Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Der Dieselmotor ist die Verbrennungskraftmaschine mit dem h\u00f6chsten Wirkungsgrad und der h\u00f6chsten Flexibilit\u00e4t im mobilen Einsatz. Ein Hauptproblem der dieselmotorischen Verbrennung stellt die Emission der Schadstoffe Stickoxide (NOx) und Partikel (PM) dar. Herk\u00f6mmliche Ma\u00dfnahmen zur Senkung der NOx-Emission f\u00fchren zu einem Anstieg der PM-Emission und des Kraftstoffverbrauches. Ma\u00dfnahmen zur Reduzierung der Partikelemission f\u00fchren wiederum zu einem Anstieg der NOx-Emission. Eine M\u00f6glichkeit zur Reduzierung beider Emissionen besteht in der \u00c4nderung der Zusammensetzung der Verbrennungsluft. So kann z. B. durch eine Erh\u00f6hung des Inertgasanteils der Verbrennungsluft die NOx-Emission drastisch reduziert werden. Wird gleichzeitig der Sauerstoffgehalt gen\u00fcgend hoch gehalten, kann der Anstieg der Partikelemission unterbunden werden. Gegenstand und Ziel des Projektes ist die On-Board-Beeinflussung der Verbrennungsluftzusammensetzung und des Kraftstoffs zur Erf\u00fcllung zuk\u00fcnftiger Abgasemissionsgrenzwerte (EURO IV, EURO V) ohne Abgasnachbehandlung.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer L\u00f6sungsweg beinhaltet zun\u00e4chst in einem ersten Arbeitspaket (AP) eine theoretische Ermittlung des Zusammenhanges zwischen der Verbrennungsluftzusammensetzung und der NOx- und PM-Emission. Grundlage zur Ermittlung dieses Zusammenhanges sind Daten \u00fcber die Zusammensetzung der Verbrennungsluft und Emissionen, die aus Untersuchungen zur Abgasr\u00fcckf\u00fchrung zur Verf\u00fcgung stehen. Darauf basierend werden die theoretisch ermittelten Werte an einem 1-Zylinder-Dieselmotor \u00fcberpr\u00fcft und die optimale Verbrennungsluftzusammensetzung aus den experimentellen Daten abgeleitet. Im dritten Arbeitspaket wird eine Strategie zur Herstellung des optimalen Verbrennungsluftgemisches unter Ber\u00fccksichtigung der realen Bedingungen in der Praxis (Fahrzeugeinsatz) erarbeitet, die Varianten experimentell getestet und bewertet. Im Vordergrund steht dabei die Untersuchung der M\u00f6glichkeit, bereits in anderen Gebieten im Einsatz befindliche Membrantrennverfahren zur Herstellung der gew\u00fcnschten Verbrennungsluftzusammensetzung zu verwenden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die wichtigsten Ergebnisse dieses Projekts lassen sich wie folgt zusammenfassen:
\n\u00b7\tDas Hauptproblem beim Dieselmotor stellen die Abgasschadstoffe Stickoxide (NOx) und Partikel (PM) dar.
\n\u00b7\tHerk\u00f6mmliche Ma\u00dfnahmen zur NOx-Senkung f\u00fchren zu einem Anstieg der PM-Emission und des Kraftstoffverbrauchs. Ma\u00dfnahmen zur Senkung der PM-Emission f\u00fchren wiederum zu einem Anstieg der NOx-Emission.
\n\u00b7\tDie Abgasr\u00fcckf\u00fchrung ist eine sehr effektive M\u00f6glichkeit, die NOx-Emission zu senken. Dabei steigt die PM-Emission jedoch drastisch an. Ursache hierf\u00fcr ist der verminderte Sauerstoffgehalt im Gasgemisch Frischluft + zur\u00fcckgef\u00fchrtes Abgas.
\n\u00b7\tEine M\u00f6glichkeit zur Reduzierung sowohl der NOx- als auch der PM-Emission besteht in der gezielten \u00c4nderung der Zusammensetzung der Verbrennungsluft. So kann durch Erh\u00f6hung des Inertgasanteils die NOx-Emission drastisch reduziert werden. Wird dabei der Sauerstoffgehalt so hoch gehalten wie in atmosph\u00e4rischer Luft kann der Anstieg der PM-Emission unterbunden werden.
