Oxidationskatalysatoren für biodieselbetriebene Bootsmotoren

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1 Oxidationskatalysatoren für biodieselbetriebene Bootsmotoren Prof. Dr.-Ing. Klaus Schreiner, Dipl.-Ing. MSc MEng Markus Klaissle Institut für Verbrennungsmotoren (InVo), FH Konstanz Einleitung In diesem Bericht sollen die seit Beginn des Projektes im März 23 durchgeführten Arbeiten vorgestellt werden. Im Einzelnen sind dies: Lastprofilmessungen Nachrüstung eines Sportbootes mit einem Oxidationskatalysator Messfahrten mit einem Sportboot mit und ohne Oxidationskatalysator Untersuchungen zur Erhöhung der Abgastemperatur im Teillastbetrieb Zusätzliche Arbeiten im Rahmen des Projektes. Die einzelnen Arbeitsschritte sind nachfolgend detailliert beschrieben. Bislang durchgeführte Arbeiten Lastprofilmessungen Zu Beginn des Projektes wurden auf zwei Sportbooten (Segelboot & Motorboot) über einen längeren Zeitraum hinweg die während des normalen Betriebs gefahrenen Lastzyklen gemessen. Dazu wurde auf den Booten ein mobiles Datenerfassungssystem installiert, mit welchen der Verlauf von Motordrehzahl sowie Abgas- und Öltemperaturen kontinuierlich gemessen wurde. Dieses Daterfassungssystem musste zuerst entworfen werden sowie bereits vorhandene Komponenten für diesen Einsatz angepasst werden. Die gewonnenen Daten dienen dazu, die einzelnen Lastpunkte des von der Bodenseeschiffahrtsordnung vorgeschriebenen Emissionsprüfzyklus (BSO-Zyklus) hinsichtlich ihrer Relevanz für den realen Einsatz von Sportbooten zu beurteilen.

2 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 folgenden Emissionsmessungen diesen Prüfpunkten besondere Bedeutung zugemessen werden. Nachrüstung mit einem Oxidationskatalysator Für die Durchführung der Messfahrten im Realbetrieb eines Sportbootes wurde aus dem vorangegangen Biodiesel-Projekt ein Motorboot 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. Für dieses Boot wurde von der Fa. Oberland-Mangold ein handelsüblicher auf den Motor abgestimmter Oxidationskatalysator beschafft. 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. Messfahrten mit und ohne Oxidationskatalysator Mit dem umgerüsteten Sportboot 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, NO X ) mit einer zu stationären Emissionsmessanlagen vergleichbaren Genauigkeit ortsunabhängig gemessen werden. Den Messfahrten lag der bereits erwähnte BSO-Zyklus zu Grunde. Dieser wurde mit 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 dem Emissionen wurden in jedem Betriebspunkt die Motordrehzahl sowie die Abgastemperaturen vor und nach dem Katalysator gemessen.

3 Die nachfolgenden Abbildungen zeigen den Verlauf von Drehzahl, Temperaturen und Emissionen der einzelnen Varianten. Drehzahlvergleich (1) 3 25 Drehzahl [U/min] Diesel ohne Kat 1 8 Diesel mit Kat 1 8 RME ohne Kat 1 8 RME mit Kat Abb. 1: Drehzahlvergleich der einzelnen Varianten Temperaturvergleich vor Kat Temperatur [ C] Diesel ohne Kat Diesel mit Kat RME ohne Kat RME mit Kat Abb. 2: Temperaturvergleich der einzelnen Varianten

4 HC-Vergleich HC-Emissionen Diesel ohne Kat Diesel mit Kat RME ohne Kat RME mit Kat Abb. 3: Vergleich der HC-Emissionen der einzelnen Varianten CO-Vergleich CO-Emissionen Diesel ohne Kat Diesel mit Kat RME ohne Kat RME mit Kat Abb. 4: Vergleich der CO-Emissionen der einzelnen Varianten

5 NOx-Vergleich 25 2 NOx-Emissionen 15 1 Diesel ohne Kat Diesel mit Kat RME ohne Kat RME mit Kat Abb. 5: Vergleich der NO X -Emissionen der einzelnen Varianten Aufgrund des Verlaufs der Drehzahl und der Abgastemperaturen ist erkennbar, dass bei allen gefahrenen Varianten gleiche Messbedingungen vorlagen und die gemessenen Emissionen dadurch vergleichbar sind. Die Temperaturmessungen zeigen, dass für die im Realbetrieb hauptsächlich relevanten Prüfpunkte 1 4 die Abgastemperatur am Oxidationskatalysator unter 2 C liegt. Eine Temperatur von 2 25 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. Sowohl bei den HC-Emissionen als auch bei den CO-Emissionen ist deutlich erkennbar, dass eine erkennbare Konvertierung der Schadstoffe erst bei Abgastemperaturen von ca. 18 C (HC) bzw. 23 C (CO) einsetzt. Bei höheren Abgastemperaturen steigt die Konvertierungsrate stark an. Erwartungsgemäß hat der Einbau eines Oxidationskatalysators keinen nennenswerten Einfluss auf die NO X -Emissionen.

6 Insgesamt können die Messergebnisse als erfreulich bewertet werden. Bereits durch Adaption eines handelsüblichen Oxidationskatalysators können die Emissionen biodieselbetriebener Sportboote 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. Aus diesem Grund wurde beschlossen, in einem nächsten Schritt Versuche zur Erhöhung der Abgastemperatur bzw. der Katalysatortemperatur im Teillastbetrieb durchzuführen und geeignete Maßnahmen auf dem Motorenprüfstand im Labor umzusetzen. Verfahren zur Temperaturerhöhung Eine Erhöhung der Abgastemperatur am Oxidationskatalysator lässt sich prinzipiell auf mehrere Arten erzielen: Verschiebung des Förderbeginns der Einspritzpumpe 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 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 einen großen zentralen Katalysators erforderlich. Diese sind am Markt derzeit noch nicht standardmäßig verfügbar, so dass eine Untersuchung dieses Verfahrens zunächst zurückgestellt wurde. Für die weitere Arbeit in diesem Projekt wurde daher der Schwerpunkt zunächst auf die zusätzliche Erwärmung des Katalysators bzw. des Abgasstromes gelegt. Dazu bieten sich prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Wärmeerzeugung an, auf die in den folgenden Kapiteln näher eingegangen wird:

7 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 zunächst 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. Heizung mittels elektrischer Widerstandsheizung Um die Durchführbarkeit einer elektrischen Widerstandsheizung zu untersuchen, wurde im Wintersemester 23/4 eine studentische Projektarbeit mit dem Ziel vergeben, die erforderliche Heizleistung zu berechnen, einen el. Heizer zu dimensionieren und gegebenenfalls zu beschaffen. Bis zum heutigen Zeitpunkt konnte ein geeignetes Heizelement identifiziert sowie ein Musterteil vom Hersteller (Fa. Emitec) beschafft werden. Dieses Heizelement soll jetzt in die Abgasanlage des Prüfstandes adaptiert werden, um anschließend Messungen zur erzielbaren Temperaturerhöhung und zum Energieverbrauch durchführen zu können. Grundsätzlich ist elektrisch Heizen aufgrund der über lange Zeit erforderlichen hohen Ströme und der dadurch bereit zustellenden elektrischen Energie kritisch zu bewerten. Dies erfordert über die bestehende Batteriekapazität an Bord eines Sportbootes die Installation mindestens eines weiteren Akkumulators. Andererseits ist eine elektrische Heizung vergleichsweise einfach zu adaptieren und daher evtl. zusammen mit anderen temperaturerhöhenden Maßnahmen zielführend. Heizen mittels Heizung mittels zusätzlicher Verbrennung von Kraftstoff Zum Erwärmen des Abgases mittels eines zusätzlichen Brenners wurde eine Flammglühkerze im Abgasrohr des Labordieselmotors installiert. Diese Flammglühkerzen werden normalerweise zur Erwärmung der Ansaugluft beim Kaltstart von Dieselmotoren verwendet, eine Verbrennung ist aber aufgrund des hohen Restsauerstoffgehalt des Abgases im Schwach- und Teillastbetrieb auch im Abgasrohr möglich. Bis zum heutigen Zeitpunkt wurde eine Flammglühkerze im Abgasrohr eingebaut sowie die dazu erforderliche Elektrik und Kraftstoffversorgung aufgebaut. Erste Laborversuche zur erzielbaren Temperaturerhöhung konnten durchgeführt werden und erzielten viel versprechende Ergebnisse.

8 Noch ungeklärt ist das Verhalten der Emissionen durch die zusätzliche offene Verbrennung von Kraftstoff im Abgasrohr. Ergebnisse dazu sind in Kürze zu erwarten. Sollten die evtl. veränderten Emissionen keine unüberwindbare Hürde darstellen, sind danach weitere Abstimmungsarbeiten zur Erzielung des optimalen Kompromisses zwischen zugeführter Heizenergie und erzielter Konvertierungsrate bzw. Emissionsminderung geplant. Abschließend soll der Einbau der Anlage in das Versuchsboot mit anschließenden Messfahrten erfolgen. Die Vorteile einer Brennerheizung liegen hauptsächlich im Bereich der Energieversorgung. Der Strombedarf einer Flammglühkerze ist verglichen mit einer rein elektrischen Heizung sehr gering, der Hauptenergieträger Diesel ist sowieso an Bord vorhanden. Weiterhin ist mit einer Brennerheizung eine schnellere Erwärmung möglich, worauf die Auswirkungen von Lastwechseln schneller ausgeglichen werden können. Kritisch zu betrachten sind evtl. nachteilige Emissionsänderungen durch die zusätzliche Verbrennung. Zusätzliche Arbeiten im Rahmen des Projekts Wie bereits im Kapitel Lastprofilmessungen erwähnt, wurde zu Beginn des Projektes ein auf die Anforderungen abgestimmtes Datenerfassungssystem zur Lastprofilmessug gebaut. Diese Messdatenerfassung wird im Rahmen einer Projektarbeit im Sommersemester 24 weiter ausgebaut und eingesetzt. Eine Diplomarbeit mit dem Thema Entwurf und Konstruktion einer Kraftstoffkonditionierungsanlage wurde im Wintersemester 23/4 durchgeführt. Ziel der Arbeit war es, eine Anlage zur Versorgung eines Motors mit verschiedenen Kraftstoffen bei verschiedenen Temperaturen mit integrierter Verbrauchsmessung zu bauen. Die Anlage ermöglicht einen schnellen Wechsel zwischen verschiedenen Kraftstoffen im Betrieb eines Motors sowie eine präzise Konditionierung der Kraftstoffe (Temperatur). Die Analge wird im Sommersemester 24 durch eine studentische Projektarbeit weiterentwickelt.

9 Ausblick für zukünftige Arbeiten Neben den bereits oben erwähnten Arbeiten sollen im Rahmen des Projektes noch folgende Arbeiten durchgeführt werden: Adaption eines geeigneten Heizverfahrens in Kombination mit dem vorhandenen Oxidationskatalysator im Versuchsboot Durchführung einer weiteren Messkampagne unter Realbedingungen zur Messung gesetzlich limitierter Abgaskomponenten Durchführung einer Messkampagne unter Realbedingungnen zur Messung nicht limitierter Komponenten Organisation und Durchführung einer Biodieseltagung im Rahmen der Interboot 24 in Friedrichshafen Kontaktadresse: Fachhochschule Konstanz Dipl.-Ing. MSc MEng Markus Klaissle Brauneggerstraße 55 D Konstanz Fon: Fax: Web: