Autarke Abgasnachbehandlung

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1 Autarke Abgasnachbehandlung für Nutzfahrzeuge, mobile Maschinen und stationäre Anwendungen Technologie-Portfolio für die Erstausrüstung (OE)

2 Inhalt Autarke Abgasnachbehandlung... 3 Technische Lösung: Systemübersicht Thermomanagement: Hydro Carbon Injection (HCI)... 6 Thermomanagement: Katalytischer Vorbrenner CB Denoxierung: Selective Catalytic Reduction (SCR)... 8 Denoxierung: Systemvarianten... 9 Steuerung und Überwachung: Funktionen und Komponenten Innovative Abgasnachbehandlung Entwicklungskompetenz: Tools und Methoden Entwicklungskompetenz: Steuerung und Software Entwicklungskompetenz: Applikation Entwicklungskompetenz: Akustik Urheberrechtlich geschützt/ by HJS Emission Technology GmbH & Co. KG, D Menden/Sauerland Alle Informationen und Daten in diesem Lieferprogramm wurden mit größter Sorgfalt erstellt. Für Fehler, Auslassungen oder sonstige Ungenauigkeiten ist eine Haftung ausgeschlossen. Inhaltliche Änderungen vorbehalten. Nachdruck oder Vervielfältigungen, auch auszugsweise, einschließlich Bildern und Grafiken, sind nur mit schriftlicher Genehmigung von HJS Emission Technology gestattet. Wir behalten uns alle Rechte vor. Bei den im Lieferprogramm genannten Anwendungen besteht die Möglichkeit, dass diese nur bis zum angegebenen Datum zutreffen, welches auf der Lieferprogramm-Rückseite gedruckt ist. Die Bezugnahme in diesem Lieferprogramm auf Artikelnummern von Fahrzeugherstellern und/oder Wettbewerbern dient nur zu Vergleichszwecken. Es ist nicht statthaft, derartige Angaben in Rechnungen an den Fahrzeughalter zu verwenden. 2

3 Autarke Abgasnachbehandlung für Nutzfahrzeuge, mobile Maschinen und stationäre Anwendungen Erfüllung zukünftiger Emissions-Standards Ob in schweren Lastkraftwagen, Bussen, Staplern, Baggern oder Blockheizkraftwerken Dieselmotoren leisten oft Schwerstarbeit. Dabei zeichnen sie sich durch extreme Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz aus. Immer wichtiger wird eine weitere Eigenschaft: für eine Verbesserung der Luftqualität müssen Fahrzeuge und mobile Maschinen auch umweltschonend sein. Um dieses Ziel zu erreichen, schreibt der Gesetzgeber verbindliche Grenzwerte für den Schadstoffausstoß vor, die in den nächsten Jahren weiter verschärft werden. Insbesondere Ruß- und Stickoxidemissionen gilt es effektiv und nachhaltig zu senken. Die bisherigen Grenzwerte im Non-Road-Bereich ließen sich zum Beispiel meist durch optimierte Abstimmung des Motors auf Basis schadstoffarmer innermotorischer Verbrennung einhalten. Dabei sind Fahrzeug- und Motorenentwickler grundsätzlich mit dem Widerspruch konfrontiert, dass ein schadstoffarmes Verbrennungsverfahren einen erhöhten Kraftstoffbedarf mit sich bringt. Durch hohen technischen Aufwand konnte bislang sowohl ein deutlicher Mehrverbrauch als auch eine externe Abgasnachbehandlung vermieden werden. Doch die zunehmende Verschärfung der Schadstoffgrenzwerte verstärkt den Konflikt zwischen Minderung der Partikel- und Stickoxidemissionen einerseits und möglichst sparsamen Antrieben andererseits. Weltweite Verschärfung der Emissions-Grenzwerte Möglichst sparsame und gleichzeitig saubere Antriebe zu entwickeln wird künftig eine noch größere Herausforderung: so treten in Europa ab 2014 mit der Euro VI-NORM für schwere Nutzfahrzeuge wie Lkw und Busse erneut schärfere Grenzwerte in Kraft. In den USA dürfen Nutzfahrzeuge bereits mit Einführung des EPA 2010-Standards fast keine Partikel und Stickoxide mehr emittieren. Entsprechendes gilt für den Non-Road-Bereich, für den seit 2011 in Europa die Stufe IIIB der Emissionsrichtlinie, und in den USA die Abgasnorm Tier 4 interim, in Kraft tritt folgt Stufe IV beziehungsweise Tier 4 final. Die immer strenger werdenden Vorgaben lassen sich in den meisten Fällen nur durch eine zusätzliche nachmotorische Abgasnachbehandlung mit effektiven, wartungsarmen und dauerhaft leistungsfähigen Schadstoffminderungssystemen erreichen. So kann der Gegensatz zwischen Kraftstoffbedarf und Emissionsreduzierung in weiten Teilen aufgelöst werden: der gewonnene Spielraum bietet Platz für eine reine Verbrauchsoptimierung der Motoren und somit auch Spielraum für die damit einhergehende Optimierung des CO 2 -Ausstoßes von Nutzfahrzeugen und mobilen Maschinen. Entwicklung der Emissionsgrenzwerte für non-road Anwendungen (EU/US) Entwicklung der Emissionsgrenzwerte für on-road Anwendungen (EU) 3

