ETH-Vorlesung Agrartechnik II - Agroscope · aufgebaut auf Hoflader Schäffer 4042 0 50 100 150 200...

Eidgenössisches Departement für Wirtschaft, Bildung und Forschung WBF

Agroscope

13. April 2017

ETH-VorlesungAgrartechnik II

Motortechnik

Marco Landis

2

Mit äusserer

Verbrennung

Dampfmaschine

Dampfturbine

Stirlingmotor

Mit innerer

Verbrennung

Hubkolbenmotor

Drehkolbenmotor

Gasturbine

Benzinmotor

(Ottomotor)

Dieselmotor

Verbrennungskraftmaschinen

Marco Landis | Agroscope INH Tänikon

Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung

3

Drehmoment

am

Schwungrad

Funktionsprinzip Verbrennungsmotor



4

Benzin- und Dieselmotor

Charakteristik Vorteil Nachteil

Ben

zin

mo

tor

Äussere Gemischauf-bereitung

Fremdzündung

Verdichtung um 10:1

Lastregulierung durch Drosselung

λ bleibt ungefähr gleich: 0,9 .... 1,1

hohe Leistungsdichte

guter Vollastverbrauch

gute Abgasbehand-lungsmöglichkeiten

schlechter Teilwirkungsgrad

schlechte Emissionen (ohne Nachbe-handlung)

Die

se

lmo

tor

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

hoher Preis

grosses Gewicht

laut

„träge“ (ohne Aufladung)

schlechte Emissionen (ohne Nachbe-handlung)



5

Funktionsablauf eines Viertaktmotors

Ansaugen Verdichten Arbeiten Ausstossen



6

Volllastkennlinie



7

Interpretation Kennlinie



8

Interpretation Kennlinie



9

-- Linien gleicher Leistung

-- Linien mit gleichem spezifischem

Treibstoffverbrauch (g/kWh)

B

A

A: 92 % Last

65 % Drehzahl

207 g/kWh spez. Verbrauch

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 %

Motorkennfeld



10

Abgasbestandteile

Abgasbestandteile bei Volllast

Kohlendioxid

Stickstoff

Wasserdampf

Sauerstoff

Stickoxide

Kohlenmonoxid

Kohlenwasserstoffe

Schwefeldioxid

Partikel

Abgas

99.6%Schadstoffe

0.4%

Abgasbestandteile bei Volllast



11

Kohlenmonoxid COgiftig, 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 HCverschiedene 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

CO, HC



12

Stickoxide NOxZusammenfassung 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

NOx



13

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



14

Lungengängigkeit der Partikel

Quelle: HUSS Umwelttechnik Nürnberg)



15

Gesetzgebung für Traktoren und Motorkarren

Quelle: BAFU 2012: Entwicklung der CH-Gesetzgebung im Bereich der Abgasemissionen von Motorfahrzeugen und Maschinen



16

Dieselrusspartikel aus Landwirtschaft rund 19 %

38%

14%

13%

1%

2%

6%

3%

19%

1% 0% 2%1% 0%

Dieselrussanteile Verkehr und Nonroad 2010

Personenwagen

leichte Nutzfahrzeuge

schwerer Nutzfahrzeuge

Reisebus

Linienbus

Baumaschinen

Industrie

Landwirtschaft

Forstwirtschaft

Gartenpflege/Hobby

Schiffe

Schiene

Militär

Gesamt: 1'669 t/JahrDavon 300 t von LW

Landwirtschaft

Quelle: BAFU 2013 Entwicklung der CH-Gesetzgebung im Bereich

der Abgasemissionen von Motorfahrzeugen und Maschinen



17

Verhalten von Russ - NOx - Kraftstoffverbrauch

spezifischer Kraftstoffverbrauch

NOxPartikel

Problematische Abgasbestandteile (Partikel und NOx)



18

Technik zum Ereichen der Stufe IIIA

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

NOx [g/kWh]

Stufe II

Stufe III A

(NOx+HC)

Stufe III BStufe IV

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

PM

[g

/kW

h]

AGR

AGR: Abgasrückführung

Leistungsklasse

75 -130 kW



19

Abgasrückführung

• 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.

Ansaugluft

AGR-Kühler

AGR-Regelventil



20

Abgasstufe 3B und 4(Einführung ab 1.1.2011)

Abgasnachbehandlung wird notwendig!

• Partikelfilter (Reduktion der Partikel)

• SCR-Systeme (Reduktion der Stickoxide)



21

Technik zum Ereichen der Stufe IIIB

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

NOx [g/kWh]

Stufe II

Stufe III A

(NOx+HC)

Stufe IIIBStufe IV

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

PM

[g

/kW

h]

be [

g/k

Wh

]

AGR

DPF

Verbrennungs-

optimierung

SCR


DPF: Dieselpartikelfilter

SCR: Selective catalytic reduction

be: spezifischer Treibstoffverbrauch

PM: Partikelmasse

NOx: Stickoxide

Leistungsklasse

75 -130 kW



22

Funktionsweise eines geschlossenen Partikelfilters

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.

Rohabgase

gereinigteAbgase

Rohabgase

gereinigteAbgase



23

Filtermaterial eines Keramikfilters

Siliziumcarbid

Quelle: HUSS Umwelttechnik Nürnberg



24

Reduktion des Partikelausstosses

Filterwirksamkeit

1

10

100

1'000

10'000

100'000

1'000'000

10'000'000

100'000'000

Messpunkt

1

Messpunkt

2

Messpunkt

3

Messpunkt

4

Messpunkt

5

Messpunkt

6

Part

ikela

nzah

l [1

/cm

3]

(lo

g)

Vor Filter

Nach Filter

Umgebung



25

Regenerationssysteme

Aktive Systeme

(periodische Regeneration)

• Elektrische Beheizung

• Diesel-Brenner

• Wechselfilter

Passive Systeme

(kontinuierliche Regeneration)

• Vorgeschalteter Katalysator

• Katalytische Beschichtung

• Additivbeimischung

beschichteter Partikelfilter

eingebaut in Lindner Geotrac 65

0

100

200

300

400

500

600

1175 1180 1185 1190 1195

Betriebsstunden [h]

Ab

gaste

mp

era

tur

[°C

]

0

100

200

300

400

500

600

Fil

terg

eg

en

dru

ck [

mb

ar]

Partikelfilter mit Dieselbrenner

aufgebaut auf Hoflader Schäffer 4042

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

585 590 595 600 605 610 615

Betriebsstunden [h]

Ab

gaste

mp

era

tur

[°C

]

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Fil

terg

eg

en

dru

ck [

mb

ar]



26

Wartung DPF

Rohabgase

gereinigte

Abgase

Abgasgegendru

ck

Zeit

US-Tier4-Vorschrift für Offroad-Dieselmotoren:

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)



27

Ascherückstände

Ölsorte normal oil Low-SAPS normal oil Low-SAPS normal oil Low-SAPS

Laufzeit [h] 553 553 415 416 674 660

Ölnachfüllung [l] 7 5.5 2 2.4 < 1 < 1

Asche [g] 76.1 28.0 13.1 7.4 17.6 7.2

Asche [g/100 h] 13.8 5.1 3.2 1.8 2.6 1.1

Veränderung Aschemenge [%]

Fendt Farmer 411 Vario Deutz-Fahr Agrotron K100 HSM 805 HD

-63% -44% -59%

Die Filterasche besteht hauptsächlich aus:

- Calciumoxid

- Phosphaten

- Sulfaten



28

SCR System

In das Abgas wird eine Harnstofflösung eingespritzt, welche im

Katalysator die Stickoxide beseitigt

Verbrauch zirka 5 % des KraftstoffverbrauchesAd-Blue

Tank

Einspritzpumpe

Motor

SCR-Katalysator

Dosierung

Eindüsung

SCR-Katalysator

4NH3 + 4NO + O2 -> 4N2 + 6H2O

2NH3 + NO + NO2 -> 2N2 + 3H2O

8NH3 + 6NO2 -> 7N2 + 12H2O

Sperrkatalysator

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

Harnstoff-Zersetzung

(NH2)2CO + H2O -> 2NH3 + CO2

(NH2)2CO -> NH3 + HNCO

HNCO + H2O -> NH3 + CO2



29

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



30

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



31

Technik zum Erreichen der geplanten Stufe V

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

NOx [g/kWh]

Stufe II

Stufe IIIA

(NOx+HC)

Stufe IIIBStufe IV

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

PM

[g

/kW

h]

be [

g/k

Wh

]

