Faktoren zur Reduzierung von Emissionswerten bei Dieselfahrzeugen. Betrachtung und kritische Bewertung von Möglichkeiten

NOX-Speicherkatalysator, Dieselpartikelfilter, Diesel-Oxidationskatalysator, Abgasrückführsystem


Hausarbeit, 2016

47 Seiten, Note: 1,3


Leseprobe


I
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
... II
Tabellenverzeichnis
... III
Abkürzungsverzeichnis
... IV
1 Einleitung ... 1
1.1
Einführung und Problemstellung ... 1
1.2
Zielsetzung und Vorgehen ... 1
2 Grundlagen des Dieselmotors ... 4
2.1
Historik des Dieselmotors ... 4
2.2
Aufbau und Funktionsweise des Dieselmotors ... 5
2.2.1
Technischer Aufbau des Dieselmotors ...
.
... 6
2.2.2
Der klassische Viertaktmotor ...
.
... 7
2.3
Unterschiede von Diesel und Ottomotoren ... 8
2.3.1
Stärken des Dieselmotors ...
..
... 10
2.3.2
Stärken des Ottomotors ...
..
... 10
2.3.3
Fazit des Vergleichs von Otto- und Dieselmotoren ...
..
... 10
3 Dieselkraftstoff ... 11
3.1
Qualität und Kenngrößen von Dieselkraftstoff ... 11
3.2
Additive zur Reduzierung von Emissionswerten ... 13
3.3
Biodiesel ... 13
4 Abgasgesetzgebung und Emissionsgesetze ... 15
4.1
Umweltpolitische Maßnahmen: Umweltzonen & Umweltplaketten ... 17
4.2
Fallbeispiel: VW Abgasskandal ... 18
5 Schadstoffe von Dieselmotoren ... 20
5.1
CO
2
Emission/ Kohlendioxid ... 20
5.2
No
x
Emission/ Stickoxide ... 20
5.3
Partikel ... 21
6 Faktoren zur Reduzierung von Emissionswerten bei Dieselfahrzeugen 22
6.1
NOX- Speicherkatalysator ... 23
6.1.1
Die NOx- Speicherung ...
..
... 23
6.2
Selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden ... 24
6.3
Dieselpartikelfilter DPF ... 25
6.3.1
Der geschlossene Partikelfilter ...
..
... 26
6.3.2
Der offene Partikelfilter ...
..
... 26

II
6.4
Diesel- Oxidationskatalysator ... 28
6.4.1
Senkung der Co- und HC-Emission ...
..
... 29
6.4.2
Reduktion der Partikelmasse ...
..
... 29
6.4.3
Oxidation von NO zu NO
2
...
..
... 29
6.4.4
Katalytischer Brenner...
..
... 30
6.4.5
Struktureller Aufbaus des Oxidationskatalysators ...
.
...
.
... 30
6.5
Abgasrückführsystem ... 31
6.5.1 Hochdruck AGR ...
.
...
..
... 32
6.5.2 Niederdruck AGR ...
...
... 33
6.6
Evaluation der Faktoren zur Reduzierung von Emissionswerten ... 34
7 Fazit ... 37
7.1
Zusammenfassung... 37
7.2
Ausblick... 38
Literaturverzeichnis... VI
Abbildungsverzeichnis
Abbildung
1:
Erster Dieselmotor 1893...5
Abbildung 2: Aufbau eines Dieselmotors...6
Abbildung 3: Funktionsweise des Dieselmotors...8
Abbildung 4: Siedekurve des Ottomotors...9
Abbildung 5: Siedekurve des Dieselmotors...11

III
Abbildung 6: Vergleichskraftstoffe zur Cetanzahlmessung ...
.13
Abbildung 7: RME- Erzeugung (Rapsölmethylester, Biodiesel aus Rapsöl) ...14
Abbildung 8: Plakettenarten und deren jeweiligen Anforderungen...17
Abbildung 9: Euro-Abgasnormen-Überblick ...19
Abbildung 10: NOx- Speicherkatalysator ...23
Abbildung 11: SCR- Katalysator ...25
Abbildung 12: Dieselpartikelfilter (DPF) ...28
Abbildung 13: Funktionsdarstellung eines Oxidationskatalysators...29
Abbildung 14: Kombination aus Hochdruck- und Niederdruck-AG...34
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Anforderung der DIN EN 590 an Dieselkraftstoff ...1
2

IV
Abkürzungsverzeichnis
CO
2
Kohlenstoffdioxid
PKW
Personenkraftwagen
NKW
Nutzkraftwagen
MAN
Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
Kfz
Kraftfahrzeug
LKW
Lastkraftwagen
OT
obere Totpunkt
UT
untere Totpunkt
V
c
Verdichtungsraum
V
h
Hubraum
ROZ
Research-Oktanzahl
DSG
Direktschaltgetriebe
KW
Kilo Watt
CZ
Cetanzahl
DIN
Deutsche Institut für Normung
EN
Europäische Norm
ASTM
American Society for Testing and
Materials
FAME
Fatty acid methyl ester
FAFE
Fatty acid ethyl ester
DPF
Dieselpartikelfilter
NO
x
Stickoxid
SCR
Selective Catalytic Reduction
TÜV
Technischer Überwachungsverein
EPA
Environmental Protection Agency
CO
Kohlenmonoxid
HC
Kohlenwasserstoff
N
Stickstoff
O
Sauerstoff
NO
Stickstoffmonoxid
NO
2
Stickstoffdioxid
NSC
NOx Storage Catalyst

V
BaCO
3
Bariumcarbonat
N
2
O
Distickstoffmonoxid
PT
Platin
NCS
NOX Storage Catalyst
NH
3
Ammoniak
(NH
2
)
2
CO
Harnstoff
µm
Mikrometer
CRT- System
Continous Regeneration Trap
CDPF
Catalyst based Diesel Particulate filter
HIC-System
Head Injury Criterion
H
2
O
Wasser
PM
Partikelmasse
O
2
Sauerstoff
Al
2
O
3
Aluminiumoxid
C
e
O
2
Ceroxid
Z
r
O
2
Zirkonoxid
Rh
Rhodium
Pd
Palladium
g/ft
3
SI- Einheit (Amerika)
nm
Newtonmeter
CPI
Erdölreifeparameter ( Carbon Perference
Index)
Inch
2
SI- Einheit für eine Größe ( Amerika)
V
kat
Volumen des Katalysators
V
hub
Hubvolumen
AGR
Abgasrückführventil
K
Kelvin
HCCI
Homogeneous Charge Compression
Ignition
VTG- Lader
Variable- Turbinengeometrie- Lader
Lambda

1
1 Einleitung
Die vorliegende Arbeit ist eine Projektarbeit zum Thema Evaluation der Faktoren die zur
Reduzierung von Emissionswerten von Dieselfahrzeugen führen können
1.1 Einführung und Problemstellung
Die Nachhaltigkeit definiert eine wichtige Handlungsmaxime der modernen
Verkehrspolitik.
Diese
beinhaltet
unteranderem
die
Realisierung
von
umweltgerechten und verantwortungsbewussten Verkehrsreformen ohne negative
Auswirkungen auf die wirtschaftliche Effizienz. Die durch Fahrzeuge verursachte
Schadstoffbelastung der Luft ist eine zentrale Herausforderung. Insbesondere
Dieselfahrzeuge
stoßen
enorme
Mengen
des
umweltschädlichen
Kohlenstoffmonoxid CO
2
aus. Als Reaktion auf die hierdurch entstandene
Umweltbelastung wurden bereits zahlreiche Maßnahmenpakete verabschiedet.
Diverse Reglementierungen wie beispielsweise spezielle Fahrzeugtypprüfungen
oder die Erhöhung der Kraftstoffqualität sollen den Konsequenzen des erhöhten
Emissionsausstoßes entgegenwirken. Auf die
Verschärfung der Abgasgesetzgebung reagierte die Automobilindustrie mit
Verbesserungen der Motortechnik und Abgaskatalysatoren um den CO
2
Ausstoß zu
verringern. Die vorliegende Arbeit fokussiert in diesem Zusammenhang
insbesondere die Reduzierung der Emissionswerte bei Dieselfahrzeugen.
Moderne Dieselmotoren sind aufgrund der verbesserten Direkteinspritzung und
Etablierung der Common-Rail-Technik
1
auf dem PKW-Markt durchaus
konkurrenzfähig. Aufgrund der hohen Emissionswerte ist gegenwärtig jedoch eine
zunehmende Nachfrage nach batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen zu
beobachten. Dieser Trend lässt sich auf ein steigendes Bewusstsein über die
verehrenden Folgen der Umweltbelastung, verursacht durch die Emissionen von
Automobilfahrzeugen zurückführen. Immer mehr Verbraucher achten in den
verschiedensten Bereichen des privaten Konsums auf Nachhaltigkeit und besinnen
sich auf ihre soziale Verantwortung für die Umwelt. Somit müssen auch die
Fahrzeughersteller Ihre Motorentechnik an den ökologischen Zeitgeist anpassen.
Die Innovationen im Bereich der Abgasreinigung sind ein erster Schritt zu einer
Nachhaltig agierenden Automobilindustrie und zentraler Untersuchungsgegenstand
der vorliegenden Arbeit.
1.2 Zielsetzung und Vorgehen
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Gegenüberstellung und Analyse der einzelnen
Faktoren die zur Reduzierung von Schadstoffen im Dieselfahrzeug dienen. Hierbei
erfolgt eine Differenzierung der jeweiligen Faktoren hinsichtlich deren Einfluss auf
1
,,Bei Common
-Rail-Systemen handelt es sich um ein Einspritzsystem für Verbrennungsmotoren,
bei dem ein hohes Druckniveau mittels Hochdruckpumpe erzeugt wird." (Brühmann, 2012,
S.282.)

2
die Emissionswerte von Dieselfahrzeugen. Ausgehend von innermotorischen
Maßnahmen bis hin zum Ausstoß werden die zentralsten Aspekte der
Schadstoffreduzierung thematisiert. Die aus der Analyse entstehende Evaluation soll
verdeutlichen, dass nach wie vor ein hoher Bedarf an technischen Innovationen in
Bezug auf die Reduzierung von Emissionen besteht.
Die Arbeit gliedert sich in folgende Teile:
Zu Beginn wird im Kapitel 2 auf die Entwicklung, Geschichte und Etablierung des
Dieselmotors sowie der Dieselfahrzeuge eingegangen. Nach der kurzen
Charakterisierung des Dieselmotors in Bezug auf dessen Aufbau und
Funktionsweise erfolgt die Unterscheidung zur Arbeitsweise von Ottomotoren.
Das Kapitel 3 setzt sich inhaltlich mit dem Treibstoff des Dieselmotors, dessen
chemischer Zusammensetzung sowie möglichen Alternativen zum Antrieb
auseinander. Die Wichtigkeit der Normen, wird anhand der jeweiligen Kenngrößen
erläutert.
Nachdem in den Kapiteln 2 und 3 ausführlich die Grundlagen des Dieselmotors
erläutert wurden, erfolgt im 4. Kapitel die Auseinandersetzung mit der
Abgasgesetzgebung. Die Thematisierung des Fallbeispiels VW verdeutlicht den
Bedarf an technischer Innovation sowie den drohenden Konsequenzen für
Missachtung der Gesetzgebung. Darüber hinaus werden die Indikatoren zur
Emissionsmessung und deren Einfluss auf die Teilhabe am Straßenverkehr erläutert.
Auf die Skizzierung der Grundlagen des Dieselfahrzeugs sowie die
umweltpolitischen Aspekte, erfolgt im 5. und 6. Kapitel die schwerpunktmäßige
Auseinandersetzung mit den einzelnen Elementen des Schadstoffausstoßes von
Dieselmotoren. Im Hinblick auf die Fragestellung dieser Arbeit werden im 6. Kapitel
die jeweiligen Faktoren zur Schadstoffreduzierung untersucht. Zunächst erfolgt in
Kapitel 5 eine Charakterisierung der Nebenbestandteile aus der Verbrennung des
Luftkraftstoff-Gemischs, sowie die Beschreibung der aus den Schadstoffen
resultierenden Gefahren.
Das Kapitel 6 ist der Hauptteil dieser Arbeit. In diesem Kapitel werden die jeweiligen
Faktoren zur Reduzierung der Emissionswerte gegenübergestellt und bewertet.
Durch die Implementierung der Faktoren zur Minimierung der Schadstoffe, wird der
stufige Ablauf der Schadstoffreduzierung demonstriert.
Im ersten Schritt werden die einzelnen Bauteile beschrieben, sowie deren Rollen in
Bezug auf die Schadstoffreduzierung verdeutlicht. Aufbauend auf der
Sekundärliteratur wird jedes einzelne Bauteil beschrieben und hinsichtlich deren
Aufgabengebiete definiert. Das Zielsystem wird durch die chemischen
Umwandlungen in den jeweiligen Sektoren stufenweise verbessert.
Im zweiten Schritt wird ein systematischer Ansatz zur Implementierung der einzelnen
Faktoren nähergebracht. In diesem Zusammenhang wird verdeutlicht, dass die
einzelnen Bauteile individuell notwendig und nicht beliebig austauschbar sind.
Die durch die Arbeit gewonnenen Erkenntnisse werden im siebten Kapitel
zusammengefasst. Des Weiteren wird ein Ausblick auf die technischen

3
Entwicklungen im Zuge der Reduzierung von Emissionswerten von
Dieselfahrzeugen gegeben.

4
2 Grundlagen des Dieselmotors
Das folgende Kapitel skizziert einen historischen Abriss, sowie die
Auseinandersetzung mit dem technischen Aufbau und mechanischen
Funktionsweise von Dieselmotoren. Als Abschluss der Grundlagen erfolgt ein
Vergleich des Dieselmotors mit dem Verfahren des Ottomotors, auch unter
Berücksichtigung der jeweiligen Stärken und Schwächen des Verbrennungsmotors.
2.1 Historik des Dieselmotors
Der folgende Abschnitt thematisiert den historischen Hintergrund des Dieselmotors.
Zunächst soll auf den Entwicklungsprozess der Innovation des neuen Brennstoffes
eingegangen werden. Darauf folgt eine chronologische Darstellung der
Etablierungsgeschichte des Dieselmotors.
In
Zusammenarbeit
mit
dem
Nutzfahrzeughersteller
Maschinenfabrik
AugsburgNürnberg (MAN) entwickelte Rudolf Diesel im Jahr 1893 den ersten
Prototypen des Verbrennungsmotors. Der Dieselmotor war eine Weiterentwicklung
des Viertaktmotors von Nikolaus August Otto. Aufgrund der Maße von 3 Metern Höhe
sowie dem Gewicht von rund 4.5 Tonnen war dieser erste Prototyp unpassend für
den Einsatz in Personenkraftfahrzeugen. Dementsprechend wurden die ersten
Dieselmotoren überwiegend in der Schifffahrt und größeren Kraftfahrzeugen
eingesetzt. Der Ottomotor ermöglichte durch das Magnetzündungssystem bereits die
mobile Nutzung und den Antrieb mit flüssigem Kraftstoff. Diesel steigerte den
Wirkungsgrad des Motors und etablierte seine Entwicklung als Serienmodell. Diesels
zentrale Intention war eine direkte Einspritzung in den Verbrennungsraum zu
ermöglichen. Dieses Vorhaben missglückte jedoch aufgrund der im 19. Jahrhundert
noch recht primitiven Pumpensysteme sowie Einspritzventile. Eine Lösung dieser
Problematik war das direkte Einblasen des Kraftstoffes mittels Druckluft. Auf diese
Weise konnte der Kraftstoff präziser dosiert und effizient im Brennraum verteilt
werden. Charakteristisch für die Diesel Technologie ist die Selbstzündung des
Kraftstoffes durch die Komprimierung der Verbrennungsluft im Motor.
2
Im folgenden Abschnitt wird anhand der zentralsten Ereignisse ein chronologischer
Abriss über die Etablierung des Dieselmotors vom ersten Prototypen hin zum
Serienmodell in modernen PKWs skizziert. Im Jahr 1898 wurden die ersten
Dieselmotoren zur Optimierung von Arbeitsabläufen in industriellen Bereichen
eingesetzt. Ab 1903 wurde die Technologie des Dieselmotors für den Antrieb von
Binnenschiffen genutzt. Die Nutzung von Dieselmotoren in Eisenbahntriebwagen
geht auf das Jahr 1914 zurück. Wenige Jahre später wurden bereits Kraftfahrzeuge
serienmäßig mit Dieselmotoren ausgestattet (1922). Kurz darauf erproben die
Automobilherstellern Benz, MAN sowie Daimler-Motoren-Gesellschaft den Motor bei
Nutzfahrzeugen. Diese Erprobungsphase resultierte 1924 in der Markteinführung
verschiedener Kfz-Modelle mit Dieselmotoren. Auf das Jahr 1928 kann die
2
Vgl. Reif, 2012, S.14f.
Ende der Leseprobe aus 47 Seiten

Details

Titel
Faktoren zur Reduzierung von Emissionswerten bei Dieselfahrzeugen. Betrachtung und kritische Bewertung von Möglichkeiten
Untertitel
NOX-Speicherkatalysator, Dieselpartikelfilter, Diesel-Oxidationskatalysator, Abgasrückführsystem
Hochschule
Rheinische Fachhochschule Köln
Note
1,3
Autor
Jahr
2016
Seiten
47
Katalognummer
V371045
ISBN (eBook)
9783668530591
ISBN (Buch)
9783668530607
Dateigröße
1642 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
ottomotor, treibstoff, vw, dieselmotor, viertaktmotor, biodiesel, abgasskandal
Arbeit zitieren
Sven Müller (Autor:in), 2016, Faktoren zur Reduzierung von Emissionswerten bei Dieselfahrzeugen. Betrachtung und kritische Bewertung von Möglichkeiten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/371045

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