4 Technische Lösung: Systemübersicht Kombinierte Partikel- und Stickoxidreduzierung Die bestehenden und zukünftigen Abgasvorschriften sehen neben der Reduzierung von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC) vor allem die Minderung der Rußpartikel und Stickoxide (NO X ) vor. Während CO und HC durch einen Katalysator zu dem ungefährlichen Stoff Wasser (H 2 O) sowie Kohlendioxid (CO 2 ) oxidiert werden, müssen Partikel durch einen Filter zurückgehalten und Stickoxide durch Zugabe von Harnstoff mit einem zweiten Katalysator zu Stickstoff (N 2 ) und Wasser umgewandelt werden. Diese komplexe Abgasreinigung lässt sich in zwei Untersysteme aufteilen: 1. Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) und Partikelfilter für die Reduzierung von HC, CO und Rußpartikeln. 2. Denoxierung zur Reduzierung von NO X aus dem Abgas. Partikelfiltration und Regeneration Diesel-Partikelfilter dienen zur Einhaltung der gesetzlichen Schadstoffgrenzwerte und damit zur Reduzierung der im Abgas vorhandenen Partikel. Sie werden in unterschiedlichen Größen und Materialien zum Beispiel Sintermetall, Cordierit oder Siliziumcarbid am Markt angeboten. Die Effizienz bei Vollfiltersystemen beträgt für die Partikelanzahl nahezu 100 Prozent. Dabei werden die motorischen Fahrzeugabgase mit den Rußpartikeln in das Filtergehäuse und durch das Filtersubstrat geleitet. Die gasförmigen Bestandteile der Abgase strömen durch die mikroskopisch feinen Poren des Filtermaterials hindurch, die Rußteilchen inklusive der Feinstpartikel werden zurückgehalten und lagern sich ab. Um den Gegendruck in der Abgasanlage dabei nicht über den vom Motorenhersteller festgelegten Wert ansteigen zu lassen, müssen die Systeme regelmäßig durch Oxidation des Rußes regeneriert (befreit) werden. Für diese Regeneration eines Partikelfilters mit Sauerstoff Systemübersicht: Autarke Abgasnachbehandlung 4

5 sind hohe Abgastemperaturen von mindestens 550 C nötig, die Dieselmotoren abhängig von Streckenprofil und Leistungsanforderungen allerdings eher selten erreichen. Das gilt besonders für Kommunalfahrzeuge, Verteilerfahrzeuge, etwa von der Post, und einen Großteil der mobilen Arbeitsmaschinen. Für sie sind passive Systeme, die allein auf dem sogenannten CRT-Effekt (CRT = Continuously Regenerating Trap) beruhen und die Oxidation von Ruß mit Hilfe von NO 2 nur in einem eingeschränkten Temperaturfenster realisieren, meist ungeeignet. Bei diesen Anwendungen kommen aktive Thermomanagement-Strategien zum Einsatz. Aktive Thermomanagement-Strategien Viele Nutzfahrzeug-Anwendungen, mobile Maschinen und Geräte weisen meist Lastprofile auf, bei denen aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen aktive Verfahren für das Thermomanagement eingesetzt werden müssen. Mit Hilfe eines aktiven Thermomanagements wird die volle Funktionssicherheit des Abgasnachbehandlungs-Systems sichergestellt. Dies gilt für die Regeneration des Partikelfilters und für Denoxierungs-Systeme gleichermaßen. Aktives Thermomanagement kann über innermotorische Maßnahmen erfolgen. Bei vielen Nutzfahrzeug- und Non-Road-Anwendungen wird jedoch aufgrund der Effizienzanforderungen und der hohen Wartungsintervall- und Laufzeitanforderungen häufig das Thermomanagement über nachmotorische Maßnahmen betrieben. Bekannte Verfahren hierzu sind brennerbasierte Systeme, Systeme zur nachmotorischen HC-Dosierung und nachfolgender HC-Umsetzung in einem Katalysator oder einer Kombination aus beiden. 5

6 Thermomanagement: Hydro Carbon Injection (HCI) Um eine zuverlässige Regeneration des Partikelfilters unter allen Betriebsbedingungen zu erreichen, sind aktive Thermomanagement-Verfahren erforderlich. Ihnen gemeinsam ist die gezielte, selbsttätige Einleitung der Regeneration durch eine aktive Anhebung der Abgastemperatur auf einen Wert von circa 600 C. Mit Hilfe zusätzlicher Additive, die die Zündtemperatur des Rußes herabsetzen (sogenannte Fuel-Borne Catalysts, kurz FBC) ist eine Erhöhung auf 350 bis 400 C ausreichend. Der Einsatz von Additiven scheitert allerdings häufig an der fehlenden Freigabe des Motoren- beziehungsweise Einspritzsystem- Herstellers. Ein bereits in Serie eingesetztes Verfahren ist die nachmotorische Eindüsung von Kraftstoff, der im Abgastrakt an einem DOC unter Wärmefreisetzung zu CO 2 und H 2 O umgesetzt wird man spricht auch von einem katalytischen Brenner. Dabei entsteht soviel Wärme, dass die Abgastemperatur auf das erforderliche Niveau ansteigt. Bei diesem Verfahren ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Temperatur der Motorabgase bereits einen bestimmten Wert erreicht haben muss, damit die Reaktion auf dem DOC stattfinden kann. Unterhalb dieser sogenannten Light-Off-Temperatur ist die Aktivität des Katalysators so gering, dass der eingedüste Kraftstoff nicht umgesetzt wird. HCI: Temperaturverlauf bei aktiver Regeneration Technische Spezifikation: HC-Doser Dosiermenge bis max. 16 kg/h (mid-flow) bzw. 30 kg/h (high-flow), stufenlos regelbar (~180 kw; ~360 kw) Zerstäubung ohne Druckluftunterstützung Mittlerer Tröpfchendurchmesser ca. 80 µm Zusätzliches Sicherheitsventil zur Abschaltung der Kraftstoffzufuhr Wassergekühltes aktives Dosierventil direkt am Abgasstrang Systemübersicht: HCI 6

7 Thermomanagement: Katalytischer Vorbrenner CB 2 Thermomanagement mittels zweistufiger elektrothermisch unterstützter HC-Konvertierung Für die zweistufige, elektrothermisch unterstützte HC-Konvertierung wird vom Abgasmassenstrom nach dem Turbolader ein Nebenstrom abgezweigt. In diesem Nebenstrom erfolgt die HC-Dosierung für das Gesamtsystem, bestehend aus zwei Dieseloxidationskatalysatoren (DOC). Ein Teil des eingedüsten Kraftstoffes wird bereits am ersten DOC (Vor-DOC) umgesetzt, so dass im Nebenstrom nach diesem ein stark HC-angereichertes Abgas mit Temperaturen über 600 C vorliegt. Zweistufiger Brenner: Temperaturverlauf bei aktiver Regeneration Dieses Gas mischt sich dann vor dem zweiten DOC (Haupt-DOC) mit dem kühleren Abgas aus dem Hauptstrom. Durch das heiße Gas aus dem Nebenstrom wird sichergestellt, dass die Abgastemperatur des Gesamtabgasstromes direkt vor dem Haupt-DOC immer über dessen Light-Off-Temperatur liegt und somit die Regeneration des Partikelfilters unter allen Motorbetriebszuständen erfolgen kann. Sollte die Abgastemperatur im System unterhalb der Light-Off-Temperaturen sowohl des Haupt- wie auch des Vor-DOC liegen, so besteht die Möglichkeit, über ein Heizelement die Abgastemperatur im Nebenstrom soweit anzuheben, dass bereits im Vor-DOC die Light-Off-Temperatur erreicht wird. So ist auch bei sehr niedrigen Abgastemperaturen ein zuverlässiger Betrieb des Systems sichergestellt. Die im Hauptstrom verbaute Abgasklappe realisiert über eine Verteilung der Volumenströme die Regelung des Systems unter Berücksichtigung der Randbedingungen für einen langfristig zuverlässigen Betrieb des Vor-DOC. Aufgrund der guten Kaltstartfähigkeit ist dieses System sehr gut für Thermomanagement jeglicher Art geeignet. So kann es bei extrem niedrigen Abgastemperaturen das Temperaturniveau soweit anheben, dass die Starttemperaturen für nachgeschaltete Abgasnachbehandlungs-Systeme für gasförmige Schadstoffe (CO, HC, NO x ) erreicht werden. Technische Spezifikation Brennertyp: Zweistufiger katalytischer Brenner Brennerleistung: ab 5 kw, stufenlos regelbar Elektrothermische Vorerwärmung möglich Elektrische Versorgung 12 V oder 24 V Einsatz für Motoren bis zu einer Nennleistung von 560 kw Keine externe Luftversorgung erforderlich Geringe Materialbelastung da Abgastemperaturen < 700 C Funktionsweise Aufteilung des Abgasmassenstromes zwischen Haupt- und Nebenstrang durch eine Abgasklappe Elektrothermische Abgasvorerwärmung Zufuhr elektrischer Energie nur in der Startphase erforderlich, danach rein katalytische Wärmeentwicklung Kraftstoffdosierung via HC-Doser Katalytische Kraftstoffumsetzung am Vor-DOC Kraftstoffschlupf an Vor-DOC zur Versorgung des Haupt-DOC Vermischung von Abgas aus Haupt- und Nebenstrang Katalytische Kraftstoffumsetzung am Haupt-DOC Regelung der Kraftstoffzufuhr, bis die gewünschte Systemtemperatur erreicht ist 7

