Verkehrsbedingte Schadstoffemissionen und Abgasnachbehandlung. Prof. Dr.-Ing. Gennadi Zikoridse HTW Dresden

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1 Dresden, Verkehrsbedingte Schadstoffemissionen und Abgasnachbehandlung Prof. Dr.-Ing. Gennadi Zikoridse HTW Dresden Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik 1 FAD e.v. / GmbH

2 Gliederung Kurze Vorstellung Einführung Herausforderung Emissionsgesetzgebung Technologien zur Emissionsminderung bei Verbrennungsmotoren Zukünftige Anforderungen an Abgasnachbehandlung Was treibt uns morgen an? Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Kurze Vorstellung 3

4 Kurze Vorstellung HTW Dresden ARBEITSGEBIETE der PROFESSUR: FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE: Mobilitätskonzepte Antriebstechnik Antriebssysteme und Umweltbelastung Optimierung der Verbrennungsmotoren Gemischbildungsuntersuchungen Untersuchung alternativer Kraftstoffe Beurteilung des Emissionsverhaltens Abwärmenutzung Nutzfahrzeugdieselmotoren Kolbenmaschinen Thermodynamik der Verbrennungsmotoren Abgasnachbehandlung Kraft- und Arbeitsmaschinen 4

5 Kurze Vorstellung FAD e.v. Arbeitskreise des FAD e.v.: Förderkreis Abgasnachbehandlungstechnologien für Verbrennungskraftmaschinen e.v. Arbeitskreis I Abgasnachbehandlungssysteme Erarbeitung von Beurteilungskriterien zur Bewertung der Komponenten und Systeme der Abgasnachbehandlung und Schaffung einer unabhängigen Prüfstelle Förderung der Weiterentwicklung und Spezifizierung von Prüf- und Abgasmesstechniken Aufbau einer allen Interessenten zugänglichen Datenbank Koordinierung/ Durchführung von Forschungsprojekten Förderung der Öffentlichkeitswirksamkeit durch Tagungen, Workshops und Publikationen in entsprechenden Medien. Arbeitskreis II - Abgasmesstechnik / Abgasmessmethoden und Sensorik Arbeitskreis III - Prüfverfahren / Beurteilungskriterien Arbeitskreis IV - Betriebsstoffe und Abgasnachbehandlung 5

6 Kurze Vorstellung GmbH FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE: Verbrennungskraftmaschinen CO 2 reduzierte und neutrale Kraftstoffe Abgasnachbehandlungstechnologien Hybridtechnologien und Elektroantriebe Mobilitätskonzepte Die GmbH verfolgt folgende strategische Zielstellung: Bewertung und Optimierung konventioneller Antriebssysteme Entwicklung alternativer Antriebskonzepte Steigerung der Umweltrelevanz durch energieeffiziente und umweltschonende Antriebstechnik. 6

7 Einführung 7

8 Einleitung Die Verbesserung der städtischen Lebensbedingungen durch die Einführung der Motorwagen kann man kaum überschätzen. Die Straßen bleiben sauber, sind staub- und geruchlos, befahren von Fahrzeugen, die sich auf Gummireifen sanft und geräuschlos dahinbewegen und einen großen Teil der Nervenbelastung des modernen Lebens ausschalten. amerikanische Zeitung, Juli 1899 NEW YORK, Tiffany s, Union Sq., Die rasante Weiterentwicklung der Technik in allen Bereichen unseres Lebens stellt uns heute 131 Jahre nach der Geburt des modernen Automobils mit Verbrennungsmotor und 125 Jahre nach der Erfindung des Dieselmotors vor neue, z. T. existenzielle Herausforderungen. Denken wir an die Lärmbelastung in den Städten, die Luftschadstoffe und die zur Neige gehenden fossilen Brennstoffe. Nun haben wir das Dilemma: Jeder will zurück zur Natur, aber keiner zu Fuß. Alois Glück Weiterentwicklung tut Not Stillstand bedeutet bekanntermaßen Rückschritt. 8

9 Einleitung - Herausforderung künftiger Mobilität Schadstoffproblematik, Energie-/Klimasituation Energiebedarf/Kraftstoffverbrauch Ressourcenknappheit/freie Verfügbarkeit der Energieträger Schadstoffemissionen/Umweltbelastungen (Klimawandel, Feinstaub, NO X, CO 2 ) Rechtliche Reglementierungen Energieautarkie Entwicklung der Weltbevölkerung und des Fahrzeugbestandes Schätzungen und Prognosen Quelle: U.S. Census Bureau, International Database 9

