Oxidationskatalysatoren für mit Biodiesel betriebene Sportboote

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Abschlussbereicht
Oxidationskatalysatoren für
mit Biodiesel betriebene Sportboote
Prof. Dr.-Ing. Klaus Schreiner
Dipl.-Ing. MEng MSc Markus Klaissle
Das Projekt wurde in den Jahren 2003 bis 2006 an der HTWG Konstanz im Labor für
Verbrennungsmotoren durchgeführt. Das Ministerium für Ernährung und Ländlichen
Raum des Landes Baden-Württemberg in Stuttgart unterstützte das Projekt in
großzügiger Weise.
Projektleiter:
Hochschule Konstanz
Technik, Wirtschaft und Gestaltung
University of Applied Sciences
Prof. Dr.-Ing. Klaus Schreiner
Brauneggerstraße 55
D-78462 Konstanz
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung und Aufgabenstellung ......................................................................... 5
2
Motivation und technischer Hintergrund .............................................................. 6
3
2.1
Einsatz von Dieselmotoren auf Binnengewässern ....................................... 6
2.2
Verwendung von Biodiesel für Bootsmotoren .............................................. 6
2.3
Problemstellung............................................................................................ 8
2.4
Verfahren zur Temperaturerhöhung ............................................................. 8
2.4.1
Brenner ................................................................................................. 9
2.4.2
Elektrisch beheizter Katalysator ............................................................ 9
Praxisuntersuchungen....................................................................................... 13
3.1
Lastprofilmessungen auf Sportbooten........................................................ 13
3.1.1
Segelboot ............................................................................................ 15
3.1.2
Motorboot ............................................................................................ 16
3.2
Onboard-Messungen mit Serienkatalysator ............................................... 17
3.2.1
Daten des verwendeten Bootes .......................................................... 17
3.2.2
Nachrüstung mit einem Oxidationskatalysator .................................... 19
3.2.3
Messfahrten mit und ohne Oxidationskatalysator................................ 20
3.3
Laboruntersuchungen zur Temperaturerhöhung ........................................ 25
3.3.1
Daten des Prüfstandmotors................................................................. 25
3.3.2
Übersicht über die untersuchten Verfahren......................................... 27
3.3.3
Direkte Erwärmung des Abgasstroms................................................. 28
3.3.3.1
Beheizung mittels elektrischer Widerstandsheizung .................... 29
3.3.3.2
Beheizung mittels zusätzlicher Verbrennung von Kraftstoff ......... 36
3.3.4
Indirekte Erwärmung des Abgasstroms .............................................. 44
3.3.4.1
Erwärmung der Ansaugluft des Motors mittels elektrischer
Widerstandsheizung ...................................................................................... 45
3.3.4.2
Erwärmung der Ansaugluft des Motors mittels zusätzlicher
Verbrennung von Kraftstoff ............................................................................ 48
3.3.5
Drosseln des Motors ........................................................................... 53
3.3.6
Drücken des Motors ............................................................................ 55
3.3.7
Ergebnisse der Versuchsreihen .......................................................... 59
3.3.7.1
Bewertungskritereien ................................................................... 59
3.3.7.2
Bewertung der Konzepte.............................................................. 60
1
3.4
Onboard-Messungen mit beheiztem Katalysator........................................ 63
3.4.1
Daten des verwendeten Bootes .......................................................... 63
3.4.2
Daten des Oxidationskatalysators....................................................... 66
3.4.3
Umgesetzte Verfahren zur Temperaturerhöhung................................ 67
3.4.4
Abgasmesstechnik .............................................................................. 68
3.4.5
Messreihen.......................................................................................... 69
3.4.6
Ergebnisse .......................................................................................... 71
3.4.6.1
Limitierte Emissionen ................................................................... 75
3.4.6.2
Partikelemissionen ....................................................................... 86
3.4.6.3
Abgasgeruch................................................................................ 88
3.4.7
4
Bewertung des Aufwand-Nutzen-Verhältnisses .................................. 89
Vorschlag zur Umsetzung ................................................................................. 91
4.1
Oxidationskatalysator ................................................................................. 91
4.2
Elektrische Heizung.................................................................................... 92
4.3
Flammkerze ............................................................................................... 95
5
Zusammenfassung und Ausblick für zukünftige Arbeiten .................................. 96
6
Anhang – Literaturverzeichnis ........................................................................... 98
7
Anhang – Veröffentlichungen/Tagungen ........................................................... 99
8
7.1
Biodiesel-Symposium auf der Interboot 2004............................................. 99
7.2
EU-Konferenz im Mailand 2007.................................................................. 99
Anhang - Propellerkennlinie Hörnle ..................................................................100
2
Abbildungsverzeichnis
Abb. 2.1:
Abb. 2.2:
Abb. 2.3:
Abb. 3.1:
Abb. 3.2:
Abb. 3.3:
Abb. 3.4:
Abb. 3.5:
Abb. 3.6:
Abb. 3.7:
Abb. 3.8:
Abb. 3.9:
Abb. 3.10:
Abb. 3.11:
Abb. 3.12:
Abb. 3.13:
Abb. 3.14:
Abb. 3.15:
Abb. 3.16:
Abb. 3.17:
Abb. 3.18:
Abb. 3.19:
Abb. 3.20:
Abb. 3.21:
Abb. 3.22:
Abb. 3.23:
Abb. 3.24:
Abb. 3.25:
Abb. 3.26:
Abb. 3.27:
Abb. 3.28:
Abb. 3.29:
Abb. 3.30:
Abb. 3.31:
Abb. 3.32:
Abb. 3.33:
Abb. 3.34:
Abb. 3.35:
Abb. 3.36:
Abb. 3.37:
Abb. 3.38:
Abb. 3.39:
Abb. 3.40:
Systemübersicht Brennerheizung /2/................................................................9
Systemübersicht elektrisch beheizter Katalysator /3/ .....................................10
Prüfzyklus zur Dauerhaltbarkeit /5/.................................................................12
Abgaszyklus der Bodenseeschifffahrtsordnung (BSO) /6/..............................13
Lastprofil eines Segelboots.............................................................................15
Lastprofil eines Motorboots.............................................................................16
Boot der ersten Onboard-Messreihe ..............................................................18
Motorraum des Bootes der ersten Onboard-Messreihe..................................18
Oxi-Kat für den Einbau im Motorboot „Splendid“ vorbereitet ..........................19
Drehzahlvergleich der einzelnen Varianten ....................................................21
Temperaturvergleich der einzelnen Varianten................................................21
Vergleich der HC-Emissionen der einzelnen Varianten..................................22
Vergleich der CO-Emissionen der einzelnen Varianten..................................22
Vergleich der NOx-Emissionen der einzelnen Varianten ................................23
Prüfstandsmotor der Laboruntersuchungen ...................................................26
Heizelement (unbeschichteter el. beheizbarer Katalysatorträger) für den
Prüfstandsaufbau vorbereitet ..........................................................................30
Drehmoment-, Drehzahl- sowie Massenstromverl. der ersten Versuchsreihe 31
Temperaturverlauf der ersten Versuchsreihe .................................................32
Temperaturdifferenz, Ansaugluftmenge, Wärmestrom und el. Heizleistung
der ersten Versuchsreihe ................................................................................32
Temperaturverlauf der zweiten Versuchsreihe ...............................................33
Temperaturdifferenz, Ansaugluftmenge, Wärmestrom und el. Heizleistung
der zweiten Versuchsreihe .............................................................................34
Temperaturverlauf der Messreihen des Versuchsaufbaus "elektrische
Beheizung abgasseitig"…………………………………………………………… 35
Gemittelte Temperaturen des Versuchsaufbaus "elektrische Beheizung
abgasseitig"………………………………………………………
35
Flammglühkerze .............................................................................................37
Flammglühkerze im Abgassystem ..................................................................37
Schaltung für die Stromversorgung der Flammkerze...……………………..… 38
Temperaturverlauf der Messreihen des Versuchsaufbaus "Flammkerze
abgasseitig"…………………………………………...………………………
35
Gemittelte Temperaturen des Versuchsaufbaus "Flammkerze abgasseitig" 35
Temperaturverlauf der beiden Temperatursensoren nach der Flammkerze 43
Mechanischer Aufbau der ansaugseitigen elektrischen Heizung………….… 45
Ansaugseitige Temperaturerhöhung durch die elektrische Heizung……...… 46
Temperaturverlauf der Messreihen des Versuchsaufbaus "elektrische
Beheizung ansaugseitig"……………………………...………………………….. 47
Gemittelte Temperaturen des Versuchsaufbaus "elektrische Beheizung
ansaugseitig"……………………………………………………………….……… 47
Mechanischer Aufbau der ansaugseitigen Beheizung mittels Flammkerze 48
Temperaturen des Versuchsaufbaus "Flammkerze ansaugseitig"………...… 49
Temperaturverlauf der Messreihen des Versuchsaufbaus "Flammkerze
ansaugseitig"……………………………….………...………………………….… 50
Gemittelte Temperaturen des Versuchsaufbaus "Flammkerze ansaugseitig" 50
Positionierung der Flammkerze Kerze im Ansaugrohr /7/ ..............................51
CFD-Berechnung des Strömungsverhaltens er Flammkerze……..……….… 52
Temperaturverlauf der Messreihe 1 des Versuchsaufbaus „Drosseln“...........54
Momentenverlauf der Versuchsreihe "Motordrücken"……………………..….. 56
Temperaturverlauf der Messreihen des Versuchsaufbaus "Motordrücken"… 57
Gemittelte Temperaturen des Versuchsaufbaus " Motordrücken"……….….. 57
3
Abb. 3.41:
Abb. 3.42:
Abb. 3.43:
Abb. 3.44:
Abb. 3.45:
Abb. 3.46:
Abb. 3.47:
Abb. 3.48:
Abb. 3.49:
Abb. 3.50:
Abb. 3.51:
Abb. 3.52:
Abb. 3.53:
Abb. 3.54:
Abb. 3.55:
Abb. 3.56:
Abb. 3.57:
Abb. 3.58:
Abb. 3.59:
Abb. 3.60:
Abb. 3.61:
Abb. 3.62:
Abb. 3.63:
Abb. 3.64:
Abb. 3.65:
Abb. 3.66:
Abb. 3.67:
Abb. 3.68:
Abb. 3.69:
Abb. 3.70:
Abb. 3.71:
Abb. 3.72:
Abb. 4.1:
Abb. 4.2:
Abb. 4.3:
Kraftstoffverbrauch der einzelnen Stufen …………..…………………..……….58
Bewertungsmatrix (1: sehr gut; 5: mangelhaft) ...............................................62
Schulschiff „Hörnle“ ........................................................................................64
Motorraum Hörnle...........................................................................................64
Abgastemperatur in den einzelnen BSO-Stufen .............................................65
Modifizierte Abgasführung für die Onboard-Messungen ................................66
Einbaudetail der Flammkerze .........................................................................67
Semtech-D auf Vorschiff.................................................................................68
Semtech Dual QCM im Motorraum.................................................................69
Abgastemperaturen an der Katalysatorposition.............................................71
Temperaturverlauf BSO1……………………………….…………………….….. 72
Berechnete und gemessene Abgasmassenströme…….…………………..…..73
HC-Konzentrationen der untersuchten Varianten ...........................................75
HC-Massenströme der untersuchten Varianten .............................................76
Fahrstreckenbezogene HC-Emissionen der untersuchten Varianten.............76
Leistungsbezogene HC-Emissionen der untersuchten Varianten ..................77
Konvertierungsrate HC in Abhängigkeit von der Abgastemperatur ................78
CO-Konzentrationen der untersuchten Varianten...........................................79
CO-Massenströme der untersuchten Varianten .............................................79
Fahrstreckenbezogene CO-Emissionen der untersuchten Varianten.............80
Leistungsbezogene CO-Emissionen der untersuchten Varianten ..................80
Konvertierungsrate CO in Abhängigkeit von der Abgastemperatur ................81
NOx-Konzentrationen der untersuchten Varianten .........................................82
NOx-Massenströme der untersuchten Varianten ...........................................82
Fahrstreckenbezogene NOx-Emissionen der untersuchten Varianten...........83
Leistungsbezogene NOx-Emissionen der untersuchten Varianten ................83
Verhältnis NO zu NO2 bei den untersuchten Varianten ..................................84
Zyklusemissionen bezogen auf den Grenzwert BSO Stufe 1 .........................85
Verlauf der Partikelmassenzunahmen auf dem Messquarz, Bsp. BSO 1.......86
Beladungsquotienten der untersuchten Varianten..........................................87
Vergleich der erforderlichen Heizleistungen zur Steigerung der
Konvertierungsrate um 10 %...........................................................................89
Steigerung der Konvertierungsrate im Vergleich zu unbeheiztem Kat. .........90
Schnittmodell eine Emitec-Heizelements /8/ ..................................................92
Beispiel für Nachrüstung einer zweiten Lichtmaschine /9/..............................93
Lichtmaschinen unterschiedlicher Leistung für einen Dieselmotor /10/ ..........94
4
1 Einleitung und Aufgabenstellung
Das vorliegende Projekt untersucht den Einsatz von Oxidationskatalysatoren in mit
Biodiesel betriebenen Bootsmotoren auf dem Bodensee. Die wesentliche Fragestellung ist, wie man den Oxidationskatalysator möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur von mindestens 200 °C bringt, um die unverbrannten Kohlenwasserstoffe
oxidieren und dadurch den typischen Biodieselgeruch beseitigen zu können. Das
Problem entsteht dadurch, dass die Sportboote auf dem Bodensee und anderen
Binnengewässern typischerweise häufig im Teillastgebiet betrieben werden, was zu
relativ niedrigen Abgastemperaturen führt. Im Einzelnen werden folgende Themen
behandelt:
•
Ermittlung des Lastprofils typischer Sportboote auf dem Bodensee
•
Ermittlung der Schadstoffemissionen in Abhängigkeit von der Abgastemperatur
•
Laboruntersuchungen zur Erhöhung der Abgastemperatur im Teillastbetrieb
•
Nachrüstung eines Sportbootes mit einem Oxidationskatalysator
•
Messfahrten mit einem Sportboot mit und ohne Oxidationskatalysator
•
Vorschlag zum Umsetzung der Ergebnisse bei Sportbooten
5
2 Motivation und technischer Hintergrund
Im Folgenden werden die hinter dem vorliegenden Projekt stehenden Grundlagen
des Betriebs von Dieselmotoren auf Binnengewässern mit Biodiesel beschrieben.
2.1 Einsatz von Dieselmotoren auf Binnengewässern
Auf den baden-württembergischen Binnengewässern werden Tausende von Dieselmotoren betrieben. Alleine auf dem Bodensee sind mehr als 7000 Dieselmotoren
registriert. Diese Motoren belasten die Umwelt hinsichtlich verschiedener Aspekte.
Unter anderem sind dies:
•
Im Normalbetrieb der Motoren werden umweltschädliche Abgase emittiert, die
durch entsprechende Vorschriften limitiert werden.
•
Bei Unfällen von Booten kann Dieselkraftstoff in den See oder den Fluss
gelangen.
•
Bei Störungen der am Ufer gelegenen Tankstellen kann Dieselkraftstoff in das
Wasser gelangen.
2.2 Verwendung von Biodiesel für Bootsmotoren
Eine
bewährte
Methode,
mit
der
die
Schadstoffemissionen
und
die
Wassergefährdung verringert werden können, ist die Verwendung von Biodiesel
(Raps-Methyl-Ester, RME), der in die Wassergefährdungsklasse 1 fällt und
weitgehend biologisch abbaubar ist. Biodiesel ist ein Kraftstoff, der aus Rapsöl
gewonnen wird und in einer Umesterungsanlage unter Verwendung von Methanol so
umgewandelt wird, dass er in konventionellen Dieselmotoren problemlos verwendet
werden kann. Biodiesel hat dieselähnliche Eigenschaften und verlangt deswegen
keine Modifikationen am Motor. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass die
verwendeten Schläuche und Dichtungen biodieselbeständig sind, weil Biodiesel
lösungsmittelähnliche Eigenschaften hat. Moderne Dieselmotoren sind bereits für
den Betrieb mit Biodiesel freigegeben, ältere können relativ problemlos durch Tausch
der Schläuche und Dichtungen umgerüstet werden. Die Schadstoffemissionen von
6
Dieselmotoren sind im Biodieselbetrieb im Allgemeinen deutlich besser als im Dieselbetrieb. Lediglich die Stickoxid-Emissionen sind geringfügig höher. Die Bodenseezulassungsbehörde hat deswegen die Verwendung von Biodiesel in Bootsmotoren
generell für alle Dieselmotoren freigegeben.
Die Verwendung von Biodiesel in Dieselmotoren ist bei Fahrzeugen Stand der
Technik. So gibt beispielsweise VW seine Dieselmotoren schon seit Jahren für den
Biodieselbetrieb frei. Bei Bootsmotoren hingegen ist die Verwendung von Biodiesel
noch nicht allgemein üblich. Das liegt daran, dass die weltweit tätigen Hersteller von
Bootsmotoren kein besonderes Interesse daran haben, Untersuchungen speziell für
die, weltweit gesehen, relativ wenigen Motoren auf deutschen Binnengewässern
vorzunehmen. Deswegen wurde im Jahr 2000 ein Projekt initiiert, das sich mit den
Fragen des Einsatzes von Biodiesel in Sportbooten beschäftigt: „Biodiesel und
Sportschifffahrt in der Euregio Bodensee“. Dieses Gemeinschafts-Projekt des
Bodensee-Segler-Verbandes (BSVb), der Arbeitsgemeinschaft Freizeit und Natur
Bodensee e.V. (Arge Fun), des internationalen Motorboot-Verbandes (IBMV) und der
HTWG Konstanz mit Unterstützung der Union zur Förderung von Oel- und Proteinpflanzen (UFOP) lief im Jahr 2006 aus und hat schon wesentliche Erkenntnisse für
den Einsatz von Biodiesel in Sportbooten gebracht. /1/
Beim Einsatz von Biodiesel in Sportbooten ergeben sich spezielle Probleme, die mit
dem typischen Fahrprofil von Sportbooten zusammenhängen: Sportboote werden
üblicherweise nur etwa 30 bis 50 Stunden pro Jahr betrieben. Sie werden oft nicht
betriebswarm, da die täglichen Laufzeiten relativ kurz sind und die Motoren überwiegend im Teillastgebiet betrieben werden. Die Tankfüllungen werden manchmal
nur einmal im Jahr ergänzt, wodurch der Biodieselkraftstoff an die Grenze seiner
Haltbarkeit gelangt. Darüber hinaus werden die Motoren in einer feuchten Umgebung
betrieben, was für den Biodiesel problematisch ist, weil er hygroskopische Eigenschaften hat.
