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Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
Professor Horst Cerjak, 19.12.2005
1
Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Emissionen, Verkehr und Umwelt
Institut für Verbrennungskraftmaschinen
und Thermodynamik
Forschungsbereich Verkehr und Umwelt
A.Univ.-Prof. Stefan Hausberger
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
Professor Horst Cerjak, 19.12.2005
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Inhalt
• Vorstellung
• Einleitung und Regelkreis zur Senkung negativer
Umweltauswirkungen
• Grundlagen der Schadstoffbildung in der Verbrennung
• Grundlagen Abgasnachbehandlung
• Emissionsmessung
• Überblick Grenzwerte und Technologieentwicklung
• Zielkonflikte und Ursachen von „Dieselgate“
• Emissionsmessung On-Board
• Simulation von Verbrauch und Emissionen
• Rechenbeispiel Auswirkung T 140 statt T 130 auf Autobahn
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
TUG-IVT
TUG: 7 Faculties
Mechanical Engineering
IVT Head Prof. Helmut Eichlseder 114 employees (73 scientific)
Infrastructure:
12 Engine test stands
(small engines, LDV, HDV, Large Engines)
3 Chassis dynos (HDV, LDV, 2-wheelers)
2 PEMS
2 Air quality measurement stations
1 Air flow test stand
1 Injection test stand
1 Friction test stand,…..
Electrical and Information Engineering, Civil Engineering,
Architecture, Technical Mathematics & Physics,
Technical Chemistry, Computer Science
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Institute for Internal Combustion Engines and Thermodynamics (TUG-IVT)
IVT
Research Area Emissions
15 employees, head: Stefan Hausberger
Main activities: Vehicle testing, simulation and test procedure development
Simulation tools
• PHEM (Vehicle emission simulation based on longitudinal dynamics)
• NEMO (Network Emission Model for large road networks)
• Simulation tools for rail and shipping
• VECTO (EU Tool for future CO2 certification of HDV)
• CLEAR (evaluation tool for RDE on board emission tests)
Some Projects:
Future CO2 certification procedure of HDV (DG CLIMA, DG GROW), RDE test procedure
(ACEA, DG GROW), MAC-Testprocedure LDV (DG GROW),
WLTP-Correction Factors (DG GROW), HBEFA,….
6 research areas (Combustion, Engine Process,
Thermodynamics, Design, Emissions, Traffic & Environment)
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Regelkreis zur Senkung von Umweltauswirkungen
Umweltmonitoring
„Luftgütemessung“Bedarf zur
Verbesserung der
Luftqualität
O.K.
Maßnahmen bei
Hauptverursachern
(z.B.
Emissionsgrenzwerte)
Verursacher
Einhaltung von Grenzwerten
Neue Produkte
Umweltmonitoring
„Emissionssimulation“
&„Schadstoffausbreitu
ng“
Messb
ar nach
Jahren
Durchdringung der Flotte
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Messung der Luftgüte
Messstelle Wien – Taborstraße;
Quelle MA 22 Messstelle Wien – Stephansdom
Quelle MA22
Messstelle Graz-Süd
Quelle Amt der Stmk. LRMeteorologie
Gasförmige Schadstoffe
und Aerosole
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
•Verkehrsnahe Luftgütemessungen zeigen,
bei NO2 bzw. NOx teilweise hohe
Konzentrationen.
Hauptverursacher von NOx ist der Verkehr.
Trends in der Luftgütemessung
Bei Partikeln haben Abgasemissionen des
Verkehrs nur mehr geringen Anteil.
Im Mittel zeigen in Österreich alle
Schadstoffkonzentrationen sinkende
Trends
Bsp.
Messstelle
VOMP A12
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Verbrennung fossiler Brennstoffe
• Fossile Brennstoffe sind in erster Linie Kohlenwasserstoffe (HC)
Vollständige Verbrennung von H und C resultiert in H2O und CO2
Beispiel:
CH4 + 2O2 1CO2 + 2H2O
P
OHn
mCOOn
mHC nm 2222
)4
(
Nebenprodukte:
• Produkte unvollständiger Verbrennung: CO, HC, Ruß
• NOx-Bildung in Bereichen, wo hohe Temperatur und
Luftüberschuss zusammen treffen
Problematischer Zielkonflikt: hohe Verbrennungstemperaturen führen
tendenziell zu besserem Wirkungsgrad des Motors ( Thermodynamik)
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Verbrennung fossiler Brennstoffe
• Schadstoffbildung ist abhängig vom Luftverhältnis
l = List/Lmin
List bei Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmenge
Lmin Luftmenge bei stöchometrischer Verbrennung („Mindestluftbedarf“)
l <1 unvollständige Verbrennung ( CO, HC, Partikelbildung)
l = 1 stöchiometrische Verbrennung
l > 1 Verbrennung bei Luftüberschuss (NOx-Bildung)
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Verbrennung fossiler Brennstoffe
Bei Direkteinspritzung von Kraftstoffen sind
die lokalen Zustände für die Schadstoffbildung
verantwortlich!
950 K950 K
825 K825 K350 K350 K
~1600 K~1600 K ~2700 K~2700 K
ColdColdFuelFuel
WarmWarmAirAir
Rich Fuel/AirRich Fuel/AirMix phi = 4Mix phi = 4
Products of RichCombustion
NOxNOx
COCO22 & H& H22OO
Source: SAE Paper No. 1999Source: SAE Paper No. 1999--0101--05090509
Fuel-Rich Premixed Flame
Initial Soot Formation
Thermal NO Production Zone
Soot Oxidation Zone
201030-0
2
CO, UHC &CO, UHC & ParticulatesParticulates
SummarySummary of Diesel of Diesel FuelFuel Spray Spray BurningBurning
ProcessesProcesses
Kraftstoff-
einspritzung
NOx-Bildung
(T>> und l>1
Unvollständige
Verbrennungsprodukte: Ruß, HC,
CO, H2 bei l<1 und ausreichend T
Vollständige
Verbrennung bei l=1
Abbrand von Ruß, CO,
HC,.. (T> und l>1),
wenn Gemischbildung
fortschreitet
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Trends Schadstoffbildung - Ottomotor
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
2
4
6
8
10
12
14
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
CO
[%
]
Luftverhältnis l
CO [%]
HC [ppm]
NOx/3 [ppm]
lower ignition limit
upper ignition limit
pp
m
Mittelwert in Zylinder
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Trends Schadstoffbildung - Dieselmotor
0
1
2
3
4
5
6
0
250
500
750
1000
1250
1500
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
[pp
m]
Luftverhältnis l
CO ppm
HC [ppm]
NOx [ppm]
Soot [Bosch] RW
Bo
sch
Mittelwert in Zylinder
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Abgasnachbehandlung am Bsp. 3-Wegekatalysator
• Gehäuse (Canning)
• Trägermaterial (Keramik oder gewickelte Metallbleche)
• Zwischenschicht (Washcoat)
• Katalytische aktiven Schicht (Pt, Pa, Rh)
WashcoatBsp. Trägermaterial aus
stranggepresster Keramik
Washcoat mit Pt, Pa
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Abgasnachbehandlung am Beispiel 3-Wegekatalysator
22 222 CONCONO
NOx-Reduktion, z.B.:
Rohabgas
NachKatRohabgas
C
CCK
Konvertierungsgrad:
Oxidation von CO, HC, Ruß,
z.B.:
Konvertierungsgrad NOx bei Verbrennung Diesel (l > 1) in 3-Wege-Kat
nahezu Null. Alternative NOx-Katalysatoren:
Selektive katalytische Reduktion (SCR) bzw. NOx Speicherkat (NSK)
P
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Verbrennungsprodukte fossiler Brennstoffe
• Schadstoffe
– CO2 , CH4, N2O: Treibhausgase, für lokale Luftgüte nicht relevant,
global eine zentrale zukünftige Aufgabenstellung.
