Zeitschrift `Grundlagen der Landtechnik`, ISSN 0017-4920

[ 52 ] Lloyd-Jones, CP.: Evaporation of DDT.
Nature Bd . 229 (1971) S. 65 /66.
[ 53 ) Weinmann, W.D.: über die Kontamination der Umwelt mit
persistenten Insektiziden.
Nachrichtenblatt des Deutschen Pflanzenschutzdienstes
(Braunschweig) Bd . 21 (1969) S. 86 /91.
[ 54 ) Wanner, R .: Evaporation of water-based pesticide
formulations in aerial applications.
Paper presented at VI. International Agricultural Aviation
Congress. Turin, Italy , September 1980, S. 22 /26.
[ 55 ) Jegier, Z.: Pesticide residues in the atmosphere.
Ann . New York Acad. Sei. Bd. 160 (1969) Nr. 1, S. 143/54.
[ 56 ) Bundesministerium für Ernährung , Landwirtschaft und
Forsten (Hrsg.): Pflan ze nschutzmittel und Boden. Eintrag
und Bilanzierung , besondere Stoffe , Einflüsse auf Bodenflora und Bodenfauna.
Berichte über Landwirtschaft. 198 . Sonderh.
Hamburg/Berlin : Paul Parey 1985.
[ 57 J•Diercks, R .: Einsatz von Pflan ze nbehandlungsmitteln und
die dabei auftretenden Umweltprobleme. Materialien zur
Umweltforschung 9.
Stuttgart/ Mainz : W. Kohlhammer 1984.
[ 58 ) Industrieverband Pflanzenschutz und Schädlingsbekämpfungsmittel (!PS). - Jahresbericht 1979 /80 und 1983/84.
[ 59 ) Mitteilung der Biologischen Bundesanstalt (BBA);
Braunschweig .
[ 60 ) Verordnung über gefährliche Stoffe (Gefahrstoffverordnung - GefStoffV) vom 26 .8 .1 986 .
[ 61
J Ehhalt, D.H.: Der atmosphärische Kreislauf von Methan.
Naturwissenschaften Bd . 66 (1979)S. 307/ 11 .
[ 62 ) Batel, W.: Geruchsstoff-, Staub- und Lärmbelastung in
Anlagen der Tierproduktion , gemessen im Verlauf eines
Jahres - Erster Bericht.
Grund!. Landtechnik Bd . 27 (1977) Nr. 3 , S. 83 /87.
[ 63 J Grüter, 0.: Ermittlung des Staubgehaltes der Luft in
Schweinemast - und Hühnerställen in Abhängigke it von
Aufstallun_gs-, Fütterungs- und Lüftungssystem.
ETH Zürich , 19 75 (Diplomarbeit).
[ 64 J•Dreyhaupt, F.J.: Luftreinhaltung als Faktor der Stadtund Regionalplanung .
Köln: Verlag TÜV Rheinland 19 71.
[ 65 )•Statistisches Bundesamt (Hrsg.): Technische Betriebsmitt el ,
Land- und Forstwirtschaft , Fischerei: Fachserie 3,
Reihe 2 , 3 .
Stuttgart/ Mainz: W. Kohlhammer 1983 .
[ 66 J• Welschof, G.: Der Ackerschlepper - Mittelpunkt der
Landtechnik.
VDI-B erichte Nr. 407 , S. 11 / 17.
Düsseldorf: VDI-Verlag 198 1.
[ 67 J•Bähr, H.-P.:
Digitale Bildverarbeitung.
Karlsruhe : Herbert Wichmann 198 5 .
[ 68 ) Ernst-Cordary, H.: Rückstreuverhalten von Pflan ze nbeständen und oberen Bodenschichten im Spektralbereich
der Mikrowellen .
Agrarw. Diss ., TU München-Weihenstephan 1985 .
Emissionen bei Verwendung alternativer Kraftstoffe in Schlepper-Dieselmotoren
Von Gerhard Vellguth, Braunschweig-Völkenrode*)
Mitteilung aus dem Institut für Biosystemtechnik der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft, Braunschweig-Völkenrode
Professor Dr. -lng. Wilhelm Batel zum 65. Geburtstag
DK 662.75:621.43.019.9
Ethanol und Pflanzenöl können unter bestimmten Voraussetzungen als alternative Kraftstoffe eingesetzt werden. Für die Beurteilung möglicher Umweltwirkungen
bei ihrem Einsatz müssen die Emissionswerte der Motoren bekannt sein. Da bisher keine Regeln für einen Abgastest an Ackerschleppern bestehen, wird ein Vorschlag
für die Belastungen und die Durchführung des Tests als
"5-Punkte-Test" gemacht. Eine Betrachtung der Meßwerte-Fehler und Meßergebnisse ergänzen den Vorschlag.
*)Dipl.-Ing. G. Vellguth ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Institut für Biosystemtechnik, ehemals Institut für /andtechnische
Grundlagenforschung (Leiter: Prof Dr.-Ing. W. Batel} der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft, Braunschweig-Vö lkenrode.
An der Durchführung der Emissionsanalysen war Herr Karl-Heinz
Becker beteiligt.
Grund!. Landtechnik Bd. 37 ( 1987) Nr. 6
1. Einleitung
Angesichts der gegenwärtigen Überschüsse bei Nah rungsmitteln
aus der Tier- und Pflanzenproduktion und der kritischen Erlössituation der landwirtschaft lichen Betriebe wird der Anba u nach wachsender Rohstoffe als eine der Mögl ichkeite n zur Einkommenssicherung für die Landwirte gesehen [ l). Zur Zeit werden nachwachsende Rohstoffe vor allem zur Herstellung von Stärke , Ethanol , öl und Fett sowie von Fasern genutzt, da diese Stoffe ihrerseits Rohstoffe für verschiedene Industrieprodukte sind [2]. Ethanol und Pflan ze nöl sind darübe r hinaus als energiereiche Flüssigkeiten besonders prädestiniert , auch als Energieträger und speziell
als Kraftstoff verwendet zu werden (3 , 4 ]. Sie werden zur Unterscheidung von den derzeit gebräuchlichen , konventionellen, vor wiegend aus Erdöl hergestellten Kraftstoffen als alternative Kraft stoffe bezeichnet. In Anbetracht der möglichen Umweltwirkun gen ist es notwendig , daß alternative Kraftstoffe vor einem umfassenden Einsatz auch in bezug auf die Emissionen unte rsucht und
im Vergleich mit den konventionellen Kraftstoffen beurteilt werden. Dabei sind die Emissionen außer von den Kraftstoffeigenschaften abhängig von der Abstimmung zwischen Motor und
Kraftstoff bzw. deren gegenseitiger Anpassung und von den Belastungen der Motoren im praktischen Einsatz .
207
2. Verwendungsmöglichkeiten von Ethanol und
Pflanzenöl als Kraftstoff
Verwendung von Ethanol als Kraftstoff
Die wichtigsten kraftstoffspezifischen Kennwerte von Ethanol
und Rapsöl - als dem in der Bundesrepublik dominierenden
Pflanzenöl - Jassen im Vergleich zu den konventionellen Kraftstoffen wie Otto- (Benzin) und Dieselkraftstoff erkennen , Tafel l ,
daß Ethanol besser als Substitut für Ottokraftstoff und Rapsöl
besser für Dieselkraftstoff einzusetzen ist. Die bereits abgesicherten und die noch in Erprobung befindlichen Verwendungsm öglichkeiten sind in Tafel 2 und 3 zusammengestellt.
1. in Ottomotoren:
bis 3 % ohne Einschränkung
bis 5 % ab 1988 in der EG erlaubt
2 . in angepaßten Ottomotoren :
10 % im Gasohol in USA
bis 20 % im Normalbenzin in Brasilien
bis 25 % in Brasilien in Erprobung
3. in Alkotiol -Ottomotoren :
100 % (85 %) serienmäßig in Brasilien
Ethanol wirq bereits seit mehreren Jahren als Zurnischkornponente bis zu 3 % in Ottokraftstoff verwendet und kann nach einer
EG-Richtlinie ab 1.1.1 988 bis zu einem Anteil von 5 % zugesetzt
werden , ohne daß eine besondere Kennzeichnung des Kraftstoffes
oder eine Anpassung der Motoren z.B . durch Änderung des Zündzeitpunktes vorgesehen ist.
Größere Anteile von Alkohol erfordern eine Kennze ichnung , z.B.
in USA "Gasohol" (Gasoline+ Alcohol), da derartige Kraftstoffe
angepaßte Motoren benötigen , bei denen di e Werkstoffe der Kraftstoffanlage (Dichtungen , Vergaser) alkoholbeständig ausgeführt
sind und die Einstellung der Motoren auf das Verh alten des Alkohols abgestimmt wurde. Im Rahmen des Alkoholprogramms der
brasilianischen Regierung werden dort dem Normalbenzin bereits
20 % Ethanol zugernischt , und noch höhere Anteile (25 %) sind in
Erprobung .
4. in Dieselmotoren: nicht geeignet, jedoch:
bis 30 % mit Lösungsvermittler in Erprobung
95 % mit Zündverbesserer in Erprobung
5. in Zweistoff.Dieselmotoren :
bis 90 %, verschiedene Verfahren in Erprobung,
z.B. Zündstrahl · Verfahren
Tafel 2. Verwendungsmöglichkeiten von Ethanol als Kraftstoff.
Verwendung von Pflanzenöl als Kraftstoff
Für darüber hinausgehende Alkoholanteile ist es vorteilhaft, spezielle Alkoholmotoren ei nzusetzen , die - z.B. durch höhere Verdichtung - die Eigenschaften des Ethanols besser nutzen . Der
mit Reinalkohol (100 %) bezeichnete Kraftstoff für solche Motoren enthält jedoch wegen des Wassergehaltes , der Zugabe von Korrosionsverhinderern und von Benzin zur Verbesserung des Kalt startverhaltens im allgemeinen nur etwa 85 % Ethanol.
Als Kraftstoff für Dieselmotoren ist Ethanol grundsätzlich wen iger geeignet . Da die Zündwilligkeit zu gering ist , könnte ein Dieselmotor allein mit Ethanol weder gestartet noch in Betrieb gehalten
werden. Eine Zumischung von Ethanol zu Dieselkraftstoff sche itert an einer zu geringen Beständigkeit der Mischung . Die geringe
Zündwilligkeit und die schlechte Mischbarkeit könnten jedoch
durch entsprechende Zusatzstoffe beseitigt werden . So entwickelten die BASF einen Lösungsvermittler, mit dem eine stabile Mischung von 70 % Dieselkraftstoff und 25 % Ethanol bei Zugabe
von 5 % des Lösungsvermittlers hergestellt und vorn Volkswagenwerk im Flottentest (6) erprobt werden konnte . Na ch eigenen Untersuchungen eignen sich auch Methylester oder Ethylester von
Rapsöl sehr gut als Lösungsvermittler zwischen Ethanol und Dieselkraftstoff. Vorteilhaft ist hierbei , daß die hohe Zündwilligkeit
der Ester einen Teil des durch den Alkohol bewirkten Zündwilligkeitsverlustes ausgleicht.
Otto-Kraftstoff
Normal
Super
Kennwert
Heizwert
MJ /kg
Dichte bei 20 oc
bei 15 oc
kg/I
kin. Viskosität
(200C)
mm 2 /s
Siedetemperatur
oc
Klopffestigkeit
(Oktanzahl)
ROZ
MOZ
Zündwilligkeit
(Cetanzahl)
Cl
43,5
42.7
0,72-0 ,75
0,73--0 ,78
0,6
Ethanol
Dieselkraftstoff
26,8
40 ,6- 44.4
(42.4)
0 ,79
0,81--0,85
(0,829)
1.4
1,2-10
(4)
1
25-210
> 91
> 02
>97.4
> 87 ,2
78
1. in Ottomotoren: nicht möglich
2. in Dieselmotoren : bedingt möglich
2.1 in Dieselmotoren mit Direkteinspritzung
(konventionelle Nutzfahrzeug· und Schlepper-Motoren)
Obis 100 % nach Umesterung des Pflanzenöles
(Methylester, Ethylester) in Erprobung
2.2 in Dieselmotoren mit Vor· oder Wirbelkammer
(konventionelle Pkw- und Einbau·Motoren)
0 bis 100 % nach Umesterung des Pflanzenöles
in Erprobung
evtl. nach Filterung und Entschleimung
2.3 in Pflanzenöl-Motoren:
100 % z.B. Elko·Motor in Erprobung
Tafel 3 . Verwendungsmöglichkeiten von Rapsöl als Kraftstoff.
Daimler-Benz entwickelte die Anwendung eines Zündverbesserers ,
mit dem die Zündwilligkeit vo n Ethanol so gesteigert werden kann ,
daß bei Zugabe von weniger als 5 % dieses Stoffes Ethanol als Dieselkraftstoff verwendet werden kann (7).
Rapsöl Methylester
raffiniert v. Rapsöl
37,6
0,91
98
37 ,2
0,88
6,3-8,1
150-360
111.4 • )
94,0 *)
8,0 *)
> 45
51
54
Während hierdurch der Kraftstoff
Ethanol dem Dieselmotor angepaßt
wird , bestehen aber auch Möglichkeiten , den Dieselmotor so umzurüsten , daß er dem Kraftstoff angepaßt ist. Es gibt hier mehrere Verfahren (3], von denen in letzter Zeit
das Zündstrahlverfahren (8] besondere Bedeutung vor allem in Brasilien erlangt hat. Eine geringe, über
den gesamten Betriebsbereich nahezu konstante Menge Dieselkraftstoff
bewirkt dabei die Zündung der Ethanolrnenge, die der jeweils geforderten Leistung entsprechend eingespritzt wird.
*)nach Wolf [5]
Tafel l. Kennwerte alternativer und konventioneller Kraftstoffe.
208
Grundl. Landtechn ik Bd. 37 ( 1987) Nr. 6
Im Gegensatz zum Ethanol, das durch Zusätze oder Motoranpassung sowohl in Otto- als auch in Dieselmotoren Verwendung finden kann, ist Pflanzenöl als Kraftstoff in Ottomotoren überhaupt
nicht einsetzbar. In Dieselmotoren ist Pflanzenöl als Kraftstoff
grundsätzlich einsetzbar, da es eine ausreichende bis gute Zündwilligkeit besitzt,jedoch sind auch hier bestimmte Grenzenge setzt. Sie sind durch die hohe Viskosität gegeben, die eine Kraftstofförderung bei Temperaturen um den Gefrierpunkt bereits unmöglich macht oder zumindest behindert , und durch die Neigung
zur Rückstandsbildung bei der Verbrennung , die insbesondere in
den Dieselmotoren mit direkter Einspritzung einen Betrieb über
längere Zeit unmöglich macht [9 ).
Motoren mit Vor- und Wirbelkammer neigen etwas weniger zur
Rückstandsbildung, größere Motoren reagieren weniger empfindlich als kleine Motoren und geringere Anteile als Zumischung zu
Dieselkraftstoff sind weniger schädlich als hohe Anteile oder Pflan zenöl als Alleinkraftstoff.
Die genannten Nachteile bei Einsatz von Pflanzenöl als Kraftstoff
sind bisher allein durch die Umesterung des Öles mit Ethanol oder
Methanol zu Ethyl- bzw. Methylester zu vermeiden [9 , 1O). Die
Ester haben eine geringere Viskosität als das öl sowie eine höhere
Zündwilligkeit als das öl und sogar als Markendieselkraftstoff.
Pflanzenölester sind in jedem Verhältn is mit Dieselkraftstoff
mischbar und in allen Dieselmotoren ohne Änderungen oder Anpassungen am Motor gleich gut verwendbar.
Abweichend von den bisherigen Motoren mit direkter Einspritzung
soll ein von der Firma Eisbett-Konstruktion neu entwickelter Motor mit Direkteinspritzung ("Elko-Motor") voll tauglich für den
Pflanzenölbetrieb sein. Dieser Motor befindet sich in der Erprobung und ist auf dem Markt noch nicht erhältlich.
c
0
E
..c
GI
0
Motorbelastung bei der Emissionsmessung
Neben der Betriebssicherheit wird zunehmend auch das Emissionsverhalten von Motor und Kraftstoff zum wesentlichen Kriterium .
In Anbetracht des konzentrierten Auft retens von Emissionen in
städtischen Bereichen werden Emissionsmessungen für Pkw und
Nutzfahrzeuge vorwiegend in sogenannten Stadtfahrzyklen (z.B.
FTP-75 oder ECE-R 15 /03 1l) vorgenommen . Ackerschlepper weisen aber bezüglich Einsatzort und Geschwindigkeitsspektrum völlig
andere Betriebsbedingungen auf, so daß diese Meßvorschriften
nicht anwendbar sind. Ein entsprechendes die speziellen Betriebsbedingungen von Schleppern berücksichtigendes Emissions-Meßverfahren ist bisher nicht vorgeschrieben oder vorgeschlagen
worden.
Um das Emissionsverhalten von Schleppermotoren bei Betrieb mit
unterschiedlichen konventionellen und alternativen Kraftstoffen
sachgerecht bewerten und vergleichen zu können , ist ein Testverfahren notwendig , das die Emissionsmessung bei Bedingungen festlegt , die dem täglichen praktischen Einsatz von Schleppern entsprechen. Das Verfahren soll zudem einwandfrei reproduzierbar sein,
es soll geringen Aufwand an Einrichtungen , Zeit und Kraftstoff
erfordern , d.h. kostengünstig sein, und als Grundlage einer eventuellen späteren gesetzlichen Regelung dienen können.
Die Überlegungen zur repräsentativen Belastung der Motoren während der Emissionsmessung führten zu dem nachfolgend beschriebenen, als "5-Punkte-Test" bezeichneten Testverfahren . Die Wahl
der Motorbelastung basiert auf einer Untersuchung von We/schof
[ 11], nach der die Belastungen von Ackerschleppermotoren im
praktischen , landwirtschaftlichen Betrieb sich überwiegend 5 Punkten des Motorkennfeldes, Punkte A bis E in Bild 1, zuordnen lassen. Dabei entfallen auf die einzelnen Betriebszustände , die durch
die Motorauslastung und die re lative Drehzahl (jeweils bezogen
auf den Nennwert) charakterisiert werden , die in Tafel 4 angegebenen Zeitanteile des Schleppereinsatzes. Mit diesen bezogenen
Werten lassen sich für jeden beliebigen Schlepper die seiner Nennleistung und Nenndrehzahl entsprechenden Lastwerte auf einem
Prüfstand einstellen.
Gr undl. Landtec hn ik Bd. 37 (1987) Nr. 6
60
:J
<{
1
t.O 0
~
20
ö
~
r el. Motordrehzah l
Bild 1. Kennfeld eines Schleppermotors mit den 5 häufig genutzten Betriebspunkten A bis E; nach Welschof [ 11 ).
M otor·*
Laststufe
Auslastung
rel. Dre hmoment*
rel.
Drehzahl*
Zeit anteil
A rt der Arbeiten
%
%
%
A
84
88
95
31
Pf lügen und schwere
Za p fwellena rbeiten
B
41
48
85
18
normale Zapfwe ll enarbeiten
Transporte im Feld
und auf Feldwegen
c
21
40
53
19
Pflegearbeite n ohne Zapfwe lle
langsame Arbeiten,
teilweise mit Kriechgängen
D
15
15
100
20
Straße ntransporte, Rangieren
E
0
0
40
12
L eerlaufa ntei le aus
allen A rbeiten
A lle
A rbeiten
Im Mittel:
Im Mittel:
Im Mittel :
Summe:
3. Emissionsmessungen an Schleppermotoren
3 .1
% Ol
c
100 v;:::J
0
80 f,/\
GI
E
41
47
79
%
100
• bezogen auf Nennwerte bei Nenndrehzahl
Tafel 4. Charakteristische Betriebspunkte des Schleppermotors bei
verschiedenen Arbeiten und Zeitanteil ihrer Nutzung; Schlepperklasse 50- 75 kW , nach Welschof( 11).
Die Belastungsanteile der Tafel 4 wurden von Welschof an Schleppern der mittleren Leistungsklasse (etwa 50- 75 kW Ne nnleistung)
ermittelt. Es erscheint zulässig , diese Werte auch für kleinere und
größere Schlepper zu verwenden, da die Abstimmung de r Ge räte
auf die Schlepperleistung - z.B. Zahl de r Pflugschare, Arbeitsbreiten , Anhänger-Nutzlasten - zu etwa der gleichen Auslastung
relativ zur Nennleistung führt.
Da in vielen Betrieben jedoch mehrere Schlepper vorhanden sind,
zwischen denen eine Arbeitsteilung vorgenommen wird, so können
sich für größere und kleine re Schlepper auch andere Spektren der
Belastung ergeben, wie sie von Logos [ 12] vorgestellt wurden,
Tafel S. Logos weist jedoch selbst darauf hin , daß diese Werte
noch auf breiterer Basis bestätigt werden müssen .
1
Fede ral T es t Procedure, in den USA festgelegtes Te stverfahren
) FTP
ECE-R Reglem ent der Europ. Wirtsc haftsgemeinschaften
209
Motor-Auslastung*
rel. Drehzahl*
2
Zeitanteil
2
Art der Arbeiten
%
%
%
%
%
%
%
3
%
%
A
76
84
87
92
95
95
28
31
49
Schwerer Zug
Pflügen
Schwere Zapfwellenarbeiten
8
45
41
35
82
85
86
24
18
15
Normale Zapfwellenarbeiten
Transporte auf Feld und Feldwegen
c
32
21
20
56
53
51
22
19
9
D
24
15
12
88
100
91
12
20
16
Straßentransporte
Rangieren
E
0
0
0
38
40
35
14
12
11
Leerlaufantei l auf Laststufe A ... D
Laststufe
Alle
Arbeiten
1
2
im Mittel
3
42 1 41 1 56
1
3
im Mittel
73 1 79 1 82
1
Pflegearbeiten ohne Zapfwelle
langsame Arbeiten
Summe
100 1 100 1 100
*bezogen auf Nennwerte bei Nenndrehzahl ; 1 25-50 kW; 2 50-75 kW; 3 75-100 kW
Tafel 5. Charakteristische Betriebspunkte von Schleppermotoren und Zeitanteil ihrer Nutzung für Schlepper - verschiedene Leistungsklassen; 1 PN = 25 - 50 kW (nach Logos [1 2]) 2 PN = 50- 75 kW (nach Welschof[ll]) 3 PN = 75- 100 kW (nach Logos [1 2]).
Für einen Vergleich der Emissionen von alternativen und konventionellen Kraftstoffen in einem Motor ist es von untergeordneter
Bedeutung, welches der Belastungsspektren - nach Welschof
oder nach Logos - durchgängig bei der Messung Anwendung
findet. Sollen abe r Grenzwerte für die Emissionen vorgeschrieben
werden, dann sind sie nur in Verbindung mit klar definierten Prüfbzw. Belastungsbedingungen festzulegen.
3 .2
Ablauf der Messungen -
Fehlermöglichkeiten
Für die Durchführung der Emissionsmessung ist es vorteilhaft, daß
Schlepper mit Zapfwellen ausgerüstet sind. So ist es möglich, unter Berücksichtigung der Getriebeverluste die Belastungen an der
Zapfwelle mit einfachen, preiswerten Zapfwellenbremsen aufzubringen und einzustellen . Kostenintensive Rollenprüfstände erübrigen sich.