Diese Themen wurden im Rahmen des oben genannten Biodiesel-Projektes wissenschaftlich untersucht, und die Ergebnisse wurden in Form von Empfehlungen für die
Umrüstung veröffentlicht. An dem Biodiesel-Projekt nahmen 26 Boote auf dem
Bodensee teil.
7
Im Rahmen der Untersuchungen hat sich gezeigt, dass die Dieselmotoren von Sportbooten durchaus für den Betrieb mit Biodiesel geeignet sind. Allerdings emittieren
diese Dieselmotoren nach dem Start und beim Manövrieren in Hafennähe einen
biodiesel-typischen Rauch, der unangenehm nach überhitztem Öl riecht und deutlich
sichtbar ist. Dieser Rauch könnte durch eine Abgasnachbehandlung in einem
Oxidationskatalysator beseitigt werden. Im Rahmen des vorliegenden Projektes wird
die Verwendung von Oxidationskatalysatoren bei mit Biodiesel betriebenen
Dieselmotoren untersucht.
2.3 Problemstellung
Oxidationskatalysatoren beseitigen die unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen im Abgas nur dann, wenn der Katalysator eine Mindesttemperatur, die so
genannte Light-off-Temperatur, aufweist. Diese wird bei Volllast des Motors
problemlos erreicht. Viele Sportbootmotoren werden allerdings häufig, insbesondere
beim Rangieren und im Hafen, im Teil- oder Schwachlastgebiet betrieben. In diesem
Betriebsbereich haben die Abgase eine relativ niedrige Temperatur, weswegen der
Oxidationskatalysator gerade in dem Bereich, in dem viele Menschen sind, noch
nicht arbeitet. Die vorliegende Arbeit untersucht Methoden, wie man die
Abgastemperatur von Bootsmotoren anheben kann, um auch im Schwachlastbereich
eine ausreichende Abgastemperatur zu erreichen.
2.4 Verfahren zur Temperaturerhöhung
Moderne Pkw-Dieselmotoren verfügen über elektronische Einspritzsysteme. Mit
diesen ist es relativ einfach möglich, durch späte Einspritzzeitpunkte oder Nacheinspritzungen die Abgastemperatur anzuheben. Auf dem Bodensee werden allerdings
viele alte Motoren verwendet, die noch über mechanische Einspritzsysteme verfügen. Diese Arbeit untersucht deswegen ausschließlich Verfahren zur Erhöhung der
Abgastemperatur, die problemlos an vorhandenen Motoren nachgerüstet werden
können. Die folgenden Abschnitte beschreiben den Stand der Technik bezüglich der
Temperaturerhöhung. Die beschriebenen Methoden fanden bislang nur bei
Ottomotoren vereinzelt Anwendung, der Einsatz dieser Systeme am Dieselmotor war
aufgrund der Abgasgesetzgebung noch nicht erforderlich.
8
Eine Beschreibung der einzelnen im Projekt untersuchten Verfahren erfolgt in Kapitel
3.3.2.
2.4.1 Brenner
Mit Hilfe eines mit Kraftstoff betriebenen Brenners wird der vordere Bereich des
Katalysators
bereits
nach
wenigen
Sekunden
auf
die
erforderliche
Betriebstemperatur gebracht. Dadurch wird eine schnelle Abgasreinigung besonders
für die CO- und HC- Anteile erreicht.
Das System arbeitet mit einer Brennkammer, die unmittelbar vor dem Katalysator
angeordnet ist (s. Abbildung 2.1). Wird vom Temperaturfühler des Katalysators vor
dem Start des Motors eine zu niedrige Temperatur erkannt, so wird der Brenner bei
Inbetriebnahme des Motors mit einem Zeitvorlauf von 1 bis 3 Sekunden gestartet.
Abb. 2.1:
Systemübersicht Brennerheizung /2/
Der dazu benötigte Brennstoff wird dem Einspritzsystem entnommen. Mit der
Sekundärluft wird ein leicht überstöchiometrisches Mischungsverhältnis erzeugt, was
für eine sichere und spontane Zündung (< 0,1s) und geringe Brenneremissionen
erforderlich ist.
2.4.2 Elektrisch beheizter Katalysator
Ein weiteres System, das besonders auf die Verringerung der Kaltstart-HCEmissionen abzielt, ist der elektrisch beheizbare Katalysator. Beim Start des Motors
9
wird ein verhältnismäßig kleines Katalysatorvolumen mit einer großen Menge
elektrischer Energie aufgeheizt. Es wird damit ein sehr schneller Temperaturanstieg
in diesem kleinen Volumen erzielt. Dies reicht aus, um die Anspringtemperatur
dieses Teilvolumens zu überschreiten, so dass bereits sehr früh eine erste
Umsetzung
erreicht
wird.
Da
die
Oxidation
von
CO
und
HC
in
allen
Betriebszuständen das Vorhandensein von Sauerstoff erfordert, wird dieser mit Hilfe
eines Gebläses in den Abgaskrümmer eingebracht. Die Luftzufuhr wird dabei so
eingestellt, dass einerseits genügend Sauerstoff zur Oxidation der unverbrannten
Abgasbestandteile zur Verfügung steht, andererseits eine Abkühlung des Abgases
durch zu hohen Luftüberschuss vermieden wird. /3/ Die Exothermie dieser Reaktion
erzeugt nun weitere Wärme, um das nachfolgende System, bestehend aus einem
Vorkatalysator und einem Hauptkatalysator, aufzuheizen, und damit zu aktivieren (s.
Abbildung 2.2). Man spricht auch von einem Kaskadenkonzept.
Abb. 2.2:
Systemübersicht elektrisch beheizter Katalysator /3/
Da mit der zugeführten elektrischen Energie zunächst einmal die Eigenmasse des
Heizelements aufgeheizt werden muss, bevor Wärme an das Abgas übertragen wird,
ist der Einsatz leichter Heizelemente mit möglichst kleinem Durchmesser für ein
gutes Anspringverhalten empfehlenswert. Eine katalytische Beschichtung des
Heizelements ist absolut erforderlich. Die zusätzliche Energie, die für das Aufheizen
der Beschichtung notwendig ist, wird durch die Reaktionswärme der ersten
Konversion am Heizer bei weitem kompensiert. /4/
Die Aufheizung des gesamten Konverters erfolgt mit Hilfe dieser elektrischen
„Initialzündung“ sehr viel schneller als bei einem passiven System.
10
Der elektrisch beheizte Katalysator selbst besteht aus einer metallischen Matrix, die
entweder aus gewickelten Folienpaketen, ähnlich Metallkatalysatoren, oder aus
pulvermetallisch extrudierten und gesinterten Metallstrukturen hergestellt ist. Durch
Anlegen einer elektrischen Spannung entsteht über den ohmschen Widerstand die
Heizwärme. /5/
Die Stromversorgung des E-Kat ist ein besonderes Problemfeld, da sie gravierende
Rückwirkungen auf das Bordnetz und den Motorbetrieb hat. Auch der E-Kat selbst
unterliegt einem noch nicht abgeschlossenen Optimierungsprozess mit den
Parametern beheizte Masse, aktive Oberfläche und Heizleistung, obwohl in der
letzten Zeit deutliche Fortschritte gemacht wurden.
- Batterie
Bei Systemen mit einer Batterie erfolgt die Versorgung des E-Kat aus der
Bordbatterie und aus dem Generator. Die Stromverteilung ist abhängig von der
Generator- und Batteriegröße sowie von den zugeschalteten Verbrauchern. Ein
großer Generator entlastet die Batterie, hat aber Einfluss auf den Motorbetrieb durch
Lastaufschaltung.
Wird eine zusätzliche Batterie ausschließlich für den E-Kat benutzt, kann eine höhere
Lebenserwartung realisiert werden. Zur Gewährleistung einer ausreichend hohen
Lebensdauer muss die Batterie unbedingt vor einer Tiefentladung geschützt werden.
Als Alternative besteht die Möglichkeit, durch Serienschaltung zweier Batterien, also
im 24-Volt-Betrieb, den Entnahmestrom zu senken. Das Laden der Batterien erfolgt
nach Parallelschaltung der Batterien.
- Generator
Für den erhöhten Leistungsbedarf des E-Kat bei großvolumigen Motoren besteht die
Möglichkeit, den Generator direkt auf den E-Kat aufzuschalten. Dazu muss der
Generator während des Heizbetriebs vom Bordnetz getrennt werden. Höhere
Spannungen ergeben sich mit einem ungeregelten oder umschaltbaren geregelten
Generatorbetrieb. Dadurch wird eine höhere Generatorleistung während des E-KatBetriebs erreicht.
11
Vorteile der höheren Spannungen sind verkleinerte Leitungsquerschnitte, ein höherer
Wirkungsgrad und eine geringere Auswirkung auf die Batterielebensdauer. Der
grundlegende Nachteil dieser Lösung ist die Trennung des Bordnetzes während der
Heizzeit, da in dieser Zeit allein die Batterie die Fahrzeugelektrik versorgen muss.
Aus diesem Grund muss die Batterie auf ihren Spannungs- bzw. Ladungszustand
überwacht werden.
- Dauerhaltbarkeit
Für die Dauerhaltbarkeitsprüfung von Batterien für den E-Kat wurde ein spezieller
Energietestzyklus entwickelt (s. Abbildung 2.3). Die Stromanforderungen für einen
Heizzyklus wurden auf 200 bzw. 350 A definiert. Dies führt zu einer Raffung der
Alterung und deckt alle zurzeit bekannten Anforderungen ab. Die Heizzyklen sind so
angeordnet, dass nicht nach jeder Heizphase eine Ladephase folgt. Im Neuzustand
und nach jeweils 1000 Zyklen werden folgende Tests durchgeführt:
-
Kapazitätsprüfung
-
Kaltstartprüfung
-
Aufnahmen der Entladekurven bis 6 V bei verschiedenen Ladezuständen bei
200 A und 350 A bei 5 °C
Abb. 2.3:
Prüfzyklus zur Dauerhaltbarkeit /5/
12
3 Praxisuntersuchungen
Die im Rahmen diese Projektes durchgeführten Praxisuntersuchungen gliedern sich
in zwei Onboard-Messreihen auf dem Bodensee, umfangreichen Laboruntersuchungen sowie Begleituntersuchungen. Diese Untersuchungen und deren Ergebnisse werden in den nachfolgenden Unterkapiteln im Detail vorgestellt
3.1 Lastprofilmessungen auf Sportbooten
Die Abgasgesetzgebung für Schiffe und Sportboote auf dem Bodensee ist in der
Bodensee-Schifffahrts-Ordnung (BSO) geregelt. Diese beinhaltet unter Anderem
einen Fahrzyklus für Wasserfahrzeuge, welcher bei den Emissionsmessungen im
Rahmen einer Typzulassung eines bestimmten Motors auf dem Bodensee
Anwendung findet.
Die einzelnen Messpunkte des BSO-Zykluses sind in der nachfolgenden Tabelle
(Abb. 3.1) aufgelistet:
Abb. 3.1:
Messpunkt
Drehzahl
Leistung
Wichtungsfaktor
1
n_Leerlauf
0
0,3
2
0,4*n_Nenn
0,1012*P_vn
0,1
3
0,5*n_Nenn
0,1768*P_vn
0,1
4
0,6*n_Nenn
0,2789*P_vn
0,1
5
0,7*n_Nenn
0,4100*P_vn
0,2
6
0,8*n_Nenn
0,5724*P_vn
0,05
7
0,9*n_Nenn
0,7684*P_vn
0,05
8
n_Nenn
P_vn
0,05
9
n_Pmax
P_max
0,05
Abgaszyklus der Bodenseeschifffahrtsordnung (BSO) /6/
Die im Rahmen der Untersuchungen dieses Projekts durchgeführten Messreihen
basieren auf diesem Zyklus, allerdings unter Berücksichtigung der realen
13
Betriebsprofile von Sportbooten. Dabei wird insbesondere den Bereichen besondere
Bedeutung zugemessen, in denen die Abgastemperatur unterhalb der sog. „LightOff-Temperatur“ gängiger Abgasnachbehandlungssysteme liegt.
Zu Beginn des Projektes wurden daher auf zwei Freizeitbooten (Segelboot
„Technica“ und Motorboot „Splendid“) über einen längeren Zeitraum hinweg die
während des normalen Betriebs gefahrenen Lastzyklen gemessen.
Dazu wurde auf den Booten ein mobiles Datenerfassungssystem installiert, mit
welchem die Verläufe von Motordrehzahl sowie Abgas- und Öltemperaturen
kontinuierlich gemessen wurden. Aufgrund der speziellen Anforderungen an dieses
Datenfassungssystem musste dieses zuerst entworfen werden sowie bereits
vorhandene Sensoren für den Einsatz an verschiedenen mechanisch gesteuerten
Motoren angepasst werden.
Die gewonnenen Daten dienen dazu, die einzelnen Lastpunkte des von der
Bodenseeschifffahrtsordnung vorgeschriebenen Emissionsprüfzyklus (BSO-Zyklus)
hinsichtlich ihrer Relevanz für den realen Einsatz von Freizeitbooten zu beurteilen.
Aus den durchgeführten Lastprofilmessungen ergibt sich, dass insbesondere die
Prüfpunkte 1…4 des BSO-Zyklus (Leerlauf sowie drei Schwach- bzw. Teillastpunkte)
den überwiegenden Teil des realen Betriebs sowohl eines Segelbootes als auch
eines Motorbootes abdecken.
Daher soll bei den folgenden Emissionsmessungen diesen Prüfpunkten besondere
Bedeutung zugemessen werden.
Nachfolgend
wird
jeweils
ein
Beispiel
des
typischen
Betriebsprofils
Verbrennungsmotors einer Segeljacht sowie eines Motorboots dargestellt.
14
des
3.1.1 Segelboot
Abbildung 3.2 zeigt ein typisches Lastprofil des Segelboots „Technica“. Auffallend ist
hierbei, dass zu keinem Zeitpunkt eine Abgastemperatur von 200 °C erreicht wurde.
Insbesondere die Verbrennungsmotoren in Segelbooten werden sehr oft nur
kurzzeitig zur Hafenaus- bzw. –einfahrt oder als „Flautenschieber“ benutzt.
200
180
Drehzahl / 10
Abgastemperatur
160
140
120
100
80
60
40
20
0
120
220
320
420
520
Messzeit [s]
Abb. 3.2:
Lastprofil eines Segelboots
15
620
720
820
3.1.2 Motorboot
Abbildung 3.3 zeigt ein typisches Lastprofil des Motorboots „Splendid“. Im
Unterschied
zum
Segelboot
werden
hier
in
Teilbereichen
durchaus
Abgastemperaturen deutlich oberhalb 200 °C erzielt, der Schwach- und Teillastanteil
überwiegt hier dennoch.
450
Drehzahl/10 [U/min]
Abgastemperatur [°C]
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
200
400
600
800
Messzeit [s]
Abb. 3.3:
Lastprofil eines Motorboots
16
1000
1200
1400
3.2 Onboard-Messungen mit Serienkatalysator
Um den Status quo der Abgasnachbehandlung bei Freizeitbooten zu dokumentieren,
wurde zu Beginn des Projekts eine Onboard-Messreihe mit einem Motorboot mit
nachgerüstetem handelsüblichen Oxidationskatalysators durchgeführt.
3.2.1 Daten des verwendeten Bootes
Für die Durchführung der Messfahrten im Realbetrieb eines Freizeitbootes wurde aus
dem vorangegangen Biodiesel-Projekt das Motorboot „Splendid“ mit einem
6-Zylinder-Saugdieselmotor
ausgewählt.
Dieses
Boot
war
bereits
an
den
Lastprofilmessungen beteiligt. Weiterhin bietet es wesentlich bessere räumliche
Verhältnisse für Modifikationen an der Abgasanlage und den Betrieb von (Abgas-)
Messtechnik als ein Segelboot.
Das Boot weist eine trockene Abgasführung auf, was die Nachrüstung eines
Oxidationskatalysators
wesentlich
vereinfacht.
Dabei
wird
die
gesetzlich
vorgeschriebene motornahe Abkühlung der Abgase durch einen doppelwandigen
Abgaskrümmer mit Kühlwassermantel realisiert. Die Abgase selbst kommen nicht in
direkten Kontakt mit dem Kühlmedium.
Im Gegensatz dazu werden bei einer nassen Abgasführung die Abgase des Motors
zur Kühlung direkt nach dem Abgaskrümmer mit dem Kühlwasser vermischt und
somit abgekühlt.
Technische Daten des Motors:
-
Thornicraft-TD-Mandoria SW400/M5/1
-
6-Zylinder–4-Takt Dieselmotor, direkteinspritzend
-
Max. Leistung:
-
Max. Drehmoment: 406 Nm bei 1600 1/min
-
Hubraum:
6540 cm3
-
Einspritzpumpe:
Reiheneinspritzpumpe CAV 107800735
-
Einspritzdüse:
Vierlochdüse
77 kW bei 1600 1/min
17
Abbildung 3.4 zeigt das Boot, Abbildung 3.5 den im Rumpf eingebauten Motor.
