Potenzialbewertung von Benzin-Ethanol Kraftstoffmischungen im ottomotorischen Betrieb; Wirkungsgrad, Emissionen, Kaltstart und Flex Fuel Erkennungsmethoden

Abstract

Durch das Interesse an dem Kraftstoff Bioethanol für die motorische Anwendung gewinnt die Anpassung und Optimierung des Motors an diesen Kraftstoff zunehmend an Bedeutung. Dieser alternative Kraftstoff wird immer öfter konventionellen Benzinkraftstoffen beigemischt und teilweise sogar in reiner Form als Treibstoff (Flex Fuel) eingesetzt.<br />Im theoretischen Teil werden auf Basis von Kraftstoffanalysen des eingesetzten Benzins und Ethanols wichtige Stoffeigenschaften berechnet und erläutert. Verschiedene Kraftstoffmischungen beeinflussen den Betrieb eines Motors speziell durch unterschiedliche Heizwerte, Oktanzahlen, Verdampfungsenthalpien und Siedeeigenschaften. Eine detaillierte Analyse der entstehenden CO2-Emissionen zeigt das mögliche Einsparungspotenzial von Bioethanol gegenüber Benzin im direkten Motorbetrieb hinsichtlich einer Tank-to-Wheel Betrachtung. Hinzu kommen noch die primären Vorteile von Biokraftstoffen an sich - die positiven Auswirkungen auf die CO2-Bilanz durch die Herstellung von Bioethanol über das Pflanzenwachstum bis hin zur Befüllung des Kraftstofftanks (Well-to-Tank Betrachtung). Im experimentellen Teil der Arbeit wird der Einfluss von verschiedenen Ethanolmischkraftstoffen an zwei unterschiedlichen Motorkonzepten (Saugrohr- bzw. Direkteinspritzung) anhand von Ergebnissen zahlreich durchgeführter Untersuchungen beschrieben. Durch die Anpassung der Motorparameter auf die Kraftstoffmischung wurde mit steigendem Ethanolgehalt im Motorteillastbereich ein deutliches Emissionsreduktionspotenzial und an der Volllast eine wesentliche Wirkungsgradsteigerung, vor allem beim direkteinspritzenden Motor, festgestellt. Um den Start bei tiefen Umgebungstemperaturen mit hohen Alkoholkonzentrationen, die ein schlechtes Verdampfungsverhalten besitzen, zu gewährleisten ist ein zusätzliches Kaltstartsystem notwendig. An einem klimatisierten Motorenprüfstand wurden Untersuchungen mit einem neuen System durchgeführt, das die Kaltstartfähigkeit verbessert und die minimale Startemperatur beim Einsatz von reinem Ethanol deutlich absenkt.<br />Da beim Betrieb eines Flex Fuel Fahrzeuges die Erkennung des Ethanolgehalts zwecks Einstellung der optimalen Motorparameter im Kraftstoff wesentlich ist, wurden innovative Methoden zur Bestimmung der Ethanolkonzentration im Kraftstoff untersucht und analysiert.