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Mar 30, 2024

Warum kanalisierter Kraftstoff?

Bildnachweis: Dedmityay/Dreamstime Von Roger Brereton, Pailton Engineering Veröffentlicht am Freitag, 19. Mai 2023 Eine neue Erfindung, die vom Bunsenbrenner inspiriert wurde, könnte zu großen Durchbrüchen bei der Suche führen

Bildnachweis: Dedmityay/Dreamstime

Von Roger Brereton, Pailton Engineering

Veröffentlicht am Freitag, 19. Mai 2023

Eine vom Bunsenbrenner inspirierte neue Erfindung könnte zu großen Durchbrüchen bei der Suche nach saubererem Diesel führen und erhebliche Auswirkungen auf den kommerziellen Transport haben.

Ein Artikel der New York Times aus dem Jahr 2016, der die Geschichte unserer Beziehung zum Diesel erzählt, von seiner Erfindung im 19. Jahrhundert bis zum „Dieselgate“-Skandal von Volkswagen, kam zu dem Schluss, dass die Vorstellung von sauberem Diesel „ein Widerspruch in sich“ sei.

Abgase von Dieselmotoren enthalten schädliche Schadstoffe wie Stickoxide und Rußpartikel. Obwohl die Regierungen seit Ende der 1990er-Jahre deren Einführung gefördert haben, weil sie davon überzeugt waren, dass sie umweltfreundlicher seien als gleichwertige Benziner, wurde seitdem argumentiert, dass Dieselfahrzeuge mehr als viermal so viel Umweltverschmutzung verursachen.

Für den Automobilsektor bestand die Lösung in der Einführung von Vorschriften, um den Einsatz von Dieselfahrzeugen zu unterbinden und gleichzeitig die Einführung elektrischer Alternativen zu beschleunigen. Bei Nutzfahrzeugen ist es jedoch nicht so einfach. Trotz all der schlechten Publicity, die Diesel in den letzten Jahren auf sich gezogen hat, gibt es einfach nichts, was diesem Kraftstoff in puncto Energiedichte, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit gleichkommt.

Kleinere, leichtere Fahrzeuge zu elektrifizieren, ist eine Sache. Bei Bussen und Fernverkehrsfahrzeugen ist Diesel weit überlegen, wenn es darum geht, das Drehmoment zu erzeugen, das sie zum Fortbewegen benötigen. Dies schließt die Machbarkeit von Elektro-, Hybrid- oder Wasserstoff-Lkw und -Bussen nicht aus. Aufgrund des Gewichts dieser Fahrzeuge ergeben sich jedoch andere Anforderungen, die die Entwicklung von Alternativen zum Verbrennungsmotor schwieriger machen.

Während einige darauf bedacht sind, die Herausforderungen bei der Entwicklung von Elektro- oder Wasserstofffahrzeugen zu meistern, konzentrieren sich andere darauf, Diesel sauberer zu machen. Es könnte viele Jahre und enorme Investitionen in die Infrastruktur dauern, bis wir Langstrecken-Lkw in nennenswerter Zahl sehen, die mit Elektrobatterien oder Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden. Wenn Diesel bestehen bleibt – zumindest kurzfristig –, dann wird alles, was seine Emissionen reduzieren kann, einen großen Unterschied für den Planeten bewirken.

Ob Diesel wirklich „sauber“ sein kann oder nicht, ist umstritten, aber relativ gesehen sind die Verbesserungen vorhanden. Eine Kombination aus technischen Durchbrüchen und staatlichen Vorschriften hat dafür gesorgt, dass moderner Diesel im Vergleich zu seinen Vorgängern deutlich sauberer ist. Zu den wichtigsten technologischen Entwicklungen zählen Fortschritte bei Kraftstoffeinspritztechnologien und Systemen zur Abgasbehandlung. Nach Angaben des Herstellers DAF sind die Stickoxidemissionen eines modernen Lkw mit Euro-6-Motor um 95 Prozent niedriger als bei vergleichbaren Lkw vor 25 bis 30 Jahren.

Ein anhaltendes technisches Dilemma ist der Kompromiss zwischen Ruß- und Stickoxidreduzierung. Ein Dieselmotor ist sparsamer als sein Benzin- oder Benzinmotor, stößt jedoch giftige Stickoxide aus. Um dies zu mildern, werden verbrauchte sauerstoffarme Verbrennungsgase aus dem vorherigen Motorzyklus zurück in den Lufteinlass geleitet. Dadurch sinken die Temperatur und die Sauerstoffkonzentration im Kraftstoff-Luft-Gemisch und damit die Entstehung von Stickoxiden.

Der Nachteil dieser Verdünnungsstrategie besteht darin, dass bei diesen niedrigeren Temperaturen nicht der gesamte Kraftstoff verbraucht wird und beim Rest mehr Partikel aus teilweise verbranntem Kohlenstoff oder Ruß entstehen. Ingenieure müssen daher einen Weg finden, den Diesel so vollständig wie möglich zu verbrennen und gleichzeitig die Temperaturen niedrig genug zu halten, um überschüssige Stickoxide zu vermeiden.

Charles Mueller, Verbrennungswissenschaftler am Sandia National Laboratories in den USA, glaubt, eine Lösung für dieses Problem gefunden zu haben. Er lässt sich von einem Bunsenbrenner inspirieren und schlägt vor, Diesel-Einspritzdüsen mit winzigen Bunsenbrenner-Schornsteinäquivalenten auszustatten. Diese kleinen Metallröhrchen werden in geringem Abstand vom Loch der Einspritzdüse installiert und auf den Kraftstoffstrom ausgerichtet. Ähnlich wie bei einem Bunsenbrenner, der blau brennt, sorgt dies dafür, dass Brennstoff und Luft besser vermischt werden und eine bessere Verbrennung erzielt wird, allerdings bei niedrigeren Temperaturen, die für die Stickoxidverdünnung erforderlich sind.

Die patentierte Technologie von Mueller wird als kanalisierte Kraftstoffeinspritzung (DFI) bezeichnet. Es gibt bereits Interesse aus der Industrie und die wissenschaftliche Forschung und Prüfung sieht bisher sehr ermutigend aus.

Mueller selbst ist der Meinung, dass die großen Motoren in Schiffen und Lokomotiven ein guter Kandidat wären, um die Vorteile von DFI zu nutzen. Bei großen Motoren wie diesen ist die Umstellung auf Elektroantrieb zu kostspielig. DFI bietet den zusätzlichen Vorteil, dass es bei bestehenden Motoren nachgerüstet werden kann. Diese Möglichkeit macht es zu einer Technologie, die in einer Reihe von Anwendungen enorme Vorteile bringen könnte. Da es nicht notwendig ist, völlig neue Motoren zu entwickeln, um die Vorteile von Muellers Durchbruch zu nutzen, könnte die Nachrüstung ein potenzieller Wendepunkt für die Lkw-Branche sein.

Sauberer Diesel ist möglicherweise ein Widerspruch in sich. Es ist jedoch klar, dass eine Reihe von Technologien Diesel relativ gesehen sauberer machen. Die kanalisierte Kraftstoffeinspritzung ist ein vielversprechender Durchbruch. Wenn die Entwicklung von Wasserstoff- und Elektro-Lkw länger dauert, als die optimistischeren Prognosen vermuten lassen, ist es beruhigend zu wissen, dass Durchbrüche in der Dieseltechnologie das Potenzial haben, die Emissionen erheblich zu senken.

Roger Brereton ist Vertriebsleiter beim Lenkungskomponentenhersteller Pailton Engineering

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