umwelt-online: Archivdatei - Richtlinie 97/68/EG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über Maßnahmen zur Bekämpfung der Emission von gasförmigen Schadstoffen und luftverunreinigenden Partikeln aus Verbrennungsmotoren für mobile Maschinen und Geräte (9)

umwelt-online: Richtlinie 97/68/EG Verbrennungsmotor-Emissionen (9)

2.2.1. Trocken-/Feucht-Korrekturfaktor kW

Für die Konvertierung von CO und CO₂-Trockenmessungen auf feuchte Bezugsgrundlage ist der Trocken-Feucht-Korrekturfaktor kw zu berechnen:

	1
k_w = k_w,r =
	1 + α x 0,005 x (% CO [trocken] + % CO₂ [trocken]) - 0,01 x % H₂ [trocken] + k_w2

Dabei ist:

	0,5 x α x % CO [trocken] x CO [trocken] + % CO₂[trocken])
H₂ [trocken] =
	% CO [trocken] + (3 x % CO₂ [trocken])

	0,5 x 1,85 x 3,7086 x (3,7086 + 11,986)
H₂ [trocken] =		= 1,357 %
	3,7086 + (3 x 11,986)

	1,608 x H_a
k_w2 =
	1.000 + (1,608 x H_a)

	1,608 x 7,742
k_w2 =		= 0,012
	1.000 + (1,608 x 7,742)

	1
kw = k_w,r=		= 0,874
	1 + 1,85 x 0,005 x (3,7086 + 11,986) - 0,01 x 1,357 + 0,012

CO [feucht] = CO [trocken] x k_w = 37.086 x 0,874 = 32.420 ppm

CO₂ [feucht] = CO₂ [trocken] x k_w = 11,986 x 0,874 = 10,478 % Vol.

Tabelle 12 - Feuchtwerte CO und CO₂ in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase		1	2
H₂trocken	%	1,357	0,543
k_w2	-	0,012	0,012
k_w	-	0,874	0,887
CO feucht	ppm	32 420	14 325
CO₂ feucht	%	10,478	10,153

2.2.2. HC-Emissionen

	MW_HC		1
HC_mass=		x		x % conc x G_FUEL x 1.000
	MW_FUEL		{ (% CO₂[feucht]- % CO_2AIR) + % CO [feucht] + % HC [feucht]}

Dabei ist:

MW_HC = MW_FUEL

MW_FUEL = 12,011 + ax 1,00794 = 13,876

	13,876		1
HC_mass=		x		x 1,422 x 1,195 x 1.000 = 112,520 g/ h
	13,876		(10,478 - 0,04 + 3,2420 + 1,422)

Tabelle 13 - HC-Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2
HC_mass	112,520	9,119

2.2.3. NO_x-Emissionen

Der Faktor K_Hfür die Korrektur der NO_x Emissionen ist für Zweitaktmotoren gleich 1:

	MW_NOx		1
NO_xmass=		x		x % conc x K_H G_FUEL x 1.000
	MW_FUEL		{ (% CO₂[feucht]- % CO_2AIR) + % CO [feucht] + % HC [feucht]}

	46,01		1
NO_xmass=		x		x 0,0183 x 1 x 1,195 x 1.000 = 4,800 g/h
	13,876		(10,478 - 0,04 + 3,2420 + 1,422)

Tabelle 14 - NO_x Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2
NO_xmass	4,800	0,034

2.2.4. CO-Emissionen

	MW_CO		1
CO_mass=		x		x % conc x G_FUEL x 1.000
	MW_FUEL		{ (% CO₂[feucht]- % CO_2AIR) + % CO [feucht] + % HC [feucht]}

	28,01		1
CO_mass=		x		x 3,2420 x 1,195 x 1.000 = 517,851 g/h
	13,876		(10,478 - 0,04 + 3,2420 + 1,422)

Tabelle 15 - CO-Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2
CO_2mass	517,851	20,007

2.2.5. CO₂-Emissionen

	MW_CO2		1
CO_2mass=		x		x % conc x G_FUEL x 1.000
	MW_FUEL		{ (% CO₂[feucht]- % CO_2AIR) + % CO [feucht] + % HC [feucht]}

	44,01		1
CO_2mass=		x		x 10,478 x 1,195 x 1.000 = 2.629,658 g/h
	13,876		(10,478 - 0,04 + 3,2420 + 1,422)

Tabelle 16 - CO₂-Emissionen [g/h] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2
CO_2mass	2 629,658	222,799

2.2.6. Spezifische Emissionen

Die spezifische Emission (g/kWh) ist für alle einzelnen Bestandteile wie folgt zu berechnen:

Tabelle 17 - Emissionen [geh] und Wichtungsfaktoren in zwei Prüfphasen

Prüfphase		1	2
HC_mass	g/h	112,520	9,119
NO_xmass	g/h	4,800	0,034
CO_mass	g/h	517,851	20,007
CO_2mass	g/h	2 629,658	222,799
Leistung P_II	kW	2,31	0
Wichtungsfaktoren WF_i	-	0,85	0,15

	112,52 x 0,85 + 9,119 x 0,15
HC =		= 49,4 g/kWh
	2,31 x 0,85 + 0 x 0,15

	4,800 x 0,85 + 0,034 x 0,15
NO_x =		= 2,08 g/kWh
	2,31 x 0,85 + 0 x 0,15

	517,851 x 0,085 + 20,007 x 0,15
CO =		= 225,71 g/kWh
	2,31 x 0,85 + 0 x 0,15

	2.629,658 x 0,85 + 222,799 x 0,15
CO₂ =		= 1.155,4 g/kWh
	2,31 x 0,85 + 0 x 0,15

2.3. Daten für verdünntes Abgas aus einem Viertakt-Fremdzündungsmotor

Mit Bezug auf die Versuchsdaten (Tabelle 18) werden die Berechnungen zunächst für Prüfphase 1 durchgeführt und anschließend unter Anwendung des gleichen Verfahrens auf die anderen Prüfphasen erweitert.

Tabelle 18 - Versuchsdaten eines Viertakt-Fremdziündungsmotors

Prüfphase		1	2	3	4	5	6
Motordrehzahl	min^-1	3.060	3.060	3.060	3.060	3.060	2.100
Leistung	kW	13,15	9,81	6,52	3,25	1,28	0
Teillastverhältnis	%	100	75	50	25	10	0
Wichtungsfaktoren	-	- 0,090	0,200	0,290	0,300	0,070	0,050
Barometrischer Druck	kPa	980	980	980	980	980	980
Ansauglufttemperatur ¹	°C	25,3	25,1	24,5	23,7	23,5	22,6
Relative Luftfeuchtigkeit der Ansaugluft	%	19,8	19,8	20,6	21,5	21,9	23,2
Absolute Luftfeuchtigkeit der Ansaugluft	9_H20/kg_air	4,08	4,03	4,05	4,03	4,05	4,06
CO trocken	ppm	3.681	3.465	2.541	2.365	3.086	1.817
NO_x feucht	ppm	85,4	49,2	24,3	5,8	2,9	1,2
HC feucht	ppm C1	91	92	77	78	119	186
CO₂ trocken	% Vol.	1,038	0,814	0,649	0,457	0,330	0,208
CO trocken (Hintergrund)	ppm	3	3	3	2	2	3
NO_x feucht (Hintergrund)	ppm	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1
HC feucht (Hintergrund)	ppm C1	6	6	5	6	6	4
CO₂ trocken (Hintergrund)	% Vol.	0,042	0,041	0,041	0,040	0,040	0,040
Massendurchsatz des verdünnten Abgases G_TOTW	kg/h	625,722	627,171	623,549	630,792	627,895	561,267
Kraftstoff H/C-Verhältnis a	-	1,85	1,85	1,85	1,85	1,85	1,85
Kraftstoff O/C-Verhältnis b		0	0	0	0	0	0
1) Die Bedingungen für verdünnte Luft entsprechen den Bedingungen für Ansaugluft.

2.3.1. Trocken-/Feucht-Korrekturfaktor kW

Für die Konvertierung von CO und CO₂-Trockenmessungen auf feuchte Bezugsgrundlage ist der Trocken-Feucht-Korrekturfaktor kw zu berechnen.

Für das verdünnte Abgas gilt:

Dabei ist:

	1,608 x [H_d x (1 - 1/DF) + H_a x (1/DF)]
k_w1 =
	1.000 + 1,608 x [H_d x (1 - 1/DF) + H_a x (1/DF)] 13,4

	13,4
DF =
	% conc_CO2 + (ppm conc_CO + ppm conc_HC) x 10-4

	13,4
DF =		= 9,465
	1,038 + (3 681 + 91) x 10^-4

	1,608 x [4,08 x (1 - 1/9,465) + 4,08 x (1/9,465)]
k_w1 =		= 0,007
	1 000 + 1,608 x [4,08 x (1 - 1/9,465) + 4,08 x (1/9,465)]

CO [feucht] = CO [trocken] x k_w = 3 681 x 0,984 = 3 623 ppm

CO₂ [feucht] = CO₂ [trocken] x k_w = 1,038 x 0,984 = 1,0219 %

Tabelle 19 - Feuchtwerte CO und CO₂ für das verdünnte Abgas in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase		1	2	3	4	5	6
DF	-	9,465	11,454	14,707	19,100	20,612	32,788
k_w1	-	0,007	0,006	0,006	0,006	0,006	0,006
k_w	-	0,984	0,986	0,988	0,989	0,991	0,992
CO feucht	ppm	3 623	3 417	2 510	2 340	3 057	1 802
CO₂feucht	%	1,0219	0,8028	0,6412	0,4524	0,3264	0,2066

Für die Verdünnungsluft gilt:

k_w,d = 1 - k_w1

Dabei ist der Faktor k_w1 der gleiche, wie er bereits für das verdünnte Abgas berechnet wurde.

k_w,d = 1 - 0,007 = 0,993

CO [feucht] = CO [trocken] x k_w = 3 x 0,993 = 3 ppm

CO₂ [feucht] = CO₂ [trocken] x k_w= 0,042 x 0,993 = 0,0421 % Vol:

Tabelle 20 - Feuchtwerte CO und CO₂ für die Verdünnungsluft in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase		1	2	3	4	5	6
K_w1	-	0,007	0,006	0,006	0,006	0,006	0,006
K_w	-	0,993	0,994	0,994	0,994	0,994	0,994
CO feucht	ppm	3	3	3	2	2	3
CO₂feucht	%	0,0421	0,0405	0,0403	0,0398	0,0394	0,0401

2.3.2. HC-Emissionen

HC_mass= u x conc_c x G_TOTW

Dabei ist:

u	=	0,000478 aus Tabelle 2
conc_c	=	conc - conc_d x (1 - 1 / DF)
conc_c	=	91 - 6 x (1-1/9,465) = 86 ppm
HC_mass	=	0,000478 x 86 x 625,722 = 25,666 g/h

Tabelle 21 - HC-Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2	3	4	5	6
HC_mass	25,666	25,993	21,607	21,850	34,074	48,963

2.3.3. NO_x-Emissionen

Der Faktor KH für die Korrektur der NO_x Emissionen ist zu berechnen aus:

K_H = 0,6272 + 44,030 x 10^-3x H_a - 0,862 x 10^-3x H_a²

K_H = 0,6272 + 44,030 x 10^-3x 0,862 x 10 ^-3x (4,08)² = 0,79

Tabelle 22 - Feuchtigkeitskorrekturfaktor KH der NO_x Emissionen in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2	3	4	5	6
K_H	01793	0,791	0,791	0,790	0,791	0,792

NO_xmass = u x conc_c x KH x G_TOTW

Dabei ist:

u	=	0,001587 aus Tabelle 2
conc_c	=	conc - conc_d x (1-1/DF)
conc_c	=	85 - 0 x (1-/9,465) = 85 ppm
NO_xmass	=	0,001587 x 85 x 0,79 x 625,722 = 67,168 g/h

Tabelle 23 - NO_x Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2	3	4	5	6
NO_xmass	67,168	38,721	19,012	4,621	2,319	0,811

2.3.4. CO-Emissionen

CO_mass= u x conc_c x G_TOTW

Dabei ist:

u	=	0,000966 aus Tabelle 2
conc_c	=	conc - conc_d x (1-1/DF)
conc_c	=	3 622 - 3 x (1-19,465) = 3 620 ppm
CO_mass	=	0,000966 x 3 620 x 625,722 = 2.188,001 g/h

Tabelle 24 - CO-Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2	3	4	5	6
CO_mass	2 188,001	2 068,760	1 510,187	1424,792	1 853,109	975,435

2.3.5. CO₂-Emissionen

CO_2mass = u x conc_cx G_TOTW

Dabei ist:

u	=	15,19 aus Tabelle 2
conc_c	=	conc - conc_d x (1-1/DF)
conc_c	=	1,0219 - 0,0421 x (1-119,465) = 0,9842 % Vol
CO_2mass	=	15,19 x 0,9842 x 625,722 = 9 354,488 g/h

Tabelle 25 - CO₂-Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2	3	4	5	6
CO_2mass	9.354,488	7.295,794	5.717,531	3.973,503	2.756,113	1.430,229

2.3.6. Spezifische Emissionen

Die spezifische Emission (g/kWh) ist für alle einzelnen Bestandteile wie folgt zu berechnen:

Tabelle 26 - Emissionen [gib] und Wichtungsfaktoren in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase		1	2	3	4	5	6
HC_mass	g/h	25,666	25,993	21,607	21,850	34,074	48,963
NO_xmass	g/h	67,168	38,721	19,012	4,621	2,319	0,811
CO_mass	g/h	2.188,001	2.068,760	1.510,187	1.424,792	1.853,109	975,435
CO_2mass	g/h	9.354,488	7.295,794	5.717,531	3.973,503	2.756,113	1.430,229
Leistung P_i	kW	13,15	9,81	6,52	3,25	1,28	0
Wichtungsfaktoren WF_i	-	0,090	0,200	0,290	0,300	0,070	0,050

	25,666 x 0,090+ 25,993 x 0,200 + 21,607 x 0,290 + 21,850 x 0,300 + 34,074 x 0,070 + 48,963 x 0,050
HC =		= 4,12 g/kWh
	13,15 x 0,090 + 9,81 x 0,200 + 6,52 x 0,290 + 3,25 x 0,300 + 1,28 x 0,070 + 0 x 0,050

	67,168 x 0,090 + 38,721 x 0,200 + 19,012 x 0,290 + 4,621 x 0,300 +2,319 x 0,070 + 0,811 x 0,050
NO =		= 3,42 g/kWh
	13,15 x 0,090 + 9,81 x 0,200 + 6,52 x 0,290 + 3,25 x 0,300 + 1,28 x 0,070 + 0 x 0,050

	2.188,001 x 0,09 + 2.068,760 x 0,2 + 1.510,187 x 0,29 + 1424,792 x 0,3 + 1 853,109 x 0,07 + 975,435 x 0,05
CO =		= 271,15 g/kWh
	13,15 x 0,090 + 9,81 x 0,200 + 6,52 x 0,290 + 3,25 x 0,300 + 1,28 x 0,070 + 0 x 0,050

	9.354,488 x 0,09 + 7.295,794 x 0,2 + 5.717,531 x 0,29 + 3.973,50 x 0,3 + 2.766,113 x 0,07 + 1.430,229 x 0,05
CO₂=		= 887,53 g/kWh
	13,15 x 0,090 + 9,81 x 0,200 + 652 x 0,290 + 3,25 x 0,300 + 1,28 x 0,070 + 0 x 0,050

1) Bei NO_xmuss die Konzentration mit dem Feuchtigkeitskorrekturfaktor KH (Feuchtigkeitskorrekturfaktor für NO_x multipliziert werden.

2) In ISO 8178-1 ist eine vollständigere Formel für das Molekulargewicht des Kraftstoffs angegeben (Formel 50 in Kapitel 13.5.1 b). Darin sind nicht nur das Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis und das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis, sondern auch weitere mögliche Kraftstoffbestandteile wie Schwefel und Stickstoff berücksichtigt. Da jedoch die Fremdzündungsmotoren der Richtlinie mit einem Ottokraftstoff (als Bezugskraftstoff in Anhang V aufgeführt) geprüft werden, der in der Regel nur Kohlenstoff und Wasserstoff enthält, findet die vereinfachte Formel Berücksichtigung.

3) Bei NO_xmuss die Konzentration mit dem Feuchtigkeitskorrekturfaktor KH (Feuchtigkeitskorrekturfaktor für NO_x multipliziert werden.

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