Der Dieselmotor - Stand der Technik und Entwicklungen in der Perspektive zukünftiger Fahrzeugantriebe

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1 Der Dieselmotor - Stand der Technik und Entwicklungen in der Perspektive zukünftiger Fahrzeugantriebe Dr. Amin Velji Sichtbar gemacht durch einen Glaskolben in einem Einzylinder-LKW- Motor 3D-Simulation mit KIVA code Arbeitskreis Energie (AKE)in der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Herbstsitzung Bad Honnef, 20. und 21. Oktober

2 INHALT Einleitung NOx-Emission Maßnahmen zur Reduktion der Abgasemission Ausblick Energiewende Zusammenfassung 2

3 EINLEITUNG 3

4 CO 2 emission of new released cars EU28 and Germany 4

5 Quelle: Krämer, L.; MinNOx Conference, Berlin

6 NOx in g/km PM in mg/km NO x in g/kwh PM in mg/kwh 2 Emissionsgrenzwerte: NOx und Partkel 0,6 0,5 0,4 0,3 180 PM Diesel* 0,5 NO x Diesel ,2 0, ,1 NO x Otto 0,08 40 seit EU 5 auch 0,06 20 PM bei Otto 4, Jahr , PM Diesel NO x Diesel , Jahr 2020 Signifikante Reduktion der Emissionsgrenzen erfolgte in 25 Jahren. Quelle: europa.eu 6

7 Konzentration NOx [ ppb] 1 Eindrucksvolle Reduktion der Diesel-NOx- Emission % % % 5 1 Euro 0 Euro 6 Immissionslimit Konzentration in reiner limit Luft 7

8 NO 2 -Immission Grenzwert: 40 µg/m 3 8

9 9

10 Europäische Emissionsgesetzgebung Quelle: BASF Catalysts, 2014 CF = 2,1 ab 2017 CF = 1,5 ab

11 Motorkennfeld in verschiedenen Testzyklen Quelle: M. Wirth, Seminar für Verbrennungsmotoren am KIT,

12 NOx-Emission 12

13 Verbrennung: Abgaskomponenten C x H y +O 2 +N 2 => H 2 O+CO 2 +N 2 +O 2 (λ>1)+ CO+C m H n +NO x +SO 2 (SO 3 )+ andere nicht limitierte Komponenten NOx = NO + NO 2 * (N 2 O + andere N-Verbindungen) NO 90% NO 2 10% NO entsteht hauptsächlich auf thermischem Wege Thermisch gebildetes NO ist exponentiell von Temperatur abhängig 13

14 Gesetzgebung Emission EURO6 für PKW-Diesel: NOx = 80 mg/km; NOx = NO + NO 2 RDE: 2017 CF = 2,1 NOx = 168 mg/km CF = 1,5 NOx = 120 mg/km Immission NO 2 = 40 µg/m 3 14

15 Grundlagen NO 2 Bildung: Orte und Reaktionspfade Reaktionen am DOC Grafik: 15 Institut für Kolbenmaschinen

16 Maßnahmen zur Reduktion der Abgasemissionen 16

17 Lokales Luftverhältnis [-] NO-Entstehung 10,0 NO x 1,0 0,1 Ruß Lokale Flammentemperatur [K] Unterdrückung der NO-Bildung: T < 2200 K Rußbildung: > 0,7 und T 1500 K bis 1900 K 17

18 Wirkungsgrad Carnot-Prozess: Idealprozess T T max 2 3 zugeführte Wärme Q zu T min =T abgeführte Wärme Q ab S s Für den Wirkungsgrad gilt: th, C W Q zu ab 1 zu Q Q Q zu Q Q ab zu T 1 T min 1 max s s T T min max Je höher die maximale Temperatur, um so höher der Wirkungsgrad und die NO-Emission NO/Wirkungsgrad-Schere 18

19 Emissionsminderung innermotorisch außer(nach)- motorisch konventionell Brennverfahren Einspritzung Aufladung unkonventionell Wassereinbringung AGR CO und HC: Ox-Kat NOx: SCR NSK Rußfilter Thermomanagement Ziele: Senkung der Abgasemissionen NOx, Ruß, CO, HC Senkung der Geräuschemissionen 19 Möglichkeiten der Schadstoffreduktion

20 NO X [ % ] NO X =-70% PM=+220% PM/(PM) 0 [ - ] Innermotorische Maßnahme: Abgasrückführung (AGR) Einfluss der Abgasrückführung auf die Emissionen BASIS: EURO II O =20,8% O2 =17,8% AGR-Rate O 2 NO x PM AGR-Rate [ % ] 20

21 Senkung der Gastemperatur bei der Abgasrückführung Temperaturskala 170K 20K 230K ohne AGR Hauptursache der NO X - Senkung: Senkung der Temperatur 10 % AGR 21

22 Außermotorische Maßnahme: Abgasnachbehandlung NO X -Reduzierung: SCR-Verfahren mit Harnstofflösung Abgasnachbehandlung beim GL 350 Bluetec von Mercedes SCR (selektive katalytische Reduktion): Eindüsung einer Harnstofflösung (AdBlue) Harnstoff mittels Hydrolyse in Ammoniak und CO 2 umgewandelt: CO(NH 2 ) 2 + H 2 O 2NH 3 + CO 2 Ammoniak reduziert NO X im SCR-Kat zu N 2 und H 2 O 4NO + 4NH 3 + O 2 4N 2 + 6H 2 O 6NO 2 + 8NH 3 7N H 2 O Oxi-Kat Partikelfilter AdBlue- Tank Motor Eindüsung SCR-Katalysator Hydrolyse.-Kat Oxi.-Kat SCR-Kat 22

23 Thermomanagement Quelle: Ina Gristedde; UMICORE 23

24 NOx-Emission im Realbetrieb 24

25 Abgasnachbehandlung beim Dieselmotor Substrate - Substrate mit höheren Porosität (2-2) Source: C.-D. Vogt et al., NGK, 8. FAD Konferenz 2010, Dresden 25

26 nitrogen dioxide [µg/m³] 3 Positive Assessment NO2-Immission mit blauer Plakete local traffic-related additional pollution Background pollution 4 Trend b Quelle: C. Erdmenger: Mit nachhaltiger Mobilität zur Einhaltung der Luftgrenzwerte in Baden-Württemberg, Tagung Motorische Stickoxidbildung, Heidelberg, Januar

27 Blaue Plakette: Euro 6 Fahrzeuge mit Dieselmotoren und Ottomotoren mit Direkteinspritzung Euro 3 Fahrzeuge mit Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung Euro 3 Fahrzeuge mit CNG/LNG Elektrofahrzeuge 27

28 AUSBLICK 28

29 Quelle: BMU 03/

30 Randbedingungen 2040 Wie viele Liter AKS werden benötigt? 800 PJ = 23 Mrd Liter bei 35 MJ/l Energiedichte!!! 30

31 Electrofuels 31

32 PKW Deutschland: Energieverbrauchund Primärenergiebedarf Szenario 2060 mit 1/3 BEV s und 1/3 electrofuels Leonhard, R.; Stuttgarter Symposium

33 Weltweiter Marktanteil der Antriebe bei Neufahrzeugen 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Brennstoffzelle Diesel-Hybrid Otto-Hybrid konv. Otto+Diesel 20% 10% 0% Quelle: Nissan 33

34 Forecast: Fuels for Powertrains Since there are no natural H 2 sources, H 2 is not an energy source, but rather an energy carrier World Energy Council: H 2 will play no significant role in the next 50 years Proportion of fossil fuels will decrease from 2050 on Liquid fuels will still dominate in 2100 (combustion engines) source: WEC 34

35 Volumen, Energiedichte und Kosten im Vergleich Kosten Energiedichte /kwh Reichweite: < 100 km bei angemessener Batteriegröße Li-Ion = 0,12 kwh/kg /kwh 0,5 1,0 /kwh Reichweite: >1000 km Benzin und Diesel 12 kwh/kg 35

36 Energieeffizienz und Emission Wenn es gelingt, im Verkehrssektor ausschließlich CO 2 -neutrale Kraftstoffe einzusetzen, kann dies dazu genutzt werden, durch Verschlechterung des Wirkungsgrads ohne CO 2 -Malus die Abgastemperatur zu erhöhen. Damit kann der optimale Temperaturbereich in der Abgasnachbehandlungsanlage schneller erreicht werden. So bewegen wir uns in Richtung emissionsfreie Mobilität!!! Bemerkenswert: die Natur interessiert sich mehr für die Energiedichte und weniger für die Effizienz (vgl. Photosynthese, Photovoltaik) 36

37 ZUSAMMENFASSUNG Der Dieselmotor ist die Wärmekraftmaschine mit dem höchsten Wirkungsgrad (ɳ th = 42% bis 52%) Optimierte Abgasnachbehandlung und Verbrennung werden zur Verringerung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs führen Partikelemission für EURO6-Fahrzeuge mit Partikelfilter nicht mehr im Fokus Mit Einführung des WLTP und RDE wird der Unterschied zwischen Testwert und Realemissionen sinken Eine Verschärfung der Emissionsgrenzwerte wirkt sich auch auf die Realemissionen aus Je niedriger die Emission, umso niedriger die Immission Einführung der blauen Plakette und Reduktion des Verkehrs in Städten versprechen eine verbesserte Luftqualität 37

38 THESEN Individuelle Mobilität: Verbrennungsmotor wird noch sehr lange Hauptantrieb bleiben Durch Weiterentwicklung wird der Verbrennungsmotor zu Senkung der Schadstoff- und CO 2 -Emission beitragen Elektroantrieb wird vorerst keinen nennenswerten Beitrag zur Senkung der CO 2 -Emission leisten Der Anteil flüssiger Biokraftstoffe wird sich kontinuierlich erhöhen Stromerzeugung 100% Strom aus so genannten erneuerbaren Energien ist denkbar 38

39 Qou Vadis Dieselmotor? Der Dieselmotor wird seine dominierende Stellung im Verkehr behaupten! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 39