Die Abgase aus Bootsmotoren, insbesondere von Zweitaktmotoren, enthalten eine Vielzahl auf Wasserorganismen toxisch wirkender Komponenten. Durch die staendig steigende Zahl von Motorbooten auf dem Bodensee veranlasst, erteilte 1984 die Internationale Gewaesserschutzkommission fuer den Bodensee den Auftrag, Emissionsnormen fuer Bootsmotoren zu entwickeln. Mit den motorentechnischen Untersuchungen wurde das Forschungsinstitut fuer Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart beauftragt. In den vorliegenden Projekten wurden die Abgasimmissionen bei der Verwendung von Benzin, Ethanol, Isooktan/Heptan und verschiedenen sogenannten biologisch leicht abbaubaren Motorenoelen untersucht. Zum Vergleich wurden einige Versuchslaeufe mit einem Katalysator durchgefuehrt. Professor Juettner hatte den Auftrag, die Zusammensetzung der Abgase in Abhaengigkeit von Motorentyp, Betriebsweise und Treibstoffart zu analysieren. Von der LfU wurden parallel dazu oekotoxikologische Untersuchungen an Leuchtbakterien, Daphnien und Fischembryonen durchgefuehrt. Die Abgasimmissionen von Zweitaktbootsmotoren sind um ein vielfaches groesser als diejenigen von Viertaktmotoren, dies wird auch durch die oekotoxikologischen Untersuchungen bestaetigt. Bei Verwendung von Ethanol sinken zwar die Kohlenwasserstoffimmissionen, dagegen steigen die Aldehydimmissionen stark an. Die Verwendung sogenannter biologisch abbaubarer Schmieroele erbrachte keine Verbesserungen. Auch beim Einsatz eines Katalysators konnten die Zweitaktmotoren bestenfalls die Werte von Viertaktern ohne Katalysator erreichen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen bilden die Grundlagen fuer die Einfuehrung von Abgasvorschriften fuer Schiffsmotoren auf dem Bodensee im Jahre 1992.
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Angesichts der Verknappung der fossilen Brennstoffe sowie zunehmender Forderungen nach Schadstoffreduktion und Klimaschutz treten ein sparsamer Verbrauch und geringe Emissionen auch bei Klein-motoren in den Vordergrund. Gemeint sind damit Anwendungen wie Mopeds und Motorräder, aber auch Rasenmäher oder Motorsägen mit Ottomotoren. Im Gegensatz zu größeren Motoren können keine aufwendigen und kostenintensiven Techniken, wie z. B. Katalysatoren, zum Einsatz kommen, da dies von den Kunden nicht akzeptiert würde, denkt man beispielsweise an Massenmärkte für Motorräder in Asien. Dort ist das Motorrad das Hauptfortbewegungsmittel. Ottomotoren werden entweder mit Saugrohr-Vergasern oder mit Benzineinspritzern betrieben. Für Motorräder kostet ein normaler Vergaser zwischen 10-20 EUR, ein Einspritzer dagegen 100-150 EUR, weshalb letzterer nur für größere Motorräder eingesetzt wird. Die technisch aufwendigere Einspritzung trägt durch genaue Dosierung des Kraftstoffes zur Einsparung bei, während in konventionellen Vergasern, die starr auf einen Hauptlastfall eingestellt sind, Kraftstoff vergeudet wird. Jedoch werden die meisten kleineren Ottomotoren aus Kostengründen mit Vergasern ausgerüstet. Die Firma BING GmbH ist der größte Vergaserhersteller in Deutschland. Zusammen mit dem Institut für Fahrzeugtechnik (IFZN) der Fachhochschule Nürnberg und der sachs engineering GmbH sollte ein elektronisch gesteuerter Vergaser entwickelt werden, der nur ca. 30% eines Einspritzsystems kostet. Durch die Steuerung sollten 10-15% Kraftstoff und Emissionen eingespart werden. Die Kombination dieser ökologischen und ökonomischen Vorteile bietet weltweit beste ermarktungsaussichten, gerade angesichts tendenziell steigender Ölpreise. Fazit: Mit dem Vorhaben wurde das Prinzip der Steuerbarkeit der Gemischzufuhr für Viertakt-Kleinmotoren mit einer getakteten Düse auf Basis von Signalen aus der Zündelektronik nachgewiesen, so dass auch ohne Verwendung einer Lambda-Sonde ein Motorbetrieb mit ? ? 1 für annähernd alle Lastfälle eingestellt werden kann. Es ist ein effizienter Kompromiss zwischen Saugrohr-Vergaser und Einspritzer entstanden, der in puncto Kraftstoffverbrauch und Emissionen bessere Werte erzielt als der Saugrohr-Vergaser, aber kostengünstiger angeboten werden kann als der technisch aufwendigere Einspritzer. Mit dem neuen System werden für kleine Viertakt-Motoren auch in Zukunft verschärfte Abgasnormen eingehalten wer-den können.
Der sehr gute Wirkungsgrad der Großdieselmotoren resultiert vornehmlich aus den hohen Gastemperaturen während der periodischen Verbrennung im Zylinder. Dadurch sinken Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission, allerdings steigern hohe Brennraumtemperaturen und Luftüberschüsse die Bildung von Stickoxiden (NOx) erheblich. Dieser Zielkonflikt - Wirkungsgrad gegen Umweltverträglichkeit - trat in den letzten Jahren bei Schiffsmotoren deutlich in den Vordergrund. Vor allem die strengen Auflagen für Kraftwerke und Straßenfahrzeuge verringerten die landseitigen Emissionen beträchtlich, so dass der relative Anteil der Schiffsantriebe an der globalen Luftverschmutzung anstieg. Daher strebt u.a. die International Maritime Organization (IMO) durch gesetzliche Regelungen eine deutliche Reduzierung der NOx-Emissionen an. Die nenndrehzahlabhängigen NOx-Grenzwerte werden voraussichtlich ab 2004 rückwirkend gelten. Angesichts dieser zu erwartenden internationalen Abgas-Gesetzgebung und nationaler Regelungen sind Motorenhersteller, Werften und Reedereien bestrebt, die zukünftig noch verschärften Grenzwerte nur durch innermotorische Maßnahmen zu unterschreiten. Es ist das übergeordnete Ziel dieses Projektes, die Gemischbildung und Verbrennung in einem modernen Viertakt- Schwerölmotor so zu optimieren, dass spezifische NOx-Emissionen von etwa 6 g/kWh (Zyklus E2) durch innermotorische Maßnahmen erreicht werden. Mit einem modernen mittelschnellaufenden Viertaktmotor, dessen Zylinderdrücke auf ca. 250 bar gesteigert werden können, sollen in diesem Forschungsvorhaben die wesentlichen konstruktiven und betrieblichen Parameter Ventilsteuerzeiten, Verdichtung und Einspritzintensität sinnvoll und systematisch variiert werden. Unter Einsatz von Dieselöl und Schweröl wird durch Anpassung der Gemischbildung und Führung des Verbrennungsprozesses die NOx-Bildung minimiert. Prinzipbedingt werden die schlechten Verbrennungsbedingungen im Teillastbetrieb die schwierigste Hürde darstellen, so dass hier ein weiterer Schwerpunkt der Untersuchungen zu setzen ist.
Mit wenigen Ausnahmen werden seit vielen Jahren alle zivilen Seeschiffe von Großdieselmotoren angetrieben. Sie stellen mit Wirkungsgraden von 40 Prozent bis über 50 Prozent die effizientesten Wärmekraftmaschinen dar. Ein knappes Drittel der großen Seeschiffe wird mit mittelschnelllaufenden Viertaktmotoren ausgerüstet, die inzwischen Einzelleistungen von ca. 30 MW erreichen. Obwohl die kritischen Abgaskomponenten, nämlich Stickoxide (NOx), Schwefeldioxide (SO2) und Partikel, weit weniger als 1 Prozent des Dieselabgases ausmachen, schätzt man den Anteil der ca. 35000 Handelsschiffe an der globalen Emission dieser Komponenten auf etwa 8 bis 10 Prozent. Es lohnt sich daher, auch die Schadstoffemissionen der Schiffsdieselmotoren zu verringern, vor allem in Regionen mit hohem Verkehrsaufkommen. Ziel des FVV-Vorhabens 'Prozeßführung Großdieselmotor' war die deutliche Reduzierung der Stickoxid- und Rauchemissionen mit innermotorischen Maßnahmen bei möglichst unverändertem Kraftstoffverbrauch. Durch eine Kombination aus angehobener Verdichtung, höheren Einspritzdrücken sowie geänderten Ventilsteuerzeiten (Miller-Verfahren) konnten die NOx-Emissionen bei etwa identischem Verbrauch und ähnlichen Rauchwerten um ca. 25 Prozent gesenkt werden. Grundsätzlich mußte jedoch festgestellt werden, dass das Rauchverhalten im Teillastbetrieb verbesserungsbedürftig ist. Zukünftige elektronisch gesteuerte Hochdruckeinspritzsysteme für Schwerölbetrieb bieten hier die Möglichkeit der Mehrfacheinspritzung, also der Einbringung des Kraftstoffes in zwei oder mehr Teilmengen, wobei die Mengenaufteilung der Einzeleinspritzungen im Idealfall frei wählbar ist. Systematische Untersuchungen mit einer elektronisch gesteuerten Einspritzpumpe mit Magnetventilen zeigten, dass eine Voreinspritzung mit einer Voreinspritzmenge von etwa 2-3 Prozent der Nenneinspritzmenge grundsätzlich die Geräuschanregung durch die Verbrennung erheblich vermindert. Insbesondere bei Betriebspunkten mit geringer Leistung und Nenndrehzahl (Generatorbetrieb) wurden durch eine Voreinspritzung deutliche Verbesserungen hinsichtlich des Rauchausstoßes und des Kraftstoffverbrauches bei gleichzeitig geringeren NOx-Emissionen erzielt. Eine geteilte Einspritzung mit einem Mengenverhältnis von 35/65 kann in bestimmten Betriebspunkten zu deutlich niedrigeren Stickoxidemissionen bei gleichem Verbrauch und ähnlichen Rauchwerten führen wie eine Einfacheinspritzung mit hoher Einspritzrate und kurzer Verbrennungsdauer. Zukünftige Untersuchungen sollten zum Ziel haben, unsichtbare Rauchemissionen auch im unteren Leistungsbereich zu erzielen. Einspritzsysteme für Großdieselmotoren, die eine kurze und intensive Nacheinspritzung ermöglichen, beispielsweise Common-Rail-Einspritzsysteme, können hier einen wertvollen Beitrag leisten.