10 Einleitung - Dieselmotor unter Anklage PM NO NO 2 CO HC CO 2 Wegen Auswirkungen auf die Gesundheit drastische Limitierung der Schadstoffe (PM, HC, CO und NO X ) Der CO 2 -Ausstoß als Hauptverursacher des Klimawandels muss reduziert werden Seit 2010 gibt es in Europa einen Immissions-Grenzwert für NO 2 (Jahresdurchschnitt 40 µg/m 3 ) 10

11 Einleitung - Luftqualität ist immer noch schlecht! Frische Luft für Fußgänger Karikatur aus dem Jahr 1904 Autofahrer sehen die Ampel nicht mehr Mega-Smog rund um Peking, Januar 2013 Quelle: 11 Foto: AFP

12 Einleitung - Herausforderung lokale Immissionssituation in den Städten Nur ca. 6 % der lokal verursachten Partikelbelastung aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren. Ursache dafür ist die Einführung des DPF. Das Bild zeigt die Situation für die Partikelimmissionen an der Messstelle Stuttgarter Neckartor. Es ist zu erkennen, dass der Jahresmittelwert für die Partikelmasse seit 2011 eingehalten wird. Quelle: Robert Bosch GmbH, 38. Wiener Motorensymposium 2017 Bei der Partikelemission gibt es zwei Grenzwerte. Einmal muss der Jahresmittelwert von 40 μg/m³ eingehalten werden, zum anderen gibt es einen Grenzwert von 50 μg/m³, der pro Jahr maximal an 35 Tagen überschritten werden darf. 12

13 Einleitung - Herausforderung lokale Immissionssituation in den Städten Das Bild zeigt die Stickstoffdioxidimmissionen am Neckartor in Stuttgart. Quelle: Robert Bosch GmbH, 38. Wiener Motorensymposium 2017 Die Situation stellt sich hier im Vergleich zu den Partikeln etwas anders dar. Während die Überschreitungen vom Stundenmittelwert von 200 μg/m³ in den letzten Jahren deutlich verbessert werden konnten und der Grenzwert seltener überschritten wurde, zeigen sich beim Jahresmittelwert in den letzten Jahren nur geringe Verbesserungen. Der Grenzwert wird ca. um den Faktor zwei überschritten. 13

14 Die Luftqualität in der EU Luftqualität in Europa ist immer noch schlecht! PM 10 -Tagesgrenzwertüberschreitungen im Jahr 2008 NO 2 -Tagesgrenzwertüberschreitungen im Jahr 2008 Grenzwert Grenzwertüberschreitung Quelle: Copyright EEA (European Environment Agency), Copenhagen, 2 14

15 Herausforderung Emissionsgesetzgebung 15

16 Entstehung der Schadstoffemissionen beim Verbrennungsmotor Luft Kraftstoff Schmieröl Verbrennungsmotor C m H n + (m + n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O Arbeit Wärme H 2 O CO 2 Schadstoffe Treibhausgas Schadstoffemissionen CO CH NO X Partikel 16

17 Dieselmotor Ottomotor EU-Emissionsgesetzgebung für Personenwagen B Abgasnorm Jahr EU 1 EU 2 EU 3 EU 4 EU 5 EU 5+ EU 6 EU Testzyklus ECE ECE NEDC NEDC NEDC NEDC NEDC? WLTP? NEDC? WLTP? CO g/km 2,72 2,20 2,30 1,00 1,00 1,00 1,00 HC g/km 0,20 0,10 0,10 0,10 0,10 HC+NO X g/km 0,970 0,500 NO X g/km 0,150 0,080 0,060 0,060 0,060 NMHC g/km 0,068 0,068 0,068 PM nur DI g/km 0,0050 0,0045 0,0045 PN nur DI #/km 6x x10 11 CO HC+NO X NO X g/km g/km g/km 2,72 0,97 1,00 0,70 0,64 0,56 0,50 0,50 0,30 0,25 0,50 0,23 0,180 0,50 0,23 0,180 0,50 0,17 0,080 PM g/km 0,140 0,080 0,050 0,025 0,005 0,0045 0,0045 PN #/km 6x x

18 Entwicklung der Emissionen seit 1990 Der Diesel 1990: Der Dieselmotor von der Dreckschleuder zum Saubermann laut lahm stinkt PM PM Der Diesel 2017: ruhig sportlich sparsam umweltfreundlich 18

