PM- Emissionen aus Verbrennungsmotoren

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1 PM- Emissionen aus Verbrennungsmotoren P.J. Sturm, S. Hausberger Inffeldgasse 21A, 8010 Graz, Österreich Technische Universität Graz

2 Inhalt g Entwicklung der Emissionsstandards für PKW und LKW g Emissionstrends bei realem Fahrverhalten g PM Masse Emissionen und Größenverteilungen g Technologisch Konzepte g Abgasreinigung

3 PKW Emissionsgesetzgebung Gesetz Jahr CO HC NOx Partikel EURO ,72 0,97* - 0,14 EURO ,2 0,5* - - Benzin EURO ,3 0,2 0,15 - Benzin EURO ,0 0,1 0,08 - Benzin EURO ,0 0,7* - 0,08 Diesel EURO ,64 0,56* 0,5 0,05 Diesel EURO ,5 0,30 0,25 0,025 Diesel *NOx+HC Werte in g/km für NEFZ, US83 FTP75 EU-Raum

4 LKW Emissionsgesetzgebung Gesetz Jahr Test CO HC NOx Partikel ECE R R Pre EURO* 1991 R ECE R 49/ R (> 85kW) (EURO 1) EURO R EURO EST EURO EST/ECT EURO EST/ECT *88/77/EWG Werte in g/kwh für R49 und EST (European Stationary Test) Österreich/EU 0.68 (<85 kw)

5 Entwicklung der Emissionsstandards für LKW Partikel NOx g Partikel/km g/nox/km durchschnittliches Fahrmuster EURO 2 EURO 3 EURO

6 Ergebnisse Nutzfahrzeuge EURO 1 EURO 2 EURO NOx E-Standard 100 % 78% 55% Straße 100 % 105% - 145% 75% - 110% PM E-Standard 100 % 38% 25% Straße 100% 35% - 110% 50% - 80% HC E-Standard 100% 90% 50% Straße 100% 50% - 80% 60% - 90%

7 1000t/Jahr Partikel-Emissionen des Verkehrs in Österreich Kohlelokomotiven Off-road = Traktoren, Baumaschinen, Schiene, Schifffahrt Summe Off-Road Motorräder Mofas Summe SNF LNF PKW Diesel-PKW 75% Neuzulassungen ab Jahr

8 Abgasnachbehandlung bei Diesel Motoren PM [g/kwh] current technology cooled EGR + filter alternative combustion concepts (HCCI) 0.02 DENOx + SCR 0.00 development target EU 5 EU EU 4 4 EU 3 NO X [g/kwh]

9 Diesel-Partikelfilter (PKW & SNF) Ruß Einlassgeschwindigkeit Auslassgeschwindigkeit Asche Abbrandtemperatur PM: >500 C ohne Maßnahmen (thermische Regeneration) <350 C mit Kraftstoffadditiv oder NO 2 (CRT) Aktive Regeneration muss vorgesehen sein, da diese Temperaturen nicht sicher ausreichend häufig im realen Betrieb auftreten

10 Partikelkatalysator Partikel durch Impaktion und Adhäsion auf Oberfläche angelagert Regeneration bei Erreichen der kritischen Temperaturen Offene Struktur (Zulegen unkritisch)

11 LKW Emissionen, PM Euro 3 Euro 5 0,16 PM - ETC emission Fuel D5 PM [g/kwh 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 Lube Fuel Insol 0 EU 3 EU 4 EU 5 Engine Quelle: Th. Sams AVL

12 PKW- PM Emission Realfahrt Stadt 0,120 0,100 Stadtfahrt AR 3 0,080 g/km 0,060 0,040 0,020 Euro 4 Euro 3 0,000 DPF DPF D1 D2 D3 D4

13 PM- Masse Emissionen PKW Diesel Quelle: PARTICULATES Del. 10/10-03

14 PM- Masse Emissionen PKW Benzin Quelle: PARTICULATES Del. 10/10-03

15 PM- Größenverteilung Verdünnungssystem und Messaufbau Quelle: PARTICULATES Del. 10/10-03

16 PM- Größenverteilung Euro 3 SNF 1.E+10 1.E+08 wet branch dry branch dn/dlogdp (#/cm3 1.E+06 1.E+04 1.E+02 Tröpfchen ohne festen Kern (Wasser, HC, Schwefelverbindungen,... 1.E Dp (nm)

17 LKW-Motormessungen PM Größenverteilung dn/dlog(dp) [#/cm 3 ] 1,E+09 1,E+08 1,E+07 1,E+06 1,E+05 0% load 10% load 25% load 50% load 1,E Dp [nm] Euro 3, HDV Sampling according to Particulates procedure

18 Total particle number dn/dlogdp [km-1] Stadtbusse Graz Mercedes Citaro (Euro 3) PM Größenverteilung 1.0E E E E E E E E E+09 Diesel Standard Diesel Oxikat Diesel PM-Kat Biodiesel PM-Kat Erdgas (EURO 2) 1.0E km/h konstant Mobility Diameter [nm] Diesel 8 ppm S

19 Partikelkatalysator für Stadtbusse Gesamte Partikelanzahl- Biodiesel 5.00E E E+08 Schalldämpfer Oxikat Schalldämpfer Oxikat Partikelkat 3.50E E+08 N [#/cm3] 2.50E E E E E+07 Partikelkat 0.00E Zyklus 9040 Zeit [s]

20 Messungen Fahrzeugflotte Straßentunnel - Fahrbahnrand 8,E+05 (a) Curb side 7,E+05 dn/dlog(dp) [#/cm 3 ] 6,E+05 5,E+05 4,E+05 3,E+05 7:00 19:00 2,E+05 1,E+05 0,E : Dp [nm] 1000

21 Messungen Stadtatmosphäre Straßenkreuzung Fahrbahnrand 5,E+04 Kerb side street crossing B 4,E+04 dn/dlog(dp) [#/cm 3 ] 3,E+04 2,E+04 7:00 19:00 1,E+04 0:00 0,E Dp [nm] 1000

22 Messungen Stadtatmosphäre Städtischer Hintergrund 7,E+03 (B) Urban background 6,E+03 dn/dlog(dp) [#/cm 3 ] 5,E+03 4,E+03 3,E+03 2,E+03 0:00 7:00 1,E+03 19:00 0,E Dp [nm] 1000

23 Zusammenfassung g g g PM10 aus dem Sektor Verkehr wird einerseits direkt emittiert (primäre Partikel: Verbrennung und Abrieb/Aufwirbelung) und andererseits auch in der Atmosphäre aus Vorläufersubstanzen chemisch gebildet (sekundäre Partikel). Das Emissionsniveau der neuzugelassenen Fahrzeuge im Testzyklus wurde merklich abgesenkt Die durch die Grenzwerte vorgegebene Absenkung wird im Realbetrieb der Fahrzeuge nicht erreicht.

24 Zusammenfassung - 2 g Niedriger Schwefelgehalt im Diesel reduziert die Partikelemission g Weitere Absenkung der Partikelemissionen durch innermotorische Maßnahmen und Abgasnachbehandlung Innermotorische Reduktion bei NOx erfordert Partikelfilter Innermotorischen Reduktion bei Partikel erfordert DeNOx (bei NFZ)

25 Zusammenfassung - 3 g Abgasnachbehandlung erfordert zusätzliche Bauteile und Eingriff in die Motorsteuerung g DPF sind heute bei den PKW Stand der Technik und führen zu einer merklichen Reduktion der Partikelemissionsmenge g Bei NFZ Regenerationsprobleme wegen notwendigen hohen Temperaturen sowie für NFZ kurze Standzeiten g Partikelkat (für NFZ) sind betriebssicher (kein Durchbrennen) jedoch auch bei optimalem Betrieb weniger Abscheidung als DPF

26 Zusammenfassung 4 (PKW) g g g g Konventionelle Diesel Fahrzeuge haben relativ hohe PM Emissionen DPF Fahrzeuge mit schwefelarmen Diesel haben sehr geringe PM-Masse Emissionen und um Größenordnungen geringere Partikelanzahlen Konventionelle Benzinmotoren haben sehr niedrige PM Emissionen DI Benzinmotoren haben messbare PM Emissionen (kein Problem bei EURO 4 aber möglicherweise bei EURO 5)

27 Danke für Ihre Aufmerksamkeit