Eidgenössisches Departement für Wirtschaft, Bildung und Forschung WBF Agroscope

ETH-Vorlesung Agrartechnik II Motortechnik Marco Landis 13. April 2017

Verbrennungskraftmaschinen Mit äusserer Verbrennung

Dampfmaschine Dampfturbine Stirlingmotor

Mit innerer Verbrennung

Hubkolbenmotor Drehkolbenmotor Gasturbine

Benzinmotor (Ottomotor) Dieselmotor

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

2

Funktionsprinzip Verbrennungsmotor

Drehmoment am Schwungrad

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

3

Dieselmotor

Benzinmotor

Benzin- und Dieselmotor Charakteristik

Vorteil

Nachteil

 Äussere Gemischaufbereitung  Fremdzündung  Verdichtung um 10:1  Lastregulierung durch Drosselung  λ bleibt ungefähr gleich: 0,9 .... 1,1

 hohe Leistungsdichte  guter Vollastverbrauch  gute Abgasbehandlungsmöglichkeiten

 schlechter Teilwirkungsgrad  schlechte Emissionen (ohne Nachbehandlung)

 Innere Gemischbildung  Selbstzündung  Hohe Verdichtung, um 20:1  Lastregulierung durch Treibstoff-Menge  λ ändert, > 1,2

 tiefer Verbrauch, guter Wirkungsgrad  lange Lebensdauer  Leistungssteigerung durch Auflandung

   

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

hoher Preis grosses Gewicht laut „träge“ (ohne Aufladung)  schlechte Emissionen (ohne Nachbehandlung) 4

Funktionsablauf eines Viertaktmotors Ansaugen

Verdichten

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

Arbeiten

Ausstossen

5

Volllastkennlinie

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

6

Interpretation Kennlinie

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

7

Interpretation Kennlinie

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

8

Motorkennfeld -- Linien gleicher Leistung -- Linien mit gleichem spezifischem Treibstoffverbrauch (g/kWh)

A A: 92 % Last 65 % Drehzahl 207 g/kWh spez. Verbrauch

B B: 60 % Last 100 % Drehzahl 247 g/kWh spez. Verbrauch Beispiel: 60 kW-Traktor Leistungsbedarf 60 % = 36 kW A: 207 g/kWh  7,45 kg/h B: 247 g/kWh  8,89 kg/h A  B: - 1,44 kg/h = - 16 % Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

9

Abgasbestandteile Abgasbestandteile bei Volllast Abgasbestandteile bei Volllast Abgas 99.6%

Schadstoffe 0.4%

Stickstoff Stickoxide

Kohlenmonoxid Kohlenwasserstoffe Schwefeldioxid

Kohlendioxid

Partikel

Sauerstoff Wasserdampf

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

10

CO, HC Kohlenmonoxid CO giftig, geruchlos, unsichtbar Entsteht bei unvollständiger Verbrennung , abhängig von lokaler Verfügbarkeit von O2 (Luftverhältnis, Gemischbildung, Verwirbelung) Schädlichkeit Verbindet sich mit den Blutkörperchen und verhindert dadurch den Sauerstofftransport, wirkt daher als Atemgift.

Kohlenwasserstoffe HC verschiedene flüchtige Kohlenwasserstoffe, tragen bei zur Bildung von bodennahem Ozon. Entsteht bei unvollständiger Verbrennung , abhängig von Brennstoffaufbereitung / Tropfengrösse (Einspritzsystem, Zerstäubung, Verdichtung, Temperatur) Schädlichkeit z.T. krebserregend, Dieselgeruch Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

