Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Apparatur zur Cetanzahlbestimmung von Mitteldestillaten und biogenen Dieselkraftstoffen und Mischungen daraus.

Die Cetanzahl ist ein Maß für die Zündwilligkeit von Mitteldestillaten, insbesondere Dieselkraftstoff.

Beispiele für Mitteldestillate sind Raffinerieprodukte mit einem Siedebereich von ca. 150 bis 500°C, die als Heizöle, Dieselkraftstoff, Kerosin, Jetfuel erhältlich sind. Beispiele für biogene Dieselkraftstoffe sind Fettsäuremethylester, hergestellt aus Rapsöl, Sojaöl, Palmöl, Rindertalg, Sonnenblumenöl, Altspeisefett und Mischungen daraus.

Eine gute Zündwilligkeit eines Dieselkraftstoffs bedeutet gutes Startverhalten, ruhiger Lauf des Dieselmotors und günstige Abgaswerte.

Die Cetanzahl wird in der Nom EN ISO 5165 definiert und deren Bestimmung beschrie- ben. Die Bestimmung von Cetanzahlen erfolgt üblicherweise durch Verwendung eines genormten Viertakt-Einzylinder-Motors mit variablem Verdichtungsverhältnis und indirekter Einspritzung. Da das motorische Verfahren zeitaufwendig und teuer ist, hat es Versuche gegeben, die Cetanzahl mittels Konstantvolumen-Brennkammern ("Constant Volume Combustion Chamber Method") zu bestimmen.

Bei einer Konstantvolumen- Apparatur zur Cetanzahlbestimmung besteht ein Messzyklus aus folgenden Arbeitsschritten:

1. Befüllung einer Brennkammer mit Druckluft und Aufheizung der Brennkammer,

2. Kraftstoffeinspritzung mittels Einspritzdüse,

3. Aufnahme des Druckverlaufs infolge Kraftstoffzündung und Verbrennung,

4. Berechnung der Cetanzahl aus dem gemessenen Zündverzug.

Die Zeit zwischen Kraftstoffeinspritzung und -zündung, d. h. der Zündverzug wird möglichst genau gemessen. Dieser Zündverzug beträgt bei konventionellen Dieselkraftstoffen in einer Konstantvolumen- Apparatur typischerweise 3 bis 10 ms. Durch Messung von Kraftstoffen mit bekannter Cetanzahl unter gleichen Bedingungen kann die Apparatur kalibriert werden.

Die bekannten Konstantvolumen- Apparaturen weisen verschiedene Nachteile auf:

— Die Verwendung von mechanischen oder mechanisch-elektronischen Sensorelementen, die eine Auslösetoleranz von bis zu 2 ms aufweisen können, resultiert in einer man- gelnden Präzision bei der Zündverzugsbestimmung. Durch eine Vielzahl von Messzyklen mit nachfolgender statischer Auswertung versucht man diesen Mangel zu beheben.

— Die Verwendung konventioneller Einspritzdüsen, die bei vergleichsweise geringen Drücken arbeiten, macht das Bestimmungsverfahren gegenüber Änderungen der Ober- flächenspannung von sonst gleichen Kraftstoffproben empfindlich.

— Bei der Verwendung von konventionellen Pumpe-Düsen-Systemen ist die Kraftstoffeinspritzmenge nur ungenau bekannt und kann beträchtlich schwanken. Als Folge davon beobachtet man auch statistische Schwankungen des Zündverzugs.

— Die Verwendung von nichtthermostatisierten Einspritzdüsen verursacht eine Drift der Messergebnisse, bis die Einspritzdüse das thermische Gleichgewicht erlangt hat.

— Bei der Messung mehrerer Kraftstoffproben ist kein automatisierter Versuchsablauf möglich.

— Bei der Kraftstoffförderung von der Ansaugseite bis zur Einspritzdüse weisen die be- kannten Apparaturen konstruktionsbedingt vergleichsweise große Totvolumina auf.

Somit sind für eine Cetanzahl-Bestimmung auch große Probenvolumina erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine bessere und genauere Möglichkeit der Cetanzahlbestimmung mit einer Konstantvolumen- Apparatur zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im unabhängigen Vorrichtungsanspruch angegebene Apparatur und das im unabhängigen Verfahrensanspruch angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der Erfindung wird eine automatisierte Cetanzahlbestimmung mit hoher Genauigkeit und einem Höchstmaß an Reproduzierbarkeit erreicht, wie das bei den bekannten Konstantvolumen-Apparaturen und den damit durchgeführten Verfahren nicht möglich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegende schematische Zeichnung beschrieben, die in Gestalt eines Blockdiagramms eine Apparatur nach der Erfindung zeigt.

Die in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße Apparatur umfasst einen Probengeber 1 zur automatisierten Probenzufuhr, einen ersten Filter 2, eine Förderpumpe 3, einen zweiten, der Förderpumpe nachgeschalteten Filter 4, einen Kraftstoffdruckspeicher 5, ein Hochdruckventil Vl, einen Kühlmantel 6, eine Einspritzdüse 7, eine mit einer Brennkammerheizung 8 ausgestattete Brennkammer 9 mit einem Brennkammerinnenraum 10, ein Abgas ventil V2, einen Druckaufhehmer 11 zum Aufnehmen des Brennkammerin- nendrucks, einen Temperaturregler 12 für die Brennkammer, einen Druckregler 13 für die Brennkammer und einen Rechner 14.

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Die automatisierte Probenzuführung aus dem Probengeber 1 erfolgt, indem aus einem bestimmten Probengefäß Kraftstoff mittels der Förderpumpe 3 angesaugt wird. Dazu wird rechnergesteuert aus einer Vielzahl vorhandener Probengefäße im Probengeber 1 ein Gefäß ausgewählt und die Ansaugleitung zur Förderpumpe in das ausgewählte Probengefäß ein- getaucht. Solche automatisierten Probenzuführungen sind als sogenannte "Autosampier" bekannt und in verschiedensten Ausführungsformen kommerziell erhältlich. Alternativ kann auch ein elektrisch ansteuerbares Schaltventil verwendet werden. Dabei ist die Ansaugleitung der Förderpumpe 3 mittels eines Schaltventils gleichzeitig an mehrere Probengefäße angeschlossen. Über das Schaltventil kann dann rechnergesteuert eine bestimmte Probe angesaugt werden. Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel werden beispielsweise elektrisch angesteuerte HPLC-Eluentenauswahlventile der Firma Rheodyne verwendet.

Der erste Filter 2 dient dazu, die nachfolgende Förderpumpe 3 vor Fehlfunktionen zu schützen. In der Praxis zeigt sich, daß Dieselkraftstoffproben unterschiedliche Schmutzpar- tikel, wie beispielsweise Rost oder Metallabrieb, enthalten können. Alternativ oder zusätzlich kann die in die Krafstoffprobe ragende Ansaugleitung mit einem Feinstfilter (Sinter- metallfilter) ausgestattet werden.

Die Förderpumpe 3 ist eine ein/oder mehrstufige Kolbenverdichterpumpe, wie sie aus der instrumentellen Analytik bekannt ist. Solche in der HP LC- Analytik (HPLC High Performance Liquid Chromatography) gebräuchlichen Kolbenverdichterpumpen sind für die erfindungsgemäße Prüfapparatur geeignet, wenn sie bei einem Arbeitsdruck von mindestens 400 bar eine Flussrate >2 ml/min bereitstellen.

Bevorzugt werden pulsationsarme Doppelkolbenpumpen mit integrierter Druckregelung, die wenigstens 1600 bar Enddruck erzeugen können. Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel wird das Fabrikat "Synova" (Vertrieb über Firma Techlab, Erkerode) verwendet. Die Förderpumpe 3 saugt den Kraftstoff an und erhöht den Druck auf ein für ein Piezo- Einspritzdüse 7 gebräuchliches Niveau, typischerweise 800 bis 2000 bar.

Nicht bevorzugt werden für die erfindungsgemäße Prüfapparatur Hochdruckpumpen, wie sie im Dieselmotorenbau verwendet werden, weil sie ein zu großes Totvolumen aufweisen.

Der zweite Filter 4 soll Schmutzteilchen oder andere Partikel zurückhalten und damit das Einspritzdüse 7 vor Fehlfunktionen schützen. Als Filterelemente kommen vorzugsweise Stahlfiltergewebe in Frage. Vorzugsweise wird ein Kraftstofffilter mit einem geringen Innenvolumen gewählt, so daß das Totvolumen der Druckleitung gering bleibt.

