"Green" Microemulsions and Nanoemulsions as Alternative Fuels

Dr. Setareh Maleknia, 2014

Die Verbrennung von wasserhaltigen Diesel-Krafstoffen bewirkt eine simultane Reduktion der Ruß- sowie der NOx -Emissionen, d.h. sie vermeiden partiell den sogenannten Ruß-NOx trade-off. Bereits 2003 wurden von Nawrath et al. die Vorteile der Anwendung von mikroemulgierten Kraftstoffen zum Patent angemeldet [DE 10334897A13]. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue, temperaturinvariante, hoch effiziente Kraftstoff-Mikroemulsionen des Typs Wasser/Gefrierschutzmittel - Dieselkraftstoff - Ölsäure/Monoethanolamin/Ölsäure-diethanolamid mit Wasseranteilen von bis zu 24 Gew.% formuliert, die geeignete physikalische Eigenschaften für die kommerzielle Anwendung aufweisen. Die Struktur dieser Wasser-in-Kraftstoff Mikroemulsionen wurde mittels Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) und dynamischer Lichtstreuung (DLS) untersucht. Im Hinblick auf eine Mikroemulgierung kurz vor der Einspritzung wurde die Bildungskinetik von mikroemulgierten Kraftstoffen bei einer Variation des Wassergehaltes und der Temperatur mittels Durchlicht in einer Stopped-Flow Basiseinheit aufgezeichnet. Es stellte sich heraus, dass sich die Mikroemulsionen unter annähernd realen Verbrennungsbedingungen aufgrund von höheren Temperatur- und Druckbedingungen  sogar  schneller  bilden.  Unerwarteterweise  wurden  bei den Untersuchungen  der  Mikroemulsions-Formulierungen  neuartige  Wasser-in-Kraftstoff Nanoemulsionen (? 200 nm) erzielt, die eine erhebliche Reduzierung des Tensidgehaltes aufweisen; ein interessanter ökonomischer Aspekt. Beide untersuchten Kraftstoff-Klassen eignen sich für ein betriebspunktabhängiges „On Injector“-Blending von Wasser-(einschließlich Anti-Korrosions Additiv und Schmiermittel) und Diesel- (einschließlich Tensid-Mischung) Strömen Millisekunden vor der Einspritzung in den Brennraum. Dieses Verfahren vermeidet zusätzlich die Kontaminierung des Einspritzsystemsystems mit Wasser, da nur solche Wassermengen zugefügt werden, welche sofort eingespritzt werden. Abgasemissionen, Ruß-Struktur und -Größenverteilung von wasserhaltigen Kraftstoffen wurden im Vergleich zu purem Dieselkraftstoff analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwendung von betriebspunktabhängigen wasserhaltigen Kraftstoffen zu einer drastischen Reduktion des Rußes von bis zu 98 % (FSN) sowie der Stickoxide von bis zu 62 % führt.