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VERWANDTE
ANMELDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung ist mit der gleichzeitig anhängigen US
Provisional Application mit dem Aktenzeichen 60/571 307, eingereicht
am 14. Mai 2004, verwandt und nimmt deren Priorität in Anspruch.
Die Lehre der verwandten Anmeldung wird hier durch Bezug mit einbezogen,
insoweit sie hiermit nicht kollidiert.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Motoren mit kompressionsgezündeter Verbrennung
einer homogenen Ladung mit Direkteinspritzung (direct injected homogeneous
charge compression ignition engines) und eine Weise, Abgasemissionen
und insbesondere NOx-Emissionen aus diesen
zu steuern, indem die Charakteristika des Treib- oder Brennstoffs
(im Folgenden Treibstoffs) eingestellt werden.
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STAND DER
TECHNIK
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In "Effects of Fuel Properties
on Premixed Charge Compression Ignition Combustion in a Direct Injection
Diesel Engine" (SAE
2003-01-1815) lehren Kitano et al., dass NOx-Emissionen
mit drei Testtreibstoffen, zwei auf der Basis von Treibstoffen mit
einem Siedebereich von etwa 35 °C
bis 139 °C
und einer Cetanzahl von 25 und 40 und ein Dieselkraftstoff mit einem
Siedebereich von 170 °C
bis 355 °C
und einer Cetanzahl von 53 bei Senkung der Cetanzahl und Vorverlegung
des Einspritzzeitpunkts eine Tendenz zur Verminderung zeigen.
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In "A Method of Defining
Ignition Quality of Fuels in HCCI Engines" (SAE 2003-01-1816) lehren Kalghatgi
et al., dass empfindliche Treibstoffe für HCCI-Motoren wahrscheinlich
besser sind als weniger empfindliche Treibstoffe mit der gleichen
ROZ. Es wird berichtet, dass sich die Treibstoffempfindlichkeit
erhöht,
wenn sich der Aromaten/Olefin/Oxygenat-Gehalt des Treibstoffs erhöht.
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Kompressionsgezündete Verbrennung
einer homogenen Ladung (HCCI) ist eine sich rasch entwickelnde Technologie,
die ein großes
Potential dafür
bietet, dass zukünftige
Abgasemissionsrichtlinien erfüllt werden
und gleichzeitig ein guter Treibstoffumwandlungswirkungsgrad beibehalten
wird.
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Der
hauptsächliche
Grund dafür,
dass HCCI-Systeme entwickelt werden, liegt in ihrer Fähigkeit
zu ultraniedrigen NOx- und Partikelemissionen, die man braucht,
um zukünftigen
weltweiten Emissionsrichtlinien, ausgezeichneter Treibstoffeinsparung
und der möglichen
Vermeidung von kostenträchtigen
Nachbehandlungssystemen zu entsprechen.
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Es
ist wahrscheinlich, dass HCCI-Systeme wegen der extrem niedrigen
NOx-Emissionsniveaus die Richtlinien US
On-Highway 2010 und Off-Road Tier 4b erfüllen, obwohl Ausführungen
von HCCI verwendet werden können,
um praktisch alle zukünftigen
Richtlinien zu erfüllen.
NOx-Niveaus von 0,2 bis 0,3 g/PS·h entsprechen
bei allen Motorbetriebsbedingungen < 50 ppm NOx (höchstens < 10 ppm), und die
einzigen anderen bekannten Verfahren, um diese Niveaus zu erreichen,
schließen
die Verwendung von teurer NOx-Nachbehandlungstechnologie
ein, wie NOx-Adsorbern und SCR-Systemen. Wenn eine
echte homogene Mischung erreicht wird, werden reiche Regionen in
dem Zylinder vermieden und Festkohlenstoffniveaus sind praktisch
null, wodurch der Bedarf an Partikelfallen entfällt. Kohlenwasserstoff (KW, hydrocarbon,
HC)- und CO-Niveaus sind ebenfalls gesetzlich geregelt, und die
HCCI-Verbrennung hat inhärent
hohe Niveaus von diesen Emissionen, insbesondere bei hohen Lasten
(niedrigen Äquivalenzverhältnissen).
Selbst wenn also HCCI-Verbrennungsmethoden
beim Ausschluss des Bedarfs nach NOx- und
Partikel (particulate matter, PM)-Fallen erfolgreich sind, sind
also noch Oxidationskatalysatoren notwendig.
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Die
Hauptproblematik bei den meisten Aktivitäten der HCCI-Entwicklung besteht
darin, diese ultraniedrigen NOx- und PM-Emissionen über das
gesamte Leistungsspektrum und die gesamten rechtlich geregelten
Emissionszyklen zu erreichen, in denen die Motoren funktionieren
müssen.
Bei bestimmten Anwendungen wie Personenkraftfahrzeugen und Kleinlastern
wird das Fahrzeug in einigen Ländern
bei den Emissionszyklen nur einem Teillastbetrieb unterworfen, so
dass eine HCCI-Strategie, die bis zu halber Last geringe Emissionen erreicht
und dann bei höheren
Lasten konventionellere Methoden verwendet, eine völlig akzeptable
Lösung darstellt.
Bei Lastern für
den Fernlastverkehr und geländegängigen Maschinen
sind die Emissionszyklen jedoch so, dass die Motoren von leichter
Last bis zu voller Last ultraniedrige NOx-
und PM-Niveaus ergeben müssen.
Die ideale HCCI-Lösung
ist deshalb diejenige, die bei allen Motorbetriebsbedingungen funktioniert;
und es hat sich herausgestellt, dass dies das Hindernis ist, das
von den meisten Forschern, die mit der HCCI-Entwicklung beschäftigt sind,
als am schwierigsten zu überwinden
angesehen wird. Der Hauptgrund dafür ist die rasche Erhöhung der
Verbrennungsgeschwindigkeit, wenn mehr Treibstoff eingespritzt wird,
um die Leistungsabgabe des Motors zu erhöhen. Diese hohen Verbrennungsgeschwindigkeiten
können
zu Zylinderdrücken
führen,
die die konstruktiven Grenzen von Motorzylinderkomponenten (Kolben,
Ringe, Kopf usw.) überschreiten, und
gehen oft mit hohen NOx-Emissionen und erhöhtem Wärmeverlust
einher.
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HCCI-Motoren
haben höhere
KW- und CO-Emissionen als Standard-Dieselmotoren, somit ist auch eine
Steuerung dieser Emissionen wichtig.
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Es
wäre deshalb
wünschenswert,
Techniken zur Steuerung und Verminderung von NOx-,
Partikel- und anderen Abgasemissionen zu finden, die unabhängig von
der mechanischen oder Betriebssteuerung des HCCI-Motors verwirklicht
werden können,
während
sie die Bandbreite von möglichen
Treibstoffen erweitern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist gefunden worden, dass die Abgasemissionen, insbesondere die
NOx-Emissionen, aus einem HCCI-Motor mit
Direkteinspritzung gesteuert und auf einem niedrigen Niveau gehalten
werden können,
indem in dem HCCI-Motor ein Treibstoff mit verminderter Cetanzahl
verbrannt wird, Treibstoffe mit einer Cetanzahl von zwischen etwa
20 und 50, vorzugsweise zwischen etwa 20 und 40 und insbesondere
zwischen etwa 20 und 30. Der Gesamtaromatengehalt des Brennstoffs
kann größer als
15 Gew.-% sein, vorzugsweise größer als
28 Gew.-% und insbesondere zwischen 28 und 50 Gew.-%. Der Treibstoffsiedebereich
kann von 25 °C
bis 380 °C
sein. Bei Motorbenzinen kann das Mittel von Research- und Motor-Oktanzahl
(R+M)/2 60 bis 91 betragen, vorzugsweise 60 bis 81 und insbesondere
60 bis 70.
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BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Verschiedene
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die Figuren beschrieben,
wobei
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die 1 bis 5 den
Effekt von Einspritzzeitpunkt und Cetanzahl (Bereich 38,5 bis 45,5)
auf NOx, AVL-Rauchzahl, KW, CO und thermischen
Wirkungsgrad bei 1500 UpM und 50 % Last zeigen,
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die 6 bis 10 den
Effekt von Einspritzzeitpunkt und Cetanzahl (Bereich 46,7 bis 55,4)
auf NOx, AVL-Rauchzahl, KW, CO und thermischen
Wirkungsgrad bei 1200 UpM und 25 % Last zeigen, und
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die 11 und 12 den
Effekt von natürlicher
und erhöhter
Cetanzahl auf Zylinderdruck und Wärmefreisetzungsgeschwindigkeit
bei 1200 UpM und 25 % Last zeigen,
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die 13 bis 17 den
Effekt von Einspritzzeitpunkt und Aromatengehalt auf NOx,
AVL-Rauchzahl, KW, CO und thermischen Wirkungsgrad bei 1500 UpM
und 50 % zeigen,
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die 18 und 19 den
Effekt der Treibstoffflüchtigkeit
auf Motorwärmefreisetzung
und Zylinderdruck bei 1200 UpM und 25 % Last zeigen, und
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die 20 bis 24 den
Effekt von Treibstoffflüchtigkeit
auf NOx, AVL-Rauchzahl, KW, CO und thermischen
Wirkungsgrad bei 1200 UpM und 1800 UpM zeigen.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Abgasemissionen, und insbesondere die NOx-Emissionen,
aus einem Motor mit kompressionsgezündeter Verbrennung einer homogenen
Ladung und Direkteinspritzung kann gesteuert und bei einem niedrigen
Niveau gehalten oder vermindert werden, indem in dem HCCI-Motor
mit Direkteinspritzung, in den Treibstoff während des Verdichtungstakts
eingespritzt wird, Treibstoff mit einer Cetanzahl oder abgeleiteten
Cetanzahl, bestimmt gemäß ASTM D613
oder ASTM D6890, von zwischen 20–50, vorzugsweise etwa 20–40 und insbesondere
etwa 20–30
verbrannt wird, wobei der Brennstoff außerdem einen Gesamtaromatengehalt
von etwa 15 Gew.-% oder mehr besitzt, vorzugsweise 28 Gew.-% oder mehr,
insbesondere zwischen etwa 15 und 50 Gew.-% und insbesondere zwischen
etwa 28 und 50 Gew.-%. Der Treibstoffsiedebereich kann 25 °C bis 380 °C betragen.
Bei Motorbenzinen kann das Mittel von Research- und Motoroktanzahl
(R+M)/2 60 bis 91 betragen, vorzugsweise 60 bis 81 und insbesondere
60 bis 70.
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Dieselkraftstoff
ist als eine Mischung von Kohlenwasserstoffen definiert, die bei
Atmosphärendruck über einen
Temperaturbereich innerhalb des Bereichs von etwa 150 °C bis 380 °C sieden,
während
Motorbenzine solche sind, die bei Atmosphärendruck über einen Temperaturbereich
in einem Bereich von etwa 25 °C bis
220 °C sieden.
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Die
verwendeten Treibstoffe können
auch von Kohlenwasserstoff verschiedene Komponenten enthalten, wie
Oxygenate. Sie können
auch Additive enthalten, z.B. Farbstoffe, Antioxidantien, Cetanverbesserer, Kaltfließverbesserer
oder Schmierverbesserer.
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EXPERIMENTELLER
ABSCHNITT
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Es
wurde eine Untersuchung durchgeführt,
um Effekte der Treibstoffeigenschaften auf die Leistung und Abgasemissionen
von HCCI-Motoren zu untersuchen, wobei bei allen Treibstoffen besonders
auf Cetanzahl, Aromatengehalt und Flüchtigkeit und bei Motorbenzinen
auf die Oktanzahl geachtet wurde. Die Eigenschaften von in dieser
Untersuchung verwendeten Dieselkraftstoffen sind in Tabelle 1 gezeigt.
Die Eigenschaften von Motorbenzintesttreibstoffen sind in Tabelle
2 dargestellt.
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TABELLE
2 – Eigenschaften
von Motorbenzinen
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Der
in dieser Untersuchung verwendete Motor war ein Caterpillar 3401-Einzylindermotor
mit der in Tabelle 3 angegebenen Spezifikation. Eine hydraulisch
verstärkte
Treibstoffeinspritzpumpe wurde verwendet, um eine gleichförmige Sprühverteilung
bereitzustellen. TABELLE
3 – Motorspezifikation
| Hubraum | 2,44
dm3 |
| Bohrung/Hub | 137,2/165,1
mm |
| Ventile
pro Zylinder | 4 |
| Wirbelverhältnis | ~
0,4 |
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Es
wurden Ansaug- und Auslassdruckausgleichbehälter verwendet, um Lade- und
Gegendruckniveaus bereitzustellen, die für einen tatsächlichen
Mehrzylinder-Turbolader-Betrieb repräsentativ sind. Es wurde kein
Oxidationskatalysator verwendet, so dass die angegebenen KW- und
CO-Niveaus alle Motorabgabewerte darstellen. Abgasemissionen von
CO, KW, NOx und CO2 wurden
mit einem Horiba EXSA-Analysegerät
gemessen. Für
die Rauchmessung wurde ein AVL-Rauchmesser verwendet.
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Die
Treibstoffe wurde bei Motorgeschwindigkeiten von 1200, 1500 und
1800 UpM und Motorlasten von 25 %, 50 % und 70+ % untersucht.
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Die
Untersuchung konzentrierte sich insbesondere auf Motorbetriebsbedingungen,
die durch NOx-Emissionen < 0,2 g/PS·h und
AVL-Rauchzahlen < 0,1
gekennzeichnet sind. Der erstgenannte Wert entspricht dem NOx-Emissionsstandard US EPA 2010 für Schwerlastmotoren,
während
der letztgenannte Wert grob gesagt den Partikelemissionsanforderungen
2010 von 0,01 g/PS·h
entspricht.
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Der
Effekt der Cetanzahl auf die Leistung und Emissionen des HCCI-Motors
wurde durch Vergleich von Dieselkraftstoff D3 mit niedriger Cetanzahl
(38,5) mit Treibstoff D4 mit einer Cetanzahl im mittleren Bereich (45,5)
als auch von Dieselkraftstoff D7 mit einer Cetanzahl im mittleren
Bereich (46,7) mit Dieselkraftstoff D8 mit hoher Cetanzahl (55,4)
bewertet. Die Treibstoffe in jedem Paar besaßen sehr ähnliche Destillationseigenschaften
und Aromatengehalt.
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Der
Effekt der durch Änderungen
der Kohlenwasserstoffzusammensetzung des Treibstoffs erreichten Cetanzahlerhöhung (natürliche Cetanzahl)
wurde auch mit der durch die Verwendung von Ethylhexylnitrat-Zündverbesserer
erreichten Cetanzahlverbesserung verglichen. Bei diesem Vergleich
wurden die Treibstoffe D3 und D4 mit einer natürlichen Cetanzahl neben dem
in seiner Cetanzahl erhöhten
Treibstoff D1 (hergestellt durch Behandlung von Treibstoff D3 mit
dem Zündverbesserer)
untersucht. Die Cetanzahl von Treibstoff D1 (45,9) wurde an die
von Treibstoff D4 (45,5) angeglichen, neben Aromatengehalt und Destillationseigenschaften.
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Außerdem wurden
Dieselkraftstoff D2, dessen Cetanzahl 31,7 betrug, und drei Benzine
G1, G2 und G3, deren abgeleitete Cetanzahlen gleich 20,4, 26,7 und
31,2 betrugen, untersucht, um den Effekt der weiteren Verminderung
der Cetanzahl auf den Betriebsbereich des Motors zu bestimmen. Die
Treibstoffe G1, G2 und G3 erlaubten es auch, den Effekt der Oktanzahl
zu bewerten.
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Der
Effekt des Aromatengehalts wurde unter Verwendung der Treibstoffe
D4 und D7 untersucht, die 44,7 bzw. 28,7 Gew.-% Aromaten enthielten.
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Flüchtigkeitseffekte
wurden untersucht, indem die Mitteldestillattreibstoffe D6 und D7
verglichen wurden. Treibstoff D6 war flüchtiger als Treibstoff D7,
weil sein Destillationsbereich niedriger war, z.B. waren die 90
%-Destillationstemperaturen
dieser Treibstoffe gleich 275 °C
bzw. 313 °C.
