CO2-neutrale Kraftstoffe

Der Einsatz CO2-neutraler Kraftstoffe stellt eine Möglichkeit dar, mit aktuellen und zukünftigen Fahrzeuggenerationen schadstoffarme und klimaneutrale Mobilität sicherzustellen. Am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe wird bereits seit 2013 an diesem Schwerpunkt geforscht. Kern der Forschungsarbeiten sind die experimentellen Untersuchungen mit unterschiedlichen Versuchsträgern unter dem Einsatz von Oxymethylenether, kurz OME. Vom Einzylinderforschungsmotor über verschiedene Mehrzylindermotoren (Pkw und Nfz) bis hin zum Demonstratorfahrzeug werden OME oder OME-/Diesel-Mischungen (sogenannte Blends) untersucht. Begleitet und ergänzt werden die experimentellen Untersuchungen durch verschiedene Simulationen, wie beispielsweise 0D/1D-Motorprozessrechnung oder detaillierte 3D-CFD-Rechnung von Verbrennung und Schadstoffentstehung. Der Forschungsschwerpunkt umfasst insbesondere die folgenden Themen:

Motoroptimierung, Entwicklung neuartiger Brennverfahren und Lastregelungskonzepte

OME verbrennt wegen fehlender direkter Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen sowie eines gewissen Sauerstoffanteils im Molekül nahezu rußfrei. Diese Eigenschaft ermöglicht neue Freiheitsgrade in der Motorapplikation. Somit ergeben sich unter anderem zwei Entwicklungsrichtungen. Einerseits gilt es zu untersuchen, wie OME sich in aktuellen Motorengenerationen verhält, welche Vorteile und Herausforderungen entstehen. Andererseits müssen neue Motorengenerationen dezidiert für OME ausgelegt werden, um das maximale Potential des Kraftstoffs zu heben. Teil dessen ist unter anderem die Entwicklung neuartiger Konzepte des Brennverfahrens und der Lastregelung.
Aktuelle Beispiele stellen die folgenden Projekte dar:

  • Nachhaltige Mobilität durch synthetische Kraftstoffe NAMOSYN
  • Closed Carbon Cycle Mobility C3 Mobility
  • Konstruktion und Fertigung eines neuen Zylinderkopfes für den Einzylinderforschungsmotor

Erforschung der Abgasnachbehandlung im Kontext der Verbrennung von OME

Sowohl die Beimischung von OME zu konventionellem Dieselkraftstoff als auch der Einsatz von reinem OME hat deutliche Auswirkungen auf den Verbrennungsprozess und die Schadstoffentstehung. Resultat dessen sind veränderte Randbedingungen am Eintritt in das dem Motor nachgelagerte Abgasnachbehandlungssystem.
Dies umfasst insbesondere:

  • Identifikation der Einflüsse und Wechselwirkungen zwischen Verbrennungsmotor und Abgasnachbehandlungssystem (AGN)
  • Multikriterielle Optimierung der AGN-Betriebsstrategie (z.B. hinsichtlich Verbrauch, Emissionen, Komfort)
  • Ableitung einer möglichen Entfeinerung der AGN. Reduktion der Systemkomplexität.

Realfahrtuntersuchungen mit OME und OME-/Diesel-Blends

Das Institut hat im Frühjahr 2017 ein OME-Demonstratorfahrzeug umgerüstet und in Betrieb genommen. Das Fahrzeug wird mit OME-/Diesel-Blends und mit reinem OME betrieben. Für Realfahrtuntersuchungen mit dem OME-Demonstratorfahrzeug stehen am Institut folgende Einrichtungen zur Verfügung:

Motorprozessrechnung (0D / 1D) und 3D-CFD mit OME

Die experimentellen Untersuchungen am Motorenprüfstand und im Fahrzeug werden stets durch Simulationsaufgaben begleitet und ergänzt. Simulation ermöglicht es Werte zu bestimmen und Erkenntnisse zu gewinnen, die am realen Motor nur mit erheblichem messtechnischem Aufwand zu bestimmen sind. Gleichzeitig erfolgen ein kontinuierlicher Abgleich und Validierung zwischen Experiment und Simulation. Somit wird der Prozess überwacht und potentielle Fehlerquellen identifiziert und beseitigt.
Dazu werden unter anderem folgende Werkzeuge eingesetzt:

  • AVL Cruise M
  • GT Power
  • AVL Fire

Biogene Dieselkraftstoffe

Im Forschungsfeld der biogenen Dieselkraftstoffe liegt ein besonderer Fokus auf Drop-In fähigen Kraftstoffen, welche ohne Anpassung am Motor genutzt werden können. Dabei werden insbesondere biogene Kraftstoffe der 2. Generation untersucht, welche sich nicht negativ auf die Lebensmittelverfügbarkeit auswirken.

Biogene Kraftstoffe weisen den Vorteil der CO2-Neutralität auf und haben des Weiteren potentiale hinsichtlich des Emissionsverhaltens. Die Untersuchungen mit biogenen Kraftstoffen am Institut VKM fokussieren sich dabei auf die Analyse des Brennverhaltens und der Emissionen. Weiterführend werden aber auch Analysen hinsichtlich des Verschleißes und der Dauerhaltbarkeit durchgeführt.

Synthetische Ottokraftstoffe

Im Rahmen der Untersuchungen werden potentiell erneuerbare und fossilfreie Ottokraftstoffe identifiziert und deren Potential in Bezug auf Leistung, Effizienz und Emissionsverhalten im Vergleich zu konventionellem Benzin analysiert.

Darüber hinaus arbeitet das Institut, gefördert durch die ADAC-Stiftung und in Zusammenarbeit mit dem Deutscher Motor Sport Bund e.V. (DMSB), an den technischen Randbedingungen, der Erprobung und der Piloteinführung von synthetischen Ottokraftstoffen im Breiten-Motorsport. Losgelöst von politischen Rahmenbedingungen bietet der Motorsport die ideale Plattform für die Entwicklung und Demonstration alternativer Antriebstechnologien unter anspruchsvollsten Randbedingungen und kann zudem als Technologietreiber für die Überführung synthetischer Kraftstoffe in die Bestandsflotte dienen.

Aktuelle und abgeschlossene Forschungsprojekte: