Geprüfte Ergebnisse

dts entwickelt in Eigenregie sowie mit Projektpartnern Software zur Anpassung und Optimierung der elektronischen Motorsteuerung. Motoroptimierung bietet heute vielfältige Möglichkeiten, ein Fahrzeug ökonomischer und leistungsfähiger zu machen.

dts arbeitet mit modernen Programmiertools und erstellt Software-Lösungen für die Motoren zahlreicher Hersteller von PKWs, LKWs und landwirtschaftlichen Fahrzeugen.

In der klassischen Tuning-Arbeit bietet dts design Motoroptimierungen hinsichtlich ihres Verbrauches bzw. ihrer Leistung an. Diese Entwicklungsleistungen werden Fachfirmen im Tuning-Bereich angeboten und lizenziert. Nur in Ausnahmefällen wird der Privatkundensektor bedient.

Bei der Software-Entwicklung arbeitet dts mit dem TÜV und der Universität München zusammen und prüft die Resultate auf einem Rollenprüfstand.

Damit kann dts für seine Produkte EU-weite Gutachten und Zertifizierungen bieten. Für alle Fahrzeugmodelle und Motortypen, für die dts eine Motoroptimierung anbietet, liegen TÜV-Gutachten und eine Allgemeine Betriebserlaubnis (ABE) vor.

Eintank-Lösung für Diesel- und Pflanzenöl

Ein großes Problem beim Einsatz von Pflanzenöl als alternativen Treibstoff für Landmaschinen war lange Zeit der konstruktive Aufwand, der sich aus den Unterschieden zwischen Pflanzenöl und herkömmlichem Dieseltreibstoff ergab. So war durch das schlechtere Fließverhalten des Pflanzenöls gerade bei niedrigen Temperaturen ein Zusatztank zum konventionellen Starten nötig.

Im Rahmen des EU-Projektes „2nd Generation Vegetable Oil“ führte dts zusammen mit den Vereinigten Werkstätten für Pflanzenöltechnologie und John Deere die Projektstudie einer Eintank-Lösung für Diesel und Pflanzenöl durch.

dts übernahm dabei die Software-Anpassung zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens und zur Einhaltung aktueller und zukünftiger Abgasvorschriften. Daneben standen ein leistungsfähigeres Kraftstoff-Fördersystem sowie eine interne Vorheizung für den Start bei tiefen Temperaturen auf dem Plan. Durch die Vorwärmung des Pflanzenöls über Zirkulation war der Verzicht auf zusätzliche Wärmetauscher möglich, auch der Zusatztank und zusätzliche Filter wurden überflüssig.

Die Entwicklungen im Rahmen des Projekts ergaben zahlreiche Vorteile für die Praxis. Der Fahrzeugmotor lässt sich gleichermaßen Pflanzenöl, Diesel oder Biodiesel betreiben. Dabei sind nur wenige Zusatzkomponenten erforderlich, äußerlich unterscheidet sich ein umgerüstetes Fahrzeug nicht von der Serienversion.

Auch im Handling verhält sich das Fahrzeug wie gewohnt. Das manuelle Umschalten zwischen Diesel- und Pflanzenölbetrieb entfällt ebenso wie das Tankintervall für den Zusatztank. Zugleich bieten Modifikationen am Kraftstoffsystem und an der elektronischen Motorsteuerung maximales Einsparpotenzial. Hinsichtlich Motortemperatur und Abgasverhalten sind noch Feinarbeiten nötig.

Pflanzenöltauglicher Generator für netzferne Anwendungen

Zusammen mit den Vereinigten Werkstätten für Pflanzenöltechnologie (VWP) entwickelte dts eines standardisierten Generator mit pflanzenöltauglichem Wirbelkammer- und Common-Rail-Motor für netzferne Anwendungen und erprobte das Konzept in Feldtests. Das Projekt umfasste Zieldefinition, Technikkonzeption, Prototypenbau, Redesign, Techniksicherung sowie Hardware-Entwicklung und resultierte in fünf Patentanmeldungen.

Eine umfangreiche Anpassung der Motorsoftware war dabei erforderlich. Sie erhöhte die Kaltstartfähigkeit mit Pflanzenöl. Ergänzend zu den mechanischen Veränderungen des Motors stellte sie auch die zuverlässige Kraftstoffeinspritzung im gewünschten Drehzahlbereich sicher.

Ein wichtiges Projektziel war auch, Emissionen und Verbrauch in Grenzen zu halten – und dies, obwohl in Deutschland entsprechende Schadstoffvorgaben erst bei Leistungen ab 1 MW greifen. In den Zielmärkten Südamerika, Afrika, Asien bestehen für reine Pflanzenölgeneratoren bis zu einer elektrischen Leistung von 50 kW nur freiwillige Vereinbarungen oder gar keine Regelungen.

Allerdings stammen die für Generatorzwecke eingesetzten Motoren aus dem Off-Road-Bereich und werden parallel etwa in Baumaschinen oder Traktoren eingesetzt. Deshalb werden in den Zielmärkten die Emissionen von der TIER-1-Norm zur gegenwärtig gültigen Abgasnorm TIER 3 gemessen und gelten für stationäre Generatoren und mobile Arbeitsmaschinen gleichermaßen.

Durch die von VWP und dts vorgesehenen Hardware- und Software-Maßnahmen können die im Rahmen des Projekts berücksichtigten Common-Rail-Motoren von John Deere die strengen TIER-3-Emissionsregeln sowohl im reinen Pflanzenölbetrieb als auch im Dieselbetrieb einhalten. Die gemessenen niedrigen Emissionen weisen indirekt auch einen guten Verbrauch nach. Bei unvollständiger Verbrennung mit überproportionalen Kraftstoffverlusten würden zum Beispiel die gemessenen CO- und Partikelemissionen nicht im untersten Bereich liegen, sondern die zugelassenen Grenzwerte vielleicht sogar überschreiten.

Kraftstoffverbrauchsmessungen bei 1.500 und 1.800 U/min am John-Deere-Motor und bei 1500 U/min auch beim Kubota-Motor ergaben bis auf den volumetrisch geringeren Heizwert bei Pflanzenölen keinen Verbrauchsunterschied zwischen Pflanzenöl und Diesel. Auch dieses Ergebnis lässt auf eine optimale Motor- und Software-Abstimmung mit nahezu vollständiger Verbrennung schließen.

Auch Projektziel einer möglichst vollständigen Verbrennung wurde erreicht. Dadurch ließen sich nicht nur Emissionen und Verbrauch optimieren. Auch die Gefahr von Motorschäden durch Verkokung oder Überlastung des Schmieröls verringerte sich.

Entwicklung von Pflanzenölkraftstoffen der 2. Generation

Einspritzstrategien für angepasste Common-Rail-Motoren

Forschungsprojekt: Nutzung von Jatropha und Pongamia als Biokraftstoffe und Vermessung von Einspritzraten und Einspritzstrahlen von Common-Rail-Diesel-Einspritzsystemen bei der Verwendung reiner Pflanzenölkraftstoffe

Einspritzung von reinen Pflanzenölkraftstoffen

In wärmeren Klimazonen, beispielsweise in Mittel- und Südamerika, ist die Kaltstartproblematik bei Verbrennungsmotoren weniger kritisch, und es bieteten sich günstige Bedingungen für die Verwendung von reinen Pflanzenölen als Kraftstoff. An der OTH Regensburg wurde daher im Rahmen des Förderprogramms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ des BMWi das Einspritzverhalten von reinen Pflanzenölen bei der Verwendung in Common‑Rail‑Diesel‑Einspritzsystemen untersucht. Um die Einspritzung quantitativ und qualitativ beurteilen zu können, findet sowohl die Einspritzratenvermessung als auch die optische Strahlvermessung Anwendung.