– Gasförmige Schadstoffe (CO, NOx, HC…) relevant für lokale Luftgüte
– Flüssige/feste Schadstoffe (Aerosole und Partikel) relevant für lokale
Luftgüte
• Reglementierung erfolgt nach Euro Klassifizierung (Euro 1 bis Euro 6)
– Vorgabe des Prüfvorganges und der einzuhaltenden Grenzwerte
– Prüfvorgang Tests unter wiederholbaren Konditionen (Prüfstände)
sowie seit EURO 6c auch „On-Board“ im realen Betrieb
– Grenzwerte abhängig vom Fahrzeugtyp (PKW, NFZ, LKW) und Jahr
der erstmaligen Zulassung
Emissionsreglementierung Fahrzeuge
P
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Emissionsmesstechnik, PKW-Rollenprüfstand
Roller test
bench
Dilution
tunnel
Dilution air Heat
exchanger
Heated
sampling line
Sampling Bags
ExhaustDilution
air
Exhaust gas
analysers
Drivers
aid
Test bed
control system
Breaked
Particulate
filter system
Filter
Blower
CO2
CO
NOx
HCRoller test
bench
Dilution
tunnel
Dilution air Heat
exchanger
Heated
sampling line
Sampling Bags
ExhaustDilution
air
Exhaust gas
analysers
Drivers
aid
Test bed
control system
Breaked
Particulate
filter system
Filter
Blower
CO2
CO
NOx
HC
CO2
CO
NOx
HC
Rolle mit el.
Bremse
Fahrer-
Leitgerät
0
10
20
30
40
50
1 6 11 16 21 26 31 36 41
Verdünnungs-
luftCVS-
Tunnel
Wärme-
tauscher
Ge-
bläse
Fahrerleitgerät
Prüfstandsbetriebssystem
Verd.-
luftAbgas
Beutel
Partikel-
messsytem
Abgas-
analysatoren
Beheizte Leitung
Sondermesstechnik
(FTIR, CPC,…)
V=konst.
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Typprüfzyklus PKW im Vergleich zu realem Fahren
Seit 09/ 2017 ist der NEDC
Testzyklus für PKW und leichte
Nutzfahrzeuge durch den WLTC
(World Harmonised Light Duty Test
Cycle) ersetzt.
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Typprüfzyklus PKW im Vergleich zu realem Fahren
Schlechte
Abdeckung
durch
NEDC
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Technologieentwicklung PKW und Grenzwerte
Verbesserte
Verbrennung
ECUs
-85%
+ Abgas-
nachbehandlung
-85%
+Systemoptimierungen
0g/km?
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
NOx Messergebnisse bei PKW
Vergleich Messergebnisse in „Real World Driving (RDE)“
Bei Diesel-PKW gab es bis
EURO 5 (seit 2009 verpflichtend)
im Flotten-Durchschnitt
keine Verbesserungen bei NOx.
EURO 6a,b haben auch ca. 6x höhere
NOx im realen Fahrbetrieb
als Grenzwert (0,08g/km).
RDE Gesetzgebung ab EU6d hilft.
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Zielkonflikte
Technologien zur Schadstoffminderung verursachen meist Mehrkosten in Herstellung
Niedere Emissionsgrenzwerte machen Einbau von extra Hardware notwendig.
Technologien zur Schadstoffminderung verursachen meist Mehrkosten in Betrieb:
• AGR führt zu Mehrverbrauch und erhöhten Partikelemissionen
• SCR braucht Ad-Blue Zudosierung
• NOx-Speicherkat benötigt Regeneration (Mehrverbrauch durch Fettbetrieb)
• Partikelfilter benötigt aktive Regeneration (Mehrverbrauch durch Heizen)
• ….
Testzyklus zur Überprüfung der Emissionsgrenzwerte muss realem Betrieb
entsprechen, sonst besteht die Gefahr, dass Emissionsminderung nur in
Testzyklus voll wirksam ist.
NEDC war ungeeignet,
neuer Zyklus (WLTP) mit On-Board Überprüfung im realen Fahrbetrieb (seit
EURO 6d-temp in 2017) brachte effiziente NOx Minderungen.
On-Board Emissionstests bei schweren Nutzfahrzeugen seit 2013 verpflichtend
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Wie funktioniert die On-Board Emissionsmessung?
• Emissionen werden am Kfz in der Typprüfung auch im realen Verkehr gemessen
Erkennen, dass ein Emissionstest läuft ist für Kfz kaum möglich
• Testfahrt soll gesamtes Spektrum an „normalem Fahren“ abdecken können
Optimierung auf enge Testbedingungen nicht mehr möglich
• Messung von NOx, CO2, CO, PN ist so möglich
• Die Emissionen [g/km] in Verhältnis zum Grenzwert = „Conformity Factor, CF“.
• Für RDE sind maximal zulässige CFs festgelegt
Beispiel RDE Test
CF = RDE Result [g/km]
Limit Value
RDE Result = Messergebnis aus Bild, das aber noch auf
„normale“ Fahrzustände normiert wurde.
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
PEMS System von
SNF in einem PKW
Aktuelles PEMS System für PKW
Reduktion Masse und
Energieverbrauch,
einfachere Bedienung.
Abgasmassenstrom aus
OBD Schnittstelle oder
mittels MFM.
Die On-Board Emissionsmessung
IVT System aus 80er Jahren
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Wiederholbarkeit von RDE Tests Beispiel: PEMS Messung Diesel PKW in RDE Trips (Graz/Ries):
• EURO 5
• EURO 6d-temp
Mäßig
Wiederholbar.
Für CO2-Limit
nicht geeignet
Limit WLTC =
80 mg/km
Limit* CF (2,1)
= 168
Limit NEDC
= 180 mg/km
Limit* CF (2,1)
= 378
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Anforderung an die EmissionsminderungskonzepteDiesel: Niedere Roh-NOx Emissionen (hohe AGR Raten)
Motornahe Abgasnachbehandlung für schnelles Aufwärmen und Niederlast
Unterboden Abgasnachbehandlung für Hochlast (hohe Abgastemperaturen und Massenströme)
NSK (NOx Speicher Kat) + Oxi-Kat
SCR (Selective Catalytic Reduction)
=De-NOx mit AdBlue
SDPF (Diesel Partikelfilter
mit SCR Beschichtung
SCR (Selective Catalytic Reduction)
=De-NOx mit AdBlue
ASC (Anti-Schlupf Kat für NH3)
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Anforderung an die EmissionsminderungskonzepteOtto: Lambda = 1 für beste Effizienz 3-Wege Kat, AGR für besseren Wirkungsgrad,
Magerbetrieb ggf. in Zukunft für noch besseren Wirkungsgrad
Anforderungen an die Techniker:
Messung aller relevanten Betriebszustände in Entwicklung unmöglich
Einsatz Simulation in Funktionen Steuer-Algroithmen sowie Entwicklung und
Absicherung nimmt stark zu
Gutes Verständnis der Grundlagen wird noch wichtiger.
OPF (Otto-Partikelfilter)
Oder 4-Wege Kat
3-Wege Kat
Zukunft: SCR und NSK?
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Energieverbrauch und Treibhausgasemissionen als globales Problem
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300 2350 2400
Jahr
An
tro
po
ge
ne
CO
2-E
mis
sio
ne
n [
Gt
C/J
ah
r]
IS92a
IS92c
S1000
S750-spät
S750
S450
S450-spät
Stabilisierung bei 1000ppmv
Stabilisierung bei 450ppmv
Zentrales
IPCC-
Durchschnit CO2 je
Einwohner:
wie Industrieländer
Durchschnit CO2 je
Einwohner:
1/2 Industrieländer
Durchschnit
CO2/Einwohner:
10% Industrieländer heute
Emissionspfade für
Stabilisierung der CO2-
Konzentration auf
verschiedenen Niveaus
IS 92e
Bild aus 1996! notwendiger
Reduktionspfad schon lange bekannt
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Grenzwertefunktion 2015
gewichteter
Trend EU2006
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
250.0
300.0
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
Referenzmasse [kg]
CO
2 [
g/k
m]
Herstellermittelwerte EU2006
gew Durschschnitt EU2006
Grenzwert 2020
Grenzwerte CO2-Emissionen
Bestehend für PKW, LNF, SNF
CO2-relevante Schwächen im NEDC-Typprüfverfahren: Bereifung bei Ausrollversuch nicht
definiert, Auswertung Ausrollversuch nicht korrekt, Toleranzen für Rollenprüfstands-
einstellungen, Testzyklusabweichungen, u.a.