19 Real Driving Emissions (RDE) 19

20 RDE politische Motivation Traditionelle" Testzyklen liefern keine realen Fahremissionen (RDE) von limitierten Schadstoffen (CO, HC, NO X, PM / PN) Gründe dafür sind: begrenzte Dauer, keine "volle" Abdeckung der realen Fahrbedingungen "Idealisierte" Testbedingungen im Interesse der hohen Wiederholgenauigkeit und Reproduzierbarkeit voll vordefinierten Testbedingungen d.h. die tatsächliche Schadstoffminderung weniger effektiv als im Testzyklus Moderne Diesel-Technologie führt zu einer hohen NO 2 -Anteil an den gesamten NO X -Emission (teilweise über 50%) besonders problematisch ist NO X Nachbehandlung bei niedrigen Temperaturen: Kaltstart, Stadtfahrten, Start-Stopp-Automatik Quelle: N. Steininger; EC 20

21 Motormoment [Nm] RDE-Herausforderungen Erweiterung der Bandbreite RDE SV [1/h] WLTP NEDC Drehzahl [1/min] RDE erweitert das Betriebsfeld von Abgasnachbehandlungssystemen Das betrifft : Abgasdurchsatz = Raumgeschwindigkeit Umweltbedingungen und Temperaturen Lebensdauer (für den Fall, dass auch über die Zulassungsverfahren hinaus, bei gestiegener Laufleistung untersucht werden muss) 21

22 Real Driving Emissions - Einflussparameter Umwelt Dynamik - RDE-Testzyklus - Verkehrssituation - Umgebungstemp. - etc. CO2 CO NOx Emissionen - Fahrdynamik - Schaltstrategie - etc. Abgasnachbehandlung PM/ PN NH3 N2O THC Motor - NSK/SCR - Oxi-Kat/TWC - DPF - etc. - Innermotorische Verbrennung - AGR - etc. 22

23 Unterschied Labortest NEFZ zu realem Fahren Prüfzyklus (NEFZ) - Rollenprüfstand innerorts außerorts Kenngröße Einheit NEFZ RDE Dauer min 19, Distanz km 11,0 Keine Begrenzung Steigung / Höhenmeter m/100km Temperatur C Max. Geschwindigkeit km/h max. pos. Beschleunigung m/s² 1,04 Keine Begrenzung Schaltstrategie - feste Schaltpunkte Keine Begrenzung Fahrzeugmasse - Zusatzverbraucher (Klima, Heizung, Radio etc.) DIN-Leergewicht kg Bis 90% zgg - ohne Keine Begrenzung Prüfzyklus (RDE) - Straße Stadt Land Autobahn Geschwindigkeitsprofil ist bei RDE variabel NEFZ = Neuer europäischer Fahrzyklus RDE = Real Driving Emissions 23

24 NOx-Rohemission Einflussfaktoren auf die Real Driving Emissions Fahrverhalten Dynamik Schaltstrategie Geschwindigkeit Last Fzg.-Beladung Zusatzverbraucher (Heizung, Klima, Radio etc.) Streckenprofil Steigung Kum. Höhenmeter Höhe ü. NN Erhöhung der NOx-Emissionen RDE- Anforderungsgrad Fazit: NOx-Emissionen sind maßgeblich von der jeweiligen Fahrsituation, dem Fahrverhalten und dem RDE- Anforderungsgrad abhängig Exponentieller Anstieg der NOx- Emissionen bei Überlagerung von Boundary Conditions Beispiel: Dynamische Beschleunigung am Berg mit Beladung Einzelevents können sich daher massiv auf das Gesamtergebnis einer RDE-Fahrt auswirken Umwelt Temperatur Wind / Regen Fahrbahnbelag Verkehr Ein RDE-Messfahrtergebnis ist die Summe von unvorhersehbaren Einzelevents in variabler Anzahl und Ausmaß 24

25 Einführung der Real Driving Emissions (RDE) in die Gesetzgebung Monitoring Phase CF 1,5 NOx=120mg/km (EG) 715/2007 Festlegung RDE RDE ohne Grenzwert RDE - Grenzwerte RDE - LDV Arbeitsgruppe Euro 6 NOx=80mg/km Einführung RDE CF 2,1 NOx=168mg/km NTE = Euro6-Grenzwert * CF NTE = Not-to-exceed CF = Conformity Factor 25