8 Denoxierung: Selective Catalytic Reduction (SCR) Neben Rußpartikeln sind Stickoxide die zweite wichtige Abgaskomponente, die zur Erfüllung der gesetzlichen Regelungen schrittweise zu reduzieren ist. Die zurzeit geltenden und künftigen Abgasstandards geben extrem niedrige Stickoxidgrenzwerte vor, die mit Hilfe von Stickoxidminderungs-Systemen (Denoxierung) eingehalten werden können. Die Eigenschaften des Harnstoffs sowie die temperaturabhängige Reaktion am Katalysator machen für die HWL-Eindüsung (Harnstoffwasserlösung oder Markenname AdBlue ) eine Abgastemperatur von ca. 200 C notwendig. Außerdem ist eine möglichst vollständige Hydrolyse des Harnstoffs und eine sehr gute Gleichverteilung über den Rohrquerschnitt vor dem SCR-Katalysator (γ > 0,93) erforderlich. Das setzt die richtige Positionierung der Düse und eine entsprechend lange Hydrolysestrecke voraus. Sollte dies aufgrund des gegebenen Bauraums nicht umsetzbar sein, kann optional ein Mischer, der auch als Sekundärzerstäuber dient, oder ein Hydrolysekatalysator verwendet werden. Eine Optimierung der Strömungsführung wird in der Auslegungsphase mit einer Zwei-Phasen-3D-CFD-Berechnung unterstützt. Bei der gezeigten Applikation konnte die Ammoniak-Gleichverteilung vor dem SCR-Katalysator durch gezielte Maßnahmen deutlich verbessert werden. Da im Gegensatz zu on-road Nutzfahrzeugen bei mobilen Maschinen und stationären Anwendungen keine Druckluft vorhanden ist, werden im non-road Bereich nur druckluftfreie Eindüssysteme verwendet. Aufgrund der schlechteren Tröpfchengrößenverteilung kommt der Harnstoffaufbereitung (Mischer, Hydrolysekatalysator) eine wichtige Bedeutung zu. Je nach Anwendung können unterschiedliche SCR-Katalysatortechnologien verwendet werden. Ist kein aktiv regenerierendes Partikelfiltersystem vorgeschaltet, bietet sich ein Katalysator auf Vanadium-Basis an. Bei aktiv regenerierenden Systemen kann die Temperatur nach dem Filter auf mehr als 650 C steigen. Hier empfehlen sich SCR-Katalysatoren mit Fe- oder Cu-Zeolithen als aktive Substanz, die besonders temperaturstabil sind. Da Harnstoff (AdBlue ) bereits bei -11 C gefriert, müssen die gesetzlichen Anforderungen an die Betriebsbereitschaft von Tank und Leitungsbeheizung bei tiefen Temperaturen und damit eingefrorenem AdBlue elektrisch oder mittels Kühlwasser gewährleistet sein. Die für die Berechnung der Eindüsmenge notwendigen Parameter wie Abgastemperatur, NO X -Konzentration sowie Abgasmassenstrom lassen sich über CAN-Bus, analoge Sensoren oder Rohemissionsmodelle ermitteln. Für die Funktionsüberwachung (OBD-Zwecke) und für eine mögliche Adaption kann ein zweiter NO X -Sensor nach dem System eingesetzt werden. Die Steuerung verfügt über komplexe Aktivitäts- und Speichermodelle, die eine hohe NO X -Konvertierung bei gleichzeitig minimalem NH 3 -Schlupf sicherstellt. Optional kann ein Sperrkatalysator verwendet werden, um einen Ammoniakdurchbruch zu verhindern: der Katalysator ist mit einer Edelmetallbeschichtung versehen, der Ammoniak selektiv zu Stickstoff oxidiert. Ist im System ein Brenner vorgeschaltet, kann dieser in Kaltstartphasen das Temperaturmanagement des SCR- Systems übernehmen. Ammoniak-Gleichverteilung vor Optimierung Ammoniak-Gleichverteilung nach Optimierung 8

