Untersuchung der limitierten Emissionen eines Zündstrahlmotors im Gas-Diesel-Mischbetrieb unter Variation des Einspritzpumpen-Förderbeginns für den Einsatz im BHKW
©2000
Diplomarbeit
94 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
Die Begrenztheit fossiler Energieträger, einhergehend mit den Energiepreissteigerungen in den letzten Jahren, zwingen den Menschen, die Verluste bei der Energieumsetzung zu minimieren, d.h. die gewünschte Nutzenergie mit möglichst geringem Primärenergieeinsatz bereitzustellen. Weiterer Anlass für den sparsamen Umgang mit Primärenergieträgern ist die zunehmende Verschmutzung der Umwelt durch Schadstoffemissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie die Gefährdung des globalen Klimas durch den vom Menschen verursachten Treibhauseffekt. Das maßgeblich den Treibhauseffekt beeinflussende Spurengas Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung aller fossilen Energieträger, wenn auch in unterschiedlichen Maßen. Es ist daher notwendig, durch energiesparende Technologien die Umwelt zu entlasten und den Verbrauch begrenzter fossiler Energieträger zu minimieren. Die Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Energieträger trägt zur Ressourcenschonung sowie zur Verringerung des CO2-Ausstoßes bei.
Ein zukunftsweisender Ansatz zu rationellem und umweltschonendem Einsatz unterschiedlicher Energieträger ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Bei der KWK wird die bei der elektrischen Stromerzeugung in hohem Maße anfallende Wärmemenge zu Heizzwecken genutzt, wodurch sich die eingesetzte Primärenergie mit Wirkungsgraden von 75 bis 90 % nutzen lässt. Ohne KWK wird die eingesetzte Primärenergie, bei der herkömmlichen Stromerzeugung in Kraftwerken nur zu etwa 40 % ausgenutzt, während die restlichen 60 % als Abwärme verloren gehen.
In Deutschland werden zur Zeit rund 10 % der gesamten Stromerzeugung durch KWK-Anlagen gedeckt. Das gesamte Potential an der Stromerzeugung wird auf ungefähr 35 40 % geschätzt. In den letzten 20 Jahren sind in Deutschland etwa 1800 Blockheizkraftwerke (BHKW) das sind dezentral beim Verbraucher angeordnete Energieanlagen mit einem Antrieb durch Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen in einem Leistungsspektrum von unter 100 bis 20.000 kW installiert worden [62]. Als Antriebsmaschinen für Blockheizkraftwerke werden aus Nutzfahrzeug-Dieselmotoren abgeleitete Gasmotoren bevorzugt eingesetzt, da sie gegenüber Dieselmotoren, außer dem vielfach gegebenen Vorteil eines kostengünstigeren Kraftstoffs, auch den der geringeren Geräusch- und Abgasemission aufweisen. Gasmotoren lassen sich in der Regel wahlweise mit flüssigem oder gasförmigen Brennstoff oder mit beiden gleichzeitig in nahezu beliebigen […]
Die Begrenztheit fossiler Energieträger, einhergehend mit den Energiepreissteigerungen in den letzten Jahren, zwingen den Menschen, die Verluste bei der Energieumsetzung zu minimieren, d.h. die gewünschte Nutzenergie mit möglichst geringem Primärenergieeinsatz bereitzustellen. Weiterer Anlass für den sparsamen Umgang mit Primärenergieträgern ist die zunehmende Verschmutzung der Umwelt durch Schadstoffemissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie die Gefährdung des globalen Klimas durch den vom Menschen verursachten Treibhauseffekt. Das maßgeblich den Treibhauseffekt beeinflussende Spurengas Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung aller fossilen Energieträger, wenn auch in unterschiedlichen Maßen. Es ist daher notwendig, durch energiesparende Technologien die Umwelt zu entlasten und den Verbrauch begrenzter fossiler Energieträger zu minimieren. Die Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Energieträger trägt zur Ressourcenschonung sowie zur Verringerung des CO2-Ausstoßes bei.
Ein zukunftsweisender Ansatz zu rationellem und umweltschonendem Einsatz unterschiedlicher Energieträger ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Bei der KWK wird die bei der elektrischen Stromerzeugung in hohem Maße anfallende Wärmemenge zu Heizzwecken genutzt, wodurch sich die eingesetzte Primärenergie mit Wirkungsgraden von 75 bis 90 % nutzen lässt. Ohne KWK wird die eingesetzte Primärenergie, bei der herkömmlichen Stromerzeugung in Kraftwerken nur zu etwa 40 % ausgenutzt, während die restlichen 60 % als Abwärme verloren gehen.
In Deutschland werden zur Zeit rund 10 % der gesamten Stromerzeugung durch KWK-Anlagen gedeckt. Das gesamte Potential an der Stromerzeugung wird auf ungefähr 35 40 % geschätzt. In den letzten 20 Jahren sind in Deutschland etwa 1800 Blockheizkraftwerke (BHKW) das sind dezentral beim Verbraucher angeordnete Energieanlagen mit einem Antrieb durch Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen in einem Leistungsspektrum von unter 100 bis 20.000 kW installiert worden [62]. Als Antriebsmaschinen für Blockheizkraftwerke werden aus Nutzfahrzeug-Dieselmotoren abgeleitete Gasmotoren bevorzugt eingesetzt, da sie gegenüber Dieselmotoren, außer dem vielfach gegebenen Vorteil eines kostengünstigeren Kraftstoffs, auch den der geringeren Geräusch- und Abgasemission aufweisen. Gasmotoren lassen sich in der Regel wahlweise mit flüssigem oder gasförmigen Brennstoff oder mit beiden gleichzeitig in nahezu beliebigen […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 7998
Achilles, Peter: Untersuchung der limitierten Emissionen eines Zündstrahlmotors im Gas-
Diesel-Mischbetrieb unter Variation des Einspritzpumpen-Förderbeginns für den Einsatz
uim BHKW
Hamburg: Diplomica GmbH, 2004
Zugl.: Universität Kaiserslautern, Diplomarbeit, 2000
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2004
Printed in Germany
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ... 1
2 Der Gasmotor ... 3
2.1 Gasmotorenarten... 4
2.1.1 Otto-Gasverfahren ... 5
2.1.2 Diesel-Gasverfahren ... 5
2.1.3 Gas-Dieselverfahren ... 7
2.2 Gasmotorenkraftstoffe ... 8
2.2.1 Methan ... 8
2.2.2 Erdgas... 9
2.2.3 Klärgas, Biogas, Deponiegas... 9
2.2.4 Leuchtgas und Kokereigas... 9
2.2.5 Gichtgas... 10
2.2.6 Generatorgase, wie Holzgas, Pyrolysegas, etc... 10
2.2.7 Raffineriegase... 11
2.3 Kenngrößen zur Beurteilung von Brennstoffen... 11
2.3.1 Mindestluftbedarf L
min
... 11
2.3.2 Heizwert ... 13
2.3.3 Gemischheizwert... 14
2.3.4 Methanzahl ... 16
2.4 Verbrennung... 17
2.4.1 Zündung... 17
2.4.1.1 Selbstzündungstemperatur... 18
2.4.1.2 Zündverzug... 18
2.4.1.3 Zündgrenzen ... 19
2.4.1.4 Zündbedingungen für Gas und Zündöl beim Zündstrahlbe-
trieb des Diesel-Gasmotors ... 20
2.4.2 Kenngrößen der Verbrennung ... 21
2.4.2.1 Zündgeschwindigkeit ... 21
2.4.2.2 Brennverlauf ... 21
2.4.2.3 Ausbrandgrad ... 23
2.4.3 Klopfen... 23
Inhaltsverzeichnis
2.4.3.1 Klopfen im Dieselmotor... 23
2.4.3.2 Klopfen beim Zündstrahlbetrieb des Diesel-Gasmotors... 24
2.4.4 Abgasverhalten des Diesel-Gasmotors... 25
2.4.4.1 Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) ... 25
2.4.4.2 Kohlenmonoxid (CO) ... 25
2.4.4.3 Stickoxide (NO
x
) ... 26
2.4.4.4 Schwefeldioxid (SO
2
)... 27
2.4.4.5 Partikel / Ruß... 27
2.4.4.6 Kohlendioxid (CO
2
) ... 27
2.4.5 Abgasnachbehandlung beim Diesel-Gasmotor... 28
2.4.5.1 Katalysatoren allgemein ... 29
2.4.5.2 Oxidationskatalysator ... 30
2.4.5.3 SCR-Katalysator... 30
2.5 Regelung des Diesel-Gasmotors... 32
2.5.1 Lastregelung ... 32
2.5.2 Zündölmenge ... 33
3 Blockheizkraftwerke ... 35
3.1 Kraft-Wärme-Kopplung... 35
3.2 Prinzipieller Aufbau eines Blockheizkraftwerkes ... 36
3.3 BHKW-Aggregat ... 37
3.4 Verwendete Brennstoffe ... 38
3.5 Energiebilanzvergleich zwischen Kraft-Wärme-Kopplung und getrennter
Erzeugung von Strom und Wärme ... 39
4 Berechnungsgrundlagen... 41
4.1 Effektive Leistung P
e
... 41
4.2 Effektiver Mitteldruck p
m,e
... 41
4.3 Innerer Mitteldruck p
m,i
... 42
4.4 Innere Leistung P
i
... 42
4.5 Reibungsleistung P
r
... 42
4.6 Gasanteil x
G
, energetischer Gasanteil x
e,G
... 43
4.7 Verbrennungsluftverhältnisse im Zündstrahlbetrieb... 43
4.8 Effektiver äquivalenter spezifischer Kraftstoffverbrauch b
e,äq
... 45
4.9 Innerer äquivalenter spezifischer Kraftstoffverbrauch b
i,äq
... 45
Inhaltsverzeichnis
4.10 Effektiver Wirkungsgrad
e
... 46
4.11 Innerer Wirkungsgrad
i
... 46
4.12 Mechanischer Wirkungsgrad
m
... 47
4.13 Abgaswerte ... 47
5 Experimentelle Untersuchungen ... 51
5.1 Prüfstandsaufbau ... 51
5.1.1 Versuchsmotor... 51
5.1.2 Motorprüfstand... 52
5.1.3 Gas-Luft-Mischer... 53
5.2 Versuchsdurchführung ... 57
5.3 Versuchsergebnisse ... 58
5.3.1 Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC)... 58
5.3.2 Kohlenmonoxid (CO)... 61
5.3.3 Partikel/Ruß ... 63
5.3.4 Stickoxide (NOx) ... 66
5.3.5 Zusammenfassung der Meßergebnisse... 70
5.3.6 Einhaltung der Grenzwerte ... 71
5.3.7 Diskussion einer Abgasnachbehandlungsmöglichkeit mittels Oxi-
dationskatalysatortechnologie und Selektiver Katalytischer Reduk-
tion (SCR) ... 73
6 Zusammenfassung ... 79
7 Literaturverzeichnis... 82
1 Einleitung
1
1 Einleitung
Die Begrenztheit fossiler Energieträger, einhergehend mit den Energiepreissteige-
rungen in den letzten Jahren, zwingen den Menschen, die Verluste bei der Energie-
umsetzung zu minimieren, d.h. die gewünschte Nutzenergie mit möglichst geringem
Primärenergieeinsatz bereitzustellen. Weiterer Anlaß für den sparsamen Umgang mit
Primärenergieträgern ist die zunehmende Verschmutzung der Umwelt durch Schad-
stoffemissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie die Gefährdung des
globalen Klimas durch den vom Menschen verursachten Treibhauseffekt. Das maß-
geblich den Treibhauseffekt beeinflussende Spurengas Kohlendioxid entsteht bei der
Verbrennung aller fossilen Energieträger, wenn auch in unterschiedlichen Maßen. Es
ist daher notwendig, durch energiesparende Technologien die Umwelt zu entlasten
und den Verbrauch begrenzter fossiler Energieträger zu minimieren. Die Substitution
fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Energieträger trägt zur Ressourcen-
schonung sowie zur Verringerung des CO
2
-Ausstoßes bei.
Ein zukunftsweisender Ansatz zu rationellem und umweltschonendem Einsatz unter-
schiedlicher Energieträger ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Bei der KWK wird
die bei der elektrischen Stromerzeugung in hohem Maße anfallende Wärmemenge
zu Heizzwecken genutzt, wodurch sich die eingesetzte Primärenergie mit Wirkungs-
graden von 75 bis 90 % nutzen läßt. Ohne KWK wird die eingesetzte Primärenergie,
bei der herkömmlichen Stromerzeugung in Kraftwerken nur zu etwa 40 % ausge-
nutzt, während die restlichen 60 % als Abwärme verloren gehen.
In Deutschland werden zur Zeit rund 10 % der gesamten Stromerzeugung durch
KWK-Anlagen gedeckt. Das gesamte Potential an der Stromerzeugung wird auf un-
gefähr 35 40 % geschätzt. In den letzten 20 Jahren sind in Deutschland etwa 1800
Blockheizkraftwerke (BHKW) das sind dezentral beim Verbraucher angeordnete
Energieanlagen mit einem Antrieb durch Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen
in einem Leistungsspektrum von unter 100 bis 20.000 kW installiert worden [62].
Als Antriebsmaschinen für Blockheizkraftwerke werden aus Nutzfahrzeug-Die-
selmotoren abgeleitete Gasmotoren bevorzugt eingesetzt, da sie gegenüber Diesel-
motoren, außer dem vielfach gegebenen Vorteil eines kostengünstigeren Kraftstoffs,
1 Einleitung
2
auch den der geringeren Geräusch- und Abgasemission aufweisen. Gasmotoren las-
sen sich in der Regel wahlweise mit flüssigem oder gasförmigen Brennstoff oder mit
beiden gleichzeitig in nahezu beliebigen Mischungsverhältnissen (Zweistoffbetrieb)
betreiben. Mit dem Ziel, eine flexiblere und wirtschaftlichere Fahrweise zu erreichen,
lassen sich Gasmotoren auch auf eine Mehrstofftauglichkeit hin konzipieren. Damit
ist der Einsatz unterschiedlicher Gase möglich, wodurch der Betreiber nicht auf den
Einsatz einer bestimmten Gasart angewiesen ist.
Die Arbeitsgruppe Verbrennungskraftmaschinen der Universität Kaiserslautern be-
faßt sich derzeit auf dem Forschungsgebiet der Kraft-Wärme-Kopplung mit der Un-
tersuchung eines schweren 4-Takt-Vorkammer-Dieselmotors auf seine Eignung als
Antriebsaggregates für Blockheizkraftwerke. Dieser aus Bundeswehrbeständen zur
Verfügung gestellte Panzermotor soll für den gleichzeitigen Betrieb mit Dieselkraft-
stoff und Kraftgas umgerüstet werden, wobei ein möglichst geringer Dieselanteil an-
gestrebt werden soll (Zündstrahlbetrieb). Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit be-
steht darin, das Emissionsverhalten dieses Motors im Zweistoffbetrieb mit Diesel-
kraftstoff und Erdgas bei verschiedenen Mischungsverhältnissen zu untersuchen.
Weiterhin soll ergründet werden, ob eine Variation des Einspritzpumpen-
Förderbeginns vorteilhaft ist. Für den stationären Einsatz von Verbrennungsmoto-
renanlagen in Heizkraftwerken gelten die Emissionsvorschriften der TA-Luft. Die Un-
tersuchungen beschränken sich auf die von der TA-Luft limitierten Schadstoffe NO
x
,
CO, HC und Ruß.
Für den späteren Einsatz im BHKW soll der zu untersuchende Motor mit Holzgas
betrieben werden. Die Problematik beim Betrieb mit Holzgas besteht in der Verunrei-
nigung des Brenngases mit teerhaltigen Rückständen aus der Holzvergasung, wel-
che unter anderem zum Verkleben der Einlaßorgane führen können. Da es zweck-
mäßig ist, zunächst das Betriebs- und Emissionsverhalten eines umgerüsteten Die-
selmotors im Gasbetrieb allgemein zu studieren, werden erst Vorversuche mit dem
für die motorische Verbrennung geeigneterem Erdgas durchgeführt. Die im Erdgas-
betrieb gewonnenen Erkenntnisse lassen sich später im Betrieb mit Holzgas teilwei-
se umsetzen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit beschränken sich die durchzuführen-
den experimentellen Untersuchungen wegen des zu begrenzenden Umfangs aus-
schließlich auf den Betrieb mit Erdgas.
