On the Phase Behavior, Structure and Emissions of Water - Fuel Microemulsions

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Wasser – Kraftstoff Gemische reduzieren schädliche Rohemissionen in Verbrennungs-
motoren. Dabei sind Mikroemulsionen gewöhnlichen Emulsionen aufgrund ihrer thermodyna-
mischen Stabilität und der Verteilung des Wassers auf der Nanoskala überlegen. Strey und
Mitarbeiter zeigten bereits 2003 in einer Patentanmeldung [DE10334897A1] den Nutzen von
bikontinuierlich strukturierten Mikroemulsionen bei der Verbrennung in Dieselmotoren auf.
In der vorliegenden Arbeit wurden Kraftstoffmikroemulsionen des Typs Wasser/Gefrier-
schutzmittel – Kraftstoff – Ölsäure/Ethanolamin/Ölsäurediethanolamid mit Wasseranteilen
von bis zu 40 Gew.-% formuliert, die ein temperaturinvariantes Phasenverhalten aufweisen.
Emissionen von Dieselmotoren, besonders Schwarzruß und NOX, wurden als Funktion des
Wassergehaltes untersucht. Durch die Verwendung von vollständig verbrennbaren, günstigen
und aus Biomasse gewonnenen Tensiden, konnten Dieselmikroemulsionen im Hinblick auf
Emissionen, zukünftige Preisentwicklung und Nachhaltigkeit optimiert werden. Des Weiteren
erlaubte die Solubilisierung von Wasser in marinem Gasöl (MGO) eine Ausdehnung der
Anwendung auf den heavy duty-Bereich von marinen off-shore-Energiegeneratoren.
Schließlich wurden mit dem neuen Gas-to-Liquid Kraftstoff (GtL) ein vollständig
erneuerbarer und sauberer Mikroemulsionskraftstoff formuliert. Die Struktur optimaler
Wasser – Kraftstoffmikroemulsionen wurde mittels Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS),
dynamischer Lichtstreuung (DLS), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und
Kernmagnetresonanz (NMR-) Diffusometrie sowie Messungen der elektrischen Leitfähigkeit
untersucht und nachgewiesen. Gemeinsam ergaben diese sich gegenseitig ergänzenden
Techniken ein in sich konsistentes Bild einer bikontinuierlichen Struktur. Mit der
vorliegenden Arbeit gewinnt man ein tiefes Verständnis von Kraftstoffmikroemulsionen mit
einer Einordnung der Eigenschaften in den wissenschaftlichen Kontext. In Zusammenarbeit
mit den heavy-duty-Motorenbauern mtu und MAN konnte eine simultane und drastische
Reduktion des Schwarzrußes um bis zu 96 % sowie der Stickoxide um bis zu 60 %, mehr als
bisher je erreicht, nachgewiesen werden bei gleichzeitigem Rückgang des spezifischen
Verbrauchs.