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Einfluss verlustarmer Fuellungsregelungen auf den Verbrennungsablauf von Ottomotoren

Die verlustarme Fuellungsregelung zur Leistungssteuerung von Ottomotoren ist insbesondere im Teillastbereich eine sehr wirksame Massnahme zur Verminderung des Kraftstoffverbrauches. Da die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzten Ottomotoren ueberwiegend im Teillastbereich arbeiten, ist bei Anwendung der o.g. Regelungsart eine erhebliche Kraftstoffersparnis zu erwarten. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Auswirkungen von Fuellungsregelungen durch fruehes variables Einlassende mittels verschiedener Steuerungsvorrichtungen auf den ottomotorischen Verbrennungsprozess und das daraus resultierende Verhalten im Hinblick auf Wirkungsgrad und Schadstoffemission experimentell und durch begleitende Rechnung anhand mathematischer Modelle zu untersuchen.

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.

Autokauf

<p>Beim Autokauf Elektroautos bevorzugen, auf geringen Energieverbrauch und CO2-Ausstoß achten</p><p>Worauf Sie beim umweltbewussten Autokauf achten sollten</p><p><ul><li>Kaufen Sie einen Pkw mit geringem Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch und niedrigem CO2-Ausstoß – das Elektroauto ist hier die erste Wahl.</li><li>Es muss nicht immer das eigene Auto sein: Vor allem Wenig-Fahrer können beim Carsharing viel Geld sparen.</li></ul></p><p>Gewusst wie</p><p>Der größte Teil der Umweltbelastungen eines Autos wie Treibhausgase (CO2), Schadstoffe&nbsp;(Stickstoffdioxide, Feinstaub) und Lärm entsteht beim Fahren. Aber bereits beim Kauf entscheiden Sie über den spezifischen Kraftstoffverbrauch ihres Autos und damit über die zukünftigen Umweltbelastungen und Tank- bzw. Energiekosten.</p><p><strong>Sparsames Auto wählen:</strong>&nbsp;Die CO2-Emissionen eines Autos und damit seine Klimawirksamkeit hängen direkt vom Kraftstoffverbrauch ab: Pro Kilowattstunde Strom werden rund 0,4 kg CO2 (Deutscher Strommix), pro Liter Benzin rund 2,3 kg CO2 und pro Liter Diesel rund 2,6 kg CO2&nbsp;freigesetzt. Auch die Kosten für das Tanken steigen linear mit dem Verbrauch. Mit Ihrer einmaligen Kaufentscheidung für ein bestimmtes Auto legen Sie in hohem Maße die Tank- bzw. Energiekosten und CO2-Emissionen für die gesamte langjährige Nutzungszeit fest. Es lohnt sich deshalb doppelt, ein Auto mit einem möglichst geringen Energieverbrauch zu wählen. Händler und Hersteller sind deshalb auch gesetzlich verpflichtet, den Kraftstoff- bzw. Stromverbrauch und die spezifischen CO2-Emissionen sowohl in der Werbung als auch im Autohaus anzugeben. Häufig weisen schon verschiedene Modellvarianten desselben Herstellers große Spannbreiten beim Energieverbrauch und CO2-Ausstoß auf.