Technische Dokumentation

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1 Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen Praxiserfahrungen aus Tiefbau, Materialabbau und Recyclinganlagen Technische Dokumentation zum Synthesebericht der Untersuchungen im Auftrag von AFU und TBA des Kantons SG Projektleiter: Markus Zürcher verantwortlich: Prof. Dr. R. Bunge Datum: Juni 2005 Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation

2 Inhaltsverzeichnis 1 Untersuchte Systeme Einsatzbereich Materialabbau und Recycling (Stand Juni 2005) Einsatzbereich Tiefbau (Stand September 2003) Technische Daten der untersuchten Einzelfälle Funktionsweise und Typen von Partikelfiltersystemen Aktive Systeme Passive Systeme Systemkombinationen Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation

3 1 Untersuchte Systeme Legende: Einsatzbereich: - Materialabbau und Recycling - Tiefbau Partikelfiltertyp CRT Partikelfiltertyp El. regenerierender Filter Partikelfiltertyp Metallfaservliesfilter Maschinenart x Maschinenart y Maschinenart z. Betriebsart (Bsp. Kies laden). Lastfaktor durchgeführte Vorabklärungen Ausrüstdatum Betriebsverhalten / Probleme Massnahmen Befund Die untersuchten Systeme sind nach Partikelfiltertyp und Maschinentyp geordnet. Die aufgeführten Informationen stammen aus der Befragung der Maschinenbesitzer oder wurden aus den Untersuchen der einzelnen Maschinen gewonnen. Die Lastfaktoren wurden aufgrund der von den Maschinen durchgeführten Arbeiten bestimmt. Für die Problemfälle beschreibt die Spalte Probleme die Ursachen und deren Auswirkungen. Die Spalte Befund beschreibt das Betriebsverhalten der Systeme und die Auswirkungen der getroffenen Massnahmen. Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 1

4 1.1 Einsatzbereich Materialabbau und Recycling (Stand Juni 2005) CRT-Systeme Fall Nr. Maschine kw Jg. Betriebsart Lastfaktor % Vorabklärungen NOx/Russ Verhältnis 1 Kettenlader Humusabtrag Aufgrund Morordaten- planieren blatt und Erfahrungen des Lieferanten 2 Kettenlader Humusabtrag dito 51 März 2002 planieren 3 Ankerbohrgerät 1 auf Kettenfahrzeug 4 Ankerbohrgerät 2 auf Kettenfahrzeug Bohrarbeiten dito 29 März 2002 Ausrüstdatum 41 Juni 2001 Staudruck zu hoch. Nach 3260h Filter aus Canning gelöst Bohrarbeiten dito 51 August 2000 Probleme Massnahmen Befund Staudruck zu hoch Filterelement ausgetauscht Filter mehrmals gewaschen und nach 2660h ausgetauscht Quellmatten durch waschen beschädigt und dadurch Filter aus Cannig gelöst. Ursache noch nicht geklärt keine - Der CRT arbeitet auf dem Ankerbohrgerät mit dem relativ stationären Lastprofil und dem hohen Lastfaktor problemlos. keine - dito 5 Radlader laden dito 44 Juli 2001 keine - Diese Radlader/CRT-Kombination arbeitet einwandfrei. Der Abgasgegendruck bewegt sich in einem tiefen Bereich (60-70 mbar) 6 Hydraulikbagger laden Aushub bis 80 dito 40 April 2002 Ungenügende Regeneration durch zu tiefe Abgastemperaturen - Einbau Oxidationskatalysator. - Abgastemperaturmessung - Einsatz eines kat. beschicht. Filtermoduls Trotz teilweise hohem Motorlastfaktor sind die Abgastemperaturen für den Betrieb eines CRT zu tief. Mit einer Temperaturmessung während den Vorabklärungen hätte dies vorher festgestellt werden können. Mit dem Einsatz eines kat. beschichteten Filtermoduls wurde das Problem gelöst. Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 2

5 CRT-Systeme Fall Nr. Maschine kw Jg. Betriebsart Lastfaktor % 7 Hydraulikbagger laden Aushub 8 Mobile Brechanlage , neuer Motor seit 2002 Materialzerkleinerung (brechen) bis 80 bis 80 nach Rücksprache mit Maschinenlieferant Aufgrund Motordatenblatt NOx/Russ Verhältnis Vorabklärungen Ausrüstdatum 84 August März 2002 Probleme Massnahmen Befund Filter + Oxidationskatalysator nach 1900 Bh 3700 h und 5194 h zerstört -> Austausch Ursache: Übertragung von Schwingungen auf PFS oder Quellmattenschaden durch waschen Nach 1200h Filter aus Canning gelöst Einbau eines neuen Filters und neuen Oxidationskatalysators System durch Silentblöcke und Flexrohr von Motor und Chassis entkoppelt Filterelement ersetzt Bis zum Schadensfall arbeitete der CRT einwandfrei. Der Filtermonolit und der Oxidationskatalysator haben sich durch übertragene Schwingungen oder durch waschen verursachte Quellmattenschäden aus dem Canning gelöst und sind zerstört worden. Nach dem Vorfall hätten Rauchemissionen und ein tiefer Abgasgegendruck auffallen müssen. Eine elektronische Drucküberwachung mit Alarmauslösung bei Unter- oder. Überschreitung des Minimalbzw. Maximaldrucks wäre für die Fehlerdetektion die bessere Lösung als der eingesetzte einfache Manometer. Das System wird zurzeit ersetzt Der Filtermonolit und der Oxidationskatalysator haben sich durch übertragene Schwingungen oder durch waschen verursachte Quellmattenschäden aus dem Canning gelöst 9 Radlader 2 (gleicher Maschinentyp wie Radlader 1) laden Nach Absprache mit Maschinenlieferant Mai 2001 keine - Die Maschine eignet sich unter den gegebenen Bedingungen sehr gut für den Betrieb mit einem CRT. Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 3

6 Katalytisch beschichteter Metallfaservliesfilter Fall Nr. Maschine kw Jg. Betriebsart Lastfaktor % 10 Aggregat für Vibro- Gerät 1 Vorabklärungen Rammarbeiten bis 90 Messung der Abgastemperatur -> max.400 C -> nur kat. Beschichtung 11 Seilkran Kranarbeiten Rammarbeiten Elektrisch regenerierendes Filtersystem Messung der Abgastemperatur -> max.300 C -> brennerunterstützte Regeneration Abgastrübungsmessung NOx/Russ Verhältnis Ausrüstdatum 100 Januar Januar 2000 Probleme Massnahmen Befund ungenügende Regeneration -> hoher Druck -> Leckagen -> Filterbruch ungenügende Regeneration -> hoher Druck Änderung der kat. Formulierung. Zugabe von Treibstoffadditiven Änderung der kat. Formulierung. Zugabe von Treibstoffadditiven Einbau von Brenner (nicht VERTgeprüft) Das Problem konnte nicht behoben werden. Nach starkem Anstieg des Abgasgegendrucks ist der Filter geborsten und musste ausgebaut werden. Der Filter regenerierte auch mit Brennerunterstützung ungenügend. Der hohe Abgasgegendruck (400 mbar) und der Brenner verursachte einen untragbaren Treibstoffmehrverbrauch von 6 Liter. Das Filtersystem wurde ausgebaut 12 Radlader Laden und Umschichtung in Mischwerk keine 73 Februar 2001 ungenügende Regeneration -> hoher Druck hohe Wärmeverluste über das Filtermaterial an die Umgebung schlecht brennbaren Russ -> Einsatz einer stärkeren Regenerationsheizung und katalytisch beschichtetem Filter Die Probleme waren bei der eingesetzten Regenerationsmethode nicht vorhersehbar. Grundsätzlich befindet man sich mit der elektrischen Regeneration auf der sicheren Seite. Es kann davon ausgegangen werden, dass dieser Fall eine Ausnahme darstellt. Der Grund für die schlechte Brennbarkeit des Russes konnte nicht geklärt werden. Mit einer stärkeren Heizung und einem katalytisch beschichteten Filter wird versucht das Problem zu lösen. Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 4

7 Einweg-Glasfasertiefenfilter (Systemeigenbau) Fall Maschine kw Jg. Betriebsart Lastfaktor Vorabklärungen NOx/Russ Ausrüstdatum Probleme Massnahmen Befund Nr. % Verhältnis 13 Altholzshredder Holzshreddern keine undichte Filteranschlüsse, Austausch Grundsätzlich funktioniert der der Einweg- Filtereigenbau. Das Fehlen einer im Recyclingbetrieb vermutlich verursacht durch filter Abgasgegendruck-kontrolle erschwert die Funktionsüberwachung Filterüberladung beträchtlich. Gerade bei Einwegfiltern muss der Systemservice zuverlässig durchgeführt werden. Bei diesem System handelt es sich um einen Eigenbau der mit im Handel erhältlichen Glasfasertiefenfiltern ausgerüstet wird. Nach der Beladung wird der Filter ersetzt. Die beladenen Filter werden über den Hausmüll entsorgt. Es handelt es sich um eine stationär eingesetzte Maschine welche auf einem LkW- Auflieger aufgebaut ist. Das Filtersystem ist auf dem Dach des Betriebsgebäudes fix installiert. Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 5

8 1.2 Einsatzbereich Tiefbau (Stand September 2003) Die folgenden Maschinen wurden im Rahmen des 1. Teilprojekts Erfahrungen der A13-Baustelle untersucht. CRT-Systeme Fall Nr. Maschine kw Jg. Betriebsart Lastfaktor % NOx/Russ Verhältnis Vorabklärungen Ausrüstdatum Probleme Massnahmen Befund 14 Hydraulikbagger Laden Aushub 15 Hydraulikbagger Laden Aushub 16 Belagseinbaumaschine 68 Belagseinbau bei konstanter Last und Drehzahl. Verschieben der Maschine unter Volllast 17 Doppelwalze 52 Walzen unter konst. Last und Drehzahl. Je nach Untergrund bzw. Material, mit verschiedener Vibrierauslenkung bis 80 bis 80 ca. 40 Evaluation aufgrund Motordatenblatt Evaluation aufgrund Motordatenblatt Evaluation aufgrund der Motorherstellerangaben. 34 März 2001 Ungenügende Regeneration -> Gegendruckanstieg Manuelle Reinigung des Systems alle 40 bis 60 h notwendig keine 57 Juni 2001 Ungenügende Regeneration -> Gegendruckanstieg Manuelle Reinigung nach ca. 40 h notwendig Messungen ergaben ungenügende Abgastemperatur. Durch verstellen des Einspritzbeginns auf spät wurden die Temperaturen angehoben. - Juni 2000 keine - Der CRT arbeitet unter den gegebenen Rahmenbedingungen einwandfrei. - April 2002 keine - Der CRT arbeitet unter den gegebenen Rahmenbedingungen einwandfrei. Für diesen Fall konnte die geforderte Abgastemperatur durch Änderung der Motoreinstellung erreicht werden. Durch vorherige Abklärungen wären derartige Probleme vermeidbar gewesen. - Die Abgastemperatur ist für den durchschnittlichen Betrieb zu tief. Nur unter Volllast (max. Verdichtungsvibrieren) werden genügend hohe Werte und damit die korrekte Regeneration erreicht. -> ungeeignete Systemwahl. Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 6

9 2 Technische Daten der untersuchten Einzelfälle Fall Nr. 1: Kettenlader CAT 973C mit CRT Maschinenlieferant: Johann Müller AG, Schmerikon (JMS) Avesco Langenthal Motortyp: CAT 3307 Jahrgang: 2001 Motordaten: Leistung: 157 kw Zylinder: 6 Hubraum: l Turbo Drehzahl: 2200 U/min NOx: 7.36 g/kwh PM: 0.18 g/kwh Betriebsstunden: 1192 h (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l/100 l Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 36.2 l/h Regenerationsprinzip passiv, katalytisch Typ: CRT, KM5 HJS Clean Life GmbH, Hr. Blunier Datum Einbau: Juni 2001 Betriebstunden: 1192 h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer, analog Clean Life GmbH Befragungsergebnisse (Okt 2002) : Vor der Filterauswahl wurden keine Abgastemperaturaufzeichnungen gemacht Es wurden keine Rauchmessungen durchgeführt Es sind bisher keinerlei Probleme aufgetreten Das PFS-Gehäuse wurde bisher nie geöffnet Der Filter wurde bisher nie manuell gereinigt. Es wurden nie erhöhte Abgasgegendrücke festgestellt Beobachtete Abgasgegendrücke nach Manometer: - Leerlauf: ca. 10 mbar - hoher Leerlauf: ca. 100 mbar - Volllast: ca. 170 mbar Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 7

10 Fall Nr. 2 Kettenlader CAT 953C mit CRT Johann Müller AG, Schmerikon (JMS) Avesco Langenthal Motortyp: CAT 3116 DIT Jahrgang: 2002 Motordaten: Leistung: 90 kw Zylinder: Hubraum: 6.60 l Turbo Drehzahl: 2200 U/min NOx: 8.70 g/kwh PM: 0.38 g/kwh Betriebsstunden: 379 h (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l/100 l Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 18.2 l/h Regenerationsprinzip passiv, katalytisch HJS Typ: CRT, KM3 Clean Life GmbH, Hr. Blunier Datum Einbau: März 2002 Betriebstunden: 397h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer Clean Life GmbH Befragungsergebnisse (Okt 2002): Vor der Filterauswahl wurden keine Abgastemperaturaufzeichnungen gemacht Es wurden keine Rauchmessungen durchgeführt Es sind bisher keinerlei Probleme aufgetreten Das PFS-Gehäuse wurde bisher nie geöffnet Der Filter wurde bisher nie manuell gereinigt Es wurden nie erhöhte Abgasgegendrücke festgestellt Beobachtete Abgasgegendrücke nach Manometer: - Leerlauf: ca. 10 mbar - hoher Leerlauf: ca. 50 mbar - Volllast: ca. 40 mbar Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 8

11 Fall Nr. 3 Ankerbohrgerät auf Raupenfahrzeug Casagrande mit CRT Johann Müller AG, Schmerikon (JMS) Casagrande Fontanafredda Italy Motortyp: Deutz BF4M 1013C Jahrgang: 1999 Motordaten: Leistung: 112 kw Zylinder: 6 Hubraum: l Turbo Drehzahl: 2300 U/min NOx: 7.30 g/kwh PM: 0.25 g/kwh Betriebsstunden: 2148 h (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l/100 l Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 10.5 l/h Regenerationsprinzip passiv, katalytisch Johnson Matthey Typ: CRT, 201 Hüga AG, Hr. Garzotto Datum Einbau: März 2000 Betriebstunden: 1167 h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: elektronisch + Logger Hüga AG Befragungsergebnisse (Okt 2002): Vor der Filterauswahl wurden keine Abgastemperaturaufzeichnungen gemacht Es wurden Rauchmessungen (Opazimetrie) durchgeführt. K-Wert nach PFS: 0.00 m -1 Der Filter wurde bei 900 h gereinigt. Enthielt wenig Asche Es wurden nie erhöhte Abgasgegendrücke festgestellt Aufgezeichnete Abgasgegendrücke nach Logger: mbar Filter ist im März 2004 gebrochen Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 9

12 Fall Nr. 4 Ankerbohrgerät auf Raupenfahrzeug AVE 80.6 mit CRT Johann Müller AG, Schmerikon (JMS) IMH Handels AG, Kindhausen Motortyp: Deutz BF6L 913T Jahrgang: 1994 Motordaten: Leistung: 104 kw Zylinder: 6 Hubraum: 6.10 l Turbo Drehzahl: 2300 U/min NOx: g/kwh PM: 0.25 g/kwh Betriebsstunden: 6078 h (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l/ 100 l Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 7.8 l/h Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch Johnson Matthey Typ: CRT, 201 Hüga AG, Hr. Garzotto Datum Einbau: August 2000 Betriebstunden: 1040 h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: elektronisch + Logger Hüga AG Befragungsergebnisse (Okt 2002): Vor der Filterauswahl wurden keine Abgastemperaturaufzeichnungen gemacht Es wurden Rauchmessungen (Opazimetrie) durchgeführt. K-Wert nach PFS: 0.00 m -1 Es sind bisher keinerlei Probleme aufgetreten Der Filter wurde gereinigt. Enthielt wenig Asche Es wurden nie erhöhte Abgasgegendrücke festgestellt Aufgezeichnete Abgasgegendrücke nach Logger: - hoher Leerlauf: 45 mbar - Volllast: 75 mbar Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 10

13 Fall Nr. 5 Radlader Liebherr L544 mit CRT Johann Müller AG, Schmerikon (JMS) Liebherr Rothrist Motortyp: Liebherr D924 TE Jahrgang: 2001 Motordaten: Leistung: 121 kw (2000U/min) Zylinder: 4 Hubraum: 6.64 l Turbo NOx: 8.39 g/kwh PM: 0.19 g/kwh Betriebsstunden: 1490 h (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l / 100L Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 19 l/h Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch HJS Typ: CRT, KM2 Clean Life GmbH, Hr. Blunier Datum Einbau: Juli 2001 Betriebstunden: 1490 h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer Clean Life GmbH Befragungsergebnisse (Okt 2002): Vor der Filterauswahl wurden keine Abgastemperaturaufzeichnungen gemacht Es wurden keine Rauchmessungen durchgeführt Es sind bisher keine Regenerations-Probleme aufgetreten. (Nur Befestigungsprobleme) Das PFS-Gehäuse wurde für Reinigung (Asche) und Kontrolle geöffnet Es wurden nie erhöhte Abgasgegendrücke festgestellt Beobachtete Abgasdruck nach Manometer: - hoher Leerlauf: ca. 60 mbar - Volllast: ca. 70 mbar Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 11

14 Fall Nr: 6 Hydraulikbagger CAT 325 C Johann Müller AG, Schmerikon (JMS) Avesco Langenthal Motortyp: CAT 3126 Jahrgang: April 2002 Motordaten: Leistung: 128 kw Zylinder: Hubraum: 6.60 l Turbo NOx: 5.60 g/kwh PM: 0.14 g/kwh Betriebsstunden: 700 h (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l / 100 l Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 15 l/h Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch HJS / Johnson Matthey Typ: CRT, KM4 Clean Life GmbH Datum Einbau: August 2000 Betriebstunden: 700 h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer Clean Life GmbH Befragungsergebnisse (Okt 2002): Vor der Filterauswahl wurden keine Abgastemperaturaufzeichnungen gemacht Es wurden keine Rauchmessungen (Opazimetrie) durchgeführt Abgasgegendruck ist zu hoch Die Elemente wurden mehrmals ausgetauscht Mit einem katalytisch beschichteten Filter wird regeneriert das System ausreichend Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 12

15 Fall Nr. 7 Hydraulikbagger CAT 345 (Ketten) mit CRT Johann Müller AG, Schmerikon (JMS) Avesco Langenthal Motortyp: CAT 3176C Jahrgang: August 2001 Motordaten: *Leistung: 126 kw *Zylinder: *Hubraum: 10.3 l Turbo *NOx: 7.56 g/kwh *PM: 0.09 g/kwh Betriebsstunden: 1825 h (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l / 100 l Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 25 l/h Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch HJS Typ: CRT, KM5 Clean Life GmbH, Hr. Blunier Datum Einbau: August 2001 Betriebstunden: 1825 h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer Clean Life GmbH Befragungsergebnisse (Okt 2002): Vor der Filterauswahl wurden keine Abgastemperaturaufzeichnungen gemacht Es wurden keine Rauchmessungen durchgeführt Katalysator und Filterelement sind nach 1825 Bh und nach ca Bh ein weiteres mal zerbrochen. Das PFS-Gehäuse wurde zwischendurch für Reinigung (Asche) geöffnet Es wurden nie erhöhte Abgasgegendrücke festgestellt Beobachtete Abgasgegendrücke nach Manometer: - Volllast: ca.110 mbar Das Filtersystem ist nicht schwingungsfrei gelagert Bild 2.1: Zerstörter Filtermonolit Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 13

16 Fall Nr. 8 Mobile Brechanlage Giporec R 107 FDR 559 Johann Müller AG, Schmerikon (JMS) Gisler Maschinenfabrik, Seedorf Motortyp: CAT C12 Jahrgang: 1992, neuer Motor 2002 Motordaten: Leistung: 307 kw Zylinder: Drehzahl: 1800 U/min Hubraum: l Turbo NOx: 9.20 g/kwh PM: 0.54 g/kwh Betriebsstunden: 598 h mit neuem Motor (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l / 100 l Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 31.5 l/h Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch Johnson Matthey Typ: CRT, 202 Hüga AG, Hr. Garzotto Datum Einbau: März 2002 Betriebstunden: 598 h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: elektronisch + Logger Hüga AG Befragungsergebnisse (Okt 2002): Vor der Filterauswahl wurden keine Abgastemperaturaufzeichnungen gemacht Es wurden Rauchmessungen (Opazimetrie) durchgeführt. K-Wert mit PFS: 0.00 m -1 Bisher keine Probleme Abgelesene Abgasgegendrücke (Manometer) - Volllast: 90 mbar Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 14

17 Fall Nr. 9 Radlader Liebherr L544 mit CRT HASTAG Liebherr Rothrist Motortyp: Liebherr D924 TE Jahrgang: 2001 Motordaten: Leistung: 121 kw (2000U/min) Zylinder: 4 Hubraum: 6.64 l Turbo NOx: 8.39 g/kwh PM: 0.19 g/kwh Betriebsstunden: 2040 h (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l / 100 l Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 19 l/h Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch HJS Typ: CRT, KM2 Clean Life GmbH, Hr. Blunier Datum Einbau: Juli 2001 Betriebstunden: 2040 h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer Clean Life GmbH Befragungsergebnisse (Okt 2002): Vor der Filterauswahl wurden keine Abgastemperaturaufzeichnungen gemacht Es wurden nach 5 Monaten Rauchmessungen durchgeführt Es sind bisher keine Regenerations-Probleme aufgetreten. Das PFS-Gehäuse wurde für Reinigung (Asche) und Kontrolle geöffnet Es wurden nie erhöhte Abgasgegendrücke festgestellt Beobachtete Abgasdruck nach Manometer: - hoher Leerlauf: ca. 50 mbar - Volllast: ca. 80 mbar Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 15

18 Fall Nr. 10 Aggregat für Vibro-Gerät PTC 30 mit kat. beschicht. Metallfaservliesfilter Johann Müller AG, Schmerikon (JMS) Baumaschinen AG Zürich Motortyp: CAT 3408 Jahrgang: August 1998 Motordaten: Leistung: 375 kw Zylinder 8 Hubraum: 18 l Turbo NOx: g/kwh PM: 0.10 g/kwh Betriebsstunden: 2924 h (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l / 100 l Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 42 l/h Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch (Filterbeschichtung) Inteco Typ: Ecopur K RN 10 x 20 Inteco, Hr. Lämmle Datum Einbau: Januar 2000 Betriebstunden: 624h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer JMS Schmerikon Befragungsergebnisse (Okt 2002): Vor der Filterauswahl wurden Abgastemperaturaufzeichnungen (Logger) gemacht Es wurden keine Rauchmessungen durchgeführt Es sind diverse Probleme aufgetreten. (mangelhafte Regeneration, defekter Brenner, Abgasgegendruck stieg bis zum Filterbruch) Es wurden diverse Änderungen nach Angaben des Lieferanten vorgenommen. (Abänderung des Filtergehäuses, Einsatz weiterentwickelter Kerzen, Verwendung von Treibstoffadditiv (Satacen) Beobachtete Abgasgegendrücke nach Modifikation: - Volllast: ca. 500 mbar Filter geborsten, Filtersystem ausgebaut Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 16

19 Fall Nr. 11 Seilkran Weserhütte SW 191 Johann Müller AG, Schmerikon (JMS) Nyblad Baumaschinen GmbH Papenburg D Motortyp: Deutz BFGL 513 Jahrgang: 1991 Motordaten: Leistung: 165 kw Hubraum: 9.57 l Turbo NOx: g/kwh PM: 0.30 g/kwh Betriebsstunden: 5457 h (Oktober 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 10W l / 100 l Diesel 300 h Shell Free Sulphur, 10 ppm Schwefel 24 l/h Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch (Filterbeschichtung) Inteco Typ: Ecopur K RN 10x20 Inteco, Hr. Lämmle Datum Einbau: Januar 2000 Betriebstunden: 2050 h (Oktober 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer JMS Schmerikon Befragungsergebnisse (Okt 2002): Vor der Filterauswahl wurden Abgastemperaturaufzeichnungen (Logger) gemacht Es wurden Rauchmessungen durchgeführt Es sind diverse Probleme aufgetreten. (mangelhafte Regeneration, defekter (geschmolz.) Brenner, zu hoher Dieselverbrauch durch Brenner (6 l/h) hoher Abgasgegendruck) Es wurden diverse Änderungen nach Angaben des Lieferanten vorgenommen. (neuer Brenner, Verwendung von Treibstoffadditiv (Satacen) Beobachtete Abgasgegendrücke nach Modifikation: - Volllast: ca. 400 mbar Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 17

20 Fall Nr. 12 Pneulader CAT 950 G mit Unikat (el. Stillstandsreg.) Mischgutwerk Mörschwil MOAG Avesco Langenthal Motortyp: CAT 3126 DITA Jahrgang: 2002 Motordaten: Leistung: 134 kw Zylinder: Hubraum: 7.20 l Turbo Drehzahl: 2200 U/min NOx: 7.10 g/kwh PM: 0.11 g/kwh Betriebsstunden: 2035 h (18. November 2002) Panolin Universal SAE 15W l / 100 l Diesel 250 h Dieselqualität: - Dieseltreibstoffverbrauch: 12 l/h Regenerationsprinzip: elektrisch, onboard UNIKAT Typ: K 18 N + K Abgasreinigungs Technik GmbH Datum Einbau: Februar 2001 Betriebstunden: 2035 h (18. November 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer N + K Abgasreinigungs Technik GmbH Befragungsergebnisse (Okt 2004): Es wurden vor dem Einbau keine Rauchmessungen (Opazimetrie) durchgeführt Abgasgegendruck war vor Ende der Tagesschicht zu hoch Mögliche Einsatzzeit pro Schicht wurde täglich kürzer Die Elemente wurden mehrmals gewaschen und ausgetauscht Auch nach langer el. Regeneration blieben Russreste im Filter zurück -> Russ schlecht brennbar (Russuntersuchung in EMPA durchgeführt) Starke Schnellabbrandheizung und kat. beschichtetes Filterelement brachte Besserung Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 18

21 Fall Nr. 13 Lieferant (Filterelemente): Altholzshredder stationär mit Einwegglasfaserfilter Max Müller AG, St. Gallen Donaldson Motortyp: CAT 3406-E Jahrgang: 2002 Motordaten: Leistung: 392 kw Zylinder: Hubraum: Drehzahl: 2200 U/min NOx: 10.2 g/kwh PM: 0.13 g/kwh Betriebsstunden: 2035 h (18. November 2002) Regenerationsprinzip: Einwegfilter Eigenbau, Filterelemente: Donaldson Datum Einbau: 1998 Art der Gegendrucküberwachung: keine Max Müller AG Befragungsergebnisse (Nov 2002): Es wurden vor dem Einbau keine Rauchmessungen (Opazimetrie) durchgeführt Die Elemente werden ca. alle 500 h ausgetauscht Der Abgasgegendruck wird nicht überwacht Bild 2.2: Filtersytemeigenbau auf dem Dach des Betriebsgebäudes Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 19

22 Fall Nr. 14 Hydraulikbagger Akermann EC229 mit CRT Köppel Strassenbau - Motortyp: Volvo Penta TD 61 ACE Jahrgang: Juni 2000 Motordaten: Leistung: 107 kw Zylinder: 6 Hubraum: - Drehzahl: 1900 U/min NOx: - PM: - Betriebsstunden: 1825 h (Mai 2002) Dieselqualität: Dieseltreibstoffverbrauch: Panolin Universal SAE 15W l / 100 l Diesel 250 h 10 ppm Schwefel 20 l/ h Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch CRT Typ: - Clean Life GmbH Datum Einbau: Juni 2000 Betriebstunden: 1825 h (Mai 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer Clean Life GmbH Befragungsergebnisse (Okt 2002): Es wurden vor dem Einbau keine Rauchmessungen (Opazimetrie) durchgeführt. Es sind keine Probleme entstanden Der Filter wurde nie ausgebaut Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 20

23 Fall Nr. 15 Hydraulikbagger Volvo EC210 mit CRT Toldo Strassenbau Robert Aebi AG Motortyp: Cummins B5.9-C Jahrgang: 2002 Motordaten: Leistung: 107 kw Zylinder: 6 Hubraum: 5.88 l Drehzahl: 1900 U/min NOx: - PM: - Betriebsstunden: 1469 h (Februar 2002) Panolin Universal SAE 10W40 nicht feststellbar 250 h Dieselqualität: 10 ppm Schwefel Dieseltreibstoffverbrauch: - Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch CRT Typ: KM 2 Clean Life GmbH Datum Einbau: April 2002 Betriebstunden: 1469 h (Februar 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer Clean Life GmbH Befragungsergebnisse (Okt 2002): Es wurden vor dem Einbau keine Rauchmessungen (Opazimetrie) durchgeführt. Allerdings hat der Maschinenlieferant schon eine identische Maschine mit gleichen Einsatzbedingungen mit einem CRT erfolgreich ausgerüstet. Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 21

24 Fall Nr. 16 Belagseinbaumaschine DEMAG DF 100P mit CRT Bernhard Frei AG Motortyp: Deutz F5L 912 Motordaten: Leistung: 68 kw Zylinder: 5 Hubraum: 4.71 l Drehzahl: 2300 U/min NOx: 17 g/kwh PM: 0.5 g/kwh Betriebsstunden: 3237 h (Januar 2002) Panolin Universal SAE 10W40 nicht feststellbar 200 h Dieselqualität: Migrol Green Diesel 25 ppm Schwefel Dieseltreibstoffverbrauch: - Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch CRT Typ: KM 2 Hüga Abgasoptimierung Datum Einbau: April 2002 Betriebstunden: 402 h (Januar 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Logger mit Gegendruckanzeige (LED) Werkstatt Bernhard Frei AG Befragungsergebnisse (Okt 2002): Es wurden vor dem Einbau keine Rauchmessungen (Opazimetrie) durchgeführt. Ansteigen des Abgasgegendrucks über Alarmgrenze nach wenigen Tagen Betriebszeit Filter wurde Alle h gereinigt Betriebsart: Motor wird konstant im oberen Drehzahlbereich gefahren Bei Zuschalten der Hydraulikaggregate kein Drehzahlabfall Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 22

25 Fall Nr. 17 Doppelwalze BOMAG BW 144 Batigroup Buchs Probst-Maveg Motortyp: Deutz BF4L 1011 Motordaten: Leistung: 51.5 kw Zylinder: - Hubraum: - l Drehzahl: 2500 U/min NOx: 12.5 g/kwh PM: 0.22 g/kwh Betriebsstunden: 1469 h (Februar 2002) SAE 15W l /100 h 200 h Dieselqualität: Migrol Green Diesel 25 ppm Schwefel Dieseltreibstoffverbrauch: - Regenerationsprinzip: passiv, katalytisch CRT Typ: - Clean Life Datum Einbau: Juni 2001 Betriebstunden: 339 h (Februar 2002) Art der Gegendrucküberwachung: Manometer Clean Life Befragungsergebnisse (Okt 2002): Es wurden vor dem Einbau keine Rauchmessungen (Opazimetrie) durchgeführt. Ansteigen des Abgasgegendrucks über Alarmgrenze nach wenigen Tagen Betriebszeit Filter wurde alle 40 h gereinigt Betriebsart: Motor wird konstant im oberen Drehzahlbereich gefahren Last variiert je nach Arbeit. Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 23

26 3 Funktionsweise und Typen von Partikelfiltersystemen Die heute erhältlichen Partikelfiltersysteme (PFS) unterscheiden sich nebst dem Filtermedium vor allem durch das eingesetzte Regenerationssystem. Die Spontanzündtemperatur von Dieselruss (PM) liegt bei über 600 C. Der sich im PFS ansammelnde Russ würde also bei dieser Temperatur selbstständig abbrennen. Diese Abgastemperatur wird nach dem Motor jedoch kaum je erreicht. Der Russ muss deshalb periodisch oder kontinuierlich abgebrannt werden, um ein Ansteigen des Abgasgegendrucks und damit Filter- oder gar Motorschäden zu verhindern. Dazu sind unterstützende Systeme und Überwachungseinrichtungen notwendig. Auf dem Markt sind grundsätzlich zwei Systeme von Dieselpartikelfiltersystemen erhältlich: 3.1 Aktive Systeme Bei aktiven Systemen wird das Verbrennen des im Filter angesammelten Russes durch ein zusätzliches Regenerationssystem ausgelöst (erzwungene Regeneration). Dazu sind verschiedene Lösungen auf dem Markt Filtersystem mit Brenner Ein ins PFS integrierter Dieselbrenner wird bei Erreichen eines festgesetzten Abgasgegendrucks automatisch zugeschaltet und verbrennt den im Filter angesammelten Russ. Üblicherweise handelt es sich bei diesen Systemen um Vollstromsysteme. Dabei wird die Regeneration während des normalen Betriebs des Motors durchgeführt. Es existieren jedoch auch Systeme bei denen der Motor während der Filterregeneration für ca Minuten im tiefen Leerlauf betrieben werden muss (Teilstromsystem). Das Zuschalten des Brenners wir dabei durch den Maschinenführer ausgelöst nachdem eine Warnlampe im Cockpit den Regenerationsbedarf anzeigt. Bild 3.1 Schema des DPFS (Diesel Partikel Filter System) von Deutz Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 24

27 Vorteile: Die Regeneration ist nicht von den Temperaturen und der Zusammensetzung des Abgases abhängig Die für die Regeneration benötigte Energie (Dieselöl) ist auf der Maschine vorhanden. Die Maschine ist auch während der Regenerationsphase verfügbar (gilt bei Vollstrombrenner) Die Maschine benötigt keinen schwefelarmen/-freien Dieseltreibstoff Nachteile: Systeme mit Dieselbrenner haben einen vergleichsweise hohen Preis Komplexes System, dadurch aufwändig beim Einbau Elektrisch regenerierendes Filtersystem Der Partikelfilter wird während des Einsatzes mit Russ beladen und während des Stillstandes regeneriert (z.b. über Nacht). Dazu wird eine externe Stromquelle benötigt. Es existieren auch Systeme, bei welchen die Partikelfilter als Wechselsystem ausgeführt sind und für die Regeneration ausgetauscht werden. Der Vorteil besteht in der durchgehenden Verfügbarkeit der Maschine. Bild 3.2 System mit Stillstandregeneration und externer Stromversorgung (Prinzip der Firma Unikat) Vorteile: Die Regeneration ist nicht von den Temperaturen und der Zusammensetzung des Abgases abhängig. Die Maschine benötigt keinen schwefelarmen/-freien Dieseltreibstoff Nachteile: Bei elektrischer Regeneration wird eine externe Stromquelle benötigt Während der Regenerationsphase ist die Maschine nicht verfügbar (onboard Regeneration) Beim Wechselfiltersystem entsteht systembedingt ein erhöhter Handlingaufwand Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 25

28 3.2 Passive Systeme Diese Systeme arbeiten nach dem katalytischen Prinzip. Dabei sind unterschiedliche Lösungen vorhanden: Filter mit Treibstoffadditiven Um die Regenerationsschwelle zu erreichen werden dem Kraftstoff katalytisch wirkende Additive zugegeben. Diese senken die Spontanverbrennungstemperatur der Russpartikel von ca. 600 C soweit ab, dass die Russpartikel bei der gegebenen Abgastemperatur verbrennen. Diese Additive sind treibstofflösliche, organometallische Verbindungen und enthalten das Metall als katalytisch aktives Element. Dem Dieseltreibstoff werden normalerweise Mengen von einigen wenigen bis ca. 100 ppm (parts per million, 1ppm = %) automatisch zudosiert. Beispiele: Aktives Metall/Verbindung Markenname Lieferant Eisen (Eisen/ferrocene) Satacen Octel Cerium (Ce) Eolys Rhodia Platin (Pt), Platin Cerium (Pt/Ce) Platinum Plus Clean Diesel Bild 3.3 Molekularstruktur von Ferrocene Vorteile: Die Maschine benötigt keinen schwefelarmen/-freien Dieseltreibstoff Für die Regeneration nicht auf Zusatzenergie angewiesen Bei geeignetem Einsatzbereich einfaches handling Nachteile: Kann erhöhten Anfall von Asche verursachen, welche nicht regenerierbar ist, also im Filter liegen bleibt und den Filter-Serviceintervall verkürzt Katalytisch beschichtete Filter (CDPF) Bei Systemen mit katalytischer Beschichtung des Filters werden die Russpartikel beim Auftreffen auf die beschichtete Filteroberflächen bei einer relativ tiefen Abgastemperatur (300 C) verbrannt. Dieser Filtertyp wird als Filterkerze in der Faserstricktechnik, aber inzwischen öfter als keramischer Filtermonolith in der Wandstromfiltertechnik ausgeführt. Die Kanäle des Filters sind dabei wechselseitig verschlossen, so dass das Abgas durch die poröse Filterwand strömen muss und Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 26

29 dabei den Russ auf der Wandoberfläche ablagert. Der Kontakt mit der katalytisch beschichteten Oberfläche veranlasst die Russpartikel zu oxidieren und den Filter als CO 2 zu verlassen. Je nach katalytischer Beschichtung z.b. (Pt) werden auch Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) zu ca. 70% bzw. 95% vermindert. Bild 3.4 Filterschnitt Bild 3.4 keramischer Filtermonolith Vorteile: Für die Regeneration nicht auf Zusatzenergie angewiesen Bei geeignetem Einsatzbereich (ausreichende Abgastemperatur) einfaches Handling Nachteile: Für eine ausreichende Filterregeneration müssen hohe Abgastemperaturen erreicht werden Die katalytische Reaktion beginnt erst beim Auftreffen der Russpartikel auf die Filterwände CRT-System Das sogenannte CRT-System (Continuously Regenerating Trap) arbeitet mit einem Oxidationskatalysator, der das im Abgas vorhandene NO zu NO 2 oxidiert. Dieses NO 2 dient im nachfolgenden Russfilter als Oxidationsmittel und verbrennt die Russpartikel bereits ab ca. 250 C. Der Oxidationskatalysator vermindert auch die Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) um über 90%. Durch die katalytische Funktionsweise benötigt der CRT schwefelarmer (<50 ppm) oder besser, schwefelfreier (<10 ppm) Dieseltreibstoff. Da der Oxidationskatalysator den Schwefel bevorzugt behandelt, kommt es bei hohen Schwefelgehalten vermehrt zur SO 2 -Oxidation, also bildet SO 3. Diese Vorzugsreaktion vermindert jedoch die gewünschte NO 2 -Bildung (siehe chem. Gleichung unten) und kann die genügende Filterregeneration unterbinden. Ausserdem kann der Oxidationskatalysator auch eine Schwefelvergiftung erleiden. Das in der Beschichtung vorhandene Platin bildet mit dem Schwefel Platin-Sulfid. Die katalytische Reaktion mit NO ist dann nicht mehr möglich. Ausserdem bildet SO 3 zusammen mit der Abgasfeuchtigkeit schweflige Säure die sehr korrosiv wirkt. Der keramische Filtermonolith beim CRT ist nicht katalytisch beschichtet. Neben einer genügend hohen Abgastemperatur von ca. 270 C (minimal) und schwefelarmen bzw. schwefelfreier Treibstoff ist auch das NOx/Russ-Verhältnis von mindestens 15:1 (Gewichtsverhältnis; minimal) ein wichtiger Parameter (Tiefe NOx-Werte bei gleichzeitig hohem Russanfall, erschweren den CRT-Betrieb). Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 27

30 Diese Angaben beruhen auf Angaben des Komponentenherstellers Johnson Matthey Ltd. und sind als vereinfachte Richtlinien zu betrachten. Für den Realbetrieb müssen die verschiedenen Maschinentypen unter ihren individuellen und normalerweise transienten Betriebsbedingungen betrachtet werden. Bis zu einem gewissen Mass ist ein trade-off zwischen den einzelnen Parametern möglich. Das heisst: Die minimal benötigte Abgastemperatur kann tiefer sein bei Senkung des Treibstoffschwefelgehalts, der Erhöhung des NOx/Russ-Verhältnis oder bei Einsatz eines saubereren (tiefere Russemissionen) Motors. Oxidationskatalysator Rohgas Keramischer Filtermonolith Oxidationskatalysator: 2NO + O 2 2NO 2 Filter: 2NO 2 + C 2NO + CO 2 Reingas Bild 3.5 Aufbau CRT Bild 3.6 Funktionsweise Regeneration CRT Vorteile: Das CRT-Systeme ist für die Regeneration nicht auf Zusatzenergie angewiesen Bei geeignetem Einsatzbereich (genügend hohe Temperatur) sehr wartungsarm Durch den Oxidationskatalysator wird gleichzeitig Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) vermindert Nachteile: Für eine ausreichende Filterregeneration müssen genügend hohe Abgastemperaturen erreicht werden. Diese Anforderung kann das System insbesondere bei nur leichten Motorbelastungen ungeeignet machen. CRT s benötigen für den einwandfreien Betrieb schwefelarmen Dieseltreibstoff. Unter bestimmten Lastbedingungen wird nicht die gesamte Menge des generierten NO2 für die Filterregeneration benötigt. Es kommt zum unerwünschten NO2-Schlupf. NO2 ist ein Reizgas, das in sehr hohen Konzentrationen toxisch wirkt. Im unbelüfteten Tunnel- oder Gebäudeinneneinsatz können durch die erhöhten NO 2 -Emissionen Konzentrationen entstehen, die zumindest unangenehm sind. Für diese Anwendungen ist der CRT darum eher ungeeignet. Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 28

31 3.3 Systemkombinationen Es existieren auch Systeme, die Kombinationen der vorgängig genannten Methoden verwenden CRT / CDPF Immer öfter werden CDPF, also Systeme, dessen Filtermonolith katalytisch beschichtet ist, mit einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator kombiniert. Die Nachteile des CDPF-Systems gegenüber dem CRT werden damit eliminiert. Eigentlich handelt es sich dann um einen CRT mit katalytisch beschichtetem Filterteil Additiv / Katalysator Die Kombinationen von Treibstoffadditiv und Katalysator setzt zum Beispiel Peugeot im Personenwagenbereich ein. Durch die Möglichkeiten der modernen Common Rail Technik hat der PSA-Konzern damit das erste wirklich funktionierende Partikelfiltersystem für den PW-Bereich eingeführt. Betriebsverhalten von Partikelfiltern auf Baumaschinen, Techn. Dokumentation Seite 29