Anforderungen an die RDE Gesetzgebung für PKW und Schwere Nutzfahrzeuge

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1 Anforderungen an die RDE Gesetzgebung für PKW und Schwere Nutzfahrzeuge Martin Rexeis, Stefan Hausberger, Silke Lipp, Claus Matzer Technische Universität Graz Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik (IVT) Vortragstagung SSM & SAE Switzerland Abgasgesetzgebung und Reality-Check Campus Sursee 1

2 Inhalt 1. Wozu brauchen wir RDE Gesetzgebung? Emissionsverhalten aktueller PKW und SNF Generationen Warum funktioniert die aktuelle Emissionsgesetzgebung nicht? 2. Wie sieht die geplante RDE Gesetzgebung aus? Einführungszeiträume und Grenzwerte Problematik der Reproduzierbarkeit von RDE Testergebnissen 3. Was bedeutet RDE für die Emissionsminderungstechnologien? 4. Wie beeinflusst die RDE Gesetzgebung die NO 2 Luftgüte? 5. Zusammenfassung 2

3 Wozu brauchen wir RDE Gesetzgebung? Verkehrsnahe Luftgütemessungen zeigen, bei NO 2 bzw. NOx ernüchternde Ergebnisse. Hauptverursacher ist der Verkehr. Messstelle VOMP A12 Bei Partikeln stellen sich Verbesserungen ein. Abgasemissionen des Verkehrs haben nur mehr geringen Anteil. 3

4 Wozu brauchen wir RDE Gesetzgebung? Speziell NOx Emissionen von Diesel-PKW nehmen im realen Betrieb nicht so ab, wie es die Grenzwerte erwarten lassen. NOx Messergebnisse an 214 Diesel PKW, bis EURO 5 aus Rollenmessungen (CADC) NOx seit EURO 0 nicht gesunken, NO 2 Anteil speziell EURO 3 & 4 hoch 4

5 Wozu brauchen wir RDE Gesetzgebung? Situation bei aktuellen EURO 6b Diesel PKW: Bisherige Messungen zeigen merkliche Reduktion zu EURO 5 Abweichung zu Grenzwert dennoch deutlich Daten von 54 EURO 6 Diesel PKW max min NEDC Limit Die bisherige PKW-Abgasgesetzgebung hat zwar für HC, CO und Partikel starke Reduktionen bewirkt, bei NOx aber weitgehend versagt. 5

6 Warum funktioniert die aktuelle Gesetzgebung nicht? NEDC deckt sowohl Lastbereich als auch Fahrdynamik im realen Betrieb ungenügend ab Temperaturbereich NEDC Test ist mit 20 C bis 30 C limitiert Kfz können einfach erkennen, wenn sie am Rollenprüfstand sind (2 nicht drehende Räder, keine Beschleunigung am Chassis, ). Falls dann Defeat Devices in Software eingreifen, ist das schwer feststellbar. 6

7 Ist das ein neues Problem? Das Problem ist Gesetzgebern und EU seit über 10 Jahren bekannt Seit über 5 Jahren wird an neuen Methoden gearbeitet (WLTP und RDE) Einführung 2017 unabhängig von aktuell gefundener Defeat Software seit langem vorgesehen Vortragsfolie IVT aus

8 Wozu brauchen wir RDE Gesetzgebung? Bei schweren Nutzfahrzeugen ist Anpassung der Testverfahren (inklusive In Service Conformity PEMS Test ISC ) schon mit EURO VI erfolgt und war sehr erfolgreich. 40 t Sattelzug halb beladen Diesel PKW EU5 WHTC Test Verfahren & ISC mit PEMS bei LKW Source: IVT, HBEFA

9 Einführungsplan für RDE Gesetzgebung = 1.5 = 1.5 Source: Mike Lau, Eaton Germany GmbH; Baden-Baden

10 Die On-Board Emissionsmessung PEMS System von SNF in einem PKW Aktuelles PEMS System für PKW IVT System aus 80er Jahren Reduktion Masse und Energieverbrauch, einfachere Bedienung. Abgasmassenstrom aus OBD Schnittstelle oder mittels MFM. 10

11 x8 Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics Reproduzierbarkeit von RDE Ergebnissen zu NOx EURO 6 Diesel PKW: NO x streut ca. um Faktor 8 über 26 PEMS Messungen. Die Auswertetools CLEAR bzw. EMROAD beseitigen nicht alle Variabilitäten. Effekte der Zyklusdynamik und des Höhenprofils unberücksichtigt. Temperatureinflüsse nicht berücksichtigt Low temp. & Aggressive & Hilly NEDC Summer tests T>18 C Winter tests T<5 C In order of increasing NOx 11

12 Verbesserung der Reproduzierbarkeit Um Variabilität der Messergebnisse zu reduzieren wurden für gültige Tests Grenzen für unterschiedliche Randbedingungen eingezogen. URBAN RURAL MOTORWAY RDE Road Category v < 60 km/h 60 < v < 90 km/h v > 90 km/h RDE Requirment Checks/Boundary Conditions Value Unit MIN MAX trip length s trip distance km 16 Describtion Each part (URBAN/RURAL/MW) > 16 km. share URBAN % share RURAL % share MW % Stop periods % 10 Distance based shares for the total trip distance. 6-30% of urban time with v < 1 km/h. time per stop < 180s avg. speed URBAN v ku km/h avg. speed MW v km km/h Perzentil v*apos RPA Altitude m²/s³ m²/s³ m/s² m/s² m Temperature C if v k <=74.6 km/h 95 Perz v*a pos < (0.136*v k ) if v k >74.6 km/h 95 Perz v*a pos < (0.0742*v k ) if v k <=94.05 km/h and RPA k > ( *v average ) v k >94.05 km/h and RPA k > RDE Moderate/Extended periods with extended cond. emissions are Stops included. +15 km/h tolerance for < 3% time. v > 100 km/h for > 5 min. RDE Dynamic Parameter moderate: < 700 m above sea level; extended: 700 m < h < 1300 m Extended -7 C <t < 0 C or 30 C <t < 35 C. 12

13 Einfluss der Fahrdynamik Trotz Limitierung des 95Perz(v*a pos ) hat Fahrerverhalten noch viel Einfluss. +40% bis +90% NOx Möglichkeiten zur Korrektur der Fahrdynamik sowie Einflüsse Beladung und kumulierte Höhenmeter werden derzeit untersucht. Die Korrektur soll in einer Transfer Funktion (TF) abgebildet werden. 13

14 Anforderung an die Emissionsminderungskonzepte NOx heutiger EURO 6 Diesel PKW liegt in RDE bei CFs von ca. 4 (>300 mg/km) Für 2020 (CF = 1,5) müssen deutliche Verbesserungen erreicht werden: Wesentlich breiteres Spektrum an Motorbetriebszuständen (Drehzahl-, Last- und Dynamikbereich muss abgedeckt werden) Funktion der Emissionsminderung im Bereich von -7 C bis 35 C Umgebungstemperatur erforderlich Erkennen ob gerade ein Emissionstest läuft ist für Kfz kaum möglich Analysen dazu mittels Simulation verschiedener Kfz: o B-Segment mit 1.4 l Motor + NSK (1,6 l) o C-Segment mit 2.0 l Motor + motornahem SCR (3,5 l) o o E-Segment mit 3l Motor, NSK (2 l) & SCR (4 l) N1-III (Leichtes Nutzfahrzeug) mit 2.0 und 2.8 l Motor + Unterboden SCR (4 l) 14

15 Anforderung an die Emissionsminderungskonzepte Schlussfolgerungen für Stufe 2 (CF =1,5) Verringerung der NOx Motorrohemissionen durch Erhöhung der AGR-Raten gegenüber EURO 6b erforderlich (bis ca. 50% AGR bei Teillast, auch AGR an der Volllast und im dynamischen Betrieb) Starkes Downsizing der Motoren wegen AGR Bedarf bei hohen Lasten ungünstig In kleinen und mittleren PKW Segmenten Einsatz von optimierten (motornahen) SCR- Systemen ( NSK -only Konzepte unwahrscheinlich) In den große PKW Segmenten Einsatz von NSK + SCR Kombisystemen Speziallfall N1-II / III Fahrzeuge: Einbau motornaher Abgasnachbehandlung durch sehr hohe Abgastemperaturen bei hoher Fahrzeugbeladung problematisch Lösung könnten upgesizte Motoren mit hohen AGR Raten in Kombination mit Unterboden-SCR Systemen sein 15