Treibstoff D7 hatte die Flüchtigkeit
von Dieselkraftstoff Nr. 2, während
Treibstoff D6 die Flüchtigkeit
von Dieselkraftstoff oder Kerosin Nr. 1 hatte. Flüchtigkeitseffek te
wurden auch bestimmt, indem Resultate für Dieselkraftstoffe und Motorbenzine
verglichen wurden.
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Die 1 bis 5 zeigen
NOx, AVL-Rauch, KW, CO und thermischen Wirkungsgrad
des mit den Treibstoffen D3 und D4, deren Cetanzahlen 38,5 bzw.
45,5 betrugen, betriebenen Testmotors. Dieselben Parameter sind
in den 6 bis 10 für die Treibstoffe D7 und D8
aufgetragen, deren Cetanzahlen 46,7 bzw. 55,4 betrugen. In jedem
Fall sind Cetanzahleffekte für
eine einzige Geschwindigkeits/Ladungs-Bedingung gezeigt, sie variierten
jedoch über
die getesteten Bedingungen nicht signifikant. Mit einer Verzögerung des
Treibstoffeinspritzzeitpunkts erhöhten sich die NOx-Emissionen,
während
Rauch-, KW- und CO-Emission
vermindert waren oder unverändert
blieben.
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Bei
frühen
(nach vorne verlegten) Einspritzzeitpunkten sind die NOx-Emissionen
sehr niedrig, da ausreichend Zeit für das Verdampfen und Mischen
des Treibstoffs mit Luft zu einer relativ homogenen Verteilung des
Treibstoffs in der Verbrennungskammer bei geringen Verbrennungstemperaturen
führt.
Bei den späten (verzögerten)
Verbrennungszeitpunkten wird die Treibstoffverteilung innerhalb
der Verbrennungskammer weniger homogen, was zu höheren lokalen Verbrennungstemperaturen
und erhöhten
NOx-Emissionen, jedoch zu einer Verminderung
von KW, CO und Rauch führt.
Ein Bereich von mittleren Einspritzzeitpunkten wird verwendet, wenn
niedriger NOx und Rauch mit mäßigen Niveaus
von KW und CO verwirklicht wird.
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Der
thermische Wirkungsgrad neigte bei einer Verzögerung des Einspritzzeitpunkts
zu einer Verbesserung, dies geht mit niedrigeren KW- und CO-Emissionen
einher. Insgesamt waren die Effekte der Unterschiede der Cetanzahl
auf die Motorleistung und -emissionen gering und neigten dazu, bei
einer Verzögerung des
Einspritzzeitpunkts bei allen in dieser Untersuchung verwendeten
Motorbetriebsbedingungen zu verschwinden. Eine Cetan zahlerhöhung schien
CO-, KW- und Rauchemissionen bei Einstellungen mit nach vorne verlegter
Treibstoffeinspritzung zu verbessern, verglichen mit Treibstoff
mit niedrigere Cetanzahl, wenn ihr Effekt nachweisbar war. Diese
geringen beobachteten Effekte der Cetanzahl können auf eine erhöhte Treibstoffreaktivität und einen
nach vorne verlegten Beginn des Verbrennungszeitpunkts zurückgeführt werden,
die mit einer erhöhter
Cetanzahl des Treibstoffs einhergehen.
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Während der
Treibstoff mit höherer
Cetanzahl CO-, KW- und Rauchemissionen bei Einstellungen mit nach
vorne verlegter Treibstoffeinspritzung zu verbessern schienen, verglichen
mit Treibstoff mit niedrigerer Cetanzahl, schien der Treibstoff
mit niedrigerer Cetanzahl die NOx-Verminderung
auf dem gleichen niedrigen Niveau zu halten oder sie über das
hinaus verbessern, was mit dem Treibstoff mit hoher Cetanzahl über den untersuchten
Einspritzeinstellungsbereich belegt ist (siehe 1 bis 10 und
Tabelle 4).
