Untersuchung des Abgasverhaltens bezüglich der gesetzlich nicht limitierten Schadstoffe Aldehyde & Ketone bzw. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
Sowie die Beurteilung des Betriebsverhaltens eines 3-Zylinder-Schlepper-Dieselmotors beim Betrieb mit verschiedenen Pflanzenölmethylestern unter Einbeziehung der Oxidationskatalysatortechnologie
©1997
Studienarbeit
119 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Aufgrund der abzusehenden Ressourcenerschöpfung von Kraftstoffen auf Mineralölbasis sowie deren erheblichem Beitrag zum Treibhauseffekt bei der Verbrennung werden vielfältige Untersuchungen angestrebt, Dieselmotoren mit Pflanzenölkraftstoffen zu betreiben.
In der vorliegenden Arbeit wird das Betriebs- und Emissionsverhalten eines direkteinspritzenden Dieselmotors beim Betrieb mit unterschiedlichen Pflanzenölmethylestern untersucht. Es sind dies im einzelnen Sojamethylester, Kokosmethylester und Palmkernmethylester. Die Versuche wurden an einem aufgeladenen, direkteinspritzenden 3-Zylinder-Dieselmotor vom Typ MWM TD 226B-3 durchgeführt.
Grundlage für die vergleichenden Untersuchungen ist die ISO/DIS 8178-4, nach welcher der Motor in einem 5-Stufen-Test betrieben wurde. Während der Abfolge von 5 definierten Last-Drehzahl-Kombinationen wurde neben den Betriebsdaten auch die Konzentration der gesetzlich limitierten, gasförmigen Abgasbestandteile Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide sowie die Schwärzungszahl nach Bosch als Anhaltspunkt für die Partikelemission protokolliert.
Hauptinhalt ist jedoch die Abgasprobennahme zum Zweck der Ermittlung der Emissionen der nicht limitierten Abgaskomponenten polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoff PAH sowie Aldehyde & Ketone. Hierfür wurden spezielle Probenahmevorrichtungen zur Verfügung gestellt. Die von der Arbeitsgruppe Organische Chemie durchgeführte nasschemische Analyse lieferte Ergebnisse, welche in geeigneter Form aufbereitet wurden. Die Wirksamkeit eines Oxidationskatalysators auf den Schadstoffausstoß wurde mituntersucht.
Alle gewonnenen Ergebnisse für Betriebsverhalten, Schadstoffkonzentrationen und spezifische Schadstoffemissionen wurden rechnerisch und graphisch ausgewertet sowie in übersichtlicher Form dargestellt.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung1
2.Theoretische Grundlagen2
2.1Der vollkommene Dieselmotor2
2.2Der reale Motor3
2.3Gemischbildung im Dieselmotor4
2.3.1Luftverteilende Einspritzung5
2.3.1.1Direkteinspritzung5
2.3.1.2Indirekte Einspritzung6
2.3.2Wandverteilende Einspritzung8
2.4Verbrennung im Dieselmotor9
2.4.1Brennverlauf10
2.5Aufladung11
2.5.1Fremdaufladung, mechanische Aufladung11
2.5.2Abgasturboaufladung12
2.5.3Aufladung durch Druckschwingungen13
2.5.3.1Comprex-Aufladung15
3.Abgasverhalten des Dieselmotors18
3.1Abgaszusammensetzung18
3.2Betrachtete Schadstoffe der unverbrannten […]
Aufgrund der abzusehenden Ressourcenerschöpfung von Kraftstoffen auf Mineralölbasis sowie deren erheblichem Beitrag zum Treibhauseffekt bei der Verbrennung werden vielfältige Untersuchungen angestrebt, Dieselmotoren mit Pflanzenölkraftstoffen zu betreiben.
In der vorliegenden Arbeit wird das Betriebs- und Emissionsverhalten eines direkteinspritzenden Dieselmotors beim Betrieb mit unterschiedlichen Pflanzenölmethylestern untersucht. Es sind dies im einzelnen Sojamethylester, Kokosmethylester und Palmkernmethylester. Die Versuche wurden an einem aufgeladenen, direkteinspritzenden 3-Zylinder-Dieselmotor vom Typ MWM TD 226B-3 durchgeführt.
Grundlage für die vergleichenden Untersuchungen ist die ISO/DIS 8178-4, nach welcher der Motor in einem 5-Stufen-Test betrieben wurde. Während der Abfolge von 5 definierten Last-Drehzahl-Kombinationen wurde neben den Betriebsdaten auch die Konzentration der gesetzlich limitierten, gasförmigen Abgasbestandteile Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide sowie die Schwärzungszahl nach Bosch als Anhaltspunkt für die Partikelemission protokolliert.
Hauptinhalt ist jedoch die Abgasprobennahme zum Zweck der Ermittlung der Emissionen der nicht limitierten Abgaskomponenten polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoff PAH sowie Aldehyde & Ketone. Hierfür wurden spezielle Probenahmevorrichtungen zur Verfügung gestellt. Die von der Arbeitsgruppe Organische Chemie durchgeführte nasschemische Analyse lieferte Ergebnisse, welche in geeigneter Form aufbereitet wurden. Die Wirksamkeit eines Oxidationskatalysators auf den Schadstoffausstoß wurde mituntersucht.
