Land- und Baumaschinen erfüllen heute die höchsten Ansprüche an eine Minimierung der Schadstoffemissionen. Dieser Vergleich zeigt, dass die gültigen Richtlinien für Dieselmotoren sogar strenger als die für Pkw sind

Engelmann, Danilo

Geimer, Marcus

KITopen

2   Mobile Maschinen 1/2016Grüner als gedachtLand- und Baumaschinen sind führend bei EmissionsreduktionenMarcus Geimer, Danilo EngelmannLand- und Baumaschinen erfüllen heute die höchsten  Ansprüche an eine Minimierung der Schadstoffemissionen.  Dieser Vergleich zeigt, dass die gültigen Richtlinien für  Diesel motoren sogar strenger als die für Pkw sind.Fahrzeuge, die für einen Einsatz abseits der Straßen entwickelt werden, wie z. B. Land- und Baumaschinen, werden heute aufgrund der hohen notwendigen Energie- und Leistungsdichte bevorzugt verbren-nungsmotorisch angetrieben. Aufgrund der Drehmomentcharakteristik des Verbren-nungsmotors wird dabei als Energie-speicher Dieselkraftstoff eingesetzt.EMISSIONEN I  ANTRIEBE UND ANTRIEBSELEMENTE Mobile Maschinen 1/2016   3Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer, Institutsleiter,  Dipl.-Ing. Danilo Engelmann, akademischer Mitarbeiter Forschungsgruppe: Steuerungs- und Assistenzsysteme; Beide Karlsruher Institut für Technology KIT, Institut für Fahrzeug- system technik, Lehrstuhl für Mobile ArbeitsmaschinenFür Pkw ist seit dem 1. September 2015 die Abgasstufe Euro 6 bindend, [4]. Genau wie bei den Maschinen müssen alle neu in den Verkehr gebrachten Fahrzeuge die Grenz-werte einhalten. Bereits zugelassene oder in Verkehr gebrachte Fahrzeuge, wie z. B. solche mit H-Kennzeichen, die meist keine Schadstoffminderungseinrichtungen be-sitzen, müssen nicht nachgerüstet werden.Die Tabelle 1 fasst in den ersten beiden Zeilen die heute gültigen Emissionsgrenz-werte für Stickoxide (NOx) und Partikel (PM) von Maschinen und Pkw zusammen. Hierin ist die Problematik eines direkten Vergleichs zu erkennen: während die Schadstoffgrenzwerte für Pkw auf die zu-rückgelegte Strecke in km bezogen wer-den, werden sie bei den Maschinen auf die Motorenergie in kWh bezogen. Im Folgen-den werden Möglichkeiten zu einer Um-rechnung vorgestellt, damit die Emissions-grenzwerte objektiv miteinander verg-lichen werden können.Umrechnung durch den  zulässigen FlottenverbrauchEin erklärtes Ziel der Europäischen Union ist es, den CO2-Ausstoß im Jahre 2020 im Vergleich zum Jahr 1990 um 20 % zu senken. Die Bundesregierung hat dieses Ziel sogar dahingehend verschärft, dass Sie eine Re-duktion um 40 % im genannten Zeitraum anstrebt. Aus diesem Grund wurde auch der Flottenverbrauch von Pkw begrenzt, [5]: Aktuell gilt ein CO2-Grenzwert von 120 g/km, ab dem Jahre 2020 wird dieser Grenzwert auf 95 g/km reduziert.Der Ausstoß von CO2 ist eine unmittel-bare Folge der motorischen Verbrennung. Aus der Verbrennungschemie mit der Randbedingung einer vollständigen Oxida-tion des im Dieselkraftstoff gebundenen Kohlenstoffs kann das CO2-Äquivalent eines Liters Kraftstoff zu 2,64 kgCO2/l Diesel er-mittelt werden. Reale Messungen an zwei Traktoren haben in [6] gezeigt, dass das  tatsächliche CO2-Äquivalent bei ungefähr 2,70 kgCO2/lDiesel liegt.Unter Berücksichtigung des gemessenen CO2-Äquivalents kann auf einen Kraftstoff-verbrauch rückgerechnet werden:Im vorliegenden Fall berechnet sich daraus der spezifische Kraftstoffverbrauch:Dieser Wert erscheint auf Basis von Erfah-rungen als Durchschnittswert für Pkw  plausibel. Geregelt werden die zulässigen Schadstoff-emissionen eines Dieselmotors für Land- und Baumaschinen in der Richtlinie 97/68/EG [1]. Neben den genannten Ma-schinen werden in dieser Richtlinie auch Schiffe und Eisenbahnen geregelt. Ab dem 1. Januar 2015 ist die Stufe IV für Motoren von 56 kW bis 560 kW in Europa bindend. Entgegen der in [2] dargestellten Informati-onen sind die Motoren der genannten  Maschinen weder ungeregelt, noch ist die Stufe IIIB aktuell gültig. Je nach Motorleis-tung wurde die Stufe IIIB in den Jahren 2013 bis 2014, mit einer Übergangsfrist bis Ende 2014, durch die Stufe IV abgelöst. Eine sehr komprimierte und übersichtliche Darstel-lung der gültigen Grenzwerte für die ge-nannten Maschinen ist in [3] zu finden.ANTRIEBE UND ANTRIEBSELEMENTE  I  EMISSIONEN4   Mobile Maschinen 1/2016Zeile Grundlage Fahrzeug NOx Partikel Bemerkung1 97/68/EG Maschine 0,4 g/k Wh 0,025 g/kWh –2 91/441/EWG Pkw 80 mg/km 4,5 mg/km –3 UB=5,42 km/kWh Pkw 0,4 g/kWh 0,024 g/kWh Best-Case4 UNEFZ = 8,39 km/kWh Pkw 0,7 g/kWh 0,038 g/kWh NEFZ-Zyklus5 UWLTP= 6,64 km/kWh Pkw 0,5 g/kWh 0,030 g/kWh neuer WLTP-Zyklus6 70km/h Pkw 0,7 g/kWh 0,039 g/kWh KonstandfahrtTabelle: Emissionsgrenzwerte nach [1,4], teilweise umgerechnetFür eine Umrechnung U des oben errech-neten Verbrauchs auf die spezifische Moto-renergie muss der spezifische Verbrauch „b“_“e“ eines Verbrennungsmotors bekannt sein:Da sich dieser in seinem Kennfeld ändert kann für eine Best-Case-Abschätzung der minimale spezifische Verbrauch herange-zogen werden. Nach aktuellem Kenntnisstand beträgt der minimale spezifische Verbrauch eines Dieselmotors etwa 200 g/kWh, [7, 8, 9].Mit Hilfe des Umrechnungsfaktors können nun die bestenfalls von einem Pkw zu er-reichenden Emissionswerte auf den Ener-giebedarf umgerechnet werden. Die Ergeb-nisse sind in der 3. Zeile der Tabelle zusam-men gefasst. Dabei zeigt sich, dass die Emis-sionsgrenzwerte der Maschinen und Pkw gleich hohe Werte im Best-Punkt des Ver-brennungsmotors zulassen.Umrechnung auf Basis  gemessener VerbrauchswerteIm nun folgenden Kapitel erfolgt auf Basis von Messwerten an Fahrzeugen die Umrech-nung der Emissionen einer zurückgelegten Strecke [km] auf die Motorenergie [kWh].Zum ersten kann der Energieverbrauch im neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) eines Fahrzeugs gemessen werden. So wird beispielsweise in [10] die mittlere Antriebs-leistung im NEFZ mit 4 kW angegeben. Aus der Abgasgesetzgebung [4] ist zudem be-kannt, dass der NEFZ-Zyklus 1.180 s dauert und 11 km lang ist. Der Umrechnungsfaktor UNEFZ berechnet sich so zu:Mit Hilfe dieses Umrechnungsfaktors kann erneut der für Pkw äquivalente Emissions-wert berechnet werden, vgl. Zeile 4 in Tabelle. Im Gegensatz zu dem Best-Case-Szenario zeigen sich bei den Maschinen jetzt deutlich bessere Emissionswerte als beim Pkw.Begründet werden kann das Ergebnis un-ter Berücksichtigung des spezifischen Ver-brauchs mit den gewählten NEFZ-Daten:Es zeigt sich hier, dass die Betriebspunkte des NEFZ nicht im Bereich des optimalen Verbrauchs im Motorkennfeld liegen, somit einen höheren spezifischen Verbrauch be-sitzen. Aufgrund der geringen Motorbelas-tung im Zyklus des NEFZ ist auch dieser Wert plausibel.Etwas verbessert wird diese Situation durch den neu angestrebten Testzyklus „Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure (WLTP)“. Nach [10] wird in dem Zyklus eine mittlere Antriebsleistung von 7 kW benötigt, der Zyklus dauert 30 Minuten und hat eine Länge von 23,25 km. Umrech-nungsfaktor UWLTP und Emissionen lassen sich analog berechnen, vgl. Zeile 5 in Tabelle:Eine weitere Möglichkeit eines Emissions-vergleichs ist die Auswahl eines speziellen Betriebspunkts. Hierzu muss z. B. die für ei-ne gewisse Geschwindigkeit v notwendige Leistung Pv eines Pkw bekannt sein. Renius gibt z.B. in seinem Leserbrief zum Artikel [2] an, dass bei 70 km/h eine Leistung von 8 kW benötigt wird. Der Umrechnungsfak-tor berechnet sich dabei zu:Die Zeile 6 in Tabelle gibt die für die  Geschwindigkeit umgerechneten Emissio-nen eines Pkw an. Man erkennt im Ver-gleich zur Maschine deutlich höhere Emis-sionen beim Pkw, aber ähnlich hohe Werte wie im NEFZ.Im besten Fall gleich  hohe EmissionenDie Emissionen von Pkw und mobilen Ma-schinen, wie z. B. Land- und Baumaschinen, werden heute unterschiedlich reglemen-tiert. Während die Emissionen bei Pkw auf die zurückgelegte Strecke [km] bezogen wer-den, werden Sie bei mobilen Maschinen auf die erzeugte Energie [kWh] bezogen. Dies hat zur Folge, dass eine direkte Umrechnung der Emissionsgrenzwerte nicht möglich ist.In der vorliegenden Studie wurden Mög-lichkeiten zur Umrechnung der Emissionen für einen Vergleich vorgestellt. Neben einer Best-Case-Betrachtung wurden aktuelle Leistungskennwerte von Pkw, z. B. aus dem NEFZ oder bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit, herangezogen. Dabei zeigt sich, dass die Emissionen bei Pkw bes-tenfalls gleich hoch sind wie die von mobi-len Maschinen, im praktischen Betrieb je-doch in der Regel höher. zLiteraturverzeichnis: [1] Richtlinie 2010/26/EU der Kommission vom 31. März 2010 zur Änderung der Richtlinie 97/68/EG des Europäischen Parlaments und des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten über Maßnehmen zur Bekämpfung der Emissionen von gasförmigen Schadstoffen und luftverunreinigenden Partikeln aus Verbrennungsmotoren für mobile Maschinen und Geräte. [2] Kellerhoff, P.: Land- und Baumaschinen hinken Pkw hinterher, VDI nachrichten vom 9. Oktober 2015, Nr. 41, S. 13. [3] Abgasgesetzgebung – Diesel- und Gasmotoren, VDMA Motoren und Systeme, Stand Juni 2006. [4] Richtlinie des Rates vom 26. Juni 2991 zur Änderung der Richtlinie 70/220/EWG zur Anglei-chung der Mitgliedsstaaten über Maßnahmen gegen die Verunreinigung der Luft durch Emissionen von Kraftfahrzeugen, Internet: http://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:31991L0441&from=de, Stand: 02.11.2015. [5] Verordnung (EG) Nr. 443/2009 des europäischen Parlaments und des Rates vom 23. April 2009 zur Festsetzung von Emissionen für neue Personenkraft-wagen im Rahmen des Gesamtkonzepts der Gemeinschaft zur Verringern der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeu-gen, Internet: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ%3AL%3A2009%3A140%3A0001%3A0015%3ADE%3APDF, Stand 02.11.2015. [6] Clare, D.A. et al.: Real world measurement of carbon dioxide emissions of agricultural tractor using a portable emissions measurement system, Conference: Agricultural Engineering, 6.-7. Nov. 2015, Hannover. In: VDI-Berichte Nr. 2251, 2015, S. 21-27. [7] Kleibl, A.: Effizienzbewertung bei Spezialtiefbau-maschinen, 6. Fachtagung Baumaschinentechnik 2015, 17./18. September 2015, Dresden. In: Tagungsband, Schriftenreihe der Forschungsvereini-gung Bau- und Baustoffmaschinen e.V. (FVB), Heft 49, S. 129. [8] Geimer, M. und Pohlandt, C.: Grundlagen mobiler Arbeitsmaschinen, Karlsruher Schriftenreihe Fahrzeugsystemtechnik, Band 22, ISBN 978-3-7315-0188-6, Seite I-13. [9] Effektiver Kraftstoffverbrauch, Internet: http://www.motorlexikon.de/?I=3492, Bild K285, Stand 03.11.2015. [10] NEFZ und WLTP, Verband der Automobilindus-trie VDA, Internet: https://www.vda.de/ de/themen/umwelt-und-klima/nefz-und-wltp/nefz-und-wltp.html, Stand 03.11.2015. Bilder: Fotoliawww.fast.kit.edu

Grüner als gedacht Land- und Baumaschinen sind führend bei Emissionsreduktionen

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Grüner als gedacht Land- und Baumaschinen sind führend bei Emissionsreduktionen

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