Emissionen Rapsöl betriebener Dieselmotoren

E M I S S I O N E N

Klaus Thuneke, Freising

Emissionen Rapsö l

betriebener Dieselmotoren

stelle von Dieselkraftstoff hinsichtlich der Abgase ergeben können, werden nachfol­

gend bisherige Erkenntnisse zum Emis­

sionsverhalten von Pflanzenöl dargestellt.

Literaturrecherche

Insgesamt wurden 20 Literaturstellen aus den Jahren 1 989 bis 1 997 ausgewertet [7].

Als Kraftstoff fand hauptsächlich Rapsöl in unterschiedlichen Aufbereitungsformen und Qualitäten Verwendung. Zum Einsatz kamen Motorentypen verschiedener Leistungsklas­

sen ( 1 3 bis 1 60 kW) und Bauarten, die in un­

terschiedlichem Maße für den Betrieb mit Rapsöl geeignet waren. Je nach angewand­

tem Abgasprüfverfahren ergeben sich test­

spezifische Emissionswerte, die nicht mit­

einander verglichen werden können. Auf­

grund der insgesamt geringen Datenbasis, werden clie Abgaskonzentrationen nicht ab­

solut, sondern relativ zu Dieselkraftstoff an­

gegeben.

Kraftstoffe auf Pflanzenölbasis ha­

ben aufgrund wesentlicher Um­

weltvorteile an Bedeutung gewon­

nen. Zur Auswirkung dieser Kraft­

stoffe auf das Emissionsverhalten wurden 20 Literaturstellen ausge­

wertet. Danach weisen die ermit­

telten Emissionen bei den speziell für Pflanzenöl optimierten Moto­

ren entweder nur geringfügige Un­

terschiede oder Vorteile beim Ein­

satz von Pflanzenöl gegenüber Die­

selkraftstoff auf Anders sieht es bei konventionellen Dieselmotoren aus.

Schlüsselwörter

Pfla nzenöle, Dieselöle, Emissionsverhalten

Keywords

Vegetable oils, diesei fuel, emission characteristics Dipl.-lng.agr. Klaus Thuneke ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Bayerischen Landesanstalt für Landtechnik (Vorstand: Prof. Dr. Dr. h.c. (AE) H.

Schön). Vöttinger Straße 36, 85354 Freising, e-mail: thuneke@tec.ag rar.tu-muenchen.de.

Die Arbeiten wurden vom Bayerischen La ndesamt für Umweltschutz gefördert.

1 76

D

Pflanzenölbasis, sei es in Form von ie Verwendung von Kraftstoffen auf Pflanzenölmethylester in konventionellen Dieselmotoren oder als naturbelassenes Pflanzenöl in pflanzenöltauglichen Moto­

ren, trägt zur Schonung endlicher Ressour­

cen bei und entlastet die Umwelt durch einen geringeren C02- und SOx-Eintrag in die At­

mosphäre als fossile Kraftstoffe. Aufgrund der guten biologischen Abbaubarkeit eignen sich Pflanzenöle besonders gut für den Ein­

satz in umweltsensiblen Gebieten und kön­

nen dabei einen Beitrag zum Boden- und Gewässerschutz leisten. Trotz dieser bedeu­

tenden Umweltvorteile von Pflanzenölkraft­

stoffen sind schädliche Auswirkungen von Emissionen, wie etwa unverbrannte Kohlen­

wasserstoffe, Stickstoffoxide oder Partikel auf Umwelt und Mensch möglichst gering zu halten. Die Zusammensetzung des Abga­

ses hängt maßgeblich vom Ablauf der Ver­

brennung im Motor, den Maßnahmen zur Emissionsminderung und den Kraftstoff­

merkmalen ab (Bild 1). Weil sich Pflan­

zenölkraftstoffe in ihren Inhaltsstoffen und Eigenschaften (Fettsäurezusammensetzung, Viskosität, Flammpunkt, Elementgehalte) grundlegend von mineralischem Diesel­

kraftstoff unterscheiden, ist ein verändertes Emissionsverhalten zu etwarten. Um beur­

teilen zu können, welche Vor- und Nachteile sich bei der Verwendung von Pflanzenöl an-

Ergebnisse und D iskussion

In Bild 2 sind die Ergebnisse der Literaturre­

cherche zusammengefasst. Es zeigt sich, dass die aus den Literaturangaben gemittel­

ten Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und der Partikelmasse beim Einsatz von Pflanzenöl etwa um 50 % über den Emissionen von Dieselkraftstoff liegen. Ei­

ne Erhöhung der Konzentrationen von CO, HC und der Partikelmasse im Abgas bei der Verbrennung von Pflanzenölkraftstoff über das Niveau bei Dieselbetrieb kann auf "un­

angepasste", nur bedingt pflanzenöltaugli­

che Motoren zurückgeführt werden. Auf­

grund der für den niedrig viskosen Diesel­

kraftstoff konzipierten Motoren wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Brennraum nur ungenügend aufbereitet, wodurch es unvoll-

Verbrennungs-_. ^{_ _} ��9.al>!:.Ü_!:�f!ib_r_!JIJ9. -�.D�u_s!_g_a§ ^{re_!u_m. _ _}

Iuft

�

^Abgas-

Combustion air

motorische '---+ reinig ung _ Verbrennung Exhaus.t gas Kraftstoff _Fuel

�

Combustion ^clean1ng

Kraftstoffkennwerte Verbrennungsverfahren Fuel Characteristics Combustion Method (101/Dil - Fettsäuremuster

- Viskosität - Zündwilligkeit - Gesamtverschmutzung - Elementgehalte

(P,S,CI _... ) - Wassergehalt - Oxidationsstabilität

- Indirekt einspritzende Verfahren - Direkteinspritzverfahren B^etri^ebszustand State of Operation - Drehzahl

· Last - Temperatur

Abgasnach­

behandlung Exhaust Gas Aftertreatment - Abgasrückführung

• Oxidationskatalysator

· Denex-Katalysator - Partikelfilter

Bild 1: Einflussfaktoren auf die Zusammensetzung von Abgasemissionen Fig. 1: Effects an the composition of exhaust gas emissions

Abgas Exhaust gas

Abgaskomponenten Exhaust Gas Components HC, CO, NO., Partikel PAH, BTX,

Aldehyde/Ketone Dioxine/Furane

54. J a h rgang LANDTECHNIK 3/99

� � 700

0 0

0 0 Motoren für Pflanzenöl und Dieselkraftstoff

Ii Ii %

n�/

Engines for Plant Oil and Diesel Fuel --

� LL

0 0 Motoren für Pflanzenöl

I

Bild 2: Abgasemissio­

nen pflanzenölbetrie­

bener Dieselmotoren im Vergleich zu Die­

selkraftstoff- Litera­

turrecherche

-; : 500 Engines tor Plant Oil

n =�^Maximum

Q) c:

c 0

-� 'Bi 400 .!!1 E _{E w}

n =

34 n

⁼²⁸

^I

Mitlei aller ^I

Angaben

* u; 300 1/

/ ^n=24--7

^{A�erage _}

"' ::>

0> "' rJ .C.

<( tlj 200

I

QJ QJ

�

.2:

� �

^{1 00 T}

nr3;.

-1. 1 1 � -- ,

^I

a: a: n•= 1

0 c:P

ständig verbrennt. Zudem erschwert der höhere Siedepunkt von Rapsöl das Abdamp­

fen des Kraftstoffilms von den Brennraum­

wänden des Motors, was die Entstehung un­

verbrannter oder teilverbrannter Kohlenwas­

serstoffe begünstigt (vor allem im unteren Lastbereich oder bei kaltem Motor). Durch eine veränderte Einspritztechnik (Düsen­

bauweise, höherer Einspritzdruck), Verle­

gung des Zündzeitpunkts sowie Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses kann der Ver­

bremlungsprozess ftir Pflanzenöl verbessert werden, so dass bei einem optimierten Mo­

tor die Konzentrationen von CO und HC so­

wie der Partikelmasse im Abgas gleich hoch oder auch niedriger sein können als bei Die­

selbetrieb (Bild 2). Hierbei kann sich der im Pflanzenölmolekül enthaltene Sauerstoff und der äußerst geringe Schwefelgehalt von Pflanzenöl positiv auf die Reduzierung der Emissionen (vor allem Partikel) auswirken.

Zu den wichtigsten Faktoren, die die Entstehung von Stickstoffoxidemissionen (NOx) begünstigen, gehören hohe Brenn­

raumtemperaturen, großes Sauerstoffange­

bot sowie genügend _ftir die Bildung zur Ver­

fUgung stehende Zeit. Diese Bedingungen wirken sich gleichzeitig emissionsmindernd auf die HC-Emissionen auf, so dass eine HC optimierte Motoreinstellung immer mit ei­

nem Anstieg von NOx verbunden ist und um­

gekehrt. Die vorliegende Literaturauswer­

tung ergibt nur geringfügige Unterschiede der NOx-Konzentration beim Einsatz von Pflanzenöl im Vergleich zu Dieselkraftstoff.

Trotz der im allgemeinen höheren Brenn­

raumtemperaturen bei Pflanzenölmotoren kann schnelleres Verbrennen des Pflanzenöl­

Kraftstoffs im Motor (geringe Temperatur­

spanne zwischen Siedebeginn und Siede­

ende) einer thermisch bedingten NOx-Er­

höhung entgegenwirken. Die NOx­

Emissionen eines für Pflanzenöl optimierten Motors sind im unteren Lastbereich und bei mittlerer Drehzahl häufig niedriger, unter Vollast dagegen höher als bei einem optima­

len Dieselmotor [ 1 ] .

Der im Vergleich zu mineralischem Diesel deutlich niedrigere Schwefeldioxid-Ausstoß bei der Verwendung von Pflanzenölkraft-

54. Jahrgang LANDTECHNIK 3/99

of all values n = 6

i

- Minimum

Fig. 2: Exhaust gas emissions of diesei en­

gines fue/d with ve­

getab/e oi/, compared to diese/ fue/ operated engines - bibliogra­

phic references

stoffen ist auf deren annähernde Schwefel­

freiheit zurückzuführen. Aufgrund des von Natur aus geringen Schwefelgehalts sind Pflanzenölkraftstoffe besonders gut für den Einsatz in Verbindung mit Oxidationskataly­

satoren geeignet.

Polyzyklische aromatische Kohlenwasser­

stoffe (PAH) entstehen in den sauerstoffar­

men Bereichen einer Flamme bei hohen Temperaturen und in kurzer Reaktionszeit.

Die Summe der emittierten PAH entspricht im Mittel aller ausgewerteten Literaturstel­

len in etwa den Angaben für Dieselbetrieb.

Bei Betrachtung aller 24 Einzelangaben sind sowohl deutlich niedrigere aber auch bis zu 2,8mal so hohe PAR-Werte feststellbar (Bild 2). In mehreren Untersuchungen konnte beim Einsatz von Pflanzenöl ein deutlicher Rückgang insbesondere der als kanzerogen eingestuften oder verdächtigten PAR-Kom­

ponenten nachgewiesen werden [3, 4].

Die Aldehydemissionen stehen im Ver­

dacht, den bei der Verbrennung von Pflan­

zenöl typischen Abgasgeruch zu verursa­

chen. Als Zwischenprodukt bei der Oxidati­

on von Kohlenwasserstoffen verhält sich die Konzentration von Aldehyden im Abgas prinzipiell ähnlich der von unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Die ausgewerteten Li­

teraturstellen zeigen jedoch bei der motori­

schen Verbrennung von Pflanzenölkraftstof­

fen einen Anstieg bei den Aldehyden im Durchschnitt auf mehr als das Doppelte im Vergleich zu Dieselkraftstoff, was teilweise auf den höheren Sauerstoffanteil im Kraft­

stoff zurückgeführt werden kann [ 6]. Durch die Verwendung von aufgeladenen Motoren sowie beim Einsatz von Oxidationskatalysa­

toren können die Aldehydemissionen deut­

lich reduziert werden.

Fazit

Durch den Einsatz von Pflanzenölen kann aufgrund einer Reihe von Vorteilen (etwa günstigere C02-Bilanz, gute biologische Ab­

baubarkeit) ein Beitrag zur Entlastung der Umwelt geleistet werden. Die Abgasemis­

sionen können beim Einsatz von naturbelas­

senem Pflanzenöl in daftir optimierten Mo-

toren Vorteile gegenüber Dieselkraftstoff aufweisen. Die angestrebte weitere Reduzie­

rung der Emissionen ist am besten durch ei­

ne gegenseitig abgestimmte Weiterentwick­

lung von Kraftstoff, Motor und Abgasrei­

nigung zu erreichen. Insbesondere bei Pflanzenöl kann der Verbesserung der Kraft­

stoffqualität ein großes Potential eingeräumt werden, da sich während des Produktions­

verfahrens zahlreiche Optimierungsmög­

lichkeiten bieten.

Untersuchungen zum Emissionsverhalten RME-betriebener Motoren liefern tendenzi­

ell vergleichbare Ergebnisse auf breiterer Datenbasis [2]. Bei moderner Motor- und Katalysatortechnik ergeben sich auf generell sehr niedrigem Emissionsniveau nur noch geringfügige Unterschiede zwischen RME­

und Dieselbetrieb.

Literatur

Bücher sind mit • gekennzeichnet

[1] Kampmann, J.: Dieselmotor mit Direkteinspritzung für Pflanze nöl. MTZ Motortec hnische Zeitschrift, 54, ( 1 993), N r. 7/8, S. 378 - 383

[2] Kern, C_ und B.A. Widmann: Bewertung der Emissionen von Dieselmotoren beim Betrieb mit Kraftstoffen auf Pflanzenölbasis und minerali­

schem Dieselkraftstoff - Datenauswertung der bisherigen Labor- und Flottenversuche. Ab­

schlussbericht für das Bayerische Staatsmini­

sterium für Landesentwicklung und Umweltfra­

gen, November 1 998

[3] Krahl, J. und G. Vellguth: Vergleichende Unter�^u­

chungen von Leistung, Verbra uch und Emissio­

nen der verschiedenen Motorkonzepte. Bericht zum erweiterten Versuchsvorhaben mit Rapsöl­

motoren des Landes Niedersachsen. Bundesfor­

schungsanstalt für Landwirtschaft Braun­

schweig-Völkenrode (FALL 1 993, 1 47 S.

[4] • May, H., W Dietrich. U. Hattingen und C. Birkner.

Emissionsverhalten pflanzenölbetrie bener Dieselmotoren. ln: VDI-Gesellschaft Energie­

tec hnik ( Hrsg.): Pflanzenöle als Kraftstoffe für Fahrzeugmotoren und Blockheizkraftwerke; VDI­

Berichte 1 126. VDI-Verlag G mbH, Düsseldorf, 1 994, S. 1 83 - 204

[5] • Prescher, K. und A Stanev. Die Aldehydemission von Dieselmotoren in Abhängigkeit von der Kraftstoffqualität und Maßnahmen zur Verringe­

rung. ln: Essers, U. (Hrsg.): Dieselmotorentechnik 98, Expert-Verlag, Renningen-Malmsheim, 553, 1 997, S. 1 52 - 1 73

[6] Schulz, H., G. Bandeira de Melo und F Ousmanov.

Volatile Drganic Garnpounds and Particulates as Constitutes of Diesel Engine Exhaust Gas. Fuels, 1 st International Colloquium, 1 6. and 17. 1 . 1 997;

Ed. Ba rtz, W.J.; Esslingen, Germany, S. 1 1 1 - 1 23 [7] Thuneke, K.: Emissionsverhalten von pflanzenöl­

betriebenen BHKW-Motoren in Abhängigkeit von den Inha ltsstoffen und Eigenschaften der Pflanzenölkraftstoffe sowie Abgasreinigungssy­

stemen. Abschlussbericht für das Bayerische Landesamt für Umweltschutz, Dezember 1 998

1 77