Alle gewonnenen Ergebnisse für Betriebsverhalten, Schadstoffkonzentrationen und spezifische Schadstoffemissionen wurden rechnerisch und graphisch ausgewertet sowie in übersichtlicher Form dargestellt.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung1
2.Theoretische Grundlagen2
2.1Der vollkommene Dieselmotor2
2.2Der reale Motor3
2.3Gemischbildung im Dieselmotor4
2.3.1Luftverteilende Einspritzung5
2.3.1.1Direkteinspritzung5
2.3.1.2Indirekte Einspritzung6
2.3.2Wandverteilende Einspritzung8
2.4Verbrennung im Dieselmotor9
2.4.1Brennverlauf10
2.5Aufladung11
2.5.1Fremdaufladung, mechanische Aufladung11
2.5.2Abgasturboaufladung12
2.5.3Aufladung durch Druckschwingungen13
2.5.3.1Comprex-Aufladung15
3.Abgasverhalten des Dieselmotors18
3.1Abgaszusammensetzung18
3.2Betrachtete Schadstoffe der unverbrannten […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 7997
Achilles, Peter: Untersuchung des Abgasverhaltens bezüglich der gesetzlich nicht limitierten
Schadstoffe Aldehyde & Ketone bzw. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH)
sowie die Beurteilung des Betriebsverhaltens eines 3-Zylinder-Schlepper-Dieselmotors... -
...beim Betrieb mit verschiedenen Pflanzenölmethylestern (PME) unter Einbeziehung der
Oxidationskatalysatortechnologie
Hamburg: Diplomica GmbH, 2004
Zugl.: Universität Kaiserslautern, Studienarbeit, 1997
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http://www.diplom.de, Hamburg 2004
Printed in Germany
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Theoretische Grundlagen 2
2.1 Der vollkommene Dieselmotor 2
2.2 Der reale Motor 3
2.3 Gemischbildung im Dieselmotor 4
2.3.1 Luftverteilende Einspritzung 5
2.3.1.1 Direkteinspritzung 5
2.3.1.2 Indirekte Einspritzung 6
2.3.2 Wandverteilende Einspritzung 8
2.4 Verbrennung im Dieselmotor 9
2.4.1 Brennverlauf 10
2.5 Aufladung 11
2.5.1 Fremdaufladung, mechanische Aufladung 11
2.5.2 Abgasturboaufladung 12
2.5.3 Aufladung durch Druckschwingungen 13
2.5.3.1 Comprex-Aufladung 15
3 Abgasverhalten des Dieselmotors 18
3.1 Abgaszusammensetzung 18
3.2 Betrachtete Schadstoffe der unverbrannten Kohlenwasserstoffe 26
3.2.1 Entstehung von Aldehyden & Ketonen sowie polyzyklischen
aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) in Verbrennungs-
motoren 26
3.2.2 Aldehyde & Ketone 27
3.2.3 Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe 30
3.3 Abgasnachbehandlung 38
4 Kraftstoffe 41
4.1 Dieselkraftstoff 41
4.2 Pflanzenöle als Kraftstoffe 44
4.3 Umesterung von Pflanzenölen am Beispiel von Rapsöl 49
4.4 Soja(ME-SJ)-, Palmkern(ME-PK)- und Kokos(ME-K)-Methylester 53
5 Versuchsaufbau 56
5.1 Dieselmotor MWM TD 226B-3 56
5.2 Prüfstandsaufbau 58
5.3 Abgasmeßanlage 60
5.3.1 Nichtdispersiver Infrarot-Absorptions-Analysator (NDIRA) 60
5.3.2 Chemilumineszenz-Analysator (CLA) 63
5.3.3 Magnetischer Sauerstoff-Detektor 64
5.3.4 Flammenionisationsdetektor (FID) 66
5.3.5 Dieselrauchmeßgerät 67
5.4 Meßwertaufnehmer 67
5.4.1 Temperaturmessung 67
5.4.2 Druckmessung 68
5.4.3 Volumen- und Massenstrommessung 68
Inhaltsverzeichnis
6 Versuchsdurchführung 70
6.1 Prüfverfahren : Der 5-Stufen-Test 70
6.2 Probennahme und Analyseverfahren 72
6.2.1 Bestimmung von Aldehyden und Ketonen 72
6.2.2 Bestimmung von polyzyklischen aromatischen
Kohlenwasserstoffen (PAH) 78
6.3 Inbetriebnahme 83
7 Ergebnisse 85
7.1 Aldehyde & Ketone 85
7.2 Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH) 97
7.3 Betriebsverhalten 107
8 Zusammenfassung 109
9 Literatur 111
Kapitel 1 : Einleitung__________________________________________________________________________
1
1 Einleitung
Die weltweite Zunahme des Kraftfahrzeugverkehrs stellt Forschung und Entwicklung
vor die Aufgabe, die Emission von Schadstoffen drastisch zu reduzieren. Unter den
vielen bereits existierenden Konzepten zur Emissionsminderung haben die Pflan-
zenöl-Motor-Konzepte in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen,
da im Hinblick auf die immer knapper werdenden Weltölreserven Pflanzenkraftstoffe,
als nachwachsende Rohstoffe, eine echte Alternative zu den fossilen Energieträgern
darstellen. Auch bieten sie bezüglich des Schadstoffanteils ihrer Abgase einige be-
merkenswerte Vorzüge gegenüber herkömmlichem Dieselkraftstoff.
Die Idee, Pflanzenöle als Kraftstoffe für Dieselmotoren einzusetzen, ist so alt wie der
Dieselmotor selbst. Schon Rudolf Diesel betrieb seine ersten Motoren unter anderem
auch mit Pflanzenöl und stellte bereits auf der Pariser Weltaustellung 1900 einen
kleinen mit Erdnußöl betriebenen Dieselmotor aus [14].
Da bei den heutigen Dieselmotoren der Dauerbetrieb mit rohem Pflanzenöl zu Prob-
lemen führt, können sie nur in speziell hierfür entwickelten Motoren eingesetzt wer-
den. Für den Einsatz in herkömmlichen Dieselmotoren werden Pflanzenöle daher mit
Hilfe eines chemischen Prozesses, der Umesterung, an den Motor angepaßt. Diese
Kraftstoffe werden als Pflanzenölmethylester (PME) bezeichnet.
