umwelt-online: Archivdatei - Technische Vorschrift über die Kontrolle der Stickstoffoxid-Emissionen aus Schiffsdieselmotoren 2003 (7)

umwelt-online: Kontrolle der Stickstoffoxid-Emissionen aus Schiffsdieselmotoren (7)

Emissions-Prüfbericht Nr.

Motor-Prüfdaten*

Prüfstufe		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Leistung/Drehmoment	%
Drehzahl	%
Zeit zu Beginn der Prüfstufe
Motordaten
Drehzahl	min^-1
Hilfsleistung	kW
Einstellwert der Leistungsbremse	kW
Leistung	kW
Effektiver Mitteldruck	bar
Kraftstoffpumpenfüllung	mm
Unkorrigierter spez. Kraftstoffverbrauch	g/kWh
Kraftstoffstrom	kg/h
Luftstrom	kg/h
Abgasstrom (gexhw)	kg/h
Abgastemperatur	°C
Abgasgegendruck	mbar
Zylinder-Kühlmitteltemperatur - Auslaß	°C
Zylinder-Kühlmitteltemperatur - Einlaß	°C
Zylinder-Kühlmitteldruck	bar
Temperatur der zwischengekühlten Luft	°C
Ladeluftdruck	bar
Schmiermitteltemperatur	°C
Schmiermitteldruck	bar
Druckabfall im Einlaßsystem	mbar

* sofern anwendbar

Berechnung des Abgasmassenstroms
(Kohlenstoffbilanz-Vertahren)
(siehe Abschnitt 5 der Technischen NO_x-Vorschrift)

Anhang 6

1 Einleitung

1.1 In diesem Anhang ist die Berechnung des Abgas-Massenstroms und/oder des Verbrennungsluftverbrauchs dargestellt. Die beiden beschriebenen Verfahren beruhen auf der Messung der Abgaskonzentration bei Kenntnis des Kraftstoffverbrauchs. Die Symbole und Beschreibungen der Terme und Variablen, die in den Gleichungen für das Kohlenstoffbilanz-Messverfahren verwendet werden, sind in der Tabelle 4 des Abschnitts "Abkürzungen, Indizes und Symbole" der vorliegenden Technischen Vorschrift zusammenfassend dargestellt.

1.2 In diesem Anhang sind die nachstehenden beiden Verfahren für die Berechnung des Abgas-Massenstroms dargestellt: Verfahren 1 (Kohlenstoffbilanz) ist nur bei Kraftstoffen anwendbar, die keinen Sauerstoff oder Stickstoff enthalten; Verfahren 2 (universell, Kohlenstoff-/Sauerstoff-Bilanz) ist bei Kraftstoffen anwendbar, die H, C, 5, 0 und N in bekannter Zusammensetzung enthalten.

1.3 Das Verfahren 2 gestattet die leichtverständliche, universelle Herleitung aller Formeln einschließlich sämtlicher Konstanten. Das Verfahren ist entwickelt worden, weil die derzeit vorhandenen Konstanten, die wesentliche Parameter unberücksichtigt lassen, häufig zu Ergebnissen mit vermeidbaren Fehlern führen. Bei Anwendung der Gleichungen nach dem Verfahren 2 ist es auch möglich, die wesentlichen Parameter unter Bedingungen zu errechnen, die von den Normbedingungen abweichen.

1.4 Tabelle 1 enthält Beispiele für die Parameter einiger ausgewählter Kraftstoffe. Die Werte für die Kraftstoffzusammensetzung sind nur als ideelle Standardwerte angegeben und dürfen nicht anstelle der Zusammensetzungswerte des tatsächlich benutzten Kraftstoffs verwendet werden.