AGR

DPF

SCR


DPF: Dieselpartikelfilter

SCR: Selective catalytic reduction

be: spezifischer Treibstoffverbrauch

PM: Partikelmasse

NOx: Stickoxide

Leistungsklasse

75 -130 kW



32

SCRT-System

Oxidations-

Katalysator

Treibstofftank

Einspritzpumpe

Motor

Steuerung

p T

NOX

Ad-Blue

Tank

SCR-

Katalysator

Dosierung

Eindüsung

Sperr-

KatalysatorPartikelfilter

CO HC

PM NOX

CO2

H2O

N2

Quelle: Deutz



33

Kohlenwasserstoffe



34

Einheit Benzin bleifrei 95

SN 181162

DieselSN 181160-1

Dichte kg/m3 720 - 775 820 - 845

Viskosität bei 40°C mm2/s 2.0 – 4.0

Flammpunkt °C min. 55

Siedeverlauf 70 C 22 - 48%

100C 46 - 71%

150C min. 75%

250C 65%

350C 85%

Heizwert MJ/Liter 32.6 35.4

Oktanzahl (ROZ) / Cetanzahl - 95 min. 49 / 51

C- / H- Anteile % 87 / 13 86 / 14

Vergleich Benzin / Diesel



35

Pflanzenöl



36

Dieselverbrauch Schweiz (2011) 2 369 000 Tonnen

Dieselverbrauch Landwirtschaft 125 000 Tonnen

= 150 Mio. Liter

RME-Potenzial (25 000 t Öl) 22 Mio. Liter

entspricht Dieseläquivalent 23,5 Mio. Liter

Im besten Fall könnten ca. 1/6 des Dieselverbrauchs der

Landwirtschaft durch RME gedeckt werden

Treibstoffbedarf



37

Filtrierung Rapsöl, reines Rapsöl, Naturdiesel

Umesterung Rapsmethylester (RME, Biodiesel)

Mischung RG4A, JuniorDiesel

Drei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten:

Für die Beimischung zum fossilen Dieseltreibstoff ist nur RME

geeignet!

Rapsöl als Treibstoff



38

EinheitDiesel

SN181160-1

Naturdiesel(V DIN 51605)

RME EN 14214

Rapsöl-

mischung (RG4A)

Dichte bei 15°C kg/m3 820 – 845 900 - 930 860 - 900 864

Viskosität (40°C) mm2/s 2.0 – 4.0 max. 38 3.5 – 5.0 6.3

Flammpunkt °C min. 55 min. 220 min. 100 55

Filtrierbarkeits-

grenze (CFPP)°C -20 - 8 -30

Cetanzahl - min. 49 min. 38 min. 51 47

Heizwert MJ/kg 35.4 35.0 35.0 35.2

Spezifikation der Rapsöl-Treibstoffe


Agrartechnik II - Motortechnik | ETH-Vorlesung 2015

39

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

Umrüstung



40

Umrüstung auf Pflanzenöl



41

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

Biodiesel

FAME (Fatty Acid Methyl Ester)

Rapsmethylester RME



42

Umesterung: Chemische Verfahrenstechnik im Batch-Verfahren

Zugabe von Methanol

und Katalysator

(z.B. Natronlauge)

Heizen (50–80 °C)

und Rühren: beim

Umesterungs-

vorgang trennen sich

Methylester und

Glyzerin

Abscheiden der

Glyzerinphase

Ausdestillieren des

überschüssigen

Methanols,

„waschen“ des RME

Herstellung RME



43

Von der Glucose zum Bioethanol:

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + 117,5 kJ/mol

1 kg Glucose 511g Ethanol + 489g CO2 + 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

Bioethanol Herstellung



44

Dichte 0,8 kg/Liter

Heizwert 26,8 MJ/kg, bzw. 21,3 MJ/Liter

Benzinäquivalent 0,66 Liter

Oktanzahl 107

Ausbeute:

1 ha Getreide (5300 kg Ertrag) 1900 Liter Ethanol

1 ha Kartoffeln (34 000 kg Ertrag) 3400 Liter Ethanol

1 ha Zuckerrüben (70 000 kg Ertrag) 7500 Liter Ethanol

Bioethanol Kennzahlen



45

Zuckerhaltige Rohstoffe:

Zuckerrohr

Zuckerrübe

Stärkehaltige Rohstoffe:

Kartoffel

Getreide

Mais

Cellulosehaltige Rohstoffe:

Holz

Stroh

Altpapier / Karton

Zerkleinerung Extraktion Glucose

einfach

Maischebereitung Verflüssigung mit

Enzymen Verzuckerung Glucose

aufwändig

Celluloseaufschluss Hydrolisierung mit

Säure oder Enzymen Glucose

schwierig

Bioethanol Konkurrenz zur Nahrung?



46

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)

Bioethanol am besten beigemischt



47

Speicherung ist ein Problem

Quelle: Toyota



48

Power to Gas

Quelle: New Holland



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