16 Was bringt RDE für die Luftgüte Simulationen für deutsche Luftgütemessstellen durch Aviso GmbH Emissionen dazu von TU Graz (bis EU6 nach HBEFA, EU6 Stufe 1 und 2 neu simuliert) Deutliche Verbesserung, Einfluss von Details (CF, TF) relativ gering Wesentlich ist, dass RDE Gesetzgebung (bald) eingeführt wird Step-> 1 2 EU TCMV Quelle: 16

17 Zusammenfassung und Ausblick Für eine effektive Regulierung der Fahrzeugemissionen auch in allen relevanten realen Fahrzuständen ist die RDE Gesetzgebung unerlässlich. Bei SNF ist RDE bereits seit 2013 (EURO VI) in Kraft und hat zu einem Quantensprung im realen Emissionsniveau geführt. Bei PKW tritt RDE in zwei Stufen in Kraft: Stufe 1: NOx CF = 2,1 ab 09/2017 (Typprüfung) bzw. ab 09/2019 (Erstzulassungen) Stufe 2: NOx CF = 1,5 ab 01/2020 (Typprüfung) bzw. ab 01/2021 (Erstzulassungen) Der Einfluss von Fahrer, Verkehr und Route auf das RDE Testergebnis ist hoch. Durch Anwendung des Normierungstools CLEAR sinkt dieser Einfluss. Weitere Korrekturfunktionen ( Transfer Functions ) sind dzt. noch in Erarbeitung. Die Anforderungen an NOx-Minderungstechnologien steigen durch RDE-Gesetzgebung stark und in kurzem Zeitraum: weiter AGR Bereich auch in dynamischem Betrieb hohe Wirkungsgrade in der NOx Abgasnachbehandlung auch im gealterten Zustand Starkes Downsizing der Motoren ist kritisch Mit diesen Randbedingungen würden luftgüteseitg die NO 2 Grenzwerte ab ca weitgehend eingehalten werden. 17

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Contact and information: Dr. Martin Rexeis Tel: Graz University of Technology Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics 18

19 Warum funktioniert die aktuelle Gesetzgebung nicht? Simuliertes Fahrzeug: Diesel, C-Segment 2.0l 135kW Motorlasten: *NEDC: maximal 37 kw *WLTC: maximal 50 kw * RDE: bis Nennleistung Drehzahlen im NEDC&WLTC > 2000min -1 nur im höchsten Gang Dynamik (DPe/Sec.): NEDC < 17 kw WLTC < 48 kw RDE: bis Maximum 19

20 Prob [%] Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics Die Transfer Funktion (TF) Korrektur des Fahrereinflusses würde Sicherheit geben gegen: realitätsfernes Fahren bei externen Nachmessungen (wichtig für OEM) unrealistisch emissionsfreundliches Fahrverhalten (wichtig für Gesetzgeber) Voraussetzung Seitens COM: TF muss emissionsneutral gegenüber CF sein. Bereiche, in denen höhere Emissionen auftreten müssen durch Bereiche mit geringeren Emissionen kompensiert werden. Kompensation soll über EU-weite Wahrscheinlichkeiten ausgeglichen sein. 40% 30% 20% 10% 0% % 0 0.0% 0.0% % 2.7% % 4.0% 600 #### #### % % 1.8% cumulated positive hm/100km --> % 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.1% 0.1% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.1% 0.1% 0.2% 0.1% 1.1% 0.9% 0.3% 0.1% 0.1% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.6% 0.5% 1.3% 0.7% 6.2% 5.0% 1.7% 0.6% 0.3% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 1.2% 0.9% 2.5% 1.3% 12.6% 10.1% 3.4% 1.2% 0.6% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 1.0% 0.8% 2.2% 1.2% 10.9% 8.7% 2.9% 1.1% 0.5% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.4% 0.4% 1.0% 0.5% 4.9% 3.9% 1.3% 0.5% 0.2% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.1% 0.1% 0.3% 0.1% 1.3% 1.0% 0.3% 0.1% 0.1% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.2% 0.1% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% Dargestellte Wahrscheinlichkeiten sind vorläufige Werte! hm/100km 8 95Perc (v*a+) Prob [%] 0.0% 20.0% 40.0% 20