11

NOx Stickoxide NOx Zusammenfassung der Stickstoffverbindungen NO und NO2 Entsteht bei hohen Verbrennungstemperaturen durch die Reaktion von Luftstickstoff mit Sauerstoff. Schädlichkeit Erkrankung der Atemwege Vielfältige Schädigung von Pflanzen und empfindlichen Ökosystemen Wichtige Vorläufersubstanz für die Bildung von sauren Niederschlägen und Ozon/Sommersmog Stickstoffmonoxid NO Farbloses Gas, oxidiert zusammen mit Luft zu NO2, Veränderung der Lungenfunktion MAK: 25 mg/m3

Stickstoffdioxid NO2 Chlorartig riechendes Gas, bildet mit Wasser Salpetersäure, giftig MAK: 5 mg/m3 Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

12

Partikel Partikel PM Entstehen durch unvollständige Verbrennung Schädlichkeit Erkrankungen der Atemwege und des Herz-Kreislaufsystems, Zunahme der Sterblichkeit sowie des Krebsrisikos, Einfluss auf den Treibhauseffekt, Besonders die sehr kleinen Partikel (Feinpartikel, Nanopartikel) sind schädlich, da sie in die Zellen eindringen.

Es ist zu unterscheiden zwischen PM10: Alles was kleiner ist als 10mm

Dieselruss: Durchschnittlich 0.1mm Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

13

Lungengängigkeit der Partikel

Quelle: HUSS Umwelttechnik Nürnberg)

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

14

Gesetzgebung für Traktoren und Motorkarren

Quelle: BAFU 2012: Entwicklung der CH-Gesetzgebung im Bereich der Abgasemissionen von Motorfahrzeugen und Maschinen Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

15

Dieselrusspartikel aus Landwirtschaft rund 19 % Gesamt: 1'669 t/Jahr Davon 300 t von LW

Dieselrussanteile Verkehr und Nonroad 2010 1% 0% 2% 1% 0%

19%

38%

Landwirtschaft

3%

6%

2% 1%

Personenwagen leichte Nutzfahrzeuge schwerer Nutzfahrzeuge Reisebus Linienbus Baumaschinen Industrie Landwirtschaft Forstwirtschaft Gartenpflege/Hobby Schiffe Schiene Militär

13% 14% Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

Quelle: BAFU 2013 Entwicklung der CH-Gesetzgebung im Bereich der Abgasemissionen von Motorfahrzeugen und Maschinen

16

Problematische Abgasbestandteile (Partikel und NOx) Verhalten von Russ - NOx - Kraftstoffverbrauch NOx

Partikel

spezifischer Kraftstoffverbrauch

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

17

Technik zum Ereichen der Stufe IIIA AGR: Abgasrückführung

AGR

0.3

PM [g/kWh]

0.25 Stufe III A

0.2

(NOx+HC)

Stufe II

0.15 0.1 0.05 0 0.0 Stufe IV

1.0

2.0 Stufe III B

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

3.0 NOx [g/kWh]

4.0

5.0

6.0

Leistungsklasse 75 -130 kW

18

Abgasrückführung Ansaugluft

AGR-Kühler AGR-Regelventil

• Ein Teil des Abgases wird zurückgeführt. • Das rückgeführte Abgas weist einen geringeren Sauerstoffanteil auf und nimmt nicht mehr aktiv an der Verbrennung teil. • Verbrennungstemperatur sinkt, es entstehen weniger Stickoxide NOx.

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

19

Abgasstufe 3B und 4 (Einführung ab 1.1.2011)

Abgasnachbehandlung wird notwendig! • Partikelfilter (Reduktion der Partikel)

• SCR-Systeme (Reduktion der Stickoxide)

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

20

Technik zum Ereichen der Stufe IIIB be [g/kWh]

AGR: Abgasrückführung DPF: Dieselpartikelfilter SCR: Selective catalytic reduction be: spezifischer Treibstoffverbrauch PM: Partikelmasse NOx: Stickoxide

AGR

PM [g/kWh]

0.3 0.25 Stufe III A (NOx+HC)

0.2 0.15

Verbrennungsoptimierung

Stufe II

DPF

0.1

SCR

0.05 0 0.0 Stufe IV

1.0

2.0 Stufe IIIB

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

3.0

4.0

NOx [g/kWh]

5.0

6.0

Leistungsklasse 75 -130 kW

21

Funktionsweise eines geschlossenen Partikelfilters gereinigte Abgase Rohabgase

Das Abgas durchströmt die porösen Trennwände des Filters. Dort lagert sich der Russ ab. Damit der Filter nicht verstopft, wird der Russ periodisch oder kontinuierlich zu CO2 und wenig Asche verbrannt. Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

22

Filtermaterial eines Keramikfilters Siliziumcarbid

Quelle: HUSS Umwelttechnik Nürnberg

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

23

Reduktion des Partikelausstosses Filterwirksamkeit 100'000'000

1'000'000

3

Partikelanzahl [1/cm ] (log)

10'000'000

100'000

Vor Filter

10'000

Nach Filter Umgebung

1'000 100 10 1 Messpunkt Messpunkt Messpunkt Messpunkt Messpunkt Messpunkt 1 2 3 4 5 6

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

24

Regenerationssysteme Aktive Systeme (periodische Regeneration) • Elektrische Beheizung • Diesel-Brenner • Wechselfilter

Passive Systeme (kontinuierliche Regeneration) • Vorgeschalteter Katalysator • Katalytische Beschichtung • Additivbeimischung

500

450

450

400

400

350

350

300

300

250

250

200

200

150

150

100

100

50

50

0 585

590

595

600

605

Betriebsstunden [h]

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

610

0 615

600

600

500

500

400

400

300

300

200

200

100

100

0 1175

1180

1185

1190

0 1195

Filtergegendruck [mbar]

500

Abgastemperatur [°C]

beschichteter Partikelfilter eingebaut in Lindner Geotrac 65

Filtergegendruck [mbar]

Abgastemperatur [°C]

Partikelfilter mit Dieselbrenner aufgebaut auf Hoflader Schäffer 4042

Betriebsstunden [h]

25

Wartung DPF gereinigte Abgase

Rohabgase

US-Tier4-Vorschrift für Offroad-Dieselmotoren:

Abgasgegendruck

Minimale DPF-Wartungs- und Reinigungsintervalle (§ 1039.125)! P < 130 kW minimal 3000 h

P > 130 kW minimal 4500 h Gilt nur für OEM-Ausrüstungen (nicht für Nachrüstungen)

Zeit Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

26

Ascherückstände Ölsorte Laufzeit [h] Ölnachfüllung [l] Asche [g] Asche [g/100 h] Veränderung Aschemenge [%]

Fendt Farmer 411 Vario Deutz-Fahr Agrotron K100 normal oil Low-SAPS normal oil Low-SAPS 553 553 415 416 7 5.5 2 2.4 76.1 28.0 13.1 7.4 13.8 5.1 3.2 1.8 -63% -44%

HSM 805 HD normal oil Low-SAPS 674 660 NH3 + HNCO -> NH3 + CO2

4NH3 + 4NO + O2 -> 2NH3 + NO + NO2 -> 8NH3 + 6NO2 ->

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

Sperrkatalysator 4N2 + 6H2O 2N2 + 3H2O 7N2 + 12H2O

4NH3 + 3O2 -> 2N2 + 6H2O

28

Harnstofflösung • Für den Einsatz in SCR-Systemen wird eine wässrige 32,5 % Harnstofflösung eingesetzt. • Genormt nach DIN 70070 und ISO 22241

• Markenname AdBlue ® • Eigenschaften: - Klare Flüssigkeit - Gebindegrössen ab 10 Liter - Kristallisiert bei -11°C

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

29

Vergleich DPF - SCR DPF

SCR

+ Keine zusätzlichen Betriebsstoffe + Geringerer Treibstoffverbrauch durch optimalere Motoreinstellung + Massive Reduktion der Partikelanzahl

+ Durch geringeren Treibstoffverbrauch auch CO2 Einsparung

- Filterreinigung notwendig

- Zusätzlicher Betriebsstoff (Beschaffung, Lagerung, Betanken)

- Treibstoff-Mehrverbrauch, insbesondere während aktiven Regenerationen)

- Partikelanzahl bleibt hoch

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

30

Technik zum Erreichen der geplanten Stufe V be [g/kWh]

AGR: Abgasrückführung DPF: Dieselpartikelfilter SCR: Selective catalytic reduction be: spezifischer Treibstoffverbrauch PM: Partikelmasse NOx: Stickoxide

PM [g/kWh]

0.3

AGR

0.25 Stufe IIIA (NOx+HC)

0.2

Stufe II

DPF

0.15

0.1 0.05

SCR

0 0.0 Stufe IV

1.0

2.0 Stufe IIIB

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

3.0

4.0

NOx [g/kWh]

5.0

6.0

Leistungsklasse 75 -130 kW

31

SCRT-System Treibstofftank Ad-Blue Tank Steuerung

Einspritzpumpe Dosierung NOX

Motor p

T

Eindüsung OxidationsKatalysator

Partikelfilter

SCRKatalysator

SperrKatalysator CO2

CO HC PM NOX

H2 O N2

Quelle: Deutz

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

32

Kohlenwasserstoffe

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

33

Vergleich Benzin / Diesel Einheit

Benzin bleifrei 95

Diesel

SN 181162

SN 181160-1

720 - 775

820 - 845

Dichte

kg/m3

Viskosität bei 40°C

mm2/s

2.0 – 4.0

°C

min. 55

Flammpunkt

70 C  22 - 48% 100C  46 - 71% 150C  min. 75%

250C  65%

MJ/Liter

32.6

35.4

Oktanzahl (ROZ) / Cetanzahl

-

95

min. 49 / 51

C- / H- Anteile

%

87 / 13

86 / 14

Siedeverlauf

Heizwert

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

350C  85%

34

Pflanzenöl

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

35

Treibstoffbedarf Dieselverbrauch Schweiz (2011)

2 369 000 Tonnen

Dieselverbrauch Landwirtschaft

125 000 Tonnen = 150 Mio. Liter

RME-Potenzial (25 000 t Öl) entspricht Dieseläquivalent

22 Mio. Liter 23,5 Mio. Liter

Im besten Fall könnten ca. 1/6 des Dieselverbrauchs der Landwirtschaft durch RME gedeckt werden

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

36

Rapsöl als Treibstoff Drei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten:

Filtrierung



Rapsöl, reines Rapsöl, Naturdiesel

Umesterung



Rapsmethylester (RME, Biodiesel)

Mischung



RG4A, JuniorDiesel

Für die Beimischung zum fossilen Dieseltreibstoff ist nur RME geeignet!

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

37

Spezifikation der Rapsöl-Treibstoffe Einheit

Diesel

Naturdiesel

RME

SN181160-1

(V DIN 51605)

EN 14214

Rapsölmischung (RG4A)

Dichte bei 15°C

kg/m3

820 – 845

900 - 930

860 - 900

864

Viskosität

mm2/s

2.0 – 4.0

max. 38

3.5 – 5.0

6.3

Flammpunkt

°C

min. 55

min. 220

min. 100

55

Filtrierbarkeitsgrenze (CFPP)

°C

-20

-8

-30

Cetanzahl

-

min. 49

min. 38

min. 51

47

Heizwert

MJ/kg

35.4

35.0

35.0

35.2

(40°C)

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung 2015 Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

38

Umrüstung Eintanksystem  Vorwärmung, Isolation der Treibstoffleitungen  grössere Leitungsquerschnitte  zusätzliche Filtereinheiten  Anpassung der elektronischen Steuerung  ev. Anpassung der Einspritztechnik und Glühkerzen  (noch) nicht für moderne Common-Rail Motoren geeignet Zweitanksystem  Rapsöl- und Dieseltank  Rapsöl-Vorwärmung  Zusätzliche Filter und Treibstoffpumpe  Temperatur- und Öldrucksensoren  Motor starten und abstellen im Dieselbetrieb, Umschaltung auf Rapsölbetrieb bei genügender Motorbelastung / Temperatur  auch für Common-Rail Motoren geeignet Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

39

Umrüstung auf Pflanzenöl

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

40

Rapsmethylester RME Biodiesel FAME (Fatty Acid Methyl Ester) Durch Umesterung werden weitgehend dieselähnliche Spezifikationen erreicht, insbesondere Viskosität und Cetanzahl. Anwendung:  keine Motoranpassung nötig, von vielen Motorherstellern freigegeben  jedes Mischverhältnis mit fossilem Diesel möglich

 Treibstoffsensor in Entwicklung für optimale Einspritzregelung  Für viele Dieselmotoren freigegeben  Einhaltung der aktuellen Emissionsgrenzwerte möglich Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

41

Herstellung RME Umesterung: Chemische Verfahrenstechnik im Batch-Verfahren Zugabe von Methanol und Katalysator (z.B. Natronlauge) Heizen (50–80 °C) und Rühren: beim Umesterungsvorgang trennen sich Methylester und Glyzerin Abscheiden der Glyzerinphase Ausdestillieren des überschüssigen Methanols, „waschen“ des RME Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

42

Bioethanol Herstellung Von der Glucose zum Bioethanol: C6H12O6  2 C2H5OH + 2 CO2 + 1 kg Glucose  511g Ethanol + 489g CO2 +

117,5 kJ/mol Energie

Alkoholische Gärung (Hefe) Fermentation bei 30-35°C während 36–72 Stunden

Destillation (Maischekolonne) thermische Abtrennung, Destillation zu 82–87 % Alkohol

Rektifikation und Entwässerung Aufkonzentrierung zu 99,9%-igem Ethanol Bioethanolanlage in Nebraska Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

43

Bioethanol Kennzahlen Dichte Heizwert Benzinäquivalent Oktanzahl

0,8 kg/Liter 26,8 MJ/kg, bzw. 21,3 MJ/Liter 0,66 Liter 107

Ausbeute: 1 ha Getreide (5300 kg Ertrag) 1 ha Kartoffeln (34 000 kg Ertrag) 1 ha Zuckerrüben (70 000 kg Ertrag)

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

1900 Liter Ethanol 3400 Liter Ethanol 7500 Liter Ethanol

44

Bioethanol Konkurrenz zur Nahrung? Zuckerhaltige Rohstoffe: Zuckerrohr Zuckerrübe

Zerkleinerung  Extraktion

 Glucose einfach

Stärkehaltige Rohstoffe: Kartoffel Getreide Mais

Maischebereitung  Verflüssigung mit Enzymen  Verzuckerung  Glucose aufwändig

Cellulosehaltige Rohstoffe: Celluloseaufschluss  Hydrolisierung mit Holz Säure oder Enzymen  Glucose Stroh schwierig Altpapier / Karton Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

45

Bioethanol am besten beigemischt Als Reintreibstoff in Ottomotoren: In angepassten Reinethanolmotoren, Einsatz von Benzin nicht mehr möglich. Als Mischtreibstoff in Benzinmotoren: Zumischung bis 5 % Bioethanol zum Benzin nach Norm SN 181 162 möglich, keine Motormodifikation nötig Zumischung bis 25 % Bioethanol zum Benzin technisch möglich mit geringen Motormodifikationen (Gasohol) Zumischung bis 85 % Bioethanol zum Benzin möglich mit FFV-Fahrzeugen (Flexible Fuel Vehicles) Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

46

Speicherung ist ein Problem

Quelle: Toyota

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

47

Power to Gas

Quelle: New Holland

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

48