Insbesondere: niedere Lasten im NEDC forcierten Verwendung von Technologien, die in diesen
Betriebsbereichen hohe Potenziale haben (Motor Start/Stop, Downsizing,…)
Im realen Fahrbetrieb meist weniger Reduktion von Verbrauch und CO2 als im NEDC
WLTC hat viele dieser Schwächen behoben
Status 2006:160
2015: 130
2020: Wechsel NEDC WLTP
Daher werden Absolut Werte aus
2020-WLTP Daten bestimmt
2025: -15% gegen 2020
2030: -37% gegen 2020
Funktion 2021
Limit ist Abhängig von
Fahrzeugmasse und gilt für
Durchschnitt aller verkauften
Kfz einer Marke
2020: 95
2037: -37% vs. 2020
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CO2-Emissionen: Typprüfung versus real world
Quelle: ICCT
Diskrepanz Real World Verbrauch zu Typprüfwerten nimmt zu:
• Verwendete Technologien wirken in NEDC besser
• Toleranzen im Messverfahren werden stärker ausgenutzt
• Real-World Verbrauch und CO2 sinken viel weniger als Statistik aus Typprüfdaten
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Beispiel zu Simulationsansatz
Simulation ist auch im Monitoring relevant.
Typischer Ansatz für Längsdynamikmodell:
Berechnung des Motorbetriebszustandes aus
• Längsdynamik (Leistungsbedarf über Zeit oder Strecke)
• Fahrermodell (Gangwahl für Motordrehzahl, Wunschbeschleunigung etc.)
Simulation Verbrauch und Emissionen dazu aus:
• Motorkennfeldern (einfachste Variante) bis zu CFD Simulation von Verbrennung
und Katalysatoren
Simulation bei komplexen Systemen zunehmend relevant, um Funktion in allen
relevanten Betriebszuständen sicher zu stellen z.B.
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Simulation in 1 Hz für:
Motorleistung, Drehzahl, Drehmoment, Verbrauch,
Emissionen, etc.
FAcc
FZ
FGrd
Fg
FAir
FRoll2
FRoll1
Pe = PLuft + PRoll + Pa + PStg + PGetr + PAux
Engine
Gearbox
Prated
VolllastkurveEmissionskennfelderDynamikparameter
Verlustkennfeldigears
rdyn, Rollwiderstand
Cd x a, Masse,rot. Trägheiten
Modell Input
Tires
Vehicle
After treatment
Thermische MasseFunktionen zu Konver-tierungsraten
Auxilairies Leistungsbedarf je Aggregat
Beispiel Fahrzeug-Emissionsmodell des IVT (PHEM)
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Beispiel Verbrauchskennfeld
245
241
238232228225
214219
212
207
216
223
231
Pe [
kW
]
-20
0
20
40
60
80
100
n [rpm]
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Längsdynamikmodell interpoliert Verbrauch zeitaufgelöst gemäß n und Pe.Bester spezifischer Verbrauch (Verbrauch je vom Motor abgegebener Arbeit in g/kWh)
bei eher niederen Drehzahlen und höherer Leistung.
Bei Volllast nehmen typischerweise Schadstoffemissionen zu.
Bestwerte unter 200 g/kWh sind bei Dieselmotoren möglich.
Umrechnung Verbrauch in CO2
Kohlenstoffbilanz: C-Abgas = C-Kraftstoff
mC = mFuel * m%C
Typischerweise ca. 86% Kohlenstoff in Benzin
bzw. Diesel:
mC = mFuel * 0,86
Umrechnung Kohlenstoffemissionen in CO2
C + O2 CO2
1 Mol C im Kraftstoff wird zu 1 Mol CO2
Molmasse CO2 = 44 (=12 + 2*16)
Molmasse C = 12
1 kg C 44/12 kg CO2 CO2/C= 3,667
Damit:
mCO2 = mFuel * 0,86 * (44/12) = mFuel * 3,15
FC g/kWh
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Leistungsbedarf eines Kfz (P):
P = W / t
W = F * d
Mit:
W….Arbeit (work) in [Joule = Nm =Ws]
t……Zeit (time) in [s]
F…...Kraft (force) in [N]
d……Weg (distance) in [m]
m…..Masse in [kg]
a……Beschleunigung (acceleration) in [m/s²]
v……Geschwindigkeit (velocity) in [m/s]
P = (F * d) / t = F * v
P
Pe = PL + PR + PAcc + PS + PLoss + PAux
Lu
ftw
ide
rsta
nd
Rollw
ide
rsta
nd
Be
sch
leun
igu
ngsle
istu
ng
Ste
igu
ngsw
ide
rsta
nd
Ve
rlu
ste
Ach
se
+ G
etr
ieb
e
Nebenaggregate („auxiliaries“)
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Graz, November 2019 Stefan HausbergerEinführung in den Maschinenbau
Beschleunigungsleistung in [W]:
Pa = (mvehicle + mloading) x D x a x v
Rotatorische Beschleunigung wird oft vereinfacht über Drehmassefaktor D (ist ca.
1,05) berücksichtigt:
Pa_rot va)( PmmP loadingvehiclea
mit t
nn
D
D 2
a_rot 4I ωMP
M..........Moment,
IM [Nm]
.........Winkelgeschwindigkeit, n2πω , [1/s]
..........Winkelbeschleunigung, Δt
Δn2πω
[1/s
2]
I ............Trägheitsmoment der drehenden Teile [kg m2]
n ...........Drehzahl,
wheel
geard
i1
ivn axis [rounds/s]
v Fahrzeuggeschwindigkeit [m/s]
M = I x v [Nm] mit I…Trägheitsmoment [kg*m²].
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Leistung zur Überwindung des Rollwiderstandes in [W]:
m...........Masse von Fahrzeug und Beladung in [kg]
g............Erdbeschleunigung [m/s2]
v.............Geschwindigkeit in [m/s]
RRC…..Rolling Resistance Coefficient [-]
RRC = (Fr0 + Fr1 * v + Fr4* v4)
Fr0…geschwindigkeitsunabhängiger Widerstandskoeffizient
Fr1…Geschw.-proportionale Komponente (typisch f. Radlager)
Fr4…nur bei sehr hohen Geschwindigkeiten relevant
Fz
Fx Fx = Fz * RRC
P
PR = Fx * v = m * g * RRC * v
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3
. v2
QuersL ACwP
Cw..........Luftwiderstandsbeiwert [-]
Aquers.......Querschnittsfläche des KFZ in [m2]
..............Dichte der Luft [in Normzustand 1,2 kg/m3]
Bei Seitenwind steigt Cw x AQuers
Leistung zur Überwindung des Luftwiderstandes in [W]:
P
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Leistung zur Überwindung des Steigungswiderstandes in [W]:
v01,0 StggmPS
mit: Stg.......Steigung in %
vsinαgmPS
Leistung Nebenaggregate:
• Lichtmaschine
• Lenkhilfepumpe
• HVAC (Heating Ventilation, Air Conditioning)
• Luftkompressor (bei Nutzfahrzeugen)
• Sonstige
Beliebig kompliziert simulierbar.
Größenordnungen für PKW: ca. 3 kW in realem Betrieb, <1 kW in Typprüfung
P
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Bestimmen Sie Fahrwiderstände, Verbrauch und CO2 Emissionen für
Masse PKW = 1500 kg
Geschwindigkeit v1 = konstant = 130 km/h
Geschwindigkeit v2 = konstant = 140 km/h
Cw = 0,3, A = 2m²
RRC = 0.01
Steigung = 0%, Leistungsbedarf Nebenaggregate = 3kW
Spezifischer Verbrauch: 230 g/kWh. Dichte Kraftstoff = 0.83 kg/Liter
Rechenbeispiel
Fall 1, v = 130 km/h, Pa = 0
PR-1 = 1500 * 9,81 * 0,01 * (130/3,6) = 5 314 W
P L-1 = 0,3 * 2 * 1,2/2 * (130/3,6)3 = 16 951 W
Paux. = 3000W
Pges = 25,26 kW
Verbr = 25,26 * 230 = 5810 g/h : 130 km/h 44,7 g/km …*100/1000/Dichte
Verbr = 5,38 l/100 km
CO2 = 44,7 gVB/km * 3.15 = 141 g/km
Fall 2, v = 140 km/h Pges = 29,897 kW, Verbr = 5,92 l/100 km, CO2 = 154,7 g/km
Unterschied 140/130 km/h = 154,7/141 -1,0 = +10%
P
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Univ.-Prof. Dr. Stefan Hausberger
Tel: +43 316 873 30260
Email: [email protected]
Graz University of Technology
Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics
http://www.ivt.tugraz.at/.
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