Notwendigkeit der Abgasnachbehandlung bei emissionsarmen Dieselmotoren

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1 Notwendigkeit der Abgasnachbehandlung bei emissionsarmen Dieselmotoren Münchener Kreis Expert Panel of Construction Equipment e.v. 16. Mai

2 Gliederung Einführung und Motivation Anforderungen zur Emissionsminderung an Baumaschinenmotoren Technologien zur Emissionsminderung bei Dieselmotoren Dieselpartikelfilter für Baumaschinen Einflussfaktoren auf die Funktionalität und Lebensdauer der Partikelfilter Einsatzbedienungen und Regenerationsmethoden Beurteilung des Abscheideverhaltens von Serien-Partikelfiltern in Bezug auf die Nanopartikelemission Vergleich der Dieselmotoren mit unterschiedlichen Emissionsstufen Qualitätsanforderungen und Qualitätsprüfung FAD Qualitätssiegel Qualitätsprüfung Zusammenfassung Ausblick 2

3 Einführung und Motivation 3

4 Einleitung - Dieselmotor unter Anklage PM NO NO 2 CO HC CO 2 Wegen Auswirkungen auf die Gesundheit drastische Limitierung der Schadstoffe (PM, HC, CO und NO X ) Der CO 2 -Ausstoß als Hauptverursacher des Klimawandels muss reduziert werden Seit 2010 gibt es in Europa einen Immissions-Grenzwert für NO 2 (Jahresdurchschnitt 40 µg/m 3 ) 4

5 Einleitung - Herausforderung künftiger Mobilität Schadstoffproblematik, Energie-/Klimasituation Energiebedarf/Kraftstoffverbrauch Ressourcenknappheit/freie Verfügbarkeit der Energieträger Schadstoffemissionen/Umweltbelastungen (Klimawandel, Feinstaub, NO X, CO 2 ) Rechtliche Reglementierungen Energieautarkie Entwicklung der Weltbevölkerung und des Fahrzeugbestandes Schätzungen und Prognosen Quelle: U.S. Census Bureau, International Database 5

6 Entstehung der Schadstoffemissionen beim Verbrennungsmotor Luft Kraftstoff Schmieröl Verbrennungsmotor C m H n + (m + n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O Arbeit Wärme H 2 O CO 2 Schadstoffe Schadstoffemissionen CO CH NO X Partikel Treibhausgas 6

7 Dieselmotor Ottomotor Argomotive EU-Emissionsgesetzgebung für Personenwagen B Abgasnorm Jahr EU 1 EU 2 EU 3 EU 4 EU 5 EU 5+ EU 6 EU Testzyklus ECE ECE NEDC NEDC NEDC NEDC NEDC? WLTP? NEDC? WLTP? CO g/km 2,72 2,20 2,30 1,00 1,00 1,00 1,00 HC g/km 0,20 0,10 0,10 0,10 0,10 HC+NO X g/km 0,970 0,500 NO X g/km 0,150 0,080 0,060 0,060 0,060 NMHC g/km 0,068 0,068 0,068 PM nur DI g/km 0,0050 0,0045 0,0045 PN nur DI #/km 6xE12 6xE11 CO HC+NO X NO X g/km g/km g/km 2,72 0,97 1,00 0,70 0,64 0,56 0,50 0,50 0,30 0,25 0,50 0,23 0,180 0,50 0,23 0,180 0,50 0,17 0,080 PM PN g/km #/km 0,140 0,080 0,050 0,025 0,005 0,0045 0,0045 6xE11 6xE11 7

8 Clean Diesel Effizienz und Umweltverträglichkeit Hand in Hand Kraftstoffverbrauch (b e ), CO 2 EU 6 Schadstoffemissionen (CO, HC, NOX, PM) 8

9 NO X Emission Argomotive Herausforderungen - Zielkonflikt zwischen NO X und CO 2 - Emissionen NO X /CO 2 Trade-Off NO X /CO 2 Abhängigkeit (innermotorische Maßnahmen) Kombination der innermotorischen Maßnahmen und Abgasnachbehandlung Zielbereich CO 2 Emission bzw. Kraftstoffverbrauch 9

