Multiple injection strategies for optimizing mixture formation and combustion in large-sized Diesel engines aiming for lowest CO2- and pollutant emission using maritime fuels

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Horst Harndorf; Professor Dr.-Ing. Egon Hassel
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines ; Technical Thermodynamics
• Term: from 2016 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 286815162

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden die Anwendungsmöglichkeiten von Mehrfacheinspritzstrategien bei unterschiedlichen maritimen Kraftstoffen in Großmotoren untersucht. Hierbei kamen sowohl Destillatkraftstoffe (Diesel nach DIN EN 590, Marine Gasöl (MGO)) als auch Schweröl (HFO) zum Einsatz. Die Analyse der Kraftstoffeigenschaften zeigte einerseits einen deutlich höheren Schwefelgehalt bei Schweröl, sowie eine höhere Dichte und Viskosität und eine schlechtere Zündfähigkeit (CCAI) gegenüber den Destillatkraftstoffen. Durch Vermessung der Injektorkennlinien an einem Einspritzverlaufprüfstand konnte der Einfluss der Kraftstoffe auf Einspritzratenverlauf und Einspritzmenge ermittelt werden. Diesel und MGO zeigten ähnliche Kennlinien während HFO bei gleichen Injektoransteuerungen ca. 10-15% größere Einspritzmengen aufgrund der höheren Dichte aufwies. Bei Kleinsteinspritzmengen zeigte HFO jedoch niedrigere Einspritzmengen aufgrund eines veränderten Ankerprellverhaltens. Der Versuchsinjektor zeigte trotz integriertem Kraftstoffspeicher insbesondere bei Kombination aus langer Haupteinspritzung (HE) und angelagerter Nacheinspritzung (NE) pausenabhängige NE- Einspritzmengen bei Diesel und MGO aufgrund von Druckwellen im Kraftstoffspeicher. Im HFO-Betrieb waren die Auswirkungen der Druckwellen deutlich geringer, was auf ein dämpfendes Verhalten der höheren Kraftstoffviskosität hinweist. Untersuchungen an einer Hochtemperatur/Hochdruck- Einspritzkammer zeigten ein verändertes Strahlbild durch schmalere Kegelwinkel und verkürzte Eindringtiefen bei HFO, was auf eine schlechtere Gemischbildung infolge größerer Tropfendurchmesser hindeutet. Die durchgeführten Motorversuche konnten zeigen, dass mit allen untersuchten Kraftstoffsorten eine Verbesserung der Stickoxidemissionen durch eine kraftstoffangepasste Voreinspritzstrategie (VE) möglich war. Potentiale zur Reduktion durch eine späte Voreinspritzung waren in der Niedriglast am höchsten. Gegenüber den Destillatkraftstoffen konnten hierbei im HFO-Betrieb neben den Stickoxiden ebenso Rußemissionen gesenkt werden. Die eingespritzte VE-Menge verbesserte die Zündbedingungen für die Haupteinspritzung und konnte den Zündverzug deutlich verkürzen. Optische Versuche am Versuchsmotor konnten die Erkenntnisse stützen und ermöglichten thermometrische Vermessungen der Verbrennung und Rückschlüsse auf die Schadstoffbildung. Bei Anwendung einer angelagerten Nacheinspritzungen konnten vor allem bei den Destillatkraftstoffen die Rußemissionen durch eine verbesserte Rußoxidation am Ende der Verbrennung senken. Insgesamt zeigten die untersuchten Mechfacheinspritzstrategien großes Potential zur innermotorischen Schadstoffsenkung in Großmotoren. Ein neues Modell zur Bestimmung der Strahleindringtiefe wurde basierend auf der Impulstheorie und einem empirischen Modell entwickelt. Das Modell ist anhand Diese- und HFO-Messdaten validiert. Nach diesem Modell weist der DK längere Eindringtiefe auf, wenn die gleiche Masse eingespritzt wird. Die Auswirkungen der Voreinspritzung auf die NO-Emissionen werden dadurch erklärt, wie dieses Einspritzereignis die Zündposition der Haupteinspritzung beeinflusst. Bei niedriger Last verschiebt sich die Zündposition in Richtung Einspritzdüse. In Folge dessen ändert sich das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und darüber hinaus sinken die NO-Emissionen. Bei höhen Lasten ist die Verschiebung der Zündposition klein. Der Anstieg der NO-Emissionen begründet sich durch die hohe Temperatur, die aufgrund der Verbrennung der Voreinspritzung resultiert wurde.

Publications

• 1D-Modell zur Berechnung der Eindringtiefe unter Berücksichtigung verschiedener Kraftstoffe, 13. Tagung Motorische Verbrennung, Ludwigsburg, 16.-17. März 2017
  Najar, I.; Stengel, B.; Drescher, M.; Hassel, E.; Harndorf, H.; Buchholz, Bert.
  
• Influence of the Fuel Properties on the Injection Process and Spray Development in a Large Ship Diesel Engine, ILASS– Europe 2017, 28th Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Valencia, Spain, 6 - 8 September 2017
  Najar I.; Buchholz B.: Stengel B.; Fink C.; Hassel E.
  
• "Measurement, Modeling and Comparison of the Injector Performance and Engine Operation using Diesel, MGO and HFO", 11. Tagung Einspritzung und Kraftstoffe, ISBN 978-3-658-2318-4, Berlin, 28.- 29.11.2018
  Stengel, B.; Najar, I.; Pinkert, F.; Hassel, E.; Buchholz, B.
  
• "Pilot-Einspritzstrategien zur Reduzierung von Emissionen von Großdieselmotoren unter dem Einsatz maritimer Kraftstoffe", Thermodynamik-Kolloquium 2018, 26.- 28. September 2018, Kassel
  Hassel, E.; Nocke, J.; Stengel, B.; Najar, I.; Buchholz, B.
  
• "Nutzung von niedrig- und hochviskosen maritimen Kraftstoffen und deren Auswirkungen auf das Einspritz-, Zünd- und Emissionsverhalten von Großmotoren"; Posterbeitrag, 29. Deutscher Flammentag, Bochum 17-18. September 2019
  Stengel, B.; Najar, I.; Pinkert, F.; Hassel, E., Buchholz, B.
  
• "Potential of Pilot- and Post- Injection Strategies in Large Diesel Engines Using Maritime Fuels"; CIMAC Congress 2019; 10.-13. Juni 2019; Vancouver, Kanada
  Stengel, B., Najar, I., Pinkert, F., Hassel, E., Buchholz, B.
  
• „Potentials and challenges of multiple injection strategies with maritime fuels at large engines”, MTZ Heavy-Duty Tagung, 26.-27.11.2019, Friedrichshafen, 2019
  Stengel, B.; Najar, I.; Pinkert, F.; Hassel, E.; Buchholz, B.
  
• „Spray cone angle prediction model considering nozzle hole geometry“, 29th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ILASS), 2.-4.09.2019, Paris
  Najar, I., Pinkert, F., Buchholz, B., Hassel, E., Stengel, B.