26 Herausforderungen und Handlungsbedarf - Schadstoffemissionen Die Absenkung der Stickoxid-Emissionen unter RDE-Bedingungen wird die Hauptherausforderung bei Dieselmotoren werden. Ab September 2017 müssen neue Modelle in der EU veränderte Testzyklen bestehen: die Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure (WLTP) und erstmals einen Real Drive Emission (RDE) Test. Die RDE-Conformity Faktoren für Diesel PKW NO X Phase I Phase II Einführung in (Typzulassung) Conformity Factor NTE, NOx [mg/km] 09/2017 2, /2020 1,5 120 Die jüngsten Untersuchungen zeigen, dass die reale Absenkung der Stickoxid-Emissionen unter RDE-Bedingungen und die Einhaltung neuer Grenzwerte technisch darstellbar ist. Damit wäre das Thema Emissionen unter realen Bedingungen zumindest technologisch lösbar. 26

27 CO 2 [gco 2 /km] Herausforderungen und Handlungsbedarf CO 2 Entwicklung der CO 2 -Flottenemissionen % - 2 g / Jahr - 2% / Jahr 95? Jahr Quelle: ACEA, EEA 27

28 Herausforderungen - Emissions- und CO 2 -Gesetzgebung in der EU Hauptthemen für die Einhaltung der zukünftigen Emissionsgrenzwerte bei Dieselfahrzeugen wird weitere NO X -Reduktion erforderlich sein. bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung wird starke Absenkung der Partikelanzahlemission (PN) die Hauptherausforderung werden. die Abgasnachbehandlung muss praktisch kennfeldweit und unter deutlich verschärften Betriebsbedingungen funktionieren. Motorabstimmung für eine breite Palette von Betriebsbedingungen (Drehzahl, Drehmoment, Temperatur, Höhe,...) ist erforderlich, um die Emissionsgrenzwerte im realen Fahrbetrieb zu erfüllen. Neben Schadstoffemissionen müssen die CO 2 -Grenzwerte parallel betrachtet werden Das System Motor/Kraftstoff/Abgasnachbehandlung/Fahrzeug muss auf neue Anforderungen abgestimmt werden 28

29 Technologien zur Emissionsminderung bei Verbrennungsmotoren 29

30 Historische Entwicklung von Rußemission Historische Entwicklung von Rußemission und max. Einspritzdrücken bei Heavy Duty Motoren Quelle: Prof. U. Gärtner, Daimler AG 30

31 Innermotorische Maßnahmen zur Emissionsabsenkung Gemischbildung und Verbrennung: - Optimierung der Brennraumgeometrie - Druckindizierte Verbrennungsreglung - Alternative Brennverfahren Einspritzsystem: - Druckpotential bis zu 2500 bar - Mehrfacheinspritzung - Einspritzverlaufsformung p K W Aufladung: - Ladeluftkühlung (Ladelufttemperatur bis unter 50 C, Beachtung Kühlleistung) - 1-Stufige-Aufladung mit VTG-ATL - 2-Stufige-Aufladung mit Zwischenkühlung für höhere Leistungen 31

32 Maßnahmen zur Emissionssenkung Maßnahme Wirkung Emission Verbrauch Zylinderdruck Spritzbeginn NO x PM b e p Z,max Einspritzdruck NO x PM b e p Z,max Aufladung NO x PM b e p Z,max Ladeluftkühlung NO x PM b e p Z,max Nachbehandlung PM NO x PM b e p Z,max Nachbehandlung NOx NO x PM b e p Z,max 32

33 Abgasnachbehandlung für Dieselmotoren Zunehmend strengere Emissionslimits Absenkung der Rohemission Oxidationskatalysator Partikelfilter DeNOx-Katalysator HC; CO Konversion NO 2 -Bereitstellung Thermomanagement intelligente Regenerationsmethoden Filtereigenschaften + Aschespeicherung NOx-Speicherkat SCR-Katalysator Künftige Emissionsstufen: EURO VI, Stufe IV, etc. Kombinierte Systeme 33

34 Beispiel eines kombinierten Abgasnachbehandlungssystems 34

35 Oxidationskatalysator 35

36 Funktionsweise eines Oxidationskatalysators Sauerstoff Kohlenstoffmonoxid Kohlenwasserstoffe Oxidationskatalysator Kohlenstoffdioxid Wasser Schwefeldioxid Stickstoffmonoxid Stickstoffdioxid Schwefeltrioxid C m H n +(m+n/4) O 2 mco 2 + n/2 H 2 O 2CO + O 2 2CO 2 Chemische Reaktionen 2NO + O 2 2NO 2 2SO 2 + O 2 Reaktion) 2SO 3 (unerwünschte 36

37 Dieselpartikelfilter 37

38 Die Lungengängigkeit der Partikel Nasenschleimhäute und Rachen: > 10 µm (z.b. Zementstaub) Kehlkopf: 5-10 µm Luftröhre und Hauptbronchien: 3-5 µm (z.b. feine Flugasche) Sekundäre und terminale Bronchien: 1-3 µm Alveolen < 1µm (z.b. Dieselpartikel) Quelle: ADAC 38

39 Auswirkung des Partikelfilters auf die Partikelanzahl und das Partikelspektrum Partikelanzahl [km -1 ] 1.0E E E E+06 x Mercedes E220 CDI Peugeot 607 HDi + FAP 1.0E+03 Mittelwert Umgebungsluft 1.0E Dp [nm] Messung mit SMPS bei Konstantfahrt 80 km/h (Mercedes 6.Gang, Peugeot 5. Gang) 39

40 Auswirkung des Partikelfilters auf die Partikelemission (Messung gravimetrisch im NEFZ) Partikelmasse [g/km] Euro Euro3 Durchschnitt moderne Dieselfahrzeuge der oberen Mittelklasse ohne Partikelfilter = g/km Peugeot 607 HDi +FAP Mercedes E220 CDI 40

41 Funktionsweise eines Partikelfilters (Bsp. Wabenkörper) Partikel Sauerstoff Partikelfilter Filterstruktur mit (Beladung) eingelagertem Ruß Aschepartikel Erhöhung des Abgasgegendruckes durch Einlagerung der Partikel bei fortwährender Beladungsdauer. p Abgas Beladungsgrenze Zeit Erhöhung der Ladungswechselarbeit Verschlechterung der Verbrennung Anstieg des Kraftstoffverbrauches 41

42 Regenerationsstrategien der Dieselpartikelfilter Nacheinspritzung von Kraftstoff aktiv Elektrische Heizer oder Z ü nder Dieselbrenner Filter - regeneration passiv Katalytische Kraftstoff - Additive (Ce, Fe,..) Katalytische Beschichtung (NO 2 - Regeneration) CRT TM (NO 2 - Regeneration) Nacheinspritzung + kat. Additive Kombinierte - Regeneration Kat. Beschichtung + Nacheinspritzung CRT + Nacheinspritzung Dieselbrenner + Additiv 42

43 Dieselpartikelfiltersysteme Partikelfilter stellen die wirkungsvollste nachmotorische Maßnahme zur Minderung der Partikelemission von Dieselmotoren dar. Ein Filter ist kein Sieb Die Partikel müssen auf die Strukturen des Filtermediums (Fasern, körnige Strukturen) auftreffen Bei richtiger Auslegung können Abscheidegrade von über 99% bezogen auf die Partikelanzahl erreicht werden Eine besondere Schwierigkeit beim Partikelfiltersystemen stellt eine zuverlässige Regeneration des Filters dar. Zur effizienten Verbrennung eines Rußpartikels mit Sauerstoff (O 2 ) bedarf es hoher Temperaturen (> 600 C), die im Dieselabgas selbst bei Volllastbetrieb nur schwierig zu erreichen sind. 43

44 Entstickungskatalysator 44

45 Funktionsweise eines SCR-Katalysators Stickstoffoxid (NO +NO 2 ) Ammoniak Sauerstoff SCR-Katalysator Stickstoff Wasser 4NO + 4NH 3 + O 2 NO + NO 2 + 2NH 3 Chemische Reaktionen 4N 2 + 6H 2 O 2N 2 + 3H 2 O Die Bereitstellung von Ammoniak erfolgt durch die Zersetzung einer Harnstofflösung (Adblue) vor dem SCR-Katalysator! 45

