Der Verbrennungsprozess in einem Dieselmotor erzeugt Schadstoffemissionen. Diese können weitestgehend durch Oxidationskatalysatoren reduziert werden. Partikelartige Emissionen wie Dieselpartikel sind jedoch nicht reduzierbar und
müssen daher gesondert behandelt werden. Dieselpartikel können aufgrund ihrer
geringen Größe durch die Lungenbläschen in den Blutkreislauf gelangen. Dies kann zu körperlichen Folgeschäden führen.
Die Verwendung von Dieselpartikelfiltern ist erzeit eine effektive Lösung um Partikelemissionen zu reduzieren. Diese Bachelorarbeit zeigt verschiedene Bauweisen von Partikelfiltern auf, die nachträglich auf Baumaschinen aufgebaut
werden können. Im Weiteren wird der wirtschaftliche Mehraufwand durch den
Einsatz eines Partikelfilters beschrieben. Der Verbrennungsprozess sowie die Zusammensetzung der schädlichen Abgase sollen als Wissensgrundlage dienen. Um Aufschluss darüber zu geben, wie effektiv Dieselpartikelfilter arbeiten, hat der
Verfasser dieser Arbeit spezielle Abgastests an einer Baumaschine durchgeführt. Die Reduktion von CO- und Partikelemissionen wurden durch dieses Testverfahren belegt.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
1.2 Definition der Hypothese
1.3 Arbeitsumfeld
2. Grundlagen
2.1 Grundlagen eines Dieselmotors
2.1.1 Arbeitsweise
2.1.2 Thermodynamische Grundlagen des Dieselmotors
2.2 Entstehung von Schadstoffemissionen
2.2.1 Gesetzliche Emissionsgrenzwerte
2.3 Möglichkeiten zur Schadstoffreduzierung
2.3.1 Abgasnachbehandlung
2.3.2 Grundlagen über Dieselpartikelfilter
3. Praktischer Teil
3.1 Zweck der Überprüfung
3.2 Testobjekt
3.3 Testumgebung
3.4 Testbetreuer
3.5 Testzeitpunkt
3.6 Testausrüstung
3.6.1 Messung der Abgaswerte
3.6.2 Dieselrußmessung
3.7 Testbeschränkungen
3.8 Einsatznahe Bedingungen schaffen
3.8.1 Bedienung eines CAT 950H Radladers
3.9.1 Position des Messgerätes
3.10 Testresultate
3.10.1 Russmessungen
3.10.2 Abgaswertmessungen
3.10.3 Visualisierung und Interpretation der Ergebnisse
3.10.4 Fazit aus den Messungen
4. Diskussion
4.1 Übertragbarkeit der Ergebnisse
4.2 Probleme aus der Praxis
4.3 Erfahrungsberichte
5. Wirtschaftliche Betrachtung
5.1 Bisherige Situation am Baumaschinenmarkt
5.2 Workshop „ULI" (Urbane Luft Initiative)
5.3 Kosten einer Filternachrüstung
5.4 Staatliche Förderungen
Abbildungsverzeichnis
Tabellen:
Berechnungsbeispiele
Abkürzungsverzeichnis
Glossar
Literaturverzeichnis
Anhang
1. Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
Der Verbrennungsprozess in einem Dieselmotor erzeugt Schadstoffemissionen. Partikelartige Emissionen wie Dieselrußpartikel können nicht durch herkömmliche Abgasreinigungsmethoden reduziert werden und müssen daher gesondert behandelt werden.
Die Verwendung von Dieselpartikelfiltern ist derzeit eine effektive Lösung zur Reduzierung von Partikelemissionen. Um den Praxisnutzen von Partikelfiltern zu überprüfen, werden Abgastests an einem Baumaschinenmotor durchgeführt.
Damit soll der Einfluss eines Partikelfilters auf den Schadstoffgehalt (CO, NOx, Partikelemissionen) im Abgasstrom erfasst werden. Die Unterschiede sollen dadurch ermittelt werden können, dass ein Messpunkt vor, und ein Messpunkt nach dem Partikelfilter angesetzt wird.
