Oxidationskatalysatoren bei Diesel- Bootsmotoren

Oxidationskatalysatoren
bei Diesel- Bootsmotoren
Ergebnisse von Messungen
und Lösungsansätze für die Praxis Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle FH Konstanz – University of Applied Sciences Institut für Verbrennungsmotoren (InVo) • Brauneggerstraße 55 • D­78462 Konstanz Fon: ++49­7531­206­163 • Fax: ++49­7531­206­87­163 klaissle@fh­konstanz.de • www.invo.fh­konstanz.de
Gliederung Hintergrund Schadstoffe im Abgas Möglichkeiten der Abgasnachbehandlung Vergleich Sportboote – Landfahrzeuge Abgasnachbehandlung bei Wasserfahrzeugen Projekt
Fahrprofilmessungen Untersuchungen mit handelsüblichem Oxikat Untersuchungen zur Temperaturerhöhung am Katalysator Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Projektziel „ Verbindung der Vorteile von RME & Oxidationskatalysator“ Biodiesel CO 2 ­Ausstoß (Nachwachsender Rohstoff) Gew ässerschutz (Biologische Abbaubarkeit) Landw irtschaft (Nachfrage nach Raps aus regionalem Anbau) Oxidationskatalysatoren Luftqualität (Emissionsreduzierung) W assersportler (Reduzierung des Abgasgeruchs) Entw icklung von (nachrüstbaren) Oxidationskatalysatorsystemen für biodieselbetriebene Sportboote
Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Abgaskomponenten bei Dieselmotoren Gesetzlich limitierte Abgaskomponenten • Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) • Kohlenmonoxid (CO) • Stickoxide (NO X ) • Partikel Gesetzlich nicht limitierte Abgaskomponenten • Ketone • Aldehyde • …
Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Vergleich Emissionsgrenzwerte 6­Zylinder Diesel 77 kW / 103 PS 5 HC BSO­Zyklus: 8 stationäre Punkte NFZ (ECE R49): 13 stationäre Punkte 2,5
Partikel 1 50 0,5 100 CO BSO Stufe 1 BSO Stufe 2 NFZ Euro 1 [g/kWh] 10 NFZ Euro 2 20 NO X Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren Was? Oxidationskatalysator Wofür? HC, CO NO X ­Speicherkatalysator HC­DeNO X ­Katalysator PKW, LKW, (Boot) PKW NO X SCR­System Partikelfilter Wo?
LKW Partikel PKW, LKW Abgasnachbehandlung bei Diesel­Bootsmotoren ist selten. Warum? Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Abgasnachbehandlung bei Bootsmotoren Abgasnachbehandlung bei Diesel­Bootsmotoren ist selten. Warum? Die momentan gültigen Abgasgrenzwerte für Sportboote erfordern bei Dieselmotoren noch keine Abgasnachbehandlungssysteme. Die bei Sportbooten überwiegend übliche „ nasse“ Abgasführung erschwert den Einbau von Katalysatoren oder Filtersystemen. Welche technischen Probleme bringt Abgasnachbehandlung bei Booten mit sich?
„ nasse“ Abgasführung (s.o.); Abgasgegendruck bei Einleitung unterhalb der Wasserlinie Viele Sportbootsmotoren (insbesondere in Segelbooten) werden fast ausschließlich im Schwach­ oder Teillastbetrieb gefahren. => (zu) niedrige Abgastemperaturen Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Gliederung Hintergrund Schadstoffe im Abgas Möglichkeiten der Abgasnachbehandlung Vergleich Sportboote – Landfahrzeuge Abgasnachbehandlung bei Wasserfahrzeugen Projekt
Fahrprofilmessungen Untersuchungen mit handelsüblichem Oxikat Untersuchungen zur Temperaturerhöhung am Katalysator Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Projektvorgehen Fahrprofilauf­ nahme im Realbetrieb Untersuchung temperaturerhöhender Maßnahmen im Labor Einbau Serien­ katalysator in Sportboot Applikation der Maßnahmen im Sportboot Messungen im Sportboot Messungen im Sportboot
Komplette Nachrüstlösung Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Fahrprofilmessungen Messung des typischen, im Realbetrieb auftretenden Fahrprofil eines Sportbootes Beispiel: Motorboot mit 6­Zylinder Saugdieselmotor 450 Drehzahl/10 [U/min] Abgastemperatur [°C] 400 350 BSO­Zyklus
P8 (2400 U/min) 300 250 P7 (2160 U/min) P6 (1920 U/min) T Grenz, unten 200 P5 (1680 U/min) P4 (1440 U/min) P3 (1200 U/min) 150 100 P2 (960 U/min) P1 (Leerlauf) 50 0 0 Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle 200 400 600 800 1000 1200 1400 Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Serien- Oxi- Kat im Sportboot Einbau eines handelsüblichen, auf die Motorisierung des Bootes ausgelegten Oxidationskatalysators in ein Motorboot. Dreh zah lver gleic h BSO­Zyklus 30 00 Diesel ohne Kat 25 00 Diesel mit Kat Dr eh za hl [U/m in ] 20 00 15 00 RME ohne Kat RME mit Kat 10 00 5 00 0 0 5 00 1000 15 00 2000 250 0 Zeit [s ] Messung der limitierten Komponenten HC, CO und NO X .
Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Serien- Oxi- Kat CO­Vergleich BSO­8­Stufenzyklus
CO­Ver g leich 1600 Diesel ohne Kat Diesel mit Kat RME ohne Kat RME mit Kat 1400 CO­Em iss ionen 1200 1000 800 600 400 200 0 0 500 1000 1500 Zeit [s] Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle 2000 2500 T Kat > 200°C Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Emissionen vs. Abgastemperaturen K onvertierungsr aten CO 100 90 Konvertierungs rate [%] 80 70 60 50 40 30 20 Konvertierungsrate Diesel Konvertierungsrate RME 10 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Abgastem peratur [°C] Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle T Kat > 200°C
Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Maßnahmen zur Temperaturerhöhung Ansaugseite heizen ü
drosseln ü
Abgasseite Motor Einspritzzeitpunkt und –verlauf ändern „ drücken“ ü ! heizen ü Abgasrohr isolieren ü
Anbauposition ändern (ü) Vorgabe: Maßnahmen müssen nachrüstbar sein!!! Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 El. Heizung vs. Verbrennungsheizung el. Heizelement Keine Beeinflussung der Emissionen Hoher elektrischer Leistungsbedarf ! Flammkerze ü
Vergleichsweise unsaubere Verbrennung !
Elektrischer Leistungsbedarf gering, Kraftstoff ü ist eigentlicher Energieträger Benötigte Heizleistung beim 6­Zyl.­Motor (Ziel: T Abgas = 200°C): BSO Punkt 1 (Leerlauf): BSO Punkt 2 ( 960 U/min): BSO Punkt 3 (1200 U/min): BSO Punkt 4 (1440 U/min): Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle 11514 W (bei 24V ­> 480 A) 12473 W 10908 W 5656 W Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Ansaugseitige Modifikationen heizen Warum die Ansaugluft heizen? T Verdichtet = T Ansaug * e k -1 k >1
Wärmere Ansaugluft hat noch wärmere Brennraumlufttemperatur zur Folge. Theoretisch geringerer Energieaufwand für eine Temperaturerhöhung nötig. drosseln Durch Drosseln steigt die zum Ansaugen benötigte Energie, zusätzlich sinkt der Verdichtungsenddruck. => Zündverzug wird größer, Abgastemperatur steigt ! Bei allen ansaugseitigen Modifikationen wird die Verbrennung ver­ stimmt, was u. A. zu niedrigeren Abgastemperaturen führen kann! Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle !
Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 innermotorische Modifikationen Eingriff in Motormanagement ist bei „ alten“ Bootsmotoren nicht möglich, da keine Motorelektronik vorhanden. „ drücken“ P T Abgas steigt
n „ drücken“ z. B. durch zusätzliche Belastung der Lichtmaschine => Leistungsbedarf einer el. Katalysatorheizung Laborversuche mit einem „ gedrückten“ Motor werden z. Zt. durchgeführt. Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Abgasseitige Modifikationen Anbauposition ändern Mit Serienkatalysator aufgrund eingeschränkter Platzverhältnisse nur bedingt möglich Abgasrohr isolieren Einfache, leicht durchzuführende Maßnahme, ohne „Nebenwirkungen“ Potenzial allerdings alleine nicht ausreichend Abgas bzw. Katalysator Elektrische Heizung: Problem der Verfügbarkeit von ausreichend elektrischer Energie (~10 000 W) beheizen Flammkerze: Problem der zusätzlich erzeugten Emissionen der Kraftstoffverbrennung im Abgasstrang
Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Zusammenfassung und Ausblick Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die angestrebte Mindestabgastemperatur von 200°C an der Standard­ Katalysatorposition über einen längeren Zeitraum (t > 15min) nur durch eine Kombination der vorgestellten Maßnahmen zur Temperatursteigerung erreichbar ist. Messfahrten zur Untersuchung des Verhaltens gesetzlich nicht limitierter Schadstoffe werden in den nächsten Wochen durchgeführt. Untersuchungen zum Einfluss eines erhöhten Abgasgegendrucks bei „ nasser“ Abgasführung wurden bislang noch nicht durchgeführt. Das Potential von motornahen (im Abgaskrümmer integrierten) Katalysatoren soll nach Abschluss der Untersuchungen an Katalysatoren an der Standard­Einbauposition auf ähnliche Weise untersucht werden.
Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Dankeschön an:
Ministerium für Ernährung und Ländlichen Raum Baden­Württemberg (Projektfinanzierung) Oberland Mangold GmbH (Katalysator) Sensors Europe GmbH (Abgasmesstechnik) Emitec GmbH (el. beheizter Katalysatorträger) Beru AG (Flammkerze) Bootsbesitzer Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04 Kontakt www.invo.fh­konstanz.de/biodiesel klaissle@fh­konstanz.de
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.­Ing. MEng MSc Markus Klaissle Biodiesel­Symposium Interboot Friedrichshafen 24.09.04