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Abgasnachbehandlung bei RME (Biodiesel)-Betrieb

Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens wurde die Eignung eines von der Volkswagen AG bereitgestellten Abgasnachbehandlungssystems bei Biodiesel- (RME-) und wechselweisem Diesel Kraftstoff- und RME-Einsatz an einem 4-Zylinder-Reihenmotors, 1,9 l TDI mit Pumpe-Düse-Einspritzung (PDE) untersucht.
Die Beladung und die diskontinuierliche, additivunterstuetzte Regeneration des SiCPartikelfilters erfolgten im stationaeren Teillastbetrieb des Motors bei n = 1790 1/min, Md = 39 Nm, einem Punkt aus dem sog. AMA-Zyklus. Das Additiv „satacen 2“ (Eisenbasis) wurde dem jeweiligen Motorkraftstoff bereits im Tank zugemischt.
Die mit additiviertem RME begonnenen Untersuchungen zeigten folgende Ergebnisse: Partikelfilterbeladung· Die Beladung des Partikelfilters erfolgte bei RME gegenüber Diesel Kraftstoff deutlich langsamer.
Die Zeit für die Beladung mit der vorgegebenen maximalen Russmenge von 15 g verlaengerte sich bei unterbrechungsfreiem Beladevorgang annaehernd auf den 3- bis 4,5-fachen Wert. Die zulaessige Beladezeit verringerte sich bei Erhöhung der mittleren Schwaerzungszahl des Beladevorgangs.
· Bei gleichen mittleren Schwaerzungszahlen der Beladevorgaenge waere bei RME die auf dem Filter stuendlich angesammelte Russmasse geringer als bei Diesel Kraftstoff.· Durch die unterschiedliche Beschaffenheit von RME- und Diesel Kraftstoff-Russ bewirkte die auf dem Filter angesammelte RME-Russmasse gegenüber einer gleich grossen Diesel Kraftstoff-Russmasse eine höhere Druckdifferenz über dem Filter: 4,75 g RME-Russ und 6,83 g Diesel Kraftstoff-Russ erzeugten jeweils als Durchschnittswert der unterbrechungsfreien Versuche eine Erhöhung der Druckdifferenz um 1 kPa.· Mit zunehmender Beladezeit wurden bei RME ansteigende und bei Diesel Kraftstoff abfallende Schwaerzungszahlen gemessen.
· Bei unterbrechungsfreier Beladung stieg die Druckdifferenz bei RME und Diesel Kraftstoff über der Beladezeit und in Abhängigkeit von der Schwaerzungszahl kontinuierlich an. Der Anstieg bei RME war erheblich geringer als bei Diesel Kraftstoff und zeigte auf Grund unterschiedlicher mittlerer Schwaerzungszahl je Beladevorgang voneinander abweichende Verlaeufe.
· Wurde der Beladevorgang bei RME ein- oder mehrmals über mehr als 1,5 Stunden unterbrochen, stieg die Druckdifferenz, bezogen auf die gesamte Beladedauer, nicht mehr kontinuierlich an. Trotz zunehmender Russansammlung auf dem Filter erhöhte sich die Druckdifferenz in jeder Beladeperiode im Extremfall nur bis auf dp = 2 kPa. Bei derart unterbrochener Beladung war die Druckdifferenz kein Mass für den Beladezustand des Filters.
· Bei Diesel Kraftstoff erfolgte nach dem Neustart wiederum ein kontinuierlicher Anstieg der Druckdifferenz, die bei Beladungsende gegenüber unterbrechungsfreier Beladung nur um ca. 0,2 kPa niedriger war.
· Während der Beladevorgaenge wurden die limitierten gasfoermigen Schadstoffe im Rohabgas für beide Kraftstoffe mit annaehernd gleicher Konzentration gemessen.
· Messungen nach dem Abgasnachbehandlungssystem zeigten, dass mit Ausnahme der NOund NO2-Konzentration sowohl die NOx-, die HC-, die CO-, die CO2- und die O2- Konzentration sich wärend der Beladung bei beiden Kraftstoffen nur unwesentlich voneinander unterschieden haben.
· Der CRT-Effekt war bei Diesel Kraftstoff gegenüber RME staerker ausgepraegt, was am steileren Abfall der NO2-Konzentration bis nahe Null und gleichzeitigem Anstieg der NO-Konzentrationueber der Beladezeit erkennbar ist.

Regeneration

· Die motorischen Parameter für die diskontinuierliche additivunterstuetzte Regeneration waren für RME optimiert und sind bei Diesel Kraftstoff ohne Änderung übernommen worden.
· Die Regenerationsvorgaenge verliefen bei beiden Kraftstoffen grundsaetzlich aehnlich.· Bei RME stellte sich im Ergebnis der Regeneration stets eine niedrigere Druckdifferenzueber dem Filter als bei Diesel Kraftstoff ein. Dieser Wert ist als Mass für die Vollstaendigkeit der Regeneration anzusehen.
· Durch die Gewichtsbestimmung des Filters vor und nach den Regenerationsvorgaengen wurde bestaetigt, dass die Regenerationsvorgaenge bei RME vollstaendiger als bei Diesel Kraftstoff waren. Die bei zunehmender Filterlaufzeit nach der Regeneration bleibende Gewichtserhoehung betrug bei RME nur etwa 50 % der bei Diesel Kraftstoff ermittelten Erhöhung.
· Im Anschluss an die mit Diesel Kraftstoff gefahrenen Untersuchungen zeigten die mit RME durchgefuehrten Versuche wiederum, dass die Regeneration bei RME effektiver als bei Diesel Kraftstoff war: Druckdifferenz und Filtergewicht wurden im Vergleich zur vorhergehenden Regeneration, die bei Diesel Kraftstoff erfolgt war, deutlich verringert.· Sowohl bei RME als auch bei Diesel Kraftstoff war die Regeneration bei Volllast wirksamer als die Regeneration bei Teillastbetrieb des Motors.
· Hinsichtlich der nach dem Partikelfilter gemessenen Schadstoffkonzentrationen konnten in der Regenerationsphase keine signifikanten Unterschiede zwischen beiden Kraftstoffarten festgestellt werden.

Balance Point-Bestimmung

Die Balance Point-Bestimmung wurde mit additiviertem RME, additiviertem Diesel Kraftstoff, RME ohne Additivzugabe und Diesel Kraftstoff ohne Additivzugabe durch die Variation der Motorlast bei konstanter Drehzahl vorgenommen:
· Das Gleichgewicht zwischen Russansammlung auf dem Filter und Russoxidation, bei konstantem Drehmoment erkennbar an dem konstanten Verlauf der Druckdifferenz über der Zeit, stellte sich bei additiviertem RME gegenüber additiviertem Diesel Kraftstoff mit um 18 °C niedrigerer Temperatur vor dem Filter und 10 Nm geringerem Drehmoment ein.
· Die Ergebnisse für additivierten Diesel Kraftstoff und Diesel Kraftstoff und RME ohne Additivzugabe zeigten annaehernd gleiche Werte.

Gewichtszunahme des Partikelfilters

Erwartungsgemaess erfolgte mit zunehmender Filterlaufzeit eine Gewichtserhoehung des Filters:
· Das Filtergewicht wurde wärend der Filterlaufzeit von 189 Stunden zwischen der ersten und der letzten Regeneration um 11,8 g erhöht.
· In der Gesamtlaufzeit des Filters über 213 Stunden wurden 610 Liter Kraftstoff durchgesetzt, wovon 446 l RME und 126 l Diesel Kraftstoff insgesamt 203,5 ml Additiv zugemischt waren und 24 l RME sowie 14 l Diesel Kraftstoff ohne Additivzusatz zum Einsatz kamen.
· Unter der Annahme, dass die Gewichtserhoehung des Filters von 11,8 g bei dem erfolgten wechselweisen RME/Diesel Kraftstoff-Betrieb ausschliesslich auf Ascherueckstaende des Additivs„satacen 2“ zurueckzufuehren ist, beträgt der Ascherueckstand ca. 6,3 % der dem Kraftstoff zugemischten Additivmasse „satacen 2“. Die im Dieselkraftstoff und im Motorenoel vorhandenen Additive können jedoch ebenfalls zur Aschebildung beitragen.

Ausblick

Die bei stationaerem Teillastbetrieb des Motors durchgefuehrten Untersuchungen lieferten erste Ergebnisse hinsichtlich der Auswirkungen von RME sowie des wechselweisen RME- und Diesel Kraftstoff-Betriebs auf die Funktion des Abgasnachbehandlungssystems:
Das diskontinuierlich arbeitende additivunterstuetzte Abgasnachbehandlungssystem mit SiCPartikelfilter ist für die Verwendung von additiviertem RME-Kraftstoff und den wechselweisen Diesel Kraftstoff- und RME-Betrieb grundsaetzlich geeignet.
Zur Vertiefung der Erkenntnisse sollten z. B. noch folgende Untersuchungen durchgefuehrt werden:
· Es ist erforderlich, auf Grund der im PKW-Fahrbetrieb ueblicherweise häufig auftretenden und oftmals auch laenger andauernden Beladungsunterbrechungen die für die Einleitung der Regeneration in diesem Fall nicht zielfuehrende Druckdifferenz durch weitere Massnahmen zu ergaenzen.
· Um Sicherheit für die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu erlangen, sind sowohl quantitativ weitere Messungen mit haeufiger wechselndem RME- und Diesel Kraftstoff-Betrieb als auch Messungen im Fahrzeug durchzufuehren.
· Kraftstoffmischungen aus RME und Diesel Kraftstoff sollten in die Versuche einbezogen werden.· Des weiteren ist die Wirkung des Additivs „satacen 2“ auf die Langzeitstabilitaet von RME zu klaeren.
· Auch folgende Fragen, die sich aus den vorliegenden Untersuchungen ergaben, beduerfen einer Klaerung :
- Ansammlung von Russ bei mehrfach unterbrochener Beladung des Filters bei RME ohne messbare Differenzdruckerhoehung des Filters,
- Schwankungen der Schwaerzungszahl bei laengerem Betrieb des Motors im stets gleichen Teillastpunkt bei additiviertem RME und wechselweisem Diesel Kraftstoff- und RMEBetrieb,
- Zunahme der Schwaerzungszahl bei additiviertem RME wärend der Beladezeit im Gegensatz zur Verringerung bei additiviertem Diesel Kraftstoff.

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