Analyses towards the optimal composition of synthetic diesel fuels for conventional combustion processes

Der Inhalt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses chemischer und physikalischer Eigenschaften synthetischer Kraftstoffe auf das Brenn- und Emissionsverhalten bei konventioneller dieselmotorischer Verbrennung. Dazu wurde eine Kraftstoffmatrix bestehend aus sieben synthetischen Kraftstoffen mit unterschiedlichen, Merkmal prägenden Komponenten definiert und sowie motorisch als auch optisch in einer Hochdruck-/ Hochtemperaturzelle untersucht. Die Ergebnisse wurden mit einem Referenzkraftstoff (CEC) verglichen. Um die Kraftstoffeigenschaften motorisch zu beurteilen wurden Untersuchungen an einem modernen Einzylinder Forschungsmotor durchgeführt. Als Bewertungskriterien für das Brennverhalten wurden der Zündverzug, die 50%-Umsatzlage und die Brenndauer definiert. Während die Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff-, Stickoxid- und Russ-Rohemissionen zur Bewertung des Emissionsverhaltens dienten, wurden der spezifische Kraftstoffverbrauch, der Energieeintrag sowie die Kohlendioxidemissionen zur Beurteilung der Wirkungsgradunterschiede herangezogen. Um die Interpretation der motorischen Ergebnisse zu unterstützen, wurden am LAV der ETH Zürich in einer optisch zugänglichen konstant-Volumen Brennkammer (HDTZ) optische Messungen zu Eindringtiefe und Ausbreitung eines Einspritzstrahls, zu Verdampfung, Zündverzug und -ort und Russbildung durchgeführt. Zudem wurde der verwendete Injektorentyp durch Einspritzverlaufsmessungen charakterisiert, um eventuelle Unterschiede beim Kraftstoffeintrag in den Brennraum zu eruieren und genaue Daten für quantitative Prozessrechnungen zu erhalten. Die Ergebnisse aus den motorischen Untersuchungen zeigten eine starke Abhängigkeit vom betrachteten Lastzustand und der gewählten Betriebsstrategie (mit oder ohne Voreinspritzung). Der Einfluss des Lastzustands war einerseits im Temperaturniveau bei Beginn der Einspritzung und andererseits in der benötigten Zeit für den Einspritzvorgang zu sehen. Bei niedrigen Lasten führten das niedrige Temperaturniveau und die kurzen benötigten Einspritzzeiten bei allen Kraftstoffen zu einem vollständig vor dem Brennbeginn abgeschlossenen Einspritzvorgang. Die gemessenen Zündverzugszeiten waren qualitativ in den Cetanzahlen der Kraftstoffe wiederzufinden. Qualitative Aussagen auf Basis der Cetanzahlen waren aber nicht möglich. Bezüglich des Wirkungsgrads wurde beachtliches Potenzial der Kraftstoffe gefunden, die vorwiegend aus langen geradkettigen Molekülstrukturen bestanden. Hohe teil- und unverbrannte Emissionen des Referenzkraftstoffs und des aromatischen Blends bestärkten in der Annahme, dass eine vollständigere Verbrennung der sehr zündwilligen Kraftstoffe die Ursache für Wirkungsgradunterschiede war. Aufgrund der langen zur Verfügung stehenden Zeit für die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und ausreichend zur Verfügung stehenden Luftsauerstoffs spielte Russ bei niedrigen Lasten nur eine marginale Rolle. Bei höheren Lasten wurden einerseits weitaus kürzere Zündverzugszeiten beobachtet und andererseits musste eine größere Kraftstoffmenge eingespritzt werden. Grundlegend resultierte dies in einer vorwiegend diffusiven Verbrennung wobei das kraftstoffspezifische Brennverhalten an Bedeutung gewann. Die dokumentierten Brennverläufe und 50%-Umsatzlagen deuteten darauf hin, dass der Referenzkraftstoff eine höhere Sensibilität gegenüber verschiedenen Zündverzügen aufweist als die FT-Kraftstoffe: Hohe Anteile vorgemischter Verbrennung wurden bei höherer Teillast und späten Einspritzbeginn beobachtet, während das Brennverhalten der synthetischen Kraftstoffe weiterhin vornehmlich diffusiv war. Bei diesen Bedingungen waren die Russemissionen des Referenzkraftstoffs niedriger als die der synthetischen Kraftstoffe. Mit Voreinspritzung waren aber die bei weitem höchsten Russemissionen beim Referenzkraftstoff zu verzeichnen. Bezüglich der synthetischen Kraftstoffe wurde der höchste Russausstoß beim naphtenischen Kraftstoff beobachtet worden. Das kann durch die im Vergleich am langsamsten ablaufenden Russoxidationsprozesse begründet werden, wie es durch Ergebnisse aus den Untersuchungen in der HDTZ nahegelegt wird. Demgegenüber konnten die niedrigsten Russemissionen bei Untersuchung des alkoholischen Blends mit Mehrfacheinspritzung dokumentiert werden. Dieser zeigte auch die niedrigsten Maxima des KL-Wertes in HDTZ-Untersuchungen. Aus einer abschließenden Kraftstoffbewertung folgt, dass der FT-Basiskraftstoff bezüglich Wirkungsgrad, teil- und unverbrannten Emissionen und Stickoxiden das günstigste Verhalten aufwies. Der Russausstoß konnte durch den Kraftstoff mit niedrigem Siedebeginn, dem Kraftstoff mit gesteigertem iso-Paraffin Anteil und dem Kraftstoff mit langkettigen Alkoholen nochmals verringert werden. Aber abgesehen vom alkoholischen Kraftstoff hatte dies