-Emulsion 32
Vergleich Stickoxide Diesel-Wasser-Emulsion 33
Diesel-Wasser-Emulsion On Board-Mixing (intern) gefördert durch: AiF/BMBF 34
Systemübersicht interne Diesel-Wasser-Emulsionsbildung 35
Prüfstand Modell-Mischkammer 36
Prüfstand Modell-Mischkammer 37
Modell-Mischkammer reines Wasser und Dieselkraftstoff 38
Modell-Mischkammer Wasser mit Emulgator und Dieselkraftstoff (Mikroemulsion, Uni Köln) 39
Ausblick Weiterentwicklung der internen On Board Mischung (AiF/BMBF-Projekt) Optimierung der Diesel/Wasser- Mischungsverhältnisse (Stiftung Rheinl.-Pfalz für Innovation) Kombination Diesel-Wasser-Emulsion mit modernen Abgasnachbehandlungssystemen in Verbindung mit Wasserrückgewinnung 40
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 41