Projekt 04724/01

Vorentwicklung für einen emissionsarmen Öldampfmotor

Projektdurchführung

adapt engineering GmbH
Motorenstr. 1 a
99734 Nordhausen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Wasserzusätze zum dieselmotorischen Verbrennungsprozeß senken die Stickoxid- und Rußbildung. Ebenso konnten für Kraftstoffdampf/Wasserdampf-Gemische, die bei der Entwicklung eines keramischen Brennwertheizgerätes als Brennstoff untersucht wurden, sehr niedrige Stickoxid- und Rußemissionen nachgewiesen werden. Die Verwendung dieses als Öl-Dampf bezeichneten gut zünd- und brennfähigen Gemisches im Dieselmotor wurde empfohlen. Im Rahmen einer Grundsatzuntersuchung war durch Motorversuche die prinzipielle Wirksamkeit der verbrennungstechnischen und thermodynamischen Effekte dieses Verfahrens bei dieselmotorischer Verbrennung zu prüfen. Die Frage zur praktikablen Anwendbarkeit war zu beantworten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Durchführung der Untersuchungen wurde ein geeigneter Prüf- und Meßaufbau auf einem Motorenprüfstand erstellt. Dieser Arbeitsschritt umfaßte neben der Anpassung des Prüfmotors an die Erfordernisse des Verfahrens die Entwicklung eines Öldampf-Wasserdampferzeugers einschließlich geeigneter Meß- und Regeleinrichtungen und die Entwicklung einer frei steuerbaren Öl-Dampf-Direkt-Injektionseinrichtung. Für eine Parametermatrix bezüglich der Laststufen, Öldampftemperaturen und Wasserverhältnisse wurden Motorversuche durchgeführt bei optimierten Einblaseparametern. Dabei erfolgte neben der Erfassung der üblichen Meßdaten jeweils eine vollständige Abgasanalyse und die Aufzeichnung von Ventilhub- und Zylinderdruckverlauf. Ebenso wurde das Laufverhalten des Motors registriert.
Die Auswertung der Ergebnisse im Vergleich zum Ausgangsdieselmotor und zu den Grenzwerten der Abgasgesetzgebung erlaubte die Beurteilung des Verfahrens aus verfahrenstechnischer und umweltrelevanter Sicht.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen der Grundsatzuntersuchungen ist es gelungen, ein hydraulisch betätigtes Injektionsventil zu entwickeln, welches die Direkt-Injektion des Öldampf-Wasserdampf-Gemisches bei frei steuerbaren Einblaseparametern ermöglicht. Die Problematik dieser Öl-Heißdampf-Injektion wurde zu Beginn der Arbeiten unterschätzt und bestimmte maßgeblich den Fortgang der Arbeiten. Eine kostenneutrale Verlängerung der Projektlaufzeit wurde hierdurch notwendig.

In Auswertung der Motorversuche lassen sich die folgenden Ergebnisse aufzeigen.

Kraftstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch ist als Brenngas in begrenztem Betriebsbereich bei dieselmotorischer Verbrennung grundsätzlich geeignet. Dabei werden bemerkenswert niedrige Emissionswerte bezüglich der Abgasproblemkomponenten Stickoxide und Ruß erreicht (NOx < 20 ppm, Bosch-Schwärzungs-Zahl BSZ < 0,1).

Eine deutliche Leistungssteigerung wurde nicht erreicht. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades ist nicht erkennbar.

Grenzen im dargestellten dieselmotorischen Arbeitsprozeß werden gesetzt durch die Sättigungsgrenze von Kraftstoffdampf im Wasserdampf (Taubereich) und durch die Zündgrenze des Öl-Dampf-Luft-Gemisches bei Teillast (Luftverhältnis lambda ~ 2). Nachteilig sind die notwendig hohen Wasserdampfanteile im Öl-Dampf-Gemisch.

Wärmeenergiebetrachtungen zeigen, daß die Erzeugung von Öl-Dampf der erforderlichen Qualität durch Nutzung der Abgasenthalpie nicht vollständig gelingt. Der Einsatz von zusätzlicher Heizenergie verbietet sich aus ökonomischen und energetischen Gesichtspunkten.

Trotz der herausragenden Ergebnisse bezüglich der Stickoxid- und Rußemissionen und seinen begrenzten Betriebsbereichen ist die Anwendung des Öl-Dampf-Prinzips im dieselmotorischen Verbrennungsprozeß vor allem aus betriebstechnischen Gesichtspunkten nicht praktikabel.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Meßergebnisse der Motorversuche werden zur Unterstützung eines Promotionsverfahrens der Uni Rostock zur Verfügung gestellt.


Fazit

Grundsatzuntersuchungen zum Nachweis der prinzipiellen Wirksamkeit des Öl-Dampf-Prinzips bei der Anwendung am Dieselmotor wurden erfolgreich durchgeführt. Durch empirische Versuche mit einem Prüfmotor konnten Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens aufgezeigt werden. Der Abschluß der Untersuchungen erlaubt eine nüchterne Beurteilung des Verfahrens. Das Potential des Öl-Dampf-Prinzips ist einschätzbar.

Besonders im Hinblick auf ökonomische Aspekte wird derzeit kein Sinn in der Fortführung der Arbeiten gesehen.

Aufgrund der herausragenden Ergebnisse bezüglich Ruß- und Stickoxidemissionen ist die Verwendung des Prinzips für Sonderanwendungsfälle denkbar.