2 Der Gasmotor
3
2 Der Gasmotor
Der erste brauchbare Verbrennungsmotor wurde 1860 von Jean-Joseph-Etienne Le-
noir fertiggestellt. Dieser wurde mit Leuchtgas betrieben und besaß eine Hochspan-
nungs-Kerzenzündung. Lenoirs Motor arbeitete jedoch noch nicht mit einer Verdich-
tung des Gas-Luft-Gemisches. Angeregt durch Lenoirs ,,atmosphärische Gaskraft-
maschine", versuchte sich Nicolaus August Otto als erster an der Konstruktion eines
Motors mit Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor der Verbrennung, jedoch
gelang ihm die Konstruktion eines funktionstüchtigen ,,Viertaktmotors" wegen der
schwer beherrschbaren hohen Verbrennungsdrücke erst im Jahre 1876. Kurz darauf,
im Jahre 1879, bringt Carl Friedrich Benz einen Zweitakt-Gasmotor erstmals zum
Laufen.
Alle bis zu diesem Zeitpunkt entwickelten Motoren wurden noch mit Gas betrieben
und waren nur für den stationären Betrieb geeignet, da das Gas ausschließlich aus
dem Rohrnetz der Stadt oder dem Betrieb bezogen wurde. Das Mitführen von Gas
auf Fahrzeugen stellte damals wie heute ein technisches Problem dar. Für die in
Tanks relativ problemlos mitzuführenden flüssigen Kraftstoffe fehlte bisher ein geeig-
netes Zündsystem. Der Motorbetrieb mit flüssigen Kraftstoffen gelang erst im Jahre
1884 mit der Erfindung der Niederspannungs-Magnetzündung durch Otto. Der erste
Motor mit Selbstzündung wurde einige Jahre später durch Rudolf Diesel erfunden.
Dieser Motor zeichnete sich durch einen außerordentlich niedrigen Kraftstoff-
verbrauch anfangs noch Petroleum aus.
Da der motorische Betrieb mit flüssigen Kraftstoffen im allgemeinen einfacher ist als
der mit gasförmigen, wurde der Gasmotor allmählich verdrängt. Erst in Zeiten man-
gelnder Energieversorgung mit flüssigen Brennstoffen erlebte der Gasmotor erneut
Aufschwung. Schon einige Jahre vor dem zweiten Weltkrieg wurde die Entwicklung
der Gasmotoren stark gefördert. Man konzentrierte sich vor allem auf die wirtschaftli-
che Umstellung von mit flüssigen Kraftstoffen betriebenen Motoren auf heimische
gasförmige Kraftstoffe. Als Anfang der fünfziger Jahre wieder ausreichend billige
Kraftstoffe auf Erdölbasis verfügbar wurden, gerieten die Gasmotoren in Deutschland
zunehmend in Vergessenheit. Erst mit der Verteuerung des Erdöls während der E-
nergiekrise in den siebziger Jahren wurden Gasmotorenanlagen im Bereich der E-
2 Der Gasmotor
4
nergieversorgung mit Kraft-Wärme-Kopplung in der Bundesrepublik wirtschaftlich
wieder attraktiv, zumal hier bereits ein gut ausgebautes Erdgasversorgungsnetz exis-
tierte.
Heute ist der Gasmotor im Hinblick auf die Verknappung der Weltvorräte an Erdöl
sowie die immer strenger werdenden Abgasemissionswerte wieder interessant ge-
worden. Ein Großteil der Bundesrepublik existierenden Blockheizkraftwerke sind mit
Gasmotorenanlagen ausgestattet. Im Kfz-Bereich verspricht der Einsatz von Gasmo-
toren wegen der sauberen, rückstandsfreien Verbrennung Vorteile bei der Einhaltung
zukünftiger strenger Abgasnormen.
2.1 Gasmotorenarten
Beim Gasmotor wird, im grundsätzlichen Unterschied zum Dieselmotor, nicht nur rei-
ne Luft, sondern ein Gemisch aus Gas und Luft angesaugt. Zur Zündung des ver-
dichteten Gas-Luft-Gemisches sind beim Gasmotor besondere Einrichtungen erfor-
derlich. Gekennzeichnet durch das jeweilige Zündverfahren, werden drei verschiede-
ne Gasmotorenarten unterschieden:
·
Otto-Gasverfahren:
·
Diesel-Gasverfahren:
·
Gas-Dieselverfahren:
Zündung des angesaugten Gas-Luft-Gemisches
durch einen elektrischen Zündfunken
Zündung des angesaugten Gas-Luft-Gemisches
durch Selbstzündung eines eingespritzten Kraftstoff-
strahls (Zündöl)
Zündung des Gemischs aus angesaugter Luft und
unter Hochdruck eingeblasenen Gases durch
Selbstzündung
2 Der Gasmotor
5
2.1.1 Otto-Gasverfahren
Die Bezeichnung Otto-Gasverfahren hat ihren Ursprung in dem beim Ottomotor übli-
chen Arbeitsverfahren. Wie beim Ottoverfahren wird hier ein Luft-Kraftstoff-Gemisch
angesaugt und durch den Funken einer Zündkerze entzündet, mit dem Unterschied,
daß es sich hier um einen gasförmigen Kraftstoff handelt. Die Gemischaufbereitung
erfolgt statt mit einem Vergaser oder einer Einspritzanlage durch einen Gasmischer.
Bei den Gasmotoren handelt es sich häufig um umgerüstete Ottomotoren sowie auch
um modifizierte Dieselmotoren. Die Umrüstung von Dieselmotoren auf das Otto-
Gasverfahren ist im allgemeinen aufwendiger als bei Ottomotoren, da neben dem
Einbau einer Zündanlage auch oftmals das Verdichtungsverhältnis wegen der sonst
auftretenden Klopferscheinungen herabgesetzt werden muß. Der Verbrennungsraum
des Otto-Gasmotors sollte eine möglichst einfache geometrische Form (Scheiben-
form) besitzen und darf auf keinen Fall tote Winkel und Bohrungen enthalten.
2.1.2 Diesel-Gasverfahren
Im Gegensatz zum herkömmlichen Dieselmotor wird beim Diesel-Gasmotor nicht
reine Luft sondern ein Gemisch aus Gas und Luft angesaugt. Gegen Ende der Ver-
dichtung erfolgt die Einspritzung einer kleinen Menge flüssigen Kraftstoffs (Zündöl),
die sich bei den im komprimierten Gas-Luftgemisch herrschenden hohen Drücken
und Temperaturen von selbst entzündet und somit die restliche Ladung zur Entflam-
mung bringt. Daher werden Diesel-Gasmotoren auch als Zündstrahl-Gasmotoren
bezeichnet. Voraussetzung beim Diesel-Gasverfahren ist ein gerade so hoch gewähl-
tes Verdichtungsverhältnis, bei dem die Selbstzündung des flüssigen Kraftstoffes
noch gewährleistet ist, aber die Selbstzündungstemperatur des Gas-Luft-Gemisches
wegen der sonst auftretenden Klopferscheinungen nicht erreicht wird.
Der Verbrennungsraum des Diesel-Gasmotors erfordert aufgrund der hohen Verdich-
tung äußerst sorgfältig gestaltete Verbrennungsräume, um Selbstzündungen des
Gas-Luft-Gemisches mit den daraus resultierenden Klopferscheinungen zu vermei-
2 Der Gasmotor
6
den. Hierzu dürfen keine übermäßig heißen Wandstellen im Brennraum (z.B. scharfe
Ecken und Kanten) existieren. Abgeschnürte Brennräume wie Vorkammer oder Wir-
belkammer sind ebenfalls ungünstig, da sich die Wände der Kammermündung und
des Kolbenbodens durch den aus der Kammer schießenden brennenden Gasstrahl
stark erhitzen. Am günstigsten ist der Brennraum des direkteinspritzenden Dieselmo-
tors mit zentral angeordnetem Kraftstoffeinspritzventil.
Die Umrüstung von Dieselmotoren auf das Diesel-Gasverfahren stellt unter Berück-
sichtigung der Klopffestigkeit des verwendeten Gases die einfachste Umbaulösung
dar, sofern das Verdichtungsverhältnis nicht herabgesetzt werden muß. Die bereits
vorhandene Einsritzpumpe kann in der Regel als Zündölpumpe verwendet werden.
Bei dieser Art der Umrüstung besteht die Möglichkeit, den Motor vom Betrieb mit
gasförmigen Kraftstoffen auf Dieselbetrieb mit flüssigen Kraftstoffen umzustellen.
Motoren mit dieser Fähigkeit werden als Wechselmotoren bezeichnet. Auch für den
gleichzeitigen Betrieb mit beiden Kraftstoffen lassen sich Diesel-Gasmotoren einrich-
ten. Sie werden dann als Zweistoffmotoren bezeichnet. Man unterscheidet hier zwi-
schen zwei Betriebsarten:
·
Zündstrahlbetrieb
·
Zweistoffbetrieb
Im Zündstrahlbetrieb wird die zur Zündung erforderliche Kraftstoffmenge auf ein Mi-
nimum reduziert (ca. 5 10% des Diesel-Vollastverbrauches) und als Zündöl be-
zeichnet. Die Zündölmenge wird über den gesamten Lastbereich des Motors kon-
stant gehalten. Die Last wird ausschließlich über die Gasmenge geregelt.
Wird der Motor mit einer wesentlich größeren Menge flüssigen Kraftstoffes betrieben,
als zur Zündung des Kraftgases benötigt wird, spricht man vom Zweistoffbetrieb. Hier
wird die Menge beider Kraftstoffe über dem Lastbereich verändert.
2 Der Gasmotor
7
Bild 2.1 Kraftstoffaufteilung bei verschiedenen Betriebsarten [29]
2.1.3 Gas-Dieselverfahren
Beim Gas-Dieselverfahren wird reine Luft verdichtet und gegen Ende der Verdich-
tung unter Hochdruck stehendes Gas in den Zylinder eingeblasen, das sich bei den
hohen Temperaturen und Drücken von selbst entzündet. Aufgrund der absoluten Si-
cherheit gegen Selbstzündungen während der Verdichtung sind bei diesem Verfah-
ren höhere Verdichtungsverhältnisse möglich als beim Diesel-Gasverfahren oder Ot-
to-Gasverfahren. Dadurch verringert sich der spezifische Wärmeverbrauch. Ferner
bewirkt die um den Gasanteil zusätzlich angesaugte Luftmenge eine Leistungsstei-
gerung des Gas-Dieselmotors gegenüber den gemischansaugenden Motoren.
Nachteilig ist, daß zur Minimierung heftiger Druckstöße bei der Zündung des einge-
blasenen Gases eine kleine Menge flüssigen Kraftstoffs vorgelagert werden muß.
Dieser zusätzliche Aufwand ist der Grund dafür, daß sich das Gas-Dieselverfahren
bislang nicht durchsetzen konnte.
2 Der Gasmotor
8
2.2 Gasmotorenkraftstoffe
Gase eignen sich sehr gut als Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren, weil sie sich mit
der Verbrennungsluft leicht mischen, rückstandsfrei verbrennen und keine Schmier-
ölverdünnung bewirken. Sie setzen sich im wesentlichen aus den brennbaren Be-
standteilen wie Kohlenwasserstoffen ( C
n
H
m
), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff
(H
2
) zusammen, können aber auch größere Mengen nicht brennbarer Komponenten
wie Kohlendioxid (CO
2
) und Stickstoff (N
2
) enthalten. In Tabelle 2.1 sind die wesentli-
chen Gase in ihrer Zusammensetzung sowie einigen ihrer Stoffeigenschaften aufge-
führt.