negative Auswirkungen auf die weiteren Bewertungskriterien. Folglich stellen langkettige Alkohole eine vielversprechende Kraftstoffkomponente für zukünftige Kraftstoffe dar.The project task was the evaluation of the influences of chemical and physical properties of synthetic fuels on combustion and emission behavior at conventional diesel engine operation. Therefore seven synthetic blends of different structures were defined and investigated. The results are compared to a reference diesel fuel following the requirements of EN590. In order to evaluate the fuel properties from the engine’s side, studies were conducted on a modern single-cylinder research engine. The behavior of the fuels was examined at several representative operating points under various conditions Ignition delay, burn duration and combustion phasing were defined as the criteria to assess the combustion behavior. While the emission behavior was judged by recording the raw engine out emissions of carbon monoxide, unburned hydrocarbons, nitrogen oxides and soot the efficiency was evaluated with regard to the specific fuel consumption, the energy entry and the carbon dioxide emissions. To enable a deeper interpretation of the results from the engine investigations fundamental experiments are performed at a constant volume combustion chamber (HTDZ). Here spray penetration depth, spray propagation, evaporation, points of ignition and soot formation are in the focus of interest. Furthermore the injector was characterized by injection rate measurements for both the evaluation of differences in fuel entry into the combustion chamber and to present an exact data basis for consequently performed quantitative process calculations. The results that were gained from engine experiments were largely dependent on the considered load and the chosen operation strategy (with or without pilot injection). The influence of the load condition has to be seen in the temperature level at the start of injection and the time required to inject the desired fuel mass. Therefore it was obvious that the results have to be judged in respect to the operating condition. At low loads the low temperature level and the short time needed for fuel injection led to a completed injection before the start of burn for all fuels considered. The ignition delay times were following the classification by their respective Cetan Numbers (CN). But it has to be noted that quantitative statements cannot be made based solely on CN as the synthetic fuel with exposed aromatic content showed a very similar combustion behavior to the reference fuel despite having a higher CN. Here considerable potential of synthetic fuels mainly consisting of long straight chain molecules was found in terms of efficiency. High partly burned and unburned emissions of the reference fuel and the fuel of aromatic content enforce the assumption of a more complete combustion by the highly ignitable fuels being the reason for the efficiency differences. Due to the good homogenization and large amounts of available oxygen at low loads soot did not play a role for any of the fuels. At higher load operation the ignition delays were significantly reduced while a greater amount of fuel had to be injected into the combustion chamber. While this was generally resulting in a predominantly diffusive combustion, the individual combustion characteristics of the fuels gain importance. The recorded burn durations and the combustion phasing pointed out that the combustion behavior of the reference fuel is more sensitive to different ignition delays than the synthetic fuels: Great portions of premixed combustion were seen at higher part load and late starts of injection while the combustion of all synthetic fuels was still mainly diffusive. At those conditions the soot emissions of the reference fuel were below the synthetic fuels. Contrary to that by far the highest soot emissions were recorded for the reference fuel at MSI operation. With regard to the synthetic fuels naphtenic contents led to an unfavorable soot performance independent of the application of a pilot injection. This could be due to slower soot oxidation processes as it is suggested by results from the HTDZ. On the other hand long-chain alcohols were recorded with lowest soot emissions at MSI operation and also showed the smallest KL-maxima in HTDZ experiments. In a summarizing fuel assessment the FT-Base which was mainly consisting of n- and iso-paraffins led to the greatest potential in terms of efficiency, partly burned and unburned emissions and nitrogen oxides. Soot performance could be improved by the earlier boiling fuel, the fuel with a larger fraction of iso-paraffins and the fuel with alcoholic content. But except for the fuel with alcoholic content these fuel types had negative impacts on the other assessment criteria. Therefore long-chain alcohols are a promising fuel content for diesel fuels of the future