9 Denoxierung: Systemvarianten SCRT -System Technische Spezifikation Dosiereinheit: SCR-System Arbeitsbereich Pumpen: 0,04 7 l/h Schutzklasse: IP 69K Spannungsversorgung: 12 V und 24 V Umgebungstemperatur Pumpe: - 40 C 85 C Düse: gekühlte Varianten 9

10 Steuerung und Überwachung: Funktionen und Komponenten Das Steuergerät dient zur Steuerung und Überwachung aller Funktionen und aktiven Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems wie dem dem Heizelement, der Abgasklappe und den Dosiersystemen. Die dazugehörige Software deckt die zur Einhaltung der jeweiligen Emissionsziele notwendigen Regelstrategien ab. In die Motorsteuerung wird nicht eingegriffen. Die für die Regelung notwendigen Daten werden via CAN-Schnittstelle vom Motor an das Abgasnachbehandlungssteuergerät übertragen. Sensoren ermitteln dabei Informationen über Temperatur, Druck und Stickoxidgehalt im Abgas. Anhand dieser Datenströme koordiniert das Steuergerät die Aktoren des Systems mit Hilfe der in der Software vorgegebenen Betriebsstrategie je nach Bedarf. Die Betriebsstrategie beinhaltet zwei Kernkomponenten die Partikelfilterregeneration und die HWL-Dosierstrategie zur NO x - Minderung und stellt somit die Einhaltung der geforderten Grenzwerte sicher. Weiterhin überwacht eine On-Board-Diagnose (OBD) bei Bedarf die zur Einhaltung der Abgasgrenzwerte relevanten Bauteile und -gruppen des Abgasnachbehandlungssystems. Folgende Schnittstellen werden vom Steuergerät bereitgestellt: CAN-Schnittstelle zur Übertragung der notwendigen Motordaten (Abgasmassenstrom, Abgastemperatur, Last, Drehzahl, Motortemperatur, Umgebungstemperatur, wenn vorhanden Stickoxid- und Restsauerstoffgehalt). Eingänge zur Übertragung der Messwerte der einzelnen Sensoren. Die Software umfasst Funktionen für die: Strategie der Diesel-Partikelfilterregeneration und -überwachung (inklusive Steuerung der Abgasklappe,des Heizelements und des HCI) SCR-Dosierstrategie Diagnose der Arbeitsweise angeschlossener Komponenten ACU Aftertreatment Control Unit, air-cooled / luftgekühlt ACU Aftertreatment Control Unit, fuel-cooled / kraftstoffgekühlt Technische Spezifikation ACU MPC5565 (Freescale) 32 bit floating-point μc, 80 MHz je 2 MByte Flash (intern + extern), 192 kbyte RAM!!, NV-RAM 150 kbyte Modellbasierte SW-Entwicklung und -Kalibrierung (MATLAB/SIMULINK/STATEFLOW) Betriebsspannung: 6 V - 32 V Safety Integrity Level (SIL) 2 3 CAN-Busse gem. ISO , SAE J (HS) Can Calibration Protocol (CCP) Onboard Lambdasonden Interface Interner Daten-Logger (30 Tage) 9 Analogeingänge (Pt200, NTC, 0-5V) 8 Analogeingänge für aktive Sensoren mit Spannungsausgang (0-5V / 10V / Ub) 4 PWM-fähige Digitaleingänge (Rechteck, Sinus) sowie 2 Eingänge für Induktivgeber 4 unabhängige, kurzschlussfeste Sensorversorgungen (3 x 5V, 250mA, 1 x 12V, 450mA) 1 schaltbare Peripherieversorgung der Aktoren (80A) 4 High-Side Ausgänge (7 15A) 9 Low-Side Ausgänge mit Strommessung (3 7A), davon 1 x Injektoransteuerung 6 Low-Side Ausgänge (0.5 1A) OBD- und Diagnose-Protokolle sowie Front-Flashing: OBD gem. SAE J oder ISO (SAE J1979) oder ISO/PAS (WWH-OBD) Diagnose UDS gem. ISO14229 oder KWP2000 gem. ISO14230 Applikationswerkzeuge: VECTOR CANoe, CANape, CANdela (via CCP) Aluminium-Druckgussgehäuse, mechanische Festigkeiten: Vibration 9 g Schock 50 g Schutzklasse IP67/69K Betriebstemperatur -40 C bis +125 C Diverse chemische Beständigkeiten ELV- (End of life vehicle) und RoHS- konform Lebensdauer > 15 Jahre > Betriebsstunden 10