Tabelle 1 Parameter für einige ausgewählte Kraftstoffe (Beispiele)

Kraftstoff

C %

H %

S %

O %

FFH

FFW

FFD

EXH
DENS

Diesel

86,2

13,6

0,17

1
1,35
3,5

1,835
1,865
1,920

0,749

-0,767

1,294
1,293
1,292

RME

77,2

12,0

10,8

1
1,35
3,5

1,600
1,63
1,685

0,734

-0,599

1,296
1,295
1,292

Methanol

37,5

12,6

50,0

1
1,35
3,5

1,495
1,565
1,705

1,046

-0,354

1,233
1,246
1,272

Ethanol

52,1

13,1

34,7

1
1,35
3,5

1,65
1,704
1,807

0,965

-0,49

1,26
1,265
1,281

Erdgas*

60,6

19,3

1,9

1
1,35
3,5

2,509
2,572
2,689

1,078

-1,065

1,257
1,265
1,28

Propan

81,7

18,3

1
1,35
3,5

2,423
2,473
2,564

1,007

-1,025

1,268
1,273
1,284

Butan

82,7

17,3

1
1,35
3,5

2,298
2,343
2,426

0,952

-0,97

1,273
1,277
1,285

* Volumetrische Gaszusammensetzung:

CO₂	1,10%;	N₂	12,10%;	CH₄	84,20%;	C₂H₆	3,42%;
C₃H₈	0,66%;	C₄H₁₀	0,22 %;	C₅H₁₂	0,05 %;	C₆H₁₄	0,05 %.

1.5 Sofern nichts anderes bestimmt ist, sind die Ergebnisse aller nach diesem Anhang vorgeschriebenen Messungen im Motor-Prüfbericht nach Punkt 5.10 der vorliegenden Technischen Vorschrift festzuhalten.

2 Verfahren 1 - Kohlenstoffbilanz

2.1 Dieses Verfahren umfasst sechs Schritte, in denen die Abgaskonzentrationen in Abhängigkeit von den Kraftstoffeigenschaften berechnet werden.

2.2 Die für das Verfahren 1 angegebenen Gleichungen eignen sich nur für Kraftstoffe, die keinen Sauerstoff enthalten.

2.3 Erster Schritt: Berechnung des stöchiometrischen Luftverbrauchs

2.3.1 Für die vollständige Verbrennung gilt:

(1-1)	C + O₂ → CO₂
(1-2)	4H + O₂ → 2 H₂O
(1-3)	S + O₂ → SO₂
(1-4)	STOIAR = (BET / 12,011 + ALF / (4 ⋅ 1,00794) + GAM / 32,060) × 31,9988 / 23,15

2.4 Zweiter Schritt: Berechnung des Luftüberschußfaktors unter Annahme einer vollständigen Verbrennung und bei Kenntnis der CO₂-Konzentration

(1-5)

EAFCDO = ((BET × 10 × 22,262 / (12,011 × 1000)) / (CO₂D / 100) + STOIAR × 0,2315 / 1,42895 - BET × 10 × 22,262 / (12,011 × 1000) - GAM × 10 × 21,891 / (32,060 × 1000)) / (STOIAR × (0,7685 / 1,2505 + 0,2315 / 1,42895))

2.5 Dritter Schritt: Berechnung des Wasserstoff-/Kohlenstoff-Verhältnisses

(1-6)

HTCRAT = ALF × 12,011 / (1,00794 × BET)

2.6 Vierter Schritt: Berechnung der trockenen Kohlenwasserstoff-Konzentration nach dem ECE-R49-Verfahren unter Berücksichtigung der Kraftstoffeigenschaften und des Kraftstoff-/Luft-Verhältnisses

2.6.1 Die Umrechnung der trockenen auf die feuchte Konzentration erfolgt unter Anwendung der nachstehenden Gleichung:

(1-7)	conc_feucht = conc_trocken × (1 - FFH × (Kraftstoffverbrauch / Luftverbrauch, trocken))
(1-8)	FFH × Kraftstoffverbrauch / Luftverbrauch, trocken = Wasserdampfvolumen aus Verbrennung / gesamtes Abgasvolumen, feucht
(1-9)	Gesamtes Abgasvolumen feucht = Stickstoff aus der Verbrennungsluft + Überschuss Sauerstoff + Argon aus der Verbrennungsluft + CO₂ aus der Verbrennungsluft + Wasser aus dem Verbrennungsprozess + CO₂ aus dem Verbrennungsprozess + SO₂ aus dem Verbrennungsprozess
(1-10)	FFH × GFUEL / FAIRD = (10 × ALF × MVH₂O / (2 × 1,0079 × 1000)) × GEUEL / ((0,7551 / 1,2505 × (GAIRD / (GFUEL × STOIAR)) × STOIAR + 0,2315 / 1,42895 ((GAIRD/ (GFUEL × STOIAR)) -1) × STOIAR + 0,0129 / 1,7840 × (GAIRD / (GFUEL × STOIAR)) × STOIAR + 0,0005 / 1,9769 × (GAIRD / (GFUEL × STOIAR)) × STOIAR + (ALF × 10 × MVH₂O / (2 × 1,0079 × 1000)) + (BET × 10 × MVCO₂/ (12,011 × 1000)) + (GAM × 10 × MVSO₂ / (32,060 × 1000))) × GEUEL)
(1-10)	Dabei ist MVH₂O = 22,401 dm³/mol MVCO₂ = 22,262 dm³/mol MVSO₂ = 21,891 dm³/mol

2.6.2 Die Gleichung ergibt demnach folgende Rechnung:

(1-11)	FFH × GFUEL / GAIRD = (0,111127× ALF) / (0,05583 × ALF - 0,000109 × BET - 0,000157 × GAM + 0,773329 × (GAIRD / GEUEL))
und
(1-12)	FFH = (0,111127 × ALF) / (0,773329 + (0,0555583 × ALF - 0,000109 × BET - 0,000157 × GAM) × (GFUEL / GAIRD))

2.6.3 Der Luftüberschussfaktor wird folgendermaßen bestimmt:

(1-13)	I_v = Luftverbrauch / (Kraftstoffverbrauch stöchiometrischer Luftbedarf)
(1-14)	EAFCDO = GAIRD / (GFUEL × STOIAR)
(1-15)	GAIRD = EAFCDO × GFUEL × STOIAR
(1-16)	CWET	= CDRY× (1 - FFH GFUEL / GAIRD) = CDRY× (1 - FFH × GFUEL / (EAFCDO × GFUEL × STOIAR)) = CDRY× (1 - FEH / (EAFCDO × STOIAR))
(1-17)	CDRY	= CWET / (1 - FFH / (EAFCDO × STOIAR)) = CWET× EAFCDO × STOIAR / (EAFCDO × STOIAR - FFH)
(1-18)	HCD = HCW× EAFCDO × STOIAR / (EAFCDO× STOIAR - FFH)

2.7 Fünfter Schritt: Berechnung des Luftüberschussfaktors nach Maßgabe von Title 40, United States Code of Federal Regulations (400FR86.345-79)

(1-19)	EXHCPN = (CO2D / 100) + (COD / 10⁶) + (HCD / 10⁶)
(1-20)	I_v= EAFEXH = (1 / EXHCPN - COD / (10^{6 ×} 2 × EXHCPN) - HCD / (10⁶ × EXHCPN) + HTCRAT / 4 × (1 - HCD / (10⁶ × EXHCPN)) - 0.75 × HTCRAT / (3.5 / (COD / 10⁶ × EXHCPN)) + ((1 - 3.5) / (1 - HCD / (10⁶ × EXHCPN))))) / (4.77× (1 + HTCRAT / 4))

2.8 Sechster Schritt: Berechnung der Abgasmasse

(1-21)	Abgas-Massenstrom = Kraftstoffverbrauch + Verbrennungsluftverbrauch (mit dem im Vierten Schritt ermittelten Luftüberschussfaktor)
(1-22)	Luftverbrauch = I_v × Kraftstoffverbrauch × stöchiometrischer Luftbedarf
(1-23)	Abgas-Massenstrom = Kraftstoffverbrauch × (1 + I_v × stöchiometrischer Luftbedarf)
(1-24)	GEXHW = GFUEL × (1 + EAFEXH × STOIAR)

weiter .