Möglichkeiten zur Verminderung der Partikelemissionen von Dieselmotoren

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1 Möglichkeiten zur Verminderung der Partikelemissionen von Dieselmotoren A.Sottopietra, Bregenz A.Mayer, TTM Rudolf DIESEL 1893 Patent - 1.Motor 1897 mit 26.2 % Wirkungsgrad Turboaufladung (Büchi) Direkteinspritzung (Saurer) EURO 1 : Probleme NOx und Russ EURO 3 + Elektronische Einspritzregelung + Hochdruckeinspritzung bis 2000 bar (common rail) + Abgasnachbehandlung mit SCR und Filter + Schwefelfreier Dieselkraftstoff < 10 ppm 2006 EURO EURO 5 mit Filter zero emission 1

2 Diesel Partikel auf einer 5 μm Filterfaser Diesel Partikel Grössen verteilung Morphologie hängt von der Grösse ab Quelle: METZ, BMW 2

3 Aerosol Anzahl-Verteilungen Stadt (Zürich) und Land (Zürcher Oberland) November 2001 dn/d(logd) (cm -3 ) Urban Area: Rural Region: (Downtown Zürich) (Zürcher Oberland) Day (SMPS) Day (SMPS) Night (SMPS) Night (SMPS) Day (OPC) Day (OPC) Night (OPC) Night (OPC) Dp (nm) Bukowiecki et al., Atmospheric Environment, 2002 Ablagerung von Partikeln in den Atemwegen 3

4 Ablagerung von Partikeln in Abhängigkeit ihrer Grösse in den Atemwegen (Source: Hinds, 1982 Aerosoltechnology ) Alveoli Gas Austausch und ultrafeine Partikel? Penetration von den inneren Atemwegen in die Blutbahn 4

5 Macrophages in vitro: Laser Scanning Microscopy 1000 nm Polystyrene Particles + 78 nm Polystyrene Particles B. Rothen-Rutishauser Mortalität durch Partikel aus Motoren? 6-Cities-Study USA cases Korrelation nur mit ultrafeinen Partikeln (Quelle: Dockery NEJM 1993 ) 5

6 Was leistet die Gesetzgebung? EU-Standards zur Schadstoffverminderung der NFZ-Dieselmotoren 6

7 EU-Grenzwerte für Strassenfahrzeuge 7

8 Was leistet die Motorindustrie? Wie gut sind die neuesten Motoren Euro 4/5? 8

9 Mit welchen Technologien werden diese Abgasgrenzwerte erreicht? Schwefelfreier Treibstoff - ULD Elektronisches Motormanagement Hochdruckeinspritzung - Common Rail Hochaufladung - Ladeluftkühlung Abgasrückführung - EGR Abgasnachbehandlung: SCR, PM-Kat, PFS Erdgas Ottomotor? Biogene Treibstoffe? Entstickung durch selektive Katalyse SCR mittels Harnstoff-Zugabe erreicht Euro 5 9

10 SCR ist sehr effizient über 300 C jedoch ineffizient - wirkungslos unterhalb von 200 C Auswirkung der SCR (AdBlue) Technik auf die Abgasschadstoffe 10

11 AGR mit PM-Kat erreicht EURO 4 Partikelfilter offen (Bsp. PM-Kat ) - Aerodynamisches Abscheidesystem - Abscheidegrad 30-50% - Keine VERT-Zertifizierung 11

12 Auswirkung der PM-Kat-Technik auf die Abgasschadstoffe Partikelkonzentration Euro 3/4/5 bei 1400 U/min 12

13 Gasförmige Emissionen Euro 4 [ppm] Gasförmige Emissionen Euro 5 [ppm] 13

14 Was leisten Partikelfilter? Partikelfilter geschlossen - Abscheidegrad >99% - In vielen verschiedenen Ausführungen und Grössen einsetzbar - In CH und vielen anderen Staaten zugelassen (VERT) 14

15 Cordierit und Silikonkarbid typische keramische Werkstoffe 15

16 16

17 Anforderungen an DPF - Abscheidegrad: > 99 % ohne Alterung ( nm) - Druckverlust: < 200 mbar - Speicherfähigkeit: für Russ und Asche - Regenerierbarkeit: T bis 1500 C - Materialkompatibilität: Katalyte, Aschen - Integrierbarkeit: Vibrationen, Risiken.. - Schalldämmung = Schalldämpfer, der entfällt - Baugrösse und Systemkosten - Lebensdauer = Motorlebensdauer 17

18 Gefiltertes Diesel-Abgas ist sauberer als die Umgebungsluft (Quelle VERT 1998) Filtrationsschwächen beim Übergang Diffusion-Impaktion 18

19 VERT- geprüfte PFS einige Beispiele Active Regeneration Passive Regeneration Filtration-Efficiency DEUTZ Full Flow Burner 98 old data ECS-UNIKAT Electr.Heating Catalyt.Coating HJS CRT, FBC (Additives) JOHNSON MATTHEY Electr.Heating CRT, FBC HUSS Electr.Heating Standstill-Burner DCL Electr.Heating Intake Throttling FBC, Catalyt.Coating ARVINMERITOR Full Flow Burner ENGELHARD CSF HUG Full Flow Burner Catalyt.Coating INTECO FBC EHC Exchangable TSH Electr.Heating Catalyt.Coating Regeneration = rückstandsfreie Verbrennung des Russes im Filter 19

20 Russverbrennung mit O 2 und NO 2 2.5E-11 2E-11 NO 2 O 2 O 2 (kat. Reaktion) CO 2 - Intensität 1.5E-11 1E-11 5E Temperatur ( C) HJS/EMINOX/JOHNSON MATTHEY CRT:kontinuierliche Regeneration mit NO2 20

21 CRT-Regenerations-Fenster CRT-Filtersystem 21

22 ENGELHARD/DINEX/BAUMOT/HUG: Katalytisch beschichtete Filter NO NO 2 - Konversion mit katalytischen Beschichtungen und Additiven 22

23 EMINOX (LARAG) / AIRMEEX Regeneration mit Additiven ( FBC) Regenerations-Prozess mit Additiven (FBC) 23

24 Comparison of Soot Oxidation w/o NO 2 time HUSS, JMC, UNIKAT Elektrische Beheizung im Stillstand 24

25 Elektrische Beheizung im Stillstand 25

26 DEUTZ, HUG, ARVIN MERITOR Vollstrom Diesel-Brenner 26

27 PFS for large engines in locomotives and ships 300 locomotives kw hrs in operation Standard Filtermodul Restsauerstoff im Abgas: > 8% Heizleistungen: kw Druckluft > 5 bar: 20 Nm 3 /h Dieselkraftstoff: 3 40 l/h Stromversorgung: 24 VDC FS26 spezial Vollstrom Diesel-Brenner 27

28 GAT (RP) Diesel-Brenner im Leerlauf Diesel Brenner im Leerlauf GAT 28

29 HUSS, ATH, GREENTOP Diesel-Brenner bei Motorstillstand 29

30 Diesel-Brenner bei Motor-Stillstand COMELA, PURITECH, DONALDSON Katalytische Verbrennung 30

31 Regeneration durch katalytische Verbrennung PEUGEOT: Nacheinspritzung und FBC 31

32 Peugeot mit FAP 1 Mio Fahrzeuge erfolgreich im Einsatz! 19 Späte Nacheinspritzung + FBC + NO2 32

33 COMELA (RP) Wärme-Speicherung und Regelung Strategie der Wärmespeicherung 33

34 MAN, ENWA, LOGLINK Wärmemanagement mit Gas-Drosselung 34

35 Regeneration durch Gas-Drosselung HUSS, JMC, ECS, DCL : Wechselfilter 35

36 ENDEAVOUR : Einmal-Filter Hausmüll 36

37 Kombination von SCR und Partikelfilter Auswirkung der Kombination SCR + PFS auf die Abgasschadstoffe 37

38 Ausreinigen der Asche alle Betriebsstunden Verstopfen von Filterzellen durch Asche aus Schmieröl und Abrieb 38

39 Alternativen? Gas Biodiesel Wasserstoff Brennstoffzelle 39

40 Alternative biogene Treibstoffe? Vorteile: unbesteuert; lokal erzeugt, Klimawirkung Verminderung des Schwarzrauchs durch RME/Diesel-Blends FSN and opacity with different RME content FSN and opacity with different RME content FSN [-] [-] 40

41 Auswirkung von RME/Diesel-Blends auf die Feinstpartikel Alternative Treibstoffe? 41

42 Wasser / Diesel Emulsionen? Erdgas-Ottomotor oder Dieselmotor? 42

43 Partikelanzahl Erdgas/Diesel < 60 nm und > 60 nm Quelle: VTT-Studie, 2004 CNG/Diesel: Analyse der Partikelproben bezüglich typischer Motorabrieb-Elemente Quelle: West Virginia University 43

44 was ist erreichbar wenn man konsequent die Filtertechnik einsetzt? SUVA hat mit dem Filterobligatorium ab 2000 bewiesen, dass die Atemluft 20 mal sauberer wird! 44

45 und was kostet uns das? 45

46 Verschiedene Strategien zur Regeneration Dieselnacheinspritzung Partikelfilter Aktive Passive Dieselbrenner elektrische Heizung kat. Kraftstoffadditive kat. Beschichtung CRT Kombinierte Nacheinspritz. + kat. Additive Beschicht. + Nacheinspritzung CRT + Nacheinspritzung Dieselbrenner + kat. Additive Chemische Zusammensetzung der Dieselpartikel 46

47 Verdampfung und Verbrennung von Dieselpartikeln Analysis of Reaction Sustainability