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3 Verfahren 2 - Universell, Kohlenstoff-/Sauerstoff-Bilanz

3.1 Einleitung

Nachstehend wird in leicht verständlicher Form das Kohlenstoff-/SauerstoffbilanzVerfahren beschrieben. Dieses Verfahren kann angewendet werden, wenn der Kraftstoffverbrauch Messbar ist und sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die Konzentration der Abgaskomponenten bekannt sind.

3.2 Berechnung des Abgas-Massenstroms auf der Basis der Kohlenstoffbilanz

( 2-1)

3.2.1 Vereinfachung unter der Annahme einer vollständigen Verbrennung:

3.3 Berechnung des Abgas-Massenstroms auf der Basis der Sauerstoffbilanz

( 2-3)

Dabei ist

und

3.3.1 Vereinfachung unter der Annahme einer vollständigen Verbrennung:

3.4 Ableitung der Sauerstoffbilanz für unvollständige Verbrennung

3.4.1 Der eingebrachte Sauerstoffanteil in g/h beträgt:

3.4.2 Der ausgetragene Sauerstoffanteil in g/h beträgt:

Mit den nachstehenden Definitionen und Gleichungen können die Massenströme (in g/h) der einzelnen Gaskomponenten berechnet werden. Sie beziehen sich dabei auf das feuchte Abgas (GC ist der Ruß in g/h).

3.4.3 Für die Berechnung von EXHDENS wird die Gleichung ( 2-42) in Punkt 3.6 dieses Abschnitts verwendet.

	GAIRW × TAU × 10 + GFUEL × EPS × 10 =
( 2-18)

3.4.4 Dabei stellt die erste Klammer den "Factor 1", die zweite den "Factor 2", aus den Gleichungen ( 2-4) und ( 2-5) dar.

Dabei ist

3.4.5 Die Massenströme der Verbrennungsluft und des Abgases können sodann unter Anwendung der nachstehenden Gleichungen berechnet werden:

( 2-20)
und entsprechend
( 2-21)

3.5 Ableitung der Kohlenstoffbilanz für unvollständige Verbrennung

3.5.1 Kohlenstoffeintrag in g/h

3.5.2, Kohlenstoffaustrag in g/h:

3.5.3 Mit den nachstehenden Definitionen und Gleichungen können die Massenströme (in g/h) der einzelnen Gaskomponenten berechnet werden. Sie beziehen sich dabei auf das feuchte Abgas (GC ist der Ruß in g/h).

3.5.4 Für die ausgeglichene Bilanz gilt:

Kohlenstoffeintrag = Kohlenstoffaustrag

( 2-28)

3.5.5 Berechnung des Abgas-Massenstroms auf der Basis der Kohlenstoffbilanz:

( 2-29)

3.6 Berechnung der volumetrischen Abgaszusammensetzung und der Abgasdichte bei unvollständiger Verbrennung

( 2-30)	COW × 106 × VEXHW
( 2-31)	NOW × 106 × VEXHW
( 2-32)	VNO2 = NO2W × 10-6 × VEXHW
( 2-33)	= HCW × 106 × VEXHW
( 2-34)
( 2-35)

Dabei ist CO₂AIR = CO₂-Konzentration in der Verbrennungsluft (in Volumenprozenten).

( 2-36)

( 2-38)

( 2-39)

3.7 Programm zur Berechnung des Abgas-Massenstroms

3.7.1 Mit den Ergebnissen der beiden stöchiometrischen Berechnungen für Kohlenstoff und Sauerstoff können die Abgaszusammensetzung und der Abgas-Massenstrom einschließlich des Wassergehalts berechnet werden.

3.7.2 Die Gleichungen im Programm beruhen hauptsächlich auf "feuchtem" Abgas.

3.7.3 Werden die Konzentrationen (O₂ und CO₂) auf der Basis "trocken" gemessen, so ist mit dem Trocken-zu-Feucht-Korrekturfaktor KWEXH (= K_W.r) umzurechnen.

3.7.4 Das Programm berechnet bei bekanntem KWEXH den Abgas-Massenstrom oder bei bekanntem Abgas-Massenstrom den Wert für KWEXH. Sind beide Werte unbekannt, so geht das Programm von einem Schätzwert für KWEXH (=K_W.r) aus und iteriert so lange, bis sich die Werte nicht mehr ändern.

