Dieselabgasuntersuchung mittels Flammenionisationsdetektor


Diplomarbeit, 2007

126 Seiten, Note: 1.3


Leseprobe


Inhaltsverzeichnis

Eidesstattliche Erklärung

Danksagung

Prolog

Einführung

1 Der Dieselmotor
1.1 Die Geschichte des Dieselmotors
1.1.1 Biographie Rudolf Diesels
1.1.2 Die Entwicklung des Dieselmotors
1.1.2.1 Die Evolution des Diesels
1.2 Die Arbeitsweise des Dieselmotors
1.2.1 Die theoretischen Grundlagen
1.2.1.1 Der Carnot - Prozess
1.2.1.2 Der Carnot - Prozess läuft nach dem folgenden Schema ab:
1.2.1.3 Darstellung im T - S Diagramm
1.2.1.4 Ablauf des Carnot
1.2.1.5 Der Carnot Wirkungsgrad
1.2.2 Arbeitsprinzip des Dieselmotors
1.2.3 Einspritzverfahren
1.2.3.1 Vorkammer-Einspritzverfahren
1.2.3.2 Wirbelkammer-Einspritzverfahren
1.2.3.3 Lanova-Einspritzverfahren
1.2.3.4 Direkteinspritzung
1.2.3.4.1 Mittenkugelverfahren
1.2.3.4.2 Pumpe-Düse
1.2.3.4.3 Common-Rail
1.2.3.4.4 Fazit
1.2.4 Vergleich Otto- und Dieselmotor

2 Der Dieselkraftstoff
2.1 Einführung
2.2 Erdölgewinnung
2.3 Herstellung Dieselkraftstoff
2.3 Zusammensetzung und Eigenschaften
2.4 Additive
2.4.2 Dieseladditive
2.5 Alternative Antriebe
2.5.1 Alternative Antriebsysteme
2.5.1.1 Brennstoffzellen
2.5.1.2 Elektroantrieb
2.5.2 Alternative Kraftstoffe
2.5.2.1 tierische Fette
2.5.2.2 Pflanzenöle
2.5.2.3 Biodiesel
2.5.2.4 Synthetische Kraftstoffe
2.5.2.5 Gasantriebe
2.5.2.6 Alkohole
2.5.2.7 Wasserstoff in Verbrennungsmotoren
2.6 Fazit

3 Die Dieselabgase
3.1 Definition der Verbrennung
3.2 Abgase des Dieselmotors
3.2.1 Hauptbestandteile des Dieselabgases
3.2.1.1 Wasser (H2O)
3.2.1.2 Kohlenstoffdioxid (CO2)
3.2.1.3 Stickstoff (N2)
3.2.2 Nebenbestandteile des Dieselabgase
3.2.2.1 Kohlenstoffmonoxid (CO)
3.2.2.2 Kohlenwasserstoff (HC)
3.2.2.3 Stickstoffoxide (NOx)
3.2.2.4 Schwefeldioxid (SO2)
3.2.2.5 Feststoffe
3.2.2.5.1 Feinstaub
3.3 Abgasbehandlung beim Dieselmotor
3.3.1 Europäische Abgasnormen
3.4 Problematik der Dieselabgase
3.5 zukünftige Abgasbehandlungen

4 Messverfahren
4.1 Gaschromatographie (GC)
4.1.1 Aufbau
4.1.2 Messprinzip
4.1.3 Anwendungen
4.2 Massenspektrometrie (MS)
4.1.1 Aufbau und Messprinzip
4.1.2 Typen von Massenspektrometern
4.1.3 Auswertung von Massenspektren
4.1.4 Anwendungen
4.3 GC/MS-Kopplung
4.4 Flammenionisationsdetektor (FID)
4.4.1 Messprinzip
4.5 gesetzliche Abgasuntersuchung (AU)
4.5.1 AU-Typen für Kraftfahrzeuge
4.5.2 Messverfahren
4.5.3 zukünftige Abgasuntersuchung

5 Versuche
5.1 Aufgabenstellung
5.2 Versuchsaufbau und Vorversuche
5.2.1 Versuchsfahrzeug
5.2.2 Messgerät
5.2.2.1 Maßeinheit
5.2.3 Vorversuche
5.2.3.1 Vorversuch 1
5.2.3.2 Vorversuch 2
5.2.3.3 Vorversuch 3
5.2.3.4 Vorversuch 4
5.2.4 Versuchsaufbau
5.2.4.1 Aufbau
5.2.4.2 Meßprinzip
5.3 Versuchsdurchführung
5.3.2 Versuchsablauf
5.3.3 Versuchsauswertung
5.3.3.1 Versuche mit handelsüblichem Dieselkraftstoff
5.3.3.2 Versuche mit 50 ppm Additiv-Anteil im Kraftstoff
5.3.3.3 Versuche mit 100 ppm Additiv-Anteil im Kraftstoff
5.3.3.4 Vergleich der Versuchsergebnisse
5.3.4 Resümee

6 Anhang

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Danksagung

Herrn Prof. Dr. - Ing. Karl Koch danke ich für die Ermöglichung und die Betreuung dieser Diplomarbeit.

Bei Herrn Manfred Kopal bedanke ich mich für seine selbstlose und freundschaftliche Unterstützung. Bei der Erstellung der Diplomarbeit und bei der Durchführung der praktischen Arbeiten und der Versuche stand er mir stets mit Rat und Tat äußerst hilfreich zur Seite.

Ich bedanke mich auch bei Herrn Wolfgang Christ von der Wissenschaftlichen Einrichtung VI Umwelttechnik und Chemie für seine freundliche und verständnisvolle Unterstützung.

Prolog

« In unserer verschmutzten Umwelt wird die Luft langsam sichtbar.»

Norman Mailer - US-amerikanischer Schriftsteller1

Einführung

Der drohende Klimawandel und die Knappheit der Ressourcen rücken immer stärker ins Bewusstsein der Menschen. Die Einstellung gegenüber der Umwelt wandelt sich, und neue Prioritäten zeichnen sich ab. Die technische Entwicklung ist nicht mehr nur auf höhere Leistungen ausgelegt, sondern soll die Effizienz der Systeme steigern und die Bedürfnisse der Natur berücksichtigen.

Durch die Optimierung der Dieseltechnologie wurden die Leistungsausbeute und das Abgasverhalten kontinuierlich verbessert, jedoch führt das steigende Verkehrsaufkommen zu einer immer höheren Umweltbelastung. Bei der Emissionsreduzierung sind dem Motormanagement Grenzen gesetzt und dadurch allein können die immer niedrigeren Abgasgrenzwerte nicht eingehalten werden.

Diese Diplomarbeit behandelt die aktuelle Dieseltechnologie und soll einen Ausblick auf zukünftige Antriebkonzepte und mögliche Entwicklungen geben.

Durch die Abgasuntersuchung mittels Flammenionisationsdetektor (FID) soll die Kohlenwasserstoffkonzentration, also der Anteil von unverbranntem Kraftstoff im Abgas eines Oberklassefahrzeuges analysiert und Möglichkeiten zur Emissionsreduzierung durch Zugabe von Additiven im Kraftstoff aufgezeigt werden.

1 Der Dieselmotor

1.1 Die Geschichte des Dieselmotors

1.1.1 Biographie Rudolf Diesels

Das Leben von Rudolf Christian Karl Diesel war von der Verwirklichung seiner Vision geprägt.2

Er wurde am 18.März 1858 als zweites Kind des gelernten Buchbinders und späterem Lederwaren - Herstellers Theodor Diesel und seiner Ehefrau Elise in Paris geboren. Dort verbrachte er seine Jugendjahre, in denen sein hohes technisches Verständnis erkannt und gefördert wurde. Im Alter von zwölf Jahren erhielt er eine Bronzemedaille für hervorragende Leistungen von der "Société Pour L´Instruction Elémentaire". Aufgrund der angespannten politischen Situation im Jahr 1870 wurden alle Nichtfranzosen aus Frankreich verwiesen. So verschlug es Rudolf Diesel nach Augsburg, wo er in die Königliche Kreis-Gewerbsschule eintrat und den Entschluss faste, "Mechaniker" (Ingenieur) zu werden. Diesel schloss die Schule 1873 als Bester ab und besuchte fortan die neu gegründete Industrieschule. Auch diese beendete er als Bester des Jahrganges von 1875 und im Anschluss begann er sein Studium an der Technischen Hochschule (Polytechnikum) in München. Nach dem Studienabschluss mit bester Leistung seit Bestehen der Einrichtung wurde Diesel Volontär bei der Lindeschen Eisfabrik und bereits nach einem Jahr zu ihrem Direktor ernannt.

Im gleichen Jahr erhielt er am 24.September 1881 sein erstes Patent auf ein Verfahren zur Herstellung von Klareis in Flaschen. Nach erfolgreicher Arbeit für die Firma Linde erhält Rudolf Diesel am 23. Dezember 1892 ein Patent auf eine Verbrennungskraftmaschine, welches er in den Jahren 1893 bis 1897 mit Hilfe der Maschinenfabrik Augsburg und der Firma Friedrich Krupp zu seinem Dieselmotor entwickelte. In den folgenden Jahren verbreitete sich der Dieselmotor immer weiter, doch den kommerziellen Durchbruch seiner Idee konnte Rudolf zu Lebzeiten nicht mehr erleben. Er ertrank am 29./30. September 1913 bei einer Überfahrt nach England im Ärmelkanal.

Rudolf Diesel gelang es zwar nicht mit seinem Motor den Carnot - Prozess zu verwirklichen, nicht desto trotz ist er der Vater der bis dato am wirtschaftlichsten arbeitenden Wärmekraftmaschinen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1 Rudolf Diesel im Alter von 34 Jahren49

1.1.2 Die Entwicklung des Dieselmotors

Zwischen dem ersten lauffähigen Dieselmotor, der 1897 bei MAN vorgestellt wurde, und dem heutigen Dieselboom liegt eine hundertjährige Entwicklung. Mit seinem Arbeitsprinzip legt Rudolf Diesel den Grundstein für die am wirtschaftlichsten arbeitende Wärmemaschine. Um den Dieselmotor auf die Straße zu bringen bedurfte es vieler weiterer Entwicklungen. 1910 erhielt James McKechni, technischer Leiter der Vickkers Werke, ein Patent auf „Die hydraulische gesteuerte Einspritzung von Kraftstoff in Dieselmotoren“. Im Jahr 1923 wurde der erste LKW mit Dieselantrieb von Benz gebaut und im Jahr 1927 stellte Bosch eine serienreife Einspritzpumpe vor.3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2 1923 erster Vorkammerdieselmotor f ü r LKW der Firma Benz50

Auf der Internationalen Automobilausstellung 1936 stellte Daimler Benz den ersten Diesel - PKW der Welt vor.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3 Daimler-Benz 260D erste serienm äß ige Diesel - PKW der Welt50

Ab dem Jahr 1975 begann Volkswagen mit dem ersten Großserieneinsatz von Verteilereinspritzpumpen und im Jahr 1978 brachte Daimler - Benz den ersten PKW Dieselmotor mit Turboaufladung auf den Markt.

1986 erfolgt in einem Dieselmotor von BMW die Kraftstoffzufuhr erstmals mit einer elektronisch geregelten Einspritzung. Im Jahr 1989 präsentierte Audi den ersten direkt einspritzenden Dieselmotor in einem Serien - PKW.

1.1.2.1 Die Evolution des Diesels

Bis Ende der 80er-Jahre des letzten Jahrhunderts galten Dieselmotoren zwar als sehr sparsam aber nicht als sehr leistungsstark. So war nur ca. 1/8 der zugelassen PKW mit einem Dieselmotor ausgerüstet. Heutzutage sind mehr als die Hälfte der PKW auf deutschen Straßen Dieselfahrzeuge mit niedrigem Verbrauchen und hohen Fahrleistungen. Dieser Evolution vom Privatfahrzeug für Landwirte bis zur Massenverbreitung liegen die technischen Entwicklungen seit Anfang der 90er-Jahre des letzten Jahrhunderts zu Grunde.3

1989 entwickelte Volkswagen einen Oxidationskatalysator für Dieselmotoren und 1993 wurde die Abgasuntersuchung für Dieselfahrzeuge eingeführt. Mit den Abgasvorschriften für Dieselfahrzeuge wurden die Entwickler zur Prozessoptimierung gezwungen. Dadurch wurden die Fahrleistungen von Dieselfahrzeugen kontinuierlich verbessert. Mit der Einführung des Biodiesel 1995 bewies der Dieselmotor seine Unabhängigkeit von den Rohölvorkommen und damit seine Zukunftsfähigkeit.

Für die leistungsgesteigerten und emissionsoptimierten PKW - Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wurden Hochdruckpumpen benötigt, die Einspritzdrücke von mehr als 1300 bar erreichen konnten. Mit der VP 44 entwickelte Bosch 1996 eine Magnetventilgesteuerte Radialkolbenpumpe, die maximal 2000 bar Einspritzdruck leistete.

Mit der 1997 von Fiat vorgestellten Common - Rail Technologie für Diesel - PKW schaffte man den Sprung vom nagelnden Antriebsaggregat für landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge zu einem Motor, der mit seiner Laufruhe und Fahrleistungen denen eines vergleichbaren Ottomotors ebenbürtig und in vielerlei Hinsicht überlegen ist. Volkswagen verfolgte mit der 1998 vorgestellten Pumpe - Düse - Technik ein anderes Prinzip und präsentierte 1999 das erste Drei-Liter Auto der Welt.

Im Jahr 2000 präsentierte Peugeot den FAP - Rußpartikelfilter und verbesserte damit den Schadstoffausstoß seiner Dieselmotoren immens. 2002 erschien der erste Multijet - Common - Rail Dieselmotor mit bis zu fünf Einspritzphasen und 2004 wurde die dritte Generation der Common - Rail - Technologie mit Piezo - Injektoren vorgestellt. 4 Mit dem DiesOtto - Konzept präsentiert Daimler-Chrysler auf der IAA 2007 einen Motor mit der Sparsamkeit und dem Drehmoment eines Dieselmotors und dem Abgasverhalten eines Benziners. Das so genannte Combined Combustion System (CCS) ist ein selbstzündender Benzindirekteinspritzer mit Zündkerze und wird mit handelsüblichem Benzin betankt. Im Teillastbereich verbleiben bis zu 60 Prozent des Abgases im Zylinder, wodurch in Verbindung mit dem eingespritzten Kraftstoff und dem Arbeitsdruck des Motors im nächsten Takt ein Gemisch entsteht, das sich wie beim Diesel selbst entzündet. Dadurch arbeitet der Motor mit einem hohen Wirkungsgrad und aufgrund der homogenen Verbrennung (reduzierte Reaktionstemperatur) entstehen weniger Stickstoffoxide. Bei Volllast und beim Start kommt die Zündkerze wieder zum Einsatz. Die nötige Drucksteuerung erfolgt über eine mechanische Veränderung des Hubes. Der vorhandene Druck im Zylinder wird über einen Sensor erfasst und das nötige Einspritzverfahren von der Motorsteuerung geregelt. Die Abgasreinigung übernimmt ein serienüblicher Dreiwege-Katalysator. So entsteht ein Motor, der aus einem kleinen Hubraum mit Turboaufladung eine hohe Leistung erzeugt und zusammen mit einer Hybridkomponente weniger als sechs Liter auf 100 km verbraucht. Bis zur Serienreife des Konzeptes werden noch ein paar Jahre vergehen.

Die wirkliche Weiterentwicklung der Dieseltechnologie erfolgt erst seit wenigen Jahren und so wird es auch in Zukunft große Entwicklungsschritte zum Beispiel in der Nutzung von Bio - Kraftstoffen und der Emissionsreduzierung geben.

1.2 Die Arbeitsweise des Dieselmotors

1.2.1 Die theoretischen Grundlagen

1.2.1.1 Der Carnot - Prozess

Mit seinem Motor verfolgte Rudolf Diesel das Ziel, den Carnot - Prozess zu verwirklichen.

Der Carnot - Prozess ist ein theoretisch optimal verlaufender Kreisprozess. Das heißt, er ist reversibel. Der französische Ingenieur, Offizier und Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot, hat diesen bekanntesten, theoretisch reversiblen Kreisprozess für Wärme-, Kältemaschinen und Wärmepumpen entwickelt und 1824 veröffentlicht.5

Ein Wärmekraftprozess läuft zwischen einem warmen und einem kalten Reservoir ab. Nach der Formulierung des 2.Hauptsatzes der Thermodynamik nach Kelvin - Planck kann Wärme nur von einem warmen an ein kaltes Reservoir abgegeben werden, nicht umgekehrt4. Das heißt, ein warmes Reservoir kann nur kälter, ein kaltes Reservoir nur wärmer werden. Es ist unmöglich, dass das warme Reservoir dem kalten Reservoir Wärme entzieht und dieses abkühlt, ohne dass Arbeit verrichtet wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4 Schema des W ä rmekraftprozesses

1.2.1.2 Der Carnot - Prozess läuft nach dem folgenden Schema ab:

Ein Fluid, zum Beispiel Gas oder Dampf, ist abwechselnd mit einem heißen Reservoir zur Wärmeaufnahme und einem kalten Reservoir zur Wärmeabgabe verbunden. Es wird durch Verrichten mechanischer Arbeit komprimiert und expandiert anschließend unter Abgabe mechanischer Arbeit auf seinen Ausgangszustand. Alle Zustandgrößen wie Temperatur, Druck, Volumen und Innere Energie haben nach dem Prozess dieselbe Größe wie zuvor.6

Der Carnot Kreisprozess kann auf zwei Arten betrieben werden. Bei rechtslaufender Darstellung im T-S Diagramm spricht man vom Carnot Wärmekraftprozess, bei dem Arbeit verrichtet wird (z.B. Dieselmotor, Ottomotor, Gasturbine und Dampfturbine).

Eine linkslaufende Darstellung wird für den Carnot Kältemaschinen- oder Wärmepumpenprozess verwendet. Hierbei wird Arbeit von der Kältemaschine bzw. der Wärmepumpe aufgenommen. Die Beträge sämtlicher Energietransfers sind identisch. Die gesamte Energie wird nach der Nutzung im Prozess an eines der Reservoire abgegeben. Die Prozesse verlaufen verlustfrei, das heißt sie sind umkehrbar und werden daher als reversibel bezeichnet.

Eine technische Umsetzung des Carnot - Prozesses ist nicht möglich. Während jeder Arbeitsphase treten sowohl thermische als auch Reibungsverluste auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.5 T-S Diagramm eines Carnot W ä rmekraftprozesses

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6 T-S Diagramm eines Carnot K ä ltemaschinen- und W ä rmepumpenprozesses

1.2.1.3 Darstellung im T - S Diagramm

Der Carnot - Prozess besteht aus zwei isothermen und zwei isentropen Zustandsänderungen. Diese bilden im Temperatur - Entropie Diagramm ein Rechteck.6

Zustandsänderung von 1 nach 2 (isotherm)

Arbeitsgas wird bei konstanter Temperatur eine bestimmte Wärmemenge entzogen, was zu einer Verringerung des Volumens führt.

Zustandsänderung von 2 nach 3 (isentrop)

Gas wird durch mechanische Arbeit verdichtet und die Temperatur erhöht

Zustandsänderung von 3 nach 4 (isotherm)

Fluid expandiert unter Kontakt mit dem heißen Reservoir

Zustandsänderung von 4 nach 1 (isentrop)

Gas expandiert unter Verrichtung mechanischer Arbeit bis zum Ausgangszustand

Nach dem Durchlaufen des Kreisprozesses erreichen alle Zustandsgrößen des Systems (Druck, Temperatur, Volumen und Innere Energie) ihren Ausgangswert. Es gibt keine Verluste.