21 Prob [%] Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics Die Transfer Funktion (TF) Folgende Optionen werden dzt. Analysiert: a) Generische Korrektur des CFs bzw. der NOx-Werte nach 95Perz (v*a+) und hm/100km. Nachteil: echtes Verhalten ist technologieabhängig Es wären viele Funktionen nötig (Stufe 1/ 2, PKW/LNF, SCR/LNT,..) Example for NOx-correction function option a) b) Mehrfachtests, falls erster Test über CF und in anspruchsvollem & unwahrscheinlichem Bereich liegt erfolgt 2. Test, der in normal area liegen muss. Gewichteter Mittelwert muss < CF sein. Analyse der Optionen derzeit laufend. 0% % 0 0.0% 0.0% % 2.7% % 4.0% 600 #### #### % % 1.8% Prob [%] cumulated positive hm/100km 0.0% 20.0% 40.0% TF 95P(v*a+) bzw h/100km--> hm/100km 8 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.1% 0.1% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.1% 0.1% 0.2% 0.1% 1.1% 0.9% 0.3% 0.1% 0.1% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.6% 0.5% 1.3% 0.7% 6.2% 5.0% 1.7% 0.6% 0.3% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 1.2% 0.9% 2.5% 1.3% 12.6% 10.1% 3.4% 1.2% 0.6% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 1.0% 0.8% 2.2% 1.2% 10.9% 8.7% 2.9% 1.1% 0.5% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.4% 0.4% 1.0% 0.5% 4.9% 3.9% 1.3% 0.5% 0.2% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.1% 0.1% 0.3% 0.1% 1.3% 1.0% 0.3% 0.1% 0.1% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.2% 0.1% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 40% 30% 20% 10% Example area separation for option b) normal area extended area 95Perc (v*a+)

22 Simulation tool PHEM Model Input Vehicle C d x a, Mass, rot. Inertias Tires r dyn, RRC F Air Gearbox loss map i gears F Acc Engine P rated full load curve Emission map Transient parameters F Roll2 F g F Z F Roll1 F Grd P e = P Air + P Roll + P Acc + P Grd + P Loss + P Aux Auxilairies After treatment Avg. Power demand per auxiliary Thermal capacities Functions for conversion efficiencies Simulation in 1 Hz for: power demand, engine speed, fuel consumption, emissions, etc. 22

23 Anforderung an AGR AGR Raten wurden basierend auf gemessenem Kennfeld variiert, bis RDE CFs mit C-Segment mit motornahmen SCR eingehalten wurden Angenommene AGR Raten [%] Ca. 10g NOx/kWh Ca. 1g NOx/kWh Sinkender Ladedruck bei dynamischen Lastwechseln mit Reduktion der AGR Raten abgebildet. NOx-Änderung als Funktion O 2 Zunahme. 23

24 Simulationsergebnisse für C-Segment RDE Stufe 2 C-Segment PKW mit 2.0 l Motor und 3.5 l SCR Motor nah SCR erreicht im Mittel ca. 80% Wirkungsgrad 2,7 g/kwh 0,6 g/kwh CF =

25 Normierung für C-Segment RDE Ergebnisse Normierung mit CLEAR würde alle Trips unter CF von Stufe 2 bringen. EMROAD bewirkt hier wenig Normierung gegenüber den Messwerten, bewertet aber 6 von 8 Tests als ungültig. CF = 1.5 CLEAR: invalid Valid all CLEAR: invalid Valid all 25

26 Simulationsergebnisse für B-Segment RDE Stufe 2 B-Segment PKW mit 1.4 l Motor und 1.6 l NSK Motor nah NSK erreicht je nach Zyklus 30 bis 70% Wirkungsgrad (sowohl Eco als auch aggressives Fahren reduzieren Zeitfenster für Regeneration) in dargestellter Applikation nicht RDE tauglich CF = 2.1 CF =

27 Simulationsergebnisse für N1-III RDE Stufe 2 +underfloor CF = x125 LNF: 95 kw bei 3,3 t Hohe Fahrwiderstände, hohe Vollastanteile führen zu hohem Roh-NOx. motornaher SCR hätte oft zu hohe Temperaturen. Motor Upsizing für höheres AGR bei hoher Last senkt Rohemissionen. Größerer SCR hilft CF einzuhalten (>85% SCR Wirkungsgrad nötig). CF = x125 27