Abb. 3.4:
Boot der ersten Onboard-Messreihe
Abb. 3.5:
Motorraum des Bootes der ersten Onboard-Messreihe
18
3.2.2 Nachrüstung mit einem Oxidationskatalysator
Ein für den Motor des oben beschriebenen Sportbootes passend ausgelegter
Oxidationskatalysator ist z. B. der Typ 716.382 der Fa. Oberland-Mangold.
Dabei handelt es sich um einem Metallträger, welcher mit 50 g/ft³ EM beschichtet ist.
Weitere Technische Daten des Katalysators sind:
Matrix:
∅ 200 mm * 152 mm
Mantel:
∅ 203 mm * 172 mm
Der Katalysator wurde anstelle des vorhandenen Schalldämpfers in die Abgasanlage
des Bootes eingebaut. Messstellen für Temperatur und Emissionen vor und nach
dem Katalysator erlauben Vergleichsmessungen im laufenden Betrieb ohne
aufwändige Umbaumaßnahmen.
Abbildung 3.6 zeigt den für den Einbau im Motorboot „Splendid“ vorbereiteten
Katalysator mit Anschlussrohren und –flanschen.
Abb. 3.6:
Oxi-Kat für den Einbau im Motorboot „Splendid“ vorbereitet
19
3.2.3 Messfahrten mit und ohne Oxidationskatalysator
Mit dem umgerüsteten Freizeitboot wurden Messfahrten im Realbetrieb auf dem
Bodensee
durchgeführt.
Für
diese
Messkampagne
wurde
ein
portables
Emissionsmessgerät „Semtech-D“ von der Fa. Sensors Europe angemietet. Mit
diesem Gerät können die gesetzlich limitierten Schadstoffkomponenten (CO, HC,
NOx) mit einer zu stationären Emissionsmessanlagen vergleichbaren Genauigkeit
ortsunabhängig gemessen werden.
Den Messfahrten lag der bereits erwähnte BSO-Zyklus zu Grunde. Dieser wurde in
folgenden Varianten gefahren:
•
Normaler Dieselkraftstoff, ohne Katalysator (Referenzfahrt)
•
Normaler Dieselkraftstoff, mit Katalysator
•
Raps-Methyl-Ester (RME; Biodiesel), ohne Katalysator
•
Raps-Methyl-Ester (RME, Biodiesel), mit Katalysator
Zusätzlich zu den Emissionen wurden in jedem Betriebspunkt die Motordrehzahl
sowie die Abgastemperaturen vor und nach dem Katalysator gemessen.
Die nachfolgenden Abbildungen zeigen den Verlauf von Drehzahl, Temperaturen und
Emissionen der einzelnen Varianten.
20
Abb. 3.7:
Drehzahlvergleich der einzelnen Varianten
Abb. 3.8:
Temperaturvergleich der einzelnen Varianten
21
Abb. 3.9:
Vergleich der HC-Emissionen der einzelnen Varianten
Abb. 3.10:
Vergleich der CO-Emissionen der einzelnen Varianten
22
Abb. 3.11:
Vergleich der NOx-Emissionen der einzelnen Varianten
Aufgrund des Verlaufs der Drehzahl (Abb. 3.7) und der Abgastemperaturen (Abb.
3.8) ist erkennbar, dass bei allen gefahrenen Varianten gleiche Messbedingungen
vorlagen und die gemessenen Emissionen dadurch vergleichbar sind.
Die Temperaturmessungen (Abb. 3.8) zeigen, dass für die im Realbetrieb
hauptsächlich
relevanten
Prüfpunkte
1…4
die
Abgastemperatur
am
Oxidationskatalysator unter 200 °C liegt. Eine Temperatur von 200 °C gilt nach
Aussage der Katalysatorhersteller jedoch als untere Grenztemperatur für die
Konvertierung.
Die gemessenen Emissionsverläufe bestätigen diese Theorie.
Die Emissionsverläufe der gesetzlich limitierten Komponenten HC, CO und NOx sind
als Konzentrationen (ppm) aufgetragen (Abb. 3.9 – 3.11).
Sowohl bei den HC-Emissionen als auch bei den CO-Emissionen ist deutlich
erkennbar,
dass
eine
signifikante
Konvertierung
der
Schadstoffe
erst
bei
Abgastemperaturen von ca. 180 °C (HC) bzw. 230 °C (CO) einsetzt. Bei höheren
Abgastemperaturen steigt die Konvertierungsrate stark an.
23
Erwartungsgemäß
hat
der
Einbau
eines
Oxidationskatalysators
keinen
nennenswerten Einfluss auf die NOx-Emissionen.
Insgesamt können die Messergebnisse als erfreulich bewertet werden. Bereits durch
Adaption eines handelsüblichen Oxidationskatalysators können die Emissionen
biodieselbetriebener Freizeitboote gesenkt werden. Der subjektive Eindruck des
Bootsbesitzers war ebenfalls positiv, insbesondere die Geruchsentwicklung durch
Biodiesel („Fritten“-Geruch) ist durch den Einbau des Katalysators deutlich
zurückgegangen.
Wie die Messungen allerdings zeigen, wird das Konvertierungspotential des
Katalysators
durch
die
im
typischen
Betrieb
vorherrschenden
niedrigen
Abgastemperaturen nicht voll ausgenutzt.
Die auf diesen Zwischenergebnissen aufbauenden Laborversuche zur Erhöhung der
Abgastemperatur bzw. der Katalysatortemperatur im Teillastbetrieb werden in den
nachfolgenden Kapiteln beschrieben.
24
3.3 Laboruntersuchungen zur Temperaturerhöhung
Basierend auf den Ergebnissen der ersten Onboard-Messreihe wurden verschiedene
Maßnahmen zur Temperaturerhöhung des Katalysators bzw. des Abgases an der
Katalysatorposition im Labor für Verbrennungsmotoren an der HTWG Konstanz
untersucht.
Aufbau und Ergebnisse dieser Versuche werden in den nachfolgenden Kapiteln
vorgestellt.
3.3.1 Daten des Prüfstandmotors
Für die Laboruntersuchungen wurde ein Dieselmotor verwendet, welcher auf einem
der Prüfstände im Labor für Verbrennungsmotoren aufgebaut ist. Es handelt sich
dabei um einen Iveco-Motor vom Typ 8140.47 mit folgenden Daten:
-
4-Zylinder-4-Takt-Dieselmotor, direkteinspritzend, mit Abgasturbolader
-
Abgasturbolader:
KKK K14, max. Ladedruck 1,1 bar
-
Max. Leistung:
78 kW bei 3800 1/min
-
-
Hubraum:
2499 cm3
-
Einspritzpumpe:
Bosch VE R 293
-
Einspritzdüse:
Bosch DLLA 160 P85, 240 bar Öffnungsdruck
Zur genauen Beurteilung der Temperaturverhältnisse befinden sich an folgenden
Stellen Temperatursensoren:
Ansaugseitig:
1.)
hinter dem Luftfilter
2.)
vor dem Abgasturbolader
3.)
nach dem Abgasturbolader
4.)
vor Ladeluftkühler
5.)
nach Ladeluftkühler
6.)
im Saugrohr vor dem Motor
25
Abgasseitig:
7.)
vor dem Katalysator
9.)
ca. 1,5 m nach dem Katalysator
8.)
direkt nach dem Katalysator
Die weitere Messtechnik des Prüfstands umfasst Druckmessstellen im Ansaug- und
Abgastrakt, Temperaturmessstellen für Betriebsflüssigkeiten sowie die Messung des
Ansaugluftmassenstroms.
Die Abbildungen 3.12 zeigt den auf dem Prüfstand aufgebauten Motor.
Abb. 3.12:
Prüfstandsmotor der Laboruntersuchungen
26
3.3.2 Übersicht über die untersuchten Verfahren
Eine Erhöhung der Abgastemperatur am Oxidationskatalysator lässt sich prinzipiell
auf mehrere Arten erzielen:
•
Dynamische Verschiebung des Förderbeginns der Einspritzpumpe bei
niedrigen Drehzahlen in Richtung „spät“
•
Verringerung
der
Wärmeverluste
des
Abgases
auf
dem
Weg
zum
Oxidationskatalysator
•
Zusätzliche Erwärmung der Abgase vor dem Katalysator bzw. direkte
Beheizung des Katalysators
•
Erwärmung der Ansaugluft des Motors
•
Drosseln des Motors
•
„Drücken“ des Motors
Da es sich bei dem untersuchten Motor wie bei der Mehrzahl der Bootsmotoren in
Sportbooten um einen mechanisch geregelten Motor ohne Motorelektronik handelt,
ist eine dynamische Beeinflussung des Förderbeginns nur mit großem Aufwand zu
realisieren und erscheint daher als Nachrüstlösung ungeeignet.
Zur Verringerung der Wärmeverluste des Abgases auf dem Weg zum Katalysator
bietet sich einerseits die Möglichkeit, das Abgasrohr zu isolieren, um die
Wärmeabgabe an die Umgebung zu minimieren. Zusätzlich dazu erhöht auch eine
möglichst motornahe Positionierung des Katalysators prinzipiell die verbleibende
Abgastemperatur am Katalysator.
Um mit dieser Methode eine signifikant höhere Temperatur am Katalysator zu
erzielen, sind jedoch mehrere kleine, möglichst direkt im Abgaskrümmer platzierte,
Katalysatoren anstelle eines großen zentralen Katalysators erforderlich. Diese sind
am Markt derzeit noch nicht standardmäßig verfügbar, so dass eine Untersuchung
dieses Verfahrens nicht weiter verfolgt wurde.
Die Untersuchungen in diesem Projekt konzentrieren sich daher auf die zusätzliche
Erwärmung des Katalysators bzw. des Abgasstromes sowie der Ansaugluft. Dazu
bieten sich prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Wärmeerzeugung an, auf die in den
folgenden Kapiteln näher eingegangen wird:
27
•
Heizung mittels elektrischer Widerstandsheizung
•
Heizung mittels zusätzlicher Verbrennung von Kraftstoff
Als weitere Möglichkeit bietet sich evtl. noch das induktive Heizen an. Allerdings ist
dort der elektronische Schaltungsaufwand im Vergleich zu einer Widerstandsheizung
bedeutend höher, weshalb diese Möglichkeit nicht weiter verfolgt wird. Außerdem
muss beim induktiven Heizen auch den zu erwärmenden Metallen besondere
Bedeutung zugemessen werden. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass sich
die im Katalysatorbau üblicherweise verwendeten Materialien dafür nicht oder nur
bedingt eignen.
Parallel dazu wurde das Potenzial der Methoden „Drosseln“ sowie „Drücken“
untersucht.
Bei allen Varianten wurden vorrangig die BSO-Lastpunkte 1 und 2 angefahren, da
bei diesen Punkten die Abgastemperatur des Prüfstandsmotors unterhalb der vom
Katalysatorhersteller genannten „kritischen Grenze“ (200 °C) liegt.
Diese beiden Betriebszustände machen 40 % des Zyklus aus, am tatsächlichen
Fahrbetrieb eines Sportbootes auf dem Bodensee haben diese Lastzustände einen
noch größeren Anteil (s. Kap. 3.1).
3.3.3 Direkte Erwärmung des Abgasstroms
Die direkte Erwärmung des Abgasstroms erscheint zunächst als naheliegendste
Methode, um die Temperatur am Katalysator in den Arbeitsbereich (T < 200 °C)
anzuheben. Diese Erwärmung kann entweder mittels einer elektrischen Heizung oder
mittels zusätzlicher Verbrennung von Kraftstoff im Abgastrakt erfolgen. Beide
Methoden werden nachfolgend untersucht.
28
3.3.3.1Beheizung mittels elektrischer Widerstandsheizung
Verglichen mit anderen Verfahren zur Temperaturerhöhung eines Oxidationskatalysators bzw. des ihn durchströmenden Abgasmassenstromes ist die direkte
Beheizung mittels einer elektrischen Widerstandsheizung einfach auszulegen und zu
adaptieren. Kritisch ist allerdings die – insbesondere beim ununterbrochenen Betrieb
über einen längeren Zeitraum – erforderliche elektrische Energie, welche an Bord
des Wasserfahrzeuges bereitgestellt werden muss. Dies erfordert in der Regel die
Installation zusätzlicher Batteriekapazität und ggf. einer Lichtmaschine mit höherem
Ladestrom. Weiterhin erfordern die – aufgrund der niedrigen Bordnetzspannung von
12 V bzw. 24 V – sehr hohen Ströme (abhängig von der Heizleistung im Bereich von
einigen
hundert
Ampere)
entsprechend
dimensionierte
Sicherungen,
Kabelquerschnitte und Schaltelemente.
Bei der Auslegung des Heizelements wurde als Zieltemperatur die sog. „Light-OffTemperatur“ eines Oxidationskatalysators von 200 °C festgelegt. Die dazu
erforderliche Heizleistung ist abhängig vom zu beheizenden Abgasmassenstrom und
der gewünschten Temperaturänderung.
Aus diesen Randbedingungen lässt sich die erforderliche Heizleistung wie folgt
berechnen:
Q = m Abgas * c p , Abgas * ΔT
Für eine erste Auslegung wurden folgende Randbedingungen angenommen
(entspricht BSO-Punkt 1 des Prüfstandsmotors):
-
Abgasmassenstrom: 60 kg/h (0,016 kg/s)
-
gewünschte Temperaturerhöhung: 100 K
-
spezifische Wärmekapazität (Abgas): 1,136 kJ/kgK
Daraus ergibt sich eine notwendige Heizleistung von ca. 1600 Watt.
Ein dieser ersten Auslegung entsprechendes Heizelement konnte von der Fa. Emitec
in Form eines elektrisch beheizbaren unbeschichteten Katalysatorträgers bezogen
29
werden. Dieser kann sowohl mit 12 V als auch mit 24 V Versorgungsspannung
betrieben werden, wodurch sich folgende Heizleistungen ergeben:
Aus
P =U *I
und
I=
U
R
ergibt sich
P=
U2
R
R = konstant (Widerstandswert des Heizelements)
beim gewählten Träger: R = 0,08 Ω
Damit ergeben sich folgende Leistungsdaten des Heizelements:
Versorgungsspannung
Strom
Heizleistung
12 V
150 A
1800 W
24 V
300 A
7200 W
Für die Durchführung der Versuche wurde der serienmäßige Oxidationskatalysator
des Iveco-Motors durch das Heizelement ersetzt. Abbildung 3.13 zeigt den für den
Einbau am Prüfstand vorbereiteten Versuchsträger. Vor und nach dem Heizelement
ist jeweils ein Thermoelement im Abgasstrom angebracht worden.
Abb. 3.13:
Heizelement (unbeschichteter el. beheizbarer Katalysatorträger) für den Prüfstandsaufbau vorbereitet
30
Bei der Durchführung der Prüfläufe wurde zunächst die Drehzahl eines Messpunktes
solange gehalten, bis sich eine konstante Abgastemperatur eingestellt hatte,
anschließend wurde die Heizung für 360 s eingeschaltet. Beim zweiten Messpunkt
wurde genauso verfahren.
Bei den Messungen der ersten Versuchsreihe wurde das Heizelement mit 12 V
Spannung aus zwei parallel geschalteten Batterien (2 * 85 Ah) gespeist. Die
Messungen der zweiten Versuchsreihe wurden mit 24 Volt Spannung aus zwei in
Reihe geschalteten Batterien (85 Ah) durchgeführt. Laut Herstellerangaben stehen
bei 12 V 1800 W Heizleistung und bei 24 V 7200 W zur Verfügung.
Abbildung 3.14 zeigt den Drehmoment-, Drehzahl- sowie Massenstromverlauf der
ersten Versuchsreihe. Die Verläufe der zweiten Versuchsreihe sind grundsätzlich
gleich, es wurde lediglich bereits nach 1440 s der zweite Messpunkt angefahren.
Abb. 3.14:
Drehmoment-, Drehzahl- sowie Massenstromverlauf der ersten Versuchsreihe
Abbildung 3.15 zeigt einen Temperaturverlauf der ersten Versuchsreihe. Dabei ist
eine deutliche Steigerung der Abgastemperatur zu erkennen.
31
BSO 1
Heizung aus
Abb. 3.15:
an
aus
BSO 2
Heizung aus
an
aus
Temperaturverlauf der ersten Versuchsreihe
Die tatsächlich erreichte Heizleistung liegt bei ca. 1,5 kW (Abbildung 3.16), die
Differenz
zwischen
elektrischer
Heizleistung
und
Wärmestrom
kann
auf
Energieverluste in den Kabeln zurückgeführt werden. Darüber hinaus strahlt das
Heizelement und die Abgasleitung Wärme an die Umgebung ab, dies erklärt
insbesondere die größere Differenz beim zweiten Einschalten der Heizung.
BSO 1
Heizung aus
Abb. 3.16:
an
aus
BSO 2
Heizung aus
an
aus
Temperaturdifferenz, Ansaugluftmenge, Wärmestrom und el. Heizleistung der ersten
Versuchsreihe
32
Die
Abbildungen
3.17
und
3.18
dokumentieren
Messungen
der
zweiten
Versuchsreihe. Die Ergebnisse decken sich mit denen der ersten Versuchsreihe.
Besonders in Abbildung 3.18 wird deutlich, dass die zwei Batterien nur sehr kurz eine
so große elektrische Heizleistung zur Verfügung stellen können.
BSO 1
Heizung aus
Abb. 3.17:
an
aus
BSO 2
Heizung aus
an
Temperaturverlauf der zweiten Versuchsreihe
33
aus
BSO 1
Heizung aus
Abb. 3.18:
an
aus
BSO 2
Heizung aus
an
aus
Temperaturdifferenz, Ansaugluftmenge, Wärmestrom und el. Heizleistung der zweiten
Versuchsreihe
In einer dritten Reihe von Laboruntersuchungen wurden aufgrund der Erkenntnisse
dieser ersten Messreihe die Randbedingungen wie folgt verändert:
-
Beschränkung der Versuche auf eine Heizleistung von max. 1800 W
-
Erhöhung der Batteriekapazität auf 400 Ah bei 12 V
Die Ergebnisse dieser dritten Messreihe sind mit denen der ersten beiden
Messreihen vergleichbar. Die geringfügig höheren Abgastemperaturen nach dem
Heizelement resultieren aus einer etwas höheren Versorgungsspannung unter Last,
bedingt durch die 2,5-fache Batteriekapazität.
