umwelt-online-Demo: 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 (8)

umwelt-online: Richtlinie 97/68/EG Verbrennungsmotor-Emissionen (8)

1.10.3. Querempfindlichkeit des O₂-Analysators

Die Empfindlichkeit eines PMD-Analysators gegenüber anderen Gasen als Sauerstoff ist vergleichsweise gering.

Die sauerstoffäquivalenten Anzeigen üblicher Abgasbestandteile sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1 - Sauerstoffäquivalente Anzeigen

Gas	Sauerstoffäquivalent (%)
Kohlendioxid (CO₂)	- 0,623
Kohlenmonoxid (CO)	- 0,354
Stickstoffmonoxid (NO)	+ 44,4
Stickstoffdioxid (NO₂)	+ 28,7
Wasser (H₂O)	- 0,381

Für Messungen hoher Genauigkeit muss die gemessene Sauerstoffkonzentration nach folgender Gleichung korrigiert werden:

Querempfindlichkeit = (Äquivalent % O₂ x gemessene Konzentration) / 100

1.11. Abstände zwischen den Kalibrierungen

Die Analysegeräte sind mindestens alle drei Monate sowie nach jeder Reparatur oder Veränderung des Systems, die die Kalibrierung beeinflussen könnte, entsprechend Abschnitt 1.5 zu kalibrieren.

Anlage 3

1. Auswertung der Messwerte und Berechnungen

1.1. Auswertung der Messwerte bei gasförmigen Emissionen

Zur Bewertung der Emissionen gasförmiger Schadstoffe ist der Durchschnittswert aus den Aufzeichnungen der letzten 120 Sekunden jeder Prüfphase zu bilden, und die mittleren Konzentrationen (conc) von HC, CO, NO_x, und CO₂ während jeder Prüfphase sind aus den Durchschnittswerten der Aufzeichnungen und den entsprechenden Kalibrierdaten zu bestimmen. Es kann eine andere Art der Aufzeichnung angewandt werden, wenn diese eine gleichwertige Datenerfassung gewährleistet.

Die durchschnittliche Hintergrundkonzentration (conc) kann anhand der Beutelablesewerte der Verdünnungsluft oder anhand der fortlaufenden (ohne Beutel vorgenommenen) Hintergrundmessung und der entsprechenden Kalibrierdaten bestimmt werden.

1.2. Berechnung der gasförmigen Emissionen

Die in das Prüfprotokoll aufzunehmenden Prüfergebnisse werden in folgenden Schritten ermittelt.

1.2.1. Umrechnung vom trockenen in den feuchten Bezugszustand

Die gemessene Konzentration ist in einen Wert für den feuchten Bezugszustand umzurechnen, falls die Messung nicht schon für den feuchten Bezugszustand vorgenommen worden ist:

conc (feucht) = k_w x conc (trocken)

Für das Rohabgas gilt:

	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 a das Verhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff im Kraftstoff.

Die H₂-Konzentration im Abgas ist zu berechnen:

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

Der Faktor kw_w2 ist zu berechnen:

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

Dabei ist H_a die absolute Feuchtigkeit der Ansaugluft in g Wasser je kg Trockenluft.

Für das verdünnte Abgas gilt:

Für die Messung des feuchten CO₂:

	a x % CO₂ [feucht]
k_w = k_{w,e,1DF 0}=	1- _______________________________- k_w1
	200

Oder für die Messung des trockenen CO₂:

Dabei ist a das Verhältnis Wasserstoff/Kohlenstoff im Kraftstoff. Der Faktor kw1 ist nach folgenden Gleichungen zu berechnen:

	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)]

Hierbei bedeuten:

H_d absolute Feuchte der Verdünnungsluft, g Wasser je kg trockener Luft

H_a absolute Feuchte der Ansaugluft, g Wasser je kg trockener Luft 13,4

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

Für die Verdünnungsluft gilt:

k_w,d = 1 - k_w1

Der Faktor k_w1 ist nach folgenden Gleichungen zu berechnen:

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

	1,608 x [H_d x (1 - 1 / DF) + H_a x (1 / DF)]
k_w1 =
	% conc_CO2+ (ppm conc_CO + ppm conc_HC) x 10^-4

Hierbei bedeuten:

H_d absolute Feuchte der Verdünnungsluft, g Wasser je kg trockener Luft

H_a absolute Feuchte der Ansaugluft, g Wasser je kg trockener Luft

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

Für die Ansaugluft (wenn anders als die Verdünnungsluft) gilt:

k_w,a = 1 - k_w2

Der Faktor k_w2 ist nach folgenden Gleichungen zu berechnen:

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

Dabei ist H_a die absolute Feuchte der Ansaugluft in g Wasser je kg trockener Luft.