46 Funktionsprinzip des SCR -Systems Abgas Wässrige Harnstofflösung (AdBlue ) Oxi- DOC Kat Hydro- lyse- Kat Hydrolyse-Kat Hydrolyse: CO(NH 2 ) 2 + H 2 O 2NH 3 + CO 2 SCR-Kat (selective catalytic reduction) Al 2 O 3 /TiO 2 TiO 2, V 2 O 5, WO 3 Pt TiO 2 /Al 2 O 3 TiO 2, V 2 O 5, WO 3 SCR: 4NO + 4NH 3 + O 2 4N 2 + 6H 2 O NO + NO 2 + 2NH 3 2N 2 + 3H 2 O Pt Abgas Ammoniumcarbamat T > 60 C CO 2 N 2 H 6 ==> 2NH 3 + CO 2 NH 3 Oxidationskatalysator: SCR-Kat SCR-Kat (selective (selective catalytic catalytic reduction) TiO TiO reduction) 2, V 2, V 2 O 2 O 5, WO 5, WO 3 3 Pt 4NH 3 + 3O 2 2N 2 + 6H 2 O 2CO + O 2 2CO 2 C m H n + (m+n/4)o 2 mco 2 + n/2h 2 O DOC Pt 46

47 NO X -Speicherkatalysator Dieselmotor EDC O 2 Magerbetrieb: NO X -Speicherung NO 2 -Bildung NO+1/2 O 2 NO 2 (1) Speicherung 2NO 2 + Ba Ba(NO 3 ) 2 (2) NO NO 2 (2) (1) Ba(NO 2 ) 3 Edelmetall (Pt) Speichermaterial (z.b. BaCO 3 ) Trägermaterial NO X -Speicherkat H 2 O N 2 H 2 CO 2 NO 2 3 Fettbetrieb: NO X -Freisetzung und Reduktion Freisetzung Ba(NO 3 ) 2 NO X + Ba (3) Reduktion NO X + Red.-Mittel N 2 (4) CO CH (4) (3) Edelmetall Speichermaterial (Pt) (z.b. BaCO 3 ) Trägermaterial Ba(NO 3 ) 2 47

48 Qualitätsanforderungen und Qualitätsprüfung 48

49 Einsatzgerechte Abgasnachbehandlungssysteme Die steigende Produktvielfalt im Bereich der Abgasnachbehandlungssysteme, verbunden mit unterschiedlichen Ansprüchen zum Verhalten im Einsatzfall, macht es für den Anwender immer schwieriger, die Qualität und Verwendbarkeit der angebotenen Lösungen zu bewerten und letztendlich auch hinsichtlich der konkreten Anforderung zu differenzieren. Die existierenden nationalen und internationalen Prüfprozeduren und Bewertungsmethoden: ermöglichen keine sichere Funktionalitätsprüfung von Abgasnachbehandlungstechnologien unter einsatzspezifischen Betriebsbedingungen berücksichtigen unzureichend die Besonderheiten der vorgesehenen Anwendung und die motorspezifischen Betriebsparameter (Motor ist nur Versuchsträger) sind in der Regel sehr zeit- und kostenintensiv. 49

50 FAD-Qualitätssiegel FAD-QS Prüfkriterien für Qualität unter einsatzspezifischen Bedingungen Schadstoffminderung Funktionalität Sekundäremissionen Wartungskonzept Kraftstoffmehrverbrauch FAD-QS wird nur verliehen, wenn alle Prüfkriterien erfüllt werden 50

51 Zukünftige Anforderungen an Abgasnachbehandlung 51

52 RDE-Herausforderungen - Emissions- und CO 2 -Gesetzgebung in der EU Quelle: Robert Bosch GmbH Neben Schadstoffemissionen müssen die CO 2 -Grenzwerte parallel betrachtet werden Veränderung des Fahrzyklus und der Prüfprozeduren Einführung der RDE (Real Driving Emissions) mit verbindlichen Emissionsgrenzen 52

53 Herausforderungen - Evolution der Anforderungen WLTP Testzyklus mit neuen Rahmenbedingungen: Prüfzyklus wird dynamischer Kaltstartanforderungen Weitere Schadstoffe wie NO 2 müssen gemessen werden 4 Phasen Testdauer 1800 s Durchschnittsgeschwindigkeit 46 km/h max. Geschwindigkeit 125 km / h RDE mit verbindlichen Emissionsgrenzen soll angewendet werden: deutlich verschärfte Testbedingungen am Fahrzeug installierte PEMS unter normalen Fahrbedingungen OBD: Verschärfung der OBD-Grenzwerte: Wirksamkeit des DeNO X -Systems wird strenger überwacht Niedertemperaturfunktionalität wird noch wichtiger Das System Motor/Abgasnachbehandlung/Fahrzeug muss auf neue Anforderungen abgestimmt werden 53

54 Abgasnachbehandlung - zukünftige Anforderungen Um die zukünftige Abgasnormen zu erfüllen, ist zusätzlich zu den innermotorischen Maßnahmen eine hocheffiziente Abgasnachbehandlungstechnik erforderlich. Zukünftiges Multifunktionssystem: 4-Wege-Diesel-Abgasnachbehandlungssystem Niedertemperaturfunktionalität wird noch wichtiger daher eine motornahe Anordnung Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung 4-Wege -Abgasnachbehandlungssysteme 54

55 Partikelanzahl PN [ 1/km] Partikelanzahlemission von Ottomotoren mit Direkteinspritzung Vergleich der Partikelanzahlemissionen von Otto- und Dieselmotoren 1E+14 gemessen in NEFZ 1E+13 1E+12 6 x Partikel/Kilometer 1E+11 1E+10 IDI-Ottomotor DI-Ottomotor ältere Dieseltechnologie ohne DPF moderne Dieseltechnologie mit DPF 55

56 Partikelfilter für Ottomotoren mit Direkteinspritzung Zur Einhaltung des für die Ottomotoren mit Direkteinspritzung ab 2017 vorgeschriebenen PN-Grenzwertes von 6 x / km wird ein Partikelfilter (Gasoline Particulate Filter: GPF) erforderlich sein. Bildquelle: Die Anforderungen an einen Partikelfilter für einen Ottomotor sind jedoch andere als für einen Dieselmotor. Insbesondere gibt es Unterschiede hinsichtlich: Gegendruckverhalten Beladungs- und Regenerationsverhalten Temperatur-, Partikelemissions- und Restsauerstoffniveau. Fazit: - ein Filter aus einem Dieselfahrzeug kann nicht direkt übernommen werden - es muss an die Bedingungen von Ottomotoren angepasst werden 56

57 4-Wege AGN System für Ottomotoren mit Direkteinspritzung DI-Ottomotor TWC GPF Gleichzeitiger Umsatz der Gase CO, NO X, C m H n und Partikel PM/PN CO + 2NO CO 2 + N 2 CO + 1/2O 2 CO 2 C 3 H NO 3CO 2 + 4H 2 O + 5N 2 C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4H 2 O C + O 2 CO 2 C + 2NO 2 CO 2 + 2NO 57

58 Zusammenfassung Die strengen globalen Vorgaben zur weiteren Reduzierung der Schadstoffemissionen und zur Verbesserung der lokalen Luftqualität bedingen einen flächendeckenden Einsatz effizienter Abgasnachbehandlungstechnologien. Auch nach der Einführung der Euro 6/VI gibt es noch eine ganze Reihe von Herausforderungen: die Einführung der RDE erfordert eine Systemfunktionalität unter deutlich verschärften Betriebsbedingungen Niedertemperaturfunktionalität wird in der Zukunft noch wichtiger bei Dieselfahrzeugen wird weitere NO X -Reduktion erforderlich sein bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung wird die Einhaltung des Partikelanzahlgrenzwertes die Hauptherausforderung werden neben Schadstoffemissionen müssen auch CO 2 -Grenzwerte eingehalten werden Auch die geplante Einführung der EU Stufe V für Nonroad-Anwendungen stellt eine neue Herausforderung für die Zukunft dar. 58

59 Was treibt uns morgen an? 59

60 Lösungsansätze für eine nachhaltige Mobilität leistungsfähig und effizient weniger Ressourcenverbrauch bezahlbar Nachhaltige Mobilität Mobilität mit weniger Verkehr sicher und nutzergerecht für Alle weniger Emissionen 60

61 Ganzheitliche Betrachtung der zukünftigen Mobilität Antriebstechnologien Ottomotoren Dieselmotoren Gasmotoren Hybridantriebe Elektroantriebe Brennstoffzelle H 2 -Verbrennungsmotor Verkehrsinfrastruktur Infrastruktur Tankstellen Verkehrsregelung Verkehrsströme Stadt- und Umfeldplanung Kraftstoffe Antriebe Mobilität Infrastruktur Kraftstoffe Benzin Diesel Erdgas Biomethan (Biogas) Biodiesel (FAME) Bioethanol CTL, GTL, BTL PtL, PtG, H 2 Applikation Autonomes Fahren Funktionen & Kennfelder ECU-Bedatung OBD AGR Abgasnachbehandlung Partikelfilter (DPF, GPF) DOC/TWC SCR/NSC Kombisysteme Emissionen CO, THC, NO X PM/PN CO 2, CH 4 61