Durch die direkte Beheizung des Katalysator-Trägers ist davon auszugehen, dass die
Temperatur des Trägers und somit auch die eines direkt beheizbaren Katalysators
bei dieser Art der Beheizung höher als die hier über die Abgastemperaturen
gemessene ist.
34
Allerdings
sind
derzeit
noch
keine
direkt
elektrisch
beheizbaren
Oxidationskatalysatoren für Dieselmotoren erhältlich, weshalb zum heutigen
Zeitpunkt nur mittels eines unbeschichteten elektrisch beheizbaren Trägers der
Abgasstrom erwärmt werden kann.
ohne Heizung
mit Heizung
ohne Heizung
mit Heizung
BSO Punkt1
BSO Punkt1
BSO Punkt2
BSO Punkt2
250
Temperatur in °C
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Zeit in s
Abb. 3.19:
1
2
3
4
Temperatur nach Kat Versuch 1
Temperatur vor Kat Versuch 2
Temperaturverlauf der Messreihen 1 bis 3 des Versuchsaufbaus „elektrische Beheizung
abgasseitig“
A llg e m e in
S tufe
V e rsu ch 1
V e rsu ch 2
Tem p. vor Tem p. nac h Tem p. vor
D rehz ahl M om ent
K
ataly s ator K ataly s ator K ataly s ator
[N m ]
[m in -1 ]
[°C ]
[°C ]
[°C ]
800
800
1500
1500
Abb. 3.20:
5,0
5,0
40,0
40,0
78,9
83,1
168,3
170,0
80,7
201,7
173,0
228,9
70,8
77,1
164,8
168,4
V e rsu ch 3
Tem p. nac h
K ataly s ator
[°C ]
Tem p. vor
K ataly s ator
[°C ]
Tem p. nac h
K ataly s ator
[°C ]
72,7
193,0
169,4
226,7
76,4
83,5
166,3
169,5
78,4
196,8
171,3
226,8
Gemittelte Temperaturen der letzten 60 s der Stufe von den Messreihen 1 bis 3 des Versuchsaufbaus
„elektrische Beheizung abgasseitig“
35
Ergebnis:
Eine direkte elektrische Beheizung des Abgasstromes führt zu einem schnellen
deutlichen Temperaturanstieg. Um die Light-Off-Temperatur von 200 °C zu
erreichen, ist bei einer Motorleistung von 0,42 kW eine Heizleistung von ca. 1,8 kW
(BSO-Punkt 1) bzw. bei einer Motorleistung von 6,28 kW eine Heizleistung von ca.
1,3 kW (BSO-Punkt 2) erforderlich.
Die Abgastemperatur reagiert innerhalb von wenigen Sekunden auf die Aktivierung
der Heizung.
3.3.3.2Beheizung mittels zusätzlicher Verbrennung von Kraftstoff
Die Beheizung von Luftmassenströmen durch die Verbrennung von Kraftstoff in
einem im Luftstrom installierten Brenner wird in bestimmten Anwendungsgebieten
von Dieselmotoren als Kaltstarteinrichtung eingesetzt. Dabei wird eine sog.
„Flammglühkerze“ im Ansaugrohr eingebaut, welche die Ansaugluft erwärmt. Die
Flammglühkerze wird – ähnlich einer im Brennraum eingebauten Glühkerze – vor
dem Motorstart für einige Sekunden elektrisch vorgeglüht, anschließend wird beim
Motorstart über eine zusätzliche elektrische Kraftstoffpumpe Dieselkraftstoff auf den
heißen Glühstift gespritzt, welcher sich dort entzündet und somit die Ansaugluft
erwärmt. Dieses Verfahren hat sich seit Jahren insbesondere in leichten und
schweren Nutzfahrzeugen sowie in Land- und Baumaschinen bewährt.
Die Applikation einer solchen Einrichtung im Abgasstrom stellte dagegen
weitestgehend Neuland dar. Aufgrund des hohen Restsauerstoffgehalts von
dieselmotorischem Abgas im Schwach- und Teillastbetrieb ist die zusätzliche
Verbrennung von Kraftstoff im Abgasrohr jedoch prinzipiell möglich. Bisherige
Anwendungsgebiete dieses Heizprinzips liegen im Eisenbahnbereich. Erst in den
letzten Monaten hielt diese Technik auch in kleineren Motoren Einzug (z.B. Toyota
Avensis D-CAT) bzw. wurde als eigenständiges Brennersystem der Öffentlichkeit
vorgestellt (Eberspächer „Fuel Processor“).
Die Vorteile einer solchen Brennerheizung liegen hauptsächlich im Bereich der
Energieversorgung. Der Strombedarf einer Flammglühkerze ist verglichen mit einer
36
rein elektrischen Heizung sehr gering, der Hauptenergieträger Diesel ist sowieso an
Bord vorhanden.
Weiterhin ist mit einer Brennerheizung eine schnellere Erwärmung möglich,
weswegen die Auswirkungen von Lastwechseln schneller ausgeglichen werden
können.
Kritisch zu betrachten sind evtl. nachteilige Emissionsänderungen durch die
zusätzliche Verbrennung.
Für diese Versuchsreihen wurde anstelle des elektrisch beheizbaren Katalysatorträgers eine von der Heizleistung passende Flammglühkerze aus dem Sortiment der
Fa. Beru ausgewählt und in das Abgassystem des Prüfstandsmotors eingebaut.
Mit zwei Temperatursensoren wird die Abgastemperatur nach der Flammglühkerze
gemessen.
Ein
Temperatursensor
befindet
sich
ca.
150 mm
nach
der
Flammglühkerze, ein zweiter ca. 300 mm nach der Flammglühkerze. Es wird davon
ausgegangen, dass Sensor 1 sich bei aktivierter Kerze noch in der Flammenfront
befindet, Sensor 2 dagegen außerhalb der Flamme nur noch die Temperatur des
erwärmten Abgasstromes misst.
Der Kraftstoffverbrauch der Flammglühkerze wird gravimetrisch über eine Waage
erfasst.
Abbildung 3.21 zeigt die verwendete Flammglühkerze der Fa. Beru, Abbildung 3.22
die eingebaute Flammglühkerze im Abgassystem.
Abb. 3.21:
Flammglühkerze
Abb. 3.22:
37
Flammglühkerze im Abgassystem
Für die elektrische Ansteuerung der Flammglühkerze musste ein eigenes
Vorschaltgerät entworfen und gebaut werden, da die dafür üblicherweise
verwendeten Steuergeräte nur für die Anwendung als Kaltstarthilfe geeignet sind. Bei
der Beheizung des Abgasstromes zur Katalysatorabweichung ist jedoch ein anderes
Betriebsverfahren erforderlich.
Als Basis für das neu entwickelte Steuergerät diente eine Schaltung zur Ansteuerung
eines Wechselblinkers, bei der das Taktverhältnis stufenlos eingestellt werden kann.
Diese Schaltung wurde um eine Transistorendstufe erweitert, mit der die
erforderlichen Ströme direkt geschaltet werden können.
Mit diesem Vorschaltgerät ist es möglich, die Kerze mit einer hohen Spannung
schnell
vorzuglühen,
um
anschließend
im
Betrieb
durch
ein
verändertes
Taktverhältnis die Spannung entsprechend der Herstellervorgabe zu reduzieren.
Durch
das
stufenlos
einstellbare
Taktverhältnis
lässt
sich
dabei
die
„Erhaltungsspannung“ in weiten Bereichen für die Anwendung bei unterschiedlichen
Abgasmassenströmen variieren.
Der Wechsel zwischen den einzelnen Betriebsmodi (Aus, Vorglühen, Dauerbetrieb)
erfolgt über einen Drehschalter, Kontroll-LEDs zeigen den jeweiligen Betriebszustand
an.
Abbildung 3.23 zeigt das Prinzipschaltbild des Steuergerätes.
Abb. 3.23
Schaltung für die Stromversorgung der Flammkerze
38
Die Funktionen der einzelnen Baugruppen des Steuergerätes sind nachfolgend
beschrieben.
Stromversorgung:
Die Stromversorgung glättet Stromschwankungen und verhindert, dass die
Schaltung beschädigt werden kann, wenn die Versorgungsspannung verpolt
wird. Des Weiteren wird dadurch verhindert, dass die Stromversorgung der
Flammkerze durch die Stromversorgung der Schaltung belastet werden kann.
Signalgenerator:
Der Signalgenerator besteht aus einer Wechselblinkerschaltung. Die Anzeige
des jeweiligen momentanen Betriebszustands erfolgt über zwei LEDs (L1 und
L2). Die Taktzeit, mit der die jeweilige LED angesteuert wird, wird durch die
beiden
einstellbaren
Widerstände
(Potentiometer)
R3
eingestellt.
Die
Leuchtdauer der grünen LED L1 ist gleich der Einschaltdauer der
Flammkerze, wenn sie auf Taktbetrieb gestellt ist. Die rote LED gibt die
Abschaltdauer an.
Signalverstärker:
In der Baugruppe „Signalverstärker“ wird der Betriebsmodus des Steuergeräts
ausgewählt. Mögliche Betriebsmodi sind
-
Aus
-
Betrieb mit voreingestellter Effektivspannung
-
Betrieb mit maximal möglicher Betriebsspannung
Der Signalverstärker bekommt als Eingangssignal den Takt von der grünen
LED L1. Mit dem Schalter S1 kann der Betriebsmodus gewählt werden.
In der Position P1 des Schalters S1 gibt der Signalverstärker kein Signal aus.
In der zweiten Position P2 gibt der Signalverstärker das getaktete Signal vom
Signalgenerator an die Endstufe weiter. Bei der dritten Position gibt der
Signalverstärker ein Dauersignal an die Endstufe. Das eingestellte Signal wird
verstärkt und durch die grüne LED L3 zu Kontrollzwecken visualisiert.
Endstufe:
Hier wir das Signal vom Signalverstärker mit zwei leistungsstarken
Transistoren so verstärkt, dass die hohen Ströme der Flammkerze (30 – 60 A)
geschaltet werden können. Die Stromversorgung der Flammkerze ist von der
Stromversorgung der Schaltung entkoppelt. Die Transistoren haben im
39
durchgeschalteten Zustand zwar nur einen kleinen Widerstand (von 0,015 Ω)
und können zudem sehr schnell schalten, trotzdem ist es nötig, die
entstehende Verlustwärme über ein Kühlblech abzuführen.
Für den Fall, dass die Transistoren in der Endstufe nicht ausreichend gekühlt
werden, steigt ihr Widerstand und sie heizen sich noch stärker auf, was
letztendlich zur Zerstörung der Transistoren führen würde.
Flammkerze und Batterie:
An die Ausgangsseite des Steuergeräts wird die Flammglühkerze und eine
Autobatterie zur Stromversorgung angeschlossen. Um die Spannung beim
Betrieb der Flammglühkerze besser aufrecht halten zu können und um lange
Versuche fahren zu können, kann für die Laborversuche zusätzlich noch ein
Batterieladegerät angeschlossen werden.
Die masseseitige Stromversorgung der Flammglühkerze erfolgt über das
Gehäuse der Kerze und das Abgasrohr, die positive Versorgungsspannung
über den Anschluss am oberen Teil der Flammglühkerze.
Die Polarität an der Endstufe der Schaltung muss unbedingt beachtet werden,
da die Endstufe nur in eine Richtung den Strom durchleitet.
Wie in den Versuchen mit elektrischer Widerstandsheizung wurden auch hier die
BSO-Punkte 1 und 2 jeweils mit aktivierter und deaktivierter Flammglühkerze
angefahren. Bei BSO-Punkt 2 musste allerdings das Bremsmoment gegenüber dem
laut BSO errechneten Wert reduziert werden, da die Flammglühkerze vermutlich
aufgrund des geringeren Restsauerstoffgehalts beim originalen Betriebspunkt nicht
mehr sicher gezündet werden konnte. Darauf wird am Ende dieses Kapitels noch
genauer eingegangen.
Weiterhin erwies sich die Flammglühkerze als sehr empfindlich gegenüber
Verschmutzung, insbesondere durch Rußpartikel im Abgas. Während bei aktivierter
Kerze Ablagerungen in der Regel direkt abgebrannt werden, können sich bei
deaktivierter Kerze Ablagerungen bilden, welche einen späteren Start der
Flammglühkerze unmöglich machen.
40
Aus diesem Grund wurde im Rahmen der zweiten Onboard-Messreihe (Kap. 3.4)
eine andere Einbauvariante gewählt, bei welcher das Verrußen der Flammkerze
ausgeschlossen werden kann. Details dazu sind im Kapitel 3.4.2 beschrieben.
Im Abbildung 3.24 kann man erkennen, dass die Flammglühkerze bei der ersten
Versuchsreihe in der Zeit von 1400 s bis 1500 s ausgegangen ist. Im Zeitbereich von
1800 s bis 2000 s ist außerdem der erste Temperatursensor immer wieder
Temperatur in °C
ausgefallen, was von einem Wackelkontakt am Stecker des Sensors herführte.
800
ohne Flammkerze
mit Flammkerze
ohne Flammkerze
mit Flammkerze
700
BSO Punkt 1
BSO Punkt 1
BSO Punkt 2
BSO Punkt 2
600
500
400
300
200
100
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Zeit in s
Abb. 3.24:
Temperatursensor1 Versuch1
Temperaturverlauf am Katalysator der Messreihen 1 bis 3 des Versuchsaufbaus“ Flammkerze
abgasseitig“
Ve rsuch 1
Ve rsuch 2
Ve rsuch 3
Temperatur- Temperatur- Temperatur- Temperatur- Temperatur- TemperaturDrehzahl Moment
Stufe
sensor 1
sensor 2
sensor 1
sensor 2
sensor 1
sensor 2
[Nm]
[min -1 ]
[°C]
[°C]
[°C]
[°C]
[°C]
[°C]
1
800
5,0
78,6
81,9
81,4
83,2
81,1
82,7
2
800
5,0
617,0
349,1
633,4
350,8
619,6
344,4
3
1500
40,0
111,1
113,0
111,9
113,4
113,9
115,7
4
1500
40,0
396,3
218,1
411,1
221,8
404,6
221,6
Allge m e in
Abb. 3.25:
„Flammkerze abgasseitig“
41
Bei aktivierter Flammglühkerze wurden bei allen 3 Versuchsreihen in beiden BSOPunkten am Temperatursensor 2 Temperaturen deutlich über 200 °C gemessen (s.
Abb. 3.25).
Die gemessenen Temperaturen zeigen ebenfalls deutlich, dass sich zumindest
Sensor 1 noch in der Flammenfront der Kerze befindet.
Während dieser Versuchsreihen wurden in der Flammglühkerze 65 g Dieselkraftstoff
in 14,5 min verbrannt.
Unter Annahme eines cp-Wertes für Abgas von 1136 kJ/kgK ergibt sich eine
rechnerische Erwärmung im BSO-Punkt 1 um 170 K, im BSO-Punkt 2 um 90 K
Q +W = H
W =0
kraftstoff ⋅ H u
H=m
Luft ⋅ c p ⋅ ΔT
Q=m
Luft ⋅ cp ⋅ ΔT = m
kraftstoff ⋅ Hu ⇒ ΔT =
m
kraftstoff ⋅ Hu
m
Luft ⋅ cp
m
Da die gemessene Temperaturerhöhung über diesen theoretisch zu erwartenden
Werten liegt, muss davon ausgegangen werden, dass auch der 2. Temperatursensor
noch von der Flammenfront beeinflusst wird.
Der gemessene Kraftstoffverbrauch der Flammkerze von 0,32 l/h ist akzeptabel. Der
Kraftstoffverbrauch des Prüfstandsmotors beträgt in BSO-Punkt 1 0,59 l/h, im BSOPunkt 2 mit dem nachfolgend beschriebenen reduzierten Bremsmoment 1,4 l/h.
Bei der Durchführung dieser Versuchsreihen trat neben der bereits beschriebenen
Verschmutzungsproblematik eine weitere Schwierigkeit auf. Es hat sich gezeigt, dass
für einen sicheren Betrieb der Flammkerze ein wesentlich höherer Restsauerstoffgehalt im Abgas erforderlich ist, als aufgrund der zu verbrennenden
Kraftstoffmenge/Zeit zu vermuten war.
Bei der Motordrehzahl des BSO-Punkts 2 war ein Betrieb der Kerze nur möglich,
wenn das Motormoment von 40 Nm auf max. 15 Nm reduziert wird.
42
Die nachfolgende Grafik (Abbildung 3.26) zeigt den Temperaturverlauf hinter der
Flammkerze, während das Bremsmoment in den Stufen 5 Nm (200 s – 400 s) – 15
Nm (400 s – 500 s) – 25 Nm (ab 500 s) variiert wird.
Während der Sprung von 5 auf 15 Nm nur eine sehr geringe Auswirkung auf die
Temperatur nach der Flammkerze hat, bewirkt die weitere Erhöhung auf 25 Nm ein
deutliches Absinken der Temperatur.
Aufgrund dieser Ergebnisse wurde das Bremsmoment der Drehzahl des zweiten
BSO-Punktes von 40 Nm auf 10 Nm reduziert, um unter den auf dem Prüfstand
herrschenden
Bedingungen
einen
sicheren
Betrieb
der
Flammkerze
zu
Temperatur in °C
gewährleisten.
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
M = 5 Nm
0
200
M = 15
Nm
400
M = 25 Nm
600
800
1000
Zeit in s
Temperatursensor 1 nach der Flammkerze
Temperatursensor 2 nach der Flammkerze
Abb. 3.26:
Temperaturverlauf der beiden Temperatursensoren nach der Flammkerze
Ergebnis:
Der Betreib einer Flammstartkerze im Abgas ist nur bei kleiner Motorlast möglich.