Darstellung im p-V Diagramm

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.7 Carnot p-V Diagramm

1.2.1.4 Ablauf des Carnot - Prozesses am Beispiel einer Kolbenmaschine

Abb.8 geschlossener Carnot - Prozess in einer Kolbenmaschine51

Im ersten Takt wird das im Zylinder eingeschlossene Gas vom Kolben, unter Wärmeabgabe an das kalte Reservoir, isotherm verdichtet. Danach erfolgt im zweiten Takt die isentrope Kompression. Durch Wärmezufuhr aus dem heißen Reservoir erfolgt im dritten Takt die isotherme Expansion. Im Anschluss dehnt sich das Gas im vierten Takt isentrop auf das Ausgangsvolumen aus. Dabei wird der Kolben vom Gas verschoben und Arbeit verrichtet.

1.2.1.5 Der Carnot Wirkungsgrad

Im Carnot - Prozess ist der Wirkungsgrad unabhängig von der zugeführten Wärme. Er hängt nur von den Prozessendtemperaturen, bei denen die Wärme zu- und abgeführt wird, ab. Für einen möglichst großen Wirkungsgrad wird die T3 Temperatur möglichst hoch gelegt und dadurch fast die gesamte Druckdifferenz während der isentropen Verdichtung verbraucht. Für die isotherme Kompression und Expansion bleiben nur eine kleine Druckdifferenz. Dadurch wird die Arbeitsfläche sehr klein und ist nur für die Reibungsverluste ausreichend. Der thermische Wirkungsgrad ist sehr hoch, aber solch eine Maschine ist nicht zu realisieren.

Die Wärmeabgabe müsste bei 0 Kelvin und sehr schnell erfolgen und der Arbeitsdruck wäre sehr hoch. Die Umgebungstemperatur und -druck können nicht verändert werden und der maximale Arbeitsdruck wird durch das Material begrenzt.

Daher war es Rudolf Diesel nicht möglich eine Wärmekraftmaschine nach dem Carnot - Prozess zu bauen.

Sein Motor ist die Wärmekraftmaschine mit dem höchsten Wirkungsgrad. Er bietet durch sein Arbeitsprinzip ein enormes Entwicklungspotential.

1.2.2 Arbeitsprinzip des Dieselmotors

Dieselmotoren arbeiten nach dem Prinzip des Gleichdruckprozess. Das heißt, der Druck ist nach der Verdichtung konstant. Bei sehr hoch verdichteten Motoren kann der Maximaldruck aufgrund der Bauteilbelastung bereits am Ende der Verdichtung erreicht werden. Dadurch ergibt sich das maximal zulässige Verdichtungsverhältnis und es erfolgt im weiteren Prozessverlauf kein erneuter Druckanstieg.7

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.9 p-V Diagramm Gleichdruckprozess

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.10 T-S Diagramm Gleichdruckprozess

Das grundlegende Arbeitsprinzip ist bei Otto- und Dieselmotoren für PKW identisch. Beide arbeiten nach dem 4 - Takt Verfahren.

Zustand 1

Im Ausgangszustand befindet sich reine Luft mit Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur im Zylinder.

Zustandsänderung von 1 nach 2

Die Luft wird isentrop auf p2 und T2 verdichtet. Luft kann theoretisch unbegrenzt verdichtet werden, da sie ohne Brennstoff nicht zündfähig ist.

Zustand 2

Der Kolben hat die Luft auf den maximalen Druck verdichtet und befindet sich im oberen Totpunkt. Nun wird mit dem Einspritzen des Brennstoffes begonnen.

Zustandsänderung von 2 nach 3

Der eingespritzte Brennstoff entzündet sich von selbst an der verdichteten heißen Luft. Durch Brennstoffdosierung bleibt der Druck beim Kolbenrückgang konstant.

Zustand 3

Die Einspritzung von Kraftstoff und damit die Verbrennung werden beendet.

Zustandsänderung von 3 nach 4

Die Verbrennungsgase expandieren isentrop und verrichten Arbeit.

Zustandsänderung von 4 nach 1

Die Wärme wird isochor (keine Volumenänderung) abgeführt.

Dieser Ablauf stellt sich im Dieselmotor folgendermaßen dar:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.11 Viertaktprinzip52

Großvolumige Dieselmotoren, wie man sie zum Beispiel für Schiffe und Kraftwerke einsetzt, arbeiten nach dem 2 - Takt Verfahren.

1.Takt 2.Takt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.12 Zweitaktprinzip53

Dabei werden die Abläufe (Ansaugen, Verdichten, Zünden, Ausstoßen) zu zwei Takten zusammengefasst.

1.2.3 Einspritzverfahren

Eine grundlegende Unterscheidung von Dieselmotoren wird anhand des verwendeten7

Brennraumes getroffen. Ist der Brennraum geteilt, wird ein Vorkammer-, Wirbelkammer- oder Lanova - Einpritzverfahren genutzt. Eine Direkteinspritzung erfolgt bei einteiligen Brennräumen.

Die Weitereinwicklung der Einspritzverfahren seit Mitte der 90er-Jahre des letzten Jahrhunderts ist entscheidend für den Fortschritt in Wirkungsgrad, Motorcharakteristik und Abgasverhalten von Dieselmotoren.

