Oxidationskatalysatoren für mit Biodiesel betriebene Sportboote

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1 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 Konstanz

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Aufgabenstellung Motivation und technischer Hintergrund Einsatz von Dieselmotoren auf Binnengewässern Verwendung von Biodiesel für Bootsmotoren Problemstellung Verfahren zur Temperaturerhöhung Brenner Elektrisch beheizter Katalysator Praxisuntersuchungen Lastprofilmessungen auf Sportbooten Segelboot Motorboot Onboard-Messungen mit Serienkatalysator Daten des verwendeten Bootes Nachrüstung mit einem Oxidationskatalysator Messfahrten mit und ohne Oxidationskatalysator Laboruntersuchungen zur Temperaturerhöhung Daten des Prüfstandmotors Übersicht über die untersuchten Verfahren Direkte Erwärmung des Abgasstroms Beheizung mittels elektrischer Widerstandsheizung Beheizung mittels zusätzlicher Verbrennung von Kraftstoff Indirekte Erwärmung des Abgasstroms Erwärmung der Ansaugluft des Motors mittels elektrischer Widerstandsheizung Erwärmung der Ansaugluft des Motors mittels zusätzlicher Verbrennung von Kraftstoff Drosseln des Motors Drücken des Motors Ergebnisse der Versuchsreihen Bewertungskritereien Bewertung der Konzepte

3 3.4 Onboard-Messungen mit beheiztem Katalysator Daten des verwendeten Bootes Daten des Oxidationskatalysators Umgesetzte Verfahren zur Temperaturerhöhung Abgasmesstechnik Messreihen Ergebnisse Limitierte Emissionen Partikelemissionen Abgasgeruch Bewertung des Aufwand-Nutzen-Verhältnisses Vorschlag zur Umsetzung Oxidationskatalysator Elektrische Heizung Flammkerze Zusammenfassung und Ausblick für zukünftige Arbeiten Anhang Literaturverzeichnis Anhang Veröffentlichungen/Tagungen Biodiesel-Symposium auf der Interboot EU-Konferenz im Mailand Anhang - Propellerkennlinie Hörnle

4 Abbildungsverzeichnis Abb. 2.1: Systemübersicht Brennerheizung /2/...9 Abb. 2.2: Systemübersicht elektrisch beheizter Katalysator /3/...10 Abb. 2.3: Prüfzyklus zur Dauerhaltbarkeit /5/...12 Abb. 3.1: Abgaszyklus der Bodenseeschifffahrtsordnung (BSO) /6/...13 Abb. 3.2: Lastprofil eines Segelboots...15 Abb. 3.3: Lastprofil eines Motorboots...16 Abb. 3.4: Boot der ersten Onboard-Messreihe...18 Abb. 3.5: Motorraum des Bootes der ersten Onboard-Messreihe...18 Abb. 3.6: Oxi-Kat für den Einbau im Motorboot Splendid vorbereitet...19 Abb. 3.7: Drehzahlvergleich der einzelnen Varianten...21 Abb. 3.8: Temperaturvergleich der einzelnen Varianten...21 Abb. 3.9: Vergleich der HC-Emissionen der einzelnen Varianten...22 Abb. 3.10: Vergleich der CO-Emissionen der einzelnen Varianten...22 Abb. 3.11: Vergleich der NO x -Emissionen der einzelnen Varianten...23 Abb. 3.12: Prüfstandsmotor der Laboruntersuchungen...26 Abb. 3.13: Heizelement (unbeschichteter el. beheizbarer Katalysatorträger) für den Prüfstandsaufbau vorbereitet...30 Abb. 3.14: Drehmoment-, Drehzahl- sowie Massenstromverl. der ersten Versuchsreihe 31 Abb. 3.15: Temperaturverlauf der ersten Versuchsreihe...32 Abb. 3.16: Temperaturdifferenz, Ansaugluftmenge, Wärmestrom und el. Heizleistung der ersten Versuchsreihe...32 Abb. 3.17: Temperaturverlauf der zweiten Versuchsreihe...33 Abb. 3.18: Temperaturdifferenz, Ansaugluftmenge, Wärmestrom und el. Heizleistung der zweiten Versuchsreihe...34 Abb. 3.19: Temperaturverlauf der Messreihen des Versuchsaufbaus "elektrische Beheizung abgasseitig" 35 Abb. 3.20: Gemittelte Temperaturen des Versuchsaufbaus "elektrische Beheizung abgasseitig" 35 Abb. 3.21: Flammglühkerze...37 Abb. 3.22: Flammglühkerze im Abgassystem...37 Abb. 3.23: Schaltung für die Stromversorgung der Flammkerze Abb. 3.24: Temperaturverlauf der Messreihen des Versuchsaufbaus "Flammkerze abgasseitig" Abb. 3.25: Gemittelte Temperaturen des Versuchsaufbaus "Flammkerze abgasseitig" 35 Abb. 3.26: Temperaturverlauf der beiden Temperatursensoren nach der Flammkerze 43 Abb. 3.27: Mechanischer Aufbau der ansaugseitigen elektrischen Heizung. 45 Abb. 3.28: Ansaugseitige Temperaturerhöhung durch die elektrische Heizung Abb. 3.29: Temperaturverlauf der Messreihen des Versuchsaufbaus "elektrische Beheizung ansaugseitig" Abb. 3.30: Gemittelte Temperaturen des Versuchsaufbaus "elektrische Beheizung ansaugseitig". 47 Abb. 3.31: Mechanischer Aufbau der ansaugseitigen Beheizung mittels Flammkerze 48 Abb. 3.32: Temperaturen des Versuchsaufbaus "Flammkerze ansaugseitig" Abb. 3.33: Temperaturverlauf der Messreihen des Versuchsaufbaus "Flammkerze ansaugseitig" Abb. 3.34: Gemittelte Temperaturen des Versuchsaufbaus "Flammkerze ansaugseitig" 50 Abb. 3.35: Positionierung der Flammkerze Kerze im Ansaugrohr /7/...51 Abb. 3.36: CFD-Berechnung des Strömungsverhaltens er Flammkerze Abb. 3.37: Temperaturverlauf der Messreihe 1 des Versuchsaufbaus Drosseln...54 Abb. 3.38: Momentenverlauf der Versuchsreihe "Motordrücken" Abb. 3.39: Temperaturverlauf der Messreihen des Versuchsaufbaus "Motordrücken" 57 Abb. 3.40: Gemittelte Temperaturen des Versuchsaufbaus " Motordrücken"

5 Abb. 3.41: Kraftstoffverbrauch der einzelnen Stufen Abb. 3.42: Bewertungsmatrix (1: sehr gut; 5: mangelhaft)...62 Abb. 3.43: Schulschiff Hörnle...64 Abb. 3.44: Motorraum Hörnle...64 Abb. 3.45: Abgastemperatur in den einzelnen BSO-Stufen...65 Abb. 3.46: Modifizierte Abgasführung für die Onboard-Messungen...66 Abb. 3.47: Einbaudetail der Flammkerze...67 Abb. 3.48: Semtech-D auf Vorschiff...68 Abb. 3.49: Semtech Dual QCM im Motorraum...69 Abb. 3.50: Abgastemperaturen an der Katalysatorposition...71 Abb. 3.51: Temperaturverlauf BSO Abb. 3.52: Berechnete und gemessene Abgasmassenströme Abb. 3.53: HC-Konzentrationen der untersuchten Varianten...75 Abb. 3.54: HC-Massenströme der untersuchten Varianten...76 Abb. 3.55: Fahrstreckenbezogene HC-Emissionen der untersuchten Varianten...76 Abb. 3.56: Leistungsbezogene HC-Emissionen der untersuchten Varianten...77 Abb. 3.57: Konvertierungsrate HC in Abhängigkeit von der Abgastemperatur...78 Abb. 3.58: CO-Konzentrationen der untersuchten Varianten...79 Abb. 3.59: CO-Massenströme der untersuchten Varianten...79 Abb. 3.60: Fahrstreckenbezogene CO-Emissionen der untersuchten Varianten...80 Abb. 3.61: Leistungsbezogene CO-Emissionen der untersuchten Varianten...80 Abb. 3.62: Konvertierungsrate CO in Abhängigkeit von der Abgastemperatur...81 Abb. 3.63: NOx-Konzentrationen der untersuchten Varianten...82 Abb. 3.64: NOx-Massenströme der untersuchten Varianten...82 Abb. 3.65: Fahrstreckenbezogene NOx-Emissionen der untersuchten Varianten...83 Abb. 3.66: Leistungsbezogene NOx-Emissionen der untersuchten Varianten...83 Abb. 3.67: Verhältnis NO zu NO 2 bei den untersuchten Varianten...84 Abb. 3.68: Zyklusemissionen bezogen auf den Grenzwert BSO Stufe Abb. 3.69: Verlauf der Partikelmassenzunahmen auf dem Messquarz, Bsp. BSO Abb. 3.70: Beladungsquotienten der untersuchten Varianten...87 Abb. 3.71: Vergleich der erforderlichen Heizleistungen zur Steigerung der Konvertierungsrate um 10 %...89 Abb. 3.72: Steigerung der Konvertierungsrate im Vergleich zu unbeheiztem Kat Abb. 4.1: Schnittmodell eine Emitec-Heizelements /8/...92 Abb. 4.2: Beispiel für Nachrüstung einer zweiten Lichtmaschine /9/...93 Abb. 4.3: Lichtmaschinen unterschiedlicher Leistung für einen Dieselmotor /10/

6 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

7 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

8 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

9 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

10 Eine Beschreibung der einzelnen im Projekt untersuchten Verfahren erfolgt in Kapitel 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 Elektrisch beheizter Katalysator Ein weiteres System, das besonders auf die Verringerung der Kaltstart-HC- Emissionen abzielt, ist der elektrisch beheizbare Katalysator. Beim Start des Motors 9

11 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

12 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-Kat- Betriebs erreicht. 11

13 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

14 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: 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 Abb. 3.1: Abgaszyklus der Bodenseeschifffahrtsordnung (BSO) /6/ Die im Rahmen der Untersuchungen dieses Projekts durchgeführten Messreihen basieren auf diesem Zyklus, allerdings unter Berücksichtigung der realen 13

15 Betriebsprofile von Sportbooten. Dabei wird insbesondere den Bereichen besondere Bedeutung zugemessen, in denen die Abgastemperatur unterhalb der sog. Light- Off-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 des Verbrennungsmotors einer Segeljacht sowie eines Motorboots dargestellt. 14

16 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 Drehzahl / 10 Abgastemperatur Messzeit [s] Abb. 3.2: Lastprofil eines Segelboots 15

17 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 Drehzahl/10 [U/min] Abgastemperatur [ C] Messzeit [s] Abb. 3.3: Lastprofil eines Motorboots 16

18 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 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: 77 kw bei /min - Max. Drehmoment: 406 Nm bei /min - Hubraum: 6540 cm 3 - Einspritzpumpe: Reiheneinspritzpumpe CAV Einspritzdüse: Vierlochdüse 17

19 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

20 3.2.2 Nachrüstung mit einem Oxidationskatalysator Ein für den Motor des oben beschriebenen Sportbootes passend ausgelegter Oxidationskatalysator ist z. B. der Typ 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

21 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

22 Abb. 3.7: Drehzahlvergleich der einzelnen Varianten Abb. 3.8: Temperaturvergleich der einzelnen Varianten 21

23 Abb. 3.9: Vergleich der HC-Emissionen der einzelnen Varianten Abb. 3.10: Vergleich der CO-Emissionen der einzelnen Varianten 22

24 Abb. 3.11: Vergleich der NO x -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 NO x sind als Konzentrationen (ppm) aufgetragen (Abb ). 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

25 Erwartungsgemäß hat der Einbau eines Oxidationskatalysators keinen nennenswerten Einfluss auf die NO x -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

26 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 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 mit folgenden Daten: - 4-Zylinder-4-Takt-Dieselmotor, direkteinspritzend, mit Abgasturbolader - Abgasturbolader: KKK K14, max. Ladedruck 1,1 bar - Max. Leistung: 78 kw bei /min - Max. Drehmoment: 245 Nm bei /min - Hubraum: 2499 cm 3 - Einspritzpumpe: Bosch VE R 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

27 Abgasseitig: 7.) vor dem Katalysator 8.) direkt nach dem Katalysator 9.) ca. 1,5 m 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

28 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

29 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) 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

30 Beheizung 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-Off- Temperatur 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 c * ΔT Abgas * p, Abgas 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 Watt. Ein dieser ersten Auslegung entsprechendes Heizelement konnte von der Fa. Emitec in Form eines elektrisch beheizbaren unbeschichteten Katalysatorträgers bezogen 29

31 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 U I = ergibt sich R U P = R 2 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

32 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

33 BSO 1 Heizung aus an BSO 2 aus Heizung aus an aus Abb. 3.15: 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 an BSO 2 aus Heizung aus an aus Abb. 3.16: Temperaturdifferenz, Ansaugluftmenge, Wärmestrom und el. Heizleistung der ersten Versuchsreihe 32

34 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 an BSO 2 aus Heizung aus an aus Abb. 3.17: Temperaturverlauf der zweiten Versuchsreihe 33

35 BSO 1 Heizung aus an BSO 2 aus Heizung aus an aus Abb. 3.18: 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 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

36 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 250 BSO Punkt1 BSO Punkt1 BSO Punkt2 BSO Punkt2 200 Temperatur in C Zeit in s Temperatur vor Kat Versuch 1 Temperatur nach Kat Versuch 1 Temperatur vor Kat Versuch 2 Temperatur nach Kat Versuch 2 Temperatur vor Kat Versuch 3 Temperatur nach Kat Versuch 3 Abb. 3.19: Temperaturverlauf der Messreihen 1 bis 3 des Versuchsaufbaus elektrische Beheizung abgasseitig Allgem ein V ersuch 1 V ersuch 2 V ersuch 3 Stufe Drehzahl [min -1 ] Moment [Nm] Tem p. vor Katalysator [ C] Temp. nach Katalysator [ C] Tem p. vor Katalysator [ C] Temp. nach Katalysator [ C] Tem p. vor Katalysator [ C] Temp. nach Katalysator [ C] ,0 78,9 80,7 70,8 72,7 76,4 78, ,0 83,1 201,7 77,1 193,0 83,5 196, ,0 168,3 173,0 164,8 169,4 166,3 171, ,0 170,0 228,9 168,4 226,7 169,5 226,8 Abb. 3.20: Gemittelte Temperaturen der letzten 60 s der Stufe von den Messreihen 1 bis 3 des Versuchsaufbaus elektrische Beheizung abgasseitig 35

37 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 Beheizung 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

38 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: Flammglühkerze im Abgassystem 37

39 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 Schaltung für die Stromversorgung der Flammkerze 38

40 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

41 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