Zusammensetzung
Gasart
Massenanteile [%]
Volumenanteile [ %]
c h o
CH
4
C
n
H
m
H
2
CO CO
2
N
2
unterer
Heizwert
H
u
[MJ/kg]
Methan-
zahl
Propan (C
3
H
8
) 81,7 18,3
100 46,4
33
Butan (C
4
H
10
) 82,6 17,4
100 45,8
10
Methan (CH
4
) 74,9 25,1 100
50
100
Wasserstoff 100
100
120
0
Erdgas 75
24
96
3
1
48,9 90
Deponiegas 42 8 50
55
45
15,5 130
Klärgas 46,5
10,1
43,3
65
35
20,34 134
Kokereigas 40 19 13
24
3
54
7
3
9
33,2
40
Tabelle 2.1 Kennwerte einiger Brenngase
2.2.1 Methan
Methan (CH
4
) fällt bei der Weiterverarbeitung von Erdöl und Braunkohlenteeröl an.
Wegen seines beachtlichen Heizwertes und seiner hohen Klopffestigkeit eignet sich
Methan sehr gut als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren.
2 Der Gasmotor
9
2.2.2 Erdgas
Erdgas tritt hauptsächlich bei Erdölbohrungen zu Tage. Es besteht überwiegend aus
Methan, enthält aber in der Regel auch einen geringen Anteil anderer Kohlenwasser-
stoffe wie Ethan (C
2
H
6
), Propan (C
3
H
8
)und Butan (C
4
H
10
), gelegentlich aber auch
Stickstoff (N
2
) und Schwefelwasserstoff (H
2
S). Aufgrund des hohen Methangehaltes
eignet sich Erdgas sehr gut als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren. Größere Anteile
höherer Kohlenwasserstoffe müssen dem Erdgas vor seiner Anwendung als Moto-
renkraftstoff entzogen werden, da diese die Klopffestigkeit stark herabsetzen. Der
Schwefelwasserstoffgehalt darf wegen der auftretenden Schwefelsäurekorrosion in
den abgasberührenden Bauteilen nicht zu hoch sein.
2.2.3 Klärgas, Biogas, Deponiegas
Klärgas fällt bei der Abwasseraufbereitung in Kläranlagen an und wird auch als Faul-
schlammgas bezeichnet. Biogas und Deponiegas entstehen durch Vergären von
Stallmist und Jauche bzw. durch Verrottung von Hausmüll. Diese Gase setzen sich
hauptsächlich aus CH
4
und CO
2
zusammen, enthalten aber auch N
2
, O
2
, H
2
, H
2
O,
CO, H
2
S, Schwefeldioxid (SO
2
), Ammoniak (NH
3
) und verschiedene Halogen-
Kohlenwasserstoffe. Die hohe Klopffestigkeit dieser Gase ist auf die hohen Anteile
an CH
4
und CO
2
zurückzuführen. Die in diesen Gasen vorkommenden geringen
Mengen an H
2
S, SO
2
und Halogen-Kohlenwasserstoffen können zu Werkstoffkorro-
sion und zum Abbau der Schmieröladditive führen.
2.2.4 Leuchtgas und Kokereigas
Leuchtgas und Koksofengas werden bei hoher Temperatur und unter Luftabschluß
durch Trockendestillation in Gaswerken oder Kokereien gewonnen. Diese Gase be-
stehen hauptsächlich aus H
2
, CO
2
und CH
4
sowie aus geringen Mengen von N
2
und
CO
2
. Der hohe Wasserstoffgehalt hat eine große Verbrennungsgeschwindigkeit so-
wie eine deutlich geringere Klopffestigkeit gegenüber den vorgenannten Gasen zur
2 Der Gasmotor
10
Folge, weshalb Leuchtgas und Kokereigas nur bei Ergreifung entsprechender inner-
motorischer Maßnahmen als Gasmotorenkraftstoffe einsetzbar sind.
2.2.5 Gichtgas
Gichtgas entsteht bei der Roheisenerzeugung in Hochöfen. Es besitzt einen sehr
niedrigen Heizwert. Wegen des geringen Luftbedarfs bei der Verbrennung liegt der
Gemischheizwert nicht viel niedriger als bei den anderen Gasen, weshalb sich Gicht-
gas für die Verwendung als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren eignet. Die im Gicht-
gas enthaltenen großen Staubmengen müssen vor der Verwendung als Motoren-
kraftstoff unbedingt entfernt werden.
2.2.6 Generatorgase, wie Holzgas, Pyrolysegas, etc.
Generatorgase entstehen beim Hindurchsaugen von Luft und Wasserdampf durch
eine glühende Kohlenstoffschicht und werden auch als Sauggase bezeichnet. Das in
der Brennzone entstehende CO
2
wird in der nachfolgenden Reduktionsschicht zu CO
reduziert. Die Zusammensetzung des Gases hängt von der Art und der Korngröße
des eingebrachten Brennstoffes, dem Gaserzeugungsverfahren, der Menge des an-
gesaugten Wasserdampfes und der Belastung des Generators ab. Die am häufigsten
in Gaserzeugern verwendeten Brennstoffe sind Kohle, Holz, Koks, sowie organische
und anorganische kohlenwasserstoffhaltige Abfälle. Wie Gichtgas führen auch Gene-
ratorgase große Mengen an Staub mit sich. Generatorgase enthalten zusätzlich
Teer, Schwefel, Essigsäure, Phenole und andere Begleitstoffe. Vor der Verbrennung
müssen diese Gase unbedingt gereinigt werden, da sonst starker Verschleiß und
Verkleben der gasberührenden, bewegten Motorteile auftritt (z.B. Verkleben der Ven-
tile).
