Projekt 17332/01

Durchführung theoretischer und experimenteller Untersuchungen zu den Möglichkeiten der On-Board- Beeinflussung der Verbrennungsluftzusammensetzung und/oder des Kraftstoffs für Verbrennungsmotoren mit dem Ziel der Emissionsminderung

Projektträger

Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden
Friedrich-List-Platz 1
01069 Dresden
Telefon: 0351/462-2781

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Dieselmotor ist die Verbrennungskraftmaschine mit dem höchsten Wirkungsgrad und der höchsten Flexibilität im mobilen Einsatz. Ein Hauptproblem der dieselmotorischen Verbrennung stellt die Emission der Schadstoffe Stickoxide (NOx) und Partikel (PM) dar. Herkömmliche Maßnahmen zur Senkung der NOx-Emission führen zu einem Anstieg der PM-Emission und des Kraftstoffverbrauches. Maßnahmen zur Reduzierung der Partikelemission führen wiederum zu einem Anstieg der NOx-Emission. Eine Möglichkeit zur Reduzierung beider Emissionen besteht in der Änderung der Zusammensetzung der Verbrennungsluft. So kann z. B. durch eine Erhöhung des Inertgasanteils der Verbrennungsluft die NOx-Emission drastisch reduziert werden. Wird gleichzeitig der Sauerstoffgehalt genügend 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 Erfüllung zukünftiger Abgasemissionsgrenzwerte (EURO IV, EURO V) ohne Abgasnachbehandlung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Lösungsweg beinhaltet zunächst 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 über die Zusammensetzung der Verbrennungsluft und Emissionen, die aus Untersuchungen zur Abgasrückführung zur Verfügung stehen. Darauf basierend werden die theoretisch ermittelten Werte an einem 1-Zylinder-Dieselmotor überprüft und die optimale Verbrennungsluftzusammensetzung aus den experimentellen Daten abgeleitet. Im dritten Arbeitspaket wird eine Strategie zur Herstellung des optimalen Verbrennungsluftgemisches unter Berücksichtigung der realen Bedingungen in der Praxis (Fahrzeugeinsatz) erarbeitet, die Varianten experimentell getestet und bewertet. Im Vordergrund steht dabei die Untersuchung der Möglichkeit, bereits in anderen Gebieten im Einsatz befindliche Membrantrennverfahren zur Herstellung der gewünschten Verbrennungsluftzusammensetzung zu verwenden.


Ergebnisse und Diskussion

Die wichtigsten Ergebnisse dieses Projekts lassen sich wie folgt zusammenfassen:
· Das Hauptproblem beim Dieselmotor stellen die Abgasschadstoffe Stickoxide (NOx) und Partikel (PM) dar.
· Herkömmliche Maßnahmen zur NOx-Senkung führen zu einem Anstieg der PM-Emission und des Kraftstoffverbrauchs. Maßnahmen zur Senkung der PM-Emission führen wiederum zu einem Anstieg der NOx-Emission.
· Die Abgasrückführung ist eine sehr effektive Möglichkeit, die NOx-Emission zu senken. Dabei steigt die PM-Emission jedoch drastisch an. Ursache hierfür ist der verminderte Sauerstoffgehalt im Gasgemisch Frischluft + zurückgeführtes Abgas.
· Eine Möglichkeit zur Reduzierung sowohl der NOx- als auch der PM-Emission besteht in der gezielten Änderung der Zusammensetzung der Verbrennungsluft. So kann durch Erhöhung des Inertgasanteils die NOx-Emission drastisch reduziert werden. Wird dabei der Sauerstoffgehalt so hoch gehalten wie in atmosphärischer Luft kann der Anstieg der PM-Emission unterbunden werden.
· Ausgehend von der Zusammensetzung der Verbrennungsluft bei der Abgasrückführung wurde eine optimale Zusammensetzung der Verbrennungsluft theoretisch abgeleitet.
· Experimentelle Untersuchungen an zwei unterschiedlichen Einzylinder-Dieselmotoren, bei denen N2, CO2 und O2 der Verbrennungsluft beigemischt wurden, ergaben:
- Die relative Senkung der NOx-Emission ist eine Funktion des Sauerstoffgehalts und der Zusammensetzung des Trägergases. Im Falle reiner Luft ist das Trägergas Stickstoff.
- CO2 als Trägergas ist wirksamer als N2. Der Grund hierfür liegt in der höheren Wärmekapazität von CO2.
- Die PM-Emission ist eine Funktion des Sauerstoffgehalts. Mit steigendem Sauerstoffgehalt nimmt die PM-Emission ab. Ab einem Sauerstoffgehalt > 20 % lässt sich der PM-Anstieg begrenzen.
- Bei einem CO2-Gehalt von 12 % und einem O2-Gehalt von 20 % lässt sich eine NOx-Reduktion um 80 % ohne nennenswerten Anstieg der PM-Emission realisieren.
· Die optimale Verbrennungsluft muss einen Sauerstoffgehalt größer als 20 % und einen CO2-Gehalt größer als 10 % aufweisen. Der Rest besteht im Wesentlichen aus Stickstoff.
· Zur 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 erhöhen.
· Eine 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 für 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 können eine völlige Neuanpassung des Dieselmotorkonzepts erforderlich machen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Velji, A.; Hofmann, U.; Bach, E.; On-Board-Beeinflussung der Verbrennungsluft zur Schadstoffreduktion bei Dieselmotoren. V. Tagung Motorische Verbrennung: Aktuelle Probleme und moderne Lösungsansätze, Haus der Technik, Essen 13./14. März 2001


Fazit

Ausgehend von der Abgasrückführung 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 möglich ist, eine ähnlich hohe NOx-Reduktion wie bei der Abgasrückführung 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.

Übersicht

Fördersumme

101.667,32 €

Förderzeitraum

01.09.2000 - 15.10.2001

Bundesland

Sachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik