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Entwicklung und Demonstration eines Verfahrens zur Minderung des Verbrauchs und der Schadstoffemission von Ottomotoren

Vergleich des Betriebes eines Einzylinder-Viertaktmotors als hochverdichtender Otto-Benzin- und Otto-Gasmotor sowie als direkteinspritzender Dieselmotor

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens zur rationellen Verringerung der Schadstoffemission wurde ein das 'Magerkonzept' realisierender Einzylinder-Ottomotor (Epsilon=13) mit Benzin bzw. Erdgas als Kraftstoff untersucht. Die Ergebnisse wurden mit dem auf Dieselbetrieb (Epsilon=20) mit direkter Einspritzung rueckgeruesteten Motor verglichen. Ein Vergleich der Betriebsarten zeigt die Ueberlegenheit des Gasmotors gegenueber dem Benzin- und Dieselmotor im Hinblick auf die NO2- und CO-Emission. Die erhoehte CH-Emission im Abgas des Erdgasmotors ist in Anbetracht der niedrigen Toxizitaet der Kohlenwasserstoffe von untergeordneter Bedeutung. Ein Vergleich der effektiven Wirkungsgrade ergibt fuer den Dieselmotor den hoechsten Wert. Abgasverbessernde Massnahmen, wie spaetere Zuendung im Ottobetrieb bzw. spaeterer Foerderbeginn im Dieselbetrieb einerseits sowie gesteuerte Abgasrueckfuehrung andererseits, ergeben bezueglich der problematischen Stickoxidemission gravierende Verminderungen. Auch hinsichtlich der CH-Emission sind die Verbesserungen bedeutsam. Diese Verbesserung der Schadstoffemission wird durch einen geringfuegigen Anstieg des spezifischen Brennstoffwaermeverbrauchs (maximal 2 v.H.) erkauft. Die Vermutung, dass die Toxizitaet der emittierten Kohlenwasserstoffe im Gasbetrieb erheblich geringer ist als bei Benzin- oder Dieselbetrieb, konnte durch Bestimmung der Menge an benzolloeslichen Produkten im Abgas bestaetigt werden. Das Hauptproblem des Dieselbetriebs ist die vergleichsweise sehr hohe Particulare-Matter-Emission.

Untersuchungen zur Resorption und Elimination von dampffoermigen Kohlenwasserstoffen bei der Respiration des Menschen

Ermittlung der Retention und Elimination dampffoermiger Paraffine, Olefine und alicyclischer Kohlenwasserstoffe, die als Benzin- bzw. Kfz-Abgaskomponenten eine Rolle spielen; Vergleich des Retentionsverhaltens mit verschiedenen Aethern.

Untersuchung von Quellen umweltschaedigender Emissionen mit kernphysikalischen Methoden (z.B. Moessbauereffekt)

Problemstellung: Luftverschmutzung durch ultrafeine (Staub)Teilchen verschiedenster Herkunft (Strassenverkehr, Hausbrand, Industrie). Zielsetzung: Identifikation dieser verschiedenen umweltbelastenden Quellen. Methoden: 57Fe Moessbauereffekt, eventuell Neutronenaktivierungsanalyse (Atominstitut der oesterreichischen Universitaeten). Ergebnisse: Studien an folgenden Proben: Strassenstaub variabler Teilchengroesse, Flugaschen verschiedenster Herkunft, Autoauspuffsystemen; Vergleiche mit NBS Standardproben; Identifikation charakteristischer Eisenverbindungen (Fe2O3, Fe3O4, Fe(OH)x) in den Proben sowie ultrafeiner (1O nm) Fe2O3 - Teilchen.

RSD-Abgasmessung

Wieviel Schadstoffe kommen wirklich aus dem Auspuff? Welche Fahrzeuge tragen besonders zu den Schadstoffbelastungen an Straßen bei? Lassen sich mit Modellen, die in der Luftreinhaltung verwendet werden, die Kfz-Emissionen realistisch berechnen? Um diese Fragen besser beantworten zu können, wurden in Berlin erstmals Schadstoffmessungen direkt in der Abgasfahne von Fahrzeugen im Straßenverkehr mit dem Verfahren „Remote Sensing Detection (RSD)“ durchgeführt. Der wissenschaftliche Bericht zu der RSD-Abgasmessung steht hier zum Download bereit: Die umfangreichen Daten zu dem Bericht können auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden. Bitte wenden Sie sich an Annette.Rauterberg-Wulff@senmvku.berlin.de . Die Abgasmessungen mit kombinierter Kennzeichenerfassung fanden im Zeitraum vom 21. Oktober bis zum 8. November 2019 im Auftrag der Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz statt. Gemessen wurde an der Sonnenallee (Neukölln) stadteinwärts zwischen Mareschstraße und Thiemannstraße sowie Am Seegraben (Alt-Glienicke) stadtauswärts am Abzweig zur A 117. Um den Schadstoffausstoß der Fahrzeuge zu messen, wurde quer über die Straße eine Lichtschranke aus infrarotem und ultraviolettem Licht installiert und die Schwächung des Lichtstrahls durch die Schadstoffe gemessen. Diese Lichtabsorption ist umso größer, je mehr Schadstoffe in der Abgasfahne sind. Es handelt sich damit um eine berührungslose Fern-Messung (englisch auch als Remote Sensing Detection oder RSD bezeichnet) ohne störende Eingriffe am Fahrzeug oder in die Fahrweise. Neben der Konzentration von Stickstoffoxiden im Abgas wird auch der Ausstoß von Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Partikeln sowie die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Fahrzeuge gemessen. Damit kann der Schadstoffausstoß in Abhängigkeit vom momentanen Kraftstoffverbrauch und der Fahrweise für die verschiedenen Fahrzeuggruppen ausgewertet werden. Wichtig für die Auswertungen sind zudem Daten zum Fahrzeug, d. h. zur Art des Fahrzeugs (Pkw, Nutzfahrzeuge, Busse), zur Antriebsart (Otto-, Dieselmotor, weitere Antriebe), zu seinem Gewicht und zur Abgasnorm, z.B. für einen Vergleich mit Emissionsgrenzwerten. Die Fahrzeugdaten wurden anhand der erfassten Kennzeichen ermittelt. Die Untersuchung ist Teil eines Projektes zur Erarbeitung eines Informationssystems zur aktuellen Luftqualität an Straßen (AkLuSt Berlin). Dieses Projekt wird aus dem “Sofortprogramm Saubere Luft 2017-2020” des Bundes mit einer Fördersumme von insgesamt 155.295 Euro gefördert. Gefördert durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Die Durchführung dieser Untersuchung erfolgte im Rahmen der Förder­richtlinie “Digitalisierung kommunaler Verkehrs­systeme”.

Messungen von gas- und staubfoermigen Luftverunreinigungen des Kfz-Verkehrs

Ziel: Ermittlung der Schadstoffe des Verkehrs (z.B. Kohlenmonoxid/Stickoxide/Kohlenwasserstoffe/Blei/Benzo(a)pyren).

Luftreinhaltung im Verkehrsbereich. Regionale Umweltberichterstattung und Modellrechnungen

Der Strassenverkehr setzt in den Ballungskernen und Verdichtungsrandzonen Luftschadstoffe in solch grossen Mengen frei, dass sie die Lebensbedingungen der dortigen Bevoelkerung erheblich beeintraechtigen. Bereits die Waldschadendiskussion hatte aber auch deutlich gemacht, dass die Luftverunreinigungen durch den Strassenverkehr nicht nur raeumlich eng begrenzte Probleme darstellen. Die Gefahren einer globalen Klimaveraenderung aufgrund der Emissionen von sog Treibhausgasen (vor allem CO2) zeigen schliesslich, dass der Verkehr auch Mitverursacher der globalen Umweltrisiken ist. Die anstehenden Probleme lassen sich durch technische Konzepte zur Emissionsminderung allein nicht loesen. Vielmehr sind solche Massnahmen durch eine Vielzahl weitergehender Massnahmen - auch im Bereich von Raumordnung und Staedtebau - zu unterstuetzen. Folgende Forschungsfragen beduerfen vordringlich einer Klaerung: - Welche Emissionssituation herrschte im Referenzjahr 1985 im Gebiet der ehemaligen DDR? - Wie stellt sich die Situation der Schadstoffemissionen des Strassenverkehrs in der BRD im Jahr 1990 in raeumlicher Differenzierung dar, wer sind die wesentlichen Verursacher? - Welche Veraenderungen in der raeumlichen und sektoralen Emissionsstruktur haben sich zwischen 1985 und 1990 ereignet, welchen Einfluss besitzen hierbei die als Folge der deutschen Vereinigung geaenderten Verkehrsstroeme? - Welche zukuenftigen Entwicklungen bis zum Jahr 2000 bzw 2005 sind bei den einzelnen Schadstoffen zu erwarten, welche besonderen Einfluesse auf die Emissionsentwicklung wird die weitere Verkehrsentwicklung ausueben.

Bau eines Massenseparators fuer 'kleine Teilchen'

Durch den Bau eines Flugzeit-Massenseparators wird es moeglich sein, kleine Teilchen der Masse nach zu trennen und nachzuweisen. Damit kann der Gehalt von sehr kleinen Pb-Clustern in Autoabgasen bestimmt werden. Es sollen ausserdem die Bedingungen fuer die Clusterbildung studiert werden und Methoden entwickelt werden, um die Clustergroesse zu variieren. So ist denkbar, dass man durch eine Zunahme der Teilchengroesse mit anschliessendem Filter die schaedliche Wirkung von Fabrikabgasen wesentlich reduziert.

Vergleich zyto- und gentoxischer Wirkungen des Abgaspartikulats von verschiedenen Dieselfahrzeugen bei Betrieb mit fossilem Brennstoff und Rapsoelmethylester (Biodiesel)

Dieselmotoremissionen (DME) haben sich bei Verbrennung fossiler Kraftstoffe als mutagen erwiesen. Die Karzinogenitaet wurde von der IARC im Tierversuch als gesichert (sufficient evidence) und fuer den Menschen als wahrscheinlich (limited evidence) eingestuft. In unseren Studien werden die DME beim Betrieb von PKW und Traktoren mit Rapsoelmethylester (RME) und herkoemmlichem Dieselkraftstoff (DK) untersucht. Das filtergesammelte Abgaspartikulat wird schonend extrahiert, mit HPLC auf PAH analysiert und im direkten Vergleich zwischen RME und DK im AMES-Test auf seine mutagenen Eigenschaften und im Neutralrot-Test auf Zytotoxizitaet untersucht. In den bisher durchgefuehrten Versuchen waren die Filterextrakte bei RME-Betrieb trotz hoeherer absoluter Masse in fast allen Laststufen und Fahrzyklen deutlich weniger mutagen als die DK-Extrakte. Dies ist wahrscheinlich auf die niedrigere PAH-Konzentration im Abgas bei RME-Betrieb zurueckzufuehren. Sollte sich bestaetigen, dass RME-Abgase eine niedrigere mutagene Potenz aufweisen als DK-Abgase, so muss ein Ersatz von DK durch RME beim Betrieb von Dieselfahrzeugen an besonders kritischen Arbeitsplaetzen (in Hallen, unter Tage) und anderen Stellen (z.B. Taxis und Busse in Innenstaedten) diskutiert werden.

Pflanze als Indikator von Luftverunreinigungen

Die Pflanze als Indikator von Luftverunreinigungen ist wiederholt in Veroeffentlichungen des Projektleiters beschrieben worden. Keine Ermittlungen wurden bisher angestellt ueber die Auswirkungen nicht-toxischer Gase fuer die Vegetation, wozu jene Mengen von Kohlenoxid, Kohlendioxid und Stickoxiden gehoeren, die in der Humanmedizin bereits als toxisch gelten. Mit dem Benzinbleigesetz vom 5. August 1971 bzw. mit der Herabsetzung des Bleigehaltes ist nach vorhandenen Emissionsunterlagen ein beachtlicher Anstieg der CO-, CO2- und NOx-Menge zu verzeichnen, die sich in Kombination mit den warmen Autoabgasen in unmittelbarer Naehe der Autobahnen und Landstrassen auf den Ertrag auswirken muesste. Neben einem verstaerkten Gehoelzwachtum muesste diese Veraenderung wiederum beispielsweise zu einem Ertragsanstieg bei Nadelgehoelzen fuehren, was an einer 1969 angelegten Versuchspflanzung mit Picea pungens 'Glauca', die nach Inkrafttreten der 2. Stufe des Benzinbleigesetzes durch Abies nobilis 'Glauca' ersetzt werden soll, in unmittelbarer Naehe der Autobahn Ruhrgebiet-Koeln und bei verschiedenen Hoehen- und Weitenabstaenden von den Fahrbahnen untersucht wird.

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