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Betrieb eines Dieselmotors mit PME, insbesondere
das Abgasverhalten, näher untersucht. Als Kraftstoffe kommen Soja-Methylester
(ME-SJ), Palmkern-Methylester (ME-PK) und Kokos-Methylester (ME-K) zum Ein-
satz. Die Untersuchung des Abgas-Emissionsverhaltens beschränkt sich hauptsäch-
lich auf die gesetzlich nicht-limitierten Schadstoffe wie Aldehyde & Ketone sowie po-
lyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH). Diese sind zwar nur in geringer
Konzentration im Abgas enthalten, werden aber zum Teil als besonders gesund-
heitsschädigend eingestuft. Die Abgasmessungen werden sowohl mit als auch ohne
Oxidationskatalysator durchgeführt, wodurch das Emissionsminderungspotential ei-
nes Oxidationskatalysators bezüglich dieser Schadstoffe mituntersucht wird.
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
2
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Kreisprozeß des vollkommenen Dieselmotors
Um einen Motorenprozeß unabhängig von einem Großteil der verschiedenen
Einflußparameter untersuchen zu können, wird üblicherweise von einem ,,vollkom-
menen Dieselmotor" ausgegangen. Der vollkommene Dieselmotor hat zwar die glei-
chen geometrischen Abmessungen wie der wirkliche Motor, jedoch werden folgende
vereinfachende Annahmen getroffen:
1. Der Motor arbeitet mit reiner Ladung (ohne Restgase).
2. Das Luftverhältnis ist das gleiche wie beim wirklichen Motor.
3. Es findet eine vollständige Verbrennung statt.
4. Der Verbrennungsablauf ist vorgegeben (teilweise isochor und teilweise isobar).
5. Der Motor hat wärmedichte Wandungen.
6. Strömungs-, Lässigkeits-, Ladungswechselverluste sowie mechanische Verluste
werden vernachlässigt.
Als Arbeitsstoff wird ein ideales Gas angenommen, wobei jedoch die Temperaturab-
hängigkeit der spezifischen Wärmekapazitäten und die Änderung der Gaszusam-
mensetzung während der Verbrennung berücksichtigt werden.
In Bild 2.1 ist der Kreisprozeß des vollkommenen Dieselmotors dargestellt. Luft wird
zunächst isentrop verdichtet (1
2). Die gesamte Kraftstoffeinspritzung erfolgt im
Punkt 2 und wird direkt von der Verbrennung gefolgt (2
3´). Die Verbrennung ist,
gemäß dem Seiligerprozeß, in einen Gleichraumanteil (2
3) und einen Gleichdruck-
anteil (3
3´) aufgespalten. Anschließend folgt die isentrope Expansion des Abgases
(3´
4). Da es sich hier um einen offenen Vergleichsprozeß handelt, ist der La-
dungswechsel (4
1) nicht als Zustandsänderung im p,V-Diagramm eingezeichnet.
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
3
Bild 2.1 Prozeß des vollkommenen Dieselmotors [1]
2.2 Der reale Motor
Aufgrund der auftretenden inneren sowie mechanischen Verluste reduzieren sich
beim wirklichen Motor die Ausbeute an mechanischer Arbeit und somit auch der
Wirkungsgrad. Zu den inneren Verlusten werden folgende Verluste gezählt:
1. Bei der Verbrennung entstehen Verluste durch die Abweichung des wirklichen
Verbrennungsablaufes von dem des vollkommenen Motors.
2. Der Kraftstoff verbrennt nur unvollständig.
3. Durch den Wärmeübergang an den Brennraumwänden entstehen Wand-
Wärmeverluste.
4. Durch Undichtigkeiten, hauptsächlich an den Kolbenringen (blow-by-Verluste),
treten sogenannte Lässigkeitsverluste auf.
5. Durch Strömungswiderstände im Ansaug- und Abgassystem werden Ladungs-
wechselverluste hervorgerufen.
6. Ein weiterer Verlust, der sich allerdings weniger auf den Wirkungsgrad auswirkt,
sondern vielmehr auf den Frischluftgrad Einfluß nimmt, ist der Verlust durch un-
vollständige Restgasausspülung.
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
4
In Bild 2.2 ist ein Gleichraumdiagramm zusammen mit einem Indikatordiagramm ei-
nes Viertakt-Ottomotors dargestellt. Aus dem Indikatordiagramm können die Verluste
gegenüber dem idealisierten Vergleichsprozeß herausgelesen werden.
Bild 2.2 Indikatordiagramm eines Viertakt-Ottomotors und Gleichraumdiagramm
[2]
Bei den mechanischen Verlusten wird zwischen Reibungsverlusten und den Verlus-
ten für den Antrieb der Hilfsantriebe und Nebenaggregate (Ventiltrieb, Ölpumpe,
Kühlmittelpumpe etc.) unterschieden. Reibungsverluste entstehen hauptsächlich an
Kolben, Kolbenringen, Lagern und Zahnrädern.
2.3 Gemischbildung im Dieselmotor
Eine möglichst gute Durchmischung von Kraftstoff mit Luft (Gemischbildung) muß
angestrebt werden, um eine zügige und vollständige Verbrennung zu gewährleisten.
Im Gegensatz zum Ottomotor findet beim Dieselmotor die Gemischbildung erst im
Zylinder statt. Der Brennstoff wird gegen Ende der Verdichtung durch eine Einspritz-
düse direkt in den Brennraum eingespritzt. Bei gleicher Drehzahl steht beim Diesel-
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
5
motor für Einspritzung, Gemischbildung, Zündung und Verbrennung weniger Zeit als
beim Ottomotor zur Verfügung, wodurch der Aufwand bei der Gemischbildung im
Dieselmotor stark erhöht wird. Beim Dieselmotor werden zwei Methoden der Ge-
mischbildung unterschieden:
1. Luftverteilende Einspritzung: Der Kraftstoff wird möglichst fein zerstäubt in die
Luft eingespritzt. Dabei ist eine einigermaßen gleichmäßige Verteilung des Kraftstof-
fes über den gesamten Brennraum anzustreben.
2. Wandverteilende Einspritzung: Der Kraftstoff wird auf die Brennraumwand ge-
spritzt, wo er sich zu einem zusammenhängenden Flüssigkeitsfilm ausbreitet, bis er
schließlich nach und nach verdampft.
2.3.1 Luftverteilende Einspritzung
Zur luftverteilenden Einspritzung gibt es zwei Verfahren:
1. Direkteinspritzung
2. Kammereinspritzung
2.3.1.1 Direkteinspritzung
Der Kraftstoff wird unter hohem Druck (Düsenöffnungsdruck etwa 200 bar) aus einer
zentral im Zylinderkopf angeordneten Mehrlochdüse mit bis zu 12 Bohrungen in den
Brennraum eingespritzt. Der in den Kolben gelegte Brennraum wird als Mulde aus-
gebildet (Bild 2.3). Zur Unterstützung der Kraftstoffverteilung auf den gesamten
Brennraum, wird die Luft, durch entsprechende Gestaltung der Einlaßorgane, in eine
Drehbewegung versetzt.
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
6
Bild 2.3 Direkteinspritzung [2]
Die Vorteile der Direkteinspritzung sind:
1. Niedriger spezifischer Kraftstoffverbrauch, da die Strömungs- und Wärmeverluste
gering sind.
2. Niedrige thermische Belastung der Brennraumwände.
3. Zum Anlassen ist kein Vorglühen notwendig.
Die Direkteinspritzung hat folgende Nachteile:
1. Der steile Druckanstieg mit hohem Spitzendruck verursacht starke mechanische
Beanspruchung und harte Verbrennungsgeräusche.
2. Die Zylinderfüllung verschlechtert sich bei hohen Drehzahlen, da die Ansaugwege
so gestaltet sein müssen, daß auch schon bei niedrigen Drehzahlen ein starker
Luftwirbel entsteht.
3. Der Motor ist kraftstoffempfindlich, da der Zündverzug klein sein muß.
2.3.1.2 Indirekte Einspritzung
Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt in einen abgeschnürten Teil des Brennraums. Bild
2.4 zeigt ein Vorkammer- und ein Wirbelkammerverfahren. Der Kraftstoff wird unter
einem niedrigeren Druck als bei der direkten Einspritzung durch eine Zapfendüse
(Düsenöffnungsdruck etwa 100 bar) mäßig zerstäubt. Die Selbstzündung findet in
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
7
der Kammer statt. Durch die dabei auftretende Druckerhöhung findet ein Überströ-
men des noch unverbrannten Kraftstoffes in den im Arbeitszylinder befindlichen
Hauptbrennraum statt. Dabei bilden sich viele kleine ungeordnete Wirbel aus, die zur
weiteren Vermischung von Kraftstoff und Luft im Hauptbrennraum notwendig sind.
Beim Wirbelkammerverfahren liegt der Überströmkanal exzentrisch zur Kammer. So
entsteht beim Verdichtungshub ein Luftwirbel in der meist kugelförmigen Kammer.
Bild 2.4 Indirekte Einspritzung [2]
Die Indirekte Einspritzung weist folgende Vorteile auf:
1. Durch den flacheren Druckanstieg mit niedrigerem Spitzendruck als bei der direk-
ten Einspritzung ist die mechanische Belastung der betroffenen Bauteile geringer
und das Verbrennungsgeräusch weicher.
2. Der Zündverzug ist kurz, bedingt durch die hohe Temperatur in der Kammer. Da-
durch ist der Motor kraftstoffunempfindlich.
3. Einspritzpumpe und Düsen werden mechanisch nicht so stark belastet, da der
Einspritzdruck niedriger ist als bei der Direkteinspritzung.
4. Bei Motoren mit großem Drehzahlbereich ist die Zylinderfüllung besser, da im Ge-
gensatz zur Direkteinspritzung kein Luftwirbel beim Ansaugen erzeugt werden
muß.
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
8
Nachteilig bei der indirekten Einspritzung sind:
1. Strömungsverluste im Überströmkanal und Wandwärmeverluste, bedingt durch
die relativ große Brennraumoberfläche, äußern sich in einem höheren spezifi-
schen Kraftstoffverbrauch.
2. Hohe thermische Belastung des Kolbenbodens und der Kammermündung durch
den bei der Verbrennung ausschießenden Gasstrahl.
3. Zum Anlassen ist ein Vorglühen notwendig.
2.3.2 Wandverteilende Einspritzung
Der Kraftstoff wird in eine kugelförmige Brennraummulde im Kolben eingespritzt (Bild
2.5). Die Einspritzung durch eine Einlochdüse erfolgt in Richtung des Luftwirbels, der
beim Ansaugen im Drallkanal entsteht. Der Kraftstoff breitet sich, unterstützt durch
den Luftwirbel, auf der Brennraumwand aus. Ein Teil des Kraftstoffes erreicht nicht
die Brennraumwand, sondern gelangt fein zerstäubt in die heiße Brennraumluft und
entzündet sich. Der Luftwirbel, der noch während der Verbrennung erhalten bleibt,
sorgt für die schichtweise Verdampfung des Kraftstoffes von der Brennraumwand.
Der Kraftstoffdampf vermischt sich mit Luft und verbrennt. Da die leichteren, heißen
Verbrennungsgase, aufgrund der Rotation ins Wirbelzentrum gedrängt werden, liegt
stets genügend frischer Sauerstoff zur Verbrennung vor. Dieses Verfahren weist ei-
nen günstigen Brennverlauf auf. Der Motor läuft weich wie ein Kammermotor, ohne
Erhöhung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs, der sich beim Kammermotor durch
die Überströmverluste ergibt. Dieses Gemischbildungsverfahren wird nach der kugel-
förmigen Brennraummulde im Kolben als M-Verfahren (M = Mittelkugelbrennraum)
bezeichnet [3].