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Die
Effekte von natürlicher
und erhöhter
Cetanzahl werden in Tabelle 4 verglichen, die Ergebnisse von Motortests
enthält,
die bei 1200 UpM unter 25 % Last durchgeführt worden waren. Diese Ergebnisse
belegen einen grob gesagt äquivalenten
Effekt des nicht additivierten Treibstoffs D4 mit einer Cetanzahl
von 45,5 und des zündverbesserten
Treibstoffs D1 mit einer Cetanzahl 45,9 auf NOx,
AVL-Rauchzahl, KW, CO und thermischen Wirkungsgrad des HCCI-Motors,
im Vergleich mit dem Basistreibstoff D3 mit einer Cetanzahl von
38,5. Wie in den 11 und 12 gezeigt
ist, verschoben die Treibstoffe D1 und D4 den Beginn des Verbrennungszeitpunkts
um etwa 6° Kurbelwinkel
nach vorn, bezogen auf Treibstoff D3. Dieser Effekt der Cetanzahl auf
den Verbrennungsbeginn (start of combustion, SOC)-Zeitpunkt ist
bei HCCI-Motoren nicht erwünscht.
Tatsächlich
ist es aus Sicht des Erreichens eines Betriebs mit höherer Last
bei HCCI-Motoren kontraproduktiv. Eine Erhöhung der Cetanzahl macht es
schwieriger, bei hohen Lasten eine optimale Verbrennungssynchronisation
zu erreichen und den thermischen Wirkungsgrad des Motors innerhalb
der Grenzen des Zylinderdrucks und der Grenzen der Geschwindigkeit
der Druckerhöhung
zu maximieren.
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Tabelle
4 – Effekte
von natürlicher
und erhöhter
Cetanzahl
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Wie
in den Tabellen 5 und 6 gezeigt ist, erlaubten Dieselkraftstoff
D2 und Benzin G3, den HCCI-Motor über die breitesten Geschwindigkeits-
und Lastbereiche zu betreiben. Treibstoff D2 erlaubte einen Motorbetrieb
mit 72 % bei 1200 UpM und 78 % bei 1800 UpM. Treibstoff G3 erlaubte
einen Betrieb bei 75 % Last bei 1200 UpM und 83 % Last bei 1800
UpM. Die Cetanzahl von Treibstoff D2 und die abgeleitete Cetanzahl
von Treibstoff G3 betrugen 31,7 bzw. 31,2. Demgegenüber stellte
sich heraus, dass die Benzine G1 und G2 übermäßig gegenüber Selbstentzündung beständig sind
und den Betriebsbereich des Motors wesentlich einschränken. Treibstoff
G2 (abgeleitete Cetanzahl 26,7) erlaubte es, bei dem Motor 75 %
Last bei 1200 UpM zu erreichen, beschränkte jedoch dessen Betrieb
bei 1800 UpM auf eine Einzellast von 71 %. Bei 1200 UpM wurde der
Motorbetrieb mit Treibstoff G1 (abgeleitete Cetanzahl 20,4) auf
den engen Lastbereich von 50 bis 75 % begrenzt. Bei 1800 UpM wurde
mit diesem Treibstoff keine HCCI-Verbrennung erreicht.
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Die
Untersuchungsergebnisse zeigen auch, dass sich der Motorbetriebsbereich
erhöht,
wenn die Treibstoffoktanzahl vermindert wird. Treibstoff G3 mit
einer (R+M)/2-Oktanzahl von 63,2 lieferte einen größeren Betriebsbereich
als G2 mit R+M/2 von 81,2, der wiederum einen größeren Betriebsbereich als G1
mit R+M/2 von 91,2 bereitstellte. Die Oktanzahl ist für Motorbenzine
ein Maß für den Zündwiderstand.
Im Gegensatz zu einem normalen Benzinmotor besitzen HCCI-Motoren
keine Zündkerze,
um das Zünden
des Treibstoffs auszulösen.
Wenn der Zündwiderstand
des Treibstoffs zu hoch ist, dann ist es zu schwierig, den Treibstoff
zu zünden,
und der Motorbetrieb ist eingeschränkt.
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Tabelle
5 – Lastbereich
des mit Treibstoff D2 betriebenen HCCI-Motors
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Tabelle
6 – Lastbereiche
des mit den Treibstoffen G1, G2 und G3 betriebenen HCCI-Motors
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Die
Auswirkung des Aromatengehalts des Treibstoffs auf die Abgasemissionen
und den thermischen Wirkungsgrad ist in den 13 bis 17 für den Betriebspunkt
1500 UpM und 25 % Last gezeigt. Der Vergleich basiert auf den Treibstoffen
D4 und D7, deren Gesamtaromatengehalt gleich 44,7 bzw. 28,7 Gew.-% betrug.
