Kraftstoffe als chemisch gebundene Energieträger werden auf Grund ihrer Vorteile hinsichtlich Energiedichte sowie Transport und Speicherung weiterhin eine dominante Rolle für die Mobilität spielen. Dies gilt insbesondere für Flug- und Schiffsanwendungen, aber auch für Fahrzeugantriebe. Essentiell dabei ist, dass ein Umstieg von fossilem Ursprung auf eine nachhaltige Erzeugung gelingt. Nachfolgend einige Beispiele für aktuelle Aktivitäten am IFA in diesem Bereich:
Regenerative Ottokraftstoffe – e-Fuels
Regenerativ hergestellte Drop-in-Kraftstoffe, welche die aktuelle Kraftstoffnorm EN228 erfüllen, können in der bestehenden Fahrzeugflotte eingesetzt werden und bewirken einen sofortigen Rückgang von CO2-Emissionen.
Besonders an modernen, hochaufgeladenen Downsizingmotoren ist es wichtig, dass außer der in der Norm festgelegten Mindestanforderung hinsichtlich Klopffestigkeit (Oktanzahlen MOZ, ROZ) auch im Bereich niedriger Drehzahlen ein unerwünschtes Vorentflammen (Low-Speed Pre Ignition – LSPI) nicht auftritt. Ein neues Prüfverfahren, basierend auf einem modifizierten CFR-Prüfmotor mit Direkteinspritzung und Aufladung, wurde mit Projektpartnern am Institut entwickelt. Die neue Kraftstoffkennzahl CPI (Compression Pre Ignition) soll zukünftig als neues Qualitätskriterium in die Kraftstoffnorm aufgenommen werden.
Bio-Erdgas
Das Institut beschäftigt sich mit alternativen, klimaneutralen Kraftstoffen, wie aus Biomasse hergestelltem CNG (Compressed Natural Gas). Die Eigenschaften des Hauptbestandteils Methan ermöglichen eine Prozessführung mit hoher Leistungsdichte und Kraftstoffeffizienz.
Ein innovatives Konzept ist die Direkteinblasung in den Brennraum, die den Verdrängungseffekt im Saugrohr und das Durchspülen des Brenngases vermeidet. Am IFA wurden Forschungsarbeiten zur Ausnutzung dieser Eigenschaften mittels optimierter Steuerzeiten und Aufladung durchgeführt. So konnte etwa das Low-End-Torque deutlich verbessert werden, was gemeinsam mit „Downspeeding“-Konzepten sehr vorteilhaft für den Kraftstoffverbrauch ist.
Ein weiterer Benefit der Direkteinblasung ist das Katalysatorheizen durch eine zusätzliche Einblasung in den Expansionstakt. Die späte Verbrennung führt dann zu einem beschleunigten Aufheizen des Katalysators, was die Emission signifikant reduziert.
Wasserstoff
Regenerativ erzeugter Wasserstoff ist ein vielversprechender Energieträger, um die anstehenden Klimaziele zu erreichen und die anthropogenen CO2-Emissionen zu reduzieren. Für den Einsatz von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren sprechen mehrere Gründe. Es kann zum einen auf eine altbewehrte und gut bekannte Technik zurückgegriffen werden, zum anderen sind die Anforderungen an das Kühlsystem und die Wasserstoffqualität deutlich geringer als etwa bei einer Brennstoffzelle.
Am Institut wird derzeit mit einem Industriepartner ein Wasserstoffverbrennungsmotor für den Einsatz in Kleinflugzeugen entwickelt. Dabei wird das mittels externer Gemischbildung erzeugte Wasserstoff-Luft-Gemisch mithilfe einer kleinen Menge Kerosin im Brennraum entzündet. Dieses sogenannte Dual-Fuel-Verfahren erlaubt es, bei Versorgungsschwierigkeiten jederzeit auf den herkömmlichen reinen Kerosin-Betrieb umzuschalten. Mit nur wenigen Motoradaptionen ist somit eine signifikante Reduktion der Schadstoffemissionen, vor allem CO2 möglich.
Holzgas
Vielstoffmotoren können mit verschiedenen gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden. Sie werden meistens in Blockheizkraftwerken (BHKW) für eine autarke und dezentrale Strom- und Wärmebereitstellung eingesetzt. Dabei werden die biologisch erzeugten Gase wie beispielsweiße Biogas, Holzgas, Klärgas und Deponiegas als Kraftstoff für den Gasmotor eingesetzt. Diese Gase sind CO2-neutral und leisten einen wertvollen Beitrag zu einer schnellen Umstellung des globalen Energiesektors.
Da der Gaserzeugungsprozess geringere Heizwerte und eine schwankende Zusammensetzung der Gasmischung zur Folge hat, muss jeder Motor an die spezifischen Kraftstoffeigenschaften angepasst werden, um einen effizienten Motorbetrieb, Dauerhaltbarkeit und niedrige Schadstoffemissionen sicherzustellen.
Am Institut wird ein kombinierter simulativer und experimenteller Ansatz am 1-Zylinder Forschungsmotor verfolgt, um den Verbrennungsprozess zu optimieren. Für die Bereitstellung der Gasmischungen wurde ein Gasmischer entwickelt, der eine online Bereitstellung der definierten Gaszusammensetzung (also des Biogases, Holzgases, Klärgases oder Deponiegases) ermöglicht. Dadurch kann am Motorprüfstand der Motorbetrieb nachgebildet und präzise untersucht werden.
Der flexible Aufbau ermöglicht eine Forschungsarbeiten zu verschiedenen Optimierungsmaßnahmen und Motortechnologien, wie beispielsweise Aufladung, Hochenergie- Zündsysteme, Wassereinspritzung, Abgasrückführung sowie eine Optimierung der Brennraumgeometrie.
Kontakte:
Univ.Prof. Dr. Bernhard Geringer
Tel.: +43 1 58801 31500
bernhard.geringer@ifa.tuwien.ac.at
Assoc.Prof. Dr. Peter Hofmann
Tel.: +43 1 58801 31576
peter.hofmann@ifa.tuwien.ac.at