Otto-Motoren: Rußpartikel mit Biokraftstoffen reduzieren

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Nachwuchsforscher-Gruppe entwickelt integriertes Konzept zur Abgasreinigung.

Bioethanol und andere erneuerbare Alkohole wie Biobutanol im Kraftstoff helfen nicht nur, den CO2-Ausstoß zu vermindern und Mobilität damit klimafreundlicher zu machen. Sie können auch die Bildung von Rußpartikeln reduzieren und so zu saubereren Abgasen beitragen. Entsprechende ganzheitliche Konzepte für direkteinspritzende Ottomotoren stellte jetzt eine Forschernachwuchsgruppe bestehend aus Wissenschaftlern der Universitäten Erlangen-Nürnberg, Darmstadt und Freiberg sowie des Karlsruhe Instituts für Technologie vor. Gefördert wurde sie vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft.

Wird Bioethanol herkömmlichem Super beigemischt, reduziert sich die Rußbildung beim motorischen Verbrennungsprozess in der Regel mit steigenden Alkoholanteilen. So verbrennen E85 oder reines Ethanol deutlich sauberer als der Vergleichskraftstoff Isooctan. Für die im derzeitigen Praxisbetrieb vorrangig eingesetzten E5- beziehungsweise E10-Kraftstoffe gilt das jedoch nicht oder bestenfalls eingeschränkt: Bei der Partikelbildung liegen diese Kraftstoffe meist auf ähnlichem Niveau wie vergleichbare fossile Basiskraftstoffe. E20 neigt unter standardisierten Bedingungen sogar zu teils höherer Rußbildung.

Effiziente Rußoxidation mit Manganoxid-Katalysatoren

Simulation des Verbrennungsprozesses für Biokraftstoffgemische im Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung (Quelle: STFS, TU Darmstadt)

Bei der Untersuchung verschiedener Betriebszustände des Motors fanden die Nachwuchsforscher die Ursachen dafür heraus. So können die physikalischen Parameter der Kraftstoffe – dazu zählen die Viskosität oder das Verdampfungsverhalten – größeren Einfluss haben als die gegenläufigen chemischen, wie zum Beispiel der Sauerstoffgehalt. Allerdings lassen sich die Rußpartikel bei der Abgasnachbehandlung reduzieren. Dazu entwickelten die Forscher speziell an Otto-Motoren angepasste, hoch aktive Manganoxid-Katalysatoren, die sich durch schnelle Regenerationsphasen auszeichnen. Mit ihnen gelang eine effiziente Rußoxidation bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von unter 300 Grad Celsius.

Mit ihren Arbeiten tragen die Nachwuchsforscher maßgeblich zu einem besseren Verständnis für die Verbrennung sauerstoffhaltiger, biogener Kraftstoffkomponenten bei. Damit öffnen sie auch die Tür für gleichermaßen klima- wie umweltfreundlichere Kraftstoffkonzepte auf Alkoholbasis als eine Alternative für nachhaltige Mobiliät. Die Abschlussberichte zu den vier Teilprojekten im Verbund „Bildung von Rußpartikeln und katalytische Filterregeneration bei der motorischen Nutzung von Ottokraftstoffen aus Biomasse“ stehen in der Projektdatenbank der FNR unter

  • 22026711 Teilvorhaben 1: Experimentelle Untersuchungen Spray, Verbrennung, Rußbildung im Motor
  • 22040811 Teilvorhaben 2: Experimentelle Untersuchung der Partikelbildung in Modellflammen
  • 22041111 Teilvorhaben 3: Simulation der Partikelbildung in Laborflammen und Ottomotoren
  • 22041011 Teilvorhaben 4: Entwicklung von hocheffizienten Rußoxidationskatalysatoren für Ottomotoren und Kombination von Rußfilter und Drei-Wege-Katalysator

zur Verfügung.

Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)