1.2.2. Feuchtigkeitskorrektur bei NO_x

Da die NO_x Emission von den Bedingungen der Umgebungsluft abhängig ist, ist die NO_x Konzentration zur Berücksichtigung der Feuchtigkeit mit dem Faktor K_H zu multiplizieren:

K_H = 0,6272 + 44,030 x 10^-3 x H_a - 0,862 x 10^-3 x H₂ (Viertaktmotoren)

K_H= 1 (Zweitaktmotoren)

Dabei ist Ha die absolute Feuchte der Ansaugluft in g Wasser je kg trockener Luft.

1.2.3. Berechnung der Emissionsmassendurchsätze

Die Massendurchsätze der Emissionen Gas_mass [g/h] für jede Prüfphase sind wie folgt zu berechnen.

Für das Rohabgas gilt¹:

	MW_Gas		1
Gas_mass=		x		x % conc x G_FUEL x 1.000
	MW_FUEL		{ (% CO₂ [feucht] - % CO_2AIR) + % CO₂[feucht] + % HC [feucht]

Hierbei sind:

G_FUEL [kg/h] der Kraftstoffmassendurchsatz;

MW_Gas [kg/kmol] das in Tabelle 1 aufgeführte Molekulargewicht des jeweiligen Gases;

Tabelle 1 - Molekulargewicht

Gas	MW_Gas [kg/kmol]
NO_x	46,01
CO	28,01
HC	MW_HC = MW_FUEL
CO₂	44,01

MW_FUEL= 12,011 + α x 1,00794 + β x 15,9994 [kg/kmol] ist das Molekulargewicht des Kraftstoffs mit α Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis und β Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis des Kraftstoffs²;
CO_2AIR ist die CO₂-Konzentration in der Ansaugluft (angesetzt mit 0,04 %, wenn nicht gemessen).

Für das verdünnte Abgas gilt³:

Gas_mass = u x conc_c x G_TOTW

Hierbei bedeuten:

G_TOTW [kg/h] der Massendurchsatz des verdünnten Abgases auf feuchter Bezugsbasis, der bei Verwendung eines Vollstromverdünnungssystems gemäß Anhang III Anlage 1 Abschnitt 1.2.4 zu bestimmen ist;
conc_c die hintergrundkorrigierte Konzentration:

conc_c = conc - conc_d x (1 - 1 / DF)

mit

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

Der Koeffizient u ist in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2 - Werte des Koeffizienten u

Gas	u	conc
NOx	0,001587	ppm
CO	0,000966	ppm
HC	0,000479	ppm
CO₂	15,19	%

Die Werte des Koeffizienten u basieren auf einem Molekulargewicht des verdünnten Abgases gleich 29 [kg/kmol]; der Wert von u für HC basiert auf einem mittleren Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis von 1:1,85.

1.2.4. Berechnung der spezifischen Emissionen

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

Dabei ist P_i = P_M,i+ P_AE,i

Sind für die Prüfung Hilfseinrichtungen wie z.B. Lüfter oder Gebläse angebaut, so ist die aufgenommene Leistung zu den Ergebnissen hinzuzuaddieren, sofern es sich bei diesen Hilfseinrichtungen nicht um einen integralen Bestandteil des Motors handelt. Die Lüfter- bzw. Gebläseleistung ist bei den für die Prüfung verwendeten Drehzahlen entweder durch Berechnung aus Standardkenndaten oder durch praktische Prüfungen zu bestimmen (Anhang VII Anlage 3).

Die in der obigen Berechnung verwendeten Wichtungsfaktoren und die Anzahl der Prüfphasen (n) entsprechen Anhang IV Abschnitt 3.5.1.1.

2. Beispiele

2.1. Daten für unverdünnte Abgas aus einem Viertakt-Fremdzündungsmotor

Mit Bezug auf die Versuchsdaten (Tabelle 3) werden die Berechnungen zunächst für Prüfphase 1 durchgeführt und anschließend unter Anwendung des gleichen Verfahrens auf die anderen Prüfphasen erweitert.

Tabelle 3 - Versuchsdaten eines Viertakt-Fremdzündungsmotors

Prüfphase		1	2	3	4	5	6
Motordrehzahl	min^-1	2 550	2 550	2 550	2 550	2 550	1 480
Leistung	kW	9,96	7,5	4,88	2,36	0,94	0
Teillastverhältnis	%	100	75	50	25	10	0
Wichtungsfaktoren	-	0,090	0,200	0,290	0,300	0,070	0,050
Barometrischer Druck	kPa	101,0	101,0	101,0	101,0	101,0	101,0
Lufttemperatur	°C	20,5	21,3	22,4	22,4	20,7	21,7
Relative Luftfeuchtigkeit	%	38,0	38,0	38,0	37,0	37,0	38,0
Absolute Luftfeuchtigkeit	g_H20/kg_air	5,696	5,986	6,406	6,236	5,614	6,136
CO trocken	ppm	60 995	40 725	34 646	41 976	68 207	37 439
NO_x feucht	ppm	726	1 541	1 328	377	127	85
HC feucht	ppm C1	1 461	1 308	1 401	2073	3 024	9 390
CO₂ trocken	% Vol.	11,4098	12,691	13,058	12,566	10,822	9,516
Kraftstoffmassendurchsatz	kg/h	2,985	2,047	1,654	1,183	1,056	0,429
Kraftstoff H/C-Verhältnis α	-	1,85	1,85	1,85	1,85	1,85	1,85
Kraftstoff O/C-Verhältnis β		0	0	0	0	0	0

2.1.1. Trocken-/Feucht-Korrekturfaktor kW

Für die Konvertierung von CO und CO₂-Trockenmessungen auf feuchte Bezugsgrundlage ist der Trocken-Feucht-Korrekturfaktor k_a, 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])

und

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

	0,5 x 1,85 x 6,0995 x (6,0995 + 11,4098)
H₂ [trocken] =		= 2,450%
	6,0995 + (3 x 11,4098)

	1,608 x 5,696
k_w2 =		= 0,009
	1.000 + (1,608 x 5,696)

	1
k_w = k_w,r =		= 0,872
	1 + 1,85 x 0,005 x (6,0995 + 11,4098) - 0,01 x 2,450 + 0,009

CO [feucht] = CO [trocken] x k_w = 60.995 x 0,872 = 53.198 ppm

CO₂ [feucht] = CO₂ [trocken] x k_w = 11,410 x 0,872 = 9,951 % Vol.

Tabelle 4 - Feuchtwerte CO und CO₂ in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase		1	2	3	4	5	6
H₂ trocken	%	2,450	1,499	1,242	1,554	2,834	1,422
k_w2	-	0,009	0,010	0,010	0,010	0,009	0,010
k_w	-	0,872	0,870	0,869	0,870	0,874	0,894
CO feucht	ppm	53 198	35 424	30 111	36 518	59 631	33 481
COT feucht	%	9,951	11,039	11,348	10,932	9,461	8,510

2.1.2. HC-Emissionen

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

Dabei ist:

MW_HC= MW_FUEL

MW_FUEL = 12,011 + α x 1,00794 = 13,876

	13,876		1
HC_mass =		x		0,1461 x 2,985 x 1.000 = 28,361 g/h
	13,876		(9,951 - 0,04 + 5,3198 + 0,1461)

Tabelle 5 - HC-Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2	3	4	5	6
HC_mass	28,361	18,248	16,026	16,625	20,357	31,578

2.1.3. NO_x-Emissionen

Zunächst ist der Feuchtigkeitskorrekturfaktor K_H der NO_x Emissionen zu berechnen:

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

K_H = 0,6272 + 44,030 x 10^-3x 5,696 - 0,862 x 10^-3 x (5,696)² = 0,850

Tabelle 6 - Feuchtigkeitskorrekturfaktor KH der NO_x-Emissionen in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2	3	4	5	6
KH	0,850	0,860	0,874	0,868	0,847	0,865

Anschließend ist NO_xmass, [g/h] zu berechnen:

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

	46,01		1
NO_xmass=		x		x 0,073 x 0,85 x 2,985 x 1.000 = 39,717 g/h
	13,876		(9,951 - 0,04 + 5,3198 + 0,1461)

Tabelle 7 - NO_x-Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2	3	4	5	6
NO_xmas	39,717	61,291	44,013	8,703	2,401	0,820

2.1.4 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] }

	44,01		1
CO_2mass=		x		x 9,951 x 2,985 x 1.000 = 6.126,806 g/h
	13,876		(9,951 - 0,04 + 5,3198 + 0,1461)

Tabelle 8 - CO-Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2	3	4	5	6
CO_2mass	2084,588	997,638	695,278	591,183	810,334	227,285

2.1.5. 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 9,951 x 2,985 x 1.000 = 6.126,806 g/h
	13,876		(9,951 - 0,04 + 5,3198 + 0,1461)

Tabelle 9 - CO₂-Emissionen [geh] in den verschiedenen Prüfphasen

Prüfphase	1	2	3	4	5	6
CO_2mass	6.126,806	4.884,739	4.117,202	2.780,662	2.020,061	907,648

2.1.6. Spezifische Emissionen

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

Tabelle 10 - Emissionen [geh] und Wichtungsfaktoren in den einzelnen Prüfphasen

Prüfphase		1	2	3	4	5	6
HC_mass	geh	28,361	18,248	16,026	16,625	20,357	31,578
NO_xmass	geh	39,717	61,291	44,013	8,703	2,401	0,820
CO_mass	geh	2 084,588	997,638	695,278	591,183	810,334	227,285
CO_2mass	geh	6 126,806	4 884,739	4 117,202	2 780,662	2 020,061	907,648
Leistung P_I	kW	9,96	7,50	4,88	2,36	0,94	0
Wichtungsfaktoren WF_I	-	0,090	0,200	0,290	0,300	0,070	0,050

	28,361 x 0,090 + 18,248 x 0,200 + 16,026 x 0,090 +16,625 x 0,300 + 20,357 x 0,070 +31,578 x 0,050
HC =		= 4,11 g/kWh
	9,96 x 0,090 + 7,50 x 0,200 + 4,88 x 0,290 +2,36 x 0,300 + 0,940 x 0,070 + 0 x 0,050

	39,717 x 0,090 + 61,291 x 0,200 + 44,013 x 0,290 + 8,70 x 0,300 + 2,401 x 0,70 + 0,820 x 0,050
NO =		= 6,85 g/kWh
	9,96 x 0,090 + 7,50 x 0,200 + 4,88 x 0,290 +2,36 x 0,300 + 0,940 x 0,070 + 0 x 0,050

	2.084,59 x 0,90 + 997,64 x 0,200 + 695,28 x 0,290 + 591,18 x 0,300 + 810,33 x 0,070 + 227,92 x 0,050
CO =		= 181,93 g/kWh
	9,96 x 0,090 + 7,50 x 0,200 + 4,88 x 0,290 +2,36 x 0,300 + 0,940 x 0,070 + 0 x 0,050

	6 126,81 x 0,090 + 4.884,74 x 0,200 + 4.117,20 x 0,290 + 2.780,66 x 0,300 + 2.020,06 x 0,070 + 907,65 x 0,050
CO =		= 816,36 g/kWh
	9,96 x 0,090 + 7,50 x 0,200 + 4,88 x 0,290 +2,36 x 0,300 + 0,940 x 0,070 + 0 x 0,050

2.2. Daten für unverdünntes Abgas aus einem Zweitakt-Fremdzündungsmotor

Mit Bezug auf die Versuchsdaten (Tabelle 11) werden die Berechnungen zunächst für Prüfphase 1 durchgeführt und anschließend unter Anwendung des gleichen Verfahrens auf die anderen Prüfphasen erweitert.

Tabelle 11 -Versuchsdaten eines Zweitakt-Fremdzündungsmotors

Prüfphase		1	2
Motordrehzahl	min^-1	9 500	2 800
Leistung	kW	2,31	0
Teillastverhältnis	%	100	0
Wichtungsfaktoren	-	0,9	0,1
Barometrischer Druck	kPa	100,3	100,3
Lufttemperatur	°C	25,4	25
Relative Luftfeuchtigkeit	%	38,0	38,0
Absolute Luftfeuchtigkeit	9_H20/kg_air	7,742	7,558
CO trocken	ppm	37 086	16 150
NO, feucht	ppm	183	15
HC feucht	ppm C1	14 220	13 179
CO₂ trocken	% Vol.	11,986	11,446
Kraftstoffmassendurchsatz	kg/h	1,195	0,089
Kraftstoff H/C-Verhältnis α	-	1,85	1,85
Kraftstoff O/C-Verhältnis β		0	0

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