Der Mehrverbrauch durch die Verbrennung von zusätzlichem Kraftstoff ist
akzeptabel.
Die Abgastemperatur reagiert innerhalb von wenigen Sekunden auf die Aktivierung
der Heizung.
43
3.3.4 Indirekte Erwärmung des Abgasstroms
Neben der direkten Erwärmung des Abgasstroms bietet sich auch eine indirekte
Erwärmung verursacht durch ein höheres Temperaturniveau bei Verdichtungsbeginn
an.
Für den Verdichtungsvorgang im Dieselmotor gilt vereinfacht:
TVerdichtet = TAnsaug * εκ-1
Dadurch
ergibt
Temperaturniveau
sich
bei
Beginn
(wärmere
der
Ansaugluft)
κ ≈ 1,3
Kompression
eine
auf
stärkere
einem
höheren
Erwärmung
der
Verdichtungsendtemperatur als bei Beginn auf einem niedrigeren Temperaturniveau.
Wärmere Ansaugluft hat folglich (theoretisch) eine noch wärmere Brennraumlufttemperatur zur Folge, was zu einer höheren Abgastemperatur führen kann.
Durch Änderung der Ansaugtemperatur wird jedoch der Verbrennungsvorgang im
Motor „verstimmt“, wodurch sich für die resultierende Abgastemperatur ein
gegenläufiger Effekt ergeben kann. Allerdings bietet die Erwärmung der Ansaugluft
mehr „Freiheitsgrade“ bei der Wahl der Beheizungsmethode. Emissionen einer
vorgeschalteten Flammstartkerze werden dabei im Brennraum nachverbrannt, so
dass eine Beeinflussung der Abgasemissionen wesentlich geringer ausfallen wird als
bei einer direkt im Abgasrohr montierten Flammstartkerze.
Wie bei der direkten Erwärmung des Abgasstroms werden auch hier nachfolgend die
Versuche zu den Varianten „elektrische Beheizung“ und „Erwärmung durch
Verbrennung“ näher beschrieben.
44
3.3.4.1Erwärmung der Ansaugluft des Motors mittels elektrischer
Widerstandsheizung
Zum ansaugseitigen Einbau der Widerstandsheizung wurde der serienmäßige
Ladeluftkühler des Prüfstandsmotors entfernt und stattdessen der Versuchsträger mit
dem
elektrischen
Heizelement
direkt
zwischen
Turboladeraustritt
und
Ansaugkrümmer eingebaut.
Analog zum abgasseitigen Einbau ist auch hier ein Temperatursensor direkt vor und
nach dem Heizelement angebracht, um die Temperaturerhöhung der Ansaugluft
direkt messen zu können.
Abbildung 3.27 zeigt den mechanischen Aufbau der ansaugseitigen elektrischen
Heizung.
Abb. 3.27
Mechanischer Aufbau der ansaugseitigen elektrischen Heizung
Der elektrische Anschluss entspricht der Ausführung bei abgasseitiger Beheizung.
Zur Stromversorgung standen für den Versuch insgesamt 4 Stück 12V-Blei-GelBatterien zur Verfügung (3 * 80 Ah, 1 * 160 Ah). Damit konnten ohne Nachladung
jeweils Messungen über 900 Sekunden durchgeführt werden, ohne dass die
Batteriespannung 10,5 V unterschritten hat.
45
Auch bei diesen Versuchsreihen wurden wieder die BSO-Punkte 1 und 2 mit jeweils
deaktivierter und aktivierter Heizung nacheinander angefahren.
Ansaugseitig erhöhte sich die Temperatur durch den Einsatz der elektrischen
Heizung um max. 113 K im ersten und max. 62 K im zweiten Punkt (s. Abb. 3.28).
120
Temperaturerhöhung [K]
100
80
60
40
20
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Zeit in [s]
Abb. 3.28
Ansaugseitige Temperaturerhöhung durch die elektrische Beheizung
Abbildungen 3.29 und 3.30 zeigen den Temperaturverlauf an der Katalysatorposition
in den jeweiligen Abschnitten des Versuchszyklus. Darin ist zu erkennen, dass sich
die Temperatur am Katalysator in beiden BSO-Punkten nur um ca. 27 K erhöht hat.
Im BSO-Punkt 1 werden mit der verwendeten Heizleistung die geforderten 200 °C
nicht erreicht. Im zweiten BSO-Punkt werden die Werte in allen drei Versuchen
knapp erreicht.
46
250
Temperatur in °C
200
ohne Heizung
mit Heizung
ohne Heizung
mit Heizung
BSO Punkt 1
BSO Punkt 1
BSO Punkt 2
BSO Punkt 2
150
100
50
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Z e it in s
Abb. 3.29
Te m p vo r K a t V e rs uc h1
Te m p na c h K a t V e rs uc h1
Temperaturverlauf am Katalysator der Messreihen 1 bis 3 des Versuchsaufbaus „elektrische
Beheizung ansaugseitig“
Ve rsuch 1
Allge m e in
Ve rsuch 2
Temp. vor Temp. nach Temp. vor
Drehzahl Moment
Stufe
Katalysator Katalysator Katalysator
[Nm]
[min -1 ]
[°C]
[°C]
[°C]
1
2
3
4
800
800
1500
1500
Abb. 3.30:
5,0
5,0
40,0
40,0
76,1
102,8
173,1
201,6
74,2
99,6
170,3
197,9
75,9
105,2
176,9
201,8
Ve rsuch 3
Temp. nach
Katalysator
[°C]
Temp. vor
Katalysator
[°C]
Temp. nach
Katalysator
[°C]
74,0
101,7
173,9
198,1
76,1
103,6
175,9
201,0
74,2
100,4
172,8
197,3
„elektrische Beheizung ansaugseitig“
47
Ergebnis:
Die Beheizung der Ansaugluft mittels einer elektrischen Heizung bewirkt auf der
Abgasseite
nur
einen
sehr
geringen
und
stark
verzögerten
Anstieg
der
Abgastemperatur. Die Ursache dafür liegt vermutlich in der durch die wärmere
Ansaugluft verstimmten Verbrennung.
Zur Erwärmung des Abgasstromes an der Katalysatorposition ist diese Methode
daher nicht geeignet.
3.3.4.2Erwärmung der Ansaugluft des Motors mittels zusätzlicher
Verbrennung von Kraftstoff
Zum ansaugseitigen Einbau der Flammglühkerze wurde wie auch bei der
ansaugseitigen
Beheizung
mittels
der
dem
elektrischen
Heizelement
der
serienmäßige Ladeluftkühler entfernt und stattdessen der Versuchsträger mit
Flammkerze direkt zwischen Turboladeraustritt und Ansaugkrümmer eingebaut (s.
Abb. 3.31).
Der elektrische Anschluss der Flammkerze entsprach der abgasseitigen Ausführung.
Zum Betrieb wurde das dort bereits vorgestellte Steuergerät inkl. der eingestellten
Taktverhältnisse verwendet.
Abb. 3.31
Mechanischer Aufbau der ansaugseitigen Beheizung mittels Flammkerze
48
Der zeitliche Versatz des Temperatursanstiegs im BSO-Punkt 2 zwischen den
einzelnen Messreihen rührt von Zündschwierigkeiten der Flammkerze bei den
Versuchsreihen 1 und 2. Diese hatten jedoch auf die erzielten Endtemperaturen
keinen Einfluss.
160
Temperatur in °C
140
120
100
80
60
40
20
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Zeit in s
Temperatur vor Zylinder Versuch1
Abb. 3.32
Temperaturen vor dem Zylinder der Messreihen 1 bis 3 des Versuchsaufbaus „Flammkerze
ansaugseitig“
Aus Abbildung 3.32 ist ersichtlich, dass durch die Flammkerze auf der Ansaugseite
im ersten BSO-Punkt eine Temperatursteigerung von durchschnittlich 112 K und im
zweiten von 42 K erzielt wird.
Wie bei der ansaugseitigen elektrischen Beheizung bewirkt hier die ansaugseitige
Beheizung mittels Flammkerze an der Katalysatorposition ebenfalls nur eine
wesentlich niedrigere Temperaturerhöhung. Sie beträgt durchschnittlich 26 K im
BSO-Punkt 1 sowie 21 K im BSO-Punkt 2.
Der zeitliche Verlauf der Temperaturen sowie die innerhalb der Messzeit erreichten
Endtemperaturen sind in Abbildung 3.33 und 3.34 dargestellt.
49
ohne Flammkerze
250
BSO Punkt 1
mit Flammkerze
BSO Punkt 1
ohne Flammkerze
mit Flammkerze
BSO Punkt 2
BSO Punkt 2
Temperatur in °C
200
150
100
50
0
0
1000
2000
3000
4000
Zeit in s
Temperatur vor Kat Versuch1
Temperatur nach Kat Versuch1
Abb. 3.33
Temperaturverlauf der Messreihen 1 bis 3 des Versuchsaufbaus „Flammkerze ansaugseitig“
Allge m e in
Stufe
Ve rsuch 1
Ve rsuch 2
Temp. vor Temp. nach Temp. vor
Drehzahl Moment
Katalysator Katalysator
Katalysator
[Nm]
[min -1 ]
[°C]
[°C]
[°C]
1
2
3
4
Abb. 3.34
800
800
1500
1500
5,0
5,0
40,0
40,0
83,0
113,6
180,6
201,0
78,8
106,4
176,0
195,2
87,8
111,7
181,2
201,2
Ve rsuch 3
Temp. nach
Katalysator
[°C]
Temp. vor
Katalysator
[°C]
Temp. nach
Katalysator
[°C]
84,0
104,7
176,6
195,6
90,3
113,3
183,3
204,5
87,6
106,7
179,1
199,2
„Flammkerze ansaugseitig“
50
Auch bei den ansaugseitigen Versuchsreihen trat gelegentlich das Problem auf, dass
die Flammkerze bei laufendem Motor nicht gezündet werden konnte. Da hier
Sauerstoffmangel als Ursache ausgeschlossen werden konnte, wurde der Grund in
der Einbausituation der Kerze vermutet.
Bei Serienanwendungen dieser Art von Flammstartkerzen wird in der Regel eine
Einbauposition gewählt, bei der die Kerze nicht direkt in der Hauptströmung
eingebaut ist. Stattdessen werden die Kerzen z. B. in einem Rohrknie im Saugrohr
platziert (s. Abb. 3.35)
Abb. 3.35:
Positionierung der Flammkerze Kerze im Ansaugrohr /7/
Als Abhilfemaßnahme wurde für den Prüfstandsversuch ein Abschirmblech vor die
Flammkerze gesetzt. Der Einfluss dieses Abschirmblechs auf die Strömung im Rohr
wurde mit einer CFD-Simulation (ANSYS CFX 10.0) überprüft.
Die Randbedingungen der Berechnung wurden stark vereinfacht ausgeführt. Es
wurde mit normaler Luft (was nur für die Ansaugseite stimmt) gerechnet und der
thermische sowie geometrische Einfluss der Flammkerze nicht berücksichtig. Daraus
ergab sich dann ein Strömungsverlauf, wie er in der Abbildung 3.36 dargestellt ist.
Man kann hier gut erkennen, wie die Flammkerze mit Hilfe des Abschirmbleches
umströmt
wird
und
wie
sich
die
Geschwindigkeit
Querschnittsverengung erhöht.
51
des
Fluids
durch
die
Abb. 3.36
CFD-Berechnung des Strömungsverhaltens der Flammkerze
Weitere Versuche mit montiertem Abschirmblech brachten jedoch ebenfalls keine
Besserung. Erst nach längerer Suche stellte sich heraus, dass eine zeitweise nicht
ausreichend
fördernde
Kraftstoffpumpe
die
Ursache
für
die
sporadischen
Zündprobleme war.
Mit einer neuen Pumpe konnte die Flammkerze mit und ohne Abschirmblech
zuverlässig gestartet werden.
Ergebnis:
Wie auch bei der Beheizung der Ansaugluft mittels einer elektrischen Heizung
bewirkt eine im Ansaugtrakt installierte Flammkerze auf der Abgasseite nur einen
sehr geringen und stark verzögerten Anstieg der Abgastemperatur. Abhilfe wäre nur
mit einem dynamischen Eingriff in Einspritzbeginn und –verlauf möglich, dies ist
jedoch bei den in der Regel mechanisch geregelten Bootsmotoren nicht möglich.
52
3.3.5 Drosseln des Motors
In der Versuchsreihe „Drosseln“ wurde untersucht, inwieweit sich eine Erhöhung der
Saugarbeit des Motors verursacht durch eine ansaugseitige Drosselung auf die
Abgastemperaturen in den BSO-Punkten 1 und 2 auswirkt.
Dazu wurden in den BSO-Punkten 1 und 2 der Ansaugmassenstrom um jeweils
20 kg/h reduziert (von 60 kg/h auf 40 kg/h bzw. 113 kg/h auf 93 kg/h). Eine weitere
Drosselung war nicht möglich, bereits bei diesen gewählten Einstellungen ist der
ansaugseitige Unterdruck so groß, dass die serienmäßigen Luftschläuche des
Motors fast vollständig zusammengesogen wurden.
Bei einer weiteren Erhöhung des ansaugseitigen Unterdrucks besteht weiterhin die
Gefahr, dass ein übermäßig großer Anteil Blow-by-Gas aus dem Kurbelgehäuse mit
angesaugt wird. Dadurch ist evtl. die Abscheidefunktion des Ölabscheiders nicht
mehr gegeben und über das Blow-by-Gas gelangt Ölnebel durch den Ansaugkanal in
den Brennraum.
Die durch Drosseln erzielbare Temperaturerhöhung an der Katalysatorposition fällt
sehr gering aus, in beiden BSO-Punkten liegt die Temperaturerhöhung im Bereich
von 15 – 20 K.
Abbildung 3.37 zeigt den zeitlichen Verlauf der gemessen Abgastemperatur.
Der zeitliche Ablauf der Versuchsreihe ist wie folgt:
0 ... 900 s:
BSO 1 ungedrosselt
900 ... 1700 s:
BSO 1 gedrosselt
1700 ... 2600 s:
BSO 2 gedrosselt
53
250
BSO 1 ungedrosselt
BSO 1 gedrosselt
BSO 2 gedrosselt
Temperatur in [°C]
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Zeit in [s]
Temperatur vor Kat
Abb. 3.37:
Temperatur nach Kat
Temperaturverlauf der Messreihe 1 des Versuchsaufbaus „Drosseln“
Ergebnis:
Die durch Drosseln erzielbare Abgastemperaturerhöhung
ist
nur
marginal.
Begrenzender Faktor ist hier der dabei entstehende ansaugseitige Unterdruck,
welcher nur eine vergleichsweise geringe Drosselung ermöglicht.
54
3.3.6 Drücken des Motors
Im Rahmen der Versuchsreihe „Drücken“ wurde untersucht, wie sich eine erhöhte
mech. Leistung bei gleicher Drehzahl auf die Abgastemperaturen und den
Kraftstoffverbrauch auswirkt.
Im Labor wurde diese Last durch ein entsprechend gewähltes Bremsmoment der
Wirbelstrombremse des Prüfstands aufgebracht. Im Realbetrieb eines Bootes kann
dies z. B. durch eine größere Schiffsschraube oder zusätzliche Verbraucher
mechanischer Energie am Motor erreicht werden.
Synergieeffekte können sich dabei insbesondere in Kombination mit einer zweiten
Lichtmaschine ergeben, welche die erforderliche Energie für den Betrieb einer
elektrischen
Widerstandsheizung
liefert.
Durch
die
zusätzlich
erforderliche
mechanische Leistung zum Antrieb der Lichtmaschine wird das Abgastemperaturniveau erhöht, wodurch die zusätzlich erforderliche Erwärmung mittels der
elektrischen Heizung abnimmt.
Zur Untersuchung dieser Methode wurde der Motor in den BSO-Punkten 1 und 2
ausgehend vom Soll-Drehmoment des jeweiligen Betriebspunktes bei konstanter
Drehzahl in 4 Stufen mit jeweils 20 Nm mehr belastet.
Der zeitliche Verlauf dieser Untersuchung ist in Abbildung 3.38 dargestellt, in der
praktischen Durchführung gibt es zwischen den einzelnen Messreihen leichte
zeitliche Unterschiede, wie der Verlauf der Abgastemperaturen zeigt.
55
140
BSO Stufe 2
BSO Stufe 1
115 Nm
120
100 Nm
Drehmoment [Nm]
80 Nm
80 Nm
100
60 Nm
60 Nm
80
40 Nm
40 Nm
60
20 Nm
5 Nm
40
20
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Zeit in s
Abb. 3.38
Momentenverlauf der Versuchsreihe „Motordrücken“
Den Temperaturverlauf über der Zeit für die einzelnen Messreihen zeigt Abb. 3.39.
Erkennbar sind hier geringfügige Unterschiede im zeitlichen Ablauf der einzelnen
Prüfläufe, welche jedoch auf die resultierenden Abgastemperaturen des jeweiligen
Betriebspunktes keinen Einfluss haben.
Die resultierenden Maximaltemperaturen an der Katalysatorposition sind in Abbildung
3.40 dargestellt.