Dabei war dts design maßgeblich an der Entwicklung von schnelllaufenden, kleinvolumigen Common-Rail-Motoren für reines Pflanzenöl an sowie Entwicklung und Test von Pflanzenölen der 2. Generation wie Jatropha- und Pongamia-Öl in Fahrzeugen und Prüfständen beteiligt. Im Projektzeitraum 01.09.2012 bis 31.01.2015 hatte dts design sechs Arbeitspakte abgewickelt.

Zieldefinition

Im ersten Schritt legte dts design in enger Abstimmung mit den Kooperationspartnern die Zieldefinitionen festgelegt und abgeschlossen. Daraus entstand das detaillierte Lastenheft als erster Meilenstein.

Motorenentwicklung

Parallel dazu begann bereits von Anfang an die Motorenentwicklung im mechanischen und digitalen Bereich. Dieser Schritt wurde am 31.05.2013 erfolgreich abgeschlossen. Dabei übernahm Automobiltechnik Alois Dotzer als Subunternehmern die motormechanische Entwicklung. Für den neuen Krafstoffkreislauf wurden dabei Änderungen an Leitungen und Tank vorgenommen.

Neu im Kraftstoffkreislauf sind das Überdruckventil, das auf 2 mm erweiterte Grobsieb im Tankbehälter sowie im Durchmesser erweiterte Kraftstoffschläuche und ein verkürzter Kraftstoffrücklauf. Diese Änderungen bewirken, dass der Pflanzenöl-Kraftstoff sich schneller erwärmt und auch kristalline Feinstteile von Triglyzeriden nicht den Krafststoffilter blockieren.

Zur Kaltstartverbesserung sind nun die Injektoren beheizt. Die Injektorenheizung erlaubt nach einer Vorglühzeit von ca. drei bis fünf Minuten die Freigabe der Startkraftstoffmenge pflanzlicher Kraftstoffe auch bei Minustemperaturen. Dabei wurde die serienmäßig in Eisen gefertigte Injektoren-Halteplatte durch eine gleich geformte Aluminium-Halteplatte ausgetauscht, in die eine Glühkerze eingedreht ist. Mit dem ersten Startvorgang des Tages wird bei kaltem Motor die Wärme aus der Glühkerze über die Montageplatte in den Injektor übergeleitet – genau in den Bereich der Magnetspulem die die Startkraftstoffmenge bei hoch viskosen Pflanzenölen erst bei einer gewissen Temperatur freigibt.

Software-Anpassungen

Parallel zur motormechanischen Entwicklung passte bei dts design die Einspritzstrategien software-seitig an, um neben Diesel auch reine Pflanzenöle einsetzen zu können. Dabei wurden zehn Parameter angepasst, unter anderem Startmoment und Raildruck-Sollwert beim Start. Die Kennfeldännderungen ermöglichen ein besseres Startverhalten im Pflanzenölbetrieb. Beim Erhöhen des Raildruckes während der Startphase warzu beachten, dass bei geringer Motordrehzahl einmal keine erhöhten mechanischen Anforderungen an die Hochdruck Einspritzpumpe gestellt werden bzw. der Kraftstoff während der Startphase nicht die Emissionen erhöhend an die Kolbenwand gespritzt wird.

Umrüstung von Common-Rail-Motoren für Stationär- und Rollenprüfstände

Die OTH Regensburg baute einen Einspritzpumpen-Prüfstand auf, um Simulationen zu Einspritzparametern wie Kaltstart, Einspritzrate, Gemischbildung, Düsenöffnung etc. durchzuführen. dts design steuerte sein pflanzenöl-spezifisches technisches Know-how zur Pflanzenöleinspritzung bei Common-Rail-Piezo-Injektoren bei, während Projektpartner VWP-Gruber den Testkraftstoff und sein Know-how zur Kraftstoffchemie bei Pflanzenölen zur Verfügung stellte.

Aus den Simulationen aus dem Prüfstand ergab sich eine Öffnungstemperatur von ca. 37 °C  zur Freigabe der für den Motorstart notwendigen Startkraftstoffmenge. Ursache dafür waren die bautechnischen Besonderheiten und die hohe Viskosität der schwer verdampfbaren Pflanzenöle.

Design verschiedener Einspritzstrategien zur Verbrauchs- und Emissionsoptimierung auf Prüfständen und Fahrzeugen (Testphase1)

Zwischen 01.02.2013 und 31.05.2014 erfolgte die Testphase 1 mit Praxis- und Prüfstandstests. Dabei wurden zum einen Dieselkraftstoff und Diesel-Jatrophaöl-Mischungen im Winterbetrieb und zum anderen reines Jatrophaöl und Pongamiaöl im Sommer und Herbst gefahren. dts design begleitete diesen Schritt motormechanisch und softwareseitig durch Anpassungsänderungen verschiedenster Kennfelder im Motorsteuergerät der Testfahrzeuge – eines Audi A6, eines Audi Q5 und eines VW Amarok, jeweils mit einem 2.0-l-Common-Rail-Motor des VW-Konzerns. Der Testverlauf erfüllte vollständig die in den Zieldefinitionen gesetzten Erwartungen. 

Rapsöl als Referenzkraftstoff und Jatrophaöl zeigten eine erwartet gute Praxistauglichkeit als nachhaltiger Pflanzenölkraftstoff der 2. Generation im mobilen Anwendungsbereich. Für beide Kraftstoffe konnten die gleichen Software-Parameter hinsichtlich Einspritzung und Abgaskontrolle verwendet werden. Insbesondere die kontinuierliche Optimierung von Startmenge, Raildruck und Einspritzzeitpunkt über den gesamten Drehzahlbereich führte in dieser Testphase zu einem guten Start- und Laufverhalten.

Die Praxiserfahrungen zeigten ebenso wie die Messungen am Systemprüfstand: Trotz des höheren Schmelzpunktes hatte Jatrophaöl bessere Starteigenschaften in Common-Rail-Motoren als Rapsöl. Der Grund dafür ist die temperaturabhängig frühere Düsenöffnung und Freigabe der Startkraftstoffmenge von Jatrophaöl im Vergleich zu Rapsöl und Pongamiaöl.

Mischungen von Pflanzenölen mit Diesel verringern die Viskosität und verbessern so die temperaturabhängige Öffnungszeit der Injektoren verbessert, da sich die Vorglühzeiten der Injektoren verringern. Um einen zu 100 % regenerativen Kraftstoff zu generieren,  wurde im Test als Viskositätsverbesserer nicht nur Diesel, sondern über den Projektplan hinaus auch Orangenschalenöl verwendet. Bereits eine Beimengung von 2,5 % Orangenschalenöl zu Rapsöl wirkte sich positiv auf die Freigabe der Startkraftstoffmenge aus. Eine Beimengung von 5 % Orangenschalenöl zu Rapsöl führte dazu, dass bereits bei < 30 °C die volle Startmenge von ca. 15 m/mg zur Verfügung stand.   