10 Anforderungen zur Emissionsminderung an Baumaschinenmotoren 10

11 Notwendigkeit der Abgasnachbehandlung Die kontinuierliche Fortschreibung der Abgasgesetzgebung macht einen flächendeckenden Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen notwendig. Die daraus resultierende steigende Produktvielfalt im Bereich der Abgasnachbehandlung macht es für Anwender immer schwieriger die Qualität der angebotenen Lösungen zu bewerten das für ihre Anwendungsspezifik passende Produkte zu finden. Die Nachrüstsysteme erfüllen zwar die Auflage nach Partikelfiltration, berücksichtigen aber in den meisten Fällen das Gesamtsystem Maschine, dessen Umfeld und die einsatzspezifischen Rahmenbedingungen nicht. Die wichtigen Einflussfaktoren auf die Funktionalität und Lebensdauer der Partikelfilter wie: Lastprofile/Abgastemperaturen, Motorzustand, Betriebsstoffe, Wartungskonzept, etc. sind oftmals nicht bekannt oder werden unzureichend berücksichtigt. Um die Funktionssicherheit und einen optimalen Einsatz der Geräte gewährleisten zu können, müssen weiterhin sehr hohe Geräte-Diversität (vom Radlader über Dumper, Radund Raupenbagger bis zu Lade- und Planierraupen) und unterschiedlichste Einsatzprofile berücksichtigt werden. 11

12 Abgasgrenzwerte für Baumaschinen - Neumaschinen Emissionsvorgaben für neue Baumaschinenmotoren existieren und sind weitestgehend weltweit harmonisiert ab 2014 gibt es die nächsten, strengen Grenzwertstufen in der EU, Stufe IV Grund für die weitere Verschärfung sind die Luftreinhalteziele der Europäischen Union Die Baumaschinenindustrie hat mit der Umsetzung dieser Emissionsrichtlinie begonnen. Es werden anspruchsvolle Emissionsminderungstechnologien für neue Motoren zum Einsatz kommen 12

13 PM [g/kwh] Argomotive Emissionsgrenzwerte für off-road Motoren Leistungsklasse 130 bis 560 kw 10 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Innerhalb von 15 Jahren: PM-Emissionen reduziert um 95 % NO x -Emissionen reduziert um 96 % EU Stufe I (1999) 0,4 0,3 EU Stufe III A (2006) EU Stufe II (2004) 0,2 0,1 0,0 EU Stufe IV (2014) EU Stufe III B (2011) NOx (+ HC) [g/kwh] 13

14 PM [g/kwh] Argomotive Emissionsgrenzwerte für off-road Motoren Leistungsklasse 56 bis 130 kw 10 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Innerhalb von 15 Jahren: PM-Emissionen reduziert um 95 % NO x -Emissionen reduziert um 96 % EU Stufe I (1999) 0,4 0,3 EU Stufe III A (2006) EU Stufe II (2004) 0,2 0,1 0,0 EU Stufe IV (2014) EU Stufe III B (2012) NOx (+ HC) [g/kwh] 14

15 Nonroad-Richtlinie 97/68/EG (zuletzt geändert durch 2004/26/EG) Leistung P n [kw] NO X [g/kwh] HC [g/kwh] CO [g/kwh] Partikel [g/kwh] Datum NO x + NMHC Stufe III A 19 P n < 37 7,5 5,5 0, P n < 75 4,7 5,0 0, P n < 130 4,0 5,0 0, P n 560 4,0 3,5 0, Stufe III B 37 P n < 56 4,7 5,0 0, P n < 75 3,3 0,19 5,0 0, P n < 130 3,3 0,19 5,0 0, P n 560 2,0 0,19 3,5 0, Stufe IV 56 P n < 130 0,4 0,19 5,0 0,025 Okt P n 560 0,4 0,19 3,5 0,

16 PM [g/kwh] Argomotive Abgasgrenzwerte und Maßnahmen zur Schadstoffreduktion Leistungsklasse 130 kw < P e < 560 kw Stufe I (1999) DPF und NO X -Nachbehandlung (z.b.scr) erforderlich Stufe IV (2014) Stufe III A (2006) Stufe IIIB (2011) DPF erforderlich, zusätzlich AGR, neue Brennverfahren (z.b. "Miller"-Verfahren), DOC oder SCR Stufe II (2002) - Brennverfahrensentwicklung - Optimierung der Aufladung - Optimierung der Einspritzung (z.b. Einspritzverlaufsformung) NO X [g/kwh] 16

17 Technologien zur Emissionsminderung bei Dieselmotoren 17

18 Innermotorische Maßnahmen zur Emissionsabsenkung Gemischbildung und Verbrennung: - Optimierung der Brennraumgeometrie - Druckindizierte Verbrennungsreglung - Alternative Brennverfahren p Einspritzsystem: - Druckpotential bis zu 2500 bar - Mehrfacheinspritzung - Einspritzverlaufsformung KW Aufladung: - Ladeluftkühlung (Ladelufttemperatur bis unter 50 C, Beachtung Kühlleistung) - 1-Stufige-Aufladung mit VTG-ATL - 2-Stufige-Aufladung mit Zwischenkühlung für höhere Leistungen 18

19 Maßnahmen zur Emissionssenkung Maßnahme Wirkung Emission Verbrauch Zylinderdruck Spritzbeginn NO x PM b e p Z,max Einspritzdruck NO x PM b e p Z,max Aufladung NO x PM b e p Z,max Ladeluftkühlung NO x PM b e p Z,max Nachbehandlung PM NO x PM b e p Z,max Nachbehandlung NOx NO x PM b e p Z,max 19

20 Abgasnachbehandlung für Dieselmotoren Zunehmend strengere Emissionslimits Absenkung der Rohemission Abgasnachbehandlung Oxidationskatalysator Partikelfilter DeNOx-Katalysator HC; CO Konversion NO 2 -Bereitstellung Thermomanagement intelligente Regenerationsmethoden Filtereigenschaften + Aschespeicherung NOx-Speicherkat SCR-Katalysator Künftige Emissionsstufen: EURO VI, Stufe IV, etc. Kombinierte Systeme 20

21 Funktionsweise eines Oxidationskatalysators Sauerstoff Kohlenstoffmonoxid Kohlenwasserstoffe Oxidationskatalysator Kohlenstoffdioxid Wasser Schwefeldioxid Stickstoffmonoxid Stickstoffdioxid Schwefeltrioxid C m H n +(m+n/4) O 2 mco 2 + n/2 H 2 O 2CO + O 2 2CO 2 Chemische Reaktionen 2NO + O 2 2NO 2 2SO 2 + O 2 2SO 3 (unerwünschte Reaktion) 21

22 Funktionsweise eines Partikelfilters (Bsp. Wabenkörper) Partikel Sauerstoff Partikelfilter Filterstruktur mit (Beladung) eingelagertem Ruß Aschepartikel Erhöhung des Abgasgegendruckes durch Einlagerung der Partikel bei fortwährender Beladungsdauer. p Abgas Beladungsgrenze Zeit Erhöhung der Ladungswechselarbeit Verschlechterung der Verbrennung Anstieg des Kraftstoffverbrauches 22

23 Funktionsweise eines SCR-Katalysators Stickstoffoxid (NO +NO 2 ) Ammoniak Sauerstoff SCR-Katalysator Stickstoff Wasser 4NO + 4NH 3 + O 2 NO + NO 2 + 2NH 3 Chemische Reaktionen 4N 2 + 6H 2 O 2N 2 + 3H 2 O Die Bereitstellung von Ammoniak erfolgt durch die Zersetzung einer Harnstofflösung (AdBlue ) vor dem SCR-Katalysator! 23

24 Abgasnachbehandlung - Vergleich der DeNO X -Technologien Ergebnis: Die effizienteste NO X -Nachbehandlung bietet der AdBlue -SCR Katalysator Höchste NO X -Umsätze Robustes Verhalten über Laufzeit Einfluss der Kraftstoffqualität (z.b. S-Anteil) auf Verfahren gering verbrauchsoptimale Auslegung des Motors Quelle: Daimler AG 24

25 Beispiel eines kombinierten Abgasnachbehandlungssystems 25

26 Dieselpartikelfilter für Baumaschinen 26

27 Dieselpartikelfiltersysteme Partikelfilter stellen die wirkungsvollste nachmotorische Maßnahme zur Minderung der Partikelemission von Dieselmotoren dar. Ein Filter ist kein Sieb Die Partikel müssen auf die Strukturen des Filtermediums (Fasern, körnige Strukturen) auftreffen Bei richtiger Auslegung können Abscheidegrade, von über 99% bezogen auf die Partikelanzahl (PN) und über 95% bezogen auf die Partikelmasse (PM), erreicht werden Eine besondere Schwierigkeit beim Partikelfilter stellt eine zuverlässige Regeneration des Filters dar. Zur effizienten Verbrennung eines Rußpartikels mit Sauerstoff (O 2 ) bedarf es hoher Temperaturen (> 600 C), die im Dieselabgas selbst bei Volllastbetrieb nur schwierig zu erreichen sind. 27

28 Oxidationsrate dm/(m dt) [1/s] Argomotive Partikelfilter Filtermedien: Wirkungsgrade >90% für PM und PN etablierte Substrate: SiC, Cordierit, Aluminiumtitanat, Sintermetall Oktaedersubstrate Hex-Tri-Cell Double-Pitch-Cell Asymmetrische Kanalstruktur Wavy Cells Quelle: JM CRT CSF FBC O 2 Regeneration: Abgastemperatur [ C] aktive mit O 2 : Brennersysteme, motorische Maßnahmen + DOC, Fuelprozessor passive mit NO 2 : CRT, CSF, CCRT kombinierte: FBC + Nacheinspritzung; CSF/CRT + motorische Maßnahmen 28

29 Porenschichten Argomotive Filtrationsprozess im Oberflächenfilter keramischer Wabenfilter poröse Wand Quelle: CORNING 29

30 Einflussfaktoren auf die Funktionalität und Lebensdauer der DPF Systemeigenschaften Motorzustand Einsatzbedienungen Betriebsstoffe Kraftstoff/Öl Arbeits- bzw. Betriebsweise Regeneration / Wartung 30

31 Einflussfaktoren auf die Funktionalität und Lebensdauer der DPF Die wichtigen Einflussfaktoren auf die Funktionalität und Lebensdauer der Partikelfilter sind: einsatzspezifische Lastprofile/Abgastemperaturen, Verschleiss- und Wartungszustand des Motors (Ölverbrauch, Abgastrübung) Schwefelanteil in Dieseltreibstoffen und Qualität des Motoröls Regenerations- und Wartungskonzept Neben diesen genannten Kriterien muss der Systemhersteller noch weitere Parameter beachten, die sich aus der Anwendung im mobilen Bereich ergeben. Dazu zählen z.b. die folgenden Forderungen: geringe Baugröße, geringe Masse, geringe thermische Trägheit, gute Vibrations- und Thermoschockbeständigkeit sowie gute Schalldämpfung. Dies alles soll mit möglichst geringen Investitions- und Betriebskosten verbunden sein bei gleichzeitig möglichst langen Wartungsintervallen und hoher Lebensdauer. 31

32 Last [Nm] Argomotive Herausforderung - Lastprofile in verschiedenen Anwendungen Vollastkurve 5 6 Lastpunkte im C1-Test 1 T Abgas 350 C 8 LL 7 Anwendung 1 Anwendung 2 Anwendung 3 Anwendung 4 Anwendung 5 Drehzahl [1/min] ND Herausforderung einsatzspezifische Lastprofile: unterschiedliche Lastprofile für verschiedene Anwendungen Schwachlastanteil ist dominant Abgastemperaturen zu niedrig eine passive Regeneration des Partikelfilters ist für meiste Anwendungen problematisch 32

33 Regenerationsstrategien der Dieselpartikelfilter Nacheinspritzung von Kraftstoff aktiv Elektrische Heizer oder Z ü nder Dieselbrenner Filter - regeneration passiv Katalytische Kraftstoff - Additive (Ce, Fe,..) Katalytische Beschichtung (NO 2 - Regeneration) CRT TM (NO 2 - Regeneration) Kombinierte - Regeneration Nacheinspritzung + kat. Additive Kat. Beschichtung + Nacheinspritzung CRT + Nacheinspritzung Dieselbrenner + Additiv 33

34 Abgastemperatur und passive Regenerationsstrategien Oxidationsrate dm/(m dt ) [1/s] CRT CSF FBC O Abgastemperatur [ C] 34

35 Partikelanteile [%] PM [g/h] Argomotive Partikelzusammensetzung bei der Variation der Motorparameter OM 640: Partikelmessung (gravimetrisch), Konstantpunkt n=2700 1/min, M D =28 Nm ISF SOF SIOF PM 80 3, , ,75 2,8 60 2, ,0 40 1,6 30 1,40 1, , , /28, Standard 2700/28, AGR erhöht 2700/28, p_rail 50 % 0,0 verringert 35

36 Masseanteil [%] Argomotive Partikelzusammensetzung bei der Variation der Motorparameter Segmente unterschiedlich beladener DPF wurden in einem Coulometer untersucht, die Säulen zeigen die Anteile an OC (organischer Kohlenstoff) und EC (Elementarkohlenstoff) an der Beladungsmasse EC OC 100 5,9 2,7 6,9 5,2 3, ,1 97,3 93,1 94,8 96, DDZ, Standard DDZ, AGR erhöht (ml-20%) 2700/28, Standard 2700/28, prail 50% 1400/60, prail 50% 36

37 Partikelmorphologie bei der Variation der Motorparameter REM-Aufnahmen Partikel im DPF nach Beladungen im DD-Zyklus Standarddaten AGR-Rate um ca. 20% erhöht 37

38 Partikelmorphologie bei der Variation der Motorparameter REM-Aufnahmen Partikel im DPF nach Beladungen bei BP 2700/28 Standarddaten Raildruck um 50% verringert 38

39 Partikelumsatz während Regeneration [%] Argomotive DPF-Regenerationsverhalten Kürzere DPF-Beladungsdauer schlechteres Regenerationsverhalten DPF-Beladungsdauer Partikelumsatz (Regeneration) R 2 = ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Partikelbeladung DPF [g/h] 39

40 DPF-Regenerationsverhalten erhöhte AGR-Rate und verringerter Raildruck schnellere DPF-Beladung kürzere DPF-Beladungsdauer schlechteres Regenerationsverhalten Warum? Reaktionskinetik: dm dt R E RT a k exp 0 2 O mr SR konstant Partikelzusammensetzung Größe der Partikelagglomerate, Morphologie dm R /dt - Reaktionsrate k 0 E a R T - Konstante - Aktivierungsenergie - Gaskonstante - Temperatur [O 2 ] - Sauerstoffgehalt m R S R - Rußmasse - spez. Rußoberfläche 40

41 Beurteilung des Abscheideverhaltens von Serien-Partikelfiltern in Bezug auf die Nanopartikelemission 41

42 Erprobung der Filtermedien Versuchsmotor: VW 1.9 l TDI, ATD (Euro 3) / Serienkatalysator max. Leistung: 74 kw bei 4000 min -1 max. Drehmoment: 240 Nm bei 1800 min -1 Untersuchte Partikelfilter: Filter Material Zellenanzahl Abmessungen Wabenfilter 1 Siliziumcarbid 200 cpsi 5,66 x 6 Wabenfilter 2 Cordierith 100 cpsi 5,66 x Messtechnik: SMPS-3639, Fa. TSI (Partikelgrößenverteilung im Bereich nm) Versuch: Vermessung eines stationären Lastpunktes (n = 1800 min -1, Md = 25 Nm) 42

43 dn/dlog(dp) [#/cm³] Argomotive Verteilung der Nanopartikel Motor: VW ATD 1.9 l TDI, 74 kw Lastpunkt: n = 1800 min -1, Md = 25 Nm 5,50E+07 5,00E+07 4,50E+07 4,00E+07 3,50E+07 3,00E+07 Emission ohne Filter Siliziumcarbid-Wabenfilter Cordierith-Wabenfilter 2,50E+07 2,00E+07 1,50E+07 1,00E+07 5,00E+06 0,00E Mobilitätsdurchmesser Dp [nm] 43

44 dn/dlog(dp) [#/cm³] Argomotive Verteilung der Nanopartikel (logarithmische Skalierung) Motor: VW ATD 1.9 l TDI, 74 kw Lastpunkt: n = 1800 min-1, Md = 25 Nm 1,00E+08 1,00E+07 Emission ohne Filter Siliziumcarbid-Wabenfilter Cordierith-Wabenfilter Raumluft 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+03 1,00E Mobilitätsdurchmesser Dp [nm] 44

45 Abscheidegrad [%] Argomotive Abscheidegrad des Partikelfilters Motor: VW ATD 1.9 l TDI, 74 kw Lastpunkt: n = 1800 min-1, Md = 25 Nm Vergleich der Abscheidegrade zwischen Wabenfilter aus Siliziumcarbidung und Cordierith (bezogen auf die Gesamtanzahl der Nanopartikel) 100,0 99,8 99,6 99,4 99,2 99,0 98,8 98,6 98,4 98,2 98, Zeit [min] Siliziumcarbid-Wabenfilter Cordierith-Wabenfilter 45

46 Vergleich der Dieselmotoren mit unterschiedlichen Emissionsstufen 46

47 Historische Entwicklung von Rußemission und max. Einspritzdrücken Heavy Duty Motoren Quelle: Prof. U. Gärtner, Daimler AG 47

48 Clean Diesel Entwicklung Emissionen seit 1990 Der Dieselmotor von der Dreckschleuder zum Saubermann Der Diesel 1990: laut lahm Stinkt Der Clean Diesel: ruhig sportlich sparsam umweltfreundlich 48

49 Die Lungengängigkeit der Partikel Verzweigungen der Luftwege und Eindringtiefen verschiedener Partikelgrößen Nasenschleimhäute und Rachen: > 10 µm (z.b. Zementstaub) Kehlkopf: 5-10 µm Luftröhre und Hauptbronchien: 3-5 µm (z.b. feine Flugasche) Sekundäre und terminale Bronchien: 1-3 µm Alveolen < 1µm (z.b. Dieselpartikel) Quelle: ADAC Rußpartikeln in den Alveolen Foto: Lennart Nilson, Dagens Nyheder

50 Partikelgrößenverteilungen für Fahrzeuge mit verschiedenen Abgaskonzepten Partikelanzahl [km -1 ] 5.0E E E E % Fahrzeug 1 (Euro1) Fahrzeug 2 (Euro2) Fahrzeug 3 (Euro3) Fahrzeug 4 (Euro4) 1.0E E+ 00 Quelle: Volkswagen AG Dp [nm] Messung mit ELPI im NEDC 50

51 Auswirkung des Partikelfilters auf die Partikelanzahl und das Partikelspektrum Partikelanzahl [km -1 ] 1.0E E E+09 x Mercedes E220 CDI Peugeot 607 HDi + FAP 1.0E E+03 Mittelwert Umgebungsluft 1.0E Dp [nm] Messung mit SMPS bei Konstantfahrt 80 km/h (Mercedes 6.Gang, Peugeot 5. Gang) Quelle: ADAC 51

52 Auswirkung des Partikelfilters auf die Partikelemission (Messung gravimetrisch im NEFZ) Partikelmasse [g/km] 0,060 0,050 0,040 0,030 Euro4 0,028 Euro3 Durchschnitt moderne Dieselfahrzeuge der oberen Mittelklasse ohne Partikelfilter = g/km Stand 2003! 0,020 0,010 0,000 0,001 Peugeot 607 HDi +FAP Mercedes E220 CDI Quelle: ADAC 52

53 Qualitätsanforderungen und Qualitätsprüfung 53

54 Einsatzgerechte Abgasnachbehandlungssysteme Die steigende Produktvielfalt im Bereich der Abgasnachbehandlungssysteme, verbunden mit unterschiedlichen Ansprüchen zum Verhalten im Einsatzfall, macht es für den Anwender immer schwieriger, die Qualität und Verwendbarkeit der angebotenen Lösungen zu bewerten und letztendlich auch hinsichtlich der konkreten Anforderung zu differenzieren. Die existierenden nationalen und internationalen Prüfprozeduren und Bewertungsmethoden: ermöglichen keine sichere Funktionalitätsprüfung von Abgasnachbehandlungstechnologien unter einsatzspezifischen Betriebsbedingungen berücksichtigen unzureichend die Besonderheiten der vorgesehenen Anwendung und die motorspezifischen Betriebsparameter (Motor ist nur Versuchsträger) sind in der Regel sehr zeit- und kostenintensiv. 54

55 FAD-Qualitätssiegel FAD-QS Prüfkriterien für die Qualitätsprüfung unterberücksichtigung der einsatzspezifischen Betriebsbedingungen Schadstoffminderung Funktionalität Sekundäremissionen Wartungskonzept Kraftstoffmehrverbrauch FAD-QS wird nur verliehen, wenn alle Prüfkriterien erfüllt werden 55

56 FAD-Prüfprozedur für Vergabe des FAD-QS 56

57 Qualitätsanforderungen: DPF-Systeme Bewertungskriterien Anforderungen Schadstoffminderung (im FAD-QS-Zyklus) Schadstoffemissionen Partikelmasse Partikelanzahl NOx, HC, und CO nach DPF-System dürfen, im Rahmen der Messtoleranz, nicht mehr als 5% zunehmen Minderungsrate von > 90% Minderungsrate von > 90% Funktionalität unter einsatzspetifischen Bedingungen (im FAD-QS-Zyklus) Die Funktionalität des DPF-Systems unter einsatzspezifischen Bedingungen wird im Rahmen der QS-Testprozedur ermittelt, dokumentiert und bewertet. funktionsbedingte Sekundäremissionen (im FAD-QS-Zyklus) Wartungskonzept NO 2 -Emissionen Kraftstoffmehrverbrauch (im FAD-QS-Zyklus) 20% gegenüber der NO x -Basisemission (Rohemission) Der Kraftstoffmehrverbrauch wird in der QS-Testprozedur dokumentiert und hinsichtlich der technischen und betrieblichen Notwendigkeit sowie der wirtschaftlichen Tragbarkeit bewertet. Eine Reinigungs- und Wartungsanleitung ist vorhanden und technisch nachvollziehbar. 57

58 Bewertungsbeispiel: 2 DPF-Systeme für Einsatz Baumaschine Zusammenfassende Bewertung Systemtest Bewertungskriterien DPF 1 Erfüllung Anforderungen DPF 2 Erfüllung Anforderungen Schadstoffminderung Partikelmasse Partikelanzahl Regenerationsverhalten über Testzyklus (Wägung und Bewertung Druckverlust) funktionsbedingte Sekundäremissionen NO 2 -Emissionen 97% ja 91% ja 99,9% ja > 98,6 % ja sehr gut ja sehr gut ja NO 2 / NO x-roh 42 % nein NO 2 / NO x-roh 15,8 % ja Minderung der gasförmigen Emissionen über gesamte Testzeit CO, HC > 90 % NO x = 0 % ja CO, HC >80 % NO x = 0 % ja Beladungs- und Regenerationsverhalten Kraftstoffmehrverbrauch Wartungskonzept in Ordnung ja in Ordnung ja 0,6% ja 1,4% ja nicht vorhanden nein vorhanden ja Vergabeempfehlung für FAD-QS Vergabe von FAD-QS nicht empfohlen Vergabe von FAD-QS wird empfohlen 58

59 Anforderungen an Partikelfiltersysteme Der ideale Partikelfilter? hohe PM & PN Abscheideraten effizientes Regenerationskonzept keine toxischen Sekundäremissionen Geringer Raumbedarf hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer OBD- Fähigkeit (Funktionsüberwachung) hohe Asche-Speicherkapazität (langes Reinigungsintervall) Anforderungen an DPF hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit breites Einsatzspektrum im Motorenkennfeld Servicefreundlichkeit (hohe Maschinenverfügbarkeit) geringer Kraftstoffmehrverbrauch niedrige Anschaffungs- und Betriebskosten 59

60 DPF-Überwachungssystem Mess- und Überwachungssystem für Dieselpartikelfilter (ÜS-DPF), bestehend aus Partikelsensor sowie Steuer- und Auswerteelektronik. 60

61 Anforderungen an die Filterreinigung Filter + zusätzliche Informationen Material, Beschichtung : Vorgeschichte, Regenerationsart, Auf den Filter angepasstes Reinigungsprogramm/Konzept Was muss das Konzept berücksichtigen? Diversität Nachweis von Schonende Reinigung Wirtschaftlichkeit Reinigungserfolg Wurde die Asche und/ oder der Ruß erfolgreich entfernt? Funktionalität Erfüllt der Filter nach der Reinigung die Vorgaben? 61

62 Abgasnachbehandlung - aktuelles Kombiniertes System Anforderungen an Abgasnachbehandlungssysteme: hohe Abscheidegrade und Konvertierungsraten hohe Lebensdauer und Funktionalität OBD- Fähigkeit (Funktionsüberwachung) wartungsfrei oder sehr große Wartungsintervalle keine toxischen Sekundäremissionen geringer Kraftstoffmehrverbrauch niedriges Kostenniveau 62

63 Abgasnachbehandlung - zukünftige Anforderungen Um die zukünftige Abgasnormen zu erfüllen, ist zusätzlich zu den innermotorischen Maßnahmen eine hocheffiziente Abgasnachbehandlungstechnik erforderlich. Zukünftiges Multifunktionssystem: 4-Wege-Diesel-Abgasnachbehandlungssystem Niedertemperaturfunktionalität wird noch wichtiger daher eine motornahe Anordnung Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung 4-Wege -Abgasnachbehandlungssysteme 63

64 Zusammenfassung Bei Neumaschinen die nach EU Stufe IIIB zertifiziert sind und ab 2014 nach Stufe IV zertifiziert werden, stehen umweltfreundliche Abgasnachbehandlungstechnologien im Baumaschinenbereich zur Verfügung. Variantenvielfalt stellt die größte Herausforderung bei off-road Anwendungen dar Vielfalt und Unvorhersehbarkeit der Arbeitszyklen machen autarke Systeme notwendig Integration des Systems Motor+AGN im jeweiligen Gerät ist kritisch: Vielfältige Bauräume Möglichst wenig Einfluss auf das Gerät Brenner/Verdampfer-System ermöglicht einfache Integration ohne Einschränkung der Funktion Für die Nachrüstung der Baumaschinen stellen, national sehr unterschiedlich getroffenen Bewertungskriterien für die Zertifizierung von AGN-Systemen, ein besonderes Problem da. Im Nachrüstbereich sind vom Gesetzgeber gesetzliche Regelungen zu treffen, die eindeutige und verlässliche Rahmenbedingungen für technische Entwicklungen vorgeben. 64

65 Zusammenfassung und Ausblick FAD-Qualitätssiegel basiert auf der großen Erfahrung der Vereinsmitglieder in der Forschung, Herstellung und Anwendung von Technologien zur effektiven Minderung von Schadstoffemissionen. Das FAD-Qualitätssiegel bietet folgende Vorteile: Das FAD-QS orientiert sich an einsatzspezifischen Betriebsbedingungen, definiert entsprechende Prüfprozeduren, stellt sicher, dass die Funktionalität unter realitätsnahen Testbedingungen geprüft wird. Die Zuordnung zum Prüfmotor und zur Prüfkategorie (Anwendung) ist zwingend erforderlich. Bei der Bewertung der Filtrationsleistung werden Abscheidegrade sowohl nach PM als auch nach PN berücksichtigt. Es werden nur funktionsbedingte Sekundäremissionen ermittelt und bewertet. Das Vergabeprozedere findet unter transparenten und nachvollziehbaren Rahmenbedingungen statt. Die Zertifizierung ist zeit- und kostenoptimiert. FAZIT: Das FAD-Qualitätssiegel ist ein Instrument zur objektiven Bewertung der Abgasnachbehandlung für Dieselmotoren. 65

66 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Fakultät Maschinenbau / Verfahrenstechnik Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik Friedrich-List-Platz 1 D Dresden Institutsleitung: Tel.: Fax: WWW: gennadi.zikoridse@fif.mw.htw-dresden.de 66

67 Ankündigung - I 12. FAD-Konferenz Herausforderung Abgasnachbehandlung für Dieselmotoren in Dresden 67

68 Ankündigung - II 68