Der eingesetzte Rußfilter ist ein Fabrikat der Fa. Engelhard. Folgende Reduzierungsraten wurden vom Hersteller angegeben:
Reduce PM by up to 90%
Reduce CO and HC by up to 90%
Regenerates at normal diesel operating temperatures
(DPX-Filter, www.engelhard.com, letzter Zugriff am 17.05.2007)
1.2 Definition der Hypothese
Die Firma Engelhard gibt eine Reduzierungsrate für Rußpartikel sowie CO-Emissionen von 90 [%] an. Diese Reduzierung soll bei Normalbetrieb (ohne Nacheinspritzung usw.) erreicht werden.
„Wenn die Reduzierungsrate der CO-Emissionen und Rußpartikel von 90 [%] nicht erreicht wird, dann werden die Angaben vom Filterhersteller dadurch falsifiziert. Sollte die Emissions - Reduzierungsrate mind. 90 [%] erreichen, dann werden die Angaben der Fa. Engelhard damit verifiziert.
1.3 Arbeitsumfeld
Der Verfasser dieser Arbeit ist bei der Zeppelin Österreich GmbH beschäftigt. Dieses Unternehmen hat die Generalvertretung für CATERPILLAR Baumaschinen am österreichischen Markt inne. Aus diesem Grund wird im Verlauf der Arbeit des öfteren Bezug auf die Eigenheiten und technischen Spezifikationen der Erdbewegungsgeräte von CATERPILLAR genommen.
2. Grundlagen
2.1 Grundlagen eines Dieselmotors
Dieselmotoren wandeln thermische Energie in mechanische Energie um. Dies wird durch die Zündung eines Diesel- / Luftgemisches unter hohem Druck ermöglicht. Als Folge der Verbrennung wird ein horizontal beweglicher Kolben mit großer Beschleunigungskraft nach unten bewegt. Der Kolben ist über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden. Durch die Bewegung des Kolbens wird die Kurbelwelle in eine Drehbewegung versetzt. Das verfügbare Drehmoment am Motorabtrieb hängt von der Motorauslegung (Hubraum, Einspritzverfahren, mechanische Verluste, usw.) ab. Bei Automobilen z.B. wird die verfügbare Energie für die Fortbewegung genützt, bei Stromaggregaten zum Antrieb eines Stromgenerators und bei Baumaschinen in den meisten Fällen zur Umwandlung in hydraulische Energie über Hydraulikpumpen.
Die Hauptkomponenten eines Dieselmotors sind:
1. Zylinderblock: Ist die Grundstruktur eines Motors. Er bietet Ausnehmungen für den Kolbenhub (Zylinder) sowie einige Kanäle für den Schmieröl- und Wasserumlauf.
2. Zylinderkopf: Beinhaltet die Ventile und ermöglicht den Verschluss des Brennraumes nach oben. Eine Vielzahl von Kühlwasserkanälen sind im Zylinderkopf eingearbeitet
3. Kolben: Führt die translatorische Bewegung aus. Gleitet an einem Ölfilm an der Zylinderwand bzw. an einer Zylinderbüchse entlang
4. Pleuelstange: Verbindet den Kolben mit der Kurbelwelle. Beinhaltet Pleuellager und Pleuelschrauben
5. Kurbelwelle: Führt die rotatorische Bewegung aus. Durch exzentrische Kröpfungen wird die Bewegungsumwandlung ermöglicht. Sie ist an mehreren Stellen gelagert
6. Ölwanne: Verschluss des Motors an der Unterseite und ein Reservoir für das umlaufende Schmieröl
7. Nockenwelle: Ist für die Ansteuerung der Ventile zuständig. Wird von der Kurbelwelle über z.B. Zahnriemen, Zahnräder oder eine Steuerkette angetrieben
8. Einlass- und Auslassventile: Ermöglichen (je nach Einspritzsystem) den Eintritt von Luft bzw. Treibstoff in den Brennraum und leiten die Verbrennungsabgase in den Abgastrakt weiter
Die Komponenten eines Dieselmotors sind in der Abbildung 1 dargestellt. Die Ziffern in der Abbildung 1 korrelieren mit den vorangegangenen Aufzahlungspunkten (1. Zylinderblock, usw.).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Aufgeschnittener CAT Dieselmotor (BAUMA, München, April 2007)
2.1.1 Arbeitsweise
Beim ViertakTsaugdieselmotor gibt es vier aufeinander folgende Arbeitsschritte:
Ansaugen: Während dem Ansaugtakt sind die Einlassventile im Zylinderkopf geöffnet. Durch die Abwärtsbewegung des Kolbens entsteht ein Sog, der Verbrennungsluft in den Brennraum befördert.
Verdichten: Im nächsten Schritt wird der Kolben wieder nach oben gedrückt und verdichtet dadurch die Verbrennungsluft. Vor Erreichen des oberen Totpunktes im Zylinder wird Dieselkraftstoff zugeführt.
Arbeiten: Am Beginn der darauf folgenden Abwärtsbewegung des Kolbens wird das vorher eingebrachte Diesel- / Luftgemisch durch den hohen
Komprimierungsdruck gezündet und die entstehenden Kräfte beschleunigen den Kolben in Abwärtsrichtung
Ausschieben: Nach dem Arbeitstakt bewegt sich der Kolben wieder nach oben. Die Auslassventile sind geöffnet und die entstandenen Verbrennungsgase können in den Abgasstrang entweichen.
Die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie findet während des Verbrennungsvorgangs vom Luft- / Dieselgemisch statt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Die Arbeitstakte eines Dieselmotors (www.aral.de, letzter Zugriff am 17.05.2007)
2.1.2 Thermodynamische Grundlagen des Dieselmotors
Die vier Arbeitstakte eines Dieselmotors können im Idealfall durch den thermodynamischen Gleichdruckprozess angenähert werden:
1-2: Isentrope Kompression (Verdichtung der angesaugten Luft während der Aufwärtsbewegung des Kolbens und damit erfolgt eine Erwärmung über die Entzündungstemperatur des Dieseltreibstoffes)
2-3: Isobare Wärmezufuhr (der Dieseltreibstoff wird eingespritzt und verbrennt unter konstantem Druck)
3-4: Isentrope Expansion (während der Abwärtsbewegung des Kolbens wird mechanische Energie an die Kurbelwelle abgegeben)
4-1: Isochore Wärmeabfuhr (während der Aufwärtsbewegung des Kolbens werden die Verbrennungsabgase über die Auslassventile abgeleitet und die Verbrennungswärme wird damit abgeführt)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: p-V Diagramm des Dieselprozesses (www.wikipedia.org, letzter Zugriff am 18.05.2007)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Ts Diagramm des Dieselprozesses (www.wikipedia.org, letzter Zugrifff am 18.05.2007)
2.2 Entstehung von Schadstoffemissionen
Je nach Kraftstoffart (Diesel oder Benzin) entstehen beim Verbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren unterschiedliche Zusammensetzungen von Kohlenwasserstoffen (CH), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx), Kohlendioxid (CO2), Schwefeldioxid (SO2), Partikel, Wasser (-dampf, H2O) sowie Sauerstoff (O2).
Diese Moleküle werden während der Verbrennung des Kraftstoff- / Luftgemisches gebildet. Die angesaugte Umgebungsluft beinhaltet davor 21 [%] Sauerstoff (O2), 78 [%] Stickstoff (N2) und 1 [%] Edelgase (Argon, Helium, usw.). Die Kohlenstoffbestandteile sind im fossilen Kraftstoff enthalten.
Kohlenwasserstoffe (CH, auch als HC abgekürzt)
Sind organische Verbindungen. Die Komponente CH ist ein Gemisch aus mehreren hundert Stoffen. (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 5, 2003). Sie entstehen durch eine unvollständige Verbrennung. Kohlenwasserstoffe sind flüchtige Verbindungen deren Anteil bei ansteigendem Luftüberschuss (Dieselmotor) größer wird.
Kohlenmonoxid (CO)
Kohlenmonoxid entsteht ebenfalls durch eine unvollständige Verbrennung, wenn nicht genug Zeit für die vollständige Oxidation des Kohlenstoffes zu CO2 bleibt. Kohlenmonoxidmoleküle sind für Menschen toxisch, weil Sie den Luftsauerstoff in der Lunge verdrängen, und damit die Aufnahme von Sauerstoff in die Blutbahn verhindern. Bei geringem Luftüberschuss (Dieselmotor) sind auch die Kohlenmonoxid-Emissionen gering.
