Potential of sustainable aviation fuels in a compression ignition aviation engine utilizing cylinder pressure-based combustion control

Abstract

Die Luftfahrt trägt mit ca. 2 - 2,5 % zu den weltweiten CO2-Emissionen bei. Ihre Defossilisierung stellt eine besondere Herausforderung dar, da etablierte alternative Antriebstechnologien aus dem Automobilbereich nur eingeschränkt übertragbar sind. Mittelfristig bleiben kohlenwasserstoffbasierte Kraftstoffe unverzichtbar.Sustainable Aviation Fuels (SAF, nachhaltige Flugkraftstoffe) bieten einen vielversprechenden Ansatz zur Reduktion der CO2-Emissionen über den Lebenszyklus. Die derzeitige Zertifizierung ist jedoch auf Strahltriebwerke ausgelegt und berücksichtigt nicht den Einsatz in selbstzündenden Flugmotoren aufgrund ihres geringen Marktanteils.Je nach Herstellungsverfahren unterscheiden sich SAFs in ihrer chemischen Zusammensetzung, was das Verdampfungsverhalten und die Zündqualität beeinflusst. Daher ist die Bewertung ihrer Eignung für selbstzündende Flugmotoren essenziell.Zur Untersuchung des Einflusses der Zündwilligkeit wurden Kraftstoffe mit Cetanzahlen von CN25 - CN75 an einem CI-Flugmotor auf dem Prüfstand und im Flugzeug untersucht. Über das gesamte Kennfeld treten zündverzugsbedingte Verschiebungen der Verbrennungsschwerpunktlage auf. Eine nicht-adaptive Einspritzstrategie erfordert daher eine konservative Parametrierung, um Grenzwerte wie Zylinderdruck oder Druckanstieg nicht zu überschreiten.Ein zylinderdruckbasiertes Verbrennungsregelungssystem wurde entwickelt, um diesem Problem entgegenzuwirken. Die adaptive Einspritzsteuerung ermöglicht die dynamische Anpassung der Einspritzparameter auf Basis des kurbelwinkelaufgelösten Zylinderdrucks und daraus abgeleiteter thermodynamischer Kenngrößen. Damit konnte auf dem Prüfstand eine maximale Steigerung des effektiven Wirkungsgrads von bis zu 1,3 % demonstriert werden. Mit reduzierter Kraftstoffbandbreite konnten in Flugversuchen moderate Verbesserungen (≈ 0,4 %) erzielt werden – ein höheres Potenzial wird jedoch bei erweiterter Kraftstoffverfügbarkeit erwartet.Das Emissionsverhalten von SAF hängt sowohl von deren molekularer Struktur als auch vom Brennverlauf ab. Ein Kraftstoff mit geringem Aromatengehalt kann Vorteile hinsichtlich adiabater Flammentemperatur und thermischer NOx-Bildung bieten, aber dennoch höhere NOx Gesamtemissionen als ein langkettiger, aromatenhaltiger Kraftstoff aufweisen. Unter Berücksichtigung dieser teils gegensätzlichen Effekte weisen HEFA-Kraftstoffe (Hydrotreated Esters and Fatty Acids) Vorteile in Bezug auf NOx, Rußmasse und Produkte unvollständiger Verbrennung über den gesamten Betriebsbereich auf. Dagegen sind die Auswirkungen von SAF-Blends mit niedriger Cetanzahl betriebspunktabhängig und zeigen je nach vorherrschendem Verbrennungsregime sowohl vorteilhafte als auch nachteilige Trends.

Aviation contributes around 2 - 2.5 % to global CO2 emissions. Defossilizing aviation presents a particular challenge, as established alternative propulsion technologies from the automotive sector are only applicable to a limited extent. In the medium term, hydrocarbon-based fuels will remain essential.In this context, Sustainable Aviation Fuels (SAF) offer a promising way to reduce life-cycle CO2 emissions. However, certification is tailored for jet turbine application and does not consider compression ignition aviation engines due to their small market share.Depending on the production pathway, SAFs vary in chemical composition, affecting properties like evaporation behavior and ignition quality. Assessing their suitability for piston engines is therefore essential.In order to systematically evaluate the influence of ignition quality on engine performance, SAF within a wide cetane number (CN) range of approximately 25 - 75 have been extensively tested on the test bench and in real-flight investigations. Ignition delay-induced shifts in combustion phasing occur across the entire operating range. A non-adaptive (fixed parameter) injection strategy requires conservative parameterization to avoid exceeding permissible limits such as in-cylinder pressure or pressure gradient in the high-power operating regime. To address this issue, a cylinder pressure-based combustion control system was developed. Adaptive injection control enables the dynamic adjustment of injection parameters based on crank-angle resolved in-cylinder pressure and derived thermodynamic parameters. This approach achieved a maximum increase in brake thermal efficiency of up to 1.3 % on the test bench. In flight, moderate improvements (≈ 0.4 %) were achieved due to a limited available fuel matrix, though increased potential is expected with expanded fuel availability.The emission potential of SAF is directly related to the fuel composition and molecular structure, but also to their influence on the combustion process itself. A low aromatic content fuel might exhibit benefits regarding adiabatic flame temperature and thermal NOx-formation, yet still emit more global NOx than a longer-chain fuel containing aromatics.Taking these partially opposing effects into account, HEFA (Hydrotreated Esters and Fatty Acids), based on triglycerides or free fatty acids shows advantages in terms of NOx, soot mass, and products of incomplete combustion across the entire operating range.The effects of low-cetane number SAF-blends on these emission components are strongly influenced by the prevailing combustion regime, showing both beneficial and adverse trends depending on the observed operating point.