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
9
Bild 2.5 M-Verfahren [3]
2.4 Verbrennung im Dieselmotor
Obwohl die chemischen Reaktionen bei der Verbrennung in Otto- und Dieselmotoren
einander sehr ähnlich sind, unterscheiden sich die physikalischen Vorgänge beider
Verbrennungsprozesse beträchtlich. Beim Ottomotor liegt zum Zündzeitpunkt bereits
ein homogenes, gasförmiges Kraftstoff-Luft-Gemisch vor. Die Zündung beginnt an
einer oder mehreren festgelegten Stellen des Brennraums und wird, vom jeweiligen
Betriebspunkt abhängig, bei einem bestimmten Kurbelwellenwinkel eingeleitet. Der
Zündung folgt die Ausbreitung einer definierten Flammenfront im Brennraum.
Beim höher verdichteten Dieselmotor sind die Temperaturen und Drücke während
des Einspritzens bereits so hoch, daß manche chemischen Reaktionen schon zu
Beginn der Einspritzung einsetzen. Jedoch verlaufen diese Reaktionen zunächst so
langsam, daß bis zum Auftreten einer sichtbaren Flamme oder einer merklichen
Drucksteigerung eine gewisse Zeit verstreicht. Diese Verzögerung zwischen Ein-
spritzbeginn und meßbarem Druckanstieg nennt man Zündverzug. Die Selbstzün-
dung erfolgt im verdampften Gemisch, wobei Ort und Zeit der Zündung nicht so prä-
zise gesteuert werden können wie beim fremdgezündeten Ottomotor, da sie stark
von örtlichen Bedingungen bezüglich Temperatur, Druck und Gemisch abhängig ist.
Nach der Zündung wird schnell das übrige gebildete Gemisch von der Verbrennung
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
10
erfaßt. Während der Verbrennungsphase finden weiterhin Mischungsvorgänge im
Brennraum statt, welche den Verbrennungsablauf entscheidend beeinflussen.
2.4.1 Brennverlauf
Der Brennverlauf dQ
B
/d
ist der Verlauf der durch die Verbrennung entstehenden
Wärme Q
B
über dem Kurbelwinkel
.
In Bild 2.6 sind die Brennverläufe bei einem
direkteinspritzenden Dieselmotor mit Aufladung, in Abhängigkeit von Last und Dreh-
zahl, dargestellt.
Bild 2.6 Brennverläufe (dQ
B
/d
) eines aufgeladenen PKW-Dieselmotors mit direkter
Einspritzung in Abhängigkeit von Last und Drehzahl [4]
Der Brennverlauf ist entscheidend für die Arbeitsausbeute und das akustische Ver-
halten eines Motors. Der steile Anstieg des Brennverlaufes ist die Ursache für das
charakteristische Verbrennungsgeräusch des Dieselmotors. Nach Erreichen der ma-
ximalen Energieumsetzung dQ
B
/d
findet der Umsatz zunehmend verzögert statt
und endet in einem thermodynamisch ungünstigen Nachbrennen (Verbrennungs-
schwanz). In Abhängigkeit von den stattfindenden Mischungsvorgängen führt in die-
ser Phase der Kontakt von Kraftstoff mit Verbrennnungsgasen mehr oder weniger
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
11
stark zur Rußbildung. Bei Sauerstoffzufuhr kann der Ruß gegen Ende der Verbren-
nung teilweise nachverbrennen.
2.5 Aufladung
Durch Aufladung kann die Leistung eines Verbrennungsmotors, ohne Vergrößerung
des Hubraums oder Erweiterung des Drehzahlbereichs, erheblich gesteigert werden.
Durch eine Vorverdichtung wird dem Motor mehr Luft zugeführt, so daß pro Arbeits-
spiel eine größere Kraftstoffmenge verbrannt werden kann. Bei der Aufladung eines
Motors finden folgende Verfahren Anwendung:
1. Fremdaufladung oder mechanische Aufladung
2. Abgasturboaufladung
3. Aufladung durch Druckschwingungen
2.5.1 Fremdaufladung, mechanische Aufladung
Die Fremdaufladung unterscheidet sich von der mechanischen Aufladung lediglich
durch die Art des Antriebs. Bei der Fremdaufladung wird der Lader durch ein Zu-
satzaggregat, zum Beispiel einen Elektromotor angetrieben. Dies hat den Vorteil ei-
ner von der Motordrehzahl unabhängigen Regulierung des Aufladegrads. Da eine
solche Aufladung teuer ist, findet man häufiger die einfachere und billigere mechani-
sche Aufladung.
Bei der mechanischen Aufladung wird der Lader direkt vom Motor über Keilriemen,
Kette oder Zahnräder angetrieben (Bild 2.7). Da das Schluckvermögen eines Motors
proportional mit der Drehzahl ansteigt, sind Drehkolbengebläse bei dieser Art der
Aufladung besonders geeignet, da sich die Liefermenge dieser Gebläse ebenfalls
proportional zur Drehzahl verhält.
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
12
Bild 2.7 Mechanische Aufladung [2]
2.5.2 Abgasturboaufladung
Die bei Dieselmotoren verbreitetste Art der Aufladung ist die Abgasturboaufladung
(Bild 2.8). Bei dieser Art der Aufladung wird die Energie des Abgases mit Hilfe einer
Abgasturbine zum Antrieb des Verdichters ausgenutzt. Der Verdichter sitzt auf der
gleichen Welle wie die Abgasturbine. Bei der Abgasturboaufladung werden zwei Ver-
fahren unterschieden:
1. Gleichdruck- oder Stauaufladung
2. Impuls- oder Stoßaufladung
Bei der Gleichdruckaufladung werden die Motorabgase in einem Sammelbehälter
aufgestaut und dann der Abgasturbine unter nahezu konstantem Druck zugeführt.