Durch die hohen Anteile der inerten Komponenten N
2
und CO
2
wird zwar die Klopf-
festigkeit dieser Gase erhöht, dafür aber deren Zündwilligkeiten und Zündgeschwin-
digkeiten herabgesetzt, weshalb bauliche Veränderungen im Motor zur Beschleuni-
2 Der Gasmotor
11
gung des Verbrennungsablaufes notwendig sind. Die geringeren Heizwerte und
Verbrennungstemperaturen reduzieren die Motorleistung und senken die Stickoxid-
emission.
2.2.7 Raffineriegase
Raffineriegase werden bei der Herstellung flüssiger Kraftstoffe, bei der Weiterverar-
beitung von Rohöl und aus den Gasen der Erdölquellen gewonnen. Sie setzten sich
vorwiegend aus CH
4
, Benzol (C
2
H
6
), Propan (C
3
H
8
) und Butan (C
4
H
10
) zusammen,
enthalten vereinzelt aber auch Ethylen (C
2
H
4
), Propylen (C
3
H
6
), Butylen (C
4
H
8
) und
deren Isomere sowie H
2
. Je nach Zusammensetzung weisen diese Gase unter-
schiedliche, in der Regel jedoch sehr geringe Klopffestigkeiten auf. Wegen der im
allgemeinen hohen Gemischheizwerte und ihrer ausgezeichneten Zündwilligkeiten
sind Raffineriegase für den Betrieb niedrig verdichteter Verbrennungsmotoren sehr
geeignet.
Raffineriegase, die im wesentlichen aus Propan und Butan bestehen, lassen sich
leicht durch entsprechende Druckerhöhung und/oder Temperaturabsenkung verflüs-
sigen. Aufgrund des fehlenden Wasserstoffs weisen Propan-Butan-Gemische neben
einer geringen Klopffestigkeit auch große Zündverzüge und geringe Zündgeschwin-
digkeiten auf.
2.3 Kenngrößen zur Beurteilung von Brennstoffen
2.3.1 Mindestluftbedarf L
min
Der Mindestluftbedarf oder stöchiometrische Luftbedarf stellt die zur vollkommenen
Verbrennung einer Masseneinheit Brennstoff m
B
erforderliche Mindestluftmasse
m
L,min
dar.
2 Der Gasmotor
12
L
m
m
min
L min
B
=
,
Gleichung 2.1
Der stöchiometrische Luftbedarf kann bei Kenntnis der im Brennstoff enthaltenen
Massenanteile an Kohlenstoff (c), Wasserstoff (h), Schwefel (s) und Sauerstoff (o)
gemäß Gleichung 2.2 errechnet werden.
(
)
L
1
0 232
2 664 c 7 937 h 0 998 s o
min
=
+
+
-
,
,
,
,
Gleichung 2.2
Die angegebenen Koeffizienten folgen aus den einzelnen Reaktionsgleichungen bei
vollständiger Aufoxidation der Brennstoffkomponenten zu CO
2
, H
2
O und SO
2
. Der
Faktor 0,232 im Nenner repräsentiert den Massenanteil des Sauerstoffs in Luft.
Bei der motorischen Verbrennung weicht man im allgemeinen mehr oder weniger
vom stöchiometrischen Mischungsverhältnis ab. Das Verhältnis der tatsächlichen
Luftmasse m
L
zur Mindestluftmasse m
L,min
wird als Verbrennungsluftverhältnis
be-
zeichnet.
=
m
m
L
L min
,
Unter Einbeziehung von Gleichung 2.1 ergibt sich:
=
m
m L
L
B
min
Gleichung 2.3
Ist
>1, liegt ein Überschuß an Luft vor, und man spricht von einem ,,armen" oder
,,mageren" Gemisch. Im Falle des Luftmangels also bei
<1 wird von einem ,,fet-
ten" oder ,,reichen" Gemisch gesprochen.
2 Der Gasmotor
13
2.3.2 Heizwert
Die bei der Verbrennung eines Kraftstoffes freiwerdende Wärmemenge wird durch
den spezifischen Heizwert H
u
(auch ,,unterer Heizwert" genannt) ausgedrückt. Der
spezifische Heizwert H
u
läßt sich durch kalorische Messungen bei der Verbrennung
unter genau festgelegten Bedingungen bestimmen, wobei die Verbrennungsprodukte
auf die Anfangstemperatur abgekühlt werden und vorausgesetzt wird, daß das
Verbrennungswasser dampfförmig vorliegt.
Der Prozeßablauf kann bei konstantem Druck oder konstantem Volumen erfolgen:
a) Bei konstantem Druck während des Prozeßablaufes gilt für den Heizwert H
u,p
:
H
H
H
m
H
m
u,p
B
R
B
=
-
=
-
mit
H´
Enthalpie des Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches bei 25° C
H´´
Enthalpie der Verbrennungsprodukte bei 25° C
H
R
Reaktionsenthalpie
(
H
R
= H´´- H´)
m
B
Brennstoffmasse
b) Bei konstantem Volumen während des Prozeßablaufes gilt für den Heizwert H
u,v
:
H
U
U
m
U
m
u,v
B
R
B
=
-
=
-
mit
U´
Innere Energie des Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches bei 25° C
U´´
Innere Energie der Verbrennungsprodukte bei 25° C
U
R
Reaktionsenergie
(
U
R
= U´´- U´)
Der Unterschied zwischen H
u,p
und H
u,v
ist bei üblichen technischen Brennstoffen
sehr klein. Es kann daher vereinfachend angenommen werden:
H
H
H
u,p
u,v
u
=
=
2 Der Gasmotor
14
2.3.3 Gemischheizwert
Für die Energieausbeute in einem Motor ist der Gemischheizwert H
G
maßgebend.