Im Allgemeinen waren die beobachteten Effekte gering und folgten
bei den in dieser Untersuchung verwendeten Motorbetriebsbedingungen
keinem klaren Trend. Diese Resultate deuten an, dass dieses HCCI-Verbrennungssystem
gegenüber
dem Aromatengehalt des Dieselkraftstoffs relativ unempfindlich sein
könnte.
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HCCI-Verbrennungssysteme
scheinen gegenüber
dem Aromatengehalt von Dieselkraftstoff relativ unempfindlich zu
sein, während
konventionelle Dieselverbrennungssysteme gegenüber diesem Parameter empfindlich
sind.
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Diese
Unempfindlichkeit gegenüber
Aromaten zusammen mit der Fähigkeit,
unter Verwendung von Dieselkraftstoff mit geringerer Cetanzahl gut
und mit niedrigen NOx-Emissionen zu laufen,
könnte
die Größe der Bandbreite
von brauchbarem Dieselkraftstoff signifikant erhöhen.
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Wie
in den Tabellen 5 und 6 gezeigt ist, war der Motor in der Lage,
mit Dieselkraftstoff D2 bis 78 % Last und mit Motorbenzin G3 bis
83 % Last zu laufen. Dies belegt, dass ein breiter Bereich der Treibstoffflüchtigkeit
in dem Motor verwendet werden kann. Die 18 und 19 vergleichen
Zylinderdruck und Wärmefreisetzungsgeschwindigkeit
für die
Treibstoffe D6 und D7. Diese Treibstoffe unterschieden sich in ihrer
Flüchtigkeit,
ihr Aromatengehalt und ihre Cetanzahl waren jedoch gut aufeinander
abgestimmt. Eine erhöhte
Flüchtigkeit
hatte keinen signifikanten Effekt auf den Beginn des Verbrennungszeitpunkts
und beeinflusste den Zylinderdruck und die Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung
nicht.
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Der
Effekt der Treibstoffflüchtigkeit
auf die Abgasemissionen und den thermischen Wirkungsgrad ist in den 20 bis 24 für Motorlasten
von 25 und 50 % durch Vergleich von D6 mit D7 gezeigt. Eine erhöhte Flüchtigkeit
hatte einen geringen Effekt auf Emissionen und Wirkungsgrad. NOx-, Rauch- und KW-Emissionen verminderten sich mit dem
flüchtigeren
Treibstoff D6, während
der thermische Wirkungsgrad unbeeinflusst blieb. Diese Effekte könnten durch
die gleichförmigere
Verteilung des flüchtigeren
Treibstoffs D6 innerhalb der Brennkammer des Motors zum Zeitpunkt
der Zündung
hervorgerufen werden. Die CO-Emissionsresultate
waren gemischt.
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Diese
Resultate deuten an, dass ein breiter Bereich von Treibstoffflüchtigkeitstypen
in diesem Motor eingesetzt werden kann. Flüchtigere Treibstoffe wie Kerosin
oder Motorbenzin können
wegen ihrer besseren Treibstoffverdampfung und besserem Mischen
Emissionsvorteile bringen. Es gibt auch Vorteile, weniger flüchtige Treibstoffe
wie Dieselkraftstoff zu verwenden, weil diese Treibstoffe eine höhere Energiedichte
besitzen und deshalb eine bessere Kilometerleistung bereitstellen,
was für
den Güterkraftverkehr
sehr wichtig ist, der ein bekannter großer Kunde für Dieselkraftstoffe ist.
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Zusammenfassung
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Offenbart
wird ein Verfahren zur Steuerung von Abgasemissionen aus Motoren
mit kompressionsgezündeter
Verbrennung einer homogenen Ladung mit Direkteinspritzung, bei dem
darin ein Treibstoff mit einer Cetanzahl von gleich oder weniger
als 50 und einem Aromatengehalt von gleich oder weniger als 15 Gew.-% verbrannt
wird.