Kohlendioxid (CO2)
Kohlenmonoxid entsteht bei der Verbrennung von fossilen Treibstoffen, sowie auch bei der Atmung des Menschen. Es ist für terrestrische Lebewesen nicht toxisch, wird aber als Beschleuniger des weltweiten Treibhauseffektes gehandelt. Die CO2-Emissionen sind direkt proportional zum Kraftstoffverbrauch (1 Liter Dieselkraftstoff = 2,63 kg Kohlendioxid, vgl. Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 11, 2003) und daher nur durch eine Verringerung des Treibstoffverbrauchs reduzierbar. Im Automobilbereich ist der Kohlendioxidausstoß eine wichtige Vorgabe und aus diesem Grund wird intensiv and Kraftstoffeinsparungsmethoden zu deren Reduktion (Bremsenergierückgewinnung, automatische Motorabschaltungen an Verkehrskreuzungen, Zylinderabschaltungen usw.) gearbeitet.
Stickstoffoxid (NOx)
Die Emissionen der Stickstoffoxide (NOx), die zum geringen Teil durch Oxidation von Stickstoffverbindungen aus dem Kraftstoff, hauptsächlich aber durch Reaktion von LufTstickstoff und LufTsauerstoff bei hohen Temperaturen in den Brennkammern des Motors entstehen, steigen mit wachsender Motordrehzahl (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 6, 2003).
Das sogenannte thermische NOx (welches bei hohen Verbrennungstemperaturen ensteht) kann durch eine Verringerung der Verbrennungstemperatur reduziert werden. Die Abbildung 5 zeigt, dass die Stickstoffemissionen bei steigendem Luftüberschuss geringer werden, die CO- und HC-Emissionen jedoch ansteigen.
Rußpartikel
Rußpartikel, auch Dieselpartikel genannt, entstehen während des Verbrennungsprozesses in Dieselmotoren. Die Rußbildung bei Dieselmotoren ist folgendermaßen zu erklären: Da der Kraftstoff bei hohem Druck flüssig eingespritzt wird und im Brennraum trotz Luftüberschusses in Tröpfchenform vorliegt, gibt es während der ganzen Verbrennung, die von der Oberfläche der Tröpfchen zu ihrem Kern erfolgt, im Innern stets eine „fette" Gemischzone mit Sauerstoffmangel, die zum Schluss zu einem Partikel führt, das aus Kohlenstoff, einem Rest unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Asche aus Kraftstoffadditiven besteht. Die Partikel aus Dieselmotoren haben überwiegend einen aerodynamischen Durchmesser von 0,10,2 Mikrometerund sind durchwegs lungengängig (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 6, 2003).
Ozon (O3)
Ozon (O3) ist zwarkein unmittelbar von Kraftfahrzeugen emittierterSchadstoff, entsteht jedoch aus verkehrsbürtigem NOx und CH. Es schädigt auf Grund seiner oxidativen Wirkung die Bronchiolen und Alveolen der Lunge (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 20, 2003).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Abgasemissionen von Otto- und Dieselmotoren (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, 2003, Seite 7)
2.2.1 Gesetzliche Emissionsgrenzwerte
Die Straßenverkehrs-Zulassungsordnung (STVZO) schreibt für die Typzulassung neuerKraftfahrzeuge und das Abgasverhalten in Betrieb befindlicher Kfz die Einhaltung bestimmter Emissionsgrenzwerte fürdie Komponenten Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxide (NOx), flüchtige organische Verbindungen (CH) und Partikel vor (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 2, 2003).
Es gibt unterschiedliche Richtlinien für PKW, LKW und Busse sowie Baumaschinen.
Emissionsgrenzwerte bei PKW
Bei KFZ werden diese Emissionen in der Einheit [g/km] angegeben. Im europäischen Raum müssen neue Fahrzeuge die Grenzwerte der jeweils gültigen Euro-Norm unterschreiten. Seit 2005 ist die Richtlinie Euro 4 gültig. Die zu unterschreitenden Abgasemissionen sind in der Abbildung 6 dargestellt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Abgasgrenzwerte für PKW (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, 2003, Seite 2)
Emissionsgrenzwerte bei LKW und Bussen
Bei Lastkraftwagen und Bussen sind die Emissionsgrenzwerte nicht wie bei PKW und Krafträdern streckenbezogen, sondern nach einem 13-stufigen Prüfstandstest leistungsbezogen definiert. Dieses stationäre Verfahren soll allerdings durch ein dynamisches ersetzt werden, welches realitätsnah Lastwechselstufen enthält (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 3, 2003).
