18 Biogas als Treibstoff für

18

Studie

über die Eignung von Biogas als Treibstoff für

Landwirtschaftstraktoren

Schriftenreihe der Eidg. Forschungsanstalt für Betriebswirtschaft und Landtechnik FAT CH-8355 Tänikon TG Comptes-rendus de la station fädärale de recherches d'äconomie d'entreprise et de gänie rural

CH-8355 Tänikon TG Reports of the Swiss Federal Research, Station for Farm Management and Agricultural Engineering CH-8355 Tänikon TG

1983

Johannes Fankhauser und Anton MoSer

Studie

über die Eignung von Biogas als Treibstoff für Landwirtschaftstraktoren

Teil 1: Technische Vorabklärungen Johannes Fankhauser

(Seite 3 bis 211) Teil 2: Agrartechnische Vorabklärungen

Anton Moser

(Seite 213 bis 323)

Diese Studie wurde unterstützt durch den Schweizerischen Nationalfonds im Rahmen des Nationalen Forschungsprogrammes 7B, Projekt Nr. 4.394-80.07.

1983

Herausgegeben von der

Eidg. Forschungsanstalt für Betriebswirtschaft Und Landtechnik (FAT), CH-8355 Tänikon TG Direktion: Dr. W. Meier

Einer der Schwerpunkte der Erforschung von AlternatiY-Energien in dee Land- wirtschaft ist die Gewinnung von Biogas durch anaeroben Abbau von Biomasse- abfüllen. Die vollumfängliche Verwertung dieses hochwertigen Energieträgers ist nicht ohne Probleme. Die naheliegendste und auch einfachste Verwertung von hofeigenem Biogas besteht in der Wärmeerzeugung für Warmwasseraufberei- tung und Heizzwecke. Da sich letztere praktisch sum auf die Wintermonate be- schränkt, das Biogas jedoch in mehr oder weniger grosser Konstanz während des ganzen Jahres als sogenannte Bandenergie anfällt, besteht im Sommer Gas- überschuss. Eine naheliegende Idee ist, diesen Deberschuss zu Treibstoff für hofeigene Motorfahrzeuge - insbesondere für Traktoren - aufzubereiten. Im nun vorliegenden Bericht werden - durch zwei verschiedene Autoren bearbei- tet - sowohl die technischen Probleme, die bei der Verarbeitung von Biogas zu Traktortreibstoff auftreten (Teil 1), als auch die agrarwirtschaftlichen Frägen auf der Ebene des Landwirtschäftsbetriebes (Teil 2) behandelt.

Den Behörden des Schweizerischen' Nationalfonds zur Förderung der wissen- schaftlichen Forschung sei an dieser Stelle herzlich dafür gedankt, dass sie diede Unteräudhung im Rahmen des nationalen Forschungsprogrammes 771 zu einem wesentlichen Teil finanziert und damit die Arbeit überhaupt ermöglicht haben. Ein weiterer Beitrag aus der COST-Aktion 304- ermöglicht uns, die in diesem Bericht behandelten Vorabklärungen in einem Pilotversuch im prakti- when 'Einr;atz zu überprüfen. Auch dieser Beitrag sei hier herzlich Verdankt.

Es ist beabsichtigt, In einer späteren Folge dieser Schriftenreihe auch über die Ergebnisse der experimentellen Arbeit mit einem mit Biogas betriebenen Landwirtschaftstraktor zu berichten.

R. Studer Leiter der Sektion Landw. Maschinenwesen,

FAT Tänikon

r 3 •••

'EIGeNG VON BIOGAS ALS TREOSTOFP YUEWLANLWIRTSG4AFTSTRAKTOBEN

Teil 1: Technische Vorabklärungen 'Bearbeiter: Johannes Fankhauser

Inhalthverzeichnis Seite

Zusammänfassung

R6sume 9

Summary 10

Verzeiöhnis der verwendeten Abkürzungen und'FormeIzeichen 11

1. EINLEITUNG 16

1,1 Pr,öblemstellung 16.

1.2 Gäschichtlicher Uebarblicküber.die Verwendung, von

• Gas :in Motoren 18

2. KRAPTSTOFFEIGENSCHAFTEN VON BIOGAS

" 22

2.1.116±künftünd.Züdäämensetüng des Biogasee 22

2.2 Haupteigenschaften der Bestandteile 25'

2.2.1 Methan 25

2.2.2 Kohlendioxid 25

2.2.3 Schwefelwasserstoff 25

2.2.4 Ammoniak 26

2.2.5 Wasserdampf, 26

2.2.6 Xohlendonoxid 27

2.2.7 Wasserstoff 27

• 2.2.8 Stickstoff 28

2.3 Energieinhalt 28

2.4 Theoretischer LuftbedPie für die Verbrennung 30 2.5 Luftverhältnis

2.6 Gemischheizwert 33

2.7 günatemperatur, Zündverzug 36

2.8 Zündgrenzen 39

2.9 Verbrennungsgeschwindigkeit 43

2.10 Klopffestigkeit 45

2:11 Zündwilligkeit 48

2.12 Druck-Vlumen-Temperatur-Verhalten 49

2.13 Verhalten gegenüber Metallen 53

2.14 beiTten,ung der Kraftstoffeigenschaften von Bioges 56

5. ENERGIEWSETZUNG IM MOTOR 59

3.1 Verbrennungsvorgang 59

3.2 Verbrennungsablauf 61

3.2.1 Verbrennungsablauf beim Ottomotor 61 3.2.2 Verbrennu4sablauf beim Dieselmotor .62 3.2.3 Verbrennungsablauf beim Zündstrählmotor 64

3.3 Störungen im Verbrenhungsablauf 65

3.3.1 "Klopfen" des Ottomotors 66 3.3.2 "Nageln" des Dieselmotors 67 3.3.3 "Klopfen" des Zündstrahlmotors 68 3.4 Molzähländerung durch die Verbrennung 68

3.5 Motorprozesse 69

3.5.1 Ideale Motorprozesse 70

3.5.2 Reale Motorprozesse 72

3,5.3 Verdichtungsverhältnis 73

4. EINFLUSS DER MOTOREINSTELLUNG AUF DIE KENNLINIEN 75

4.1 Kraftstoff-Luft-Verhältnis 75

4.1.1 Verhalten des Ottomotors 75

4.1.2 Verhalten des Dieselmotors , 78 4.1.3 Verhalten des Zündstrählmotors 79

4.2 Gemischtemperatur 81

4.3 Zündzeitpunkt, Einspritzbeginn 82

4.4 Zündenergie ⁸⁴

4.4.1 Fuhkenzündung 84

4.4.2 Plainmenzündung 84

4.5 Drehzahl 86

-

5

Seite

44 Last; Regelung 87

4.6.1 Regelung 14s Ottomotors ^.88

4.6.2 Regelung des Dieselmotors 90

4.6.3 Regelung des Zündstrahlmotors 92

5. OPTIMALE EINSTMUUNG DES GASMOTORS, MOEGLIOHKEITEN UND GRENZEN

96

5.1

97

5.1.1. Luftverhältnis

97

5.1.2 RegellIng ,

100

5.1.3 Zündzeitpunkt

100'

5.2 Bicigas-Zündstrahlmötor

101

5.2.1 LUftverhältnis 101

5.2.2 Regelung 102

5.2.3 Einspitzbeginn 104.

5.2.4 Zündölmenge 105

5.3

5.4

5.5

5.6 Beurteilung 111

6. eIBUESTUNG VON MOTOREN AUF GASBETRIEB- 114'

6.1 Zubehör 114

6.1.1 Uruckminderventile 114

Gasmischer 116

6.1.3 Zündanlagen 119

6.1.4 Regler 121

6:2 Umrüstung des Benzinmotors auf Otto-Gasbetrieb 121 6:3 Umrüstung des Dieselmotors auf Otto-Gasbetrieb 123 6.4 Umrüstung des Dieselmotors auf Zündstrählbetrieb 126

7. ANPASSUNG DES FAHRZEUGES 131

7.1 Gesetzliche Vorschriften für den Fährzeuggasbetrieb 131

7.1.1 Rechtliche Verhältnisse 131

7.1.2 Zusammenfassung der wichtigsten gesetzlichen

Forderungen 132

7.1.3

. Gesetze 133

7.2 Druckgefässe für den Fahrzeugbetrieb 7.3.Anbaumög1ichkeiten für Drückgefässe 8. GASAUABEITUNG

ä.1 Verfahren zur Trennung von Gasen aus Gasgemischen 8.1.1 Auskondensieren

8.1.2 Lösen in Flüssigkeiten 8.1.3 Anlagern an Feststoffe

8.1.4 Filtrieren mit helbdurchlässigen Membranen 8.2 Verfahrenstechnische Einrichtungen für die Gastrennung

8.2.1 Kondensatabächeider, Kondensatableiter, Kältetrockner 8.2.2 Gaswaschkolonnen

8.2.3 Trockenreinigungetürme

8.2.4 Filtrieranlagen für die Trennung von Gasgemischen 8.3 Zusammenstellung und Beurteilung von Verfahren

8.3.1 Zusammenstellung möglicher Verfähren 8.3.2 Anforderungen

8.3.3

8.5 Schwefelwasserstoffentfernung 8.6 Kohlendioxid-Auswaschung ' 8.7 Verdichtung

8.7.1 Kompressorbauart 8.7.2 Kompressorgrösse

8.7.3 EnergieaufWand für die Verdichtung 8.8 Weitere Möglichkeiten der Gasspeichreng

8.8.1 Verflüssigung

8.8.2 Lösen in Flüssigkeiten 8.8.3 Festkörperspeicher

9.

