Messverfahren und Simulationsmodell zur Ermittlung der zeitlichen und örtlichen Verteilung der Verdunstungsemissionen im Luftansaugsystem von Ottomotoren

FVV-Projekt Verdunstungsemissionen I

Bearbeiter: Dipl.-Ing. C. Spengler

Anlass:

Neben den Abgasemissionen sind auch die Verdunstungsemissionen von mit Ottomotoren betriebenen Kraftfahrzeugen während des Motorstillstands limitiert. Diese Emissionen bestehen aus flüchtigen Kohlenwasserstoffen [1]. Im Jahr 2000 wurden in den USA durch die USEPA Tier II [2] verschärfte Grenzwerte für diese Emissionen eingeführt. In Kalifornien gelten seit 1998 durch die CARB mit den Grenzwerten in LEV II noch strengere Anforderungen [3]. Nach einer Übergangszeit sind diese ab dem Modelljahr 2006 einzuhalten. Auch in Europa sind die Verdunstungsemissionen begrenzt (EU, Directive 93/59/EEC) [4]. Als Bestandteil der Fahrzeug-Zertifizierung wird zur Feststellung dieser Verdunstungsemissionen das ganze Fahrzeug in der so genannten SHED-Kammer einem definierten Prüfzyklus unterzogen [5]. Dabei werden die emittierten Kohlenwasserstoffe vor und nach der Prüfung in der Kammer gemessen. Man geht davon aus, dass die Emissionen eines Fahrzeugs zu etwa jeweils einem Drittel von der Karosserie, dem Kraftstoffsystem und dem Motor mit Luftansaugsystem stammen [6]. Im SHED-Test können einzelne Emissionsquellen und deren Beitrag zum Gesamtergebnis nicht lokalisiert bzw. quantifiziert werden. Dementsprechend können Maßnahmen zur Verminderung der Verdunstungsemissionen aus dem Luftansaugsystem nicht gezielt und effektiv vorgenommen werden.

Ausgangsituation:

Die Einhaltung der Grenzwerte für die Verdunstungsemissionen stellt für die Automobilindustrie und deren Zulieferer eine große Herausforderung dar. Als Quellen für die Verdunstungsemissionen im Luftansaugsystem konnten bis jetzt undichte Injektoren, nasse Wände bei Motoren mit Kanaleinspritzung sowie flüchtige Kohlenwasserstoffe aus der Kurbelgehäuse- und Tankentlüftung qualitativ identifiziert werden [7,8]. Über deren einzelne Beiträge an der Gesamtemission ist allerdings wenig bekannt. Deshalb müssen diese Quellen eingehender untersucht werden. Auf der anderen Seite ist die Kenntnis der Quellen und deren Quellstärke auch unerlässlich, um effektive Maßnahmen zur Verringerung der Verdunstungsemissionen in das Luftansaugsystem einzubringen. Es sind einige Maßnahmen zur Verringerung der Verdunstungsemissionen bekannt. So stellt z.B. der Einbau einer Klappe in das Luftansaugsystem keine endgültige Lösung des Problems dar, da es keine wirklich dichten Klappen gibt. Solche aktiven Systeme würden außerdem der Onboard-Diagnose unterliegen. Passive Systeme, wie z.B. Aktivkohlefilter im Luftansaugsystem zur Adsorption verdunsteter Kohlenwasserstoffe sind dagegen besser geeignet [9], die Emissionen zu reduzieren. Die meisten Maßnahmen stellen ein Optimum dar, in dem sie den gesamten Querschnitt im Luftansaugsystem überdecken. Dies führt zu einem erhöhten Druckverlust mit der Folge von Leistungseinbussen beim Motor. Systeme, die außerhalb der Strömung angeordnet sind bergen dagegen die Gefahr, dass nicht alle Kohlenwasserstoffe erfasst werden und somit die Emissionen höher liegen.

Simulation:

Da die genauen örtlichen und zeitlichen Verteilungen der Verdunstungsemissionen im Luftansaugsystem nicht bekannt sind, ist zudem eine optimale und kosteneffektive Auslegung und Platzierung der Kohlenwasserstoffadsorber derzeit nicht möglich. Daher soll im Forschungsvorhaben "Verdunstungsemissionen" der Forschungsvereinigung für Verbrennungskraftmaschinen die örtliche und zeitliche Verteilung der Verdunstungsemissionen im Luftansaugtrakt von Ottomotoren untersucht werden. Hierbei soll zum einen die örtlich und zeitliche Verteilung der Verdunstungsemissionen an einem Versuchsmodell und an einem realen Luftansaugtrakt gemessen werden. zum Anderen soll ein Simulationspaket erstellt werden, welches helfen soll in Zukunft aufwändige Versuche auf ein Minimum zu reduzieren.

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  1. Bosch Automotive Handbook (2004): 6th Edition, SAE, Society of Automotive Engineering . Robert Bosch GmbH, Plochingen, Germany

  2. United States Enviromental Protection Agency (2000): Federal Register Part III. 40 CFR Parts 80 and 86. Control of Air Pollution from New Motor Vehicles: Tier 2 Motor Vehicle Emissions Standards and Gasoline Sulfur Control Requirements; Technical Amendments; Final Rule

  3. California Air Resources Board (1999): Title 13, Division 3, Section §1976. Standards and Test Procedures for Motor Vehicle Fuel Evaporative Emissions.

  4. European Commissions (1993): DIRECTIVE 98/69/EC of the European Parliament and of the Council of 13 October 1998 relating to measures to be taken against air pollution by emissions from motor vehicles and amending Council Directive 79/220/EEC. Official Journal of the European Communities.

  5. Haskew, H. M., Cadman, W. R., Liberty, T. F. (1990): The Development of a Real-Time Evaporative Emission Test. SAE Paper no. 901110.

  6. Faiz, A., Weaver, C. S., Walsh, M. P. (1996): Air Pollution from Motor Vehicles: Standards and Technologies for Controlling Emissions. The World Bank, Washington D.C.

  7. Siegl, W. O., Guenther, M. T., Henry, T. (2000): Identifying Sources of Evaporative Emissions - Using Hydrocarbon Profiles to Identify Emission Sources. SAE Paper no. 2000-01-1139.

  8. Reuter, R. M., Benson, J. D., Brooks, D. J., Dunker, A. M., Gorse, Jr., R. A., Koehl, W. J. (1994): Sources of Vehicle Emissions in Three Day DiurnalSHED Tests - Auto/Oil Quality Improvement Reach Programm. SAE Paper no. 941965.

  9. Leffel, J. M., Abdelhosseini, R. (2005): Requirements Setting, Optimatsation and Best Fit Application of AIS Hydrocarbon Adsorption Devices for Engine Evaporative Emissions Breathing Loss Control. SAE Paper no. 2005-01- 1104.

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