Die Emissionswerte von LKW und Bussen werden aufgrund des Testverfahrens leistungsbezogen in [g/kWh] angegeben. Ab 2008 gelten die Grenzwerte der Richtlinie Euro-5, welche in der Abbildung 7 ersichtlich sind:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Abgasgrenzwerte für LKW (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, 2003, Seite 3)
Emissionsgrenzwerte für Baumaschinen
Da Baumaschinen größtenteils stationär eingesetzt werden, sind die zu unterschreitenden Emissionsgrenzwerte für Baumaschinen ebenfalls in [g/kWh] angeführt. Die bestehenden Abgaswerte werden ebenfalls in einem mehrstufigen Testverfahren (nach der Richtlinie 97/68 EC) ermittelt.
Die Abgasstufe IIIA ist für Motoren von 130 [kW] bis 560 [kW] seit dem 1. Jänner 2006 gültig. Motortypen die davor bereits gebaut wurden, können durch eine temporäre Ausnahmeregelung noch weiterhin produziert werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: Abgasgrenzwerte für Baumaschinen laut Richtlinie 2004/26/EC (CAT Sales Library, letzter Zugriff am 17.05.2007)
Die Abbildung 9 zeigt die Veränderung durch die zukünftigen Abgasrichtlinien für Baumaschinen. Die Richtlinien treten je nach Motorleistungen zu anderen Zeitpunkten in Kraft:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9: Abgasgrenzwerte für Baumaschinen von 2004 bis 2015 (CAT Sales Library, letzter Zugriff am 17.05.2007)
2.3 Möglichkeiten zur Schadstoffreduzierung
Der Schadstoffanteil im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors kann durch folgende Maßnahmen reduziert werden:
a) Präventiv: Durch die Verwendung von z.B. schwefelarmen Dieselkraftstoff
b) Innermotorisch: Durch Verbrennungsverlaufoptimierung
c) Nachträglich: Durch Abgasnachbehandlung mit z.B. Katalysatoren sowie Partikelfiltern
Beim Dieselmotor bewirkt eine Verdichtung derVerbrennungsluft mit einervom Abgasstrom angetriebenen Turbine („Turboladef) eine Verringerung sämtlicher Schadstoffkomponenten im Abgas. Allerdings würde die durch die Kompression bewirkte Erwärmung der Ladeluft zu einem Anstieg der NOx-Emissionen führen, so dass sie bei leistungsfähigen Motoren u.a. auch deswegen gekühlt werden muss. Eine feine und gleichmäßige Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs in der Brennkammer wirkt sich günstig auf den Verbrennungsverlauf und damit für die Minderung von CO-, CH- und Russemissionen aus und trägt durch Senkung von Temperaturspitzen in gewissem Umfang auch zur Verringerung von NOx-Emissionen bei (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 8 f. , 2003).
2.3.1 Abgasnachbehandlung
Je nach Verbrennungsprinzip und Kraftstoffart werden unterschiedliche Abgaszusammensetzungen erzeugt. Beim Diesel sind vor allem CO, CH, NOx und Partikelemissionen von Bedeutung. Daher gilt es, diese zu minimieren.
Kleinere Dieselmotoren (z.B. für PKW) sind zur Emissionsminderung auch mit Oxidationskatalysatoren ausgestattet. Diese bewirken neben einer Minderung der gasförmigen CO- und CH-Emissionen eine Verringerung des Partikelgewichts durch Oxidation der an Partikel gebundenen Kohlenwasserstoffe. Eine Russminderung erfolgt durch solche Oxidationskatalysatoren praktisch nicht. Zur Partikelabscheidung aus dem Abgas größerer Dieselmotoren wurden selbst reinigende Filteranlagen (Russfilter) erprobt. (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 9, 2003)
2.3.2 Grundlagen über Dieselpartikelfilter
Es gibt unterschiedliche Bauweisen von Partikelfiltern. Der Zweck all dieser verschiedenen Systeme ist die Reduzierung von Partikeln bzw. sonstigen Schadstoffen (CO, HC-Emissionen,... )
2.3.2.1 Bauweisen
Je nach Filtereffizienz und Arbeitsprinzip unterscheidet man offene und geschlossene Systeme.
