Einleitend. Das größte österreichische Unternehmen der Fahrzeugindustrie informiert mit dieser Broschüre über Aktivitäten zum Thema „Schadstoffreduzierung im LKW Bereich". Die kurz- bis mittelfristigen Lösungen sollen aufgezeigt werden. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf Nufzfahrzeug-Dieselmotoren heutiger Bauart. Also ausschließlich auf Direkteinspritzer. Mögliche Zukunftslösungen wie der Wasserstoffmotor, der Stirlingmotor oder andere noch weit in der Grundlagenforschung befindliche Antriebssysteme sind hier außer Betracht geblieben, weil sie für eine kurz- bis mittelfristige Abhilfe, nach Meinung der Steyr Moforen-Techniker, noch keine Alternative darstellen.
Die Steyr-Daimler-Puch AG. Auf einen Blick. Die im Jahre 1864 gegründete Steyr-Daimler-Puch AG ist heute das bedeutendste Unternehmen der österreichischen Fahrzeugindustrie und die größte privatwirtschaftlich geführte Industriefirma Österreichs. Das Produktionsprogramm ist weitgespannt und reicht vom Fahrrad bis zum Traktor und Schwer-Lkw; seit 1864 erzeugt das Unternehmen auch Waffen. Mittelpunkt aller Fertigungsbetriebe des Unternehmens ist das Hauptwerk in Steyr, zu dem organisatorisch die Landmaschinenfabrik in St. Valentin gehört. In Steyr befindet sich überdies das Wälzlagerwerk der Steyr-Daimler-Puch AG. Im Grazer Stammwerk Fuchstraße und im Werk GrazThondorf werden Zweiräder, also Fahrräder, Mofas und Motorräder und die begehrten Geländefahrzeuge erzeugt. In Wien schließlich ist der Sitz der Generaldirektion und der Hauptverwaltung. In den Steyr-Werken in Wien-Simmering werden Omnibusse, Kettenfahrzeuge, Forstmaschinen und Stationärmotoren erzeugt. Insgesamt beschäftigt das Unternehmen rund 15.000 Arbeitnehmer, im Gesamtkonzern etwa 18.000 Arbeitnehmer. Seit dem Zweiten Weltkrieg wurden über117.700 Lastkraftwagen der Nutzlastkategorien von 3 bis 32 Tonnen, 330.500 Traktoren der verschiedensten Modelle von 15 bis 150 FS, 57.500 Selbstladewagen, 7,6 Millionen Fahrräder, mehr als 3,7 Millionen Mopeds, etwa 500.000 Motorräder und Roller, 60.000 Kleinwagen, 32.300 Geländefahrzeuge und 30.400 Puch G erzeugt. 378 Millionen Wälzlager der verschiedensten Typen, die im gleichen Zeitraum hergestellt wurden, gingen als begehrte Exportartikel in alle Welt. Für den Vertrieb der Erzeugnisse sorgen ein engmaschiges Verkaufsnetz in Österreich und 170 Vertretungsfirmen in fast allen Ländern der Erde. Der Größe des Unternehmens entsprichtauch der Umsatz, der im Geschäftsjahr 1983 rund 15,1 Milliarden Schilling erreichte. 56% der eigenerzeugten Produkte gingen in den Export. Neben der eigenen Erzeugung spielt umsatzmäßig auch das Handelsgeschäft mit Steyr-FiatAutomobilen, das einer langen Tradition der Zusammenarbeit entspringt, eine bedeutende Rolle.
Ein Vorwort. Schon früh erkannte man bei Steyr-Daimler-Puch die Bedeutung von Maßnahmen zur Verringerung derUmweltbelastung. Ein umfassendes Investitionsprogramm setzt hierAkzente. Und seit mehr als 10 Jahren beschäftigt sich Steyr mit Fragen der Abgasemission von Dieselmotoren. Von motorinternen Optimierungsmaßnahmen über die verschiedensten neuen Motorkonzepte, von Wasserzusätzen zum Kraftstoff bis hin zu Abgaskatalysatoren reicht der Bogen der ausführlichst untersuchten und erprobten Technologien. Schließlich stellt der LKW heute und sicher auch in den nächsten Jahrzehnten das \A/ichtigste individuelle Transportverkehrsmittel dar. Alle verantwortungsbewußten LKW-Hersteller der Welt müssen daher verstärkt Anstrengungen zur Entwicklung von Antriebsaggregaten mit möglichst geringem Schadstoff-Ausstoß unternehmen. Viele der untersuchten Maßnahmen sind bei verschiedenen Fahrzeugtypen bereits seit Jahren in Serie, wobei motorinternen Optimierungen und abgasgünstigen Motorkonzepten der Vorzug gegeben wird. - Die Auslegung derVerbrennungs-und Einspritzsysteme von STEYR-Motoren erfolgt sowohl nach dem Gesichtspunkt optimalen Kraftstoffverbrauchs als auch möglichst niedriger Abgasemission. - STEYR verfolgt konsequent das Prinzip der Turboaufladung sowie der Turboaufladunci mit Ladeluftkühlung. Damit ist es möglich, Motoren mit sehrgünstigem Leistungsgewichtzubauen,die nicht nur sparsam, sondern auch umweltfreundlich sind. Diese Motoren erfüllen bereits heute die bundesamerikanischen Abgasvorschriften. Die geplanten europäischen Abgasvorschriften (ECER49) werden von diesen STEYR-Motoren um etwa 40% unterschritten. Die vor dem Serienlauf stehenden neuen Motorentypen werden sogar nur mehr die Hälfte des künftigen Grenzwertes für Stickoxyde abgeben. Das Hauptaugenmerk von Steyr-DaimlerPuch galt Immer schon der Entwicklung umweltfreundlicher Konzepte. Euroliner
Verantwortlich für Motorenaktivitäten im Konzern: Dipl.-Ing. Dr. techn. Kurt Lettner Geboren am 15.1.1938 in Steyr. Nach Besuch der Volksschule und Mittelschule-Unterstufe in Steyr, Matura mit Auszeichnung 1958 an der HTL in Steyr. 1958-1963 Studium an der Technischen Hochschule in Wien, Fachgebiet: Allgemeiner Maschinenbau mit Spezialgebiet Motorenbau. Am 1.1.1964 Eintritt bei Steyr-Daimler-Puch, Abteilung Motorenversuch. Versuchsingenieur und stellvertretender Abteilungsleiter. Neben seiner Berufstätigkeit Arbeit an einer Dissertation über „Motorische Verbrennung". 1970 Doktorat an der Universität Graz. 1972 Hauptabteilungsleiter für die Motorenentw/icklung im Hauptwerk Steyr, 1973 Ernennung zum Oberingenieur, 1982 Übertragung der Verantwortung für alle Motorenaktivitäten im gesamten Konzern, Seit 1982 Mitglied des Vorstandes der Fachgruppe „Kraftfahrzeugbau" im österreichischen Ingenieur- und Architektenverein. 1984 Ernennung zum Direktor-Stellvertreter. Dr. Lettner
Möglichkeiten der Schadstoffverminderung bei Lastkraftwagen.