56
10000
350
BSO Stufe 2
BSO Stufe 1
300
Temperatur in °C
250
200
150
100
50
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Zeit in s
Abb. 3.39
Temperaturverlauf der Messreihen 1 bis 3 des Versuchsaufbaus „Motordrücken“
Allg e m e in
S tufe
V e rsu ch 1
V e rsu ch 2
Tem p. vor Tem p. nac h Tem p. vor
Drehz ahl M om ent
K
ataly s ator K ataly s ator K ataly s ator
[Nm ]
[m in -1 ]
[°C]
[°C]
[°C]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Abb. 3.40
800
800
800
800
800
1500
1500
1500
1500
1500
5,0
20,0
40,0
60,0
80,0
40,0
60,0
80,0
100,0
115,0
78,9
99,7
138,4
173,4
209,0
163,7
198,0
231,9
-
77,7
97,7
135,6
169,5
204,0
162,3
195,8
229,3
-
78,0
107,4
141,8
178,6
215,7
169,0
206,8
246,8
284,1
310,0
V e rsu ch 3
Tem p. nac h
K ataly s ator
[°C]
Tem p. vor
K ataly s ator
[°C]
Tem p. nac h
K ataly s ator
[°C]
77,2
106,0
139,5
175,5
213,3
167,2
204,5
244,0
280,8
306,5
74,7
107,1
144,5
181,6
218,5
171,7
207,3
245,4
283,4
310,3
73,9
105,7
142,4
178,8
215,9
170,4
205,3
243,0
280,8
307,3
Gemittelte Temperaturen der letzten 60 s der Stufe von den Messreihen 1 bis 3 des Versuchsaufbaus „Motordrücken“
57
Die als Light-Off-Temperatur vom Katalysatorhersteller angegebenen 200 °C werden
demnach bei der Drehzahl des BSO-Punktes 1 erst bei einem Drehmoment von
80 Nm erreicht. Bei der Drehzahl des zweiten BSO-Punktes sind mindestens 60 Nm
Drehmoment (entspr. 20 Nm Mehr-Moment) erforderlich.
Den Verbrauchseinfluss der erforderlichen Mehrleistung zur Erzielung ausreichender
Abgastemperaturen zeigt Abbildung 3.41.
Verursacht
durch
den
erforderlichen
höheren
Mitteldruck
steigt
der
Kraftstoffverbrauch durch diese Maßnahme erheblich. Im BSO-Punkt 1 werden
262 % mehr Kraftstoff verbrannt, in BSO-Punkt 2 noch 27 % mehr.
5000
Kraftstoffverbrauch in g/h
4500
4000
3500
3000
ca. 2814g/h
2500
2000
ca. 2212g/h
1500
ca. 1926g/h
1000
500
ca. 532g/h
0
0
2
4
6
8
10
12
Stufe
Versuch1
Abb. 3.41
Versuch2
Versuch3
Kraftstoffverbrauch der einzelnen Stufen von den Messreihen 1 bis 3
Ergebnis:
Durch
Drücken
des
Motors
lässt
sich
eine
deutliche
Steigerung
der
Abgastemperaturen erzielen, allerdings verbunden mit einem deutlichen Mehrverbrauch und somit steigenden Rohemissionen. Drücken ist daher nur in
Verbindung mit einer gleichzeitigen Nutzung der zusätzlichen Wellenleistung sinnvoll,
z.B. zum Antrieb einer größeren Lichtmaschine für die elektrische Beheizung.
58
3.3.7 Ergebnisse der Versuchsreihen
Um die Ergebnisse der Laboruntersuchungen leicht vergleichbar zu machen, wurde
eine Bewertungsmatrix (siehe Abbildung 3.42) erstellt. In ihr wird nach den
nachfolgend beschriebenen Gesichtspunkten bewertet.
3.3.7.1Bewertungskritereien
Temperatur (60 %):
Es wird überprüft, ob der Versuch eine Temperatur über 200 °C erreicht. Wird dies
nicht erreicht, ist das ein mangelhaftes Ergebnis. Im Fall, dass nur ein Teil der
Messpunkte die 200 °C-Grenze erreicht, wird in der Bewertung ein schlechtes
„ausreichend“ vergeben.
Bei der Bewertung der einzelnen Punkte wird das Erreichen der 200 °C im ersten
BSO-Punkt 3-fach bewertet, da dieser Wert im Block am schwersten zu erreichen ist.
2-fach wird das Erreichen der 200 °C des zweiten BSO-Punktes bewertet, da die
Abgastemperatur an der Katalysatorposition in diesem Punkt ohnehin schon ca.
180 °C beträgt.
Nachrüsten (15 %):
In diesem Block wird der mechanische und elektrische Aufwand sowie die Software,
die benötigt wird, um das Konzept zu steuern oder zu regeln, bewertet. Beim
mechanischen und elektrischen Aufwand wird geschätzt, wie viele Teile benötigt
werden, damit das Verfahren in einen Motor nachgerüstet werden kann. Des
Weiteren wird bewertet, ob man diese Teile selbst herstellen muss oder ob es sie zu
kaufen gibt. Bei der Software wird überprüft, ob das Konzept eine Steuerung oder
Regelung für den Betrieb benötigt. Ist dies der Fall, wird geprüft, wie komplex die
Ausführung sein muss. Da die Software sehr schwierig in der Ausführung sein kann,
wird sie mit Faktor 2 in den Block gewertet. Die beiden anderen Punkte werden mit
Faktor 1 in den Block gezählt.
Kosten (15 %):
In dieser Sparte wird bewertet, wie groß die Kosten für die einzelnen Konzepte sind.
Es wird unterschieden zwischen den einmaligen Kosten, die durch die Teile beim
59
Nachrüsten entstehen, und den laufenden Kosten, die durch das Betreiben der
verschiedenen Varianten entstehen. Die einmaligen Kosten werden mit Faktor 1 in
den Block gerechnet und die laufenden Betriebskosten mit Faktor 2.
Verbesserung durch Modifikation:
In diesem Block wird bewertet, wie durch eine Modifikation des Konzeptes ein
besseres Ergebnis erreicht werden kann.
3.3.7.2Bewertung der Konzepte
Temperatur:
Bei der Temperatur erreicht nur die Flammkerze auf der Abgasseite ein „gut“. Die
Varianten Motordrücken und elektrische Heizung abgasseitig bekommen ein
„befriedigend“ und die beiden Konzepte an der Ansaugseite bekommen ein
„mangelhaft“.
Das gute Ergebnis der Flammkerze auf der Abgasseite kommt daher, dass diese
Variante die Einzige ist, mit der die Abgastemperatur an der Katalysatorposition in
beiden BSO–Punkten 200 °C überschreitet. Nachteilig (und daher mit Abzug
bewertet) ist jedoch, dass für einen sicheren Betrieb im zweiten BSO-Punkt das
Drehmoment reduziert werden musste.
Die Punktabzüge der Variante „Motordrücken“ rühren aus dem sehr hohen
erforderlichen
zusätzlichen
Bremsmoment
(und
daraus
resultierendem
Mehrverbrauch), welches für die Erzielung der Light-Off-Temperatur erforderlich ist.
Das schlechte Ergebnis der ansaugseitigen Varianten rührt daher, dass es im BSOPunkt 1 die 200 °C gar nicht erreicht werden, im BSO-Punkt 2 nicht bei allen
Messreihen.
Bei der abgasseitigen elektrischen Heizung kommt es zu Abzügen, da im BSO–
Punkt 1 der erforderliche Wert nur teilweise erreicht wird.
Nachrüsten:
Von allen untersuchten Konzepten lässt sich die Variante „Motor drücken“ am
einfachsten nachrüsten. Die Applikation eines zusätzlichen bzw. eines größeren
Verbrauchers an die Kurbelwelle ist vergleichsweise einfach. Zudem benötigt diese
Variante in der minimalen Ausführung nur ein einziges mechanisches Bauteil.
60
Komplizierter ist die Nachrüstung einer elektrischen Heizung. Ansaugseitig kann dies
nur über ein zusätzliches Bauteil (Heizelement) realisiert werden, was mechanische
Arbeiten im Ansaugtrakt erfordert. Abgasseitig besteht zumindest theoretisch die
Möglichkeit, statt eines unbeheizten Oxidationskatalysators einen beheizbaren zu
verwenden. Die dafür erforderlichen Katalysatorträger sind am Markt verfügbar,
allerdings noch nicht mit der für einen Oxidationskatalysator erforderlichen
Beschichtung. Der elektrische Aufwand wird bei diesen Varianten mit einer 4,0
bewertet, da in den meisten Booten eine größere Lichtmaschine und mehrere
Batterien benötigt werden. Das Steuern bzw. Regeln der Anlagen kann sehr einfach
realisiert werden. Der einfachste Fall ist, dass die Heizung vom Bootsführer mit
einem Schalter eingeschaltet wird.
Bei den Konzepten mit der Flammkerze ist es schwieriger die Nachrüstbarkeit zu
beurteilen, da es in diesen Varianten sehr stark auf den Motortyp ankommt, bei dem
die Flammanlage nachgerüstet werden soll. Generell fällt hier ein hoher
mechanischer Arbeitsaufwand an. Weiterhin ist zum Betreiben der Flammkerze eine
Steuerung notwendig, die auf das Betriebsverhalten des Motors individuell appliziert
werden muss. Unklar ist weiterhin, welcher Aufwand erforderlich ist, um die
Flammkerze auf der Abgasseite in allen Lastbereichen betreiben zu können. Diese
Unsicherheit geht in die Bewertung des mechanischen Aufwandes ein.
Kosten:
Die günstigsten Varianten sind die Flammkerzenkonzepte. Sie haben zwar hohe
Kosten für die Bauteile zum Nachrüsten, haben aber eher geringe laufende
Betriebskosten durch den zusätzlich verbrauchten Kraftstoff.
Die elektrischen Heizungskonzepte und das Motordrücken wurden um 10 %
schlechter als die Flammkerzenkonzepte bewertet. Zu unterscheiden ist dabei, dass
die
Variante
Motordrücken
eher
geringe
Einmalkosten
hat,
dafür
aber
verhältnismäßig hohe laufende Betriebskosten. Die Varianten mit elektrischer
Heizung haben dagegen geringe Betriebskosten, dem gegenüber stehen jedoch
hohe einmalige Anschaffungskosten. Diese werden von der Heizung oder dem
beheizbaren Katalysator sowie von den zusätzlichen Batterien und einer ggf. neu zu
beschaffenden Lichtmaschine verursacht.
61
Verbesserungsmöglichkeiten durch Modifikation
Insbesondere die Varianten Motordrücken und die elektrischen Heizkonzepte bieten
in Kombination lohnende Synergieeffekte. Sie wurden daher mit „gut“ bewertet, da
eine Kombination dieser Varianten noch erhebliches Verbesserungspotential bietet.
Die ansaugseitige Heizung ist dabei schlechter bewertet worden, da der erwartete
positive Effekt erhöhter Ansauglufttemperaturen nicht zu den theoretisch erwarteten
Ergebnissen geführt hat und damit eine unrealistisch hohe Heizleistung erforderlich
wäre, um die Light-Off-Temperatur an der Katalysatorposition zu erreichen.
Bei den Flammkerzenkonzepten gibt es die Möglichkeit, eine leistungsstärkere
Flammkerze (welche mehr Kraftstoff verbrennen kann) zu verwenden. Die
Abgasseite ist hier etwas besser bewertet worden, da die Flammkerze hier ohne
Einschränkungen bei den möglichen Bremsmomenten betrieben werden kann und
außerdem die durch die zusätzliche Verbrennung erzeugten Emissionen im
Brennraum nachverbrannt werden.
Abb. 3.42:
Bewertungsmatrix (1: sehr gut; 5: mangelhaft)
62
3.4 Onboard-Messungen mit beheiztem Katalysator
3.4.1 Daten des verwendeten Bootes
Für die zweite Onboard-Messreihe stand das Schulschiff “Hörnle“ der ComeniusFörderschule in Konstanz zur Verfügung. Das im Rahmen der ersten OnboardMessreihe verwendete Boot stand nicht mehr zur Verfügung, da es im Rahmen eines
Eignerwechsels vom Bodensee in ein anderes Binnengewässer verlegt wurde.
Bei dem im „Hörnle“ eingebauten Motor handelt es sich ebenfalls um einen 6Zylinder-Saugdieselmotor. Die Abgasführung ist wie beim Boot „Splendid“ aus der
ersten Onboard-Messreihe ebenfalls trocken ausgeführt, wodurch der vorhandene
Katalysator als Grundelement weiterverwendet werden konnte.
Technische Daten des Motors:
-
Mercedes-Benz OM 326
-
6-Zylinder–4-Takt-Dieselmotor
-
Max. Leistung:
-
-
Hubraum:
10800 cm3
-
Einspritzpumpe:
Reiheneinspritzpumpe Bosch
-
Einspritzdüse:
Zapfendüse
114 kW bei 1600 1/min
Die Abbildungen 3.43 und 3.44 zeigen das Boot und den im Bug eingebauten Motor.
63
Abb. 3.43:
Schulschiff „Hörnle“
Abb. 3.44:
Motorraum Hörnle
64
Für die detaillierte Auswertung der Emissionsmessungen dieser Onboard-Messreihe
ist die Kenntnis der Motorleistung in den einzelnen BSO-Punkten erforderlich. Diese
wird vorgegeben durch die Propellerkurve der Schiffsschraube. Das genaue
Datenblatt der Schiffsschraube mit Propellerkurve befindet sich im Anhang.
Abbildung 3.45 stellt die gemessenen Abgastemperaturen über die aufsteigende
Reihenfolge der BSO-Punkte dar. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, erreicht der
Motor an der Katalysatorposition erst ab dem BSO-Punkt 5 eine Abgastemperatur
von über 200 °C. Die BSO-Punkte 1-4 liegen unterhalb der „Light-Off-Temperatur“.
Abgastemperatur OM326
400
350
Temp in °C
300
250
200
150
100
50
0
BSO1
Abb. 3.45:
BSO2
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
Abgastemperatur in den einzelnen BSO-Stufen
65
BSO7
3.4.2 Daten des Oxidationskatalysators
Aufgrund der vergleichbaren Luftmassenströme konnte der vorhandene Katalysator
als Grundelement weiterverwendet werden. Für den Einbau im Versuchsboot musste
allerdings die Verrohrung komplett geändert werden.
Zusätzlich mussten die Anforderungen der wesentlich erweiterten Abgasmesstechnik
(s. Kap. 3.4.4) berücksichtigt werden. Gegenüber der ersten Onboard-Messreihe
kam hier ein weiterentwickeltes Verfahrens zur Messung des Abgasmassenstroms
zum Einsatz, welches katalysatornah in das Abgasrohr eingebunden werden musste.
Weiterhin musste die Einbaurichtlinie der Probenentnahmesonde der OnlinePartikelmesstechnik bei der Ausführung der Abgasleitung berücksichtigt werden.
Abbildung 3.46 zeigt die ab dem Abgaskrümmer modifizierte Abgasführung.
Abb. 3.46:
Modifizierte Abgasführung für die Onboard-Messungen
66
3.4.3 Umgesetzte Verfahren zur Temperaturerhöhung
Aufgrund der Ergebnisse der Laboruntersuchungen haben sich folgende Varianten
für die Untersuchung im Rahmen einer zweiten Onboard-Messreihe ergeben:
-
Direkte elektrische Beheizung des Abgasstromes
-
Direkte Beheizung des Abgasstromes durch Einblasen eines mittels
Flammkerze erwärmten Sekundärluftstroms
Der Aufbau der elektrischen Heizung erfolgte ähnlich dem Aufbau in den
Laboruntersuchungen. Das Heizelement wurde direkt vor dem Katalysator in das
Abgasrohr eingeschweißt.
Die Einbauposition der Flammkerze weicht dagegen deutlich von den im Labor
untersuchten Varianten ab. Um die Verschmutzung der Brennerdüse durch
Rußpartikel im Abgas zu verhindern, wurde die Flammkerze in einer Verzweigung
des
Abgasrohrs
montiert,
durch
die
mittels
eines
elektrisch
betriebenen
Sekundärluftgebläses Frischluft geblasen wird. Diese durch die Flammkerze sehr
stark erwärmte Frischluft vermischt sich nach der Verzweigung mit dem Motorabgas,
wodurch sich eine Erhöhung der Temperatur des Gasgemisches ergibt.
Abbildung 3.47 zeigt den oben beschriebenen Aufbau.
Anschluss für
Sekundärluftgebläse
Flammkerze mit
Kraftstoff- und
Stromanschluss
Abb. 3.47:
Einbaudetail der Flammkerze
67
3.4.4 Abgasmesstechnik
Zur Messung der limitierten Abgaskomponenten stand – wie bereits für die erste
Onboard-Messreihe
–
ein
portables
Emissionsmessgerät
„Semtech-D“
zur
Verfügung. Aus Platzgründen musste dieses Gerät außerhalb des Motorraumes auf
dem
Vorschiff
untergebracht
Probenahmeleitung
zu
werden.
verhindern,
Um
wurde
die
Auskühlung
diese
mit
der
beheizten
wasserabweisender
Gewebeplane eingepackt (s. Abb. 3.48).
Abb. 3.48:
Semtech-D auf Vorschiff
Zur Messung der Partikelemissionen stand ein Vorseriengerät eines neuartigen
Partikelmessgeräts zur Verfügung, mit welchen die Partikelmassen im laufenden
Betrieb eines Motors online erfasst werden können.
Das Gerät vom Typ „Semtech Dual QCM“ konnte für diese Messreihen von der Fa.
Sensors Europe angemietet werden.
Abbildung 3.49 zeigt das im Motorraum installierte Messgerät mit Entnahmesonde
und Verdünnungsstufe.
68
Abb. 3.49:
Semtech Dual QCM im Motorraum
3.4.5 Messreihen
Wie auch bei den ersten Onboard-Messreihen orientiert sich das Prüfprogramm der
zweiten Onboard-Messreihen am BSO-Zyklus.
Für das zur Verfügung stehende Boot ergeben sich die folgenden Messpunkte.
BSOStufe
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Drehzahl
1/min
600
660
800
960
1120
1280
1440
1600
1600
Leistung
kW
0,0
5,1
12,3
15,7
24,9
37,1
52,9
Nennleistung
max
Faktor
0,3
0,1
0,1
0,1
0,2
0,05
0,05
0,05
0,05
69
Die Messpunkte 8 und 9 entfallen, da diese im Normalbetrieb des Motors nicht
auftreten und der Motor daher im Rahmen dieser Untersuchungen ebenfalls nicht in
diesen Bereichen betrieben werden soll. Für die Emissionsberechnung über das
Lastprofil werden statt diesen Punkten 8 und 9 die Emissionen von Punkt 7
verwendet, woraus sich ein Gewichtungsfaktor für BSO Punkt 7 von 0,15 ergibt.
