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HANSA 03-2020

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Schiffstechnik | Ship

Schiffstechnik | Ship Technology Alternative Kraftstoffe auf dem Prüfstand Common-Rail-Einspritzprüfstand © HSU Hamburg Die maritime Industrie ist derzeit stark auf die Entwicklung und den Einsatz alternativer Kraftstoffe fokussiert. Die Tücke liegt nicht selten im technischen Detail. In Hamburg wird der Einfluss unterschiedlicher Optionen auf die Verbrennung und die Emissionen bei Dieselmotoren untersucht Neben dem batterieelektrischen Antrieb und der Brennstoffzellentechnik gibt es einen weiteren Weg, den steigenden Bedarf nach Mobilität und Transport CO2-neutral und emissionsarm zu decken: alternative Kraftstoffe. Diese eignen sich nicht nur für Neuentwicklungen, sondern ebenso für bestehende Motoren, insbesondere für schwere Fahrzeuge. Diesen Kraftstoffe sind die synthetischen Kraftstoffe (E-Fuels), die nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren hergestellt werden, sowie Biokraftstoffe der dritten Generation zuzurechnen, welche nicht mit der Nahrungsmittelproduktion konkurrieren. Der Betrieb mit einem bestimmten Kraftstoff wird schon bei der Entwicklung des Brennverfahrens eines Motors berücksichtigt. Hilfreich sind hierbei die normierten Kraftstoffspezifikationen, die für Europa in der DIN EN 590 für Dieselkraftstoffe festgelegt sind. Bei der Entwicklung alternativer Kraftstoffe ist man daher bemüht, sich eng an die bestehenden Spezifikationen anzulehnen, um einen freizügigen Betriebseinsatz möglichst ohne Anpassungen des Motors an den jeweiligen Kraftstoff zu gewährleisten. Chemischer Aufbau Grundlegend unterscheiden sich alternative Kraftstoffe in ihrem chemischen Aufbau und in ihrer Zusammensetzung als Stoffgemisch gegenüber fossilen Kraftstoffen. Das hat Einfluss auf die Verbrennung im Dieselmotor sowie auf die Emissionsbildung. Hieraus leitet sich eines der Forschungsthemen am Institut für Fahrzeugtechnik und Antriebsystemtechnik der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg ab: Der Einfluss unterschiedlicher alternativer Kraftstoffe und deren Eigenschaften auf die Verbrennung und die Emissionen bei Dieselmotoren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen die grundlegende Erforschung der Zusammenhänge und die Entwicklung geeigneter Methoden zum Vergleich und zur Bewertung verschiedener Kraftstoffe. Auch der Einsatz von »drop-in fuels«, Zumischkraftstoffen zu handelsüblichen Dieselkraftstoffen, soll untersucht werden. Die hochpräzise Messung des Zylinderdruckverlaufs mit anschließender thermodynamischer Analyse des Motorprozesses steht im Mittelpunkt der Untersuchungsverfahren. Darüber hinaus werden umfangreich gasförmige und feste Emissionen gemessen. Eine reine chemisch-physikalische Analyse des Kraftstoffs reicht nicht aus, 48 HANSA – International Maritime Journal 03 | 2020

Schiffstechnik | Ship Technology um Kraftstoffe hinsichtlich des Verbrennungsablaufs im Motor zu beurteilen. Es finden sich darin zwar Werte zu Viskosität, Dichte, Cetanzahl und teilweise zum Siedeverlauf, diese bieten aber nur einen Hinweis darauf, ob sich ein Kraftstoff grundlegend für den Betrieb eignet. Kennzahlen wie die Cetanzahl oder der Cetanindex lassen zumindest einschätzen, ob der Kraftstoff grundsätzlich mit dem vorhandenen Brennverfahren kompatibel ist. Motorprüfstand nötig Aussagen über den Ablauf der Verbrennung lassen sich daraus nicht direkt ableiten, sondern erfordern zunächst die Untersuchung auf einem Motorprüfstand. Vergleichende Verbrennungsuntersuchungen erfordern besondere Prüfstandmaßnahmen, insbesondere sind Kühl- und Schmiermedien sehr genau zu konditionieren. Abstract: Alternative fuels put to the test in Hamburg The maritime industry is strongly focused on the development and use of alternative fuels to cut emissions in the long term. Technical details need to be taken into acount. In Hamburg, the influence of different options on combustion and emissions from diesel engines is being investigated. The evaluations show that with a sensibly applied pre-ignition it is possible to safely ignite diesel fuels with different ignition properties and to ensure a stable combustion. Der stationäre Betriebspunkt muss mit hoher Reproduzierbarkeit gefahren werden können. Weiterhin ist eine frei programmierbare Motorsteuerung erforderlich, um etwaige Regeleingriffe einer serienmäßigen Motorsteuerung auszuschließen. Die eingesetzte Abgasmesstechnik an einem der im Institut verwendeten Motorprüfstände ermöglicht es, neben den gesetzlich regulierten Schadstoffen auch weitere, nicht limitierte Abgasbestandteile zu ermitteln. So kommen auch Verfahren wie die Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie (FTIR) zum Einsatz, um unerwünschte Formaldehyde oder Methan zum Beispiel im Gasbetrieb zu quantifizieren. Zur Anwendung kommt außerdem ein hochauflösendes Indiziermesssystem, so dass der Zylinderinnendruck auf 0,1°KW aufgelöst über eine große Zahl von Arbeitsspielen gemessen wird. Dies bildet die Grundlage für die thermodynamische Analyse, welche die Wärmefreisetzung des Kraftstoffs im Motor berechnet. Die Grundlage der Berechnung ist der 1. Hauptsatz der Thermodynamik, zahlrei- HANSA – International Maritime Journal 03 | 2020 49

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