Emission von Ruß. DIE WICHTIG STEN EURO PÄISCHEN BZW. AMERI KANISCHEN VORSCHRIF TEN UND MESSPROZEDÜREN. In der ECE (Economic Commission for Europa) wird bereits seit mehreren Jahren die ECE R 24 angewendet, die die Emission von Ruß limitiert. Dabei ist der auf einem Motorprüfstand entlang der Vollast zu messende Rußausstoß in Abhängigkeit vom theoretischen Luftdurchsatz durch den Motor begrenzt, Bild 1. Je nach verwendetem Meßprinzip gelten dann unterschiedliche Dimensionen bzw. Meßgrößen, wobei zwischen allen angeführten Methoden eine ausreichend gute Korrelation besteht. Ergänzt wird die Regelung durch die Feststellung des Rauchstoßes bei sogenannter „freier Beschleunigung", bei der der unbelastete Motor schlagartig voll beschleunigt wird, sodaß eine Art instationärer Voiiastiauf simuliert wird. Der dabei auftretende Spitzenwert des entstehenden Rauchstoßes ist limitiert und dient darüber hinaus als Vergieichsmaß bei wiederkehrenden Rauchstoßprüfungen. Diese Regelung wurde vor kurzem (12.12.84) auch in Österreich gesetzlich eingeführt; sie tritt mit 1. 1. 1986 in Kraft. Es sei hervorgehoben, daß sämtliche seit 1978 in Serie gegangenen STEYR-LKW-Motoren diese Vorschrift erfüllen bzw. unterschreifen. Hartndge Smoke Unit (HSU) Lichtabsorptionskoeffizient K i Trübungsmengerat} Schwarzungszohl SZ (Bosch- FiltermengeratI gravime frischer Rungehalt Cp Emission von gasförmigen Schadstoffen. W 80 120 150 !/s 20Z Luftdurchsatz Grenzwerte für die Rußemission nach ECE-R24 Bildi Q25 ECE R 49 in den U.S.A. ist zur Feststellung der gasförmigen Emissionen seit langem der sogenannte 13-Stufen-Test in Verwendung bzw. war er es bis Ende 1984. Es handelt sich dabei um einen Motorprüfstandsiauf, bei dem in definierter Reihenfolge definierte Lasten und Drehzahlen vom Prüfling zu durchfahren sind, Bild 2. Die während dieser Prozedur gemessenen Emissionen von CO, HC und NOx werden, mit Gewichtungsfaktoren bewertet und auf die Leistung bezogen, für alle Meßpunkte summiert. Der Summenemissionswert jeder Komponente ist limitiert. Eine auf diese Vorgangsweise aufbauende Methode wurde mit 1.4.1982 in den meisten Ländern Europas als EGE-Regeiung 49 eingeführt, allerdings wird sie bisher auf Grund des erheblichen Meßaufwandes nur von wenigen Staaten exekutiert. Im Gegensatz zu den U.S.A. wird in der ECE R 49 mit anderen Gewichtungsfaktoren gearbeitet, woraus im Vergleich zu Amerika insbesondere für moderne Motorenkonzepte eine Verschärfung resultiert. Die in der ECE R 49 vorgesehenen Grenzwerte betragen: NOx = 18,0, HG=3,5 und 00=14,0g/kWh. 026 0,2« 022 020 Ii. ^ 0,18 I 0.16 £ ^ 0,14 |o,12 i 0,10 o o.oa 0,06 004 Q02 0 Q25r^ Li _r 3 g^r_2:(ME-GF) I(Ne-GF) US-Test 0,25 3 0,02 Zivischend rehzahl 100 100 75 1 I75 1 50 I 25 1 D 3 1 50 I25 10 %| ;=3<«2% lio% 27a»t= 1 2 3 4 5 6 7 Stufe 10 11 12 13 Measpunkte und Gewichtungsfaktoren im 13-Stufen-Emissionstest (USAund ECER49) Bild 2
REIHEN-6-ZYLINDER - fiUFLRJDUMG, LflDELUFTKUEHLUNG HUBUOLUnEN L, DREHZAHL M=1200 l/niH F0ERDERBE6IISH FB=1S GRAD U. OT Bild 3 Motorinterne Maßnahmen. Aus Bild 3, das den prinzipiellen Zusammenhang zwischen dem Verbrennungsluftverhältnis eines Dieselmotors und den Abgaskonzentrationen von CO, HC und NOx sowie dem spezifischen Verbrauch zeigt, lassen sich einige grundsätzliche Erkenntnisse gewinnen. Fallendes Verbrennungsluftverhälfnis bedeutet im dieselmotorischen Arbeitsprozeß steigende Last. Um allzu hohe Emissionen von Rauch, CO und NOx zu vermeiden, sollte die Auslastung, insbesondere bei Saugmotoren, nicht zu hoch getrieben werden. Bei niedriger Teillast steigen die Emissionen von 00 und HC ebenfalls wieder an, vorwiegend auf Grund schlechterer Gemischaufbereitung infolge der mit kleiner werdenden Einspritzmengen auch fallenden Elnsprifzdrücken geringer werdenden Sfrahleindringtiefen. Dies läßt erkennen, daß die Qualität des Einsprifzsystems und die Optimierung der Einsprifzparamefer wesentlichen Einfluß auf die Emissionen haben kann. Der dargestellte Zusammenhang gilt zwar für das aus Luftund Kraftsfoffdurchsatz berechnete Verbrennungsluftverhälfnis, läßt sich aber auch auf das im Brennraum während der Gemischbildungsphase kurzzeitig herrschende, örtliche Mischungsverhältnis sinngemäß übertragen. Damit ist aber erkennbar, daß derGüte derGemischaufbereitung und somit der Luftausnützung wesentliche Bedeutung bezüglich Verringerung der Abgaskonzentrafionen zukommt. Beide genannten Einflußgrößen werden später noch eingehend behandelt. Besonders hinzuweisen wäre auf die ausgeprägte Schere zwischen NOx und spezifischem Verbrauch, die hier zwar wegen des Teillastbetriebes so ausgeprägt ist, die aber grundsätzlich für praktisch alle Maßnahmen gilt, die den Verbrauch verringern. \ \ II ^HC r - / L X »—-- —♦NOx I ' I 10 11 LUFTZAHL (O -DAIMLER-PUCH AG nOTORUERSUCH SPEZ. UERBRAUCH U. ABGASKOMZEMTRATIONEM UEBER LUFTZAHL VIELE MÖG LICHKEITEN WERDEN BEREITS IN DER PRAXIS ANGEWANDT HIER EIN ÜBERBLICK, IN WELCHEM AUSMASS SIE WIRKSAM WERDEN KÖN NEN UND WELCHE VOR GANGSWEISE AUS ABSCHÄT ZUNG DER VOR-UND NACHTEILE DER EINZEL NEN METHO DEN DEN GÜN STIGSTEN KOMPROMISS DARSTELLT. Einfluß der Brennraumgeometrie. Brennraumformen, die zu einer Intensivierung der Gemischbildung beifragen, können zunächst zu einer Erhöhung der NOx-Konzentration führen, Bild 4. Analoges gilt für die Ausbildung des Dralls der einströmenden Lütt, Bild 5, wobei hier im allgemeinen die Komponenten Rauch und 00 abgesenkt werden. Bei gegenüber den heute vorwiegend aus Gründen des Kraftstoffverbrauches weit verbreiteten, offenen Brennraummulden, kann durch sogenannte eingezogene Mulden der Verbrennungsablauf wesentlich verändert werden, Bild 6 (2). Die Intensivierung der Gemischbildung durch die hohen Turbulenzen im Bereich des Muldenrandes ermöglicht eine Verlegung des Brennbeginns näher zum oberen Totpunkt. Die bei offenen Brennräumen typische erste, sehr hohe Spitze der Wärmefreisetzung, die mit hohen NOx-Werten und hartem Geräusch verbunden ist,fällt weg. Allerdings haben solche eingezogenen Mulden auf Grund der hohen Sfrömungsverluste stets einen höheren Kraftstoffverbrauch, Bild 7, und erweisen sich in der Praxis als sehr problematisch In derHaltbarkeif. Risse am Muldenrand auf Grund von sehr hohen thermischen und mechanischen Spannungen sind nur durch aufwendige Sondermefalleinsäfze zu vermeiden. Immerhin aber ist es möglich, wie Bild 7 zeigt, bei gleichem spezifischen Verbrauch von z. B. 260g/kWh von ca. 20g/kWh NOx bei der offenen Mulde durch entsprechende Späterlegung der