11 Innovative Abgasnachbehandlung auf Basis Sintermetall bietet entscheidende Nutzervorteile. In Zusammenarbeit mit Volkswagen Antriebssysteme hat HJS Emission Technology erstmalig einen motorfesten, beschichteten Sintermetall-Partikelfilter für den Serieneinsatz zur Einhaltung der Emissionen der Stufe IIIB (EU-Richtlinie 97/68/EG) und der TRGS 554 validiert. Die wesentlichen Herausforderungen bei der Entwicklung der Abgasanlage ergaben sich durch die limitierten Bauräume in den betreffenden Maschinen und die hohen Anforderungen durch die zusätzlichen Belastungen aus dem motornahen Verbau. Neben einer sicheren und stabilen Regeneration des Filters sind die hohe Aschespeicherfähigkeit zur Minimierung der Wartungsintervalle und eine gute Reinigungsfähigkeit der Filter gefragt. Dies stellte auch die Hauptgründe dar, weshalb Volkswagen Antriebssysteme mit HJS deren Sintermetallfilter-Technologie für diese speziellen Anforderungen appliziert und validiert hat. Gestartet wurde das gemeinsame Projekt im Frühjahr 2010 mit dem Ziel, eine dauerhaltbare Lösung zur Einhaltung der Emissionsvorschriften der Stufe IIIB zu entwickeln. Der eingesetzte SMF (Sintermetallfilter) hat mit seiner einzigartigen Bauweise eine extrem hohe Aschespeicherfähigkeit. Wartungsintervalle von mehr als Betriebsstunden (abhängig von der Auslastung des Motors) reduzieren die costs of operation signifikant. Standzeiten werden durch eine einfache effiziente Filterreinigung deutlich reduziert und durch Wiedereinsetzbarkeit der Filtermodule sind diese kostengünstig. Die Lebensdauer des Systems liegt bei mindestens Betriebstunden bei bestimmungsgemäßem Betrieb. Durch eine kontinuierliche Regeneration CRT-Effekt (CRT = Continuously Regenerating Trap) wird der Kraftstoffverbrauch optimiert. Das erprobte und sichere Betriebskonzept wird durch die Motor-Steuerung unterstützt und überwacht. Im Hinblick auf die Emissionsstufe IIIB bietet Volkswagen Antriebssysteme seinen Kunden bereits seit 2012 mit seinem TDI MD Industriemotor in Kombination mit einem der innovativsten derzeit verfügbaren Abgasnachbehandlungssysteme von HJS eine saubere Lösung für Flurförderzeuge an. Somit sind die Kunden von VW Industriemotoren in der Lage, ihre Maschinen jetzt schon serienmäßig mit Motoren auszurüsten, die den geforderten Emissionsgrenzwerten entsprechen. Die gemeinsam für den 2,0 l CR Motor entwickelte, applizierte und homologierte Abgasnachbehandlung auf der Basis Sintermetallfilter ist zukünftig seitens Volkswagen ein Bestandteil des modularen Baukastens für Industriemotoren und wird standardmäßig bei allen Applikationen zur Einhaltung der Stufe IIIB ab 2013 eingesetzt. Motorfestes DPF -System VW Antriebssysteme Filtermodul DPF -System VW Antriebssysteme 11