Zur Berechnung des Gemischheizwertes bezieht man den Heizwert des Brennstoffes
bei der ottomotorischen Betriebsweise auf das Volumen des angesaugten Brenn-
stoff-Luft-Gemisches bzw. bei der dieselmotorischen Betriebsweise auf das ange-
saugte Luftvolumen. Bei vorgegebenem Gemischheizwert ist die Energie der Zylin-
derladung proportional zum Hubvolumen.
Für Ottomotoren ergibt sich folgender Gemischheizwert:
H
m H
V
Gem
B
u
Gem
=
Gleichung 2.4
Für das Gemischvolumen V
Gem
gilt:
V
m
m
m
Gem
Gem
Gem
L
B
Gem
=
=
+
mit m
Gem
Gemischmasse
Gem
Dichte des Gemisches
bzw. unter Einbeziehung der Luftzahl gemäß Gleichung 2.3:
(
)
V
m
L
1
Gem
B
Gem
min
=
+
Eingesetzt in Gleichung 2.4, ergibt sich für Ottomotoren:
H
H
L
1
Gem
u
Gem
min
=
+
Gleichung 2.5
Für luftverdichtende Motoren (Dieselmotoren) wird, wie erwähnt, der Heizwert auf
das Luftvolumen bezogen:
2 Der Gasmotor
15
H
m H
V
H
L
Gem,D
B
u
L
u
L
min
=
=
Gleichung 2.6
mit V
m
L
L
B
L
min
=
Die Gleichungen 2.5 und 2.6 zeigen, daß der Gemischheizwert vom Luftverhältnis
abhängig ist. Zur Beurteilung und Kennzeichnung von Kraftstoffen werden die Ge-
mischheizwerte für stöchiometrische Zusammensetzungen angegeben. Als Bezugs-
größe gilt für die Luft bzw. das Gemisch der Normzustand, wobei der Kraftstoff
dampfförmig vorliegen muß [18]. In Bild 2.2 sind die Heizwerte und die Gemisch-
heizwerte verschiedener Brennstoffe über dem stöchiometrischen Luftbedarf aufge-
tragen. Bedingt durch die unterschiedlichen Mindestluftmengen L
min
ergeben sich für
die Gemischheizwerte nur geringe Unterschiede, obwohl sich die Heizwerte teilweise
beträchtlich unterscheiden.
Bild 2.2 Heizwerte und Gemischheizwerte verschiedener Brennstoffe [18]
2 Der Gasmotor
16
2.3.4 Methanzahl
Eine wichtige Forderung an das Gas bei der Verbrennung in Gasmotoren ist eine
hohe Klopffestigkeit. Bei flüssigen Kraftstoffen wird die Klopffestigkeit durch die Ok-
tanzahl ausgedrückt. Für die Beurteilung von gasförmigen Kraftstoffen ist die Me-
thanzahl (MZ) maßgebend. Als Ausgangspunkt für die Bewertungsskala wurde das
sehr klopffeste Methan gewählt, das der Bewertungsskala den Namen gab. Reinem
Methan wird die Methanzahl 100 zugeordnet (dies entspricht einer Oktanzahl von
140). Dem sehr klopffreudigen Wasserstoff wird die Methanzahl 0 zugewiesen. Die
Methanzahlen weiterer Brenngase oder Gasgemische lassen sich durch Versuche an
einem Prüfmotor ermitteln. Der prozentuale Methangehalt einer Vergleichsmischung
aus Methan und Wasserstoff kennzeichnet bei gleichem Klopfverhalten wie das zu
beurteilende Brenngas die Methanzahl. In Tabelle 2.2 sind die Klopffestigkeiten ver-
schiedener Gase aufgeführt.
Gasart Methanzahl
Gasart Methanzahl
Wasserstoff 0,0 Erdgas 90,0
n-Butan 99%
2,0
Erdgas + 8% N
2
92,0
Butan
10,5
Erdgas + 15% N
2
94,0
Butadien
11,5
Erdgas + 8% CO
2
95,5
Ethylen
15,5
Erdgas + 30% N
2
99,0
b-Butylen 20,0
Methan,
rein
100,0
Propylen
20,0
Erdgas + 15% CO
2
104,4
Isobutylen
26,0
Erdgas + 40% N
2
105,5
Stadtgas (45% H
2
, 20% CH
4
)
33,0
Erdgas + 20% CO
2
111,5
Propan
35,0
Erdgas + 50% N
2
117,0
Kokereigas
40,0
Erdgas + 30% CO
2
130,0
Ethan 43,5
Biogas,
Deponiegas,
Klärgas
>130
Kohlenmonoxid 73,0
Tabelle 2.2 Klopffestigkeit verschiedener Gase, ausgedrückt in der Methanzahl [18]
Bei Gasgemischen, die Inertgase wie N
2
oder CO
2
in größeren Mengen enthalten,
sind Methanzahlen weit über 100 möglich. Zur versuchstechnischen Ermittlung der
Methanzahlen von Gasen mit Werten über 100 durch einen Prüfmotor werden Refe-
renz-Gasgemische aus Methan und Kohlendioxid verwendet und der zur Zahl 100
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2000
- ISBN (eBook)
- 9783832479985
- ISBN (Paperback)
- 9783838679983
- DOI
- 10.3239/9783832479985
- Dateigröße
- 2.5 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau – Maschinenbau
- Erscheinungsdatum
- 2004 (Mai)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- gasmotor abgasmessung erdgas venturimischer