Offene Systeme
Mit offenen Systemen sind Abscheidegrade von bis zu 60% möglich. Durch die offene Auslegung kann dieser Filtertyp nicht verstopfen. (vgl. Huss Umwelttechnik GmbH, Dieselpartikelfilter, 11.Mai 2006).
Vorteilhaft wirkt sich jedoch nur die geringe Erhöhung des Abgasgegendrucks aus, was dazu führt, dass der Kraftstoffverbrauch nicht oder nur wenig ansteigt. In offenen Systemen arbeitet ein sogenannter Durchflussfilter. Er besteht aus dünnen Stahlfolien, hitzebeständigen Faserfließen oder Geflechten, in denen die Partikel vom Abgas getrennt und zur Anlagerung auf die innere Oberfläche des Filters gebracht werden. Durch geeignete Vorrichtungen erreicht man, dass der größte Teil des Abgasstromes durch den Filter gelenkt und so gereinigt wird. Der Rest fließt ungefiltert durch. (Effizienz von Filtersystemen, www.stmugv.bayern.de)
Geschlossene Systeme
Mit geschlossenen Systemen sind Abscheidegrade über 90% realisierbar, jedoch sind Filterverstopfungen vorprogrammiert. Aus diesem Grund muss ein Regenerationsverfahren zur Absonderung der Dieselpartikel verwendet werden. (vgl. Huss Umwelttechnik GmbH, Dieselpartikelfilter, 11.Mai 2006).
Bei den in geschlossenen Systemen häufig verwendeten Wandstromfiltern bestehen die Filterwände aus unterschiedlich porösen Werkstoffen, meist aus Metall oder Keramik. Klassische Keramiken sind Aluminiumoxid, Siliziumcarbid (SiC) und Corderit. Bei Metallen nutzt man hauptsächlich hochfeste Chrom-Nickel-Stähle.
Die porösen Wände können im Filterkörper unterschiedlich angeordnet sein. Bei Metallpulver und Fasern werden eher flächige Filterwände aufgebaut, die dann in Rohren, Taschen oder Bälgen angeordnet sind. Filter aus Keramikpulver besitzen oft eine Kanalstruktur, wobei die Kanäle wechselseitig verschlossen sind. Deshalb muss das Abgas durch die poröse Keramikwand strömen.
Probleme bei der Regeneration können zu Schäden an Motor und Filter führen. Zum sicheren Betrieb eines geschlossenen Partikelfilters ist daher ein ausgeklügeltes Filter- und Motormanagement erforderlich. Deshalb können geschlossene Filter nur mit größerem Aufwand in ältere Fahrzeuge eingebaut werden. (Effizienz von Filtersystemen, www.stmugv.bayern.de)
2.3.2.2 Regenerationsprinzipien
Je nach Motorbetrieb kann der Filter bereits nach einigen Betriebsstunden bis zur höchstzulässigen Grenze mit Partikeln beladen sein und muss regeneriert werden. Dazu, also zur Verbrennung dieser Russpartikel, sind Zündtemperaturen zwischen 350° und 600°C erforderlich, abhängig vom jeweiligen Regenerationsverfahren. Solche Abgastemperaturen am Filtereintritt erreicht kaum ein modernes Dieselfahrzeug - weder PKW noch LKW - auch nicht unter Volllastbedingungen. Daher gilt es, besondere Maßnahmen zu ergreifen, um die Verbrennung entweder bei niedrigeren Temperaturen zu ermöglichen, oder die Temperatur durch Energiezufuhr zu erhöhen.