Der Kraftstoffdruckspeicher 5 ist mit einer möglichst kurzen Druckleitung mit der Einspritzdüse 7 verbunden. Das Speichervolumen wird so gewählt, daß genügend Krafstoff für wenigstens einen Einspritzzyklus ohne merklichen Druckabfall bereitgestellt wird. Ein weiteres Optimierungskriterium liegt in der Minimierung des Spülvolumens der Gesamt- apparatur. So wird bei der Vermessung mehrerer Krafstoffproben nach Abschluß der Vermessung einer Kraftstoffprobe die gesamte Apparatur mit der neu zu bestimmenden Kraftstoffprobe gespült. Bei Verwendung eines kleinvolumigen Druckspeichers benötigt man für diesen Spülvorgang weniger Zeit und weniger Spülkraftstoff.

An die Verbindungsleitung zwischen dem Druckspeicher 5 und der Piezo-Einspritzdüse 7 ist ein Hochdruckventil Vl zum Spülen der Apparatur angeschlossen. Es wird rechnergesteuert geöffnet, wenn die Apparatur mit einer neuen Kraftstoffprobe befüllt wird.

Für die Wiederholgenauigkeit der Cetanzahlbestimmung ist es wichtig, daß der Kraftstoff in der Einspritzdüse 7 möglichst bis in die Düsenspitze eine konstante und definierte Temperatur aufweist. Dadurch wird sichergestellt, daß eine Kraftstoffprobe bei wiederholter Einspritzung eine gleichbleibende Viskosität aufweist.

Die Einspritzdüse 7 wird im unteren Teil vorzugsweise bis dicht an die Mehrlochdüsen mit einem selbsttragenden Kühlmantel 6 ummantelt. Der Kühlmantel 6 enthält im Inneren Bohrungen und Hohlräume, die mit einer thermostatisierten Wärmeträgerflüssigkeit, bevorzugt Wasser, druckbeaufschlagt durchflössen werden. Durch diesen Kühlmantel kann die Einspritzdüse 7 trotz heißer Brennkammer auf einer definierten Temperatur gehalten werden. Der Kühlmantel ist mechanisch lösbar mit der Brennkammer verbunden, und die Einspritzdüse 7 ist mit dem Kühlmantel 6 lösbar verbunden.

Die Einspritzdüse 7 ist ein handelsüblicher piezoelektrischer Injektor mit einer Mehrlochdüse für den Einsatz in Dieselmotoren. Der Piezo-Injektor zerstäubt unter Hochdruck den

Kraftstoff in die Brennkammer 9. Der Einspritzdruck beträgt je nach gewählten Versuchsbedingungen zwischen 400 und 2000 bar.

Mittels solcher Piezo-Injektoren ist es möglich, zu einem bestimmten Zeitpunkt über eine definierte Zeitdauer eine genau definierte Kraftstoffmenge unter hohem Druck zu verstäuben.

Dien Einspritzdüse 7 ist mit dem Rechner 14 verbunden. Dieser enthält einen Signal gene- rator mit nachgeschalteter analoger Präzisions-Stromendstufe, um dem Piezo-Iηjektor beim Einspritzvorgang eine definierte Ladungsmenge aufzuprägen.

Der zylindrischen Brennkammer 9 ist eine vorzugsweise als elektrische Widerstandsheizung ausgebildete Brennkammer 8 zugeordnet, die eine gleichmäßige Beheizung der gesamten Zylinderwandung sicherstellen soll.

Die elektrische Heizung ist mit einer äußeren Wäremisolation umgeben, um die Wärmeverluste der Apparatur zu minimieren.

Die elektrische Brennkammerheizung 8 ist mit einem autonom arbeitenden elektronischen Temperaturregler 12 verbunden, der einen elektrischen Leistungssteiler enthält. Der Temperaturregler 12 besitzt ein oder mehrere Temperatursensoren, die die Ist-Temperatur im Brennkammerinnenraum und/oder in der Brennkammerwand feststellen. Durch diesen autonom arbeitenden Regelmechanismus kann die Lufttemperatur im Brennkammerinnenraum auf eine vorbestimmte feste Temperatur mit einer Toleranz <1°C eingestellt werden.

Der Temperaturregler 12 ist mit dem Rechner 14 verbunden, der den Sollwert übermittelt und die Ist-Werte abfragt.

Die zylindrische druckfeste Brennkammer 9 hat ein Innenvolumen von 500 bis 1200 ml, vorzugsweise von 600 bis 800 ml.

AIs Werkstoffe für die Brennkammer eignen sich warmfeste, aufkohlungsbeständige Stähle, die den vollen möglichen Arbeitsbereich der Prüfapparatur wie den Kammerdruck von 10 bis 100 bar und die Lufttemperatur von 300 bis 730°C abdecken.

Die Brennkammer besteht wahlweise aus den Untereinheiten zylindrischer Brennkammertopfund lösbarer, kreisförmiger Bodenplatte, oder Brennkammerzylinder und lösbarer, kreisförmiger Kopf- und Bodenplatte.

Der Brennkammerinnenraum 10 ist über das rechnergesteuerte Abgasventil V 2 mit der Atmosphäre verbunden. Es wird zum Ende eine Messzyklus geöffnet, um die Verbrennungsabgase abzulassen.

Beim Befüllen der Brennkammer mit Druckluft erfolgt die Druckregelung mittels eines autonom arbeitenden Druckreglers 13, der vom Rechner 14 den Sollwert erhält und den Ist-Wert dem Rechner zurückübermittelt.

Eine hochdynamischer Quarz-Druckaufhehmer 11 zur Registrierung schneller Druckanstiege ist wahlweise brennraumbündig oder zurückversetzt mit dem Brennkammerinnenraum 10 verbunden. Der Druckaufnehmer 11 dient zur Bestimmung des Zeitpunkts der Kraftstoffzündung und ist mit dem Rechner 14 verbunden. Dieser enthält einen Tran- sientrecorder mit Vorverstärker zur Signalkonditionierung des Ladungssignals des Quarz- Druckaufnehmers. Dabei wird die aus den Komponenten Quarz-Druckaufnehmer - Vorverstärker - Transientenrecorder bestehende Messkette so aufeinander abgestimmt, daß bei der Digitalisierung des Drucksignals eine Zeitauflösung von vorzugsweise besser als 10 μs erreicht wird. Der Druckaufnehmer 11 besitzt einen Kühlmantel, der von Wärmeträgerflüssigkeit, vorzugsweise Wasser durchflössen wird.

Alle Arbeits- und Messschritte eines Messzyklus werden mittels Software durch den Rechner 14 gesteuert und laufen automatisiert ab.

Bei der Apparatur werden die hochdruckseitigen Verbindungsleitungen vom Auslaß der Förderpumpe 3 bis zum Einlaß der Einspritzdüse 7 vorzugsweise mit druckfesten Edelstahlkapillarleitungen ausgeführt, wie sie in der HPLC -Technik üblich sind. Dadurch

wird das Totvolumen gering gehalten. Alle kraftstoffberührenden Teile einschließlich Probengeber 1 und Förderpumpe 3 können auch gesondert thermostatisiert werden. Dadurch ist eine Cetanzahl-Bestimmung auch bei viskosen Dieselkraftstoffen, wie beispielsweise Pflanzenölen, möglich.

Die beschriebene erfindungsgemäße Apparatur weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf:

— Eine Cetanzahl-Bestimmung ist auch bei geringen Probenmengen möglich, weil die Apparatur nur ein geringes Totvolumen aufweist.

— Wegen der Anwendung der hohen Einspritzdrücke haben unterschiedliche Oberflächenspannungen bei sonst gleichen Kraftstoffproben keine störenden Auswirkungen.

— Es ist ein automatisierter unbeaufsichtigter Betrieb möglich.

— Durch exakte Kontrolle der Kraftstofftemperatur, der Brennkammerinnentemperatur und des Brennkammerinnendrucks, des Einspritzzeitpunkts und der Einspritzdauer erhält man sehr gute Präzision und Wiederholbarkeit bei der Cetanzahl-Bestimmung.

Zu den typischen gewerblichen Anwendungsgebieten der erfindungsgemäßen Apparatur gehören beispielsweise

— die kontinuierliche Cetanzahl-Bestimmung bei der Herstellung von Raffinerieerzeug- nissen,

— die Cetanzahl-Bestimmung von Mitteldestillaten in Auftragslaboratorien,

— die Cetanzahl-Bestimmung von Sonderkraftstoffen, wie beispielsweise GTL- Kraftstoffen,

— die Cetanzahl-Bestimmung von Mischungen aus fossilem Dieselkraftstoff und bioge- nen Kraftstoffen,

— die Untersuchung der Wirkung von Kraftstoffaditiven, wie beispielsweise Zündbe- schleunigem,

— Untersuchungen in Schadensfällen, wenn nur geringe Kraftstoffmengen zur Verfügung stehen.

Die automatisierte Bestimmung der Cetanzahl mittels einer Apparatur nach der Erfindung erfolgt im wesentlichen mit folgenden Verfahrensschritten:

Sl : Auswahl einer Kraftstoffprobe. Im Rechner 14 ist eine Liste aller Kraftstoffproben und deren Lagerplätze im Probengeber 1 gespeichert. Programmgesteuert wird eine Probe ausgewählt und die Ansaugleitung der Förderpumpe 3 rechnergesteuert mit dem Lagerplatz dieser Probe verbunden.

S2: Befüllung der Apparatur mit Kraftstoff. Bei geöffnetem Hochdruckventil Vl saugt die Förderpumpe 3 die gewählte Probe an und fördert so lange, bis das Leitungsvo- lumen gespült ist. Anschließend wird das Hochdruckventil Vl wieder geschlossen.

Zusätzlich kann es anschließend erforderlich sein, die Einspritzdüse 7 mit Drücken

< 50 bar durchzuspülen.

S3: Kraftstoff-Druckaufbau. Die Förderpumpe 3 erhält vom Rechner 14 den Einspritz- druck-Sollwert, der dann autonom angefahren wird.

S4: Einstellung eines definierten Luftdrucks in der Brennkammer. Der Luftdruck 13 erhält vom Rechner 14 den Luftdruck-Sollwert im Brennkammerinnenraum 10. Bei geschlossenem Abgasventil V2 wird dieser dann autonom eingestellt.

S5: Einstellung einer definierten Brennkammerinnenraum-Temperatur. Der Temperaturregler 12 erhält vom Rechner 14 den Temperatur-Sollwert für den Brenn- kammrinnenraum 10. Dieser wird dann autonom eingestellt.

S6: Bestimmung der Zündverzugszeit. Der Rechner 14 überprüft durch Abfrage der autonom arbeitenden Regelorgane (Förderpumpe 3, Temperaturregler 12 und Druckregler 13), ob alle Soll-Werte innerhalb vordefinierter Grenzen eingehalten werden. Anschließend wird durch den Rechner 14 der Einspritzvorgang ausgelöst. Dabei wird ein definiertes Stromsignal so an die als Piezo-Injektor ausgebildete Einspritzdüse 7 geschickt, daß die Einspritzdauer und der Ventilhub vorgegebene Werte erreichen.

Der zeitliche Beginn der Einspritzung wird durch den Rechner aufgezeichnet. Gleichzeitig registriert der Rechner 14 über den Druckaufhehmer 11 den zeitlichen Druckverlauf im Brennkammerinnenraum 10. Die Zeitdifferenz zwischen Einspritzbeginn und Beginn des Druckanstiegs wird als Zündverzugszeit zur Berech- nung der Cetanzahl herangezogen.

S7: Abblasen des Abgases. Der Rechner 14 unterbricht über den Druckregler 13 die Gaszufuhr zum Brennkammerinnenraum 10 und öffnet das Abgasventil V2.

Die Schritte S3 bis S7 werden wenigstens einmal wiederholt. Aus den Einzelergebnissen wird dann eine mittlere Cetanzahl für eine Kraftstoffprobe berechnet. Danach wird, beginnend mit der Auswahl einer neuen Kraftstoffprobe, der beschriebene Verfahrensablauf wiederholt.

Die dargestellten Verfahrensschritte werden sequentiell ausgeführt. Ein Teil der Verfah- rensschritte wie beispielsweise die Schritte S3, S4 und S5, können auch zeitlich parallel ausgeführt werden.