Nutzung als Kraftstoff
Grundsatzlich kann Pflanzenol und Fettsauremethylester (FAME, Biodiesel) so — wohl in mobilen Antrieben (u. a. Pkw-, Nutzfahrzeug-, Landmaschinen — und Schiffsmotoren) als auch in stationaren Aggregaten (z. B. Stromaggregate, Block — heizkraftwerke) eingesetzt werden. Allen diesen Einsatzmoglichkeiten gemeinsam ist die motorische Verbrennung.
Fettsauremethylester (FAME, Biodiesel). Fettsauremethylester ist als Reinkraft — stoff oder in beliebigen Mischungen mit mineralischem Dieselkraftstoff in kon — ventionellen Dieselmotoren einsetzbar, sofern diese eine Freigabe des Herstellers aufweisen. Voraussetzung dafur ist jedoch die Verwendung von biodieselbestan — digen Kraftstoffsystemkomponenten (z. B. Schlauche und Dichtungen aus Polytet- rafluorethylen (z. B. Teflon) oder Fluorkautschuk (z. B. Viton)). Aufgrund der losungsmittelahnlichen Eigenschaften konnen durch Biodiesel Ruckstande, die sich beim Betrieb mit konventionellem Dieselkraftstoff im Kraftstoffsystem gebil — det haben konnen, gelost werden und zur Verstopfung des Kraftstofffilters fuhren. Ggf. ist deshalb wahrend der ersten Tankfullungen mit Biodiesel mehrmals ein Filterwechsel erforderlich, wenn zuvor Dieselkraftstoff gefahren wurde. Daneben konnen Lackflachen angegriffen werden.
Bei ungunstigen Betriebsbedingungen (z. B. Schwachlastbetrieb, Regeneration von Dieselpartikelfiltern) kann sich Biodiesel im Motorol anreichern. Deshalb schreiben Fahrzeughersteller ublicherweise verkurzte (in der Regel halbe) Olwechselintervalle vor, um Schaden infolge von Motorolverdunnung zu vermeiden.
Die hohere Schmierfahigkeit von Biodiesel wirkt sich gunstig auf den Motor — betrieb aus. Als Beimischkomponente zu schwefelfreiem Dieselkraftstoff oder synthetischen Kraftstoffen verbessert Biodiesel deren ungunstige Schmiereigen — schaften.
Die Schadstoffemissionen beim Einsatz von Biodiesel konnen im Vergleich zu Dieselkraftstoff geringer sein. Die Unterschiede werden u. a. auf den im Fettsauremethylester enthaltenen Sauerstoffgehalt von etwa 11 % zuruckgefuhrt. So wei — sen mit Biodiesel betriebene Motoren bei den limitierten Abgaskomponenten Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Partikelmasse meist entweder gleich hohe oder geringere Konzentrationen auf als beim Einsatz von Dieselkraft — stoff. Geringfugig hoher sind bei der Verwendung von Biodiesel dagegen die Stickstoffoxidemissionen. Die gesetzlich vorgeschriebenen Abgasgrenzwerte fur Dieselmotoren werden ublicherweise aber auch mit Biodiesel erfullt. Moderne elektronisch geregelte Hochdruck-Einspritzsysteme ermoglichen zusatzlich die Anpassung des Einspritzverlaufs (u. a. Mehrfacheinspritzung, Einspritzdruck und — zeitpunkt) an die spezifischen Kraftstoffeigenschaften. Bei gleichzeitiger Verwendung von Kraftstoffsensoren, die den Biodieselanteil im Kraftstoff kontinuier — lich erfassen, kann ein an die jeweilige Kraftstoffmischung angepasster und hin — sichtlich Leistung, Verbrauch und Abgasemissionen optimierter Motorbetrieb erfolgen.
Fahrzeuge, die mit einem modernen Abgaspartikelfiltersystem ausgestattet sind, erhalten keine Herstellerfreigaben fur Kraftstoffe, deren Biodieselanteil uber 7 % betragt, da die fur die Partikelfilterregeneration notwendige spate Ein — spritzung zu einer verstarkten Biodieselanreicherung im Motorol fuhren kann.