\n\u00b7\tAusgehend von der Zusammensetzung der Verbrennungsluft bei der Abgasr\u00fcckf\u00fchrung wurde eine optimale Zusammensetzung der Verbrennungsluft theoretisch abgeleitet.
\n\u00b7\tExperimentelle Untersuchungen an zwei unterschiedlichen Einzylinder-Dieselmotoren, bei denen N2, CO2 und O2 der Verbrennungsluft beigemischt wurden, ergaben:
\n–\tDie relative Senkung der NOx-Emission ist eine Funktion des Sauerstoffgehalts und der Zusammensetzung des Tr\u00e4gergases. Im Falle reiner Luft ist das Tr\u00e4gergas Stickstoff.
\n–\tCO2 als Tr\u00e4gergas ist wirksamer als N2. Der Grund hierf\u00fcr liegt in der h\u00f6heren W\u00e4rmekapazit\u00e4t von CO2.
\n–\tDie PM-Emission ist eine Funktion des Sauerstoffgehalts. Mit steigendem Sauerstoffgehalt nimmt die PM-Emission ab. Ab einem Sauerstoffgehalt > 20 % l\u00e4sst sich der PM-Anstieg begrenzen.
\n–\tBei einem CO2-Gehalt von 12 % und einem O2-Gehalt von 20 % l\u00e4sst sich eine NOx-Reduktion um 80 % ohne nennenswerten Anstieg der PM-Emission realisieren.
\n\u00b7\tDie optimale Verbrennungsluft muss einen Sauerstoffgehalt gr\u00f6\u00dfer als 20 % und einen CO2-Gehalt gr\u00f6\u00dfer als 10 % aufweisen. Der Rest besteht im Wesentlichen aus Stickstoff.
\n\u00b7\tZur Herstellung der optimal zusammengesetzten Luft kommen Membrane als Trennorgane zur Trennung bestimmter Gaskomponenten aus einem Gasgemisch in Betracht. So kann zum Einen die Luft durch Verringerung des Stickstoffgehalts mit Sauerstoff angereichert werden. Zum Anderen kann CO2 gezielt aus dem Abgas getrennt und der Verbrennungsluft beigemischt werden, um den CO2-Gehalt der Verbrennungsluft zu erh\u00f6hen.
\n\u00b7\tEine Literaturstudie ergab, dass zur Anreicherung des Kraftstoffs mit Sauerstoff verschiedene sauerstoffhaltige Alkohole, Ether und Ester in Frage kommen. Dabei ist deren Einsatz sowohl in Reinform als Ersatz f\u00fcr Dieselkraftstoff als auch als Beimischungen zum Dieselkraftstoff denkbar. Die Unterschiede in den physikalischen und chemischen Eigenschaften zwischen Alkohole, Ether und Ester einerseits und Dieselkraftstoff andererseits k\u00f6nnen eine v\u00f6llige Neuanpassung des Dieselmotorkonzepts erforderlich machen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Velji, A.; Hofmann, U.; Bach, E.; On-Board-Beeinflussung der Verbrennungsluft zur Schadstoffreduktion bei Dieselmotoren. V. Tagung Motorische Verbrennung: Aktuelle Probleme und moderne L\u00f6sungsans\u00e4tze, Haus der Technik, Essen 13.\/14. M\u00e4rz 2001<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Ausgehend von der Abgasr\u00fcckf\u00fchrung wurde in theoretischen und experimentellen Untersuchungen die optimale Zusammensetzung der Verbrennungsluft zur gleichzeitigen Reduktion der NOx- und Partikelemission ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass es mit dieser Verbrennungsluft m\u00f6glich ist, eine \u00e4hnlich hohe NOx-Reduktion wie bei der Abgasr\u00fcckf\u00fchrung zu erzielen, ohne dass die Partikelemission drastisch ansteigt. Die optimale Verbrennungsluft muss einen Sauerstoffgehalt > 20 % und einen CO2-Gehalt > 10 % aufweisen. Der Rest besteht im Wesentlichen aus Stickstoff.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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