9.1 Gesetzliche Vorschriften über die Lagerung und Abfüllung von Biogas

9.1.1 Rechtliche Verhältnisse

9.1.2 Zusammenfassung der wichtigsten gesetzlichen Forderungen

9.1.3 Vorgehen für die Einholung. der notwendigen Bewilligungen

134 136 138 138 138 141 143 146 147 147 149 152 155 156 156 158 158 159 163 167 170 170 172 174 175 175 176 276 178 178 178 180

181

7

Seite 9.2 Druckbehälter für die Biogaslagerung 182

9.3

9.4

10. SGBIDSSFOLGERUBGEN 195

Anhang: Uffireeriung von Vol-% ge Gew4 fur Methan-Kohlendioxid-

Gemische 198

Mindestluftmenge für die Verbrennung 199

Druck-Volumen-Temperaturverhalten von Luft 199 Umrechnung von Vol-% auf Gew4 für den Schwefelwasser-

stoffgehält eon Biogas 200

Literaturverzeichnis 201

Zusammenfassung

Biogas eignet sich sehr gut für den Einsatz in Ottomotoren. Heute sind je- dach praktisch alle Landwirtschaftstraktoren mit Dieselmotoren ausgerüstet.

Vielversprechend scheint die Anwendung des Zündstrahlverfahrens, weil da- für keine wesentlichen Aenderungen am Dieselmotor nötig sindundweil je- derzeit auf Dieselbetrieb umgeschaltet werden kann. Zündstrählmotoren .ver- halten sich allerdings ungünstig bei Teillast. Ein befriedigendes Fahrver- halten stellt deshalb hohe Anforderungen, an die Motorregelung.

Biogas weist für FahrZeuge gegenüber flüssigen Treibstoffen einen wesent- lichen Nachteil auf: es muss unter hohem Druck mitgeführt werden. Der Ein- satz von Hochdruckgefässen ist bewilligungs- und prüfpflichtig. Aus Sicher- heitsgründen muss daß Biogas gereinigt werden. An die Zuverlässigkeit der Aufbereitungsanlagen sind hohe Ansprüche zu stellen. Denn währendArbeits- spitzen bleibt dem Landwirt wenig Zeit für DeberwachungsaUfgaben.

Die technischen Möglichkeiten für den Einsatz von Biogas als Treibstoff für Traktoren sind heute vorhanden. Das notwendige Zubehör wird auf dem Märkt angeboten. Der Aufwand für die.Aufbereitung des Gases ist aber.be-.

trächtlich.

Etude concernant l'aptitude du biogaz en tant clue carbutant pour las tracteurb agricoles

lere partie: Explications d'ordre technique

Resume

Le biogaz se prgte particulierement bien pour l'entraineMent des moteurs ä allumage .Par etincelle. 4ctuelleMent toüteföis, la plupart des tracteurs sont equipesd!uU möteur diesel. C'est la raiäon pour laquelle le systeme ä injection pilote nous semble offrir de bonnes possibilites.,Em effet, de cette fagon, les modifications ä entreprendre au moteur diesel sont minimes et on peut facilement inverser ä diesel si necessaire. En cas de charge partielle toutefois, les moteurs ä injection pilote presentänt certaines difficultes. Il faut donc attacher une grande importance au reglage du moteur pour en obtenir um rendement satisfaisant.

Par raPport äux carburants liquides, le biogaz presente tin importamt

convenient: il doit etre transporte dans des recipients sous forte prdssion.

L'utilisation de,ceä recipients est äujette ä autorisation speciale contrölds. Pour des raisons de securite,' le biegaz doit gtre uettoye.,On attache une tres grande importance ä la fiebilite de l'instaiiati ln da transformation, car pendant las periodes de pointe, il est evide

/ t l'agriculteur n'a que peu de temps pour contröler

Lea possibilites techniques d'utiliser le biogaz en tarru que;carburamt pour les iracteurs est aujourd'hui chose possible; les acc4soires necessaires existent sur le marche. Mais la transforMati4 du gaz est encore tres laborieuse.

.que

Study on the snitability Of hiogaa as a fuel for agrioultural tractors ist part: Techhical_explanationa

äummary

Siogas iat particularly suitable for spark-ignition engines. Nowadays, however, most tractors are'driVen .hy.diesel engines. This is why t.he,,pilot fuel spray injection (dual fuel) sYsteMseems to present _good opportuni- ties. As a matter of fact, this systemwould'allow to use biogas withmini- mummodifications and'in the sgme time lermit to change over to. Diesel if.

necessary. With partial loading, dual fuel engines present however certain difficulties. There iEv. thus' great care tcpbe given.to, the reggating:of - the engine in order to obtain.a.satisfactoy

Considering the liquid fuels, biogas Presents an importent disadvantage, as it'haä to be carried under very high pressure. The nse of high-predsure.

cOntainers is -äubject to official- authorization:and control. For secüritY a greät attention is. to he give:Ito the reliability of the _pro- - -

cessine

s plant,: It is obvions that dnring peak periods, the farMer will , have lile time to 'control the plant.. s

The .technicai-po.tentialities permit nOwadays to utilize:biogis- as alter- ' native fLÄför tractors and tha.necessary.adcessprieshre offered on' the market. But''t.he processingis Still an expensive Matter.

-11-

Verzeichnis der verwendeten-UkürzungeU und Formelzeichen

Allgemeine Abkürzungen AGV Abgasverordnung

,API American Petroleum Institut" "

ASTM American Society for Testing and Materials

BAV Verordnung über Bau und Ausrüstung der, Strassenfährbeuge CZ Cetanzahl

DEA Diäthanolamin

DIN Deutsche Institut für Normung e.V.

EDME Eidg. Drücksachen- und Materialzentrale, Bern:

EMPA Eidg. Materialprüfungs- und Versuchsanstalt, Dübehdorf Ma Eidg. Technische Hochschule, Zürich

FAT Eidg. Forschungsanstalt für Betriebswirtschaft und Landtechnik, Tänikon

KW Kurbelwinkel MEA Monoäthanolamin MOZ Motor Oktanzahl

NE Methanzahl

NFP Nationales Forschungsprogramm; Schweiz. Nationalfonds zur Förde- rung der wissenschaftlichen Forschung

OT .Oberer Totpunkt (Triebwerkstellung) ROZ Research Oktanzahl

RSD Schweizerische Ordnung für die Beförderung von gefährliChen Güterä (Transportreglement)

SDR Verordnung über die Beförderung von gefährlichen Gütern auf der Strasse

SEV Schweizerischer Elektrotechnischer Verein, Zürich SNV Schweizerische Normenvereinigung, Zürich

STEG Bundesgesetz über die Sicherheit von technischen Einrichtungen und Geräten

SUVA Schweizerische Unfallversicherungsanstait, Luzern

SVDB Schweizerischer Verein für Druckbehälterüberwachung, Züriäh SVU Strassenverkehrsgesetz .

SVGW Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfachs, Zürich TEA Triaethanolamid

TEL Tetraäthylblei

UVG Unfallversicherungsgesetz

spezifischer Treibstoffverbrauch Oetanzahl

Zünddruckanstieg

Kraftstoffempfindlichkeit Heizwert

Gemischheizwert oberer Heizwert unterer Heizwert Kurbelwinkel effektive Luftmenge Mindestluftmengs Drehmoment Motor Oktanzahl Methanzahl Drehzahl

effektive Leistung Zapfwellenleistung minimale Sauerstoffmenge oberer Totpunkt

Druck Effektivdruck Reibmitteldruck Zünddruck Gaskonstante Research Oktanzahl absolute Temperatur spezifisches Volumen Verdichtungsraum

Volumen bei Elide' der Vememifähr Volumen des Gemisches

Hubraum

Anteil flüssiger Treibstoff Realgasfäktor

be OZ dpz

Hg Ho Hu KW Leff Lmin Md MOZ MZ' Ne IsTy Omin OT

Pe Pr Pz ROZ

VC VE Vg VH

-13- ccv Zündverzug

Dichte Molverhältnis

Verdichtungsverhältnis

e

Isentropenexponent bzw. Adiabatenexponent Luftverhältnis

Gleichdruckverhältnis Druckverhältnis

Wert in dsr bearbeiteten Literatur nicht auffindbar Angabe nicht sinnvoll

grösser kleiner

grösser oder gleich kleiner oder gleich

Chemische Kurzzeichen und Abkürzungen

cg4 m3(21 c2H4 02H5011 C5H8 C4H10 C7H16 C8H18 CliH10 C16H34 Cign CO C°2 CaCa3 Ca(CH)2 d-Pe0OH

Kohlenstoff Methan Methylalkohol Aethylen Aethylalkohol Propan Butan n-Neptan Iso-Oktan

o(-Methylnaphtalin n-Cetan

Kohlenwasserstoff Kohlenmonoxid, Kohlendioxid Kälziumkarbonat Khlziumhydroxid

jr.Eisenoxidhydroxid (Nadeleisenerz)

Fe(OH)3 Fe203 Fe2O3 • /220 FeS

Fe2g3 H, H2 H2003' H20 H2S H2S03 H2so4 N2 1E3 . (NH4)

NOx Na2CO3 . nundo3

NaES Na0H-

Na2S 02 1:511

pb(o2H5)4 SO2

DEA MEA - TEA TEL

Eisen-III-oxid

Eisen-III-oxid (Brauneisenstein) Eisensulfid'

Eisensulfid Wasserstoff Kohlensäure Wasser

Schwefelwasserstoff Schwefelige 'Säure Schwefelsäure Stickstoff Ammoniak Ammoniumiön Stickexid . NatriuMkarbonat Natriumbikarbonat MatriuMhydrogenAifid Natriumhy4roxid

Natriumsulfid Sauerstoff 'Hydroxidion

Tetraäthylblei SChwefel EchWäfeldioxid Elliciumoxid Tiäthanolamid Monoäthanolargd Triäthanolamid Ietraätbylblei

-15-

Mässeinheiten

Grundsätzlich werden SI-Einheiten verwendet. In folgenden Fällen wird da- von abgewichen:

Gasmenge: Nm3 Norm-Nblikmeter; Gasmenge pro m3 bei einer Temperatur von 00 0 und einem Druck von 1,013 har.

Stoffkonzentrationen: Gew-% Gewichtsprozent Vol-% Volumenprozent ' ppm parts per million

Teile pro Million (10'000 ppm = 1 A

Molenbruch Anzahl Mole des betraöhteten Stoffes pro Gesamtanzahl Mole der Mischung Lautstärke dB(A) Dezibel (A)

1. EINLEITUNG

1.1 Problemstellung

Die Netto-Gasproduktion einer Biogasanlage ist naturgemäss im Sommer grös- ser als in der kalten Jahreszeit. Wird das Biogas für Heizzwecke einge- setzt, laufen Angebot und Bedarf an Energie gegenläufig [64]. Für das De- fizit im Winter stehen konventionelle Quellen zur Verfügung.. Die wirt- schaftliche Verwertung des Sommerüberschusses auf dem Bauernhof ist jedoch schwieriger. •

Anderseits wird aber seit dem letzten Treibstoff-Versorgungsengpass wieder vermehrt auf die zunehmende Auslandabhängigkeit der Landwirtschaft durch die Mechanisierung hingewiesen und zur Suche nach Ersatztreibstoffen aufge- fordert.

So lag es nahe, nachdem 1980 Versuche mit derselben Zielsetzung mit einem Hoizgastraktor abgeschlossen wurden [145], auch die Verwendung des hofeige- nen Energieträgers Biogas als Träktortreibstoff zu untersuchen.

Der Gasbetrieb von Fahrzeugen ist in erster Linie ein technisches Problem.

"Techniker" fühlten sich immer herausgefordert, das Energieangebot der Na- tur in den Dienst des Menschen zu stellen; eine Ansicht, die zwar gegenwär- tig - beim heutigen Berufsideal vielleicht nicht. zu Uhrecht - etwas in Misskredit steht.

Gab ist als Treibstoff nicht zum ersten Mal aktuell; sicher sind jeweils brauchbare Lösungen gefunden worden. Dass diese Erfindungen wieder in Ver- gessenheit gerieten, muss ja nicht heissen, dass sie nicht gut waren.

Vielleicht haben sich nur die Anforderungen geändert.

Der Mensch macht Geschichte, er schreibt seine Erfahrungen auf. Das kann nützlich gemacht werden, wenn später wieder ähnliche Situationen auftre-- ten. Darin müsste doch eigentlich der Sinn der Geschichte liegen. Dieser Gedanke spielte sicher mit, wenn die Verantwortlichen des Schweizdrischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (NFP) neben einer wirtschaftlichen Abklärung auch ein Literaturstudium über die Eig- nung von .Biogas als Träktortreibstoff aus technischer Sicht unterstützten.

-,17-

Die Gründe, Gas als Kraftstoff zu verwenden, änderten tatsächlich. Lag Gas zu Beginn des Verbrennungsmotorenbaus:als Treibstoff nahe, weil es für das Einbringen in den Verbrennungsraum praktisch und aus dem Gasnetz günstig zu beziehen war, sprach in den vierziger Jähren die Auslandunabhängigkeit und die "Mobilität um jeden Preis" für dessen Anwendung. Seit den sechzi- ger Jahren stand dann plötzlich die Schadstoffarmut der Abgase im Vorder- grund. Bei Biogas begeisterte schliesslich von Anfang an der Gedanke -der Energieselbstversorgung.

Aus all diesen Epochen sind Berichte greifbar; die Forephungstätigkeit war natürlich jeweils auf die aktuelle ,Zielsetzung ausgerfähtet.'Dass neben den neueren Forschungsarbeiten mit dem Ziel, "saubere" Fahnzeuge ,zu schaf- fen, die ergiebigsten Quellen aus dem dunkelsten Abschnitt der .Geschichte stammen, mag nachdenklich stimmen. Doch weshalb sollen diese bemerkenswert gründlichen Arbeiten nicht neu ausgewertet und bit besserem Ziel wieder- verwendet werden? Auch die Tatsache, dogs von den Patenten Ottos und Diesels mehr die "Randbemerkungen" als die Hauptpunkte zu den Geschichte machenden Erfindungen wurden, ermuntert dazu, alte Forschungsberichte un- ter neuem Blickwinkel durchzusehen.

Soll die Stellung des Biogases als Treibstoff unter konventionellen, aber auch anderen "neuen" Kraftstoffen hervorgehoben werden, ist dies schwer möglich, ohne auf ein Stück Theorie zurückzugreifen.,

Die vorliegende Arbeit enthält jedoch nur soviel Theorie, wie dies für das eingehende Vertändnis der Zusammenhänge zwischen Treibstoff und Motor not- wendig ist.

Wer mehr Theorie.suCht, findet im Literaturverzeichnis auch die "Standard- werke" des Verbrennungsmotorenbaus. Wem die Theorie geläufig ist, dem soll die.Inhaltsübersichi ermöglichen, die entsprechenden Kapitel zu übersprin- gen.

1.2 Geschichtlicher Ueberblick über die Verwendung von Gas in Motoren Sieht man von den ersten Ideen und Versuchen mit Schiesspulver ab, beginnt die Geschichte des Verbrennungsmotors mit GAS.

Leuchtgasnetze waren Mitte des 19. ;Jahrhunderts in den grösseren Städten Europas bereits vorhanden; das erste schweizerische Gaswerk wurde 1842 in Bern in Betrieb genommen [18].

Mach etliChen.Vdrschlägen und Versuchen verschiedener Erfinder war es Jean Joseph Etienne Lenoir, dem es 1860 gelang, einen betriebsfähigen Gasmotor zu konstruieren,. der bald in grossem Umfang gebaut wurde [84-

1876 verwirklichte dann Rikolaus Otto den Viertaktmöter mit verdichteter Ladung, welcher bis hinunter zu kleinen Baugrössen einen Wirtschaftlichen Betrieb ermöglichte und deshalb als Kraftquelle für gewerbliche Betriebe rasch grosse Verbreitung fand. Auch diese Maschine, die demMdtorenbau den eigentlichen AufschIeffing gab, lief vorerst bit Gas [84].

Fortbewegung ohne eigene Kraftanstrengung ist einer der Wünsche, die seit alters zimm Menschen gehören. Se wurden schon frühere Motorversuche mit Fahrzeugen.durchgeführt, und auch Lenoir erprobte seine Erfindung bald als Kutschenantrieb. Den Durchbruch brachten aber erst die Konstruktionen.

von Carl Benz (1886) und Gottlieb Daimler (1887). Ihre "AutoMobile" -wur- den jedoch von Benzinmotoen angetrieben [34].

Doch nicht nur das Automobil schmälerte die Bedeutung des Gasmotors.Stei- gende Leistung, wachsende Anforderungen an Betriebssicherheit und Lebens- dauer,prägten die Geschichte des Motorenbaus. Schon die ersten Verbren- nungsmotoren mussten aber auch ihre Wirtschaftlichkeit beweisen, bevor sie den Platz der Dampfmaschine einnehmen konnten. Auch Rudolf biesel.besbeich- tigte von Anfang an, einen "rationellen Wärmemotor" zu entwiekeln [132].

Der daraus hervorgegangene, nach etlichen Rückschlägen 1897 erstmals be- friedigend laufende Dieselmotor zeigte zwarbei weitem nicht den angekün- digten Wirkungsgrad. Die beachtliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit gegenüber den Vorgängern genügte jedoch trotzdem, um den Gasmotor langsam aber sicher zu verdrängen [9].

-19-

Wenh um 1910 noch von der Zeit der Perfektion der grossen. Gasmotoren ge- sprochen werden kann, erreichte der Dieselmotor durch die bereits 1905 von Diesel patentierte, aber erst zehn Jahre später verwirklichte direkte Einspritzung eine solche Vormachtsstellung, dasä um die zwanziger Jahre aus den "Gasmotorenfabrikenn allmählich 'Motorenwerken wurden.

Allerdings kam auch Diesel bei seinen Versüchen nicht am Gas vorbei und meldete 1898 sogar ein Patent für ein "Zünd, lard Verbrennungsverfahren für Verbrennungskraftmaschinen" an, das heute als erste grundlegende Be- schreibung des Zündsträhiverfährens gilt [150]. NeberAer Konkurrenz, zum Gasmotor begründete er damit auCh einVerfahren,, dae,1926 Von der%Klöckrer- Humboldt-Deutz AG erstmals eingehend erprobt wurde [124] und: schliesslich,

zur zweiten Blütezeit für Gasmotoren beitrug, die. Ende der dreissiger.Jah- re begann [77].

Für Sonderfälle hatte der Gasmotor immer seinen Platz behalten,_vornehm- lich dort, wo sich die Gasausnutzung lohnte. Zu diesen Sonderfällen gehör-

ten auch Biogas und Klärgas. Schon 1907 lief in Indien ein Motor mit gas [41]. Nach 1920 wurde Klärgas in Deutschland, England und den USA vor- erst für Stationgrmotoren, bald aber auch für Motorwagen eingesetzt. Nach Mitte der dreissiger Jähre stellten bereits mehrere Städte ihre Fuhrparks auf Klärgasbetrieb um [55].

Die Wirtschaftskrise, die Anfangeer dreissiger Jähre ihrer Höhepunkt er- reichte, trug zu dieser "Renaissance" des Gasmotors bei. Ursache für die intensive, breit angelegte Forschung und Entwicklung und vor allem für die Notwendigkeit, gas für Fahrzeuge zu verwenden, bot jedoch erst der Zweite Weltkrieg.

Diesmalsprachen andere Gründe dafür, auf Gas zurückzugreifen.. Gas war nicht "ohnehin vorhanden", war nicht "mobiler" als iu Beginn des Strassen- verkehrswesens, es konnte aber unabhängig vom Ausland bereitgestellt wer- den. Zudem wurden flüssige-Eraftstoffe fär.der Fall zurückgestellt, in ,dem grösste Mobilität entscheidend ist.

Auch in der Schweiz gehörten damals Fahrzeuge mit Holzvergasern zum Stras- senbild und 1942 richtete das Abfuhrwesen der Stadt Zürich seinen Wagen- park für Klärgas ein [87].

14hrend beim Otto-Gasmotor weitgehend auf alte Erfahrungen aufgebaut wer- den köpnte, wurde das Zündstrahlverfahren 1939 in Deutschland von ver- schiedenen Firmen fast gleichzeitig wieder aufgegriffen und geiterentWik- kelt [180]. 1940 lief bereits der erste Wagen nach dem Dieselgasverfahren [128] und 1945 kannte von einer Marktreifen Entwicklung des Zündstrählmo-

tors: gesprochen werden [20]. Schon zu dieser Zeit wurde auch die Verwen- dung von flüssigem Mpthan erwogen [91].

Nach Kriegsende standen wieder genügend flüssige Kraftstoffe zur Verfügung, was erneut einen Rückgang des Gasmotors bewirkte. Wo wirtschaftliche Grün- de. für Gas sprachen, wurden die technischen Entwicklungen weiterhin aus- genützt. Neue Klärgaa-Tankstellen entstanden und auch Erdgas wurde für Fahrzeuge verwendet [52, 68, 76]. 1952 fuhren im Ruhrgebiet 7'800 Lastwa- gen bit Gas [56].

Ende der vierziger Jähre fand die Idee, aus landWirtsähaftlichen Abfällen Biogas zu gewinnen, viel Beachtung, und damit kam natürlich auch der Wunsch auf, den Träktor.mit 'hausgemachtem" Treibstoff zu versorgen: Zu Beginn der fünfziger Jähre liefen Mehrere mit Hochdruckbehältern ausgerüstete Biogas- traktoren auf Versuchsbetrieben und wurden auf landwirtschaftlichen Messen 'Hind Tagüngen einem breiten Publikum vorgestellt [131, 138, 139]. Mit dem

wirtschaftlichen Aufschwung verlor aber die arbeitsintensive, kleinbetrieb- liche.Gasproduktion bald wieder an Anziehungskraft.

Trotzdem, mit dem WirtschaftswaChätum stieg der Gasverbräuch. 'Brach dem Welt- krieg- wurde das aus Kohle erzeugte Leuchtgaä mach und, nach durch Erdgas er- setzt. Zur Deckung des Mitte der sechziger Jahre äteil aneteigenden Bedarfs wurden Ubberseetranspörte nötig. Die grossen Verdampfungsverluste beim Transport vOn tiefgekühltem flüssigem Erdgas machten den Einsatz von Zwei- takt-Gasmotoren für den Sehiffsantrieb interessant [142]. Das 1928 erstmals in 'den DSA"amZweitaktmotoren experimentierte Zündstrahlverfahren wurde in der Folge bald Von mehreren europäischenEerstellern wieder aufgegriffen, weiterentwickelt und angeboten [14].

Nachdem seit der Erfindung des Verbrennungsmotors immer die Leistungsteige- rung an erster Stelle stand, nahm in denZrossstädteh Um die sechziger.Jah- re das Verkehrsaufkommen bereits ein solches Ausmass an, dass die Abgasbe laätung der Luft problematisch wurde. Zur Verbesserung der Situation stell-

-21-

ten sowohl in den USA als auch in Europa einzelne Städte ihre öffentliehen Transportsysteme auf Flüssiggas um [35, 116]. Auch für Personenwagen wurde Flüssiggas in verschiedenen Ländern angepriesen. Neben dem Einsatz in Otto- motoren fand Flüssiggas auch als Zusatztreibstoff im Dieselmotor Anwendung, um einen rauchfreien Betrieb zu gewährleisten,[69].

Obwohl Erdgas 1967 in einer SAE-Publikation noch als "immobiler Kraftstoff"

bezeichnet wurde [71], stiess schon anfangs der siebziger Jahre in Kalifor- nien neben Flüssiggas auch verdichtetes Erdgas auf zunehmendes Interesse [122]. In Deutschland plantenMAN.und Daimler-Benz Erdgasmotoren für'Siadt-

ommibusse und führten unter anderem Während der Olympischen Spiele von 1972 in München und. anlässlich der Ski-Weltmeisterschaften von 1974 in St. Moritz praktische Fahrversuche durch [133, 151]. Durch die Weltraumfahrt war die Technologie der Tieftemperatur-Gasspeicherung weit entwickelt. Entsprechen- de Tanks für Flüssig-Methan wurden deshalb in Bussen eingesetzt und mit Hochdruckbehältern verglichen. Man hoffte, im Erdgas den Kraftstoff zur Lö- sung des Problems der Umweltverschmutzung gefunden zu haben. Die weitere Verschärfung der Abgasgesetze brachte aber auch den "sauberen" Erdgasmotor in Schwierigkeiten. Ein zusätzlicher Aufwand für die Abgasreinigung machte das ohnehin teure System für Busse wirtschaftlich uninteressant.

In Regionen, in welchen Erdgas zu vorteilhaften Preisen angeboten werden konnte, stieg die Nachfrage nach verdichtetem Gas für den Automobilbetrieb

trotzdem weiter an. In Südfrankreich liefen 1973 zirka 30'000 Fahrzeuge mit Erdgas [58], während in Italien die ersten Tankstellen eröffnet wurden. Bis 1982 stieg die Zahl der Tankstellen in Italien auf 226 und die Anzahl umge- bauter Wagen auf rund 4O0'000 [105].

Der Einbruch in der Oelversorgung der westlichen Länder, der sogenannte Oelschock von 1973, erinnerte wieder einmal an die Abhängigkeit der indu- striellen Welt von den politischen Verhältnissen der Oelstaaten und be- wirkte weltweit ein Suchen nach anderen Energiequellen.

In der Landwirtschaft besann man sich wiederum auf Biogas [58]. Und in der Hoffnung, die Nährungsmittelversorgung etwas von der Auslandabhängigkeit zu lösen, lag auch der Gedanke nähe, den betriebseigenen Kraftstoff für den' Traktor zu verwenden. Deshalb laufen seit 1980 in Deutschland, Frankreich, Italien, Kanada, Neuseeland und Polen wieder Versuche mit Biogastraktoren [17, 147, 178].

2. KMPTSTOFFEIGENSCHAFTEN 'VON BIOGAS

2.1 Herkunft und Zusammensetzung des Biogases

Beim natürlichen .Abbau von organischem Material unter Luftabschluss bildet sich Gas, das je mach dem Ort, wo es entsteht, einen anderen Namen trägt wie Sumpfgas, Grubengas, Deponiegas, Paul-. oder Klärgas. In der Landwirt- schaft spricht man heute Von Biogas, weil jeder Faul- oder Gärprozess durch Bakterien bewirkt wird, also ein biologischer Vbgang ist.

Biogas ist ein Gasgemisch; seine Zusammensetzung ist vor allem vom Ausgangs- material, aber auch vom Ablauf des Abbauprozesses abhängig. Die Hauptbestand- teile sind Methän (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Der Methangehält kann zwi- schen 55 und 80 Volumen-Prozent

(vb14)

mens aus [54].

Daneben kann Biogas Schwefelwasserstoff (HS), Ammoniak (NH3), Wasserdampf (H20), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und Stickstoff .(N2) enthalten.

Durch Leckagen in der Anlage'ist es möglich, dass auch noch Luft und damit Sauerstoff (02) ins Gas gelangen. '

Ausser dem Stickstoff, dessen Anteil bei ungünstigen Verhältnissen - Luft- einschluss beim Anfahren der Anlage - bis 15 Vol-% betragen kann, norma- lerweise aber nur um 1 Vol-%, liegt, sind die Anteile dieser Gase sehr ge- ring [88]. Ihr EinflUss bei der Lagerung und Verwertung kann deshalb ver- nachlässigt Werden, mit Ausnahme des'Schwefelwasserstaffs, der wegen sei- ner Giftigkeit und korrosiven Wirkung noch näher betrachtet werden muss.

Wenn nachfolgend auch die Haupteigenschaften der unbedeutenden Bestandtei- le kurz beschrieben werden, geschieht dies, weil sie in anderen gasförmi- gen'Kraftstoffen in grösseren Mengen vorkommen.

-23-

Tabelle 1: Zusammensetzung von Biogas E51, 156, 174]

Herkunft des Gases

.Raumanteile in %

CH4 CO2 H2S NH3 H20 H2 N2

Biogas aus

Rindergülle 55-60 40-45 <0,5 <10-3 <5,5 <1 <2 Biogas aus

Schweinegülle 65-70 30-35 <1 <10-3 , <5,5 <1 ^<2 Klärgas 63-68 32-37 <0,2

-

Weil die räumliche Ausdehnung von Gasen temperatur- und druckabhängig Ist, müssen die Raummasse von Gasmengen bei einheitlichen Bedingungen an- gegeben werden. Es ist üblich, als Vergleichsbasis einen Druck von 1,013 bar (760 mm Hg) und eine Temperatur von 00 C anzunehmen. Unter die-

sen Verhältnissen gemessene Gasmengen werden in Norm-Kubikmeter (NM3) an- gegeben.

Die Dichte des Biogases hängt von seiner Zusammensetzung ab. Kohlendioxid ist wesentlich schwerer als Methan; mit' zunehmendem CO2-Gehalt nimmt des- halb die Dichte des Biogases zu.

Tabelle 2: Dichte von Methan, Kohlendioxid und Biogas verschiedener Zu- sammensetzung

Raumanteile in % Dichte des Gemisches (kg/Nm3)

CH4 CO2

100 -- 0,72

-

80 20 0,97

67 33 1,13

50 50 1,35

Meist werden die Anteile der einzelnen Gase in Gemischen in Raumteilen bzw. Volumen-Prozent angegeben. Formeln und Tabellen für die Umrechnung zwischen Volumen-Prozenten in Gewichts-Prozente sind im Anhang zu finden.

Der Wabserdampfanteil in Gasen ist temperaturabhängig. Die meisten Bio- gasanlagen werden bei zirka 350 C betrieben. Das Gas verlässt den Fermen- ter wasserdampfgesättigt, enthält also zirka 5,5 Vol-% Wasser. In den Gasleitungen kühlt es sich ab. Dadurch kondensiert Wasser, bis der

nSättigungsPunkt für die neue Temperatur erieicht ist. Wird das ausge- fällte Wasser abgeführt, nimmt der Wasserdampfgehalt des Gases bei Wie- dererwärmung nicht mehr zu.

Tabelle 3: Sättigungszustand für Wasserdampf in Biogas mit 2/3 CH 4[169]

Temperatur (0.0 Vol-% H20 81m5 3120

35 . 5,5 39,6

30 4,2 30,4

25 3,1 23,1

20 2,3 l7,3

15 1,7 12,8

10 1,2 9,4

. 5 0,9 6,8

0 0,6 4,8

Direkt aus deM Gärbehälter der Biogasanlage fällt das Gas unter einem Druck von 0 bis 50 mbar und einer Temperatur von zirka 350 C an. Wird das Gas in einem Niederdruckspeicher gelagert, was bei stark schwankenden Verbrauch notwendig ist, nimmt das Gas üheßbungstemperatur an und steht

-mit einem Druck von.5 bis 20 mbar zur Verfügung [54].

-25- 2.2 Haupteigenschaften der Bestandteile

2.2.1 Methan

Methan, ein sehr geeignetes Brenngas, ist ungiftig, geruchlos, wesentlich leichter als Luft, (1= 0,717 kg/NM3) und verbrennt mit Sauerstoff fol- gendermassen:

ca4 + 2 02 = 2 H20 + CO2 (1)

Ein Raumteil Methan. verbrennt mit zwei Raumteilen Sauerstoff zu zwei Baum- teilen Wasserdampf und einem RaumteilKählendiOxid. Bei der Verbrennung von Methan wird mehr Wasser und weniger Kohlendioxid freigeset-it als bei den üblichen Kraftstoffen wie benzin oder Dieselöl. Die Anzahl Moleküle vor der Verbrennungist.gleich der Anzähl Moleküle der Verbrennungspro- dukte.

2.2.2 Kohlendioxid

Kohlendioxid ist inert; es geht keine spontane Verbindung (Verbrennung) mit Sauerstoff ein. Das Kohlendioxid ist aber im Kraftstoff Biogas ein Balaststoff, der sowohl bei der Lagerung als auch im Verbrennungsraum des Motors Platz beansprucht.

Die'Dichte des Kohlendioxids ist mit 1,98 kg/NM3 wesentlich grösser als diejenige von -Luft.

Kohlendioxid hat einen leicht säuerlichen Geruch und wirkt in hohen Kon zentrationen lähmend auf das. Atemzentrum. Bei einer Konzentration über 10 Vol4herrscht akute Erstickungsgeferr [2].

2.2.3 Schwefelwasserstoff

Schwefelwasserstoff ist der probIematischste Teil des Biogases i obschon er nur in sehr geringen Konzentrationen vorliegt. Scbmefelwasserstofrist ihoch giftig. Zwar ist das Gas durch seinen charakteristischen Geruchliach

faulen Eiern bei sehr kleinen, unbedenklichen Konzentrationen - 1,3 Ppm H.2S in Luft - wahrnehmbar. Die besondere Gefährlichkeit des Gases liegt

aber darin, dass bei leicht höherer, giftiger Kontentratiön die Geruchs- nerven nach kurzer Zeit betäubt werden, so dass gerade bei lebensgefähr- Meier Konzentration - bei zirka 1'409 ppm - die Warnung durch en Geruch rasch versagt [2, 119].

Das Gas wirkt stark korrosiv, was beim Motorbetrieb und noel' mehr bei der 'Lagerung des Biogases in Metallbehältern unter hohem Druck Probleme auf-

wirft.

Mit Sauerstoff verbrennt Schwefelwasserstoff mach ,der-Formel:

2 H2S +,02 = 2 420 t 2 5 ⁽²⁾ zu Wasser und Schwefel, oder aber bei Luftüberschuss gemäss

2 H2S,+•5 02 = 2 H20 ,+ 2,602 (3) zu Wasser und Schwefeldioxid. Auch Schwefeldioxid ist giftig und wirkt korrosiv, wenn.auch bedeutend weniger ale Schwefelwasserstoff. Korrosions- probleme im Auspuffteil von Verbrennungsmotoren können aber vor allem dann entstehen,. wenn sich durch Kondenswasserbildung schweflige Säure bildet:

SO2 + H20 = H2 S03 (4)

oder daraus sogar, durch Verbindung mit Sauerstoff, SChwefelsäure [54]

2 H2 SO3 + 02 = 2 H2 SO4 ₍₃₎ Die Dichte von SchWefelwasserstoff,beträgt 1,536 kg/Nm5. •

2.2.4 Ammoniak

Ammoniak ist ein charakteristisch stechend riechendes Ges. In Wasser ist NH3 unter basischer Reaktion gut löslich.

NH3 +H20 (NH4 )+ + OH- (6) Eine wässerige Ammoniaklösung ist daher eine schiacheliase. Sie wirkt leicht ätzend [44].

2.2.5 Wasserdampf

Der maximal mögliche Wasserdampfgehalt _in Gasen ist Stark tempeiaturab- , hängig. Wenn ein wasserdampfhaltiges Gas abgekühltvird, köndensiert Was- ser aus, sobald die Sättigungstemperatur untersähritten wird. Holier

Feuchtigkeitsgehalt und insbesondere Kondenswasser sind gefürchtet, weil sie den Angriff von Metallen düräh korrosive Stoffe ermöglichen oder ver- stärken.,

Wasser in Dampfform ist auch in der Luft iämer vorhanden. Bei der Ver- brennung im Motor ist der Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffes verglichen mit dein schon kleinen Einfluss der Luftfeuchtigkeit unbedeutend.

Kohlenmonoxid

Die Verbrennungsformel für Kohlenmonoxid lautet:

2 CO + 02 = 2 CO2 (7)

Im Gegensatz zu Methan entsteht bei der Verbrennung ausschliesslich Koh-

l

Der Brennstoff CO ist sehr giftig; seine Dichte liegt mit 1,25 kg/NM5 sehr nähe bei derjenigen von Luft. In Biogas ist der Anteil an Kohlenmo- noxid vernachlässigbar klein.

2.2.7 Wasserstoff

Vom Verbrennungsprodukt her gesehen ist Wasserstoff der ideale Brennstoff:

2 H2 + 02 = 2 H20 (8)

Bei der Verbrennung entsteht ausschliesslich Wasser. Wasserstoff ist das einzige-Brenngee, das in dieser Beziehung des Methan übertrifft. Zwei Mo- leküle Wasserstoff verbrennen äit einem SauerstoffmoleküL zu zwei Molekü- len Wasser. Die Anzahl Moleküle nimmt durch die Verbrennung in selben Verhältnis wie beim Kohlenmonoxid ab.

Wasserstoff ist das leichteste Gas, seine Dichte ist, 0,0899 kg/NM3.

2.2.8 Stickstoff

Stickstöff ist ein inertes Gas. Bei sehr hohen Temperaturen, wie sie im Verbrennungsmotor vorkommen, kann er sich allerdings mit Sauerstoff zu Stickoxid verbinden. Stickoxide werden meist als NOx geschrieben, weil unterschiedliche Verbindungen vorkommen. Sie sind Schadstoffe, die sich negativ auf die Atemorgane des Menschen aUswitken und deren Menge in den Abgasen von Möt6rfahrzeugen deshalb gesetzlich begrenzt ist [160, 168].

Die Anwesenheit von Stickstoff im Biogas ist aber wie beim Kohlendioxid nur ein Raumproblem, weil Stickstoff in der Verbrennungsluft ohnehin in hoher Konzentration vorkommt. Zudem ist der Stickstoffanteil bei Gas aus einer richtig betriebenen Biogasanlage unbedeutend.

Die Dichte von Stickstoff beträgt 1,25 kg/PM3.

2.3 Energieinhalt

.Bei der Verbrennung werden nicht nur Stoffe umgewandelt, es wird auch Energie in _Form von Wärme freigesetzt; darin liegt die Aufgabe der Kraft- stoffe.

Die Energiemenge, die pro Baum- oder Gewichtseinheit eines Kraftstoffes frei wird, bezeichnet man als Heizwert H oder oberer Heizwert H

o. Im Verbrennungsmotor kann nicht die ganze Energie ausgenützt werden, weil das Wasser den Verbrennungsraum als Dampf verlässt. Man rechnet deshalb mit dem unteren Heizwert Hu, der sich, vom oberen du/thee Verdampfungs- wärme des bei der Verbrennung entstandenen Wassers unterscheidet.

Der Heizwert von Biogas ist direkt vom Anteil an brennbarem Gas - Methan - abhängig.

Reines Methan hat einen unteren Heizwert Hu von 35,8 MJ/Nm3.

- 29 -

Tabelle 4: Heizwert von Methan und von Biogas mit verschiedenem I/Wean, gehalt

Methangehalt in Vol4 Heizwert Hu (MJ/Nm)

100 35,8

80 28,6

67 24,0

55 . 19,7

Ein Vergleich mit anderen Kraftstoffen zeigt die Stellung des Biogases.

Tabelle 94 Untere Heizwerte gasförmiger Kraftstoffe [70, 136]

Art ..

Heizwert% (MZ/lim3)

Wasserstoff H2 10,8

Kohlenmonoxid CO 12,6

Methan CH4 35,8

Propan C5H8 93,6

Butan C4H10 123,6

Erdgas ' 29 - 42

Flüssiggas ' 92 - 117

Biogas 20 - 25

Leuchtgas 17 - 20

Generatorgas aus Holz oder Kohle 4,4 - 6,3

Tabelle 5b: Untere Heizwerte flüssiger Kraftstoffe [4, 5, 6, 28]

Art Heizwert Hu (MJ/kg)

Diesel 42,8

Normalbenzin 44,0

Superbenzin • 43,2

Methylalkohol CH3OH 20,0

Aetbylalkohol C2H5OH 26,9

Pflanzenöle . 37,0

Der Kraftstoffheizwert ist ein Nass für die "Energie-Speicherdichte". Die- se ist grundlegend für die Berechnung von Lager- und Tankkapazitäten. Gas- förmige Kraftstoffe beanspruchen - wenn sie nicht verflüssigt oder stark verdichtet werden - im Vergleich mit flüssigen Kraftstoffen sehr grossen Raum.

2.4 Theoretischer Luftbedarf für die Verbrennung

Für den Motor Mit "innerer Verbrennung" muss zum Kraftstoff auch der Sauerstoff in den Verbrennungsraum gebracht werden. Aus der Verbrennungs- gleichung für Methan (Formel 1, Kapitel 2.2.1) ist ersichtlich, dass für die Verbrennung von einem Teil Methan zwei Raumteile Sauerstoff benötigt werden. In der Praxis arbeitet natürlich jeder Motor mit Luft. Luft ist ein Gemisch, das aus 21 Vol-% Sauerstoff (02) und im übrigen hauptsäch- lich aus dem inerten Gas Stickstoff (N2) besteht. Für die vollständige Vesbrennimg von einem Raumteil Kraftstoff wird somit mindestens folgende Luftmenge benötigt:

"min = Omin 100 (m3 Luft/m3 Kraftstoff) (9) 21

Lmin - minimale Luftmenge in m3 Omin = minimale Sauerstoffenge in m3 Für 1 m3 Methan Wird damit die Mindestluftmenge:9,52 m3.

Die .Berechnungkann aber auch in Massen- bzw. Gewichtsanteilen erfolgen;

für die Berechnung der Verhältnisse können die Molekmlargewichte in die Verbrennungsgleichung eingesetzt werden:

2 02 = CO2 + 2 H20 (1)

16 +-2 • 32 = 44 2 • 18

Für 16 Massenteile Methan werden also 64 Massenteile Sauerstoff benötigt bzw. für 1 Massenteil Methan 4 Massenteile Sauerstoff. Weil der Anteil Sauerstoff in der Luft 23 Gewichts4 ausmacht, wird die Mindestluftmasse

100 ,

Lmin = Omin T3- (kg Luft/kg Kraftstoff) (10

Lmin = minimale Luftmenge in kg Omin = minimale Sauerstoffbenge in kg Die Mindestluftmenge für 1 -kg Methan wird damit 17,4 kg.

-31-

Im Biogas liegt neben dem brennbaren Methan noch das inerte Kohlendioxid vor. Die Luft muss natürlich nur für den- brennbaren Teil des Kraftstoffes zugeführt werden. Für 1 mj Biogas Mit zwei Drittel Raumteilen Methan sind also auch nur zwei Drittel des LuftbedPlees in Kubikmeter für Methan not- • wendig, das heisst 6,35 m3. Zwei Drittel Raumanteile Methan, das ist 67 Vol-%, entsprechen 42,5 Gewichts-% (siehe Anhang). Für 1 kg Biogas mit zwei Drittel Raumteilen Methan wird somit 7,4 kg Luft notwendig.‘

Eine Formel für die Berechnung der Mindestlüftmenge von Kraftstoffen auf- grund der Gewichtsanteilä der Komponenten Kählenstoff, Wasserstoff, Sauer- stoff und Schwefel findet sich im Anhang.

Für flüssige Kraftstoffe wird schliesslich meistens die Luftmenge im Raum- mass pro Kraftstoffmasse angegeben.

Tabelle 6: Theoretischer LuftbedArf für gasförmige Kraftstoffe [26, 70, 78, 155] .

Reine Gase Gewichts-% Dichte

kg/Nn23

Luftbedarf .m3be

Luftbedarf kg/kg

C H ₀ '

Wasserstoff H2 Kohlenmonoxid CO Methan aa4. Propan C3H8 Butan 041110

42,9 75 81,8 82,8

100 - .

25 18,2 17,2

57,1

0,090 1,250 0,717 2,004 2,700

2,38 2,38 9,52 23,8 31,0

34,8 2;49 17,4 15,8 15,6 .Gasgemische: Raumanteile in /0

0,69

2,28 1,13 0,49

1,15

. 7,74

28,1 6,35 4,40 1,03

14,5

15,9 7,4 11,6 1,16 112 CO CH4 Q2R4 CO2 N2

Erdgas Flüssiggas (5o % c938

50 % O4H10) Biogas

Leuchtgas . Generatorgas aus Holz

14

- 55 14

11

- 12 16

75

67 25 3

-

- 3

0,2 -

33 2 12

-

- 3

54

'Tabelle 71 Theoretischer Luftbedarf für flüssige Kraftstoffe [4, 5, 6, 28 70]

Art Gewichts-% Dichte '

kg/dm3

Luftbedarf NM3/kg

Luftbedarf kg/kg

C H 0 S

Diesel 86 13,7 0,3 0,84 11,3 14,7

Normalbenzin 87 13 0,73. 11,2 14,6

Superbenzin 87 13 0,75 11,2 14,6

Methylalkohol

as3al . 37,5 12,5 50 0,79 ' 5,0 6,-5 Aetbylalkohol

82H5OH 52,2 13,0: 34,8 0,79 6,9 9,1

Pflanzenöle' 78,0 11;7, 10,3 0,92 9,7 12,7 .

2.5 Luftverhältnis

Die Mindestluftmenge Anthält

,alsö soviel Sauerstoff, als für eine vollstän- dige Verbrennung gerade notwendig ist. Man spriöht in diesem Fall auch von einem stöchiometrischen Gemisch.

Theoretisch kann in einem begrenztenRaum, wie er im Zylinderraum des MC- ,

tors vorliegt, mit diesem Mischungsverhältnis die grösstmögliche Energie eingebracht werden.. In der Praxis wird aber nur selten mit diesem "che- misch" optimalen Gemisch gefahren.'

Eine vollkommene Verbrennung ist im Verbrehnungsmotor nicht möglich. Aus diesem Grunde kann es sogar,sinnvollsein-wie des beim Ottomotor üblich ist-zur Erzielrng der maximal möglichen Leistung. zuviel Kraftstoff ein-

z

Beim Dieselmotör ist die Dauer der Gemischbildung noch wesentlich kür- zer als im Ottomotor. Bleibt für die Kraftstoffteilchen zuwenig. Zeit,um mit Sauerstoff in Kontakt zu kommen, bildet sich Russ im Abgas: der Mo- tor raucht. Aus diesem Grund muss der Dieselmotör allgemein mit Luftüber- schuss betrieben werden.

-33-

Für die Angabe des tatsächlichen Mischungsverhältnisses wird in der Ver- brennungsmotorentechnik das sogenannte Luftverhältnie X verwendet.

Lambda (X) ist das Verhältnis der tatsächlichen Luftmenge Leff zur Min- destluftmenge Lmin, das heisst zur Luftmenge, die für das stöchiometri- sche Mischungsverhältnis notwendig ist.

Luftverhältnis X - Leff

Lmin (u)

Der Bereich»1 wird meist als Beräich des Luftüberschusses, oft aber auch als Mägerbereich oder überstöchiometrisches Mischungsverhältnis be- zeichnet. A'ci ist entsprechend der Bereich des Luftmangels, der fette Bereich oder ein unterstöchiometrisches MischungsverhäItnis.

Das Luftverhältnis bei Vollast wird mit dem Ziel grösstmögliöher Leistungs- ausbeute festgelegt. Dabei zwingen natürlich schon seit langem, aber erst recht heute, die Schadstoffkomponenten in den Abgasen zur Abweichung vom leistungsoptimalen Mischungsverhältnis in Hichtung magerer Gemische.

Tabelle 8: Uebliche Luftverhältnisse bei Vollast [70, 80, 84]

Art Luftverhältnis A

Ottomätoren • 0,7 - 1

Diesel -VorkAmmermotoren ' 1,2 - 1,6 Diesel -Wirbelkammermotoren 1,2 - 1,6 Diesel -Direkteinspritzmotoren 1,4 - 2 Otto -Gasmotoren • ' 1,2 - 1,5 Zündstrahl-Gasmotoren 1,2 - 1,5

2.6 Gemischheizwert

Aus dem Heizwert, dem Luftverhältnis und der Mindestluftmenge lässt sich der Gemischheizwert berechnen. He gilt allgemein:

Heizwert Bh Gemischheizwert Hg

Gemischvolumen Vg (12)

•Das Volumen deseemischs ist für gasförMige Kraftstoffe Vg = 1 + XImin und für flüssig in den VerbreUnungaraum eingebrachte Vg = A "mm, weil das Volumen des flüssigen Kraftstöffes im Verhältnis zum Luftvolumen ver- nachlässigbar klein ist. Somit gilt [78):

. Hu

.für gasförmige Kraftstoffe Hg - 4. 2:Lein (13) für flüssige Kraftstoffe Hg _ Hu

Lmin (14)

und flüssigen Kraftstoffen Hg - für Gemisch aus gasförmigen

- -Hu Gas + X • Hu Oel 1 +X(Imin Gas + X Len Gel) X = auf einen m3 Gas entfallende Menge an flüssigem Kraftstoff in kg • Tabelle 9: GeMischheizwert fürlifethan und Biogas mit verschiedenem Methan-

anteii für verschiedene LuftVerhältnisse (MjAM3) Methangehalt,

Vol4

Luftverhältnis

A = 1,0 A= 1,1 A= 1,2 A = 1,3 A = 1,4 A= 1,5

loo 3,40 3,1g 2,86 2,68 2,50 2,34

80 3,32 " 3;05 2,82 2;63

•

2,46 2/30 67 ^5,25 2,99 ' 477 ' 2,58 2,42 2,27

55 5,16 2,91 2,70 2,52 2,36 2,22 :

Tabelle 10: Gemischheizwert für Biogas mit 67 Vol-% Methan ei verschie-

denen Dieselölänteil und verschiedenem Luftverhältnis Q4J/NM32,

Dieselölanteil Duftverhältnis

% Energiemäägekg pro m3 Gas, Ä =1,0 A=1,1 A=1,2 x=1,5 x=1,4 x=1,5 5, 0,0295 5,29 5,02 2,80 .2,61 2,44 2,29 lo 0,0624 3,31 3,04 ^{3,81 2,62 2,45 2,30} 20 0,1404 3,35 3,07 2,84 2,64 2,47 2,52 30 0,2407 3,39 5,11 2,87 2,67, 2,49. 2,34 50 0,5614 • 3,48 3,19 2,94 2,72 • 2;53 2,38 100. • 3,72 • 3,38, 3,4 2,86 2,65 .2,48 -

(15)

35-

Tabelle 11:. Gemischheizwerte gasförmiger Kraftsteffe bei verschiedenen Luftverhältnis. (EZ/NM3)

Art

•

. Luftverhältnis Ä=l,2 Ä= 1,5

Wasserstoff . 2,80 2,36

Kohlenmonoxid 3,27 2,75

Methan 2,88 2,34

Propan 3,17 2,55

Butan 3,24 2,60

Erdgas'

' 3,46 2,82

Flüssiggas 3;02 2,43

Biogas 2,77 2,27 ,

Leuchtgas 3,01 2,49

Generatorgas aus golz und Kohle 2,30 _2,02

Tabelle 12: Gemischheizwert flüssigerTraftstoffe bei verschiedenem Luft- verhältnis (1eä31

Art • ,

' •

• Luftverhaltnis

)C=0,.. X.L-1,0 )%...1;2• ,Ä,1,4 k=1,6 Ä=1;8- X=2i0

Diesel: .

'Ponkammermotor 3,3j) 2,67 , 2,32

Wirbelkammermotor 3,19 • 2,67 2,32

Direkteinepritzer ' .

2,67 2,32 2,07' 1,86 Normalbenzin* 3,47 3,86 3,22

Superbenzin* 3,41. 3,79 3,17 • Methylalkohol* . 3,50 • 2,98

Aethylalkohol* 3,62 3,05

Pflanzenöle

. 2,72

. , . . 2,38. 2,12 1,91

* für gasförmigen Zustand berechnet.

Gegenüber Benzin liegt der Gemiechheizwert von Biogas und damit die maxi- mal im Verbrennungsraum platzfindende Energiemenge zirka 15% tiefer; Ge- genüber Dieselöl ungefähr 11 %.

Methan Diesel -Biogos2 Biogas

Diesel-Holzgas3)

Reines Methan hat gegenüber Bicgas mit 67 Vol-% Methan nur einen um knapp 5 % höheren Gemischheizwert. Der Einfluss des 002 auf den Gemischheizwert ist klein.

1) 67 Vol-% Methan, 33 Vol-% Kohlendioxid

Benzin 2) Dieselölanleil der Wärmednergie

Dieselöl 3) Dieselblonleil.= .20% der Wörnieenergie 4-

MJ/Nm3

2 :•

1

08 tg t 4 t G 118

LuftverhäUni A

Abbildung' 1: Gemischheizwert verschiedener 'Kraftstoffe in Abhängigkeit voaLuftvelhältniä

2.7

Der Ablauf des chemischen Prozesses der Verbrennung ist von der Tempera- tur abhängig. Damit der Vorgang ohne äussere Wärmezufuhr ablaufen kann, muss das Kraftstoff-Luftgemisch eine von den Kraftstoffeigenschaften und vom Mischungsverhältnis abhängige minimale Temperatur aufweisen.

-37-

Für die Zündung, das heisst die Einleitung einer im Folgenden elbsttätig weiterlaufenden Reaktion mit deutlich wahrnehmbarer Flammenbildung und Wärmefreisetzung muss deshalb das Gemisch atif eine bestimmte Temperatur, die Zündtemperatur, erwärmt werden.

EntzUndet sich das Gemisch selbst, nachdem es als Gänzes auf diese Tempe- ratur erhitzt worden 'ist, spricht man von Selbstzündung. Bei Fremdzündung wird die EntflamMung durch eine örtlich starke Ifeberhitzung eingeleitet, zum Beispiel durch einen elektrischen Zündfunken.

Die Zeitspanne, die vom Erreichen' der Zündtemperatur bis zum Einsetzen der Verbrennung verstreicht, wird als 'Zündverzug bezeichnet. Dieser hängt neben der Temperatur auch noch stark vom Luftverhältnis und vom.Druek ab.

MS

, 2 Wiverhenis

Abbildung 2: Zündverzug von Benzin in Abhängigkeit vom fuftverhältnis [135], Selbstzündurerbei

745°

1 3

0 C 700

300

0 2 4 6 10. 12 bar

Druck

Abbildung 3: Zündtemperatur für stdchiometrisches Gemisch von Mellish und ' Luft in Abhängigkeit des Druckes [91]

Beim Einfluss des Druckes auf den Zündverzug ist nicht der Gesamtdruck, sondern vielmehr der Partialdruck des Sauerstoffes ausschlaggebend. Mit zunehmendem Anteil Kohlendioxid 'im Biogas werden deshalb die Zündverzugs- werte bei gleichem Druck grösser [131. Im Motorbetrieb wird der Zündver- zug allgemein in Grad Kurbelwinkel angegeben. Beim Dieselmotor wird dabei der Drehwinke]. der Kurbelwelle vom Einspritzbeginn bis zum Verbrennungs- beginn - durch den Druckanstieg im Zylinder feststellbar - gemessen; beim Ottomotor der Winkel von der Einieitung des Zündfunkens bis zum Beginn der Verbrennung.

Die Zündtemperatur hängt sehr stark von den Versuchsbedingungen ab. Bei den in Laborgeräten unter atmosphärischen Bedingungen gemessenen Zündtem- peraturen werden sehr grosse Zündyerzüge zugelassen [23],

Im Motor steht für den gesamten Verbrennungsablauf nur pine äusserst kur- ze Zeit zur Verfügung, entsprechend klein - in.der Grössenordnung von ei- ner Millisekunde - dATf hier der Zündverzug sein [4, 135]. Für die siche- re Einleitung der Verbrennung sind deshalb im Motor höhere Temperaturen und Drücke erforderlich. Trotzdem geben die laborgssig ermittelten Zünd- temperaturen ein Mass für die Neigung eines Stoffes zur Selbstzündung oder zur Entzündung an heissen Körpern und damit 'ein Kriterium für die Eignung für bestimmte Verbrennungsverfahren.

-39-

Methan bzw. Biogas weisen mit 7000 C die höchsten Zünatemperatüren aller bekannten Brennstoffe auf, was auf ihre Eignung als Ottokraftstoffe hin- weist.

Tabelle- 1 : Zündtempäraturen von Gasen und Dümpfen 1,36, 80, 82]

Art GemischtemPeratur

. 00

TeMperatlur ärhitz - ter Oberflächen

• 00

•

Wasserstoff .580 -

Kohlenmonoxid 650 -

Methan 700

Propan 525 -

Butan " 405 _

Erdgas

,

- -

•

,Flüssiggas - -

Biogas 700 -

Leuchtgas zirka 600 -

Generatorgas aus holz und Kohle . zirka 600 -

Dieselöl 210 ' 350

NorMalbenzin zirka 250 500 - 600

Superbenzin zirka 250 500 - 600

Methylalkohol zirka 500 - -

Aethylalkohol 475 ^.

Pflanzenöle . _ - -

. 2.8 Zündgrenzen

Brennstoff-Luft-Gemische sind nur innerhalb bestimmter Mischungsverhält- nisse zündfähig. Dieser Zündbereich liegt zwischen der unteren und oberen Zündgrenze. Die Zündgrenze ist diejenige Zusammensetzung eines brennbaren Gasgemisches, die durch Zündung gerade noch zur Verbrennung bzw..Explosion

gebracht werden kann. Anstelle der Begriffe "Zündbereich" und "Zündgren- ze" werden oft auch die Bezeichnungen "Explosionsbereich" und "E±plosions- grenze" verwendet.

Die Ausnützung der Energie im Motor ist nur innerhalb der Zündgrenzen mög- lich. Dem Luftverhältnis ^A sind dadurch Grenzen gesetzt. Allerdings haben auch Druck und Zündenergie einen Einfluss auf den Zündvorgang. Der Zünd- bereich wird in der Regel mit zunehmendem Druck und zunehmender Tempera- tur grösser [68, 135].

Im Motorbetrieb hat auch die Gemischaufbereitung, das heisst des Verbren- nungsverfahren grossen Einfluss auf die Zündgrenzen.

1m Otthmotor kann in der Regel der Zündbereich nicht voll ausgenutzt wer- den, weil an der Grenze der Zündverzug zu gross und die Verbrennungsge- schwindigkeit zu langsam wird.

Beim Dieselmotor wird der Kraftstoff während der Einspritzung mit der be- reits heissen Luft vermischt. Die Verteilung ist sehr unhomogen, von rei- nem Krafistoff bis zur reinen Luft. Um die Kraftstofftropfen bilden sich damit aber immer Zonen mit zündfähigemMischungsverhältnis,von denen die Verbrennung ausgehen kann. per Dieselmotor kann deshalb mit viel magereren, mit "theoretischen Gemisehheizwerten", die weit unterhalb der Zündgrenze liegen, gefahren werden.

Der Zündbereich in Völumenprozenten gibt einen guten Ueberblick über die Gefährlichkeit der Kraftstoffe bei der Lagerung. Je grösser der Bereich, desto grösser die Gefahr, dass sich bei Leckage eines Behälters ein zünd- fähiges Gemisch bildet.

Für den Motorbetrieb ist did Darstellüng in LaMbda-Werten (Luftverhält- nisse) geeignet.

Ein Vergleich der Kraftstoffe zeigt, ^fle8s Biogas gegenüber Benzin einen in Richtung höherer ›.-Werte verschobenen Zündbereich aufweist.

-41-

Dabelle 14: Zündgrenze von Kraftstoffen in Vol-% und X -Werten [4, 81, 82,

175]

Art Zündgrenze

Vol-%

untere obere

Luftverhältnis untere

A obere

Wasserstoff 4,1 80 9,8

.

0,105

Kohlenmonoxid 12,5 80 2,9 0,105

Methaü 5,3 14 1,9 0,65

Propan . 2,1. 9,5, . 2,0 0,40

Butan :1,5 8;5 2,1 0,35'

Erdgas 5 14. 4,4 ' 0,80

Flüssiggas 1,8 8 1,9 0,41

Biogas 7,5 18 " 1,9 0,72

LeuehtgaS. 8 45 . 2,6 0,28

Generatorgas aus )161z oder Kohle 19 71 4,1 0,40

Dieselöl 0,9 2,2 1,3 0,50

Normalbenzin 1,5 6,4 1,4 0,26

,Superbenzin - 43 . 6,4 1,4 • 0,26

Methylalkohol 5,5 37 2,4 gi24

Aethylalkohol 2,8 . 18 2,4 0,32

Pflanzenöle . - - - -

A

2 0 .40A Aueedrik emu Ä

AVAYAVAVAY&U A /WA AYWAVAYAYAVA AWAWAA AWAVAWAWA AVAVAWAVAWAVAVA A AVA Al rffik. A All. VAY TAUT AnYAVAVA

AnYAVATA

8 AWAVAYAVAYAYAWAVAIrAYAVA 20 AWAWAWAWAWA

V

Y

i 0 0

AVAWA AVA ir

er A

100 Zti n dbereich

80

60 e. L

40 0

20 40 60 80 100

Vol-% Kohlendioxid

Abbildung 4: Zündbereich fürMethan-Kohlendioxid-Luft-GeMische [175]

Wasserstoff Kohlenmonoxid Methan

Propan Butan Biogas

Leuchtgas Generatorgas Dieselöl Benzin

LVIZZ4

Th

_V/ A

f

e zw -go

/ G7 gig

14

II

20 40 GO 80 100

Vol.—% Kraftstoff in Luft.

Abbildung 5: Zündbereich verschiedener Kraftstoffe in Luft [18]

7 // // /// / // // /if // if

74V///,'// 407 // /

,

7// ////

=Mr,

# / //

«„

/ix/ /GM/72=2

SW//I/h' A

Vif/////// / /

- 43 - Wasserstoff

Kohlenmonoxid Methan Propan Butan Biogas Leuchtgas Generatorgas Dieselöl Benzin

2 3 4

Luftverhältnis A

Abbildung 6: Zündbereich verschiedener Kraftstoffe in A.-Werten

2.9 Verbrennungsgeschwindigkeit

So wie bei der Zündung das Gemisch zuerst auf eine bestimmte Temperatur, erhitzt werden muss, damit die Verbrennungsreaktionen einsetzen können, so müssen bei der fortschreitenden Verbrennung die folgenden Gemischteile von den bereits brennenden auf die Zündtemperatur erhitzt werden, bevor sie selbst entflammend die Reaktion auf weitere Gemischteile überleiten können. Von einer Zündquelle aus" breitet sich auf diese Weise im ruhen- den Gemisch eine Flammenfront nahezu kugelförmig und durchläuft. den ganzen gemischerfüllten Raum.

Die Fortpflanzung der Verbrennung ist ein komplizierter physikelisch- chemischer Vorgang; die AusbreitUngsgeschwindigkeit der Flammenfront-Ale sogenannte Verbrennunge- oder Zündgeschwindigkeit -, hängt deshalb neben der Art des Brennstoffes auch von anderen Faktoren ab wie Temperatur, Druck und Gemischzusammensetzung.

Im Motor herrschen andere Drücke, Temperaturen und Strömungsverhältnisse als bei der erbrennung in Laborversuch. Die mittlerpri Verbrennungsgeschwin- digkeiten in einem ruhenden Benzindnmpf-Luftgemisch liegen zum Beispiel zwi- schen zwei und fünf Meter pro Sekunde. Im Motor finden wir dagegen mittlere Verbrennungsgeschwindigkeiten zwischen 10 und 30 m/s vor [4, 123].

Benzin

m/s 2,5 -

0,5

0 ^CI-14

0 20 40 60 80 100 Vol-%

Ilischungsverhöltnis 'Kraftstoff/Luft 2,5 -

2

1 5

CD

I 7 7 7

0,5

0:5 1 . 2,5

- 0

•Luftverhättnis'

Abbildung 1:

Verbrennungsgeschwindigkeit ver- schiedener Brennstoffe in ibhän-.

gigkeit des .crolumetrischen - schungeverhältnisses. mit Luft [82]

Abbildung

VerbrennungsgeSchwindigkeit ver- schiedener 'Brennstoffe in Abhän gigkeit des Luftverhältnisses.

184

44

-45-

Trotzden geben aber die bei atmosphärischen Bedingungen mit Bunsenbren- nern oder in offenen Rohren und Verbrenniangsbomben ermittelten Vergleichs- werte einen Einblick in das Verhalten einzelner Gasarten und Mischungen.

2.10 Klopffestigkeit

Das Klopfgeräusch eines Motors wird durch eine zu rasche Verbrennung des von der Flammenfront noch nicht erfassten Gemischrestes verursacht. Klop- fende Verbrennung kann zur Zeberbeanspruchung von Motorteilen führen und muss deshalb vermieden werden, Die Klopffestigkeit ist deshalb die wich- tigste Eigenschaft von Ottomotor-Kraftstoffen. Sie resultiert aus dem Zu- sammenwirken verschiedener Kraftstoffeigenschaften wie Zündtemperatur, Zündverzug und Verbrennungsgeschwindigkeit ünd kann als "Widerstand ge- gen Selbstzündung" bezeichnet werden.

Motorseitig ist das Verdichtungsverhältnis von grösstem Einfluss auf das Klopfverhalten. Mit höherer Verdichtung steigen Druck und Temperatur im Zylinder. Damit verbessern sich die Bedingungen für klopfende Verbrennung.

Das wird zur Ermittlung der Klopffestigkeit von Kraftstoffen ausgenützt.

Die Bestimmung der Klöpffestigkeit erfolgt in einem Prüfmotor, bei dem das Verdichtungsverhältnis während des Betriebes geändert werden kann. Bei genau vorgeschriebenen Betriebsbedingungen wird das Verdichtungsverhält- nis erhöht, bis klopfende Verbrennüngmit einer bestimmten Intensität auf- tritt. Dann wird ein Bezugskraftstoffgemisch aus Komponenten mit bekann- tem Klopfverhalten gesucht, das bei gleichem Verdichtungsverhältnis die- selbe Klopfintensität, zeigt.

Als Bezugskraftstoffe dienen das sehr klopffeste Iso-Oktan Gem und das klopffreudige n-Heptan 071116. Als Mass für die Klopffestigkeit wird der volumetrische Anteil an Iso-Oktan in Prozenten als sogenannte Oktanzahl angegeben. Definitionsgemäss ist damit dem Iso-Oktan die Oktanzahl 100 und dem n-Heptan die Oktanzahl 0 zugeordnet. Für die Bestimmung der Ok- -tanzahl.von Brennstoffen, die klopffester sind als Iso-Oktan, wird. als Be-

zugskraftstoff ein Gemisch von Tetraäthylblei Pb(C2H5)4 (englisch Tetra-

Ethyl-Lead TEL) und Iso-Oktan verwendet. Damit sind Oktanzahlen bis zirka 120 möglich [23, 78].

Ferner unterscheidet man zwischem dem Research- und dem Motorverfahren und demzufolge zwischen der Research-Oktanzahl ROZ oder der Moor- oktanzahl MOZ. Die ROZ liegt fast immer höher als die MOZ, da das Re- search-Verfahren die Kraftstoffe thermisch weniger belastet. Entsprechend hat die MOZ für hochbelastete Motoren bei längerem Betrieb unter Vollast grössereBedeutung (zum Beispiel Hochdrehzählklopfen von Fahrzeugmotoren) [4].

Der Unterschied zwischen der Researchoktanzähl und der Motoroktanzahl wird als Kraftstoffempfindlichkeit E bezeichnet.

E = ROZ MOZ (Oktanzahleinheiten) (16)

Die Kraftstoffempfindlichkeit zeigt, wie stark ein Kraftstoff auf unter- schiedliche Prüfbedingungen und damit natürlich auch auf unterschiedliche praktische Einsatzbedingungen anspricht [78].

Bei niedrigatomigen Gasen wird für den 'Klopfvorgang nicht allein Selbst- zündung des Restgases vermutet, sondern auch die hohe Verbrennungsge- schwindigkeit verantwortlich gemacht Del. Für gasförmige Kraftstoffe wurde deshalb in Anlehnung an die OktanZahlbestimmung ein eigenes Prüf- verfahren entwickelt. Als Referenikraftstoffe dienen Methan aa4 - der L Kohlenwasserstoff mit der höchsten Klopffestigkeit - und der klopffreu- dige Wasserstoff R2. Did Metharizähl MZ - das Mass für die Klopf- festigkeit von Gasen - ist dabei der volumetrische Anteil in Prozent an Methan für das Methan-Wasserstoff-Gemisch, das unter gleichen Prüfbedin- gungen dieselbe Klopfintensität zeigt iie das zu prüfende-Gas [19].

Inertgashaltige Gemische wie Biogas sind klopffester als reines Methan [31].

Wie bei den flüssigen Kraftstoffen ist deshalb auch bei den ‚gasförmigen eine Verlängerung der Skala über die Methanzahl 100 hinaus notwendig.

Als Referenzkraftstoffe dienen Methan-Kohlendioxid-Gemische. Der volume- trische Anteil Kohlendioxid im Gemisch in Volumenprozent zur Methanzahl 100 addiert ergibt in diesem Fall die Methanzahl [19].

-47 -

Da Biögas aus den zwei Referenzgasen besteht, ist seine Methanzähl direkt aus dem Mis`chungsverhältnis zu berechnen. Bei 67 Vol-% Methan ist derKoh- lendioxidgehalt 33 % und damit die. Methanzahl 100 + 33 = 133.

Tabelle 15: Klopffestigkeit und Kraftstoffempfindlichkeit verschiedener Kraftstoffe [32, 36, 78, 180]

Art Oktanzahl Kraftstoff-

empfind- lichkeit.E

Methanzah1 ROZ MOZ MZ,

Vasserstoff - 62,5 - '0

Kohlenmonoxid - - - 73

Methan 133* 130* - 100

Propan 112 . 96 16 35

Butan . 96 90 6 ' 10,5

Erdgas • 132* 125* - -

Flüssiggas 105 94 11 _

Biogas >120 >120 - 133

Leuchtgas - - _ 90

Generatorgas aus Holz und Kohle

- • - - -

Dieselöl - - - -

Normalbezin 91-93 84-87 6-7 -

Superbenzin 98-99 88-94 5-10 -

Methylalkohol 110 ' 92 18 -

Aethylalkohol 108 90 28 _

Pflahzenöl - - - -

* Modified ASTM-Methode [78]