Somit wird ein kontinuierliches Arbeiten (besserer Wirkungsgrad) der Abgasturbine
erzielt, hat jedoch den Nachteil eines schlechten Ansprechverhaltens bei wechseln-
den Lasten, da für den Druckaufbau im Sammelbehälter eine gewisse Zeit benötigt
wird.
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
13
Bei der Stoßaufladung werden die Abgase nicht in einem Behälter gesammelt, son-
dern direkt in engen, möglichst kurzen Rohrleitungen vom Auslaß des Zylinders zur
Turbine geleitet. Die besonders bei Auslaßbeginn hohe Abgasenergie kann von der
Turbine besser genutzt werden. Die Auslegung der Abgasturbine ist allerdings
schwieriger, da der Druck vor der Turbine nicht konstant ist.
Bild 2.8 Abgasturbolader [2]
2.5.3 Aufladung durch Druckschwingungen
Unter Ausnutzung der Druckschwingungen in den Gassäulen der Ansaug- und Ab-
gasleitungen beim Ladungswechsel läßt sich eine Aufladung verwirklichen. Durch
Abstimmung von Leitungslängen und Querschnitten muß erreicht werden, daß Fre-
quenz und Phasenlage der Schwingung der Arbeitsspielfrequenz des Motors ange-
paßt wird.
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
14
Um eine möglichst gute Zylinderfüllung zu erzielen, muß man beim Viertaktmotor
folgende Bedingungen anstreben:
1. Gegen Ende des Öffnungszeitraums des Auslaßventils sollte der Druck im Zylin-
der niedrig sein, damit wenig Restgas dort zurückbleibt.
2. Hoher Druck im Zylinder, während das Einlaßventil schließt.
In Bild 2.9 sind die Druckschwingungen am Ein- und Auslaßventil graphisch darge-
stellt. Beim Öffnen des Einlasses (Eö) herrscht ein niedriger Druck vor dem Einlaß-
ventil. Die Schwingung in der Ansaugleitung wird durch den saugenden Kolben an-
geregt. Nach Durchlaufen einer Halbwelle erreicht der Druck sein Maximum, und das
Einlaßventil schließt (Es). Damit sich dieser Vorgang periodisch fortsetzen kann,
muß die Druckschwingung in der Leitung so weiterlaufen, daß beim nächsten Eö ein
Wellental am Einlaßventil vorliegt.
Auf der Auslaßseite wird der bereits hohe Druck durch das Öffnen des Auslaßventils
(Aö) stark angehoben. Durch den Abgasstoß wird das Abgas ebenfalls zu Schwin-
gungen angeregt. Die Schwingung sollte so verlaufen, daß der Druck im Zylinder
gegen Schließende des Auslaßventils und gleichzeitig geöffnetem Einlaßventil sehr
niedrig ist, damit eine Sogwelle entstehen kann, die frische Ladung in den Zylinder
saugt.
Bild 2.9 Druckschwingungen in den Ansaug- und Abgasleitungen beim Viertaktmo-
tor [2]
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
15
Die Abstimmung der Ansaug- und Abgasleitungen allein ist nur für einen engen
Drehzahlbereich möglich, da die Eigenfrequenzen der Gassäulen von den Leitungs-
längen abhängig sind. Durch Variieren der Leitungslängen, in Abhängigkeit von der
Motordrehzahl, könnte man den Drehzahlbereich erweitern, jedoch wäre der techni-
sche Aufwand sehr hoch.
2.5.3.1 Comprex-Aufladung
Eine weitere Möglichkeit, Druckwellen zur Verbesserung der Zylinderfüllung auszu-
nutzen, bietet die Comprex-Aufladung. Beim Comprex-Lader wird ein Rotor, der
durch radiale Trennwände in viele Zellen unterteilt ist, über einen Keilriemen vom
Motor angetrieben (Bild 2.10).
Bild 2.10 Comprex-Lader [25]
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
16
Bild 2.11 Abwicklung des Comprex-Laders [2]
In Bild 2.11 ist das Arbeitsprinzip des Laders schematisch dargestellt. Man betrachte
eine Zelle des Rotors im Durchlauf eines Zyklus, hier von oben nach unten darge-
stellt. In der obersten Position befindet sich ruhende Frischluft in der Zelle. Beim
Freiwerden der Öffnung auf der Abgasseite bildet sich eine Druckwelle aus, die von
links nach rechts verläuft. Die komprimierte Luft nimmt weniger Raum in Anspruch,
so daß Abgas in die Zelle eindringen kann. Erreicht die Zelle die Ladeöffnung, so
wird die Frischladung durch das Abgas in die Ladeleitung geschoben. Die Drehzahl
des Laders muß so abgestimmt sein, daß die Druckwelle genau dann die Ladeöff-
nung erreicht, wenn sie frei wird. Die Druckwelle wird am offenen Zellenende reflek-
tiert. Bei Ankunft der reflektierten Welle auf der linken Seite der Zelle wird die Ab-
gasseite geschlossen. Es entsteht eine Expansionswelle, welche das jetzt ruhende
und teilweise entspannte Abgas von der noch immer in Bewegung befindlichen
komprimierten Frischluft trennt. Bei Ankunft der Expansionswelle auf der rechten
Seite wird die Ladeseite ebenfalls geschlossen. Hierdurch kommt es zum Stillstand
des gesamten Zellinhaltes. Man beachte, daß hierbei kein Abgas in die Ladeleitung
gelangt ist. Sobald die Zelle die Auslaßöffnung erreicht hat, expandiert das Abgas in
die Auspuffanlage. Die Gasbewegung überträgt sich mehr und mehr auf die Gase
entlang einer neuen Expansionswelle, welche sich mit Schallgeschwindigkeit von
Kapitel 2 : Theoretische Grundlagen_____________________________________________________________
17
links nach rechts fortpflanzt und letztendlich die gerade freiwerdende Ansaugöffnung
erreicht. Hier wird sie reflektiert und beginnt, Frischluft in die Zelle einzuziehen. Bei
ausreichender Dimensionierung der Auslaß- sowie Einlaßöffnung wird das Abgas
durch die nachströmende Frischladung restlos ausgespült, bevor sich die Zelle auf
beiden Seiten wieder schließt und der Zyklus von neuem beginnt.
Kapitel 3 : Abgasverhalten des Dieselmotors
18
3
Abgasverhalten des Dieselmotors
3.1 Abgaszusammensetzung
Abgase, die bei der Verbrennung in einem Dieselmotor entstehen, setzen sich aus
einer Vielzahl unterschiedlicher Stoffe zusammen. Über die Zahl der im Abgas auf-
tretenden Komponenten liegen keine exakten Angaben vor. Es wird jedoch ange-
nommen, daß im Dieselmotorabgas bis zu 1000 verschiedene Stoffe auftreten [5].
Den weitaus größten Anteil im Abgas bilden mit 99,9 Gew.-% die für die Gesundheit
des Menschen unbedenklichen Substanzen Kohlendioxid, Wasser, Sauerstoff,
Stickstoff und Wasserstoff. Die gesundheitlich bedenklichen Substanzen weisen
beim Dieselmotor lediglich einen Anteil von 0,1 Gew.-% auf und liegen hiermit unter
dem Schadstoffanteil beim Ottomotor. Dies ist darauf zurückzuführen, daß im Ver-
gleich zum Ottomotor beim Dieselmotor ein größerer Luftüberschuß vorliegt, was zur
Folge hat, daß in dessen Abgas aufgrund der höheren Konzentrationen der Luftbe-
standteile Sauerstoff und Stickstoff eine entsprechend kleinere Konzentration an
Schadstoffkomponenten vorliegt [6]. Die Schadstoffe lassen sich einteilen in die vom
Gesetzgeber limitierten Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlen-
wasserstoffe, Stickoxide und Partikel, sowie diejenigen Stoffe, für die keine gesetzli-
chen Emissionsgrenzewerte vorliegen (hauptsächlich Schwefeldioxid, Sulfate, Alde-
hyde & Ketone, Ammoniak, PAH und eine Vielzahl weiterer, teils unbekannter Kom-
ponenten). Tabelle 3.1 zeigt die typische Abgaszusammensetzung beim Dieselmo-
tor.
Interessant bei dieser Einteilung ist besonders die Gruppe der Partikel, für die seit
1988 in der Bundesrepublik Deutschland Emissions-Standards existieren. Anlaß
hierfür war die Tatsache, daß eine Vielzahl der an die Partikel angelagerten Sub-
stanzen kanzerogenes Potential besitzen. Für diese Substanzen existieren bislang
keine Grenzwerte, sie werden jedoch bei der Partikelmessung miterfaßt. Hierdurch
kommt es u.a. zu Überschneidungen zwischen limitierten und nicht-limitierten Ab-
gaskomponenten. Die Gegenüberstellung von limitierten und nicht-limitierten Kom-
ponenten in Bild 3.1 verdeutlicht dies.
Kapitel 3 : Abgasverhalten des Dieselmotors
19
Komponente kg/kg
Kraft-
stoff
kg/l Kraft-
stoff
Gew.-% Vol.-%
Kohlendioxid CO
2
3,147
2,612
7,1
4,6
Wasserdampf H
2
O 1,170
0,971
2,6 4,2
Sauerstoff O
2
6,680
5,554
15,0
13,5
Stickstoff N
2
33,540
27,838
75,2
77,6
Wasserstoff H
2
9,0 * 10
-4
7,0 * 10
-4
2,0 * 10
-3
3,0 * 10
-2
Kohlenmonoxid CO
1,3 * 10
-2
1,1 * 10
-2
3,0 * 10
-2
3,0 * 10
-2
Kohlenwasserstoffe HC
3,1 * 10
-3
2,5 * 10
-3
7,0 * 10
-3
1,4 * 10
-2
Stickoxide NO
x
1,3 * 10
-2
1,1 * 10
-2
3,0 * 10
-2
3,0 * 10
-2
Partikel
2,5 * 10
-3
2,1 * 10
-3
6,0 * 10
-3
Schwefeldioxid SO
2
4,4 * 10
-3
3,7 * 10
-3
1,0 * 10
-2
5,0 * 10
-3
Sufate SO
4
2-
7,2 * 10
-6
6,0 * 10
-6
1,6 * 10
-4
5,0 * 10
-6
Aldehyde RCHO
6,3 * 10
-4
5,2 * 10
-4
1,4 * 10
-3
1,4 * 10
-3
Ammoniak NH
3
2,4 * 10
-6
2,0 * 10
-6
5,0 * 10
-6
9,0 * 10
-6
Tabelle 3.1 Typische Zusammensetzung des Dieselmotorabgases [6]
Bild 3.1 Anteil der limitierten und nicht-limitierten Komponenten im Abgas des Die-
selmotors [7]
Kapitel 3 : Abgasverhalten des Dieselmotors
20
Im folgenden sind die wesentlichen Abgasbestandteile, ihre Entstehung im Diesel-
motor sowie ihre Auswirkung auf Mensch und Umwelt aufgeführt:
Kohlendioxid (CO
2
):
Wird ein Kohlenwasserstoffmolekül ,,vollständig" verbrannt, so entstehen bei idealer,
stöchiometrischer Verbrennung lediglich Kohlendioxid und Wasser. Kohlendioxid hat
in der bei motorischem Betrieb vorliegenden Konzentration keine direkten Auswir-
kungen auf den Menschen [8]. Der MAK-Wert (Maximale Arbeitsplatz Konzentration)
für Kohlendioxid liegt bei 9000 mg/m³.