Über eine Reihe von Softwareänderungen in Bezug auf die Startparameter, wurde versucht, eine elektronische Anpassung der unterschiedlichen Düsenöffnungszeiten zu programmieren. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit und der unterschiedlichen Grundeigenschaften der getesteten Pflanzenöle ließ sich diese Aufgabenstellung nur begrenzt elektronisch lösen, etwa durch eine Kaltstart-Mengenregelung. Durch verlängerte Injektoren-Vorglühzeiten für Rapsöl und Pongamiaöl gegenüber Jatrophaöl wurde das Problem in erster Linie mechanisch gelöst.

Umgekehrt verringerten sich die Injektor-Vorglühzeiten, je mehr Diesel oder Orangenschalenöl den Pflanzenölen beigemengt wurde. Sobald die Testmotoren ihre Betriebstemperatur erreicht hatten, waren folgende Motorstarts ohne Vorglühzeit möglich, da die Injektoren bereits die nötige Temperatur zur Düsenöffnung aufwiesen. Je nach Außentemperatur im Sommer oder Winter speicherten die Injektoren genügend Wärmerestmenge eines einmal betriebswarmen Motors, um im Sommer mehr als 8 h nach Motorstopp ohne Vorglühen sofort starten zu können. Im Winter reduzierte sich diese Zeit auf ca. 4 h.

Technisch problemlos funktionierten auch Mischungen von Diesel oder Orangenschalenöl mit Jatropha im Winter, um Kristallbildung im Tank- und Kraftstoffsystem zu vermeiden.

Die Verbrennungseigenschaften von Pongamiaöl waren ausgezeichnet. Ausgehend von der Analyse zur Fettsäurestruktur ergab sich im Praxistest jedoch der erwartet geringe Einsatzzeitraum von Pongamia in Zeiträumen mit durchschnittlichen Außentemperaturen von < 25 °C. Ohne wesentliche Beimengung von Viskositätsverbesserern oder ohne Beheizung des Kraftstoffkreislaufes inklusive Tank sollte Pongamiaöl vorwiegend in stationären Anlagen zur Stromerzeugung verwendet werden, wo ausreichend Motorabwärme das Pongamiaöl flüssig hält.

Für alle Testkraftstoffe ließ sich durch die elektronischen Eingriffe und mechanischen Anpassungen des Kraftstoffkreislaufes eine für die Kaltstartphase erhöhte und für den betriebswarmen Motor ausreichende Kraftstoffmenge von ca. 15 m/mg bei einer Kraftstofftemperatur zwischen 50–60 °C sicherstellen.

Erfolgreiche Begleitung eines praktischen Funktionstests

In der Redesign- und Testphase 2 wurde funktionell die Dauer- und Kurzstrecken-Tauglichkeit der getesteten Pflanzenöle bzw. der Wintermischungen von Diesel oder Orangenschalenöl mit Pflanzenöl erreicht. Die Anpassungen der Software-Architektur und motormechanische Verfeinerungen beschränkten sich im Wesentlichen auf die Verbesserung der Alltagstauglichkeit. Hier ließen sich die Injektor-Vorglühzeiten beim ersten Kaltstart von anfangs rund 10 auf ca. 5 Minuten verringern.

Größte Herausforderung war jedoch die Beherrschung der Rußabbrandstrategien und verschiedenen Regenerationsphasen des Partikelfilters. Damit sich der Partikelfilter nicht mit Ruß zusetzt und in seiner Funktion beeinträchtigt wird, muss er im Dieselbetrieb und auch mit Pflanzenölkraftstoffen regelmäßig regeneriert werden. Beim Regenerationsvorgang werden die im Partikelfilter gesammelten Rußpartikel verbrannt (oxidiert). Die Regeneration des Partikelfilters erfolgt in folgenden Stufen:

• Passive Regeneration
• Aufheizphase
• Aktive Regeneration
• Regenerationsfahrt durch Fahrer
• Service-Regeneration

Passive Regeneration

Während der passiven Regeneration werden die Rußpartikel ohne Eingriff der Motorsteuerung kontinuierlich verbrannt. Dies geschieht überwiegend bei hoher Motorlast bei Abgastemperaturen von 350–500 °C. Die Rußpartikel werden dabei durch eine Reaktion mit Stickstoffdioxid in Kohlendioxid umgewandelt.

Beim Einsatz von Pflanzenölen ergaben sich hier deutliche Vorteile, da die Abbrandtemperatur um ca. 100 °C geringer als bei Diesel ausfällt. Ursache ist vermutlich die bei Pflanzenölen gröbere Partikelstruktur mit mehr Hohlräumen im Partikelfilter und daraus resultierend ein verbessertes Oxidationsverhalten.

Aufheizphase

Um einen kalten Oxidationskatalysator und Partikelfilter möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, leitet das Motormanagement im Originalbetrieb nach der Haupteinspritzung gezielt eine Nacheinspritzung ein. Der auf diese Weise eingespritzte Kraftstoff erhöht das Temperaturniveau der Verbrennung im Brennraum. Die entstehende Wärme wird in den Abgasen abgeleitet, gelangt durch den Abgastrakt zum Oxidationskatalysator sowie zum Partikelfilter und heizt diese auf. Die Aufheizphase ist abgeschlossen, sobald die Betriebstemperatur des Oxidationskatalysators und des Partikelfilters für einen bestimmten Zeitraum erreicht ist.

Während der Testphasen 1 und 2 wurde für Pflanzenöle die Aufheizphase auf niedrige Werte gestellt. Dies war möglich, da sich der Partikelfilter bei der groben Partikelkonsistenz bereits früher regeneriert. Dadurch konnte die Nacheinspritzung so stark verringert werden, dass sie einen für reinen Dieselbetrieb gerade noch ausreichenden Abbrand sicher stellt.

Aktive Regeneration

Bei einem hohen Anteil verschiedener Betriebszustände (z. B. viele Kaltstarts und lange Leelaufzeiten) sind im Dieselbetrieb die Abgastemperaturen zu niedrig für eine passive Regeneration. Dadurch kommt es zu einer Rußanhäufung im Filter. Sobald eine bestimmte Rußbeladung erreicht ist, leitet die Motorsteuerung eine aktive Regeneration ein, wobei die Russpartikel bei einer Abgastemperatur von 550 bis 650 °C zu Kohlendioxid verbrannt werden.

Die Rußbeladung des Partikelfilters und dessen Abbrand werden durch zwei programmierte, im Kennfeld des Motorsteuergeräts gespeicherte Beladungsmodelle berechnet. Von den unterschiedlichen Maßnahmen des Motorsteuergerätes zur Erhöhung der Abgastemperatur bei der aktiven Partikelfilterregeneration wurde bei Pflanzenölen nach wie vor die Ansaugluftzufuhrregelung durch die Drosselklappe verwendet. Die Abgasrückführung wurde abgeschaltet, um Verbrennungstemperatur und Sauerstoffanteil im Brennraum zu erhöhen.

