Superkritische Kraftstoffeinspritzung

Forscher in New York haben ein überkritisches Diesel-Einspritzsystem demonstriert, das die Motoremissionen um 80 Prozent reduzieren und den Gesamtwirkungsgrad um 10 Prozent steigern kann.

Überkritisch werden: Diese Laborausrüstung wird verwendet, um überkritischen Dieselkraftstoff zu untersuchen.

Dieselmotoren sind in der Regel effizienter als Benziner, aber der Nachteil besteht darin, dass sie normalerweise umweltschädlicher sind. Da Diesel schwer, viskos und weniger flüchtig als Benzin ist, wird bei der Verbrennung nicht der gesamte Kraftstoff verbrannt, was dazu führt, dass Kohlenstoffverbindungen als schädlicher Ruß freigesetzt werden. Die zur Verbrennung von Diesel erforderlichen höheren Verbrennungstemperaturen führen auch zu erhöhten Stickoxidemissionen.



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Ein Fluid wird überkritisch, wenn seine Temperatur und sein Druck einen kritischen Grenzpunkt überschreiten, wodurch es neue Eigenschaften zwischen denen einer Flüssigkeit und eines Gases annimmt. George Anitescu, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Institut für Biomedizin und Chemieingenieurwesen an der Syracuse University im Bundesstaat New York, der das neue Motorendesign entwickelt hat, sagt, dass überkritischer Diesel effizienter und sauberer verbrannt werden kann.

Indem Diesel in einen überkritischen Zustand gebracht wird, bevor es in den Brennraum eines Motors eingespritzt wird, wird die Viskosität weniger problematisch, sagt Anitescu. Darüber hinaus bedeutet die hohe molekulare Diffusion überkritischer Fluide, dass sich Brennstoff und Luft fast augenblicklich vermischen. Anstatt also zu versuchen, relativ große Kraftstofftröpfchen, die von Luft umgeben sind, zu verbrennen, vermischt sich der verdampfte Kraftstoff gleichmäßiger mit Luft, wodurch er schneller, sauberer und vollständiger verbrennt. In gewisser Weise ist es wie ein Zwischenprodukt zwischen Diesel und Benzin, aber mit den Vorteilen von beiden, sagt Anitescu, der seine Arbeit letzte Woche auf der Richtungen in der Motoreneffizienz- und Emissionsforschung , eine Konferenz in Dearborn, MI.

In der Vergangenheit wurde ein anderer verwandter Ansatz, der als homogene Kompressionszündung bezeichnet wird, verwendet, um die Leistung von Diesel zu verbessern. Dabei werden Diesel und Luft vorgemischt, bevor sie unter hohem Druck als Dampf in eine Brennkammer eingespritzt werden. Dieses Gemisch verbrennt zwar effizienter, erschwert aber auch die Kontrolle der Verbrennung, was zu Motorklopfen führen kann: Stoßwellen in den Zylindern des Motors, die durch unverbrannte Kraftstoff- und Lufteinschlüsse verursacht werden. Im Gegensatz dazu erzeugt die überkritische Dieseleinspritzung sehr kleine dampfähnliche Tröpfchen, jedoch mit einer Kraftstoffdichte, die einer Flüssigkeit entspricht, sagt Anitescu.

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Andreas Birgel , ein Forscher der Internal Combustion Engines and Fuel Systems Research Group am University College London, UK, sagt, es bestehe großes Interesse an der Herstellung von Diesel, der leichter verdampft, beispielsweise durch die Verwendung von Mais- oder Rapsöl zur Herstellung von Biodiesel, der eine relativ niedrige Viskosität. Ein anderer Ansatz sei, konventionellen Diesel mit Additiven aufzubereiten, sagt er.

Damit der Diesel einen überkritischen Zustand erreicht, muss ihn das Kraftstoffsystem von Anitescu bei einem Druck von etwa 60 000 000 Pascal zunächst auf rund 450 Grad Celsius aufheizen. Das Erreichen des Drucks sei kein Problem, sagt Anitescu, aber die Erhöhung der Temperatur sei anspruchsvoller.

Da Kraftstoffsysteme in der Regel bei Temperaturen unter 80 Grad Celsius arbeiten, nutzten Anitescu und seine Kollegen die Wärme aus den Abgasen des Motors, um die Temperatur des Kraftstoffs zu erhöhen. Dies verursacht weitere Komplikationen. Sie müssen verhindern, dass es verkokt, sagt er. Verkoken tritt auf, wenn Kohlenwasserstoffe im Kraftstoff reagieren und klebrige Ablagerungen erzeugen, die zu Ausfällen des Kraftstoffsystems führen können. Dieses Phänomen kann durch Verdünnen des Kraftstoffs mit einem Additiv wie Kohlendioxid oder Wasser vermieden werden. Beim Syracuse-Motor wird eine kleine Menge Abgas als Antiverkokungsmittel eingeleitet, eine Technik, die als Abgasrückführung bekannt ist.

Das System wurde nur in einem Laboraufbau getestet, aber ein Prototyp könnte bis Ende des Jahres zum Test bereit sein, sagt Anitescu. Das Kraftstoffsystem ist für die Verwendung herkömmlicher Kraftstoffinjektoren ausgelegt, obwohl diese für den Betrieb mit normalen Flüssigkeiten ausgelegt sind. Anitescu sagt, dass es möglich sein könnte, die Leistung zu verbessern, indem man in einen flüssigen Zustand knapp unter überkritisch wechselt. Dies kann eine Verdampfung ermöglichen, während gleichzeitig eine bessere Leistung aus den Injektoren herausgeholt wird. Wir haben hier viele Möglichkeiten, sagt er.

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Auf derselben Konferenz, Transsonische Verbrennung , ein Unternehmen mit Sitz in Camarillo, Kalifornien, präsentierte Details einer alternativen Möglichkeit zur Verwendung überkritischer Kraftstoffe, die eine neuartige Kraftstoffeinspritzung und die Neukonstruktion des gesamten Ventilsystems und des Brennraums des Motors beinhaltet.

Aber bei beiden Ansätzen ist die Überkritik nicht ohne Kosten, sagt Birgel. Sie brauchen immer noch die Viskosität, weil die meisten Dieselkraftstoffsysteme für die Schmierung vom Kraftstoff abhängig sind, sagt er.

Dies ist ein Thema, das noch nicht angegangen werden muss, räumt Anitescu ein. Das Einbringen von Schmierstoffen sei zwar möglich, aber nur in der Endphase des Kraftstoffsystems notwendig, wo die Flüssigkeit am heißesten sei. Bei unterkritischen Kraftstoffen ist dies möglicherweise kein Problem, sagt er.

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