Ein Effekt, der durch CO
2
besondere Bedeutung erlangt hat, ist der sog. Treibhaus-
effekt. Durch menschliche Aktivitäten wird die Gaszusammensetzung der Atmosphä-
re verändert. Der dadurch gestörte natürliche Strahlungsaustausch führt zu einer
Beeinflussung des Klimas. Die der Erde von außen zugeführte Energie besteht im
wesentlichen aus kurzwelliger Strahlung. Die in der Atmosphäre vorhandenen
Schadstoffe, insbesondere CO
2
, aber auch Wasserdampf, O
3
, NO
2
, Aerosole und
Spurengase lassen diese Strahlung weitgehend ungehindert passieren. Beim Auf-
treffen der kurzwelligen Strahlung auf die Erdoberfläche wird diese in Wärme umge-
setzt und von dort als langwellige Wärmestrahlung abgegeben. Diese Infrarotstrah-
lung wird von den Schadstoffen absorbiert bzw. reflektiert. Ein Temperaturanstieg in
der Atmosphäre ist die Folge. An der Verstärkung dieses Treibhauseffekts hat CO
2
mit etwa 50% den weitaus größten Anteil [8].
Kohlenmonoxid (CO):
Das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum je Arbeitszyklus ist beim Die-
selmotor deutlich größer als beim Ottomotor. Aufgrund der Inhomogenität des Gemi-
sches durch Ladungsschichtung sind örtlich jedoch sehr ,,fette" Zonen vorhanden.
Dadurch entstehen hohe CO-Konzentrationen, die durch Nachoxidation mehr oder
weniger stark abgebaut werden können. Mit steigendem
, d.h. steigendem Luftü-
berschuß, wird aufgrund der fallenden Temperaturen der Nachoxidationsgrad gerin-
ger. Die Reaktionen ,,frieren" ein. Der Dieselmotor liefert deutlich niedrigere CO-
Konzentrationen als der Ottomotor. Die Bildungsmechanismen bei der Entstehung
sind jedoch die gleichen [8].
Kohlenmonoxid ist ein farb- und geruchloses Gas. Es bindet sich sehr viel stärker
(Faktor 240) an Hämoglobin, den O
2
-Träger des Blutes, als Sauerstoff. Deshalb be-
Kapitel 3 : Abgasverhalten des Dieselmotors
21
steht die Gefahr des Erstickens schon bei niedrigen CO-Konzentrationen. Der MAK-
Wert beträgt 33 mg/m³ [8].
Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC):
Ebenfalls auf die Inhomogenität des Gemisches bei dieselmotorischen Verbrennun-
gen ist das Auftreten von unverbrannten Kohlenwasserstoffen zurückzuführen. We-
gen des hohen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses entstehen Zonen mit extremem Luftü-
berschuß. Mit steigendem
fällt die örtliche Temperatur, so daß die chemischen
Reaktionen sehr langsam ablaufen bzw. "einfrieren" und nicht alle Kohlenwasserstof-
fe vollständig verbrannt werden können. Auch der sog. Quench-Effekt (Erkalten der
Flammenfront in der Nähe der Brennraumwände) trägt dazu bei. Insgesamt ist die
Konzentration der HC-Emissionen beim Dieselmotor niedriger als beim Ottomotor.
Unverbrannte Kohlenwasserstoffe haben je nach Zusammensetzung mehr oder we-
niger narkotische Wirkung und üben eine Reizwirkung auf die Schleimhäute aus.
Bestimmte Komponenten haben eine kanzerogene Wirkung (Aromaten, z.B. 3,4-
Benz(a)pyren, Benzol). Anoxidierte Kohlenwasserstoffe (Aldehyde) wirken ähnlich
wie Aromaten bzw. unverbrannte Kohlenwasserstoffe [8].
Stickoxide (NO
x
):
Aus Bild 3.2, in der die Schadstoffkonzentrationen über dem Luft-Kraftstoff-
Verhältnis
dargestellt sind, wird ersichtlich, daß die Stickoxide ihr Maximum bei
leichtem Luftüberschuß (
= 1,05 bis 1,1) haben. Die Stickoxidbildung wird durch ho-
he, örtlich auftretende Spitzentemperaturen in Verbindung mit leichtem Luftüber-
schuß gefördert. Die hohen Temperaturen dienen der Aufspaltung von N
2
und O
2
in
ihre atomaren Bestandteile. Der Luftüberschuß sorgt dafür, daß genügend Sauer-
stoff vorhanden ist [8].
Großen Einfluß auf die Stickoxidbildung hat die Art des Brennverfahrens:
Beim Motor mit unterteiltem Brennraum erfolgt die Verbrennung zunächst unter ex-
tremem Luftmangel in der Vor- bzw. Wirbelkammer. Zwar entstehen hohe Tempera-
turen, jedoch ergeben sich aufgrund des Luft- und damit Sauerstoffmangels niedrige
NO
x
-Werte. In der Hauptkammer kehrt sich der Vorgang um. Extreme Luftüber-
schüsse und damit niedrige Temperaturen lassen ebenfalls nur eine geringe NO
x
-
Bildung zu. Diese Vorteile kann ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung nicht vorwei-
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 1997
- ISBN (eBook)
- 9783832479978
- ISBN (Paperback)
- 9783838679976
- DOI
- 10.3239/9783832479978
- Dateigröße
- 1.9 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau – Maschinenbau
- Erscheinungsdatum
- 2004 (Mai)
- Note
- 1,3
- Schlagworte
- kraftstoff abgasmessung emissionen motorprüfstand
