Molekulare Struktur von Kraftstoffen für Dieselmotoren

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1 Molekulare Struktur von Kraftstoffen für Dieselmotoren Dieselkraftstoff H 3 C H 3 C H3 CH 3 Kohlenwasserstoffketten FAME = Biodiesel H 3 C H 3 C O C H C O CH 3 H2 H2 H H2 H2 H2 C O C O CH 3 Fettsäuremethylester Rapsölkraftstoff C O O C C C CH 3 HC O O C C C C CH C 3 C O O C C C H H CH 3 Widmann P 06 K Th 004 Folie ER 034

2 Viskositätsverlauf von Rapsöl verschiedener Raffinationsstufen und Dieselkraftstoff 300 mm²/s kinematische Viskosität kaltgepresst superdegummed vollraffiniert Diesel Thuneke Widmann Wilharm P 06 K Th 004 Folie ER C 20 Temperatur

3 Dichte-Temperaturverhältnis verschiedener Kraftstoffe Quelle: Tschöke, H. 997 P 06 K Th 004 Folie ER 3

4 Oberflächenspannung verschiedener Kraftstoffe Quelle: Wichmann, V P 06 K Th 004 Folie ER 3

5 Mittlerer Tropfendurchmesser Quelle: Wichmann, V P 06 K Th 004 Folie ER 3

6 Einspritzverhalten von Diesel- und Rapsölkraftstoff Quelle: Wichmann, V P 06 K Th 004 Folie ER 3

7 Brenngeschwindigkeit von Diesel- und Rapsölkraftstoff Quelle: Schümann, U P 06 K Th 004 Folie ER 3

8 Wege zur Nutzung von Kraftstoffen auf Pflanzenölbasis Pflanzenöl unterscheidet sich in seinen Kraftstoffeigenschaften wesentlich von Dieselkraftstoff! Kraftstoffanpassung Motoranpassung Umesterung Pflanzenöl Biodiesel konventioneller Dieselmotor Beimischung zu Dieselkraftstoff? pflanzenöltauglicher Dieselmotor (Spezialmotor oder umgerüsteter Serienmotor) Thuneke P 06 K Th ER 043 Folie 27

9 Betrieb eines Dieselmotors mit Diesel/Rapsöl-Mischungen? Eigenschaften (z.b. Viskosität, Siedeverhalten) der Mischungen unterscheiden sich wesentlich von Dieselkraftstoff schlechte Gemischaufbereitung im Brennraum unvollständige Verbrennung (v.a. bei Kaltstart und Teillast) Ablagerungen, Eintrag von Kraftstoff ins Schmieröl Lagereigenschaften der Mischungen sind schlechter als die der Reinkraftstoffe Umweltvorteile der hohen biologischen Abbaubarkeit und geringen Toxizität von Rapsölkraftstoff gehen verloren widersprüchliche Praxiserfahrungen, kaum Langzeiterfahrungen negative Erfahrungen bei systematischen Untersuchungen an modernem PLD-Motor Deshalb: Beimischung sind mit hohen Risiken behaftet! Thuneke Widmann P 06 K Th ER 035 Folie 28

10 Pflanzenöltaugliche Motoren - Übersicht Pflanzenölmotor Serien- Dieselmotor Umrüstung Einkraftstoff- System Zweikraftstoff- System Rapsölkraftstoff Rapsölkraftstoff sowie Dieselkraftstoff zum Starten, Spülen, für Schwach-/Teillast Rapsölkraftstoff sowie Dieselkraftstoff für die Standheizung P 06 K Th 004 Folie ER 00

11 Umrüstmaßnahmen zur Anpassung eines Dieselmotors an Rapsölkraftstoff Austausch von nicht pflanzenölverträglichen Materialien (z.b. Dichtungen) Austausch der Kraftstoffleitungen gegen Leitungen mit größerem Querschnitt Austausch der Kraftstoffförderpumpe Austausch der Kraftstofffilter bzw.einbau eines zusätzlichen Kraftstofffilters Einbau einer Kraftstoffvorwärmung (z.b. Kraftstofffilter, Kraftstoffleitungen, Düsen) Vorheizen des Kühlwassers Austausch der Einspritzpumpe Austausch der Einspritzdüsen (z.b. Zapfendüsen statt Lochdüsen, beheizbare Einspritzdüsen) Austausch der Glühkerzen Modifikation des Einspritzdrucks und des Einspritzzeitpunkts Eingriff in die Motorelektronik Modifikation des Brennraums/alternative Materialien für Kolben u. Zylinderkopf Einbau einer Kraftstofferkennung bei Wechselbetankung Einbau eines zusätzlichen Kraftstofftanks bei Zwei-Tank-System Steuerungselemente für die Umschaltung Dieselkraftstoff/Rapsölkraftstoff P 06 K Th ER 035 Folie 30

12 Ausgangssituation im 00-Traktoren-Programm Interesse am Einsatz biogener Kraftstoffe in der Landwirtschaft aus wirtschaftlichen Gründen erst seit Herbst 2000 zunehmend Keine Freigaben für Motorensysteme in Traktoren von Seiten der Industrie Projektstart zum 0. April 200 Praxiseinsatz serienmäßiger neuer rapsöltauglicher Traktoren Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. Umrüsttechniken für Seriendieselmotoren in Traktoren zum Zeitpunkt des Projektstarts noch in der Entwicklung und Erprobung keine praxistauglichen serienmäßigen Traktoren auf dem Markt Ziel: Nachweis der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit Begleitforschung: Universität Rostock Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren P 06 K Th 004 Folie ER 03

13 Ergebnisse 00-Traktoren-Programm I Umrüster VWP Hausmann Gruber KG Igl - Landtechnik LBAG Lüchow Stangl-Landtechnik TC Bastorf P 06 K Th 004 Folie ER 7 Traktorenfabrikat Deutz-Fahr John Deere Fendt Welte New Holland Fendt John Deere Case Deutz-Fahr Claas Same Lamborghini Case Case Fendt New Holland John Deere Case Quelle: Hassel, E., Wichmann, V. (2005) Anzahl umgerüsteter Traktoren Anzahl Traktoren ohne bzw. mit geringen Störungen

14 Ergebnisse 00-Traktoren-Programm II 63 von 07 Traktoren arbeiteten ohne oder nur mit geringfügigen Störungen (Kosten < 000 ) bei 44 Traktoren traten kostenintensivere Störungen auf 92 Traktoren werden über das Projektende hinaus weiterhin mit Rapsöl betrieben Die Störanfälligkeit eines Traktors im Rapsölbetrieb hängt wesentlich vom Ausgangstyp des Traktors und erst sekundär vom eingesetzten Umrüstkonzept ab. Motoren der Deutz AG der Baureihen 203 und 03 funktionierten vergleichsweise störungsfrei (Fendt 4XX, Fendt 7XX, Deutz-Fahr) - Hochdruck-Pumpe-Leitung-Düse-System (hohe Einspritzdrücke) - starker Drall der Verbrennungsluft - hohes Hub-Bohrungsverhältnis - zentrale Einspritzdüse P 06 K Th ER 7 Folie 33 Quelle: Hassel, E., Wichmann, V. (2005)

15 Ergebnisse 00-Traktoren-Programm III kraftstoffgeschmierte Verteilereinspritzpumpen (z.b. Bosch VP44) und kraftstoffgeschmierte Stanadyne-Einspritzpumpen sind beim Einsatz von Rapsölkraftstoff vergleichsweise störanfällig Betrieb der Traktoren im unteren Teillastbereich führt zu Ölkohleablagerungen im Ansaugkrümmer und auf dem Einlassventil Verkürzungen der Ölwechselintervalle (Halbierung, Drittelung) aufgrund der Anreicherung von Rapsölkraftstoff im Schmieröl sind erforderlich ungenügende Kraftstoffqualitäten nahmen Einfluss auf die Untersuchungsergebnisse (z.b. verstopfte Kraftstofffilter) kein erhöhter Verschleiß Reibpaarung Kolben / Buchse, Hohnriefen gut erhalten (Befundung an Motoren > 3000 Bh Laufleistung) kein übermäßiger Verschleiß an PLD-Einspritzsystemen CO- und NO x -Emissionen am Nulllast- bzw. Volllastpunkt lagen in der Größenordnung des DK-Betriebes vor der Umrüstung (Abgasstufe ) P 06 K Th ER 7 Folie 34 Quelle: Hassel, E., Wichmann, V. (2005)

16 Ablagerungen Traktor 7 Fendt Farmer 309, Eintanksystem Einlass-/Auslasskanal nach 3447 Bh Traktor 87 Case CS 20, Zweitanksystem Einlass-/Auslasskanal nach 3660 Bh Ablagerungen im Einlasskanal Betrieb häufig bei Teillast P 06 K Th ER 7 Folie 35 Quelle: Hassel, E., Wichmann, V. (2005) keine Ablagerungen im Einlasskanal Betrieb bei hohen Lastpunkten

17 Ergebnisse 00-Traktoren-Programm IV Der Einsatz von Rapsöl als Kraftstoff mit vorhandenen Motorentechnologien ist unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen möglich, jedoch zum jetzigen Zeitpunkt nicht uneingeschränkt zu empfehlen. (Universität Rostock) Einflussfaktoren auf einen störungsfreien Betrieb - Eignung des Motorsystems für eine Umrüstung - Lastprofil der Landmaschine - Qualität der Umrüstung (Erfahrung der Umrüsterfirma) - Qualität des Rapsölkraftstoffs - Sorgfalt des Betreibers der Maschine (Motorenölkontrolle, Wartung...) P 06 K Th ER 002 Folie 36

18 Einführungstermine und Abgasgrenzwerte für Traktoren Motorenkategorie kw P < 37 kw 9 kw P < 37 kw Typprüfung In-Verkehr-Bringen Stufe II CO 5,5 / HC,5 NO x 8,0 / PT 0,8 Stufe II Stufe IIIA CO 5,5 / HC + NO x 7,5 / PT 0,6 Stufe IIIA 37 kw P < 56 kw Typprüfung Stufe II CO 5,0 / HC,3 NO x 7,0 / PT 0,4 Stufe IIIA CO 5,0 / HC + NO x 4,7 / PT 0,4 Stufe IIIB CO 5,0 / HC + NO x 4,7 / PT 0,025 In-Verkehr-Bringen Stufe II Stufe IIIA Stufe IIIB 56 kw P < 75 kw Typprüfung Stufe II CO 5,0 / HC,3 NO x 7,0 / PT 0,4 Stufe IIIA CO 5,0 / HC + NO x 4,7 / PT 0,4 Stufe IIIB CO 5,0 / HC 0,9 NO x 3,3 / PT 0,025 Stufe IV (.0.203) CO 5,0 / HC 0,9 NO x 0,40 / PT 0,025 In-Verkehr-Bringen Stufe II Stufe IIIA Stufe IIIB Stufe IV (.0.204) 75 kw P < 30 kw Typprüfung Stufe II CO 5,0 / HC,0 NO x 6,0 / PT 0,3 Stufe IIIA CO 5,0 / HC + NO x 4,0 / PT 0,3 Stufe IIIB CO 5,0 / HC 0,9 NO x 3,3 / PT 0,025 Stufe IV (.0.203) CO 5,0 / HC 0,9 NO x 0,40 / PT 0,025 In-Verkehr-Bringen Stufe II Stufe IIIA Stufe IIIB Stufe IV (.0.204) 30 kw P < 560 kw Typprüfung Stufe II CO 3,5/ HC,0 NO x 6,0/PT 0,2 Stufe IIIA ( ) CO 3,5 / HC + NO x 4,0 / PT 0,2 Stufe IIIB CO 5,0 / HC 0,9 NO x 2,0 / PT 0,025 Stufe IV CO 3,5 / HC 0,9 / NO x 0,40 / PT 0,025 In-Verkehr-Bringen Stufe II Stufe IIIA Stufe IIIB Stufe IV P 06 K Th 004 Folie ER 8 Quelle: Diedrich, F. (2005)

19 Emissionen von Traktoren 75 kw P < 30 kw Last Messpunkte der Abgasprüfung nach Richtlinie 2000/25/EG 5 Lastpunkt NO x - Emission gültig ab Stufe Stichversuch Stichversuch Traktor 44 EZ 0.02 Stufe Traktor 5 EZ NO x g/kwh CO g/kwh HC g/kwh 9,2 5,0,3 8,25 0,460 0,075 6,0 3,5,0 6,052,077 0,027 PM g/kwh 0,7 0,84 0,2 0,058 8 n min 4 n nenn n max Drehzahl Lastpunkt CO- Emission 8-Phasenzyklus identisch mit C-Zyklus nach ISO-Norm P 06 K Th 004 Folie ER 8 Quelle: Hassel, E., Wichmann, V. (2005)

20 Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit der Umstellung Höhe der Agrardieselvergürtung (Jahresverbrauch Dieselkraftstoff) die Preisdifferenz von Diesel zu Biodiesel oder zu Rapsölkraftstoff Kraftstoffverbrauch der Arbeitsmaschine Auslastung der Arbeitsmaschine (Betriebsstunden) Umrüstkosten Maschinenbruchversicherung (?) Kosten für die Errichtung bzw. den Umbau einer Eigenverbrauchstankstelle Wartungsaufwand (kürzere Motorölwechselintervalle usw.) P 06 K Th ER 002 Folie 39

21 Wirtschaftlichkeitsberechnung der Umstellung LFL Agrarökonomie Ulrich Keymer P 06 K Th ER 002 Folie 40

22 Aspekte bei der Umstellung von Traktoren auf Rapsölkraftstoff Geeignetes Motorsystem / Zustand des Motorsystems Betriebszustände und Auslastung der Arbeitsmaschine Entscheidung Einkraftstoff- oder Zweikraftstoffsystem Garantien und Gewährleistungen des Umrüsters Wartungshinweise beachten Rapsölkraftstoff nach Vornorm DIN 5605 Lagerung (Tankreinigung, Materialverträglichkeit, kühl und dunkel) Mineralölsteuerrecht Nachfrage nach pflanzenölbetriebenen Traktoren für die Landwirtschaft muss aus der Landwirtschaft kommen!!! P 06 K Th ER 002 Folie 4

23 Zusammenfassung Rapsölkraftstoff ist sowohl eine ökologische und oft auch eine ökonomische Alternative Nutzung von Rapsölkraftstoff schafft Wertschöpfung in der Landwirtschaft Bei der Rapsölkraftstoffherstellung anfallender Presskuchen ist wertvolles Futtermittel Beimischung von Rapsölkraftstoff zu Dieselkraftstoff in nicht adaptierten Serienmotoren ist mit hohem Risiko behaftet Erfolgreiche Nutzung von Rapsölkraftstoff: geeigneter Motor + hochwertige Umrüstung + Qualitäts-Rapsölkraftstoff Ziel: pflanzenöltaugliche Maschinen direkt vom Hersteller mit voller Gewährleistung P 06 K Th ER 002 Folie 42

24 Vielen Dank! Förderung: Bayerisches Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR) Union zur Förderung von Öl- und Proteinpflanzen e.v. (UFOP) Thuneke P 06 K Th 004 Folie Re 047