</p><p><strong>Elektroantrieb bevorzugen:</strong> Die klimaschonendste Antriebsvariante beim Autokauf ist das Elektroauto. Die CO2-Einsparungen während der Nutzung übersteigen die höheren Treibhausgasemissionen bei der Herstellung durch den zusätzlichen Aufwand für Batterien deutlich. Ein Vorteil des Elektroantriebs ist auch, dass lokal keine Schadstoffe durch Abgase emittiert werden. Zudem wird die Lärmbelastung reduziert. Bei Elektrofahrzeugen hängen die Emissionen bei der Fahrzeugherstellung und beim Betrieb (Abriebemissionen von Reifen) sowie das Gewicht des Fahrzeuges stark von der Größe bzw. Kapazität der verbauten Antriebsbatterie ab. Deshalb sollte die Antriebsbatterie bedarfsgerecht ausgewählt werden, auch um ein unnötiges Mitschleppen von zusätzlichem Gewicht zu vermeiden. Hierdurch können sowohl Emissionen als auch der Energieverbrauch des Fahrzeuges verringert werden. Wenn man sich nichtdestotrotz zum Kauf eines Verbrenner-Pkw entscheidet, sollte das Neufahrzeug bei einem Dieselantrieb mindestens die Euro 6d-TEMP Abgasnorm einhalten. Ein Otto-Pkw mit Direkteinspritzung muss mindestens die Euro 6c-Norm erfüllen. So wird sichergestellt, dass auch die Partikelemissionen des Otto-Direkteinspritzers gering sind.&nbsp;</p><p>Auf dem Pkw-Label werden Neuwagen in sieben CO2-Effizienzklassen eingeteilt: von „A“ (grün, beste) bis „G“ (rot, schlechteste).</p><p><strong>Auf Pkw-Label achten:</strong> Wie klimafreundlich und kostengünstig ein Neuwagen im Betrieb ist, lässt sich einfach am <a href="https://www.alternativ-mobil.info/pkw-label">Pkw-Label</a> erkennen, mit dem jeder Neuwagen ausgezeichnet sein muss. Das Pkw-Label enthält Informationen zum Energieverbrauch und zum CO2-Ausstoß neuer Autos.&nbsp;Außerdem beinhaltet es Kostenrechnungen für die Kraftstoff-/Energie- und CO2-Kosten. Somit erhalten Verbraucherinnen und Verbraucher auch Informationen darüber, wie sich die CO2-Bepreisung fossiler Kraftstoffe bei den Kosten an der Tankstelle auswirken wird. Die Darstellung des Labels ist analog zum bekannten EU-Energielabel und stuft die Autos nach CO2-Klassen (A bis G bzw. dunkelgrün bis rot) ein (siehe Abbildung). Die Einstufung nach CO2-Klassen erfolgt in Abhängigkeit von der Antriebsart.</p><p><strong>Sparsam bei der Ausstattung sein:</strong> <a href="https://www.umweltbundesamt.de/umwelttipps-fuer-den-alltag/mobilitaet/autoklimaanlage">Klimaanlage</a>, elektrische Fensterheber oder beheizbare Sitze und Heckscheiben sind heute oft Standard. Sie treiben aber auch den Energieverbrauch des Fahrzeugs in die Höhe. Die Klimaanlage ist dabei der größte Spritfresser: Sie erhöht beispielsweise den Verbrauch im Stadtverkehr um bis zu 30 %. Leider wird der Verbrauch durch die Nebenaggregate bei den normierten Verbrauchsangaben der Autohersteller nicht berücksichtigt.&nbsp;Verzichten Sie deshalb beim Kauf nach Möglichkeit auf solche verbrauchssteigernden Nebenaggregate bzw. verwenden Sie diese – insbesondere die Klimaanlage – sparsam.</p><p><strong>Carsharing nutzen:</strong>&nbsp;Oft geht es auch ohne eigenen Pkw. Insbesondere dann, wenn Sie Ihr Auto nicht täglich benötigen. Mit Carsharing können Sie zudem richtig viel Geld sparen. Wenn Sie nicht mehr als 10.000 bis 14.000 km pro Jahr fahren, ist&nbsp;<a href="https://www.umweltbundesamt.de/umwelttipps-fuer-den-alltag/mobilitaet/carsharing">Carsharing</a> in der Regel kostengünstiger als ein eigenes Auto. Die hohen Fixkosten für Anschaffung und Versicherung entfallen. Außerdem müssen Sie sich nicht mehr um die Wartung des Fahrzeugs kümmern.