Einspritzung auf ca. 14g/kWh ohne Nachteile bezüglich der übrigen Komponenten herunter zu kommen. Das Verdichtungsverhältnis ist eine weitere wichtige Größe der Brennraumgeometrie. Durch Absenken des Verdichtungsverhältnisses kann NOx zwar deutlich verringert werden, bis ca. e=14 ohne Nachteile bezüglich Verbrauch und Rauch, allerdings kann die HO-Emission, insbesondere bei Saugmotoren und Teillast erheblich ansteigen (3). Daneben ist mit starken Problemen beim Kaltstart und in Form von Weißrauchbildung nach dem Kaltstart zu rechnen. Die Absenkung des Verdichtungsverhältnisses unter e=15 erscheint aus diesen Gründen schwer möglich. n= U.00 1/min VB-Turbo. LLK E 2000 NO*/ 5 1600 Mulden form löge in in L/S effektiver Mitteldruck pe [bor] Einfluß der Brennraumgeometrie auf Abgaswerte Drallzahl ^-230 2,10 A—^ — 1.90 / Q10ÜO UOO lAnin V8-Turbo. LLK < 500 10 12 U effektiver Mitteldruck pe [borj Einfluß des Luftdralls auf Abgaswerte Bild ' Bild 5 KURBELWINKEL i£.U DIFFUSE j KINETISCH I itST VERBRENNUNG "I GESTEUERTI RINGFÖRMIGE BRENNKAMMER U 120 50UISH UP -20 -10 OT 10 20 30 40 SO ®KURBELW1NKEL Einfluß der Brennraumform auf Zyiinderdruck - und Brennverlauf [Goodwin: MTZ 41 (1980)2] Bild 6 RINGFÖRMIGE BRENNKAMMER 2.GENERATI0N SQUISH LIP" g/kWb g/bhph HC.CÜ g/bhp h RUBUNG RAUCH RAUCH 260g/kWh 240- •Q450 SPEZ.KRAFTSTOFFVERBR. ^ y ■0.425I- ^400 Ib/bhph VOLLAST- -NENNDREHZAHL 2600 1/min" 25 20 15 10 5 DYNAMISCHER EINSPRITZBEGINN BEI •KURBELWINKEL VOR OT OT Einfluß der Brennraumform und des Einspritzbeginne auf Verbrauch und Abgasemission [Goodwin: MTZ 41 (1980) 2] Bild 7
Einspritzung. Wie erwähnt, kommt diesem Bereich besondere Bedeutung zu. Dabei erweist sich allein der Förder- oder Einspritzbeginn als sehr wirksam zur Beeinflussung der NOx-Emission, Bild 8 (4). Durch Zurücknahme des Förderbeginns können die NOx-Werte je nach Last bis zu 50% und mehr reduziert werden. Dabei wäre allerdings für den hier gezeigten Saugmotor eine Verbrauchsverschlechterung bis über 20% in Kauf zu nehmen, wobei gleichzeitig auch der Rauch und die CO- und HC-Werte erheblich ansteigen. Dieses für Saugmotoren typische, die Anwendbarkeit der Maßnahme relativ eng begrenzende Verhalten ist bei aufgeladenen Motoren wegen des im allgemeinen insbesondere bei höheren Drehzahlen ausreichenden Luftüberschusses und wegen der gänzlich anderen Druck- und Temperaturverhältnisse Im Brennraum zum Zeitpunkt der Einspritzung wesentlich weniger stark ausgeprägt. Bild 9 zeigt die Emissionen von NOx und MC sowie den Verbrauch im amerikanischen 13-Stufen-Test in Abhängigkeit von der Förderbeginn-Einstellung für einen Motor mit Turboaufladung und Ladeluftkühlung. Die NOx-Emission ist nahezu linear mit späterer Einspritzung reduzierbar, die HO-Emission - weit entfernt vom Limit - praktisch unbeeinflußt, wobei derVerbrauch nur geringfügig schlechter wird.- Aufgeladene Motoren eignen sich also für die einfache Maßnahme der Verbrauchszunohme t N [ppn rp.= 5,97 t V cp/c^=coi 1 nst. 1 1 1 / / / X* 1 1 1 / 1 N / A 1 //v.>N II 1\ii 37 1^^ 1 1 1 1 1 .,8| 1,7 ^ '.6 16 P,s7,22bar 16 p.=6^ ,—, p.=3,82 S« p,=2,40 s u 10 p,=o o 0 = . Förderbeginn Einfluß der Förderbeginneinstellung auf NOx' Emission und spez. Verbrauch Bild 8 [Förster, Pattas: Autom.-Industrie 3-1972J Einspritzdruck. Reihen - 6 Zyi., Vh°9,7 I Turboaufladung Ladeluftkühiung Grenxivert NO USA1M4 USA 19S4 Förderbeglnngrundelnsteilung FB.| [*'KW v. OT] Emission und Verbrauch im 13-StufenTest Bild 9 Ganz entscheidend kann sich der vom Einspritzsystem aufgebrachte Einspritzdruck insbesondere auf die Emissionen auswirken. Durch sehr hohe Drücke ist es möglich, die notwendige Einspritzmenge in kürzererZeiteinzuspritzen,sodaßderEinspritzbeginnnäherzumoberenTotpunkt verlegt werden kann, ohne das Einspritzende zu verzögern. Gleichzeitig erfolgt auf Grund des hohen Druckes an der Einspritzdüse eine Verbesserung der Strahlausbildung und eine Intensivierung der Gemischbildung (5). Bild 10 zeigt als Beispiel für den Einfluß des Einspritzdruckes ein sogenanntes „trade-off" von Rauch und NOx (6). In dieser Schere ist eine erhebliche Absenkung durch sehr hohe Einspritzdrücke möglich, wobei gleichzeitig näher beim O. T. eingespritzt wird. Diese Erkenntnisse werden bei den neueren Entwicklungen in Steyr berücksichtigt (5) und führten u. a. beispielsweise bei einem rasch laufenden, kleinen Direkteinspritzer zu einem leitungslosen Einspritzsystem, der sogenannten Pumpendüse.
Einspritzdüse. Insbesondere für die Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC ist die Ausbildung der Einspritzdüse im Sitzbereich der Düsennadei von größter Bedeutung. Durch Minimierung des Sackiochvolumens kann nach der eigentlichen Verbrennung von dort weniger Kraftstoff austreten und unverbrannt in den Auspuff gelangen, wodurch die Abgas-HC-Konzentration z, T. erheblich abgesenkt werden kann (7, 8). Bild 11 (8) zeigt dies für 3 Düsenausführungen, wobei sich in der Praxis die sogenannte Nuii-Sackioch-Düse als problematisch erwies und weshalb bei neueren Auslegungen von STEYR-Motoren der Mini-Sackioch-Düse der Vorzug gegeben wird. U o 0,8 CD 2 0,6 0,i 0,2 0,0 Symbol A/F Sp^ Fuel Kdie STROKE OßTDC Ptesiu'e MPA 0 27 2100 196 7 26 79 A 27 2100 196 0 20 110 □ 27 2100 196 6 IS 170 \ o \ \ a\ a \ \ o > ■~a--o—a-— □ 400 800 1200 ISOO 2000 2400 NITRIC OXIDE, PPM Einfluß des Einspritzdruckes auf die Rauch - NOx - Korrelation [Yu, Shahed; SAE-Paper 811234] Sacklochlose -Düse C Miii-Sackloch-Düse B Vs" 0-0,lmm' V." 0,6mm £ 500100 Standard - Düse V.- 1,3mm A BJ C 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Düsen-Sccklochvolumen v. 1,2 1,4 [mm'] Verringerung der HC - Emission durch reduziertes Sacklochvolumen der Einspritzdüse [Creeves et al.: SAE-Paper 770259] Bild 10 Bild 11 Gesteuerte Einspritzung. DIE „GESTEUERTE DIREKT-EINSPRITZUNG". EIN ERSTER SCHRITT AM WEG ZUR „ZOOM--EINSPRITZDÜSE. Der Wunsch jedes mit der Optimierung von Dieseimotoren befaßten Ingenieurs wäre die „ZOOM"-Einspritzdüse, also eine Düse mit variablem Durchschnittsquerschnitt. Einen ersten Schritt in diese Richtung stellt die „Gesteuerte Direkt-Einspritzung" (9) dar, zunächst füreir3e1-LQch-Düse;für eine Mehriochdüse ist noch keine Lösung vorhanden. Dabei wird der Spritzquerschnitt in Abhängigkeit von Last und Drehzahl des Motors verändert, Bild 12, sodaß bei kleinen Einspritzmengen noch relativ hohe Drücke aufrecht bleiben und bei großen die Spritzdauer nicht nachteiiigerweise verlängert wird. Die Auswirkungen im 13-Stufen-Test sowie im Leerlauf bei kaiterund betriebswarmerMaschine zeigt Bild 13 (10). insbesondere bezüglich der HO-Emission werden beachtliche Verbesserungen erreicht, allerdings ist das bei diesem Motor verwendete Verbrennungsverfahren diesbezüglich an sich ungünstig. Übliche Werte bei modernen STEYR-Motoren mit offener Mulde und Mehriochdüse liegen bei ca. 0,3g/kWh im 13-Stufen-Test.
.startmenge Motor D2566 MF 100 50 \io Vs Xbo \lOOV. Spritzquer- \ schnitt Leerlauf- \ ^ menge \ ^ \ \ r\\ \ \ N 0 50 100 Drehzahl [V. der Nenndrehzahll Änderung des Düsenquerschnittes bei der gesteuerten Einspritzung im Motorkennfeld [Neitz, D'Alfonse: MTZ 42 (1981) 7/8] 13-Stufen-Test COfgfkWh] NO. tg/kWh) Start Kutilwassertemperatuf = 20°C MotorD2566MF O.Ü08 Leerlauf konventionelie »ssssss^^ «&»»»« gl.octiduse 0 ■ gesteuerte HCCppmCO Aldetiydelppm] SichtDarkoiI Lochduse Emissionswerte im 13-Stufen-Test und Im Leerlauf bei konventioneller und gesteuerter Einspritzung [Neitz, Müller: MTZ 43(1982) s] Bild 12 Bild 13 BOO 600 0 1 ^400 200 500 400 300 Pilot-Einspritzung. Eine interessante, an sich seit längerer Zeit bekannte, in jüngster Zeiten verschiedenen Stellen wieder aufgegriffene Möglichkeit zur NOx-Absenkung scheint die sogenannte „Pilot-Einspritzung" zu sein. Dabei wird vor der eigentlichen Haupteinspritzung eine kleine Menge Kraftstoff voreingespritzt, sodaß während der Zündverzugsphase nicht, wie beim üblichen Verfahren, zuviel Kraftstoff eingebracht wird. Damit lassen sich bei ausgeklügelter Optimierung der Pilot-Einspritzmenge bezüglich Phasenlage und Menge deutliche Verringerungen derNOx-Emissionen sowie des Verbrennungsgeräusches erzielen, Bild 14 (11). Bei Abweichung vom Optimum kann es aber auch zu erheblichen Verschlechterungenkommen.EinepraxisgerecnteSerienlösung ist allerdings noch nicht in Sicht, wenn man von der kostenmäßig kaum vertretbaren Lösung der Verwendung von zwei Einspritzsystemen absieht. HC h _o+—— X -0+-^ ' .p' TIME FOR START OF PILOT 28° E B5°E t45°El O 5 IG 15 20 25 PILOT o/o OF FÜLL LOAD FUEL NO - und HC-Konzentration bei Pilot-Einspritzung [Walder: SAE - Paper 730214] Bild 14
Abgasrückführung. Die Rückführung von Abgasen In die Ansaugleitung von Motoren als Maßnahme zur NOx-Reduzierung wird in der Literatur vielfach beschrieben (4, 6, 12, 13, 14 u. a.) und ist im jener beim PKW nicht vergleichbar, da diese vorwiegend bei Teillast betrieben werden. Bereits etwa die Verbrennungstemperaturen im Brennraum, sodaß weniger MOx gebildet wird. Bei Nutztahrzeugmotoren, die sehr häutig an der Vollast betrieben werden, ist die Situation allerdings mit jener der PKWs nicht vergleichbar, da diese vorwiegend bei Teillast betrieben werden. Bereits etwas zurückliegende Untersuchungen in Steyr mit Abgasrücktührung (15) lassen die daraus entstehende Problematik deutlich erkennen, Bild 15. Besonders bei hohen Lasten ist die AGR sehr wirksam, allerdings verschlechtern bereits geringe Rücktührraten mit Ausnahme der HC-Emission alle übrigen Motorparameter in extremer Form. Mit kleiner werdender Last kann zwar mehr Abgas rückgetührt werden, die NOx-senkende Wirkung ist dabei allerdings erheblich geringer. Für autgeladene Motoren gilt prinzipielldasselbe;esspieltsich allesauthöheremMitteldruck-Niveauab. Da bei Ladermotoren meist ausreichend Luftüberschuß vorhanden ist, ist hierdie Situation bezüglich rücktührbarer Menge günstiger. Verglichen mit der Förderbeginn-Verspätung scheint die Abgasrücktührung bezüglich Verbrauchsverschlechterung etwas günstiger zu sein. Eine wirkungsvolle AGR müßte in relativ autwendiger Weise im gesamten Motorkennteld fein geregelt sein, um Vorteile und Nachteile gut auszuwiegen. Neben der Verschlechterung, insbesondere des » Krattstottverbrauches und der autwendigen Regeltechnik tritt für hochbelastete, autgeladene Nutztahrzeugmotoren jedoch noch ein weiteres Argument gegen die Abgasrücktührung hervor: erhöhterVerschleiß des Motors, der bis zu einem Mehrfachen der üblichen Verschleißrate gehen kann. Dies steht den Bestrebungen bei den heutigen Entwicklungen nach extrem langen Lautzeiten, bis zu 1 Mio. km, direkt entgegen und würde kurzfristig einen erheblichen Rückschlag bedeuten bzw. die Arbeit von vielen Jahren zunichte machen. Die Forderung nach extremer NOx-Reduzierung, die nur unter Ausschöptung auch der Abgasrücktührung erfüllt werden könnte, wäre daher insbesondere vom volkswirtschaftlichen Standpunkt sehr genau zu prüfen. Abgos -Rückführrate AGR [%] Einflu6 von Abgasrückführung und Last auf VartKauch und Emission Bild 15 n = 1600 lAnin FB/ 26®kWvOT o~ope= 8,3 bar ® 4,2 2,1 Wasserzusätze. Durch Zugabe von Wasser zum Brennstoff lassen sich ebenfalls erhebliche Reduktionen von NOx erzielen, Bild 16 (16). Dabei scheint die Art der Einbringung des Wassers von großer Bedeutung zu sein. DieselAA/asser-Emulsionen ergeben nach Bild 19 interessante NOx-Reduktionen, es muß allerdings auch darauf hingewiesen werden, daß es auch Motoren gibt, die offenbar nicht oder sogar negativ darauf reagieren. Wasserzusätze haben weiters den Vorteil auch die Rauch- bzw. Partikelemission abzusenken, wie Bild 17 (16) zu entnehmen ist, wobei ebenfalls Emulsionen günstiger erscheinen. Die
Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch sind je nach Einbringungsart sehr unterschied lieh, Bild 18, wobei frühe Wassereinspritzung über eine eigene Düse am schlechtesten, Emulsionseinspritzung am zweitschlechtesten ist (17). Diese Grundlagenuntersuchungen, wie in (16,17 u. a.) veröffentlicht, zeigen ein interessantes Potential zur Emissionsverringerung auf. Die bisher praktisch schwer lösbare Frage des Gefrierens des Wassers und der Emulsionsherstellung sowie die Nachteile eines eventuellen zweiten Einspritzsystems sowie eines zweiten Tanks, vor allem aber Korrosions- und Verschleißprobleme ließen diese Entwicklungen bis heute auf einem Stand stehen bleiben, von dem es bis zu einer VOLUME PERCENT seriengerechten Lösung noch viele Jahre dauern würde. ^ WATER CONTENT A R[F. 23 4-STROKE. iOl ENGINE. 1500 fiPM, 30 LQAO O REf. la 4-STROKE. Dl ENGINE, 2000 RPH, FÜLL LORD e> REF. 24 4-STROKE. DI ENGINE. COMPOSITE l3 W30E S REF. 17 4-STROKE. DI ENGINE, löOO RPH. FÜLL LOAO V REF. 23 "2-STROKE ENGINE. 1500 RPH. 305 LOAO □ REF. 20 4-STROKE, DI ENGINE. 1800 RPH. 50'. LOAO 0 REF. 20 2-STROKE ENGINE. 1200 RPtt, 40T LOAD EMULSION EMULSION ^FÜMIGATIOH -AO EMULSION (ATER FtWlGATION UATER FUMIGATION Änderung der NO^' Emission durch verschiedene Arten von Wasserzusatz [Ryan etal.: SAE-Paper 810953] Bild 16 VOLUME PERCENT MATER CONTENT MATER FUHIGATION 5>-40 - EHULSIONS EMULSION o REF. 5 -STROKE. DI ENGINE. laOO RPH, FÜLL LOAO & REF. 23 4-STROKE. 101 ENGINE. 1500 RPM FÜLL LOAO V REF. 22 4-STROKE, DI ENGINE. 1200 RPV. FÜLL LOAO 0 REF. 20 4-STRÜKE.DI ENGINE,1200 RPM. 25 LOAO REF. 20 2-STROKE. ENGINE. 1200 RPM. 40.lOAD WATER FUMIGATION EHULSIONS EHULSIONS 400-1 ppm y -i NÜ 200 tti N a BOSCH 4 'ä " sz * " 20 Iii Ol •KW N • TV 7 5 550 J. £ g/kWh O 3 500 £ .O be & * 450 400 ILocti O'-Düsen iifOOOmln'^ Mitteldruck p»0,7bar Elrtsprltzbeglnn EB't5"KWv.OT -- / — Ermilslonselnsprltzimg >» — späte Wassereinspc (is^kw v. or i Mettianol- bzw. Wasserantell Änderung der Ruß-oder Partikelemission durch verschiedene Arten von Wasserzusatz [Ryan etal.: SAE-Paper 810953] Bild 17 Bild 18 Einfluß von Wasser-und Methanolzugaben auf die Motorkennwerte [Heinrich et ai.: MTZ 45 |1984) s]
Methanolzusätze. Vorteile sctieinen bezüglicti der Rußemission gegeben zu sein, Bild 18 (17,18), bezüglicti NOx nach diesen Literaturstellen eher geringe Nachteile. Andere Veröffentlichungen sprechen zwar von beachtlicher NOx-Reduktion,- z. T. bis zu 20% (19,20), insgesamt erscheint das Gebiet noch nicht so weit abgeklärt, daß heute eindeutige Aussagen getroffen werden können. Fest steht allerdings, daß ähnlich wie bei den Wasserzusätzen eventuell ein zweites Einspritzsystem erforderlich ist, da Diesel/ Methanol-Emulsionen nicht stabil sind. Infolge der sehr hohen Zündunwilligkeit von Alkoholen ist außerdem, besonders beim EinsatzgrößererMethanolanteile,dieZugabevonZündbeschleunigern notwendig, die ihrerseits wieder Probleme aufwerfen können und bezüglich ihrer Auswirkungen auf eventuelle neue Abgaskomponenten nicht ausreichend untersucht sind. Der Vollständigkeit halber sei auch auf die Aggressivität von Methanol hingewiesen, die zum Teil neue Werkstoffe im Motor fordern würde. Kurzfristig erscheint keine brauchbare Lösung in Sicht. NEBEN DER MÖGLICHKEIT, DIE EMISSION DIREKTIM BRENNRAUM DES MOTORS ZU BEKÄMP FEN, BIETEN SICH AUCH MOTORKONZEPTIVE MASSNAHMEN AN. UND FALL WEISE AUCH MASSNAHMEN, DIE DAS GESAMTE FAHRZEUG BETREFFEN. BESSERE ERGEBNISSE MIT LADELUFT KÜHLUNG. Motoren mit Turboaufladung und Ladeluftkühlung. STEYR gehört bekanntlich zu den Pionieren der Turboaufladung und der Turboaufladung mit Ladeluftkühlung. Dieses Konzept hat sich bezüglich Verringerung des Kraftstoffverbrauches inzwischen tausendfach als zielführend erwiesen und es besteht vorwegnehmend heute kein Zweifel, daß es auch, insbesondere in der Kombination Aufladung und Ladeluftkühlung das richtige Konzept zur Emissionsverringerung darstellt. Es sei hervorgehoben, daß die Ladeluftkühlung eine der ganz wenigen Möglichkeiten ist, die NOx-Emission und gleichzeitig auch den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Darüber hinaus sind die im ersten Abschnitt des Referates genannten motorinternen Maßnahmen additivanwendbar, einige davon sind sogarerst in Kombination mit der Aufladung bzw. Ladeluftkühlung voll nutzbar, so z. B. wie erwähnt, die Einspritz-Verspätung, die Abgasrückführung und auch teilweise die Brennraumgeometrie. Bild 19 zeigt die in STEYR-Fahrzeugen, aber auch von anderen Flerstellern hauptsächlich verwendete Anordnung der Ladeluftkühlung in Form eines Luft/LuftVorsatzkühlers vor dem Wasserkühler. Die durch den Verdichter je nach Aufladegrad bis zu 140° C erhitzte Luft wird im Ladeluftkühler auf ca. 50° 0 rückgekühlt und gelangt so in die Brennräume. Sowohl durch Aufladung und noch mehr durch Aufladung und Ladeluftkühlung kann die Rußemission gegenüber Saugmotoren drastisch gesenkt werden. Einwandfrei gewartete, aufgeladene Motoren emittieren praktisch keinen sichtbaren Ruß bei normalem Betrieb. Somit wurde diesbezüglich bereitseinwesentlicherFortschritterzielt.AnalogesgiltauchfürdieCO-Emission.aber auch, insbesondere bei den Ladermotoren für die HO-Emission. Die Auswirkung der Ladeluftkühlung auf die NOx-Abgas-Konzentration zeigt der in Bild 20 dargestellte Kennfeldvergleich, wobei es sich um ein- und denselben Motor handelt; sogar die Nennleistung ist gleich. So beträgt beispielsweise bei einem charakteristischen Betriebspunkt für einen 38-t-Zug in der Ebene von 130 kW und 18001/min entsprechend einer Fahrgeschwindigkeit Bild 19
von ca. 85 km/h im Fall links die NOx-Konzentration ca. 1800 ppm, im Fall rechts mit Ladeluftkühlung nur 850 ppm.dasbedeuteteineReduktion von ca. 50%. Bei der Nennleistung von 240 kW beträgt das Verhältnis 2100:1200 ppm, also immer noch eine Reduktion von ca. 40%. Hervorzuheben ist dazu, daß gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch der nOx-KEt*1FELD Ue-TURBO.LLK UH-12L P:240KU/2200 An-MX SPU 7 K V Bild 20 rechten Version um ca. 5% niedriger liegt. STEYR bietet beide Versionen bereits seit zwei Jahren an. Trotz des günstigeren Kraftstoffverbrauches entscheiden sich aber immer noch Kunden für die in der Anschaffung günstigere Version ohne Ladeluftkühlung. Hier hätte es der Kunde in der Hand, seinen Beitrag zum Umweitschutz zu leisten. Es ist zu hoffen, daß die im Gang befindliche UmweltDiskussion hierzu einem Umdenken führt. Der einzige Nachteil der Ladeluftkühlung - neben dem selbstverständlich größeren Aufwand, der auch teilweise Änderungen am Fahrzeug nach sich ziehen kann - ist das Ansteigen der HC-Emission mit fallender Ladelufttemperatur (3) auf Grund der Abkühlung im Brennraum, wobei die Erhöhung bei unterster Teillast bzw. im Leeriauf besonders ausgeprägt sein kann. Generell aber sind die HO-Werte der neueren STEYR-Motoren äußerst niedrig (5), wenigerals1/10 derin U.S.A. zugelassenen Grenzwerte, sodaß die durch die Ladeluftkühlung bedingte Erhöhung leicht verkraftet werden kann, zumal sie außerhalb des üblichen Betriebsbereiches liegt. Vergleich Saugmotor - Ladermotor - Ladeluftkühlung. Es erhebt sich die Frage, welche der 3 Motorbauarten das beste Konzept darstellt. Bezüglich des die drei Kraftstoffverbrauches ist dies eindeutig der ladeluftgekühlte Motor, gefolgt vom aufgeladenen und schließlichzuletztvomSaugmotor. Bezüglich der Emissionen ist die Antwort von vorneherein nicht so vergleich. klar, weshalb hiezu eingehende Untersuchungen angestellt wurden. Bild 21 zeigt als Ergebnis den Vergieich der Massenemission ein- und desselben Motors mit derselben Einspritzausrüstung für eine repräsentative Drehzahl über der Last. Deutlich geht bezüglich NOx der ladeluftgekühlte Motor als günstigste Variante, gefolgt vom aufgeladenen Motor hervor. Die Emissionen an Ruß und CG sind für diese beiden Motorbauarten im wesentlichen gleich niedrig, bei der HO-Emission weist der Ladermotor im unteren Teillastgebiet noch günstigere Werte auf, wie bereits aus den früheren Ausführungen zu erwarten war. Für die Saugversion sind für alle Komponenten zwei Grenzfälle dargestellt: die durchgezogene Kurve gilt für verbrauchsoptimalen Förderbeginn sowie Einhalt eines maximalen Rauchwertes von 2 Bosch-Einheiten. (Im Vergleich dazu weisen die Ladermotoren beim selben Mitteldruck nur 0,5 BSZ auf.) Der strichlierten Linie ist neben der drehzahlabhängigen eine lastabhängige Förderbeginnverstellung zugrunde gelegt, wobei selbstverständlich erhebliche Nachteile bezüglich der Emission von Ruß, CG und HG sowie eine gewisse Verbrauchsverschiechterung resultieren. An der Vollast, pe = 8 bar, muß zur Einhaltung des Grenzrauch wertes von BSZ = 2 der Förderbeginn entsprechend vorverlegt werden. Diese schon früher erwähnte Einschränkung in der Förderbeginneinstellung bei Saugmotoren zur Einhaltung von akzeptablen Rauchwerten führt zwangsweise zd höheren NGx-Werten, sodaß der Saugmotor im Bereich höherer Lasten auch die
SAUGMOTO REN MIT GROSSEM HUBRAUM UND SEHR GERINGER AUSLASTUNG AUS DERZEITI GER SICHT NICHT ZWECKMÄSSIG. bezüglich NOx-Emission mit Abstand schiechteste Version darstellt. Bei gleicher Leistung n = 2000 1/min, pe = 8 bar, emittiert der hier gezeigte Reihen-6-Zyiinder mit Ladeiuftkühiung ca. 650 g/h NOx, der Ladermotor 950 g/h und der Saugmotor 1400 g/h. Dabei ist gleichzeitig beim Saugmotor die COEmission gegenüber den beiden anderen Lader-Versionen um ca. das Stäche, die Rußemission um das 4fache erhöht, die HC-Emission etwa verdoppelt. Umgekehrt betrachtet zeigt Bild 21, daß für gleiche NOx-Massenemission und bei gleichem Hubraum der Saugmotor gegenüber der LLK-Version eine im Verhältnis der Mitteldrücke 14:7 geringere Leistung hat. Ein mit der LLK-Version leistungsgleicher Saugmotor müßte demnach etwa doppeltes Hubvolumen haben. Die NOx-Massen-Emission würde dann unter Zugrundelegung desselben NOxKonzentratlonskennfeldes um den Faktor der Hubvolumenvergrößerung steigen und im dargestellten Beispiel daher bei pe = 8 bar 2800g/h gegenüber ca. 1200g/h bei der leistungsgleichen LLK-Version betragen. Darüber hinaus bedeutet diese Lösung überschlägig nicht nur eine Verdoppelung des Bauraumes und des Gewichtes, sondern auch den Verlust von Nutzlast entsprechend der Motorgewichtszunahme sowie erheblich höhere Herstellkosten. Das prinzipiell mögliche Konzept zur Emissionsverringerung, Saugmotoren mit großem Hubraum und sehr geringer Auslastung zu bauen, ist daher wegen der nur langfristigen Realisierbarkeit und den angeführten Nachteilen zumindest aus der Sicht von STEYR nicht zweckmäßig. RE IHEhtSECHSZYL INDER HUBUOLUMEM UH= G.G L DREHZAHL M=2000 1/niN — sauenoTOR LADERNOTOR LADELUmOJEHLER X N. / /i /J N N- cy S a ' cn X _ X ij- // // 10 ^ o ü /J Kl X X U) u X o - / / // X X o ® X o .T 2 1 1 1 1 4 • 11111111111 > 11111 6 8 10 12 14 niTTELDRUCK PE (BAR) STEYR-DfllflLER-PUCH AG nOTORUERSUCH EINFLUSS DER nOTORBAURRT AUF ABGASENISS IONEN Bild 21 Erreichbarerstand mit konventionellen Maßnahmen. OPTIMALE LÖSUNGEN ALLERDINGS MIT HOHEN ENTWICK LUNGS KOSTEN UND RELATIV HOHEN MEHR KOSTEN BEI DER SERIE VERBUNDEN. Zum Zeichen, daß man bei STEYR den Fragen der Abgasemission bereits seit längererZeit und ohne gesetzliche Auflagen Rechnung trägt, sei das Ergebnis einer mehrjährigen Entwicklung gezeigt, die kurz vor dem Abschluß steht. Dieses Ergebnis dürfte auch das ohne wesentliche Verbrauchseinbußen und ohne Anwendung von Sondermaßnahmen (wie Abgasrückführung etc.) erreichbare Niveau aufzeigen. Bild 22 zeigt rechts das Rauchwert- und Verbrauchskennfeld, links das zugehörige NOxKennfeld. Exzellente Kraftstoffverbrauchswerte bis hinunter zu 194g/kWh bei Rauchwerten weit unter 3 BSZ bis 0,7 an der Vollast stehen Vollast-NOx-Werten von ca. 600 ppm bis 1600 ppm gegenüber. Die im 13-Stufen-Test in verbrauchsoptimaler Einstellung erzielbaren Werte sind Im Bild eingetragen. Durch Inkaufnahme einer Verbrauchsverschlechterung von ca. 2% ist eine NOx-Absenkung im 13-Stufen-Test auf die in Klammern angegebenen Werte möglich. Diese ausgezeichneten Werte, erreicht in mehrjähriger, äußerst kostenaufwendiger Arbeit, sind das Ergebnis der Berücksichtigung der meisten der eingangs aufgezeigten konventionellen Möglichkeiten bzw. der günstigsten Kompromißbildung - Brennraumausbildung, Optimierung der Einspritzung mit hohen Förderraten, Entfall eines Spritzverstellers, exakt ausgelegten Einspritzdüsen, optimierte Anpassung von Turbine und Verdichter des Aufladeaggregates sowie Anwendung der Ladeluftkühlung. Es muß hier jedoch ganz klar gesagt werden, daß neben den beträchtlichen Entwicklungskosten auf Grund des zusätzlichen Aufwandes auch mit relativ hohen Mehrkosten in der Serie zu rechnen ist und daß nicht jedes Produkt derartige Mehrkosten verkraften
Bild 22 kann. D. h., daß insbesondere in den unteren Leistungsklassen derartige Verbesserungen gar nichit oder nur äußerst sctiwer zu erreictien sein werden. Derselbe Motor, jedocti otine Ladeluftkütilung und mit geringerer Leistung liegt bezüglich NOxumca.30%, in der Saug-und daher billigsten Version und abermals verringerter Leistung je nach Einstellung und Ausführung der Einspritzpumpe um ca. 60 bis 80% höher. Derartige Moton/ersionen wären bei der Einführung von Abgaslimits zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit natürlich zu berücksichtigen, d. h. die einzusetzenden NOx-Grenzen dürfen sich nicht nur nach der Bestvariante richten. Die billigste Saugversion erfüllt mit ca. 17 g/kWh NOx im 13-Stufen-Test noch den in der EGE R49 vorgesehenen Grenzwert von 18,0g/kWh. In diesem Zusammenhang könnte der Vorschlag, eine „Flottenemissionsbegrenzung" einzuführen,zweckmäßig sein. Analog wie beim limitierten El orte n-Kraftstoffverb rauch in den U.S.A., könnten dadurch besonders umweltfreundliche, aber daher auch erheblich teurere Lösungen, die einen vorgegebenen Standard deutlich unterschreiten in Form eines Emissions-Bonus weniger günstige Varianten „stützen". Dabei wären insgesamt bezüglich der Gesamtemission eines Landes erhebliche Verbesserungen möglich, ohne bestimmte Leistungs- bzw. Motorkategorien, die den Mehraufwand nicht verkraften können, wofür aber ein Bedarf besteht, eliminieren zu müssen. ReiHEM-e-ZYLIMDER.fiUFLftDUtC.LflCELUFTKUEHLOnC HUBUOLUrlEtl UM6.6 FOERDERBEGinn FB'tS GRAD u. DT <OHnE SPU> jBtio i«bi! iGbo labo ' zobo zzbB 24bo DREHZAHL M <i/rtiro lobo tzbo DIE,.FLOTTENEMISSIONSBE GRENZUNG". Motorcharakteristik. Nicht unerhebliche Verringerungen der Abgasemission von LKW erscheinen möglich durch entsprechende Auslegung der Motorcharakteristik und dem dazu angepaßten Antriebsstrang des Fahrzeuges. Baute man bis vor nicht allzu langer Zeit noch relativ hoch drehende Motoren mit geringem Drehmomentanstieg, so stehen heute bei STEYR Entwicklungen mit niedrigen Nenndrehzahlen und hohen Drehmomentüberhöhungen im Vordergrund (5). Bild 23 zeigt die Gegenüberstellung von zwei typischen Auslegungen derangesprochenen Art, wobei die Variante B natürlich nur bei aufgeladenen Motoren möglich ist. Vergleicht man die NOx-Kennfelder von zwei derartigen, in beiden Fällen aufgeladenen und ladeluftgekühlten, leistungsglelchen Motoren, Bild 24, so ist sofort das deutlich niedrigere NOx-Niveau im Fahrbereich der modernen Auslegung erkennbar. Dies ist deshalb erreichbar, weil auf Grund der stark reduzierten Nenndrehzahl durch entsprechende Optimierungen am Einspritzsystem auf einen Spritzversteller verzichtet werden kann. Dies ist bei der Variante mit hoher Nenndrehzahl auf Grund der sonst untragbar starken Verschlechterung des Verbrauches und der Rauchwerte nicht möglich. Dazu kommt, daß die Variante A wegen ihrer mit steigender Drehzahl steigenden Leistung für hohe Fahrgeschwindigkeiten bei hohen Drehzahlen entsprechend dem Leistungsbedarf betrieben werden muß, was zwangsläufig mit hoher NOx-Emission verbunden ist. Die Variante B kann dagegen auf Grund der starken Drehmomentüberhöhung bzw. der Konstantleistungscharakteristik auch bei gedrückter Drehzahl gefahren werden, bzw. wird bei forcierter Fahrweise mit steigender Motordrehzahl keine Verschlechterung der NOx-Emission erzielt. Die Ergebnisse im 13-Stufen-Test sind im Bild eingetragen, wobei die Motorcharakteristik bezüglich NOx erhebliche Unterschiede je nach Vorschrift (EGE 49 oder US) auf Grund der eingangs gezeigten unterschiedlichen MOTOREN MIT NIEDRIGEN NENNDREH ZAHLEN UND HOHEN DREHMOMENT ÜBERHÖHUN GEN IM VOR DERGRUND.
FAHRGE SCHWINDIG KEIT PRAK TISCH OHNE EINFLUSS. Gewichtungsfaktoren ergibt. Es erhebt sich daher die Frage, wie gut die beiden Vorschriften die Fahrkollektive der Praxis erfassen. Letzten Endes ist die Massenemission bezogen auf die zurückgelegte Wegstrecke entscheidend. Dies zeigt Bild 25 für einen 38-t-Züg in der Ebene mit einem Motor nach Charakteristik B. Die eingetragene Fahrleistungslinie zeigt, daß bei einer derartigen Auslegung praktisch kein Einfluß der Fahrgeschwindigkeit vorhanden ist. Die Auswirkungen einer eventuellen Temporeduzierung sind daher als zumindest frag lieh zu bezeichnen, insbesondere, wenn man auch den Fall von geringen Steigungen und einer anderen Getriebegangstellung betrachtet, Bild 26. - _ 1200 _.woo AM 15% 1200 10)0 1600 18i» 2000 2200 2400 2^ V.A_ IJbO MOO Kt» 1«J 2000 3öö \ B Mo1ofdr«hzoN n (1/min) KENNÜNIENVERGLEICH Ue-TURBO. W-12L lobo tzbo 'i4bo ' iGbo ' i8bo ' zobo zsbo ' Z4bo ' zebo DREHzrw. « ii/nini nOx-KEWFELO Bild 23 Bild 24 38T-SflTTEL2UG GETRIEBE ZF16S130SG Hfl=4.4 Ue-TURflO,LLK UH=12L P=240KUZ2200 An=30* 16. GANG "16 ' 86 ' ido FRHRGESCHUINDIGKEIT U IKNZHI STEYR-DRinLER-PUCH AG NOTORUERSUCH NOx-ENISSION IG/KN) 38T-SflTTELZUG GETRIEBE ZFIGS130S6 Hn=4.4 U8-TURB0.LLK UH=12L P=240KU/2200 An=30* . 4b ■ g6 FflHRGESCHUINDIGKEIT U [KnZHl STEYR-DfilNLER-PUCH RG nOTORUERSUCH NOx-EmSSION 1G/Kn 1 Bild 25 Bild 26
Fahrwiderstände. Eine wichtige, ins Auge zu fassende Möglichkeit zur Emissionsverringerung von LKWs stellt die Reduzierung der Fahrwiderstandsleistung dar. Dieses Potential, das in gleicherweise auch eine Reduktion des Kraftstoffverbrauches bringt, kann ohne Nachteile additivzu den bisher aufgezeigten Möglichkeiten angewandt werden. Als einen ersten Schritt zur Verringerung des Luftwiderstandes zeigt Bild 27 das STEYRHochdach-Fahrerhaus, das nicht nur bei frontaler, sondern auch bei in der Praxis häufig vorkommenden schrägen Anströmung wirksam ist. Nach neueren Literaturangaben erscheint es durchaus möglich, den Cw-Wert von LKW-Zügen um mindestens 30% (21), den Rollwiderstand der Reifen um ca. 20% (22) mittelfristig zu reduzieren. Die damit sich ergebende Fahrleistungslinie für einen 38-t-Zug in Bild 28 zeigt, daß damit eine Absenkung derwegbezogenen NOx-Emission um ein Drittel möglich ist, wobei gleichzeitig eine Verringerung des Kraftstoffverbrauches um ca. 20% erfolgt. GESAMTFAHRZEUGKONZEPTIVE MASSNAHMEN. 38T-SflTTEL2UG GETRIEBE ZFIGS130SG HR=4.4 ue-TURBO.LLK UH=12L P=240KU/2200 ~r?o FRHRGESCHUINDIGKEIT U [KO/Hl STEYR-DRinLER-PUCH RG nOTORUERSUCH Bild 28 liOx-EniSSION [G/Kn J Bild 27 Einfluß der Nutzlast. Bei allen Emissionsbetrachtungen darf die Transportleistung nicht außer acht bleiben. Letzten Endes ist jenes Transportsystem das günstigste, mit dem größte Transportleistung bei geringster Emission erbracht wird. Bild 29 zeigt bezogene NOx-Emissionen für einen typischen LKW-Zug bei V= 80 km/h in Abhängigkeit von der Nutzlast. Während die NOx-Emission in g/km mit steigender Nutzlast linear ansteigt, ist bezogen auf die Nutzlast ein starkerAbfall, insbesondere im Bereich kleinererNutzlasten festzustellen. Möglichst hohe Auslastungen und Vermeidung von Leerfahrten sind daher anzustreben.Vorallem im Bereich kleinerer Nutzlasten wird auch die Wichtigkeit möglichst niedrigen Eigengewichtes des Fahrzeuges (z. B. Vermeidung von hubvolumenstarken Saugmotoren etc.) besonders deutlich. Verglichen mit einem Mittelklasse-PKW mit einer Nutzlast von 100 kg, die Im wesentlichen aus dem Fahrer besteht, weist ein 38-t-Zug zwar die 4fache wegbezogene NOx-Emission auf, auf die Nutzlast bezogen liegt der PKW jedoch BOfach höher.
Abgas-Nachbehandlung. KATALYSATOR UND RÜSSFILTER IM DIESEL LKW NICHT VOR 1990. An der Entwicklung von Katalysatoren und Rußflltern für Diesel-PKW in US-Versionen wird bereits seit einiger Zelt intensiv gearbeitet. Analoge Entwicklungen für LKW stehen insbesondere in Europa noch am Anfang. Auf Grund der hohen Anforderungen an die Lebensdauer sind diese Entwicklungen hier bis zum Stachen zeitaufwendiger (23), sodaß mit einem serienmäßigen Einsatz sicher nicht vor 1990 gerechnet werden könnte, sollte heute die Forderung danach gestellt werden. Sattelzug, Eigengewicht 16t 80 km/h konst C,F=6,5m' fi.= 0,0075 Oxydationskatalysatoren. Bild 29 Nutzlast Ni[t] Einfluß der Nutzlast auf spez. NOx - Emissionen Die Emissionen von 00 und HO sind bei gut ausgelegten Direkteinspritzern heute bereits sehr niedrig. Eine weitere Absenkung wäre grundsätzlich durch die Anwendung von Oxydationskatalysatoren möglich, die im Autbau ähnlich jenen bei Ottomotoren sind. Damit sind nach Untersuchungen im Hause STEYR, Bild 30, Abbau-Raten bei 00 bis zu 80%, bei HO bis zu 70% je nach Last und Drehzahl möglich (24). Wegen der erforderlichen Reaktionstemperatur Ist allerdings ein ins Gewicht fallender, vermindernder Effekt erst ab mittleren Lasten möglich. Auf Grund des beim Dieselmotortehlenden 00s kann ein Abbau der Stickoxide wie beim Ottomotor grundsätzlich nicht ertoigen. 100 I 50 < 8 0 ■" 11 / -.A 4 n = 1000 [lAnh] 1600 2800 6 8 |100 50| o X 10 10 Rußfilter. effektiver Mitteldruck pe [bor] Änderung der Abgaskonzentration durch Katalysator bei verschiedenen Lasten und Drehzahlen Bild 30 Bei gleichzeitiger Einführung extremer NOx- und Partikel-Vorschritten könnte nach Ausschöptung aller bisher autgezeigten Möglichkeiten, insbesondere Autladung mit Ladeluffkühlung, der Einsatz von Rußtiltern unvermeidbar sein. Während in Amerika schon ein gewisser positiver Stand auch beim Nutztahrzeug erreicht scheint (23, 25), Ist man in Europa über erste Grundsatzversuche noch nicht hinausgelangt.
1 Trnp j Cnntrol Air filtpr Trop before TC Throttle Dual pQth sysfem wifh ex^e^^ol energy supply Mögliche Anordnungen von Rußfiitern und Maßnahmen zur Regenerierung [Anlslts et al.: FISITA - Kongreß 1984] Neben der Dauerhaltbarkeit liegt das Hauptproblem In der erforderlichen Temperatur, die zur Regenerierung des Rußfilters und zum Abbrennen der abgelagerten Partikel notwendig ist. Ohne Regenerierung würde das Filter in kurzer Zeit verlegt, verbunden mit einem hohen Anstieg des Abgasgegendruckes und des Kraftstoffverbrauches. Andererseits kann es beim Erreichen der Betriebstemperatur zu einem schlagartigen Abbrennen kommen, das zur thermischen I I Zerstörung, Schmelzen des Monolithen führen kann. Der Regenerierung kommt daher größtes Augenmerk zu. Bild 31 zeigt die \,—,/ '—' Anordnungsmöglichkeiten des Filters am NTrppK "D~ Dual PQth System with Motor für den FKW-Einsatz (26). Analoges gilt allerdings auch für den LKW, wobei je nach Einsatzart des Fahrzeuges die unterschiedlichen Konzepte Vorteile aufweisen können. Die Anordnung des Filters vor der Turbine kommt zwar dem rascheren Erreichen der Betriebstemperatur entgegen, hat aber erhebliche Nachteile Bild 31 baulicher Art sowie bezüglich starker Wirkungsgradverschlechterung des Turboladers. Bild 32 zeigt die Möglichkeiten der Regenerierung im Motorkennfeld. Eine interessante Lösung bei der das Regenerierungsproblem entfällt, könnte das elektrostatische Rußfilter sein (27), das bisherallerdingsnuramFKW-Sektor untersucht wurde. Nach dem Grundprinzip erfolgt die Rußabscheidung in einem elektrischen Feld auf Grund der Polarität der elektrisch geladenen Rußteilchen. In einer praktischen Ausführung, schematisch in Bild 33 gezeigt, erfolgt die Entfernung des abgeschiedenen Rußes kontinuierlich in einem Zyklon unter Mithilfe von In das Ansaugsystem rückgeführten Abgases. Untersuchungen am Nutzfahrzeug wurden noch nicht begonnen. Bei Anwendung der Abgasrückführung sind wegen der in hohem Ausmaß rückgeführten Partikel die früher erwähnten Verschleißprobleme besonders zu befürchten. Trop before TC plus odditionol meosures for regeneration CL a> E regeneration without extra equipment regeneration by throttling ^^////// regeneration by tuet additives and throttling 42z engine speed —^ Maßnahmen zur Regenerierung von Rußfiitern im Motorkennfeld [Anlslts et al.: FISITA- Kongreß 1984] Bild 32 DskvJ zum Saugrohr ARF mit Ruß angereichert) Motorenabgas (Rohgas) zum Auspuff (Reingos) positive negative Abscheidefiäche Abscheidefläche © © qf cP Reingos Motoren obgos Reingos obgos Korona entladung O ungekxlene Ineutrolel Teilchen 0positiv gelodene Teilchen ©negativ geladene Teilchen Schema eines elektrostatischen Filters mit Rußaustragung über Zyklon und Abgasrückführung [Polach, Hagele: FISITA - Kongreß 1984] Bild 33 Prinzipien der Rußabscheidung bei elektro statischen Rußfiitern [Polach, Hagele : FISITA-Kongreß 1984]
Zusammenfassende Wertung der Möglichkeiten. DER STEYRWEG IST RICHTIG. Abschließend soll eine grobe qualitative Wertung helfen, die unter Berücksichtigung der Realisierbarkelt, des Entwicklungsrisikos, der Entwicklungskosten und der Mehrkosten in derSerie günstigsten Lösungen anzugeben, Bild 34. Es zeigt sich ganz klar, daß der von STEYR beschrittene Weg der Aufladung mit Ladeluftkühlung und der Ausnutzung motorinterner Optimierungen sowie gezielte Auslegung der Motorcharakteristik das beste Nutzen-Kosten-Risiko-Verhältnis bei gleichzeitig relativ kurzfristiger Realisierbarkelt aufweist. Sollten extreme Abgasvorschriften überdie mit obigen Maßnahmen erzielbaren Werte hinaus gefordert werden, Ist der Industrie eine klare Zielvorgabe und ein ausreichend bemessener Zeitraum zu geben, um aufwendige unter Zeltdruck mögllchenA/else In die falsche Richtung gehende Entwicklungen zu vermelden. Steyr-Daimler-Puch regt hier auch die Ermittlung dem heutigen Fahrzeug-Bestand entsprechender Emissionsfaktoren unter Berücksichtigung der von der Industrie bereits ohne gesetzlichen Zwang eingeführten und noch einzuführenden Maßnahmen sowie eines praxisgerechten Fahrkollektivs an. AUSWIRKUNG B Z G L. ENTW. ENTW. lEHRKOSTEN REALiSIERG VERBRAUCH HOx HC CO R/PART. RISIKO AUFHAND SERIE ZEITRAUM A. MOTOR INTERNE HASSNAIIHEN 1, BRENNRAUHGEOftTRIE VERBREHNUN6SVERFAHREN 1- 2+ !*■ 1+ It 1 3 1 1 2. EINSPRITZUNG (IIOCHDRUCKEINSPRinUNG) 1+ 2+ 2* 2+ 2 2 2 2 2 3. FÖRDERBEGINN 1- (3-) 3+ 1- 1- 2- 1 1 1 1 GESTEUERTE EINSPRITZUNG PILOT-EINSPRITZUNG 1+ 2+ 1+ - - 1 3 2 2-3 5. ADGASRÜCKFUI|RUNG 1- (3-) 3+ 1- 1- (3-) 1- (3-) 3 3 3 2-3 6. WASSER-, HETilANOLZUSXTZE 1+ 3+ 1- 1+ 2t 3 3 3 3 B. MOTOR-, FAIIRZEÜGKDNZEPT 1. AUFUDUNG 2* 2+ 2+ 2+ 3t 1 (3) 2-3 2-3 1 (2) 2, UDELUFTKÜilLUNG 3+ 3^ 1+ 2t 3t 1 (2) 2 3 1 (2) 3. IlUBVOLUHEN-VERGRÖSSERUNG SH - LEISTUNG UNVERÄNDERT - LEISTUNG LLK-VERSION 111+ 31+ 32t 32t 33 3 3 3 3 3 3 3 1. HOTORCIIARAKTERISTIK 2* 2+ 1+ It 1- 2 2 1 1 -5. FAHRHIDERSTXNDE 3+ 2+ 2+ 2t 2t 1 3 3 2 C. ABGASNACHBEIIANDLUNG 1. KATALYSATOREN 1- . 3+ 3t It 2 3 3 2-3 2. RUSSFILTER 1- - 1+ It 3t 3 5 3 3 BEHERTUNGi 1 GERING, KURZFRISTIG (>2 JAHRE) 2 MITTEL, MITTELFRISTIG (>R JAHRE) 3 STARK. LANGFRISTIG t>5 JAHRE) Bild 34
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