Um den unterschiedlichen Betriebsanforderungen gerecht zu werden, wurden verschiedene Regenerationsverfahren entwickelt. Man unterscheidet zwischen aktiven und passiven Systemen. In beiden Systemen kann die Regeneration entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich, also nach Bedarf ablaufen. (Effizienz von Filtersystemen, www.stmugv.bayern.de)
Aktive Regeneration
Aktive Regenerationsverfahren führen dem FilterWärme zu. Sie arbeiten in der Regel diskontinuierlich, das heißt die Wärmezufuhr, beziehungsweise Temperaturerhöhung wird eingeleitet, wenn ein bestimmter Beladungsgrad erreicht ist. Die häufigste Methode ist eine Temperaturerhöhung durch einen Brenner. Dieser wird in der Regel mit Dieselkraftstoff betrieben und heizt das Abgas bei beliebigen Betriebszuständen des Motors bis auf die Regenerationstemperatur(700°C) auf. (Effizienz von Filtersystemen, www.stmugv.bayern.de)
Passive Regeneration
Bei passiven Systemen werden die Filter katalytisch regeneriert, was sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich erfolgen kann.
Ein diskontinuierliches Verfahren wurde serienmäßig als erstes von Peugeot eingesetzt. Mit Hilfe eines Kraftstoffzusatzes (Additiv), zum Beispiel Eisenoxid, wird die Temperatur zur Verbrennung der Partikel im Filter um 100°C herabgesetzt, so dass rund 500°C für die Regeneration in etwa zwei Minuten ausreichen.
Beispiel für ein kontinuierliches Verfahren ist das CRT-Prinzip (CRT: continously regernation trap = Laufend regenerierende (Partikel-) Falle / Partikelfiltersystem). Es basiert auf dem Effekt, dass der Kohlenstoffanteil der Partikelmasse mit Stickstoffdioxid (NO2) bereits bei Temperaturen ab etwa 250°C reagiert. Dieses System kann für ungünstigere Betriebsbedingungen mit diskontinuierlich arbeitenden Regenerationshilfen wie elektrischer Heizung ergänzt werden. (Effizienz von Filtersystemen, www.stmugv.bayern.de)
3. Praktischer Teil
3.1 Zweck der Überprüfung
Mit der folgenden Testreihe soll überprüft werden, ob Dieselpartikelemissionen bei einer Baumaschine durch den Aufbau eines Partikelfilters maßgeblich (>90 [%]) reduziert werden. Um dies überprüfen zu können, werden die Testpunkte folgendermaßen angesetzt:
a) Im Abgasstrom, bevor die Abgase den Partikelfilter erreichen
b) Im Abgasstrom, nachdem die Abgase den Partikelfilter passiert haben
Im Weiteren sollen die Auswirkungen eines Partikelfiltereinsatzes auf die übrigen Abgasemissionen (NOx, CO,...) überprüft werden.
Durch die genaue Dokumentation des Testverfahrens soll auch die Reproduzierbarkeit der Messungen gewährleistet werden!
3.2 Testobjekt
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10: Testobjekt - CAT 950H
Die Testreihe wurde an einem CATERPILLAR 950H Radlader durchgeführt, der folgende Spezifikationen aufweist (Daten aus dem CAT 950H Produktkatalog, Mediennummer HGHL3373, 12/2005):
Hersteller: CATERPILLAR
Typ: CAT 950H
Seriennummer: N1A00937
Einsatzgewicht: ca. 19,5 [t]
Motortyp: CAT C7 Dieselmotor mit „ACERT-Konzept"
Motorseriennummer: C7C04588
Nennleistung (nach ISO9249): 147 [kW] bei 1800 [U/min]
Maximales Drehmoment: 907 [Nm] bei 1400 [U/min]
Hubraum: 7200 [ccm3]
Bohrung: 110 [mm]
Hub: 127 [mm]
Inbetriebnahmedatum: 17. Jänner 2007
Betriebsstunden bei Testbeginn: 478
Abgasverhalten: EU-Stufe IIIA
Schadstoffreduzierungsmaßnahmen: Abgasturbolader, Ladeluftkühler
Die Testmaschine ist mit einem Rußpartikelfilter ausgestattet, der die folgenden Spezifikationen aufweist:
Hersteller: Engelhard
Typ: DBX
Filterprinzip: Geschlossen
Regenerationsprinzip: Beschichtetes System
Reinigungsintervall: 600 - 2000 Betriebsstunden (abhängig vom Einsatz)
Reinigungsmöglichkeit: Servicestation vom Hersteller / Händler
3.3 Testumgebung
Der Ort der Messung war die Abfallbehandlungsanlage der Magistratsabteilung MA48 in der Percostraße 2, A-1220 Wien. Im sogenannten „Rinterzelt" wird das Gerät zur Bewegung von Abfallmassen eingesetzt.
