Bewertungsmöglichkeiten von Abgasnachbehandlungssystemen Labor vs. Straße
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- Claus Brauer
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1 CIO Campus Was treibt uns voran? Entwicklungsstand umweltfreundlicher Antriebstechnologien 2016 Dresden, 30. Juni 2016 Bewertungsmöglichkeiten von Abgasnachbehandlungssystemen Labor vs. Straße Dr. Uwe Hofmann GmbH Institut für effiziente und umweltverträgliche Antriebstechnologien 1
2 Gliederung 1. Einleitung 2. Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren Emissionsbildung / Abgasgesetzgebung bei Verbrennungsmotoren Übersicht Abgasnachbehandlungstechnologien 3. Bewertungsmöglichkeiten von Abgasnachbehandlungssystemen 3.1 Labormethoden Synthesegasprüfstand Motorenprüfstand Rollenprüfstand 3.2 Straßentests RDE Real Driving Emissions 4. Beispiele für die Evaluierung von Abgaskatalysatoren 5. Zusammenfassung 2
3 - Forschungskompetenz Abgasnachbehandlung Entwicklung, Optimierung und Bewertung von Abgasnachbehandlungssystemen Prüfung von Abgasnachbehandlungssystemen (DPF, DOC, DeNOx) auf Funktionalität und anwendungskonforme Auslegung Entwicklung und Bewertung von Sensoren (PM, H 2 S, NO X, HCHO) Bewertung neuer Werkstoffe und Beschichtungen Entwicklung und Validierung von Regenerations- und Dosierstrategien (z.b. FBC, AdBlue) Analyse von Ascheablagerungsmechanismen und Erstellung von Konzepten für die Filterund Katalysatorreinigung Test und Bewertung der Funktionalität von AGN-Systemen beim Einsatz von alternativen Kraftstoffen (z.b. biogene Kraftstoffe) 3
4 - Forschungskompetenz Abgasanalytik Ermittlung der chemischen Zusammensetzung der Partikel Partikel Kohlenstoff Anorganische Komponenten (z.b. Oxide, Salze) Unverbrannte Kohlenwasserstoffe Kraftstoff / Motorenöl -Trennung mittels Gaschromatographie/ Massenspektrometrie 4
5 Wieso benötigen wir Abgasnachbehandlungstechnologien? Luft Kraftstoff Motorenöl Verbrennungsmotor C m H n + (m + n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O Arbeit Wärme N 2, H 2 O, O 2 CO 2 Schadstoffe Treibhausgas Emissionen CO CH NO X Partikel 5
6 Entwicklung der Emissionsgesetzgebung bei Dieselfahrzeugen NOx + HC 970 mg/km PM 140 mg/km Kraftstoffverbrauch (b e ), CO 2 NOx 80 mg/km PM 4,5 mg/km EU PKW EU 4 EU 5 EU VI EU 3 EU V EU 2 EU IV EU 1 EU III 1992 EU I EU II LKW NOx 8000 mg/kwh PM 360 mg/kwh NOx 400 mg/kwh PM 10 mg/kwh Schadstoffemissionen (CO, HC, NO X, PM, PN) 6
7 Oxikat Hydrolysekat Abgasnachbehandlungstechnologien - Dieselmotor Oxidationskatalysator Partikelfilter CO, HC, NO O 2 DOC CO 2 H 2 O NO 2 Beladung + Regeneration DeNOx - SCR AdBlue DeNOx - NSK NOx SCR SCR N 2 H 2 O O 2 Magerbetrieb Fettbetrieb NO + ½ O 2 NO 2 CO(NH 2 ) 2 + H 2 O 2NH 3 + CO 2 NO + NO 2 + 2NH 3 2N 2 + 3H 2 O 7
8 Abgasnachbehandlung - kombiniertes System Anforderungen an Abgasnachbehandlungssysteme: hohe Abscheidegrade und Konvertierungsraten hohe Lebensdauer und Funktionalität OBD- Fähigkeit (Funktionsüberwachung) wartungsfrei bzw. sehr große Wartungsintervalle keine toxischen Sekundäremissionen geringer Kraftstoffmehrverbrauch niedriges Kostenniveau 8
9 Abgasnachbehandlungstechnologien - Bewertungsmöglichkeiten Synthesegasprüfstand Motorenprüfstand Test auf der Straße Bewertung Abgasnachbehandlungstechnologien Rollenprüfstand 9
10 Synthesegasprüfstand Sehr gute Reproduzierbarkeit von - Gaszusammensetzung - Temperatur - Raumgeschwindigkeit 10
11 Motorenprüfstand Entwicklung und Testung von AGN-Systemen für alle Motorenanwendungen (On- und Off-Road) Das Zulassungsverfahren (Homologation) bei schweren Nutzfahrzeugen (LKW und Busse) und im Non-Road-Bereich erfordert die Ermittlung der Emissionen auf einem Motorenprüfstand. 11
12 Motorenprüfstand Motor AGN-System Belastungseinrichtung 12
13 Motorenprüfstand WHSC (World Harmonized Stationary Cycle) Für die Homologation und Validierung des Emissionsverhalten werden unterschiedliche stationäre/transiente Prüfzyklen verwendet. Die Prüfzyklen sind nach Anwendungsart und Emissionsklasse verschieden. Anwendung Emissions- Klasse Prüfzyklus stationär Prüfzyklus transient WHTC (World Harmonized Transient Cycle) Schwere Nutzfahrzeuge (LKW und Busse) Euro I - II ESC - Euro III V ESC/ELR ETC Euro VI WHSC WHTC Non-Road-Bereich (19 kw < P > 560 kw) Stufe I IIIa NRSC - Stufe IIIb - IV NRSC NRTC 13
14 Rollenprüfstand Das Zulassungsverfahren für PKW und leichte Nutzfahrzeuge erfordert die Bestimmung der Emissionen auf einem Rollenprüfstand. Die Messung der Emissionen erfolgt unter definierten Randbedingungen. 14
15 Rollenprüfstand Seit wird der Prüfzyklus NEFZ verwendet 2017 Einführung des WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure) NEFZ WLTC Zykluszeit 20 Minuten 30 Minuten Standzeitanteil 25 Prozent 13 Prozent Zykluslänge 11 km 23,25 km Geschwindigkeit mittel: 34 km/h max.: 120 km/h mittel: 46,6 km/h max.: 131 km/h Low Medium High Extra High 15
16 Straßentests - Real Driving Emissions (RDE) Seit 2013 sind RDE-Messungen für schwere Nutzfahrzeuge vorgeschrieben. Für PKW ist die Einführung von RDE-Messungen ab 2017 beschlossen. CF 1,5 NOx=120mg/km RDE für PKW CF 2,1 NOx=168mg/km 16
17 Straßentests - Real Driving Emissions (RDE) Ausrüstung Testfahrzeug + PEMS Bewertung Abgasnachbehandlung Design RDE Testzyklus Analyse RDE-Fahrt Real Driving Emissions Durchführung RDE-Fahrt Auswertung RDE-Fahrt 17
18 Straßentests - Real Driving Emissions (RDE) Prüfzyklus (NEFZ) innerorts außerorts RDE - Boundary Condition Route Dauer min Aufteilung Stadt 34 %, Land 33 %, Autobahn 33 % Höhe max m Umwelt Temperatur -7 bis 35 C Allgemein Durchführung an Arbeitstagen, befestigte Straßen Fahrverhalten Dynamik Dynamikparameter (a pos x v) 95, RPA Prüfzyklus (RDE) Geschwindigkeitsprofil ist bei RDE variabel Stadt Land Autobahn 18
19 Drehmoment [Nm] Straßentests - Real Driving Emissions (RDE) Fahrverhalten Streckenprofil Steigung Kum. Höhenmeter Höhe ü. NN Erhöhung der Motor- Kennfeldauslastung rpm*1000 Dynamik Schaltstrategie Geschwindigkeit RDE? NOx [g/h] Last Fzg.-Beladung Zusatzverbraucher (Heizung, Klima, Radio etc.) NEFZ Umwelt Drehzahl [min -1 ] Temperatur Wind / Regen Fahrbahnbelag Verkehr 19
20 Straßentests - Real Driving Emissions (RDE) NOx-Emissionsverlauf im RDE-Testzyklus Die NOx-Emissionsbildung ist maßgeblich von den Beschleunigungen und weiteren Lastanforderungen wie z.b. Bergauffahrten abhängig Stadt Land AB Bergauffahrt in der Stadt Bergauffahrt mit Beschleunigung Motor kalt Beschleunigungen (teilweise bei Bergauffahrt) 20
21 AGN-Evaluierung: Bsp. Dieseloxidationskatalysator Evaluierung der thermischen Dauerhaltbarkeit Oxidationskatalysator für DPF-Regeneration Neu vs. hydrothermal gealtert NO 2 -Anteil nach DOC [%] DOC 1 neu DOC 2 neu DOC 1 gealtert DOC 2 gealtert Alterungsprozedur: C Entsprach bei dieser Applikation einer Laufleistung von ca km Temperatur vor DOC [ C] 21
22 AGN-Evaluierung: Bsp. SCR Evaluierung der Katalysatorauslegung / Katalysatorvolumen NOx-Reduktion mittels SCR in Abhängigkeit der Raumgeschwindigkeit 22
23 AGN-Evaluierung: Bsp. NSK Evaluierung der Dauerhaltbarkeit NO x -Speicherkatalysator Neu vs. chemisch gealtert Sehr guter NOx-Umsatz im Neuzustand Aber: Hohe Schwefelanfälligkeit Alterungsprozedur: 250 Bh Dauerlauf mit 100 ppm Schwefel im Kraftstoff 23
24 Zusammenfassung Die Bewertung von Abgasnachbehandlungssystemen wird im Labor (Synthesegasprüfstand, Motorenprüfstand, Fahrzeugrollenprüfstand) unter exakt definierten Randbedingungen durchgeführt. Rollen- und Motorenprüfstandstests sind zur Evaluierung der Abgasemissionen aufgrund der Reproduzier- und Vergleichbarkeit auch in Zukunft unumgänglich. Straßentests werden zur Ermittlung von realen Emissionen in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Die Einführung von RDE ist für schwere Nutzfahrzeuge bereits 2013 erfolgt. Für PKW ist die RDE-Einführung ab 2017 beschlossen. Die Herausforderung RDE begründet sich maßgeblich in der höheren Kennfeldauslastung, die durch reale Fahrsituationen und individuelles Fahrverhalten verursacht wird. Die Qualität und die Quantität dieser meist zufälligen Zustände ist hoch variabel und die RDE- Fahrt damit nicht reproduzierbar. Zur Einhaltung der zukünftigen gesetzlichen Grenzwerte sind hocheffiziente Abgasnachbehandlungstechnologien gefordert, die unter allen Einsatzbedingungen optimal funktionieren. 24
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