Biodiesel eignet sich demgegenuber aufgrund seines geringen Schwefel — und Phosphorgehalts sehr gut bei der Verwendung von Oxidationskatalysatoren im Abgassystem. Dadurch werden neben Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasser — stoffen auch effektiv geruchsintensive Abgaskomponenten (z. B. Aldehyde) redu — ziert.
Biodiesel sollte nur in Fahrzeugen eingesetzt werden, fur die eine Freigabe des Herstellers vorliegt. Ublicherweise setzen Freigaben die Verwendung von FAME gemaB DIN EN 14 214 voraus. Mitunter werden zusatzliche Einschrankungen gemacht, wie z. B. die ausschlieBliche Verwendung von Rapsolmethylester (RME). Ggf. sind die im Vergleich zu einem Betrieb mit Dieselkraftstoff veran — derten Wartungsanweisungen zu beachten.
Ein Mischbetrieb von Biodiesel und Dieselkraftstoff in wechselnden Anteilen wird oft als technisch problemlos dargestellt; beide Kraftstoffe konnen i. Allg. ab — wechselnd getankt werden. Bei langerer Lagerung von Biodiesel-Diesel-Ge — mischen sind Kraftstoffveranderungen jedoch nicht ausgeschlossen.
Hydrierte Pflanzenole. Zum motorischen Einsatz von Kraftstoffen, die durch die Beimischung von hydrierten Pflanzenolen (HVO) im Mineralolraffinerieprozess oder durch die Hydrierung von Pflanzenolen oder tierischen Fetten in speziellen Anlagen hergestellt wurden, sind bislang nur wenige Ergebnisse verfugbar. Es zeichnet sich aber ab, dass Mischungen aus HVO und Dieselkraftstoff bei unverandertem Kraftstoffverbrauch tendenziell zu einer Verringerung limitierter und nicht limitierter Abgasemissionen im Vergleich zu Dieselkraftstoff fuhren /13-85/.
Naturbelassener Pflanzenolkraftstoff. Naturbelassener Pflanzenolkraftstoff unterscheidet sich in wesentlichen Eigenschaften, vor allem hinsichtlich Viskosi — tat, Zundwilligkeit und Siedeverhalten, von konventionellem Dieselkraftstoff. Ein zuverlassiger Einsatz in konventionellen, nicht adaptierten Dieselmotoren ist auf — grund z. T. unzureichender Pumpfahigkeit, ungenugender Zerstaubungs — und Verdampfungseigenschaften, unvollstandiger Verbrennung und verstarkter Ruck- standsbildung dauerhaft nicht moglich. Daher ist eine Anpassung des gesamten Motorsystems an die Anforderungen des Pflanzenols erforderlich.
Wie bei konventionellen Dieselmotoren werden auch bei pflanzenoltauglichen Motoren Vor — bzw. Wirbelkammer — und Direkteinspritz-Verfahren unterschieden.
Vor — bzw. Wirbelkammermotoren. Beim Vor — oder Wirbelkammerverfahren ver — lauft die Verbrennung im Motor in zwei Stufen. Zunachst wird der Kraftstoff unter hohem Druck, Kraftstoffuberschuss und Sauerstoffmangel teiloxidiert. Dann wird der restliche Kraftstoff bei geringerem Druck, niedrigerer Temperatur und Sauerstoffuberschuss sowie starker Durchmischung nahezu vollstandig oxidiert.
Fur die Umrustung auf den Betrieb mit Pflanzenolkraftstoff sind derartige Motoren aufgrund des groBvolumigen Brennraums, der starken Verwirbelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches und der relativ langen Verweilzeit des Kraftstoffs in der Brennkammer gut geeignet. Deshalb werden auch heute noch Dieselmotoren mit indirekter Einspritzung, nach meist nur geringfugigen Anpassungen, als zuver- lassige Antriebsaggregate eingesetzt (vor allem fur kleine rapsolkraftstoffbetrie — bene Blockheizkraftwerke).