Für jede BSO-Stufe wurden Messungen mit und ohne Katalysator durchgeführt.
Aufgrund der Abgastemperaturen an der Katalysatorposition des unveränderten
Abgassystems beschränken sie die Untersuchungen zur Beheizung auf die BSOPunkte 1...4.
Daraus ergibt sich folgender Ablaufplan der Messreihen:
1. Einschwingphase BSO1 (10 min)
2. Messzyklus unbeheizt (8 min)
3. Regenerierungszyklus (10 min)
4. Messzyklus Flammkerze (8 min)
5. Regenerierungszyklus( 10 min)
6. Messzyklus el. Heizung 24 V (8 min)
7. Einschwingphase BSO 2 (10 min)
8. etc.
70
3.4.6 Ergebnisse
Vor
der
detaillierten
Partikelemissionen
Betrachtung
erfolgt
der
zunächst
limitierten
eine
Emissionen
Darstellung
der
und
der
allgemeinen
Messergebnisse.
Abbildung 3.50 zeigt die Abgastemperaturen an der Katalysatorposition der
untersuchten Varianten.
Abgastemperatur an Katalysatorposition [°C]
400
350
300
250
ohne Kat
mit Kat
mit Kat und Heizung
mit Flammkerze
200
150
100
50
0
BSO1
Abb. 3.50:
BSO2
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
BSO7
Abgastemperaturen an der Katalysatorposition
Die Abweichung der Temperatur der Messreihen mit und ohne Katalysator können
teilweise auf die bis zu 12 K höhere Ansaugtemperatur während den Messungen mit
Katalysator,
zurückgeführt
hauptsächlich
werden,
aber
welche
auf
im
exotherme
Bereich
bis
Reaktionen
ca.
im
220 °C
Katalysator
eine
leichte
Temperaturerhöhung ergeben.
Messungen bei BSO-Punkt 4 ergaben beispielsweise eine um 15 K höhere
Abgastemperatur mit Kat, wobei die Differenz der Ansaugtemperatur in diesem Punkt
nur etwa 2 K beträgt.
71
Der typische Verlauf der Abgastemperatur über einen Messzyklus ist beispielhaft
anhand des BSO-Punktes 1 in Abbildung 3.51 dargestellt.
Temperaturverlauf BSO1
190
180
Temperatur in °C
170
160
150
24V mit KAT
ohne KAT
mit KAT
140
130
120
110
100
90
80
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
Messzeit in s
Abb. 3.51:
Temperaturverlauf BSO1
Über den Verlauf der Messungen nimmt die Temperatur, mit der elektrischen
Heizung, durch die sinkende Spannung der Batterien, wieder ab. In allen BSO
Punkten benötigt die Heizung ca. 30 Sekunden, um 90 % der vollen Heizleistung zu
erreichen
Für die Messreihen BSO1 - BSO4 standen gemessene Abgasmassenströme aus
den Messdaten des Semtech Dual QCM zur Verfügung. Wie Abbildung 3.52 zeigt,
korrelieren diese sehr gut mit den über den Volumendurchsatz des Motors und den
Ansaugbedingungen im Motorraum errechneten Werten. Für die Auswertungen
wurden daher in allen Punkten die berechneten Massenströme herangezogen.
72
Massenströme
600
500
kg/h
400
300
200
100
0
BSO1
BSO2
BSO3
BSO4
theoretischer Massenstrom
Abb. 3.52:
BSO5
BSO6
BSO7
gemessener Massenstrom
Berechnete und gemessene Abgasmassenströme
Zur Auswertung der gemessenen Emissionen wurden die Bereiche stationären
Betriebszustands der jeweils 8 min dauernden Messzyklen ausgewertet. Die
Ergebnisse stellen die prozentualen Massenanteile im Abgas für den jeweiligen BSOPunkt
dar,
welche
aufgrund
der
unterschiedlichen
Massenströme
keine
vergleichende Aussage mit anderen BSO-Punkten ermöglichen
Zur besseren Vergleichbarkeit wurden daher diese Werte mit der nachfolgend
beschriebenen Vorgehensweise zusätzlich in zeit-, fahrstrecken- und leistungsbezogene Emissionswerte umgerechnet.
Luftvolumenstrom:
Luftmassenstrom:
1
VL = VH ⋅ n
2
m L = VL ∗ ρl
Abgasmassenstrom:
m A = m B + m L
Die abgegebene Motorleistung in den einzelnen BSO-Punkten wurde anhand der
Propellerkurve berechnet, die mittlere Geschwindigkeit in jedem BSO-Punkt wurde
anhand der aufgezeichneten GPS-Daten des Emissionsmessgeräts bestimmt.
73
Die stündlichen Emissionsmassen ergeben sich wie folgt (Beispiel HC):
Massenstrom _ HC = Abgasmassenstrom * HC − Konzentrat ion
Die leistungsbezogenen Emissionen ergeben sich aus den stündlichen Emissionen
und der entsprechenden Leistung:
Massenstro m _ HC
= leistungsb ezogener _ Massenstro m _ HC
Leistung
Entsprechend Emissionen pro km aus den Fahrleistungen.
Massenstro m _ HC
= wegstreckenbezogener _ Massenstro m _ HC
Geschwindi gkeit
Die Emissionen über das gesamte BSO-Lastprofil ergeben sich aus den
entsprechenden Gewichtungsfaktoren:
Gesamtemissionen _ HC = 0,3 × EmissionBS O _ 1 + 0,1× EmissionBS O _ 2 + 0,1× ........
Die Konvertierungsraten der einzelnen Emissionen berechnen sich wie folgt:
⎛ Emissionen _ HCmitKat ⎞
⎟ × 100 = Konvertier ungsrate
⎜⎜1 −
Rohemissio nen _ HC ⎟⎠
⎝
Die Werte für das Luftverhältnis λ ergeben sich aus den Luft und Kraftstoffmassen:
Lmin = 14,545
Die
Steigerung
der
m L
=λ
Lmin * m B
Konvertierungsrate
durch
die
Heizung
errechnet
folgendermaßen:
⎛
⎞
ΔKonvertier ungsrate
⎜⎜1 −
⎟⎟ × 100 = Steigerung swert
⎝ Konvertier ungsrateBS O1 _ mitKat ⎠
ΔKonvertierungsrate = Konv.rateBSO1 _ mitKat + 24V − Konv.rateBSO1 _ mitKat
74
sich
3.4.6.1Limitierte Emissionen
In Abbildung 3.53 ist das HC-Emissionsverhalten bei steigender Drehzahl und somit
steigender Leistung des Motors dargestellt. Aufgrund ansteigender Leistung nehmen
die HC-Emissionen ohne Kat stark zu. Durch den Einbau eines Oxidationskatalysators konnten die HC-Emissionen deutlich reduziert werden. Zu erkennen ist
auch, dass mit steigender Abgastemperatur (resultierend aus elektrischer Beheizung
bzw. Erhöhung der Motorlast) die prozentuale Verringerung der Emissionen durch
das Abgasnachbehandlungssystem steigt (siehe dazu auch Abb. 3.57, HCKonvertierungsraten).
Klar zu erkennen sind weiterhin die stark angestiegenen HC-Emissionen beim
Betrieb mit der Flammkerze. Dieses Messergebnis ist auf eine schlechte
Verbrennung des zusätzlich eingebrachten Kraftstoffes an der Flammkerze
zurückzuführen. Aus diesem Grund wurde auf die weitere Untersuchung der
Beheizung mittels Flammkerze in den anderen BSO-Punkten verzichtet.
160,00
140,00
120,00
Kat und Flammk.
HC [ppm]
100,00
80,00
ohne Kat (RohEmissionen)
mit Kat
60,00
mit Heizung und
Kat
40,00
20,00
0,00
BSO1
Abb. 3.53:
BSO2
BSO3
BSO4
BSO5
HC-Konzentrationen der untersuchten Varianten
75
BSO6
BSO7
4500
4000
3500
HC [g/h]
3000
ohne Kat (Roh)
mit Kat
mit Kat und Heizung
2500
2000
1500
1000
500
0
BSO1
Abb. 3.54:
BSO2
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
BSO7
HC-Massenströme der untersuchten Varianten
In Abbildung 3.54 sind die anfallenden HC–Massen pro Stunde dargestellt. Das
Verhalten entspricht den prozentualen Massenanteilen in Abbildung 3.53.
In Abbildung 3.55 sind die Emissionen in g/km dargestellt.
300
250
HC [g/km]
200
ohne Kat
mit Kat
mit Kat und Heizung
150
100
50
0
BSO2
Abb. 3.55:
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
BSO7
Fahrstreckenbezogene HC-Emissionen der untersuchten Varianten
76
Abbildung 3.56 zeigt die Abhängigkeit der Emissionen, im Bezug zur Leistung des
Motors auf. Da im Leerlauf die Wellenleistung annähernd 0 ist, sind die auf die
Motorleistung bezogenen Emissionswerte für diesen BSO-Punkt nicht dargestellt.
100
90
80
HC [g/kWh]
70
60
ohne Kat
mit Kat
mit Kat und Heizung
50
40
30
20
10
0
BSO2
Abb. 3.56:
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
BSO7
Leistungsbezogene HC-Emissionen der untersuchten Varianten
Aus den Messergebnissen ergeben sich die Konvertierungsraten für HC in
Abhängigkeit von der Abgastemperatur wie in Diagramm 3.57 abgebildet.
Deutlich zeigt sich, dass der Oxidationskatalysator bereits bei einer Temperatur von
ca. 150 °C arbeitet.
Dieser
scheinbare
Widerspruch
könnte
evtl.
mit
der
Methode
der
Temperaturmessung in Zusammenhang stehen. Bei den Versuchen wurde die
Temperatur des Abgases an der Katalysatorposition gemessen, nicht die direkte
Temperatur des Katalysatorträgers. Dadurch erscheint es möglich, dass aufgrund der
im Katalysator ablaufenden exothermen Reaktionen auf der Oberfläche diese
zusätzlich aufgeheizt wird, wodurch mehr Schadstoffe umgewandelt werden.
77
100
Konvertierungsrate [%]
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Abb. 3.57:
Konvertierungsrate HC in Abhängigkeit von der Abgastemperatur
Die Messergebnisse der CO-Emissionen wurden entsprechend der Ergebnisse der
HC-Emissionen ausgewertet. Es ergibt sich ein ähnliches Bild wie bei den HCEmissionen, auch hier ist der schlechte Einfluss der zusätzlichen Verbrennung von
Kraftstoff in der Flammkerze nochmals deutlich zu sehen. Die nachfolgenden
Abbildungen 3.58 – 3.61 zeigen die entsprechenden Diagramme.
Die elektrische Heizung steigert die Konvertierungsrate stark, ebenso verringert der
Einbau des Katalysators in niederen BSO-Punkten auch ohne zusätzliche Heizung
die CO-Emissionen erheblich.
78
180,00
160,00
140,00
CO [ppm]
120,00
ohne Kat (Roh-Emissionen)
mit Kat
mit Kat und Heizung
Kat und Flammk.
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
BSO1
Abb. 3.58:
BSO2
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
BSO7
CO-Konzentrationen der untersuchten Varianten
9000
8000
7000
CO [g/h]
6000
5000
ohne Kat
mit Kat
mit Kat und Heizung
4000
3000
2000
1000
0
BSO1
Abb. 3.59:
BSO2
BSO3
BSO4
BSO5
CO-Massenströme der untersuchten Varianten
79
BSO6
BSO7
600
500
CO [g/km]
400
ohne Kat
mit Kat
300
mit Kat und
200
100
0
BSO2
Abb. 3.60:
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
BSO7
Fahrstreckenbezogene CO-Emissionen der untersuchten Varianten
600
500
CO [g/kWh]
400
ohne Kat
mit Kat
mit Kat und Heizung
300
200
100
0
BSO2
Abb. 3.61:
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
BSO7
Leistungsbezogene CO-Emissionen der untersuchten Varianten
80
Konvertierungsrate in %
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Abb. 3.62:
Konvertierungsrate CO in Abhängigkeit von der Abgastemperatur
Abbildung 3.62 zeigt die Konvertierungsrate von CO in Abhängigkeit von der
Abgastemperatur. Diese weist im Bereich zwischen 180 °C und 210 °C einen nicht
nachvollziehbaren Verlauf auf. Eventuell ist dieses Verhalten auf innermotorische
Prozesse zurückzuführen, auch Messfehler könnten die Ursache sein.
In Abbildung 3.63 sind die prozentualen Anteile der NOx-Emissionen dargestellt.
Wie zu erwarten war, reduziert der Oxidationskatalysator die NOx-Emissionen nicht.
Die Abbildungen 3.64 – 3.66 zeigen wie zuvor bei den Komponenten HC und CO
wiederum die zeit-, fahrstrecken- und leistungsbezogenen NOx-Emissionswerte.
Die Unterschiede in den einzelnen Messreihen eines BSO-Punktes können auf die
nicht völlig konstanten Ansaugbedingungen während der Messungen zurückgeführt
werden. Eine Steigerung der Ansauglufttemperatur führt zu einer tendenziell früheren
Verbrennung und damit zu höheren Verbrennungstemperaturen. Dies begünstigt die
Entstehung der Stickoxide.
81
700,00
600,00
NOx [ppm]
500,00
ohne Kat (Roh)
mit Kat
mit Kat und Heizung
Kat und Flammk.
400,00
300,00
200,00
100,00
0,00
BSO1
Abb. 3.63:
BSO2
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
BSO7
NOx-Konzentrationen der untersuchten Varianten
35000
30000
NOx [g/h]
25000
20000
ohne Kat
mit Kat
mit Kat und Heizung
15000
10000
5000
0
BSO1
Abb. 3.64:
BSO2
BSO3
BSO4
BSO5
NOx-Massenströme der untersuchten Varianten
82
BSO6
BSO7
2500
NOx [g/km]
2000
1500
ohne Kat
mit Kat
mit Kat und Heizung
1000
500
0
BSO2
Abb. 3.65:
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
BSO7
Fahrstreckenbezogene NOx-Emissionen der untersuchten Varianten
1400
1200
NOx [g/kWh]
1000
800
ohne Kat
mit Kat
mit Kat und Heizung
600
400
200
0
BSO2
Abb. 3.66:
BSO3
BSO4
BSO5
BSO6
BSO7
Leistungsbezogene NOx-Emissionen der untersuchten Varianten
83
Abbildung 3.67 zeigt das Verhältnis NO zu NO2 der untersuchten Varianten. Dabei ist
zu erkennen, dass mit zunehmender Aktivität des Oxidationskatalysators der NO2Anteil zu- sowie der NO-Anteil abnimmt.
Diese Eigenschaft des Oxidationskatalysators begünstigt die Regenerierung eines
nachgeschalteten Partikelfilters, da für die Regeneration eines solchen Filters NO2
benötigt wird.
Auch hier unterstützt die zusätzliche Beheizung der Abgase die Bildung von NO2
insbesondere in den unteren BSO-Punkten. So erhöht sich die NO2 Konzentration im
Abgas zum Beispiel im BSO-Punkt 2 durch das Beheizen der Abgase um 260 %
gegenüber den Messungen ohne Kat. In BSO-Punkt 7 erhöht sich durch den Kat,
aufgrund der vorliegenden Abgastemperatur, der Anteil an NO2 auf den nahezu 10fachen Anteil der entsprechenden Rohemission.
700,00
Massenanteile in ppm
600,00
500,00
400,00
NO2
NO
300,00
200,00
100,00
Abb. 3.67:
Verhältnis NO zu NO2 bei den untersuchten Varianten
84
BSO7 mit Kat
BSO7
BSO6 mit Kat
BSO6
BSO5 mit Kat
BSO5
BSO4 mit Kat+24V
BSO4 mit Kat
BSO4
BSO3 mit Kat+24V
BSO3 mit Kat
BSO3
BSO2 mit Kat+24V
BSO2 mit Kat
BSO2
BSO1 mit Kat+24V
BSO1 mit Kat
BSO1
0,00
Auf Basis des durch die BSO vorgegebenen Lastprofils sowie den Zyklus-Grenzwerten der limitierten Abgaskomponenten wurden die Emissionen des Versuchsbootes mit den Grenzwerten nach BSO Stufe 1 verglichen (s. Abbildung 3.68).
Deutlich zu erkennen ist, dass allein durch den Einbau eines Katalysators die COEmissionen bereits unter den Grenzwert abgesenkt werden konnten.
Mit einer zusätzlichen Beheizung des Katalysators liegen auch die HC-Emissionen in
einer Größenordnung, um durch weitere Abstimmungsarbeiten an Motor und
Abgasnachbehandlungssystem den BSO-1-Grenzwert unterschreiten zu können.
Emissionen bezüglich Lastprofil BSO Stufe 1
6000
4818
Emissionen in g/h
5000
4500
4000
3000
2368
2000
1934
1664
290
380
479
HC Grenzwert
HC mit Kat
und Heizung
HC mit Kat
1000
Abb. 3.68:
Zyklusemissionen bezogen auf den Grenzwert BSO Stufe 1
85
CO ohne Kat
CO mit Kat
CO mit Kat
und Heizung
CO Grenzwert
HC ohne Kat
0
3.4.6.2Partikelemissionen
Im Gegensatz zu den limitierten gasförmigen Emissionen zeigen sich die Ergebnisse
der Partikelmessungen im Detail weniger eindeutig.
Bei dem vorhandenen Messsystem Semtech Dual QCM werden zwei Quarzkristalle
parallel mit einem zuvor verdünnten Abgasteilstrom beaufschlagt und die
Massenzunahme auf den Quarzen über der Zeit aufgetragen. Das Verhältnis der
Massenzunahme über der Messzeit (= die Steigung der Verlaufskurve) ergibt den
Anteil an Partikeln im Abgas und ist damit ein Maß für die Partikelemissionen.