Die 5 Betriebspunkte eines Schleppers werden nacheinander eingestellt und nach Erreichen eines konstanten Laufes die einzelnen
Schadstoffkonzentrationen sowie der Abgasstrom (Abgasmenge
pro Zeiteinheit) für den jeweiligen Punkt gemessen. Aus der Schadstoffkonzentration, dem Abgasstrom und dem Zeitanteil aus
Tafel 4 läßt sich damit für jeden Betriebspunkt und jeden Schadstoff die anteilige Schadstoffmenge pro Zeiteinheit, d .h. der anteilige Emissionsstrom errechnen. Die Addition der anteiligen Emissionsströme ergibt den gesamten Emissionsstrom des Schleppers
für jeden Schadstoff, d.h. die während einer Zeiteinheit bei durchschnittlichem, gemischtem Einsatz emittierte Schadstoffmenge.
Sie ist die für die Umwe ltbelastung charakteristische Größe.
Die durch Abweichungen der Prüfbelastungen von den Praxisbelastungen sich für die Emissionsmessung ergebenden Fehler müssen
im Verhältnis zu den sonstigen Fehlermöglichkeiten gesehen werden. Bei einem ve rgleichbaren Fahrtest für Pkw (FTP-72) ist z.B.
beim Nachfahren einer vorgegebenen Geschwindigkeitskurve auf
dem Rollenprüfstand eine Abweichung von ± 3 ,2 km/h zugelassen.
Die mittlere Geschwindigkeit des Tests beträgt 31,7 km/h, d.h.
daß allein bei diesem Parameter der Prüfung Abweichungen von
± 10 % unbeanstandet (und im Ergebnis unberücksichtigt) bleiben.
210
NachHauschulz u.a. [1 3) ergeben sich für die zufälligen Fehler bei
den einzelnen Abgaskomponenten die in Tafel 6 dargestellten
Werte. Dabei bezeichnet sw die Meßstreuungen bei wiederholter
Prüfung mit denselben Einrichtungen und sv die Meßstreuungen
bei Vergleichsprüfungen mit unterschiedlichen Einrichtungen für
die Abgas- und Verbrauchsmessungen.
5w
Meßgröße
HC
CO
sv
5 ... 15
10 . . . 20
15 . .. 25 20 ... 35
NOx
5
VK
3.
„.
„
8
8 . .. 12
5
5 . . . 15
Tafel 6. Meßwertstreuungen (in %) bei der Messung verschiedener
Abgaskomponenten und des Kraftstoffverbrauchs VK ; sw bei wiederholter Prüfung mit gleichem Gerät , Sv bei Vergleichsprüfungen
mit verschiedenen Geräten; nachHauschulz u.a. [13).
Im Gesamtsystem der Automobilabgasmessung tragen viele Einzelkomponenten mit unterschiedlichem Gewicht zur Streuung der
Ergebnisse bei [13), Bild 2. Vergleicht man das Vorgehen beim 5Punkte-Test mit dieser Darstellung, so werden etwa 25 % des Gesamtfehlers ve rmieden. Der Fahrer und seine Fehler beim Nachfahren des Zyklus entfallen, der Belastungswert wird an der Bremse entsprechend der Anzeigegenauigkeit präzise und ohne zeitliche
Beschränkung eingestellt. Der aufwend ige und teure Rollenprüfstand wird durch eine elektrische oder eine Wasserwirbelbremse ersetzt , und eine direkte Zuleitung zu den Analysegeräte'n tritt an
die Stelle der Probenahme nach dem Beutelsammelverfahren oder
der Anwendung eines Verdünnungstunnels.
Grundl. Landtechnik Bd . 37 (1987) Nr . 6
Umwelt----~---­
parameter
Fahrer
Rollenprüfstand
Probenahme
!Sammelbeutel 1
Prüfgase
Analysatoren
·Bediener
Auswertung
Aggregat
(Motor/Fah rzeug)
Bild 2. Anteil einzelner Fehlerquellen am Gesamtfehler (in %) bei
Emissionsmessungen an Kraftfahrzeugen entsprechend FTP-75;
nach Hauschulz u.a. [13].
Bei der Emissionsmessung in 5 verschiedenen Betriebspunkten
kann auch die Gasanalysenanlage einfacher und dadurch preiswerter gestaltet werden. Das Nullen und Kalibrieren der Geräte kann
nacheinander von Hand erfolgen. Die konstante beliebig lange beibehaltene Belastung erlaubt die Beobachtung des Einpendelns des
Meßwertes und ein Ablesen der Anzeigegeräte nacheinander. Es
entfällt somit der Aufwand für die Elektronik zum automatischen
Abgleich und zum schnellen , zeitgleichen Erfassen und Registrieren der Meßwerte. Verschmutzungen der Leitungen und Analysengeräte (sog. hang-up) fallen beim Handabgleich durch das häufig
erforderliche Nachjustieren bald auf, so daß auch der zufällige
Fehler der Meßergebnisse geringer gehalten werden kann als bei
automatischem Abgleich .
3 .3
Aufbau der Gasanalysen-Anlage
Eine derartige " handbetriebene " Gasanalysen-Anlage zeigt Bild 3 .
Sie wurde entsprechend den Erfahrungen bei der Emissionsmessung in der Automobilindustrie zusammengestellt. Sie enthält im
unteren Teil der beiden 19-Zoll-Schränke die Gasaufbereitung, im
linken oberen Teil die Geräte für die CO-, C0 2 - und OrMessung
und im rechten Schrank die Geräte für die HC- und NOx -Messung
sowie die Ventile zur Aufschaltung der verschiedenen Gase (Probe-,
Null- und Kalibriergas) und die Rotameter zur Einstellung und
Kontrolle der Gasdurchflüsse. Das Gestell trägt neben den beiden
Schränken die Stahlflaschen mit den Betriebs-, Null- und Kalibriergasen. So ist die komplette Anlage auf den untergeschraubten Rollen im Labor leicht beweglich und gut mit einem Kran oder Schlepperfrontlader zu verladen. Auf diese Weise ist die Anlage auch über
größere Strecken auf einem Pkw-Anhänger leicht und schnell
transportabel .
Im Schema der Anlage , Bild 4, ist dargestellt, daß der Anschluß
der Analysenanlage an den Motor durch zwei getrennte Schlauchleitungen aus wärmebeständigem Material (Viton) an der Abgasleitung nahe am Motor erfolgt. Sie sind wärmeisoliert und führen
das Abgas auf kurzem Wege zu den beheizten Filtern im Wärmeschrank (sog. Heißer Hund). Hier werden alle festen Partikel wie
Ruß , Staub, Rost und Verbrennungsrückstände zurückgehalten .
Nachgeschaltete Ventile erlauben es, die Filter mit Preßluft freizublasen (rückzuspülen) , ohne die Meßgeräte durch Oberdruckzugefährden. Außerdem kann über diese Ventile Null- oder Kalibriergas aufgegeben werden, um die Meßgeräte einschließlich der Zuleitungen vom Heißen Hund zum 3chrank zu kalibrieren und evtl.
vo rhandenen "hang-up" in den Leitungen festzustellen.
Im weiteren Verlauf sind zwei Wege zu unterscheiden: der des
heißen Gases durch eine beheizte, auf 190 oc thermostatierte
Leitung zum HC-Meßgerät und der des kalten Gases zu den übrigen Analysegeräten. Mit der Beheizung des Gasweges bis zum und
durch das HC-Meßgerät soll eine vorzeitige Kondensation von Anteilen der Kohlenwasserstoffe vermieden werden. Das Meßgerät
arbeitet nach dem Prinzip des Flammen-Ionisations-Detektors
(FID) , d.h. das Probegas wird einer Flamme (Brenngas Helium /
Wasserstoff) zugeführt, die in einem elektrischen Feld brennt. Die
Kohlenstoff-Anteile verändern durch Ionisation das elektrische
Feld, so daß durch Messung der Feldänderung der Kohlenwasserstoff-Gehalt bestimmt werden kann . Die Kalibrierung erfolgt mit
Propan (C 3 H8). Die Förderung der Abgasprobe zum FID erfolgt
mit einer im Meßgerät integrierten , beheizten Pumpe , die das Gas
ansaugt und der Meßstrecke mit geregeltem Druck zuführt. Um
diesen Vordruck erreichen zu können, ist es erforderlich, die
Druckverluste in der Ansaugleitung vor der Pumpe durch ausrei·
chenden Querschnitt der beheizte n Leitung genügend klein zu
halten .
Auf dem anderen unbeheizten Weg wird das Probegas mit einer
Pumpe zunächst einem Kühler zugeführt und durch Kondensation
entfeuchtet, damit die feinen Küvetten der nachfolgenden Analysatoren nicht durch Wassertröpfchen (aus dem Verbrennungswasser) verstopft werden . Zur Vermeidung von Korrosion in der Pumpe wird der Pumpenkopf beheizt. Nach dem Kühler wird das Probegas verteilt und über die Ventile und Rotameter den einzelnen
Analysatoren mit dem vorgeschriebenen , erforderlichen Volumenstrom zugeführt. Der überschüssige Volumenstrom wird über ein
einstellbares Nadelventil als Bypaß ins Freie abgeleitet.
Die Meßgeräte für C0 2 und CO arbeiten mit nicht-dispersem infra.
rotem Licht (NDIR-Verfahren) . Der Probegasstrom wird jeweils
auf zwei gleiche durch Küvetten fließende Teilströme aufgeteilt
und einer dieser Ströme mit infrarotem Licht, dessen Wellenlänge
auf die Meßkomponente abgestimmt ist, bestrahlt. Dadurch erwärmt sich dieser Teilstrom , und es kommt in einem Verbindungskanal der beiden Küvetten zu einer Ausgleichsströmung, die durch
einen Mikroströmungsfühler gemessen wird und ein kalibrierfähiges Maß für den Gehalt der Meßkomponente ist.
Das OrMeßgerät nutzt den Paramagnetismus (PM) der Sauerstoffmoleküle. In einem Gasstrom, der Sauerstoffmoleküle enthält ,
wandern unter dem Einfluß eines Magnetfeldes die 0 2-Moleküle
zu Gebieten höherer Feldstärke. Es entsteht ein Druck, der in
einem Verbindungskanal zur Strömung eines Vergleichsgases ohne
Sauerstoffgehalt eine Strömung erzeugt , die wieder mit Hilfe von
Mikroströmungsfühlern gemessen werden kann. Als Vergleichsgas
dient N2 .
Bild 3. Anlage zur Abgasanalyse bei Ackerschleppern im Institut
für Biosystemtechnik.
Grundl. Landtechnik Bd. 37 (1987) Nr . 6
Die Stickoxid-Messung erfolgt mit einem Chemilumineszens-De·
tektor (CLD). Grundlage dieses Prinzips ist die Tatsache, daß bei
der Oxidation von NO zu N0 2 etwa 10 % der N0 2-Moleküle in
einen elektronisch angeregten Zustand gelangen, aus dem sie sofort
in den nicht angeregten Zustand zurückkehren , wobei Photonen
ausgesendet werden (Lumineszenz). Diese werden bestimmt und
sind ein Maß für den NO-Gehalt. Zur Bestimmung des Gesamtgehaltes an NOx (NO+ N0 2) wird die Probe zunächst durch einen
Konverter geleitet , wo N0 2 zu NO reduziert wird . N0 2 wird als
Differenz aus der Messung von NOx und NO errechnet. Der CLD
benötigt 0 2 als Betriebsgas , aus dem im Gerät Ozon für die Oxida211
Abgas
c
"'
~
·;;
behe izter
~
"'a.
>
beheizte
Leitung
aJ
02
Prüfgas
Probegasleitung
Bild 4 . Schema der Gasanalyse-Anlage von Bild 3.
tion von NO zu N0 2 erzeugt wird . Wegen des Anteils an giftigem
Ozon im Abgasstrom des Gerätes ist für eine sichere Ab leitung mit
ozonbeständigen Werkstoffen ins Freie zu sorgen.
4 . Ergebnisse von Emissionsmessungen
Die Ergebnisse eines Kraftstoffvergleichs auf der Basis des 5-Punkte-Tests mit der beschriebenen Abgas-Analysen-Anlage sind in
Bild 5 dargestellt. Als Schlepper stand ein Fendt Farmer 306 LSA
zur Verfügung, der serienmäßig mit dem MWM-Motor 226.4 mit
einer Nennleistung von 52 kW bei einer Nenndrehzahl von
2200 min- 1 ausgerüstet ist. Als Vergleichskraftstoffe wurden Dieselkraftstoff (a), Me thylester von Rapsöl (b) und ein Mischkraftstoff (c) aus 80 % Dieselkraftstoff, 5 % Methylester von Rapsöl
und 15 % Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen (96 %ig) verwendet . Da Ethanol die Zündwilligkeit der Mischung senkt, wurde
auch die gleiche Mischung mit einem Zusatz von 1,5 % Kerobrisol
als Zündbeschleuniger (Mischkraftstoff d) untersucht.
300
E
e
g/h
eo
NO .
Vi 200
"'
"'
E
c
0
·;;;
UJ
100
0
ab c d
ab c d
a bc d
Bild 5. Emissionswerte eines Ackerschleppers beim 5-Punkte-Test
mit Dieselkraftstoff und 3 verschiedenen alternativen Kraftstoffen ; Motor : MWM , VH = 4 ,154 !, nN = 2200 min- 1, PN = 52 kW.
a
b
c
d
Dieselkraftstoff (DK)
Methyles ter von Rapsöl (ME)
Mischkraftstoff (DK/ ME/ Ethanol (EA) = 80/ 5/ 15 %)
Mischkraftstoff (DK/ ME/EA = 80/ 5/ 15 %) + 1,5 % Zündbeschleuniger
*) Der Verfasser dankt seinem Kollegen Dipl.-Ing. Gerd-Jürgen Mejer für
die Beratung und Unterstützung bei der Inbetri ebnahm e der GasanalysenAnl age.
2 12
Die Ergebnisse zeigen, daß die Emissionen der verglichenen Kraftstoffe im Rahmen der erreichbaren Meßgenauigkeit als gleich einzustufen sind. Die einzige , auffallende Abweichung ist in der höheren CO-Emission des Kraftstoffes c zu sehen. Sie deutet auf eine
etwas verschlechterte Verbrennung hin und ist offensichtlich eine
Folge der durch den Alkohol verminderten Zündwilligkeit. Wie
die Ergebnisse für Kraftstoff d zeigen , ist dieser Nachteil durch
die Zugabe eines Zündbeschleunigers auszugleichen . Möglicherweise kann eine Änderung der Einspritzzeit die gleiche Wirkung
haben , so daß die geringe Erhöhung der CO-Emission nicht als ein
genere ller Nachteil des Kraftstoffs, sondern als Folge mangelnder
Abstimmung zwischen Motoreinstellung und Kraftstoffeigenschaften anzusehen wäre. Die untersuchten alternativen Kraftstoffe sind also in ihrem Emissionsverhalten dem konventionellen
Dieselkraftstoff gleichzusetzen.
5. Zusammenfassung
Für Ethanol und Pflanzenöl gibt es eine Reihe verschiedener Einsatzmöglichkeiten als alternative Kraftstoffe . Ihre spezifischen
Eigenschaften erfordern dabei mehr oder weniger umfangreiche
Maßnahmen zur gegenseitigen Anpassung von Kraftstoff und
Motor.
Zur Ermittlung der Emissionen bei der Verwendung der Kraftstoffe in Schleppermotoren wird ein 5-Punkte-Test vorgeschlagen
und die für die Messungen benutzte Abgas-Analysen-Anlage beschrieben. Betrachtungen über die bei den Messungen möglichen
zufälligen Fehler zeigen Vorteile dieses Tests. Meßergebnisse belegen , daß die Emissionsströme bei alternativen Kraftstoffen und
konventionellem Dieselkraftstoff etwa gleich groß sind.
Schrifttum
Bücher sind durch • gekennzeichnet
[ 1 ]• Bundesministerium für Ernährung , Landwirtschaft und
Forsten: Status-Seminar zum Forschungsprogramm Nachwachsende Rohstoffe. Schriftenreihe des BML, Reihe A:
Angewandte Wissenschaft , Sonderheft.
Münster-Hiltrup: Landwirtschaftsverlag 1985.
[ 2 J• Bundesministerium für Forschung und Technologie (Hrsg.):
Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und
Forsten: Expertenkolloquium: Nachwachsende Rohstoffe
- Möglichkeiten und Grenzen einer Produktion und Verwendung heimischer Pflanzen für die Industrie.
Bonn , 1986.
Gru ndl. Landtechnik Bd. 37 ( 1987) Nr. 6
[ 3 J Batel, W., M. Graef, G.-J. Mejer, F. S choedder u. G. Vellguth:
Äthanol aus nachwachsenden Rohstoffen als alternativer
Kraftstoff für Fahrzeuge.
Grund!. Landtechnik Bd . 31 (1981) Nr. 4 , S. 125 /37 .
[ 4] Batet, W., M. Graef, G. -J. Mejer, R. Möller u. F. Schoedder:
Pflanzenöle für die Kraftstoff- und Energieversorgung.
Grund!. Landtechnik Bd. 30 (1980) Nr. 2, S. 40/51.
[ 5 l Wolf, W.: Alkohole und ihre motorische Verbrennung.
Erdöl und Kohle, Petrochemie , Ergänzungsband COMPENDIUM 1974/75, S. 666/68.
[ 6 J Erste Golf-Fahrzeuge fahren mit Alkohol-Diesel-Mischung .
Motortechn . Zeitschr. MTZ Bd . 43 (1982) Nr. 12 , S. 564.
[ 7 ] Mischke, A ., H. Hardenberg u. A . Schäfer: Aspekte alternativer Kraftstoffe für Dieselmotore.n.
Automobiltechn. Zeitschr. ATZ Bd . 82 (1980) Nr. 12 ,
s. 633/38.
[ 8] Dietrich, W. u. A . Schönbeck: Das MWM-ZündstrahlAlkohol-Brennverfahren.
Motortechn . Zeitschr. MTZ Bd . 43 (1982) Nr. 12, S. 583/88
u. 591.
[ 9 ] Vellguth, G. : Eignung von Pflanzenölen und Pflanzenölderivaten als Kraftstoff für Dieselmotoren.
Grund!. Landtechnik Bd. 32 (1982) Nr. 5, S. 177/86.
[ 10 ] Vellguth, G. : Methylester von Rapsöl als Kraftstoff für
Schlepper im Praxiseinsatz.
Grund!. Landtechnik Bd. 35 (1985) Nr. 5, S. 137/41.
[ 11 J• Welschof, G.: Der Ackerschlepper - Mittelpunkt der
Landtechnik.
_
VDI-Bericht Nr. 407 , S. 11 / 17. Düsseldorf: VDI-Verlag
1981.
.
[ 12 J L ogos, J.N.: Ackerschleppermotoren. Stand der Technik,
Entwicklungstendenzen.
Landtechnik Bd. 38 (1 983) Nr. 11 , S. 474 u. 479 /80.
[ 13 J•Hauschulz, G., H.-J. Heich, P. Leisen, J. Raschke,
H. Waldeyer u. J. Winckler: Emissions- und Immissionsmeßtechnik im Verkehrswesen .
Köln : Verlag TÜV Rheinland 1983.
Stallinterne Beeinflussung der Gesamtemission aus Tierhaltungen
Von Jan Janssen und Karl-Heinz Krause,
Braunschweig-Völ kenrode *)
Mitteilung aus dem Institut für Biosystemtechnik der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft, Braunschweig-Völkenrode
Professor Dr.-1 ng . Wilhelm Batel zum 65. Geburtstag
DK 631.22:614.718:519.876.5
1. Einleitung und Aufgabenstellung
Vor dem Hintergrund von Geruchsbelästigungen im Umfeld von Tierhaltungen sind emissionsmindernde Maßnahmen schnell gefordert. Wenn solche Maßnahmen an
den Quellen selbst ansetzen sollen, ist es wichtig zu wissen, wie stallintern die Beeinflussung der Gesamtemission
erfolgt. Über die Kompartimentalisierung des Stalles in
vier Teilbereiche wird versucht, das interne Geschehen
aufzuspüren. In dieser Stallsimulation werden die Transferraten zwischen den Kompartimenten so bestimmt,
daß publizierte Meßdaten in der Stallabluft "nachgefahren" werden. Die Modellkalibrierung erfolgt zunächst
anhand von Olfaktometerwerten. Sodann wird auf physikalische Meßgrößen abgehoben, hier die Ammoniakkonzentration. Je nachdem, von welcher Seite man das
Problem angeht, zeigen sich unterschiedliche Wichtungen im Einfluß der einzelnen Kompartimente auf die
Gesamtemission.
*)Dipl.-Ing. J. Janssen und Dr.-Ing. K.-H. Krause sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Biosystemtechnik, ehemals
Institut für land technische Grundlagenforschung (Leiter: Prof
Dr. -Ing. W. Batet) der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft,
Braunschweig-Völkenrode.
Grundl. Landtechnik Bd . 37 (1987) Nr. 6
Mit der Entwicklung zur lntensivtierhaltung in Ställen haben sich
Haltungsformen herausgeschält , die stark von arbeitswirtschaftlichen Gesichtspunkten geprägt sind : einstreulose Spaltenböden in
der Schweinemast und Flüssigmistlagerung über einen längeren
Zeitraum . In der Versorgung und Entsorgung eines Tierhaltungsbetrieb es gibt es allerdings auch Abläufe , die ohne direkten Einsatz menschlicher Arbeitskraft sich vollziehen . So müssen für einen
tiergerechten optimalen Klimazustand die Ställe ausreichend mit
Frischluft versorgt werden , was über eine Ventilatorsteuerung oder
gar -regelung erfolgen kann . Die dazu erforderlichen Lüftungsraten
bedingen Abluftemissionen , die mit Stoffwechsel- und Gärprodukten angereichert sind [ 1] .
Die Luftverunreinigungen sind eine unvermeidliche Begleiterscheinung der Nutztierhaltung. Die Verminderung oder Beseitigung der
Geruchsstoffemissionen ist zu einem akuten Problem der modernen Tierhaltung geworden , dokumentiert in den zahlreichen nachbarschaftlichen Rechtsauseinandersetzungen , die ihr Analogon in
der industriellen Fertigung suchen. Immissionsschutzbehörden,
orientiert an der Industrie , versuchen ihre Erfahrungen von daher
auf den Agrarsektor zu übertragen - mit Hilfe der TA-Luft [2].
Die TA-Luft sagt über landwirtschaftliche Emissionen nichts aus .
Die einzigen Regelwerke , die sich dieser Problematik angenommen haben , sind die VDI-Richtlinien 3471 [3] und 3472 [4] über
Emissionsminderungen in der Schweine- bzw . Hühnerhaltung. Die
angesprochenen VDI-Richtlinien beschreiben das Emissionsgeschehen , ohne sich auf eine Quantifizierung einzulassen . Hier besteht eine Lücke , die es zu schließen gilt, wenn die landwirtschaftlichen Emittenten faßbar , in ihrer Umweltrelevanz einschätzbar
werden sollen. Die bislang geübte Praxis, ab einer bestimmten Tier213