12 Entwicklungskompetenz: Tools und Methoden HJS nutzt die gleichen CAD-Systeme wie seine Kunden, ergänzt durch Simulations- und Berechnungsprogramme. Die Optimierung der Strömungsmechanik (Gegendruck und Verteilung), Festigkeit und Akustik erfolgt bereits in einer sehr frühen Projektphase. Dabei werden bewährte Methoden und Werkzeuge eingesetzt Computational Fluid Dynamics CFD, Finite Elemente Methode FEM), um in einer sehr frühen Phase eine hohe Produktreife zu erzielen und zusätzlichen Entwicklungsaufwand zu vermeiden. Dies ermöglicht eine erhebliche Zeit- und Kostenreduzierung insbesondere bei sehr komplexen Aufgabenstellungen wie die Optimierung von 2-Phasen-Strömungen mit zu verdampfenden Medien wie AdBlue (S. 8) oder Dieselkraftstoff. Soll beispielsweise über einen Dieseloxidationskatalysator mittels Kraftstoff die Abgastemperatur auf 650 C gebracht werden, ist neben der guten Gleichverteilung des Abgases auch die Gleichverteilung der Kohlenwasserstoffe sicherzustellen, da es sonst bei ungünstigen lokalen Kombinationen von Abgasmassenstrom und Kraftstoffmassenstrom zu unerwünscht hohen thermischen Belastungen des Katalysators kommen kann. Das Bild zeigt eine Momentaufnahme aus der instationären Berechnung der Interaktion eines Kraftstoffsprays mit den Strömungsleitzonen. Simulation von Wandauftrag und Verdampfung des eingedüsten Kraftstoffs Entwicklungswerkzeuge wie FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) und Test- und Validierungsplan (Design Verification Plan and Report, kurz DVP&R) sind Bestandteil in allen Entwicklungsphasen. Die Verifizierung der Entwicklungsergebnisse erfolgt auf unterschiedlichsten Prüfständen. Die wichtigsten sind hierbei: Strömungsmechanische Überprüfung auf dem Strömungsprüfstand Betriebsfestigkeit auf dem Hotshakeprüfstand Funktionstests des Gesamtsystems auf dem Motorenprüfstand Abschließende Fahrzeugerprobung zur Validierung des Gesamtsystems im Fahrzeug in Zusammenarbeit mit dem Kunden. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Bereitstellung der Entwicklungsergebnisse in der vorgegebenen Zeit und zu den vereinbarten Kosten. 12

13 Entwicklungskompetenz: Steuerung und Software Entwicklung gemäß V-Prozess Als anerkannter und bei Fahrzeug- und Motorenherstellern (OE) weit verbreiteter Standard kommt der V-Prozess bei HJS für die Entwicklung der Steuergeräteplattform zum Tragen. Diese Kompetenz wurde in den letzten Jahren konsequent auf- und ausgebaut, so dass bereits in einer sehr frühen Projektphase die ersten modellbasierten Softwareversionen mittels Rapid-Control-Prototyping in Feldversuchen erprobt und optimiert werden. Das Resultat ist eine neue Generation von Steuergeräten, die heute Maßstäbe für Plattformsteuergeräte im Bereich der Diesel-Abgasnachbehandlung setzt. V-Modell Simulink Modulares SW-Konzept Durch die ausgeprägte Modularität der Softwarebausteine ist es möglich, ein optimal skaliertes System für jegliche Kundenansprüche zusammenzustellen. Die High-Level-Software besteht aus einer Vielzahl verwendbarer Module. Jedes Modul wurde spezifisch für die jeweiligen Anforderungen entwickelt. Die Implementierung erfolgt über Sub-APIs (Signal Conditioning, SCR, DPF, u.a.) in die Gesamtarchitektur/API. Beispiel Modulares SW-Konzept 13

14 Entwicklungskompetenz: Applikation Aufgrund der Vielzahl an unterschiedlichen Fahrzeug-, Maschinenund Motorenvarianten im On- und Non-Road Bereich und der daraus resultierenden Systemvarianten, muß ein Weg gefunden werden, die Aufwendungen (Zeit, Ressourcen und Kosten) für die jeweilige Einzelapplikation zu minimieren. Daher wird der Entwicklungspfad der autarken Abgasnachbehandlung verfolgt, der durch Verwendung von funktional kombinierbaren Modulen den notwendigen Freiheitsgrad für die beste Applikation ermöglicht. 1. Schritt: Formulierung des Anforderungsprofils auf Basis der Rohemissionen und des Emissionsziels. Anhand des formulierten Anforderungsprofils wird durch Simulationen die passende Systemkonfiguration ermittelt. 2. Schritt: Die festgelegte Systemkonfiguration wird in der Simulationsumgebung weiter detailliert und parametriert. Das so als Modell abgebildete Abgasnachbehandlungs-System wird im Folgenden mit den Modellen der Steuergeräte-Module und einer Emissionssimulation verknüpft. Auf dieser Basis erfolgt eine computergestützte Vorkalibrierung der Steuergeräte. 3. Schritt: Hier erfolgt die reale Integration und Inbetriebnahme des Systems. 4. Schritt: Anhand ausgewählter Betriebspunkte wird eine erste Validierung des entwickelten Systems sowie der Vorkalibrierung durchgeführt und somit der festgelegte Lösungsansatz abgesichert. 5. Schritt: Bei der Detailkalibrierung wird der Fokus nicht nur auf das Emissionsverhalten, sondern auch auf die Optimierung von Einflussgrößen wie Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Überwachungsstrategien (OBD) gelegt. 6. Schritt: Im letzten Schritt wird die Erfüllung aller Aspekte abschließend überprüft. Hierzu zählen neben den bereits aufgeführten Punkten zum Beispiel auch die Lebensdauer des Systems und die Umweltanforderungen. Beispiel Applikation 14

15 Entwicklungskompetenz: Akustik Für dieselbetriebene Fahrzeuge und Maschinen gelten nicht nur Grenzwerte für Schadstoffemissionen wie Partikel und Stickoxide. Sie unterliegen auch Maßnahmen, die entsprechende Lärmgrenzwerte festlegen. Dazu gehören unter anderem Regelungen im Rahmen des Bundes- Immissionsschutzgesetzes (BImSchG) oder die EU-Richtlinie 2005/88/EC Noise Emission in the Environment by Equipment for Use Outdoors. So fordert diese EU-Richtlinie beispielsweise, dass im Einzelfall die mit einem Abgasreinigungssystem ausgerüstete Maschine gegebenenfalls einen zusätzlichen Schalldämpfer erhält. Seit mehr als zehn Jahren verfügt HJS über ein umfangreiches Knowhow im Bereich Akustikkomponenten und Schalldämpfer für Industrieanwendungen insbesondere mit Blick auf die sechs wesentlichen Anforderungen an akustische Komponenten: Abgasgegendruck, Oberflächenschall, Mündungsschall, Lebensdauer, Gewicht und Kosten. Je nach Bedarf wird speziell für die jeweilige Anwendung eine Akustikkomponente gefertigt. Zur Auswahl stehen Reflexions- und Absorptionsschalldämpfer sowie eine Kombination aus beidem. HJS verfügt über einen Baukasten, mit dem die jeweilige Kundenlösung flexibel appliziert werden kann. Im Bereich der gefalzten Standardschalldämpfer sind Durchmesser bis 300 mm und Längen von 600 mm möglich. Schalldämpfer mit einem Oval von 300 x 290 mm und einer Länge von bis zu 600 mm sind ebenfalls lieferbar. Darüber hinaus gibt es geschweißte Ausführungen für Motorleistungen bis 400 kw. Eine weitere Spezialität von HJS ist die Auslegung, Produktion und Homologation von Schalldämpfern mit integrierten Funkenfängern sowie Aspiratoren, also Staubabsaugungseinrichtungen für Luftfilter. Des Weiteren setzt das Unternehmen Berechnungstools für einfache lineare und nicht-lineare Verfahren ein. Spektrale Untersuchungen an reflektionsarmen Motoren- und Rollenprüfständen sind ebenso möglich wie mobile Messtechnik, um die Kundenanforderungen vor Ort zu bewerten. Insgesamt bietet HJS das gesamte Portfolio an notwendigen Akustikkomponenten für mobile Arbeits- und Baumaschinen: 1. Standard-Abgasanlagen (u. a. Vorderrohre, Schwingungsentkopplungselemente, Schalldämpfer und Endrohre) für Maschinen, die aufgrund der künftigen Gesetzgebung keine Abgasreinigungssysteme benötigen. 2. Ergänzungsbauteile für eigene Abgasreinigungssysteme mit optimierten Akustikkomponenten zur Einhaltung der Grenzwerte. 3. Integration von Partikelfiltern und Katalysatoren, welche zukünftig mit Motoren zertifiziert und geliefert werden und unter Umständen zusätzliche Akustikkomponenten erfordern. Variantenvielfalt an Industrieschalldämpfern Technische Beratung und Konzepte Konstruktion und Berechnung mit 3D-CAD-Systemen Hochqualitativer und schneller Prototypenbau Flexible Fertigung in verschiedensten Losgrößen Breites Anwendungsspektrum Ausführungen von 0,7 l bis 50 l Volumen 15

16 Technologieportfolio für die Erstausrüstung und Nachrüstung > Diesel-Partikelfilter (DPF ) und Katalysatoren > SCR- und SCRT -Technologie > Autarke Systeme > Thermomanagement > Steuergeräte (ACU) und Software > Akustik > Coating > Filter-Refurbishing HJS 2013 Stand Änderungen vorbehalten. HJS Emission Technology Dieselweg 12 Telefon hjs@hjs.com GmbH & Co. KG D Menden/Sauerland Telefax Internet DPF, SMF und City-Filter - eingetragene Marken der HJS Emission Technology