3.4 Testbetreuer
Zwei Personen (Verfasser der Arbeit und Maschinenwart der MA48) waren notwendig, um diese Messungen durchzuführen, da die Maschine sowie auch das Messgerät bedient werden mussten.
3.5 Testzeitpunkt
Die Messungen wurden am 03.05.2007 im Zeitraum von 15:30 bis 18:30 durchgeführt.
3.6 Testausrüstung
Als Messgerät diente ein Heizungsdiagnosecomputer des Typs „rbr-ecom-KD", hergestellt von der Firma rbr-Messtechnik GmbH. Mit diesem Messgerät war es möglich, die folgenden Messgrößen zu verarbeiten:
Temperatur der Außenluft [°C]
Temperatur des Abgases [°C]
Sauerstoffanteil im Abgas [%]
CO [mg / m3]
NO [mg / m3]
NO2 [mg / rrf]
NOx [mg / m3]
SO2 [mg / m3]
CO2 [2,9%]
Stöchiometrisches Luftverhältnis Lambda
Rußmessung (mit Bacharach Skala)
Abbildung 11: Messgerät „rbr-ecom KD" (Bedienungsanleitung, www.rbr.de, letzter Zugriff am 17.05.2007)
3.6.1 Messung der Abgaswerte
Das Messgerät ist mit einer Pistolengriffsonde ausgerüstet. Zur Ermittlung der Abgaswerte muss das Sondenrohr in den Abgasstrom eingebracht werden. Die Messwerte werden direkt am Display des Messgerätes angezeigt und können bei Bedarf ausgedruckt werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12: Display des Messgerätes „rbr-ecom KD“
Zur Überprüfung des Messgeräts wurde eine Probemessung mit der Umgebungsluft durchgeführt. Die Abbildung 13 zeigt, dass der ermittelte Sauerstoffwert bei 20,9 [%], also im korrekten Bereich liegt.
Abbildung 13: Messprotokoll für die Messung der Umgebungsluft vom 05.03.2007
3.6.2 Dieselrußmessung
Bei der Messung von Dieselruß muss das Sondenrohr ebenfalls in den Abgasstrom eingebracht werden. Der Unterschied zurAbgasmessung ist der, dass beim Partikelmessverfahren ein Russfilterblättchen in die Sonde eingelegt wird. Danach werden durch die im Gerät verbaute Pumpe 1,63 [l] Abgas angesaugt, wodurch sich auf dem Filterblättchen ein Rußfleck bildet. DerGrauwert des Rußfleckes kann anschließend mit der beiliegenden Bacharach Skala verglichen werden. (vgl. Betriebsanleitung rbr-ecom, rbr.de)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 14: Bacharach Vergleichsskala
Hinweis: Im Anhang sind ein Datenblatt, die Betriebsanleitung sowie das Endprüfprotokoll des Messgerätes zu finden.
3.7 Testbeschränkungen
Wie bereits erläutert wird die Testmaschine in der Abfallbehandlung eingesetzt. Aus diesem Grund ist die Verfügbarkeit der Maschine für Abgastests sehr gering. Daher wurde ein Testverfahren entwickelt, mit dem in relativ kurzer Testzeit (2-3 Stunden) aussagekräftige Testergebnisse erzielt werden können.
Da die Abgastest aus Sicherheitsgründen nur bei Maschinenstillstand (jedoch mit laufendem Motor und betätigter Parkbremse) durchgeführt werden können, ist es notwendig, unterschiedliche, dem Maschineneinsatz ähnliche, Betriebszustände zu simulieren.
[...]
- Arbeit zitieren
- BSc. Johannes Maschl (Autor:in), 2007, Einsatz von Partikelfiltern bei Baumaschinen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/87192
-
-
-
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen.