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Grundsatzuntersuchungen zur Rußbildung in Großdieselmotoren in Abhängigkeit von der Kraftstoffqualität

 

Aufgeladene Schiffsdieselmotoren zeigen bei Lastaufschaltung und Teillast eine unerwünschte Rauchfahne. Zur Verbesserung des Rauchverhaltens unter Luftmangelbedingungen wurde das Potential solcher Parameter wie Drall, Kraftstoff-Wasser-Emulsion, Einspritzsystem (konventionell und Common-Rail), Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck, Vor-, Nacheinspritzung und Brennraumgeometrie erforscht. Dabei erfolgten sowohl optische Verbrennungsuntersuchungen, als auch Abgasanalysen bzgl. Partikelemission, Partikelzusammensetzung und Partikelgrößenverteilung sowie Filterschwärzungszahl. Die Untersuchungen fanden an einem 1-Zylinder-4-Takt-Forschungsdieselmotor mit 240 mm Hub und 160 mm Bohrung statt. Als Kraftstoffe kamen die Sorten Dieselkraftstoff und Schweröl RMG 35 (Viskosität 450 cSt bei 50 °C) zum Einsatz. Ergänzende optische Verbrennungsuntersuchungen bei Common-Rail-Betrieb wurden am Caterpillar-Motor 6 M 20 CR durchgeführt.

Unter Luftmangelbedingungen findet nur eine ungenügende Rußoxidation statt. Dies führt zu einem Anstieg des Rußanteils der Partikel und der Filterschwärzungszahl. Die Partikelemission wird aufgrund der besseren Verbrennung des Kohlenwasserstoffanteils z. T. vermindert. Somit korreliert das optische Erscheinungsbild des Abgases nicht mit der Partikelemission, sondern ist in hohem Maße von der Partikelzusammensetzung abhängig. Auch unter Luftmangelbedingungen kann bei Dieselkraftstoff durch Verbesserung der Kraftstofftröpfchen- bzw. der Kraftstoffdampfverteilung und der Intensivierung der Transportvorgänge im Brennraum die Bildung von Ruß minimiert bzw. eine nahezu vollständige Rußoxidation erreicht werden. Wirksamste Maßnahmen sowohl zur Verbesserung des optischen Erscheinungsbildes des Abgases als auch der Partikelemission sind die Dralloptimierung und die Kraftstoff-Wasser-Emulsion, wobei diese Größen betriebspunktabhängig einstellbar sein müssen. Die gegenüber Dieselbetrieb erhöhte Partikelemission bei Schwerölbetrieb ist hauptsächlich durch höhere Kohlenwasserstoff-, Schwefelsäure- und Ascheanteile bedingt. Die beiden letzteren Bestandteile können durch die Verbrennungsführung nicht wesentlich beeinflusst werden, wodurch die Partikelminderung erschwert wird. Generell zeigen Maßnahmen, die bei Dieselkraftstoff sehr effizient sind, bei Schweröl nur eine geringe Wirkung. Um hier zu entscheidenden Fortschritten zu kommen, besteht noch erheblicher Forschungsbedarf.

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