Abbildung 3.69 zeigt beispielhaft den Verlauf der Massenzunahmen auf einem
Messquarz im BSO-Punkt 1 für die Varianten „ohne Katalysator“ und „mit
Katalysator“.
ohne Oxidatiosnkatalysator (Rohemissionen)
mit Oxidationskatalkysator
0.6
Partikelmasse [μg]
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
Abb. 3.69:
50
10 0
1 50
2 00
250
Verlauf der Partikelmassenzunahmen auf dem Messquarz, Bsp. BSO 1
86
3 00
35 0
Die mittleren Steigungsquotienten der einzelnen Messzyklen sind im nachfolgenden
Diagramm (Abb. 3.70) dargestellt (bezogen auf das über den Quarz geleitete
Abgasvolumen). Dafür wurden die Beladungsquotienten der beiden parallel
betriebenen Messquarze gemittelt. Bei der Bewertung der Ergebnisse ist zu
berücksichtigen, dass die Beladungsquotienten der beiden Quarze teilweise
erhebliche Unterschiede aufweisen. Dennoch ist ein Trend in Richtung Reduktion der
Partikelmassen durch den Einbau des Oxidationskatalysators bzw. Beheizung des
Katalysators erkennbar.
0,8
0,7
Massenzunahme in µg/l
0,6
0,5
ohne Kat
mit Kat
mit Kat und Heizung
0,4
0,3
0,2
0,1
0
BSO1
Abb. 3.70:
BSO2
BSO3
BSO4
Beladungsquotienten der untersuchten Varianten
Eine über diese Trendaussagen hinausgehende Auswertung der Partikelmessungen
ist aufgrund der noch vorhandenen Unsicherheiten des Messsystems nicht möglich.
Zu hinterfragen bleibt, ob der immense Aufwand zur Durchführung von mobilen
Online-Partikelmessungen
gerechtfertigt
ist.
Sowohl
die
gewählte
Art
der
Partikelmessung als auch alternative Verfahren (z.B. Beladung eines Filterpapieres)
sind insbesondere beim mobilen Einsatz mit sehr großem Installations- und
87
Bedienungsaufwand verbunden. Der Nutzen dieser Messung scheint, insbesondere
im Vergleich zu Aufwand und Nutzen der Messung gasförmiger Abgasbestandteile,
fraglich.
3.4.6.3Abgasgeruch
Der für den Betrieb eines Dieselmotors typische Abgasgeruch wird hauptsächlich
durch unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe verursacht. Wie in Kapitel 3.4.6.1
gezeigt, konnten diese durch den Einsatz eines Oxidationskatalysators um bis zu
71 % verringert werden. Eine zusätzliche Beheizung des Abgases resultierte in einer
Verringerung um bis zu 93 % (bezogen auf die Rohemissionen).
Der subjektive Eindruck während der Messfahrten bestätigte diese theoretischen
Betrachtungen. Die Geruchsbelästigung durch die Abgase konnte deutlich verringert
werden, bereits nach dem Einbau des Oxidationskatalysators war der typische
„Fritten-Geruch“ nur noch im Leerlauf und im BSO-Punkt 1 schwach wahrnehmbar.
Mit dem zusätzlichen Einsatz der elektrischen Heizung sank der Abgasgeruch auch
in diesen Punkten unter die Wahrnehmungsgrenze.
88
3.4.7 Bewertung des Aufwand-Nutzen-Verhältnisses
Insbesondere bei der Verwendung einer elektrischen Heizung kommt dem durch die
Erwärmung verursachten Energieverbrauch eine große Bedeutung zu. Elektrische
Energie ist nur mit einer vergleichsweise geringen Energiedichte speicherbar,
weshalb sie bevorzugt in den Betriebsbereichen mit hohem Nutzen eingesetzt
werden sollte.
Die Kenntnis des Verhältnisses von Aufwand zu Nutzen ist für die richtige
Dimensionierung einer Heizung entscheidend, da der leistungsmodulierende Betrieb
eines solchen Heizelements aufgrund der hohen zu schaltenden Ströme einen
erheblichen Installationsmehraufwand mit sich bringen würde und daher nach
Möglichkeit vermieden werden sollte.
Abbildung 3.71 zeigt für die BSO-Punkte 1 – 4 die erforderliche Heizleistung, um eine
Steigerung der Konvertierungsrate des Oxidationskatalysators von 10 % im Vergleich
zum unbeheizten Abgas zu erzielen.
16
14
Heizleistung in kW
12
10
HC
CO
8
6
4
2
0
BSO1
Abb. 3.71:
BSO2
BSO3
BSO4
Vergleich der erforderlichen Heizleistungen zur Steigerung der Konvertierungsrate um
10 %
89
Aus diesem Diagramm geht hervor, dass sich insbesondere bei den CO-Emissionen
im BSO-Punkt 4 mit sinnvollen und in der Praxis realisierbaren Heizleistungen keine
nennenswerte Reduktion mehr erzielen lässt.
In Abbildung 3.72 ist dargestellt, welche Steigerungen der Konvertierungsrate sich
mit der für die zweite Onboard-Messreihe gewählten Heizleistung von 7200 W
Steigerung der Konv.-Rate im Vgl. zu unbeh. Katalysator
erzielen ließ.
140
120
100
80
HC
CO
60
40
20
0
BSO1
Abb. 3.72:
BSO2
BSO3
BSO4
Steigerung der Konvertierungsrate im Vergleich zu unbeheiztem Katalysator
Insbesondere in den BSO-Punkten 1 und 2 können bei der Reduktion einzelner
Schadstoffe Verbesserungen von über 100 % gegenüber dem unbeheizten Katalysator erzielt werden.
90
4 Vorschlag zur Umsetzung
In diesem Kapitel wird aufbauend auf den Ergebnissen der Messreihen dieses
Projekts die konkrete Vorgehensweise bei der Nachrüstung eines Sportboots mit
Oxidationskatalysator und Begleitheizung dargestellt.
4.1 Oxidationskatalysator
Bei der Auswahl eines geeigneten Oxidationskatalysators kann in der Regel auf
einen
entsprechend
dimensionierten
Katalysator
aus
dem
PKW-
oder
Nutzfahrzeugbereich zurückgegriffen werden. Die Katalysatorenhersteller sind in der
Lage, anhand de1 nachfolgend aufgeführten Daten eines Dieselmotors einen
passenden
Katalysator
auszuwählen.
Die
Anpassung
an
das
Abgasrohr
(Anschlussdurchmesser) sowie evtl. zusätzlich notwendige Befestigungspunkte
müssen beim Einbau individuell angepasst werden.
Zur Auslegung erforderliche Daten des Verbrennungsmotors sind:
-
Hubraum
-
Nenndrehzahl
-
Nennleistung
Eine breite Auswahl von Oxidationskatalysatoren kann z. B. bei folgenden Herstellen
bezogen werden:
Oberland Mangold GmbH
HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co.
Katalysatortechnik
Dieselweg 12
Postfach 1530
58706 Menden
82455 Garmisch-Patenkirchen
www-hjs.com
www.oberland-mangold.de
Zum Einbau erforderliche Flansche, Rohrstücke oder Konen können über den
örtlichen Stahlhandel bezogen werden.
91
4.2 Elektrische Heizung
Hinweise zur Auslegung eines elektrischen Heizelements wurden bereits in Kapitel
3.3.3.1
(Beheizung
mittels
elektrischer
Widerstandsheizung)
gegeben.
Zur
Auslegung müssen die Motorabgastemperatur an der Katalysatorposition sowie der
Abgasmessenstrom im jeweiligen Betriebspunkt bekannt sein. Die Abgastemperatur
kann mit Werkstattmitteln gemessen werden, der Abgasmassenstrom anhand der in
Kapitel
3.4.6
dargestellten
Formeln
aus
Drehzahl,
Hubvolumen
und
Kraftstoffverbrauch berechnet werden.
Bei der Auslegung der Heizleistung ist, wie in Kapitel 3.4.7 erwähnt, darauf zu
achten, dass kein leistungsmodulierender Betrieb gewählt wird.
Ein Hersteller von elektrisch beheizbaren Trägermaterialien zum Einbau in die
Abgasanlage ist z. B. die Firma Emitec:
Emitec GmbH
Hauptstraße 128
53797 Lohmar
www.emitec.com
Abbildung 4.1 zeigt ein Schnittmodell eines Heizelements diese Herstellers.
Abb. 4.1:
Schnittmodell eine Emitec-Heizelements /8/
92
Die auch hier zum Einbau erforderlichen Flansche, Rohrstücke oder Konen können
über den örtlichen Stahlhandel bezogen werden.
Hauptaugenmerk bei der Installation einer elektrischen Heizung muss auf eine
ausreichend
dimensionierte
Lichtmaschine
sowie
eine
ausreichend
große
Batteriespeicherkapazität gelegt werden.
Abhängig vom eingebauten Motor werden oft vom Motorenhersteller selbst verstärkte
Lichtmaschinen oder Anbausätze zur Installation einer zweiten Lichtmaschine
angeboten.
Abbildung
4.2
zeigt
dies
anhand
eines
Auszugs
aus
dem
Ersatzteilkatalog von VW (VW-Marine stellt marinisierte Varianten der VWDieselmotoren her).
Abb. 4.2:
Beispiel für Nachrüstung einer zweiten Lichtmaschine /9/
93
Alternativ kann die vorhandene Lichtmaschine oft durch eine größere mit
entsprechend passenden Befestigungspunkten ersetzt werden. Dabei ist ggf. ein
Keilriemen anderer Länge erforderlich
Abbildung 4.3 zeigt dies beispielhaft an zwei möglichen Lichtmaschinen für denselben VW-Dieselmotor.
Abb. 4.3:
Lichtmaschinen unterschiedlicher Leistung für einen Dieselmotor /10/
Zur Schaltung des elektrischen Stroms sind bis ca. 300 A handelsübliche
Batterietrennschalter
(„Nato-Knochen“)
sowie
entsprechend
dimensionierte
Sicherungen aus dem KFZ-Teile- und Elektroinstallationshandel geeignet.
Die außerdem erforderlichen zusätzlichen Batterien können als handelsübliche
Startbatterien ebenfalls im KFZ-Teilehandel bezogen werden. So genannte Campingoder Taxi-Batterien sind wegen deren geringen Kälteprüfströme ungeeignet zum
Betrieb mit hoher Last.
94
Die erforderliche Batteriekapazität richtet sich sehr stark nach Heizleistung und
Einsatzprofil und muss daher individuell bestimmt werden.
4.3 Flammkerze
Von der Nachrüstung einer Flammkerze muss nach derzeitigem Kenntnisstand
abgeraten werden. Bei ansaugseitigen Einbau wird die Verbrennung des Motors
durch die heiße Ansaugluft verstimmt, bei abgasseitigen Einbau ist eine Auslegung
ohne negativen Einfluss auf die Gesamtemissionen des Motors mit Werkstattmitteln
nicht durchführbar.
95
5 Zusammenfassung und Ausblick für zukünftige Arbeiten
Durch die Onboard-Messreihen auf dem Bodensee und die begleitenden Laboruntersuchungen wurde die Machbarkeit einer Katalysatornachrüstung für biodieselbetriebene Boote aufgezeigt. Trotz der im Realbetrieb bei Booten ungünstig
niedrigen Abgastemperaturen bewirkte bereits die alleinige Nachrüstung eines
Oxidationskatalysators sowohl bei den limitierten gasförmigen Angasemissionen als
auch beim – insbesondere beim Betrieb eines Dieselmotors mit Biodiesel relevanten
– Abgasgeruch eine deutliche Reduzierung.
Ein ähnlicher Trend ist bei den Partikelmassenemissionen zu beobachten, die dort
gemessenen Ergebnisse sind allerdings weniger einheitlich. Dies ist jedoch
vermutlich hauptsächlich auf die noch nicht zur Serienreife entwickelte mobile
Messtechnik zurückzuführen.
Darüber hinaus wurden verschiedene Varianten zur Erhöhung der Abgastemperatur
an der Katalysatorposition untersucht. Ziel dieser Maßnahmen war es, die
Konvertierungsrate des Abgasnachbehandlungssystems unter den im Realbetrieb
bei Booten überwiegend vorherrschenden ungünstig niedrigen Abgastemperaturen
zu erhöhen.
Durch Umsetzung einer geeigneten Maßnahme können die positiven Effekte des
Einbaus eines Oxidationskatalysators in allen Punkten weiter verstärkt werden.
Insbesondere in den BSO-Punkten 1 und 2 können bei der Reduktion einzelner
Schadstoffe Verbesserungen von über 100 % gegenüber einem unbeheizten System
erzielt werden.
Diese exemplarisch an drei Motoren gewonnenen Erkenntnisse lassen sich
problemlos auf andere Diesel-Bootsmotoren aller Leistungsklassen übertragen.
Es hat sich gezeigt, dass für eine sinnvolle Auslegung eines elektrischen
Heizelements die Kenntnis des Verhältnisses von Aufwand zu Nutzen entscheidend
ist, da aufgrund der hohen zu schaltenden Ströme ein Betrieb mit veränderbarer
Heizleistung einen unverhältnismäßig hohen Installationsmehraufwand verursachen
würde.
96
Die Laboruntersuchungen haben aufgezeigt, welche Vor- und Nachteile die
einzelnen Maßnahmen aufweisen. Auf Basis dieser Ergebnisse kommt als einfache
Nachrüstlösung nur die direkte elektrische Beheizung des Abgasmassenstromes in
Frage. Diese ist auch von kleineren Werkstätten einfach auszulegen und
einzubauen.
Die Beheizung des Abgasstromes mittels der zusätzlichen Verbrennung von
Kraftstoff erfordert dagegen einen weitaus höheren Applikationsaufwand an den
jeweiligen Motor und die Abgasführung des Bootes, der von kleineren Werkstätten in
der Regel nicht mehr bewältigt werden kann. In der Zwischenzeit sind jedoch
nachrüstfähige Systeme vorgestellt worden (Eberspächer „Fuel-Processor“), die die
Nachrüstung auch dieses Konzepts in Zukunft vereinfachen können.
Unter Verwendung eines solchen Systems sollte daher in einer auf die Ergebnisse
dieser Arbeit aufbauenden Untersuchung die Beheizung des Abgasstromes mittels
einer Brennerheizung weiter untersucht werden.
Bei erfolgreicher Applikation ist diese Art der Erwärmung aus Sicht der
Energiebevorratung an Bord eines Bootes einem elektrischen Heizkonzept
vorzuziehen.
Die Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes haben weiter gezeigt, dass im
Bereich der mobilen Online-Partikelmessung noch großer Forschungs- und
Entwicklungsbedarf besteht. Vergleichende Messungen einer weiterentwickleten
Variante
des
Semtech
Dual
QCM
mit
anderen
Konzepten
zur
mobilen
Partikelmessung sind erforderlich, um Klarheit über verlässliche und aussagekräftige
Messsysteme zu erhalten.
97
6 Anhang – Literaturverzeichnis
/1/
Plaettner-Hochwarth, H.; Schreiner, K.: Biodiesel und Sportschifffahrt in der
Euregio Bodensee. Abschlussbericht. UFOP 2007
/2/
NN: Katalysator-Startheizungssystem, MTZ 1/1993, S. 22
/3/
Terres, F.; Froese, D.: Der EHC – das richtige System für kommende
Emissionswerte, MTZ 9/1995, S. 486f
/4/
Hagelüken, C. (Hrsg.): Autoabgaskatalysatoren, Renningen, 2001
/5/
Otto, E.; Held, W.; Donnerstag, A.; Küper, P. F.; Pfalzgraf, B.; Wirth, A.: Die
Systementwicklung des elektrisch heizbaren Katalysators E-Kat für die
LEV/ULEV- und EU-III-Gesetzgebung, MTZ 9/1995, S. 488ff
/6/
Ministerium für Umwelt und Verkehr Baden-Württemberg: Verordnung des
Ministeriums für Umwelt und Verkehr zur Einführung der BodenseeSchifffahrts-Ordnung (EinfVO – BSO), 2001
/7/
Einbaurichtlinie für automatische Flammstartanlage, Dokument Nr. 5100 006
00, Beru AG, Ludwigsburg, 1992
/8/
Produktinformation EHC, Emitec GmbH, www.emitec.com
/9/
VW-Ersatzteilkatalog „ETKA“
/10/
Bosch e-cat Online, www.bosch-automotive.com/ecat-online/
98
7 Anhang – Veröffentlichungen/Tagungen
7.1 Biodiesel-Symposium auf der Interboot 2004
Im Rahmen des Oxi-Kat-Projekts wurde auf der Interboot 2004 das zweite BiodieselSymposium mit Wissenschaftlern, Motorenherstellen und Anwender von Biodiesel
aus verschiedenen Bereichen organisiert und durchgeführt. Dabei wurden erste
Teilergebnisse dieses Projektes in einem Fachvortrag präsentiert.
Über das Symposium wurde in einem Fachmagazin für Wassersport sowie der
Lokalpresse
berichtet.
Die
Vorträge
sind
unter
http://www.vmot.htwg-
konstanz.de/biodiesel_symposium_2004.php downloadbar.
7.2 EU-Konferenz im Mailand 2007
Nach Abschluss der Untersuchungen konnten die Ergebnisse dieses Projekts auf der
EU-Konferenz „Transport and Environment: A global challenge - Technological and
Policy Solutions” veranstaltet vom EU-Joint Research Centre vom 19. – 21. März
2007 in Mailand vorgestellt werden.
Themen der Tagung waren unter anderem Biokraftstoffe im Transport-Sektor sowie
die Messung von Abgasemissionen unter realen Betriebsbedingungen.
Die Ergebnisse wurden auf der Konferenz in Form einer Präsentation im
Themenblock „Real World Emission Measurements“ sowie im Tagungsband
veröffentlicht.
Nähere
Informationen
zur
Tagung
http://transportenv07.jrc.it
99
finden
sich
im
Internet
unter
8 Anhang - Propellerkennlinie Hörnle
100
101

Oxidationskatalysatoren für mit Biodiesel betriebene Sportboote

Transcription

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