Mit der Weiterentwicklung der Einspritz — und Aufladetechnik, wodurch die Einsatzgebiete des Direkteinspritzers erweitert wurden, und aufgrund des geringe — ren Wirkungsgrades werden Vor — und Wirbelkammermotoren jedoch zunehmend vom Markt verdrangt.
Motoren mit Direkteinspritzung. Beim Direkteinspritzer wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingebracht, der aus einer Mulde im Kolben und dem Raum zwischen Kolben und Zylinderwand gebildet wird. Das Oberflachen zu Volumen — Verhaltnis des Brennraums eines direkt einspritzenden Motors ist um ca. 30 bis 40 % kleiner als bei einem Nebenkammermotor. Die Warmeverluste uber die Brennraumwand werden somit gering gehalten. Dies und die fehlenden Stromungswiderstande zwischen Neben — und Hauptkammer ergeben einen um ca. 15 bis 20 % geringeren Kraftstoffverbrauch der Motoren mit direkter Einspritzung. Als Starthilfe dient wie beim Nebenkammermotor haufig eine Gluhkerze, die in die Kolbenmulde hineinragt.
Der wohl bekannteste pflanzenoltaugliche Motor mit Direkteinspritzung arbei — tet nach dem sogenannten "Duotherm-Verfahren" (Elsbett). Hier wird mit einer Einloch-Zapfenduse der Kraftstoff tangential in die Brennmulde eingespritzt. Der entstehende Gemischwirbel sorgt dafur, dass im Inneren des Brennraums eine zentrale heiBe Brennzone entsteht, wahrend im auBeren Bereich die Warmeuber- tragung an die Kolbenwand vermindert werden soll (Abb. 13.26, links). Leistungs — starkere Motortypen sind mit zwei gegenuberliegenden Einspritzdusen ausgestat — tet (Doppel-Duotherm-Verfahren; Abb. 13.26, rechts). Kolbenoberteil und Kol — benunterteil sind gelenkig mit dem Pleuel verbunden (Gelenkkolben). Aufgrund dieses Verbrennungsverfahrens muss der Motor vergleichsweise wenig gekuhlt werden (d. h. auf eine Wasserkuhlung kann verzichtet werden). Kolbenboden und Zylinderwand werden durch Ol gekuhlt.
Vor allem in den 1980er und 1990er Jahren haben verschiedene Firmen unter — schiedliche Motorenkonzepte fur Pflanzenolkraftstoffe entwickelt und angeboten. Die Produktion von speziellen Pflanzenolmotoren dieser Baureihen wurde mitt-
lerweile jedoch eingestellt. Jedoch wurde jungst ein fur Rapsolkraftstoff freigege — bener Serienmotor mit Common Rail Einspritztechnik entwickelt.
Im Unterschied zu den speziell fur einen Pflanzenolkraftstoff konstruierten Dieselmotoren haben Umrustungen von Seriendieselmotoren auf Pflanzenol — betrieb (uberwiegend fur Rapsolkraftstoff) eine deutlich groBere Marktbedeutung. Die realisierten UmrustmaBnahmen unterscheiden sich je nach Anbieter z. T. erheblich voneinander. Sie konnen von nur geringfugigen Veranderungen am Seriendieselmotor bis hin zu weitgehenden Motor-Neuentwicklungen reichen. Zu den wichtigsten technischen Anpassungen zahlen:
— Austausch nicht pflanzenolvertraglicher Materialien (u. a. Schlauche, Dichtun — gen),
— Austausch oder Modifikation von Kraftstoffsystemkomponenten (u. a. Leitun — gen, Kraftstofffilter, Forderpumpe, Einspritzpumpe, Einspritzdusen),
— Austausch bzw. Modifikation der Vorgluheinrichtung,
— Kraftstoffvorwarmung an Leitungen, Filtern, Pumpen, Dusen entweder elek — trisch oder durch kuhlwasser — bzw. oldurchflossene Warmeubertrager,
— externe Vorwarmung des Motors durch Aufheizen des Motorkuhlwassers mittels brennstoffbetriebener Standheizung oder elektrisch,
— Modifikation des Brennraums und der Ventile sowie
— Veranderung des Einspritzdrucks und — zeitpunkts.
Daneben lassen sich Ein — und Zwei-T anksysteme (bzw. Ein — und Zwei-Kraftstoff — systeme) unterscheiden.
— Mit dem Ein-Tank-System (Ein-Kraftstoff-System) wird der Motor in allen Betriebszustanden ausschlieBlich mit Pflanzenolkraftstoff betrieben. Insbeson — dere zur Uberwindung der kritischen Betriebsphasen (d. h. Kaltstart, Teillast, Winterbetrieb) sind eine Kraftstoffvorwarmung, eine elektrische Motorvorwar — mung oder beheizte Einspritzdusen notwendig. Daneben konnen aber auch weitere MaBnahmen, wie die Anpassung des Einspritzzeitpunkts und Einspritzdrucks oder eine Anderung der Einspritzdusen bzw. des Einspritzwinkels erforderlich sein.
—
 |
 |
Beim Zwei-Tank-System (Zwei-Kraftstoff-System) befindet sich im Haupttank Rapsolkraftstoff und in einem (meist kleineren) Zusatztank Dieselkraftstoff.
Abb. 13.26 Prinzip des Elsbett Duotherm-Verfahrens (nach /13-37/)
Der Kraftstoff im Zusatztank wird nur fur den Startvorgang und die Warmlaufphase bzw. fur ungunstige Betriebszustande (Teillast) benotigt. Nach Erreichen der Betriebstemperatur bzw. bestimmter Betriebspunkte im Motorkennfeld wird auf den ausschlieBlichen oder anteiligen Betrieb mit Rapsolkraftstoff umgestellt. Vor dem Abstellen des Motors erfolgt der Betrieb wieder mit Dieselkraftstoff, wodurch das Kraftstoffsystem gespult wird und fur den nachsten Startvorgang bereit ist. Die Umschaltung erfolgt je nach Ausfuhrung manuell oder automatisch.
Zuverlassige Aussagen zum Betriebsverhalten und zur Betriebssicherheit moder — ner umgerusteter Serienmotoren sind aufgrund fehlender Daten kaum moglich. Trotz uberwiegend positiver Erfahrungen mit pflanzenolbetriebenen Motoren treten bisweilen auch technische Probleme auf, die meist auf eine mangelnde Ab — stimmung von Motor- und Umrustsystem, Betriebsweise und Kraftstoffqualitat beruhen (z. B. Verwendung von fur den Pflanzenolbetrieb ungeeigneten Kompo — nenten, unzureichender Kraftstofffluss im Kraftstoffsystem, Anreicherung von Pflanzenolkraftstoff im Motorol). Deshalb sind meist haufigere Motorolwechsel als im Dieselbetrieb notwendig, um etwaige Schaden durch unzureichende Motor- schmierung zu vermeiden.
Die Auswahl von technisch ausgereiften Motoren und Umrustkomponenten in hoher Verarbeitungsqualitat ist in Hinblick auf die allgemein starkere Beanspru- chung der Materialien (u. a. hohere Viskositat und Verbrennungstemperatur des Pflanzenolkraftstoffs) sinnvoll. Unbedingt zu vermeiden ist die Verwendung von katalytisch wirksamen Materialien (z. B. Kupfer bzw. kupferhaltige Legierungen), um einer schnellen Alterung des Pflanzenols vorzubeugen.
Vorteilhaft hinsichtlich der Umrustung auf Pflanzenolbetrieb konnen moderne Hochdruck-Einspritzsysteme sein (z. B. Pumpe-Duse — oder Common-Rail-Syste — me), da sich bei diesen gute Moglichkeiten zur Angleichung des Brennverlaufs bieten. Vor allem durch elektronisch geregelte Einspritzsysteme besteht bei Pflanzenolbetrieb ein groBes Optimierungspotenzial, wenn im gesamten Motorkennfeld exakte Einspritzraten in Abhangigkeit vom Kurbelwellenwinkel eingestellt wer — den.
Die Adaption von Dieselmotoren fur Pflanzenole empfiehlt sich nicht fur Schwachlastbetrieb oder Kurzstreckenfahrzeuge, da der Motor haufig nicht die fur den Pflanzenolbetrieb gunstige Betriebstemperatur erreicht. Bei allen Umrustkon — zepten ist in der Regel auch weiterhin ein Betrieb mit Dieselkraftstoff moglich. Dies ist insbesondere fur den Betrieb im Winter bei AuBentemperaturen unter dem Gefrierpunkt von Bedeutung.
Die Abgasemissionen von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffen, der Par — tikelmasse und polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) mit Raps — olkraftstoff sind ublicherweise geringer als mit Dieselkraftstoff. Die Konzentrati — onen von Stickstoffoxiden und Aldehyden sind dagegen meist hoher. Im Schwachlastbetrieb oder bei nicht umgerusteten Motoren kann sich jedoch auch ein entgegen gesetztes Bild ergeben.
Um die zukunftig verscharften Anforderungen der Abgasgesetzgebung zu er — fullen, sind die Weiterentwicklung des Motorsystems sowie nach heutigem Wis — sen der Einsatz von Abgasnachbehandlungstechnologien (u. a. Partikelfilter und/oder Entstickungskatalysatoren) erforderlich. Derartige Abgasnachbehand — lungssysteme (z. B. Oxidationskatalysatoren, Partikelfilter) reduzieren auch im
Pflanzenolbetrieb den SchadstoffausstoB drastisch. Oxidationskatalysatoren haben sich dabei beim Einsatz von normgerechtem Rapsolkraftstoff bewahrt und tragen zu einer signifikanten Minderung der Kohlenstoffmonoxid — und Kohlenwasser- stoff-Emissionen bei gleichzeitiger Reduktion des typischen Abgasgeruchs bei.
Obgleich die effiziente Partikelabscheidung bereits nachgewiesen wurde, muss die Tauglichkeit von Partikelfiltersystemen hingegen fur den Langzeiteinsatz noch unter Beweis gestellt werden. Deshalb ist derzeit eine Umrustung von Serien- Dieselmotoren, die uber ein Partikelfiltersystem verfugen, noch nicht ratsam, da derartige Systeme fur den Pflanzenolbetrieb ggf. eine Anpassung erfordern — zu — mal sich die Abgaspartikel bei Rapsolkraftstoffbetrieb hinsichtlich GroBe und Zu — sammensetzung von Dieselkraftstoff unterscheiden. Ferner sind auch aschebild — nerarme Schmierole und Pflanzenolkraftstoffe erforderlich, um ein fruhzeitiges Reinigen des Filterkorpers von unbrennbaren Aschen zu vermeiden. Zur Regeneration des Partikelfilters sollten Systeme eingesetzt werden, die nicht auf der bei Pkw ublichen Spateinspritzung zur Anhebung der Abgastemperatur beruhen. So kann ein uberhohter Eintrag von Rapsolkraftstoff in das Motorenol vermieden werden.
Ahnlich verhalt es sich bei der Anwendung von NOx-Speicherkatalysatoren zur Stickstoffoxidminderung, wenn das fur die Regeneration erforderliche "fette" Ge — misch durch eine Spateinspritzung in den Brennraum erzeugt wird. Demgegenuber sind beim Einsatz von SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reduction), bei dem zur Reduktion der Stickstoffoxide eine wassrige Harnstofflosung in den Ab — gasstrang eingedust wird, keine weitreichenden technischen Probleme zu erwar — ten.