&nbsp;</p><p><strong>Was Sie noch tun können:</strong></p><p>Hintergrund</p><p><strong>Umweltsituation:</strong> Der Anteil des Verkehrs an den Treibhausgasemissionen in Deutschland ist seit 1990 von etwa 13 % auf 19,4 % im Jahr 2021 gestiegen. Das lag vor allem am stetig wachsenden Straßengüterverkehr und dem Motorisierten Individualverkehr. Technische Effizienzsteigerungen werden durch höhere Fahrleistungen und dem Trend zu größeren und schwereren Fahrzeugen aufgehoben. Mehr Informationen dazu finden Sie auf unserer Seite&nbsp;<a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/verkehr/emissionen-des-verkehrs">Emissionen des Verkehrs</a>.&nbsp;</p><p>Bezüglich ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/k?tag=Klimawirkung#alphabar">Klimawirkung</a>⁠ haben Elektrofahrzeuge die Nase vorn. Gemäß einer Studie im Auftrag des ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UBA#alphabar">UBA</a>⁠ sind im Jahr 2020 zugelassene Elektroautos um etwa 40% klimafreundlicher in ihrer Wirkung als Pkw mit Benzinmotor (UBA 2024). Bei einigen Umweltwirkungen wie die Auswirkungen auf Wasser (aquatische ⁠Eutrophierung⁠) und Böden (⁠Versauerung⁠) ergeben sich für E‑Pkw aktuell noch Nachteile, die größtenteils auf die noch fossile Strom­bereitstellung zurückzuführen sind. Nach Umstellung auf ein erneuerbares Stromsystem liegt der E-Pkw bei allen untersuchten Umweltwirkungen vor Pkw mit Verbrennungsmotoren.&nbsp;</p><p>Eine weitere Umweltbelastung stellt die Versiegelung und Zerschneidung von Flächen durch den Straßenverkehr dar. Damit wird der Lebensraum der Menschen massiv eingeschränkt sowie die ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/f?tag=Flora#alphabar">Flora</a>⁠ und ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/f?tag=Fauna#alphabar">Fauna</a>⁠ stark beeinträchtigt.</p><p><strong>Gesetzeslage:</strong> Fossile Kraftstoffe unterliegen einem CO2-Preis, der im <a href="https://www.dehst.de/DE/Publikationen/Recht/Rechtsgrundlagen/_docs/nehs/behg_artikel.html">Brennstoffemissionshandelsgesetz (BEHG)</a> für die Jahre 2024 (45 Euro/ t CO2) und 2025 (55 Euro/ t CO2) festgelegt ist. Das neue Pkw-Label informiert Verbraucherinnen und Verbraucher beispielhaft darüber, wie sich die CO2-Bepreisung fossiler Kraftstoffe bei den Kosten an der Tankstelle auswirken kann. Darüber hinaus finden Sie umfassende Hinweise zu gesetzlichen Regelungen auf unserer Themenseite <a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/verkehr/emissionsstandards/pkw-leichte-nutzfahrzeuge%20">Pkw und leichte Nutzfahrzeuge</a>.</p><p><strong>Marktbeobachtung:</strong> Der Marktanteil von Elektroautos bei Neuwagen nimmt seit dem Jahr 2020 deutlich zu (siehe Abbildung). Allerdings war im Jahr 2023 nur etwa jedes fünfte neue Auto ein Elektroauto. Weitere Marktbeobachtungen finden Sie auf unserer Themenseite <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/private-haushalte-konsum/konsum-produkte/gruene-produkte-marktzahlen/marktdaten-bereich-mobilitaet%20">Marktdaten: Mobilität</a>.</p><p>Weitere Informationen finden Sie auf unseren <strong>UBA-Themenseiten</strong>:</p><p><strong>Quellen:</strong> UBA (2024): <a href="https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/analyse-der-umweltbilanz-von-kraftfahrzeugen">Analyse der Umweltbilanz von Kraftfahrzeugen mit alternativen Antrieben oder Kraftstoffen auf dem Weg zu einem treibhausgasneutralen Verkehr</a></p><p>&nbsp;</p>

Abgasemission und Betriebsverhalten von Ottomotoren bei Betrieb mit verschiedenen Brennstoffen

Versuchsmotoren sollen mit moeglichst vielen fluessigen und gasfoermigen Brennstoffen betrieben werden. Die Schadstoffemission soll im Zusammenhang mit dem allgemeinen Betriebsverhalten und dem Wirkungsgrad beurteilt werden.

Experimentelle Untersuchung der zweistufigen Verbrennung im Kolbenmotor unter besonderer Beruecksichtigung geringer Schadstoffemission

Im Rahmen der Abgasentgiftung heutiger Kraftfahrzeugmotoren wurde ein Otto/Diesel-Hybridmotor mit vergleichsweise geringer Schadstoffemission entwickelt. Die Berechnung der Waermeentwicklung im Motor und die Analyse von Gasproben aus der Verbrennungszone ermoeglichten einen Einblick in die Zusammenhaenge zwischen Energieumsatz und Schadstoffbildung. Die gute Abgasqualitaet des Verfahrens wird durch eine zweistufige Verbrennung in Verbindung mit einer Kombination aus Ladungsschichtung und Fremdzuendung hervorgerufen. Ausserdem kann durch Massnahmen wie Ansaugluftdrosselung, Wassereinspritzung, Abgasrueckfuehrung und katalytische Abgasreinigung das Abgas zusaetzlich entscheidend verbessert werden. Das Verfahren besitzt eine weitgehende Oktanzahlunempfindlichkeit, so dass darueberhinaus durch eine geeignete Kraftstoffauswahl eine Abgasentgiftung moeglich wird. Straigt-Run-Benzin ist dabei ein besonders attraktiver Kraftstoff, da bei seiner Verbrennung wesentlich weniger (50 v.H.) unverbrannte bzw. teiloxidierte Kohlenwasserstoffe im Abgas enthalten sind und aufgrund seines niedrigeren Aromatengehaltes auch die Emission kanzerogener Kohlenwasserstoffe stark verringert sein duerfte. Ausserdem ist es gegenueber Superbenzin wegen der einfacheren Herstellung und der besseren Rohoelausnutzung wesentlich preisguenstiger. Als naechstes Ziel wird durch Verbesserung der Gemischaufbereitung und durch Steuerung des Verbrennungsablaufs fuer den Betrieb mit Straight-Run-Benzin eine weitere Absenkung der Schadstoffemission, insbesondere der Emission kanzerogener Kohlenwasserstoffe, angestrebt.

Untersuchungen ueber Leistungs- und Abgasverhalten von Verbrennungsmotoren bei mageren Gemischen

Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Leistung, Abgasemission und Wirkungsgrad bei Betrieb von Ottomotoren mit mageren Brennstoff-Luft-Gemischen.

Untersuchung des Diesel/Gas-Verfahrens bezueglich seiner Eignung zur Verbesserung der Abgasqualitaet

Der Wirkungsgrad von Dieselmotoren ist wegen des thermodynamisch guenstigeren Arbeitsprozesses besser als jener von Ottomotoren. Darueberhinaus erfolgt die Verbrennung des Kraftstoffes wesentlich schadstoffaermer, abgesehen vom nachstoechiometrischen Bereich, in dem das Dieselverfahren zur Russbildung neigt. Ersetzt man die eingespritzte Dieselkraftstoffmenge weitgehend durch der Ansaugluft beigemischtes Brenngas - der Dieselkraftstoff dient dann nur noch zur Zuendung des Gemischs -, so kann die Feststoffemission und damit auch die Emission biologisch aktiver bzw. krebserregender benzolloeslicher Substanzen stark vermindert werden. Einer verfahrensbedingt hoeheren Emission unverbrannter Abgaskomponenten kann durch verschiedene motorische Massnahmen, wie Drosselung der Ansaugluft, Gemischvorwaermung, partielle Rueckfuehrung gekuehlter bzw. besser ungekuehlter Abgase begegnet werden. Die Gaszugabe ermoeglicht eine verstaerkte Abgasrueckfuehrung und so eine weitergehende Verminderung der Stickoxidemission. Im obersten Lastbereich kann die Verschiebung der Russgrenze zur Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung genutzt werden. Das Gesamtkonzept dieses Verfahrens bezieht in seiner letzten Phase die Installation eines Vergasungsreaktors direkt am Motor ein mit dem Ziel, fuer mobile Zwecke aus fluessigen Kraftstoffen direkt das notwendige Brenngas herzustellen.

SACI II - Vorkammer-Brennverfahren mit alternativen Kraftstoffen

Untersuchung des Gas-Otto-Motors im Hinblick auf seine Moeglichkeiten zur Verbesserung der Abgasqualitaet

Beim Dieselmotor ist die Leistungsgrenze durch Russ bestimmt; Erdgas verbrennt fast russfrei, so dass Russminderung, wenn statt Dieselkraftstoff Erdgas im Motor gezuendet wird; Verringerung der schaedlichen Abgasbestandteile durch Gaszugabe ins Ansaugrohr; geringerer Schadstoffausstoss durch Luftdrosselung und Abgasrueckfuehrung; Verbesserung des Kraftstoffverbrauches auf Dieselmotorwerte; Erhoehung des mittleren effektiven Druckes gegenueber dem Dieselmotor.

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