Untersuchung der limitierten Emissionen eines Zündstrahlmotors im Gas-Diesel-Mischbetrieb unter Variation des Einspritzpumpen-Förderbeginns für den Einsatz im BHKW

Diplomarbeit von Peter Achilles

Einleitung:

Die Begrenztheit fossiler Energieträger, einhergehend mit den Energiepreissteigerungen in den letzten Jahren, zwingen den Menschen, die Verluste bei der Energieumsetzung zu minimieren, d.h. die gewünschte Nutzenergie mit möglichst geringem Primärenergieeinsatz bereitzustellen. Weiterer Anlass für den sparsamen Umgang mit Primärenergieträgern ist die zunehmende Verschmutzung der Umwelt durch Schadstoffemissionen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie die Gefährdung des globalen Klimas durch den vom Menschen verursachten Treibhauseffekt. Das maßgeblich den Treibhauseffekt beeinflussende Spurengas Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung aller fossilen Energieträger, wenn auch in unterschiedlichen Maßen. Es ist daher notwendig, durch energiesparende Technologien die Umwelt zu entlasten und den Verbrauch begrenzter fossiler Energieträger zu minimieren. Die Substitution fossiler Brennstoffe durch nachwachsende Energieträger trägt zur Ressourcenschonung sowie zur Verringerung des CO2-Ausstoßes bei.

Ein zukunftsweisender Ansatz zu rationellem und umweltschonendem Einsatz unterschiedlicher Energieträger ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Bei der KWK wird die bei der elektrischen Stromerzeugung in hohem Maße anfallende Wärmemenge zu Heizzwecken genutzt, wodurch sich die eingesetzte Primärenergie mit Wirkungsgraden von 75 bis 90 % nutzen lässt. Ohne KWK wird die eingesetzte Primärenergie, bei der herkömmlichen Stromerzeugung in Kraftwerken nur zu etwa 40 % ausgenutzt, während die restlichen 60 % als Abwärme verloren gehen.

In Deutschland werden zur Zeit rund 10 % der gesamten Stromerzeugung durch KWK-Anlagen gedeckt. Das gesamte Potential an der Stromerzeugung wird auf ungefähr 35 – 40 % geschätzt. In den letzten 20 Jahren sind in Deutschland etwa 1800 Blockheizkraftwerke (BHKW) – das sind dezentral beim Verbraucher angeordnete Energieanlagen mit einem Antrieb durch Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen – in einem Leistungsspektrum von unter 100 bis 20.000 kW installiert worden [62]. Als Antriebsmaschinen für Blockheizkraftwerke werden aus Nutzfahrzeug-Dieselmotoren abgeleitete Gasmotoren bevorzugt eingesetzt, da sie gegenüber Dieselmotoren, außer dem vielfach gegebenen Vorteil eines kostengünstigeren Kraftstoffs, auch den der geringeren Geräusch- und Abgasemission aufweisen. Gasmotoren lassen sich in der Regel wahlweise mit flüssigem oder gasförmigen Brennstoff oder mit beiden gleichzeitig in nahezu beliebigen Mischungsverhältnissen (Zweistoffbetrieb) betreiben. Mit dem Ziel, eine flexiblere und wirtschaftlichere Fahrweise zu erreichen, lassen sich Gasmotoren auch auf eine Mehrstofftauglichkeit hin konzipieren. Damit ist der Einsatz unterschiedlicher Gase möglich, wodurch der Betreiber nicht auf den Einsatz einer bestimmten Gasart angewiesen ist.

Die Arbeitsgruppe Verbrennungskraftmaschinen der Universität Kaiserslautern befasst sich derzeit auf dem Forschungsgebiet der Kraft-Wärme-Kopplung mit der Untersuchung eines schweren 4-Takt-Vorkammer-Dieselmotors auf seine Eignung als Antriebsaggregates für Blockheizkraftwerke. Dieser aus Bundeswehrbeständen zur Verfügung gestellte Panzermotor soll für den gleichzeitigen Betrieb mit Dieselkraftstoff und Kraftgas umgerüstet werden, wobei ein möglichst geringer Dieselanteil angestrebt werden soll (Zündstrahlbetrieb). Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit besteht darin, das Emissionsverhalten dieses Motors im Zweistoffbetrieb mit Dieselkraftstoff und Erdgas bei verschiedenen Mischungsverhältnissen zu untersuchen.

Weiterhin soll ergründet werden, ob eine Variation des Einspritzpumpen- Förderbeginns vorteilhaft ist. Für den stationären Einsatz von Verbrennungsmotorenanlagen in Heizkraftwerken gelten die Emissionsvorschriften der TA-Luft. Die Untersuchungen beschränken sich auf die von der TA-Luft limitierten Schadstoffe NOx, CO, HC und Ruß.

Für den späteren Einsatz im BHKW soll der zu untersuchende Motor mit Holzgas betrieben werden. Die Problematik beim Betrieb mit Holzgas besteht in der Verunreinigung des Brenngases mit teerhaltigen Rückständen aus der Holzvergasung, welche unter anderem zum Verkleben der Einlassorgane führen können. Da es zweckmäßig ist, zunächst das Betriebs- und Emissionsverhalten eines umgerüsteten Dieselmotors im Gasbetrieb allgemein zu studieren, werden erst Vorversuche mit dem für die motorische Verbrennung geeigneterem Erdgas durchgeführt. Die im Erdgasbetrieb gewonnenen Erkenntnisse lassen sich später im Betrieb mit Holzgas teilweise umsetzen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit beschränken sich die durchzuführenden experimentellen Untersuchungen wegen des zu begrenzenden Umfangs ausschließlich auf den Betrieb mit Erdgas.

Zusammenfassung:

Ein zukunftsweisender Ansatz zu rationellem und umweltschonendem Einsatz unterschiedlicher Energieträger ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Bei der KWK wird die bei der elektrischen Stromerzeugung in hohem Maße anfallende Wärmemenge zu Heizzwecken genutzt, wodurch sich die eingesetzte Primärenergie mit Wirkungsgraden von 75 bis 90 % nutzen lässt.

Blockheizkraftwerke (BHKW) sind dezentral beim Verbraucher angeordnete Energieanlagen mit einem Antrieb durch Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen. Als Antriebsmaschinen für Blockheizkraftwerke werden aus Nutzfahrzeug-Dieselmotoren abgeleitete Gasmotoren bevorzugt eingesetzt, da sie gegenüber Dieselmotoren, außer dem vielfach gegebenen Vorteil eines kostengünstigeren Kraftstoffs, auch den der geringeren Geräusch- und Abgasemission aufweisen. Gasmotoren lassen sich in der Regel wahlweise mit flüssigem oder gasförmigen Brennstoff oder mit beiden gleichzeitig in nahezu beliebigen Mischungsverhältnissen (Zweistoffbetrieb) betreiben.

In dieser Arbeit wurde ein schwerer 4-Takt-Vorkammer-Dieselmotor auf seine Eignung als Antriebsaggregat für Blockheizkraftwerke untersucht. Dieser aus Bundeswehrbeständen zur Verfügung gestellte Panzermotor wurde für den gleichzeitigen Betrieb mit Dieselkraftstoff und Kraftgas umgerüstet, wobei ein möglichst geringer Dieselanteil angestrebt wurde (Zündstrahlbetrieb).

Ziel der vorliegenden Diplomarbeit war, das Emissionsverhalten dieses Motors im Zweistoffbetrieb mit Dieselkraftstoff und Erdgas bei verschiedenen Mischungsverhältnissen zu untersuchen. Weiterhin sollte ergründet werden, ob eine Variation des Einspritzpumpen-Förderbeginns vorteilhaft ist. Für den stationären Einsatz von Verbrennungsmotorenanlagen in Heizkraftwerken gelten die Emissionsvorschriften der TA-Luft. Die Untersuchungen beschränken sich auf die von der TA-Luft limitierten Schadstoffe NOx, CO, HC und Ruß.

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