1.2.3.1 Vorkammer-Einspritzverfahren

Bei diesem System wird der Brennraum in eine Vorkammer (ein Drittel des Gesamtbrennraumes) und einen Hauptbrennraum (zwei Drittel des Gesamtbrennraumes) unterteilt. Diese sind durch mehrere kleine Bohrungen, so genannte Schusskanäle, verbunden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.13 Vorkammer - System54

Während des 2. Arbeitstaktes, dem Verdichten, wird ein Teil der Luft in die Vorkammer gedrückt. Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes wird in die Vorkammer Kraftstoff eingespritzt, was auf Grund des hohen Sauerstoffanteils zu einer Teilverbrennung führt.

Durch die entstandenen hohen Temperaturen und Drücke wird das Gasgemisch durch die Schusskanäle in den Hauptbrennraum geblasen, wo die eigentliche Verbrennung stattfindet.

Bei einem Kaltstart des Motors wird die kalte Vorkammer durch die einströmende Luft weiter abgekühlt, wodurch eine Selbstzündung unmöglich ist. Aus diesem Grund benötigt man eine Glühkerze zur Luftvorwärmung in der Brennkammer. Die Vorteile des Vorkammer-Einspritzverfahren liegen in der gleichmäßigen Gemischbildung und einer relativ schnellen Verbrennung aufgrund geringen Zündverzugs. Daraus resultiert ein weicher Motorlauf, eine geringe Bauteilbelastung und es lassen sich dieseluntypisch hohe Drehzahlen über 5500 1/min realisieren. Durch die relativ große Oberfläche der Brennräume wird die verdichtete Luft sehr schnell abgekühlt, was eine Kaltstarthilfe mittels Glühkerze zwingend erforderlich macht. Beim Gemischaustausch zwischen den Brennräumen kommt es speziell bei höheren Drehzahlen zu Strömungsverlusten. Dadurch steigt der Kraftstoffverbrauch und das Drehmoment stagniert. Die für die Verbrennung ideale Kugelform des Brennraumes ist bei einem Vorkammersystem nicht realisierbar, was weitere Verluste mit sich bringt. Das Vorkammersystem kommt heutzutage nur noch selten bei PKW-Dieselmotoren zum Einsatz.

1.2.3.2 Wirbelkammer-Einspritzverfahren

Dieses System arbeitet nach dem gleichen Grundprinzip wie das Vorkammerverfahren. Jedoch ist die kugelförmige Wirbelkammer über einen großen, tangential einmündenden Schusskanal mit der Hauptbrennkammer verbunden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.14 Wirbelkammer-System54

Während der Verdichtung wird die Luft aus dem Brennraum teilweise durch die tangentiale Einmündung in die Wirbelkammer gepresst und dabei in starke Rotation versetzt. Der Dieselkraftstoff wird in Rotationsrichtung in die Wirbelkammer eingespritzt und entzündet sich an der heißen Luft. Dadurch wird das Kraftstoffluftgemisch in den Brennraum katapultiert, wo die Verbrennung auf die übrige Luft übergreift. Durch eine für die Durchmischung günstige Kolbenform kann diese Verwirbelung begünstigt und damit der Wirkungsgrad der Verbrennung gesteigert werden.

Während des Fahrbetriebes wird die Wirbelkammer sehr heiß, was die Vorverdampfung des Kraftstoffes begünstigt. Für den Kaltstart wird für dieses System genau wie bei einem Vorkammermotor eine Glühkerze benötigt.

Die Vor- und Nachteile dieses System sind ähnlich dem Vorkammerverfahren. Die auftretenden Strömungsverluste sind geringer, das Kraftstoff-Luft-Gemisch ist besser durchmischt und durch den großen Schusskanal ist die Leistungsentfaltung auch bei höheren Drehzahlen angemessen. Somit ist eine höhere Literleistung dieser Motoren möglich. Durch den geringeren Zündverzug verbleibt weniger unverbrannter Kraftstoff im Abgas.

Allerdings benötigt solch ein Dieselmotor eine Kaltstarteinrichtung und der Kraftstoffverbraucht liegt höher als bei direkteinspritzenden Dieselaggregaten.

1.2.3.3 Lanova-Einspritzverfahren

Dieses Verfahren ist ein Vorläufer des heutigen Direkteinspritzungsverfahrens für Dieselmotoren. Hierbei sorgt ein schmetterlingsförmiger Brennraum für eine sehr günstige Verwirbelung. Der Motor kann auch bei sehr hohem Leistungsbedarf, das entspricht einem geringen Luftüberschuss, noch rußfrei arbeiten. In seiner letzten Entwicklungsstufe wurden mit diesem Verfahren sehr laufruhige, was den Kraftstoffverbrauch betrifft, genügsame und wenig störungsanfällige Dieselmotoren realisiert. Diese stellen nur geringe Anforderung an das verwendete Einspritzsystem.

Heutzutage kommt dieses Verfahren noch bei der Firma Henschel und einigen Lizenznehmern zum Einsatz.

1.2.3.4 Direkteinspritzung

Die Entwicklung der Direkteinspritzung für Dieselmotoren ist die Grundlage des Dieselbooms Mitte der 90er-Jahre des letzten Jahrhunderts.

Bei diesem System wird mit Hilfe einer Einspritzdüse Kraftstoff direkt in den Zylinder eingebracht. Eine Teilung des Brennraumes wird unnötig, was zu einem höheren Wirkungsgrad und geringerem Kraftstoffverbrauch aufgrund der geringeren Brennraumoberfläche führt. Durch die Ausführung eines nahezu kugelförmigen Brennraumes können Wärme- und Strömungsverluste minimiert werden.

1.2.3.4.1 Mittenkugelverfahren

Dieses von Siegfried Meurer bei der Firma MAN entwickelt Verfahren ist der Vorgänger der heutigen direkt einspritzenden Dieselmotoren. Bei einem so genannten M-Motor ist die Vorkammer in den Kolben integriert und der Kraftstoff wird tangential durch eine Einlochdüse in den Brennraum eingespritzt. Der Kraftstoff bildet einen Film in der Kugel und verdampft langsam mit steigender Temperatur. Dadurch lassen sich für die damalige Zeit sehr laufruhige und sparsame Motoren mit geringen Verbrennungsgeräuschen und Rußentwicklung realisieren. Motoren, die nach diesem Prinzip arbeiten, lassen sich als Vielstoffmotoren einsetzten.

Eine Sonderbauform dieses Motors, der Fremdzündungs-Mittenmotor, kommt heutzutage im deutschen Kampfpanzer Leopard 2 zum Einsatz.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.15 Mittenkugelverfahren

Bei modernen Einspritzsystemen werden zwei grundlegende Verfahren unterschieden. Das Pumpe-Düse-Verfahren und das Common-Rail System. Beide Verfahren verwenden sehr hohe Einspritzdrücke. Dadurch erhält man eine sehr feine Kraftstoffverteilung im Brennraum, eine gute Gemischbildung und damit eine optimale Verbrennung. Daraus ergeben sich sehr gute Abgaswerte und eine geringe Partikelemission.

1.2.3.4.2 Pumpe-Düse

Das Pumpe-Düse Verfahren wurde ursprünglich von der Detroit Diesel Company in den 1930er-Jahren verwirklicht. Die Firma Bosch hat für den Volkswagenkonzern dieses Verfahren aufgegriffen und weiterentwickelt.

Bei den modernen Pumpe-Düse-Systemen bilden die Einspritzdüse und die Hochdruckpumpe eine geschlossene Einheit, mit welcher jeder Zylinder ausgerüstet ist. Die Pumpe-Düse-Einheiten (PD) werden über die Nockenwelle des Motors angetrieben. Die Steuerung des Ventils erfolgt über Magnetsteller. Die neuesten PD-Motoren nutzen hierfür Piezo-Aktoren, welche bis zu dreimal schneller und laufruhiger schalten. Bei einem solchen Motor wird mit Einspritzdrücken bis zu 2200 bar gearbeitet. Die Vorteile des Pumpe-Düse-Systems liegen darin, dass die Antriebsenergie von der Nockenwelle abgegriffen wird und somit ein eigener Antrieb unnötig ist. Durch den hohen Arbeitsdruck wird der Dieselkraftstoff sehr fein vernebelt, was die Verbrennung verbessert und somit der Bildung von Rußpartikeln vorbeugt. Des Weiteren erhöht der Druck den Wirkungsgrad dieser Motoren, welche bei moderatem Kraftstoffverbrauch ein hohes Drehmoment liefern.

Den Vorteilen dieses Systems stehen gravierende Nachteile gegenüber. Durch den Antrieb per Nockenwelle sind die möglichen Einspritzzeiten auf ein bestimmtes Fenster beschränkt, was den Wirkungsgrad nicht beeinträchtig aber für einen rauen Motorlauf sorgt. Es ist ein hoher konstruktiver Aufwand nötig, um Nockenwelle, Zylinderkopf und Motorkomponenten an die hohe Belastung, insbesondere des Zahnriemens, anzupassen. Daher wird das PD-System vorwiegend für 4-Zylinder Motoren eingesetzt.

1.2.3.4.3 Common-Rail

Das Common-Rail-Verfahren wurde zwischen 1976 und 1992 an der ETH

(Eidgenössische Technische Hochschule) in Zürich entwickelt.

Die Serienreife dieses Systems wurde zwischen 1994 und 1997 durch den FIATKonzern in Zusammenarbeit mir der Firma Bosch realisiert.

Common-Rail bedeutet wörtlich übersetzt „gemeinsame Leitung“8. Es kann auch als Speichereinspritzsystem bezeichnet werden. Eine Kraftstoffhochdruckpumpe füllt permanent einen Druckspeicher, aus welchem die Injektoren der einzelnen Zylinder gespeist werden. Common-Rail-Systemen arbeiten nach dem Prinzip der Trennung von Druckerzeugung und Einspritzung. Dadurch ist eine ausschließlich von Kennfeldern bestimmte und von der Motorelektronik geregelte Variabilität von Einspritzmenge und -zeitpunkt realisierbar. Die Ventile in den Einspritzdüsen werden durch elektrische Signale gesteuert, was in Verbindung mit kurzen Wegen zwischen Ventil und Einspritzdüse zu kürzeren Druckanstiegszeiten und damit einer besseren und kontrollierten Verbrennung führt.

Die Vorteile des Common-Rail-Systems liegen in der Entkoppelung von Druckerzeugung und Einspritzung und der damit von der Motorelektronik völlig frei regelbaren Charakteristik des Dieselmotors. Durch die Taktung der Einspritzung in Vor, Haupt- und Nacheinspritzung kann man einen ruhigen Motorlauf (weniger „Nageln), einen guten Drehmomentverlauf und gute Abgaswerte (geringe NOx-Werte) verwirklichen. Der Einbauort der Einspritzung ist unabhängig vom Antrieb der Druckpumpe, was neue konstruktive Möglichkeiten schafft.

Allerdings muss der Druckspeicher permanent versorgt werden, was den Gesamtwirkungsgrad des Motors verringert. Weiterhin ist bei manchen CR-Systemen eine Kraftstoffkühlung für den Rücklauf zum Tank nötig. Durch bedarfsgerechte Kraftstoffförderung und den Einsatz eines Saugdrosselmagnetventils kann dies bei modernen CR-Dieselmotoren kompensiert werden.

Kommt es zu einem Versagen eines Einspritzventils durch Verschmutzung oder Verschleiß, ist das permanente Einfließen von Kraftstoff in den Brennraum und damit eine Zerstörung des gesamten Motors möglich. Eine Absicherung gegen solch einen Defekt, zum Beispiel durch ein Kraftstoffmengenbegrenzungsventil, ist nicht bei allen Systemen möglich.

1.2.3.4.4 Fazit

Sowohl das Pumpe-Düse-System als auch die Common-Rail-Technologie verhalfen dem Dieselmotor zu ungeahnten Verbesserungen im Bereich Kraftstoffeinsparung, Leistungsentfaltung und Abgasemission. Alle Komponenten des Motors wurden permanent verbessert. So arbeiten zum Beispiel Einspritzsysteme von Dieselmotoren heutzutage mit Arbeitsdrücken von ca. 2000 bar. PD-Dieselmotoren gelten als robust und sparsam. CR-Dieselaggregate lassen sich durch ihre variable Steuerung an alle Bedürfnisse eines modernen Motors anpassen.

Heutzutage spielen die Abgasproblematik und die Feinstaubentwicklung eine immer größere Rolle. Um die strengeren Abgasnormen einzuhalten, leisten die Fahrzeughersteller einen immer größeren Konstruktionsaufwand. Im Vergleich zweier identischer Dieselmotoren ist das Pumpe-Düse-System teurer als ein nach dem Common-Rail-Verfahren arbeitender Motor.

Dies führt dazu, dass sich voraussichtlich in den nächsten 5 bis 10 Jahren nur eines der beiden Systeme, der Common-Rail-Dieselmotor, durchsetzen wird. Dieser ist sehr wirtschaftlich und bietet auch zukünftig ein hohes Entwicklungspotenzial, um den Verbrauch weiter zu reduzieren und schädliche Abgasemissionen zu vermeiden.

1.2.4 Vergleich Otto- und Dieselmotor

Für den Antrieb eines modernen PKW stehen grundsätzlich zwei Arten von Verbrennungsmotoren zur Verfügung. Der Otto- und der Dieselmotor. Beide arbeiten nach dem 4-Takt Verfahren. In jedem Motor kommt, aufgrund der verschiedenen Anforderungen, ein anderer Kraftstoff zum Einsatz. Ein Ottomotor benötigt einen klopffesten (hohe Selbstentzündungstemperatur) Kraftstoff, dessen molekulare Zusammensetzung sich grundlegend von der des Dieselkraftstoffes unterscheidet. Für einen guten Dieselkraftstoff ist die Cetan-Zahl, welche die Zündwilligkeit beschreibt, entscheidend.

Um die Unterschiede zwischen beiden Motoren detaillierter zu erfassen werden im Folgenden einige Merkmale genauer betrachtet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1 Vergleich Ottomotor <-> Dieselmotor7

[...]

Ende der Leseprobe aus 126 Seiten

Details

Titel
Dieselabgasuntersuchung mittels Flammenionisationsdetektor
Hochschule
Universität der Bundeswehr München, Neubiberg
Note
1.3
Autor
Jahr
2007
Seiten
126
Katalognummer
V186433
ISBN (eBook)
9783869437071
ISBN (Buch)
9783656993896
Dateigröße
2650 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
dieselabgasuntersuchung, flammenionisationsdetektor
Arbeit zitieren
Christian Walkhoff (Autor:in), 2007, Dieselabgasuntersuchung mittels Flammenionisationsdetektor, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186433

Kommentare

  • Noch keine Kommentare.
Blick ins Buch
Titel: Dieselabgasuntersuchung mittels Flammenionisationsdetektor



Ihre Arbeit hochladen

Ihre Hausarbeit / Abschlussarbeit:

- Publikation als eBook und Buch
- Hohes Honorar auf die Verkäufe
- Für Sie komplett kostenlos – mit ISBN
- Es dauert nur 5 Minuten
- Jede Arbeit findet Leser

Kostenlos Autor werden