62 Prognose für die CO 2 Gesetzgebung in der EU EU Treibhausgasziel 30 gco 2 /km Wenn man das EU Treibhausgasziel auf die CO 2 -Emission neu zugelassener Fahrzeuge überträgt, führt dies zu ca. 30 gco 2 /km in 2050, falls nur ein moderates Verkehrswachstum unterstellt wird. Quelle: Dr.-Ing. Rolf Leonhard, Robert Bosch GmbH, Wege zur CO 2 -freien Mobilität 62

63 Erneuerbare Energien und Antriebslösungen für nachhaltige Mobilität Verbrennungsmotoren Elektromotoren Biokraftstoffe - Pflanzenöle - Ethanol - Algenkraftstoffe Elektrokraftstoffe - Power to Gas (PtG) - Power to Liquide (PtL) Batteriezelle Brennstoffzelle Verbrennungsgleichung Li-Ionen-Batterie Reaktionsgleichungen Negative Elektrode (Entladung): Positive Elektrode (Entladung): Redox-Gleichung: 2H 2 + O 2 2H 2 O + elektrische Energie + Wärme 63

64 Jahresbilanz der Pkw-Neuzulassungen in Deutschland 2015 Pkw-Neuzulassungen ,2 Millionen Benzin-Anteil 50,3% Diesel-Anteil 48,0% Alternative Antriebe und Kraftstoffe 1,7% Elektrofahrzeuge Hybridfahrzeuge Euro 6-Anteil 73,2 % Durchschnittlicher CO 2 -Ausstoß 128,8 g/km Aufteilung der Pkw-Zulassungsanteile in % 1,7% Quelle: KBA 50,3% 64

65 Antriebskonzepte heute und in Zukunft Heute: Morgen: Unsere Mobilität ist zu über 95% vom Erdöl abhängig! Ergänzende Kraftstoffe substituieren teilweise das Erdöl Übermorgen: Neue Antriebskonzepte führen zur Mobilität der Zukunft Heute Erdölbasiert Evolution der Mobilität Morgen Kraftstoffmix Übermorgen Antriebsmix 65

66 Abgasnachbehandlung erforderlich! Verbrennungskraftmaschinen, Kraftstoffe und Schadstoffe Kraftstoffe Schadstoffe Wasserstoff (H 2 ) NO X CO 2 -frei e-fuels - OME PtG, PtL Polyoxymethylendimethylether CH 3 -O-(CH 2 -O) 4 -CH 3 CO 2 - neutral CO (PM/PN) HC NO X Erdgas (Methan; CH 4 ) H:C = 4 : 1 Biokraftstoffe Ethanol; (C 2 H 5 OH) H:C = 3 : 1 CO 2 - reduziert CO HC (CH 4 ) (PM/PN) NO X Erdöl (Decan; C 10 H 22 ) H:C = 2,2 : 1 Konventionelle fossile Kraftstoffe mit viel CO 2 CO PM/PN HC NO X 66

67 Prognose für die CO 2 Gesetzgebung in der EU Wenn man das EU-Treibhausgasziel auf die CO 2 -Emission neu zugelassener Fahrzeuge überträgt, führt dies zu ca. 30 gco 2 /km in Dr.-Ing. Rolf Leonhard, Robert Bosch GmbH, Wege zur CO2-freien Mobilität CO 2 -Gesetzgebung und Kraftstoffverbrauch 67

68 Herausforderungen und Handlungsbedarf Antriebe, Energiebasis und Kraftstoffe Antriebsmix für die Zukunft Diversifizierung und Koexistenz Heute Morgen Übermorgen konventionelle Elektrizität konventionelle Kraftstoffe CO 2 -neutraler Strom und Wasserstoff CO 2 -neutrale Kraftstoffe Antriebsmix BEV Batterieelektrische Antriebe FCEV Brennstoffzellenantriebe PHEV Plug-in Hybrid Antriebe Hybridantriebe Verbrennungsmotoren 68

69 Zusammenfassung Fliegende Autos kommen später und werden mit erneuerbarer Energie angetrieben! Bis dahin brauchen wir Quelle: Exzellente Forschung, Entwicklung und Innovationen auf dem Gebiet der Antriebstechnologien, damit die Mobilität der Zukunft nachhaltig und umweltverträglich gestaltet werden kann. 69

70 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Fakultät Maschinenbau Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik Friedrich-List-Platz 1 D Dresden Institutsleitung: WWW: gennadi.zikoridse@fif.mw.htw-dresden.de 70

71 Ankündigung 15. FAD-Konferenz Herausforderung Abgasnachbehandlung für Dieselmotoren in Dresden 71