3.7.5 Wird die Gleichung für den Abgas-Massenstrom ohne das Programm verwendet, so ist der Trocken-zu-Feucht-Korrekturfaktor aus der nachstehenden Gleichung zu verwenden:

( 2-44)

3.7.6 Die Gleichung in zugeschnittener Form:

( 2-44a)

3.7.7 Für die Darstellung der generellen Gleichung zur Berechnung des Trocken-zu-Feucht-Korrekturfaktors (KWEXH = K_W.r) sind mehrere Formelvarianten gebräuchlich.

3.7.8 Die Gleichungen ( 2-44) und ( 2-44a) wie auch die Gleichung ( 12) in Punkt 5.12.2.3 der vorliegenden Technischen Vorschrift liefern nur Näherungswerte, weil die Korrekturwerte für das Wasser in der Verbrennungsluft und das Wasser in der Ansaugluft nicht additiv verwendet werden können.

3.7.9 Die genaue Gleichung lautet:

( 2-45)

Dabei ist

3.7.10 Ein Vergleich von Gleichung ( 12) in Punkt 5.12.2.3 der vorliegenden Technischen Vorschrift mit Gleichung ( 2-45) ergibt, dass die Unterschiede beim Faktor K_W.r sehr gering sind, wie nachstehende Beispiele zeigen:

3.7.11 Die Gleichung ( 2-45) ist wenig anwendungsfreundlich, da RhoEXH DAC oft nicht bekannt ist und der kraftstoffspezifische Faktor FFH nicht verwendet werden kann. Deshalb wird empfohlen, die praktischeren Gleichungen ( 9), ( 10), ( 12) und ( 13) aus den Punkten 5.12.2.1 bis 5.12.3.5 der vorliegenden Technischen Vorschrift zu verwenden, die in den meisten Fällen nur zu einem vernachlässigbar geringen Fehler von weniger als 0,2 % führen.

3.8 Berechnung der kraftstoffspezifischen Faktoren FFD und FFW zur Ermittlung des Abgas-Massenstroms

3.8.1 Mit Hilfe der nachstehenden beiden Gleichungen

und unter Verwendung der Gleichungen ( 2-34), ( 2-35), ( 2-37), ( 2-38) sowie ( 2-39) können die Faktoren mit den Gleichungen ( 2-50) bzw. ( 2-52) berechnet werden:

( 2-50)

3.8.2 Dieselbe Gleichung lautet mit eingesetzten Werten:

3.8.3 Die Gleichung für FFD ist sehr ähnlich - der einzige Unterschied betrifft den auf das Wasser bezogenen

( 2-52)

3.8.4 Dieselbe Gleichung lautet mit eingesetzten Werten:

3.9 Berechnung des kraftstoffspezifischen Faktors FFH

3.9.1 Dieser Faktor wird nach Maßgabe von Punkt 5.12.2 der vorliegenden Technischen Vorschrift für die Umrechnung von trockenen auf feuchte Konzentrationswerte benutzt:

Anmerkung: In der nachstehenden Ableitung weicht die Schreibweise der Variablen von der im Abschnitt "Abkürzungen" angegebenen ab, weil hier die Schreibweise aus dem Rechnerprogramm verwendet wird.

Beispiel: K_W.r = K_WEXH= KWEXH.

3.9.2 Die Ableitung von FFH setzt trockene Verbrennungsluft voraus.

( 2-55)

Dabei ist

		VEXHD		VEXHW - VH2O
( 2-57)	KWEXH =		=
		VEXHW		VEXHW

Dabei ist

( 2-60)		GFUEL × ALF× EXHDENS × MVH2O
	KEXHW = 1
		200 × AWH × (GAIRW + GFUEL)

( 2-61)

3.9.3 Diese universelle Gleichung ist für alle Kraftstoffe anwendbar, setzt jedoch die Abgasdichte als bekannte Größe voraus. Für Diesel-Kraftstoff gilt die nachstehende vereinfachte Gleichung:

( 2-62)

.

1. Einige der nachstehend aufgeführten Parameter können auf mehr als eine Art und Weise überprüft werden. In solchen Fällen dürfte meistens ein beliebiges der nachstehend aufgeführten Verfahren - einzeln oder in Kombination mit einem oder mehreren der anderen Verfahren durchgeführt - für den Konformitätsnachweis ausreichen. Der Reeder kann in einem solchen Fall mit Unterstützung des Motorenherstellers aus den verschiedenen von der Verwaltung genehmigten Verfahren das geeignetste Verfahren auswählen.

1.1 Parameter "Einspritzzeitpunkt"

1. Kraftstoffnocke (einzelne Nocke oder Nockenwelle, wenn Nocken nicht einstellbar sind),
   • wahlweise (abhängig von der Bauart): Position der Verbindung zwischen Nocken und Pumpenantrieb,
   • wahlweise bei Pumpen mit verstellbarem Förderbeginn: VIT-Index (variable injection timing) und Nockenposition oder Position des Pumpenzylinders, oder
   • wahlweise bei Pumpen mit verstellbarem Förderbeginn: sonstige Vorrichtung zur Verstellung des Förderbeginns
2. Beginn der Förderung bei bestimmten Kraftstoffpumpenfüllungen (dynamische Druckmessung);
3. Öffnung des Einspritzventils bei bestimmten Lastpunkten, zum Beispiel mit Hall-Sensor oder Beschleunigungs-Aufnehmer;
4. lastabhängige Betriebswerte für Ladeluftdruck, maximalen Verbrennungsdruck, Ladelufttemperatur und Abgastemperatur, jeweils im Vergleich zu den Kurven für die NO_x-Korrelation. Außerdem ist sicherzustellen, dass das Verdichtungsverhältnis dem Wert bei der Erstzertifizierung entspricht (siehe Punkt 1.7).

Anmerkung: Zur Beurteilung der tatsächlichen Einspritzeinstellung müssen die zulässigen Einstellwerte für die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte bekannt sein oder sogar die Kurven vorliegen, die den Einfluß der Einspritzeinstellung auf die NO_x-Werte auf der Basis der NO_x-Prüfstandmessungen zeigen.

1.2 Parameter "Einspritzdüse"

1. Spezifikation und Teilenummer

1.3 Parameter "Einspritzpumpe"

1. Teilenummer (Beschreibung von Kolben- und Zylinderdesign)

1.4 Parameter "Einspritznocke"

1. Teilenummer (Beschreibung der Form)
2. Beginn und Ende der Zufuhr für eine bestimmte Kraftstoffpumpenfüllung (dynamische Druckmessung)

1.5 Parameter "Einspritzdruck"

1. nur für "Common Rail"-Systeme: lastabhängiger Druck im Rail; Graphik, welche die Korrelation zu NO_x zeigt

1.6 Parameter "Brennraum"

1. Teilenummern für Zylinderkopf und Kolbenkopf

1.7 Parameter "Verdichtungsverhältnis"

1. Kolbenspiel kontrollieren
2. Beilagen an Kolbenstange oder Pleuelstange kontrollieren

1.8 Parameter "Typ und Bauart des Turboladers"

1. Modell und Spezifikationen (Teilenummern)
2. lastabhängiger Ladeluftdruck; Graphik, welche die Korrelation zu NO_x zeigt

1.9 Parameter "Ladeluftkühler, Ladeluftvorheizer"

1. Modell und Spezifikationen
2. lastabhängige Ladelufttemperatur, korrigiert unter Bezug auf die Referenzbedingungen; Graphik, welche die Korrelation zu NO~ zeigt

1.10 Parameter "Ventilsteuerzeiten" (nur bei Viertaktmotoren mit Einlaßventil-Schließung vor UT)

1. Nockenposition
2. Tatsächliche Einstellung kontrollieren

1.11 Parameter "Wassereinspritzung" (zur Beurteilung: Graphik, welche den Einfluß auf NO_x zeigt)

1. lastabhängiger Wasserverbrauch (Überwachung)

1.12 Parameter "emulgierter Kraftstoff" (zur Beurteilung: Graphik, welche den Einfluß auf NO_x zeigt)

1. lastabhängige Kraftstoffpumpenfüllung (Überwachung)
2. lastabhängiger Wasserverbrauch (Überwachung)

1.13 Parameter ,Abgasrückführung" (zur Beurteilung: Graphik, welche den Einfluß auf NO_x zeigt)

1. lastabhängiger Massenstrom für rückgeführtes Abgas (Überwachung)
2. CO₂-Konzentration in Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, das heißt: in der "Spülluft" (Überwachung)
3. O₂-Konzentration in der "Spülluft" (Überwachung)

1.14 Parameter "selektive katalytische Abgasreaktion" (SCR)

1. lastabhängiger Massenfluß des Reduktionsmittels (Überwachung) und periodische Stichproben der NO_x-Konzentration nach SCR (zur Beurteilung: Graphik, welche den Einfluß auf NO_xzeigt)
2. Bei Motoren mit selektiver katalytischer Abgasreduktion (SCR) durch ungeregelten Katalysator ist eine NO_x-Messung in Form von periodischen Stichproben oder durch laufende Überwachung, auch wenn eine solche Messung nicht vorgeschrieben ist, nützlich zum Nachweis, dass der Wirkungsgrad der SCR-Einrichtung noch dem Wirkungsgrad zum Zeitpunkt der Zertifizierung entspricht, und zwar unabhängig davon, ob die Umgebungsbedingungen oder die Kraftstoffqualität zu einer Veränderung der Rohemissionen geführt haben.

ENDE

Bekanntmachung der Technischen Vorschrift über die Kontrolle
der Stickstoffoxid-Emissionen aus Schiffsdieselmotoren (zu MARPOL Anlage VI)
sowie Änderungen des Parameters "f_a" für Prüfbedingungen für die Motorfamilien-Zulassung gemäß
der Technischen NO_x-Vorschrift MEPC/Circ. 369

(VkBl. 2003 S. 142)

Mit der Achten Verordnung über Änderungen des Internationalen Übereinkommens von 1973 zur Verhütung der Meeresverschmutzung durch Schiffe und des Protokolls von 1978 zu diesem Übereinkommen (8. MARPOL-ÄndV) vom 26.02.2003 (BGBl. Teil II, S. 130) wurden die innerstaatlichen Voraussetzungen zu der Inkraftsetzung des am 26. September 1997 von der Konferenz der Vertragsparteien des Internationalen Übereinkommens von 1973 zur Verhütung der Meeresverschmutzung durch Schiffe in der Fassung des Protokolls von 1978 beschlossenen Ergänzungen des MARPOL-Übereinkommens geschaffen.

Die Änderungen ergänzen das MARPOL-Übereinkommen mit einer Anlage VI, in der Regeln zur Verhütung der Luftverschmutzung durch Schiffe neu eingeführt werden. Ziel ist, die Schwefelbelastung und die Stickstoffemissionen aus den Schiffsdieselmotoren zu senken.

Während der Schwefelausstoß vom Schwefelgehalt des verfeuerten Heizöls bestimmt wird, hängen die Emissionen der Stickstoffoxide von dem Abgasverhalten der Schiffsdieselmotoren ab.

Regel 13 der Anlage VI von MARPOL 73/78 legt die Grenzwerte für die NO_x-Emissionen der Motoren fest. Um sicherzustellen, dass alle Schiffsdieselmotoren nach einem einheitlichen Verfahren hinsichtlich der Einhaltung der NO_x-Emissionsgrenzwerte überprüft werden, hat die Konferenz in ihrer Entschließung 2 die "Technische Vorschrift über die Kontrolle der Stickstoffoxid-Emissionen aus Schiffsdieselmotoren" angenommen. Die Technische Vorschrift legt ein verbindliches Verfahren für die Prüfung, Besichtigung und Zertifizierung von Schiffsdieselmotoren fest, damit alle Motorenhersteller, Reeder und Verwaltungen nach einem einheitlichen Modus prüfen können, ob die der Regel 13 der Anlage VI unterfallenden Motoren die einschlägigen Grenzwerte für NO_x-Emissionen einhalten.

Der Ausschuss für den Schutz der Meeresumwelt der Internationalen Seeschiffahrts-Organisation hat am 31. März 2000 mit der Zirkularnote MEPC/Circ. 369 Abschnitt 5.2.1 die Technische Vorschrift über die Kontrolle der Stickstoffoxid-Emissionen von Schiffsdieselmotoren geändert. Die Änderung erleichtert die Prüfbedingungen, indem sie die Grenzen des Parameters f_a für die Testgültigkeit der Prüfungen für die Motorenfamiliengenehmigungen erweitert. Der Wert dieses Parameters liegt nun nicht mehr ausschließlich zwischen 0,98 und 1,02, sondern kann sich, wenn es aus technischen Gründen nicht anders möglich ist, auch zwischen 0,93 und 1,07 bewegen.

Die Verordnung zur Anlage VI des MARPOL-Übereinkommens wie auch die Technische Vorschrift sind noch nicht in Kraft, sondern werden erst zwölf Monate nach dem Tag in Kraft treten, an dem wenigstens fünfzehn Staaten, deren Handelsflotten insgesamt mindestens 50 % des Bruttoraumgehalts der Welthandelsflotte ausmachen, dem Übereinkommen beigetreten sind. Der Inkrafttretenstermin wird im Bundesgesetzblatt verkündet.