Die erste und zweite Nacheinspritzung einer auf „spät“ verschobenen Haupteinspritzung wurde bei Pflanzenölen stark reduziert. Dies war nötig, da bei einer im Original für Diesel starken Verschiebung des Förderbeginns der Einspritzung das für die Temperaturerhöhung im Abgastrakt spät eingespritzte Pflanzenöl nicht verbrannte. Stattdessen verdampfte es aufgrund der niedrigen Kolbentemperaturen nur und gelangte zum Teil flüssig ins Schmieröl. Da Pflanzenöl, das ins Schmieröl gelangt, bei den üblichen Öltemperaturen bis zu 120 °C nicht wieder abdampft, sondern sich anreichert, droht bei einem gewissen Verhältnis von Pflanzenöl und Schmieröl eine Polymerisierung des Schmieröls mit anschließendem Motor-Totalverlust. Dies konnte bei einem Testfahrzeug im Sommerbetrieb knapp verhindert werden. Die Nacheinspritzungen konnten soweit verringert werden, da eben Pflanzenölpartikel früher abbrennen und die begleitenden temperatur rhöhenden Maßnahmen wie Steuerung von Drosselklappe und Abgasrückführung für eine erfolgreiche Regeneration ausreichten.

Um eine Schmierölanreicherung durch unverbranntes Pflanzenöl auszuschließen, wurde zudem der Einspritzbeginn in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Einspritzmenge während der Regenerationsphase des Partikelfilters angepasst.

Regenerationsfahrt durch Fahrer

Bei extremem Kurzstreckenverkehr wird keine ausreichend hohe Abgastemperatur erreicht, um den Filter zu regenerieren. Erreicht der Beladungszustand des Dieselpartikelfilters einen Grenzwert, signalisiert die Partikelfilter-Kontrolleuchte im Armaturenbrett, dass eine Regenerationsfahrt nötig ist. Hier muss das Fahrzeug über einen kurzen Zeitraum mit erhöhter Geschwindigkeit in einem bestimmten Drehzahlbereich gefahren werden, damit eine ausreichend hohe Abgastemperatur erreicht wird und die Betriebsbedingungen für eine erfolgreiche Regeneration über den Zeitraum gleich bleiben. Die nötige Anzahl von Regenerationsfahrten durch den Testfahrer nahm über die Testphase 1 und 2 ab, und zwar im Verhältnis zur zunehmenden Wirksamkeit der pflanzenölspezifischen Software-Eingriffe für einen erfolgreichen Rußabbrand.

Service-Regeneration

Ist die Regenerationsfahrt durch den Fahrer nicht erfolgreich verlaufen und hat der Dieselpartikelfilters den höchstmöglichen Beladungszustand erreicht, leuchtet zusätzlich zur Kontrollleuchte für den Dieselpartikelfilter noch die Kontrollleuchte für die Vorglühzeit. Im Display erscheint der Text „Motorstörung Werkstatt“. Damit wird der Fahrer aufgefordert, die nächste Werkstatt aufzusuchen. Diese Notmaßnahme des VW-Konzerns, die einen kontrollierten Rußabbrand oder Austausch des Partikelfilters in der Werkstatt vorsieht, war während der Testphase bei keinem Fahrzeug nötig.

Im Pflanzenölbetrieb waren nach Ende der Testphase 2 durch die Summe der erfolgreichen Softwaree-Engriffe in die Partikelfilter-Abbrandstrategien auch keine Regenerationsfahrten durch den Testfahrer mehr nötig.

Emissionsmessungen

Ein weiterer Schwerpunkt in der Testphase 2 war ein Testabschluss mit Emissionsmessungen. Neben stationären Messungen am Prüfstand der OTH Regensburg war auch eine mobile Abschlussmessung auf dem Rollenprüfstand vorgesehen. Als Testfahrzeug wurde hierzu ein VW Amarok verwendet. Dabei wurden Abgasmessungen nach dem gültigen Euro-5-Abgasprüftest 715/2007/EC durchgeführt. Als Referenzkraftstoff für die Ausgangsmessung wurde Diesel nach Norm EN 590 verwendet. Als weitere Testkraftstoffe kamen Rapsöl und Jatrophaöl gemäß CEN 16379 zum Einsatz und jeweils im Prüfzyklus über 1.180 s gemessen.

Durch Software-Anpassungen zwischen den Prüfzyklen der jeweiligen Kraftstoffe konnten verschiedene Abgasparameter optimiert werden. In allen Abgasbestandteilen zeigte die Messung mit Jatrophaöl Emissionswerte unter dem 100-%-Limit. Bei gleicher Software-Einstellung waren insgesamt die Emissionsergebnisse für Jatrophaöl etwas besser als die Ergebnisse für Rapsöl. Jatrophaöl ist somit ein aussichtsreicher alternativer und nachträglicher Kraftstoff auch im mobilen Transportbereich.

Fazit

Arbeits-, Zeit- und Kostenplanung haben sich im Vergleich vom angestrebten zum erreichten Projektstand nicht geändert. Alle gestellten Meilensteine wurden sowohl inhaltlich als auch innerhalb des vorgesehenen Zeitmanagements vollständig erreicht. Lediglich die Winter-Flottentestphase wurde auf Antrag um einen Monat über die ursprünglich geplante Projektlaufzeit hinaus verlängert. Angesichts der zuvor überdurchschnittlich milden Winter war es Absicht und erreichtes Ziel, noch die Möglichkeit deutlicher und dauerhafter Minustemperaturen und somit für den Einsatz von Pflanzenölen und Kraftstoffmischungen anspruchsvolle Testbedingungen zu erhalten. Durch die Projektausdehnung um einen Monat wurde auch der Rollenprüfstandstest später durchgeführt.

Physikalische Eigenschaften ausgewählter Pflanzenöle

Das Einspritzverhalten reiner Pflanzenöle hängt maßgeblich von den physikalischen Eigenschaften ab, vor allem die Viskosität der Öle spielt eine entscheidende Rolle:

• Starke Temperaturabhängigkeit von Dichte und Viskosität (Abb. 1)
• Kritische Kaltstarteigenschaften

Prüfstandsaufbau und Messmethode

Systemprüfstand für Pflanzenölbetrieb (Abb. 2):

• Common-Rail-Einspritzsystem mit Piezo-Injektoren (Raildrücke bis 1.600 bar)
• Einspritzratenmessung mit HDA-Einspritzanalysator der Moehwald GmbH, Homburg
• Einspritzstrahlvermessung mit CCD-Kamera und Einspritzkammer (Kammerinnendruck bis 20 bar)

Einspritzratenverläufe am Beispiel Rapsöl

• Vermessung der Einspritzrate in Abhängigkeit der Leckagetemperatur des Injektors (in Vorversuchen als optimale Referenztemperatur ermittelt)
• Starke Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte von reinem Rapsöl spiegelt sich auch in der Einspritzrate wider (Abb. 3)

Referenzierung der Einspritzstrahlvermessung auf die jeweilige Einspritzrate

Neben der Vermessung der Einspritzrate ist die Betrachtung des Strahlbildes ebenfalls essenziell, um eine optimale Einspritzung zu gewährleisten. Mit dem entwickelten Systemprüfstand ist eine Referenzierung des Strahlbildes auf die Einspritzrate möglich, was enorme Vorteile für den Vergleich verschiedener Kraftstoffe bietet (Abb. 4).

Ausgewählte Pflanzenöle und die ursprüngliche Herkunft ihrer Ausgangsstoffe

Jatrophaöl

• kin. Viskosität @ 40 °C: 33,9 mm²/s
• Dichte @ 40 °C: 902,8 kg/m³
• Heizwert, unterer: 37,1 MJ/kg
• Cetanzahl (ACZ): 49,7

Rapsöl

• kin. Viskosität @ 40 °C: 34,3 mm²/s
• Dichte @ 40 °C: 903,8 kg/m³
• Heizwert, unterer: 37,1 MJ/kg
• Cetanzahl (ACZ): 40,1

Orangenschalenöl

• kin. Viskosität @ 40 °C: 0,96 mm²/s
• Dichte @ 40 °C: 835,9 kg/m³
• Zusammensetzung:
  • Limonen (ca. 90 %)
  • Octanal
  • Decanal
  • Sinensal
  • Octylacetat
  • Nerylacetat
• Hauptanbaugebiet: Brasilien, aber auch Kalifornien, Florida und Sizilien

Pongamiaöl

• kin. Viskosität @ 40 °C: 43,2 mm²/s
• Dichte @ 40 °C: 921,9 kg/m³
• Heizwert, unterer: 36,1 MJ/kg
• Cetanzahl (ACZ): 42,3

Pflanzenöle haben überwiegend eine triglyceride Struktur.

Biokraftstoffe für Pflanzenölmotoren der 2. Generation

Dezentrale Produktion und Nutzung als Lösung für Entwicklungs- und Schwellenländer

Forschungs- und Entwicklungsprojekt: Reine Pflanzenöle von dezentralen Ölmühlen als künftiger Treibstoff für Vielstoff-Common-Rail-Motoren zur ländlichen Stromversorgung und zum landwirtschaftlichen Transport

Als der Dieselmotor erfunden wurde, war Pflanzenöl bereits ein Thema: Auf der Pariser Weltausstellung 1896 präsentierte Rudolf Diesel einen Dieselmotor, der mit Erdnussöl lief. Seither haben sich die Qualität von Biokraftstoffen auf Pflanzenölbasis und von Verbrennungsmotoren gleichermaßen konstant weiterentwickelt. Pflanzenöle sind heute eine preisgünstige, sichere und umweltfreundliche Kraftstoffquelle, besonders in ihren Herkunftsländern. Sie eignen sich dabei nicht nur für Generatoren und Traktoren, sondern auch für Transportfahrzeuge wie LKWs.

Stand der Technik sind eine innovative dezentrale Produktionsmethode für Pflanzenöl der 2. Generation, das die DIN 51623 für Treibstoffqualität erfüllt, und eine Motorentechnik für reines Pflanzenöl, Biodiesel und Diesel. Derartige Vielstoff- oder Flex-Fuel-Motoren lassen sich für die Stromerzeugung in Standalone-Generatoren oder im Rahmen eines Hybridsystems zusammen mit anderen regenerativen Energiequellen wie Winkraft, Photovoltaik oder Wasserkraft einsetzen.

John Deere Europe hat diese Flex-Fuel-Technologie als künftiges Transportkonzept für die Landwirtschaft bestimmt. Im Zusammenspiel können erreichte Treibstoffqualität, neue Produktionsmethoden und die innovativen Flex-Fuel-Motoren Landwirtschaft und entlegenen Gebieten eine zu 100 % erneuerbare Energiequelle zur Stromproduktion zur Verfügung stellen und ebenso nachhaltig produzierte Pflanzenöle für Traktoren und Landmaschinen.

Biokraftstoffe als Rückgrat lokaler Produktion

Über zwei Milliarden der Menschen auf der Welt sind gegenwärtig nicht ans Stromnetz angeschlossen. Die meisten von ihnen sind Bauern, und der größte Teil der nicht ans Netz angeschlossenen Gebiete sind landwirtschaftliche Flächen. Als Kraftstoff für Generatoren, Fahrzeuge und Maschinen wird hier bislang vorwiegend Diesel eingesetzt. Dies bedeutet nicht  nur hohe Kosten, sondern auch ein hohes Umweltrisiko, nicht zuletzt durch die langen Transportwege. Elektrizität und Mobilität mit Hilfe erneuerbarer Energien wie Wasser, Solarstrom und Biomasse stellen eine vielversprechende Alternative zu fossilen Kraftstoffen dar. Dabei haben Biokraftstoffe aus Biomasse zu anderen regerativen den großen Vorteil, dass sie bereits einen Energiespeicher darstellen.

Für die Stromversorgung in ländlichen Gebieten lassen sich mit Biokraftstoff betriebene in Standalone-Generatoren oder Hybridsystemen sowie als Backup-System oder zum Ausgleich von Stromschwankungen im Netz einsetzen. Der gleiche Biokraftstoff eignet sich zusätzlich zum Betrieb von landwirtschaftlichen Großgeräten und Fahrzeugen wie Traktoren und Lastwagen, die sich nicht durch Elektrofahrzeuge ersetzen lassen. Biokraftstoffe eigenen sich besonders gut für den Einsatz für Stromerzeugung und Transportaufgaben im ländlichen Raum, da landwirtschaftliche Betriebe ihren eigenen Treibstoff erzeugen können. Durch nachhaltige lokale Produktion und den Verbrauch direkt beim Erzeuger stellen Biokraftstoffe so ein Rückgrat für die Landwirtschaft dar.

Reine Pflanzenöle der 2. Generation aus dezentralen Ölmühlen

Künftige Biokraftstoffe erfordern einen ganzheitlichen Ansatz, der eine alltagstaugliche nachhaltige und CO₂-neutrale Produktion mit dem Einsatz von High-End-Common-Rail-Motoren verbindet, die Diesel, Biodiesel und reines Pflanzenöl gleichermaßen nutzen können. Dabei sind hoher Wirkungsgrad, geringer Verbrauch und geringer Schadstoffausstoß wesentliche Anforderungen.

Biodiesel ist ein durch Veresterung an herkömmliche Dieselmotoren angepasster Treibstoff. Im Gegensatz dazu müssen für den Einsatz reinen Pflanzenöls Dieselmotoren technisch an diesen zähflüssigen Kraftstoff angepsst werden. Allerdings erfordern mittlerweile moderne Common-Rail-Motoren und Abgasreinigungssysteme auch bei Biodiesel Motoranpassungen. Motorenhersteller haben deshalb die Freigabe für reinen Biodieselbetrieb für Motoren der Stufen 3A, 3B und 4 zurückgezogen.

Da nun beide Biokraftstoffe Änderungen an den Motoren erfordern, ist reines Pflanzenöl gegenüber Biodiesel im Vorteil: Es ist wenig hygroskopisch und schwer entflammbar und damit ideal transport- und lagerfähig. Außerdem ist es nicht grundwasserschädlich und liefert 8 % mehr Energie als die gleiche Menge Biodiesel. Zugleich sinken durch die nicht mehr nötige Veresterung Kosten, CO₂-Ausstoß und Transportaufwand im Produktionsprozess. Dieser beshränkt sich auf das mechanische Pressen und Filtern und erfordert weder Methanol/Ethanol, noch entstehen Glycerin-Rückstände. Im Vergleich zu anderen Biokraftstoffen wie Alkohol, Biogas und Biodiesel kombiniert Pflanzenöl in modernen Dieselmotoren beste Effizienz mit höchster Energiedichte.

Lange galt reines Pflanzenöl als nur in einfachen Dieselmotoren einsetzbarer Kraftstoff mit wenig Zukunft. Aufgrund seiner hervorragenden physikalischen Eigenschaften setzten jedoch das Unternehmen VWP-Gruber und seiune Partner dennoch daran, Treibstoffqualität und Motorentechnik für seinen Einsatz zu verbessern. Hierzu entwickelte VWP-Gruber etwa zusammen mit dem österreichischen Unternehmen Waldland einen patentierten Prozess, um schädliche Stoffe aus dem Pflanzenöl zu entfernen. Die ersten Normen für Pflanzenöltreibstoffe (DIN V 51605) und  Biodiesel (EN 14214) erlaubten nämlich hohe Anteile an Phosphor, Kalzium und Magnesium, die die Lebensdauer der Motoren verkürzten, Katalysatoren zerstörten und Partikelfilter verstopften.

Je nach den jeweiligen Mengen Phosphor, Kalzium und Magnesium im Rohöl und den angestrebten Werten im gereinigten Öl sind Dosierung der verfahrensspezifischen Filter- und Reinigungshilfe OBEFIL, Rührzeit, Öltemperatur und Filterungsaufwand aufeinander abzustimmen, um für diese Stoffe die analytische Nachweisgrenze von 0,5 mg/kg zu unterschreiten. Mit dem innovativen Reinigungsprozess werden die gültigen Treibstoff-Qualitätsnormen DIN 51605 für Rapsöl und DIN 51623 für verscheidene Pflanzenöle unterschritten, bei denen die Grenzwerte bei 1 mg/kg Phosphor und 3 mg/kg Kalzium und Magnesium liegen. Durch die Zugabe eines Antioxidationsmittels lässt sich die lagerfähigkeit des Pflanzenöls selbst in tropischem Klima auf über ein Jahr verlängern.

Durch den einfachen Herstellungsprozess lassen sich Pflanzenöl-Kraftstoffe der 2. Generation überall in Asien, Lateinamerika, Afrika und Europa in unmittelbarer Nachbarschaft von Ölpflanzenfeldern und -plantagen produzieren. Damit haben entlegene ländliche Gebiete und Inseln direkten Zugang zu nachhaltig und regional produzierten, hochwertigen Treibstoffen. 

Beispiel: Dezentrale Ölmühle mit VWP/Waldland-Reinigungssystem in Manabi

Diese Ölmühle kann jährlich bis zu 400.000 l Pflanzenöl produzieren, das die international aktuellsten und strengsten Qualitätsstandards für Pflanzenöl-Kraftstoffe erfüllt, die DIN 51623. In Deutschland und Österreich sind inzwischen mehr als 200 vergleichbare Ölmühlen in Betrieb. Seit 2011 produziert die Ölmühle in Manabi Jatropha-Öl in einem Hybrid-Verbund für erneuerbare Energien auf der Galapagos-Insel Floreana. In einer vom deutschen Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung geförderten Public-Private-Partnerschaft streben das österreichische Unternehmen Waldland, VWP-Gruber und der WWF Deutschland die Zertifizierung der Manabi Jatropha Oil Association nach dem Nachhaltigskeitsstandard des RSB (Roundtable on Sustainable Biomaterials) an. Das Manabi-Projekt für Kleinbauern gilt als eines der interessantesten Biokraftstoff-Projekte weltweit. Rund 3.000 Kleinbauern sammeln und transportieren Jatropha-Nüsse von bereits existierenden Hecken und produzieren daraus Biokraftstoff mit kleinem CO₂-„Fußabdruck“.

Common-Rail-Vielstoffmotoren für Stromerzeugung und Transport im ländlichen Raum

Im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren wie Ottomotoren für den Betrieb mit Alkohol oder Biogas haben Dieselmotoren die höchste Energieeffizienz. Deshalb hat VWP-Gruber eine neue Generation von Common-Rail-Vielstoffmotoren entwickelt, die nach mechanischer und elektronischer Anpassung mit Pflanzenöl-Kraftstoffen der 2. Generation ebenso betrieben werden können wie mit Biodiesel, Diesel oder beliebigen Mischungen dieser Kraftstoffe. Derartige Flex-Fuel-Motoren lassen sich zur Stromerzeugung oder als Antrieb für landwirtschaftliche Fahrzeuge, Traktoren, Lastwagen und Pickups einsetzen.

Entwicklung von Flex-Fuel-Common-Rail-Motoren mit Hochdruckeinspritzung für die Elektrifizierung

Im Vergleich zu anderen flüssigen Biokraftstoffen wie Alkohol oder BTL (Biomass to Liquid) haben Pflanzenöle bei 20 °C eine 19- bis 50-fach höhere Viskosität, die das Verdampfen des Kraftstoffs verhindert.Zusammen mit einem Flammpunkt oberhalb von 300 °C und einer niedrigen Cetanzahl (die die Zündwilligkeit eines Dieselkraftstoffs angibt) macht dies reine Pflanzenöle absolut explosionssicher und ungefährlich für Wasser, Boden und Atmosphäre. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Pflanzenöle eine offensichtliche Wahl als natürlicher Treibstoff für Mobilität und Elektrizität.

Allerdings sorgen genau diese Eigenschaften, die zur Einstufung als „nicht feuergefährlicher Kraftstoff“ führen, bei der Verbrennung in Dieselmotoren für Probleme. Deshalb müssen serienmäßige Dieselmotoren technisch angepasst werden, bevor sie mit reinem Pflanzenöl betrieben werden können. Die Alternative, das reine Pflanzenöl analog zu Biodiesel an den den Motor anzupassen, war für VWP Gruber keine Lösung: Mit verringerter Viskosität, gesenktem Flammpunkt und erhöhter Cetanzahl würde das Pflanzenöl die gesetzliche Einstufung als „nicht feuergefährlich“ und „nicht wassergefährdend“ verlieren – mit entsprechenden Nachteilen im Hinblick auf Transport und Lagerung und höherem risiko für Verbraucher.

Für die Anpassung von Dieselmotoren zum Betrieb mit reinem Pflanzenöl existieren keine universellen Umrüstsätze. Da zudem jeder Hersteller auf eigene Dieseltechnologien setzt, müssen die Anpassungen diesen individuellen Designs mit individuellen Lösungen begegnen. Grundsätzlich umfastt die Anpassung eines Common-Rail-Diesels:

• ausreichend dimensionierte Kraftstoffpumpe mit System zur Kraftstofferkennung und automatischer Regelung von Druck und Durchsatz in Abhängigkeit von Kraftstofftemperatur und -viskosität
• in die Einspritzdüsen integrierte Heizung für besseres Kaltstartverhalten und bessere Emissionswerte
• Anpassung der Motorsteuerungs-Software mit unterschiedlicher Software-Architektur entsprechend der vorgeschriebenen Emissionsklasse und des eingesetzten Kraftstoffs

Nach diesen grundlegenden Anpassungen sowie weiteren modellspezifischen Änderungen können Common-Rail-Diesel unterschiedlichster Größe mit mehreren Kraftstoffe – reinem Pflanzenöl, Biodiesel und Diesel – in einem Tank (Flex-Fuel) im stationären oder mobilen Betrieb genutzt werden. Ein Traktorhersteller erhielt für diese Vielstoff-Technologie bereits eine Goldmedaille auf einer der weltgrößten Agrarmessen.

Pflanzenöl-Kraftstoffe der 2. Generation in der Stromerzeugung

Im Zusammenspiel können neue Produktionsmethoden für hochwertige Treibstoffe und die innovativen Flex-Fuel-Motoren ländlichen und abgelegenen Regionen zu 100 % mit erneuerbaren Energien für Strom- und Wärmeerzeugung versorgen. Bereits vor 20 Jahren wurden die ersten Berghütten des Deutschen Alpenvereins mit Strom über Hybridsysteme mit Pflanzenöl-Generatoren versorgt: 1996 wurde in den österreicheischen Alpen auf 2.800 Metern Höhe in der Studlhütte das erste Hybridsystem mit Pflanzenöl-Generator und Photovoltaik installiert. Mittlerweile sind in Deutschland, österreich und der Schweiz mehr als 60 Berghütten mit Blockheizkraftwerken ausgerüstet, die Pflanzenöl-Generatoren mit Photovoltaik, Wind- oder Wasserkraftwerken kombinieren. In den Berghütten sind dabei ausschließlich Vorkammer-Diesel sowie Rapsöl als Treibstoff eingesetzt, das bis zu -10 °C flüssig bleibt.

Seitdem wurden Direkteinspritzer-Motoren und Motoren mit Hochdruck-Einspritzung sowie andere Pflanzenöle neben Rapsöl für die Stromerzeugung entwickelt worden. Ein Meileinstein in diesem Bereich war der Ersatz fossiler Brennstoffe auf den Galapagos-Inseln. Nach mehreren schweren Schiffshavarien 2001 und 2002, die mehr als 10.000 Galapagos-Echsen und zahlreiche weitere Meerestiere töteten, startete die Regierung von Ecuador ein Projekt, um bis 2020 fossile Brennstoffe komplett von den galapagos-Inseln zu verbannen. Eine Machbarkeitsstudie der Deutschen Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) ergab, dass aus zahlreichen unterschiedlichen Biokraftstoffen (Biodiesel, reines Pflanzenöl, Biogas, Holzgas) und Pflanzenölen (Palmöl, Rapsöl, Jatrophaöl, Sonnenblumenöl, Sojaöl) Jatrophaöl die ökologischen, sozialen und wirtschaftlichen Anforderungen am besten erfüllte und so der ideale Kraftstoff war, um die höchsten technischen und ökologischen Ansprüche auf den Galapagos-Inseln abzudecken.

In einem Pilotprojekt in Kooperation mit dem ecuadorianischen Ministerium für Energie und erneuerbare Energien, dem deutschen Umweltministerium und dem deutschen Ministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung hat VWP-Gruber 2010 zwei Jatrophaöl-Generatoren auf Floreana, der kleinsten bewohnten Galapagos-Insel, aufgebaut und sie bis 2014 betreut. Auf der Insel wird Sonnenenergie so durch Photovoltaik und Photosynthese umfassend genutzt: Die Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 21 kW_p „erntet“ tagsüber die einfallende Sonneneinstrahlung, während die beiden Generatoren mit einer Leistung von 69 kW_el gespeicherte Sonnenenergie in Form von Jatrophaöl für die Abdeckung des Spitzenbedarfs ebesno sorgen wie für die Stromversorgung in Zeiten ohne Sonnenlicht oder bei leeren Speicherbatterien. Dabei wurden die Generatoren ohne Ausfälle über mehr als 18.000 Stunden pro Flex-Fuel-Motor mit Jatrophaöl, Diesel oder einem Gemisch dieser Kraftstoffe betrieben. Eigentliche Herausforderung auf Floreana war der Aufrbau eines vollständig aus erneuerbaren Energien betriebenen Off-Grid-Systems, das den täglichen, über 24 Stunden hinweg ständig wechelnden Strombedarf auf Floreana exakt abdeckt. Für Hybridsysteme existieren hier unterschiedliche Szenarien und Konzepte.

Obwohl Jatrophaöl als eines der vielversprechendsten künftigen Kraftstoffe angesehen wird, existieren bis dahin praktisch keine Daten über das Langzeitverhalten und Schadstoffaustausch damit betriebener Motoren. Im Januar 2011 wurden desshalb Abgassmessungen an den modifizierten Motoren des Modells Deutz 1013 BF4M durchgeführt. Mit Ausnahme einer 5-prozentigen Überschreitung des CO-Grenzwerts im Dieselbetrieb erfüllten die Generatoren alle örtlichen Abgasvorschriften für Galapagos. Die Kohlenmonoxid- und Partikelemissionen sind im Betrieb mit Jatrophaöl nur rund halb so groß wie im Dieselbetrieb. Der Schwefelausstoß liegt bei Null, da Jatrophaöl schwefelfrei ist. Aufgrund schnellerer Verbrennung sind die NO_x-Emissionen bei Jatrophaöl etwa 10 % höher als bei Diesel, aber immer noch deutlich unter dem Grenzwert. Das Pilotprojekt in Floreana wird im Lauf des Jahres 2016 von der Siemens AG für die rund zehnmal größere Galapagos-Insel Isabela angepasst.

Die Flex-Fuel-Technologie auf Floreana und die Produktion eines Biokraftstoffs der 2. Generation in Form von Jatrophaöl stellen in dieser Hinsicht ein evolutionäres technisches Modell für eine vollständig auf erneuerbaren Rohstoffen basierende Energieversorgung nicht nur für andere Inseln des Archipels dar, sondern für jede Insel und jede ländliche Region der Welt.

Motoren für Pflanzenölkraftstoffe der 2. Generation in Traktoren

Der direkte Einsatz reinen Pflanzenöls als Kraftstoff in der Landwirtschaft ist eine der offensichtlichsten Anwendungen, da ökonomische und ökologische Effizienz durch Anbau der Ölpflanzen und Herstellung und Nutzung des Pflanzenöls maximiert werden. Zudem erfordern landwirtschaftlicher Maschineneinsatz und Transport hohe Leistungen und hohe Energieeffizienz, die durch Dieselmotoren erfüllt werden, jedoch wenig Raum für Elektromobilität lassen.

Um Dieselmotoren elektronisch an den Flex-Fuel-Betrieb anzupassen, mussten mehr als 20 Tabellen des Steuergeräts spezifisch neu gemappt werden. In einer dreijährigen Demonstrationsphase mit 16 John-Deere-Traktoren in vier europäischen Ländern wurden die Emissionsklassen Tier 3A, 3B und 4 getestet. Der Ausstoß an Kohlenmonoxid. Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Partikeln erfüllt auch in der näheren Zukunft die Tier-3A-Anforderungen vieler Länder in Lateinamerika, Afrika und Asien. Damit existiert ein erprobter und zuverlässiger Traktor mit Vielstoffmotor, der mit verschiedenen Pglanzenöl-Kraftstoffen der 2. Generation betrieben werden kann und so landwirtschaftliche Mobilität sicherstellt.

Einsatz von Pflanzenölmotoren der 2. Generation für Transportzwecke im ländlichen Raum

Viele ländliche Gebiete weltweit sind nur schwierig mit fossilen Kraftstoffen zu versorgen, sind jedoch ideale Anbaugebiete für Ölpflanzen. Aus diesem Grund hat VWP-Gruber mit seinen Partnern eine Technologie zu entwickeln, mit der sich leichte Transportfahrzeuge wie Pickups mit reinem Pflanzenöl aus lokaler Produktion ebenso betreiben lassen wie mit Diesel, Biodiesel oder Mischungen dieser Kraftstoffe. Das Forschungsprojekt startete mit einer Untersuchung des dynamischen Einspritzverhaltens und der Sprühnebelverteilung verscheidener Pflanzenöle mit unterschiedlicher Viskosität in einer Hochdruckkammer. Anschließend konzentrierte sich die Untersuchung auf zwei der meistverkauften und technisch modernsten Common-Rail-Dieselmotoren mit aufwendigen System zur Abgasreinigung, die 1,6-l- und 2-l-Motoren von VW.

Um die Eignung für den internationalen Markt zu prüfen, wurden der 2-l-Motor in einem VW Amarok mit Diesel, Jatrophaöl und Rapsöl im Stadt- und Autobahn-Testzyklus 692/2008/EG geprüft. Dabei blieben die Werte für Kohlenmonoxid, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Partikel in jedem Fall unterhalb der Grenzwerte. Auf einem Prüfstand in der OTH Regensburg wurde der 1,6-l-Motor ebenfalls mit Diesel- und Pflanzenölen getestet.

Dabei ergab sich bei Jatrophaöl ein leichter Nachteil beim spezifischen Verbrauch aufgrund dessen geringeren Heizwertes im Vergleich zu Diesel. Aufgrund der Unterschiede in Oberflächenspannung, Viskosität und Dichte leigt der Kohlonmonoxid-Ausstoß bei Jatrophaöl höher. Dafür ist der Kohlenwasserstoffausstoß wegen seines höheren Sauerstoffgehalts ebenso geringer wer Partikelausstoß. Bei höheren Graden der Abgasrückführung gleichen sich der Partikelausstoß von Jatrophaöl und Diesel an. Der Stickoxidausstoß liegt ohne Abgasrückführung bei Jatrophaöl geringfügig höher als bei Diesel.

Im Anschluss an die Forschungsphase und Funktions- und Emmissionstets auf statinären und Rollenprüfständen fand ein Feldversuch mit Sommer- und Winter-Betrieb auf lang- und Kurzstrecken mit jeweils einem Audi A4, A6 und Q5 sowie einem VW Amarok stand, um die Praxistauglichleit des Flex-Fuel-Betriebs mit dem 2-l-Common-Rail-Diesel des VW-Konzerns zu belegen.

Zusammenfassung

Das 21. Jahrhundert steht im Zeichen der Dekarbonisierung und des Wechsels von fossilen zu erneuerbaren Energien. Die Initative „Zero Fossil Fuel for Galapagos Islands“ kann so zur Blaupause für eine technische Evolution werden, um die Weltstandards für Stromerzeugung und Mobilität zu ändern. Nachhaltig erzeugte Biokraftstoffe sind eine wichtige Voraussetzung für die Stromerzeugung und den Transport großer Lasten bzw. dem Transport über lange Strecken. Während Alkohol und Biogas Benzinmotoren antreiben können, sind Pflanzenöle eine vielversprechende Option für Dieselmotoren. Landwirtschaftliche Gebiete sind in vielen regionen der Welt nicht ans Stromnetz angeschlossen und verfügen über eine rudimentäre Infrastruktur, die sie schlecht erreichbar macht. Damit scheiden hier zentrale, energieintensive und teure oder technisch aufwendige Biokraftstoff-Lösungen wie Wasserstoff, Hydrocracken, Drop-in Fuels oder Kraftstoffe der 3. Generation aus.

Nachhaltig in dezentralen Ölmühlen produzierte Pflanzenöl-Kraftstoffe der 2. Generation mit einer Qualität nach DIN 51623 erfüllen dagegen die Anforderungen in diesen Regionen inerhalb eines vollständig auf erneuerbare Energien gestützten Hybridsystems. In Kombination mit hochentwickelten Flex-Fuel-Motoren erfüllen Pflanzenöl-Kraftstoffe der 2. Generation die aktuellsten Emissionsvorschriften und vereinen am besten von allen Biokraftstoffen die ökologischen, ökonomischen und sozialen Vorteile beim Einsatz in landwirtschaftlichen Maschinen. Gerade in abgelegenen Gebieten mit begrenztem Zugang zu Kraftstoffen stellt die Vielstoff-Fähigkeit der Motoren die Treibstoffversorgung aus unterschiedlichen Quellen sicher.

Damit sind Pflanzenöl-Kraftstoffe der 2. Generation besonders im Agrarsektor die Lösung für brennende Probleme wie Klimawandel, abnehmende fossile Ressourcen und die Notwendigkeit, Lebens- und Futtermittel und Treibstoff zu akzeptablen Preisen für eine wachsende Bevölkerung zu liefern. In Verbindung mit hochentwickelten Flex-Fuel-Motoren ist der Schritt von zentral produzierter und begrenzter fossiler Energie zu denzentraler und unerschöpflicher erneuerbarer Energie technisch bereits heute möglich und gleichermaßen ökologisch und ökomomisch tragfähig.

Umweltfreundliche Motorentechnik

Forschung und Entwicklung

dts ist im Bereich der elektronischen Motoroptimierung sowie bei der Anpassung von Verbrennungsmotoren an alternative Kraftstoffe tätig. Im Bereich Pflanzenölmotoren ist dts dabei exklusiver Dienstleister für Motorentwicklungen der Vereinigten Werkstätten für Pflanzenöltechnologie.

Für den klassischen Tuning-Markt hat dts für verschiedene Anbieter im PKW-, LKW- und , Traktorensektor sowie für Anbieter von Blockheizkraftwerks-Generatoren Datensätze und Softwarekonfigurationen zur Leistungserhöhung und Verbrauchsverbesserung erstellt.

Für die Vereinigten Werkstätten für Pflanzenöltechnologie (VWP) hat dts eine Variante hochdruckeinspritzender Dieselgeneratoren mitentwickelt, die sich mit Pflanzenöl betreiben lassen. Ebenfalls im Rahmen einer Kooperation mit VWP die Pflanzenölmotorentwicklung für VW-Pumpe-Düse-Motoren, MAN-LKW der Klasse EURO III und John-Deere-Traktoren nach Tier IIIa erfolgreich abgeschlossen.

Im Auftrag der John Deere Werke Mannheim hat dts für einen Flexfuel-Motor die Funktions- und Emissionsentwicklung softwareseitig begleitet und verantwortet.

Entwicklungsziel war ein Motor, der sich mit Diesel-, Pflanzenöl- und Biodieselkraftstoff jeweils zu 100 % oder in beliebigen Mischungen betreiben lässt. Dabei galt es, unabhängig vom verwendeten Treibstoff die gleiche Leistung zu erzeugen und die vorgegebenen Emissionswerte einzuhalten.

Im Auftrag der Technischen Universität München hat dts die Software-Einstellung eines großvolumigen Diesel-Pflanzenöl-Hybridmotors für elektromechanischen Antrieb entwickelt.

Erfolgreiche Markteinführung

Mit Ausnahme des elektromobilen Hybridkonzepts der TU München sind die im Rahmen dieser Projekte entwickelten Produkte bereits erfolgreich auf dem Markt.

Im Tuningbereich übersteigt die Lizenzstückzahl der Leistungs- bzw. Verbrauchsoptimierungen im PKW-, LKW-, Traktor- und Stationärmotorensektor bereits die 10.000-Stück-Grenze. Der Hauptmarkt ist hier Deutschland und Österreich.

Im Pflanzenölbereich wurden von VWP und Lizenznehmern sowie von den John-Deere-Werken Mannheim mehr als 1.500 Umrüstungen mit entsprechend angepasster Software-Architektur vorgenommen. Die Umrüstungen fanden in Deutschland, Österreich, Italien, Frankreich, Polen sowie in Afrika und Lateinamerika statt.