Abgasreinigung von PKW-Dieselfahrzeugen Wie sehen die Konzepte aus? SSM-Tagung 216 im Campus Sursee J. Gieshoff, I. Grisstede, M. Votsmeier 1
Die Herausforderung für den Dieselmotor 2
EU Emissionsgesetzgebung Jahr 212 213 214 215 216 217 218 219 22 221 222 Emissionsgesetzgebung Euro 5 Euro 6b Euro 6c Euro 6d TEMP Euro 6d Real Driving Emissions Entwicklung und Testphase Signifikante Veränderung bei der RDE und CO2-Gesetzgebung Not-to-Exceed Limit Conformity Factor (CF) CF1(NOx): 1, + margin (,5*) CF1(NOx): 2,1 CO 2 -Flottenwert 13 g/km 95 g/km Bemerkungen Alle Termine sind für Typzulassungen dargestellt * Jährlicher Review des Wertes vorgesehen 3
NEDC CO 2 in g/km EU Emissionsgesetzgebung Flottenverbrauch Jahr 212 213 214 215 216 217 218 219 22 221 222 CO 2 -Flottenwert 13 g/km 95 g/km 2 16 12 EU historic data EU 215 standard 13g/km 8 4 EU 221 standard 95g/km data source: http://theicct.org/info-tools/global-passenger-vehicle-standards 2 25 21 215 22 225 CO 2 Niedrigere Abgastemperaturen > Eine Herausforderung für Nachbehandlungssysteme 4
Abgasnachbehandlungssysteme Diesel-PKW Jahr 212 213 214 215 216 217 218 219 22 221 222 Emissionsgesetzgebung Euro 5 Euro 6b Euro 6c Euro 6d TEMP Euro 6d HC/CO Umsatz + Partikelfilter Real Driving Emissions DOC cdpf + NOx-Nachbehandlung cdpf DOC cdpf SCR + Real Driving Emissions DOC SDPF SDPF Steigende Komplexität cdpf SCR 5
Bausteine der NOx- Nachbehandlung 6
Bausteine der NOx-Nachbehandlung NOx-Speicherkatalysator () Schadstoffreduktion NOx-Umsatz im Zyklus zwischen 5 und 7 % cdpf DOC cdpf SCR Kohlenwasserstoffumsatz vergleichbar mit dem DOC DOC SDPF SDPF cdpf SCR Kohlenmonoxidumsatz je nach Betriebszustanddeutlich besser als beim Dieseloxidationskatalysator 7
Funktionsweise Diesel-NOx-Speicher-Katalysators Systemanforderungen Motor muss fett betrieben werden können Möglichst geringe NOx- Rohemissionen Chemische Anforderungen Kraftstoff muss schwefelfrei sein Temperaturbereiche Zwischen 15 und 55 C für den NOx-Umsatz 5 7 C für die Desulfatisierung NOx-Speicherung Magerphase Minuten Sekunden NOx-Regeneration Fettphase Mageres Abgas (u.a. viel O 2 ) Fettes Abgas (u.a. CO und H 2 ) 8
Bausteine der NOx-Nachbehandlung Selektive katalytische Reduktion (SCR) Schadstoffreduktion NOx-Umsatz im Zyklus zwischen 5 und 8 % beim Einsatz von AdBlue cdpf DOC cdpf SCR DOC SDPF SDPF cdpf SCR 9
Funktionsweise Selektive katalytische Reduktion Chemische Anforderungen SCR Katalysator darf kein Edelmetall enthalten Harnstofflösung (NH 2 ) 2 CO SCR Katalysator (S) 4NH 3 + 4NO + O 2 4N 2 + 6H 2 O 2NH 3 + NO + NO 2 2N 2 + 3H 2 O 8NH 3 + 6NO 2 7N 2 + 12H 2 O Systemanforderungen Aufwand in der Bereitstellung des zweiten Betriebsstoffes (AdBlue ) Mindesttemperatur für die Dosierung der Harnstoff- Wasser-Lösung muss berücksichtigt werden. Abgas DOC Oxidationskatalysator (DOC) 2NO + O 2 2NO 2 4HC + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O 2CO + O 2 2CO 2 SCR ASC Oxidationskatalysator (ASC) 4NH 3 + 3O 2 2N 2 + 6H 2 O 1
Ein Systemvergleich 11
Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d Ziel: Erkenntnisgewinn System SDPF SDPF SCR System SCR cdpf SCR Randbedingungen 2,l EU6 HP&LP-AGR Motor Gealterte Katalysatoren NOx-Speicherkatalysator () Gleiche Regenerationsstrategie Gleiches Volumen: 1.65 L Selektive katalytische Reduktion (SCR) Gleiches Katalysatorvolumen: 3.8 L AdBlue Dosierung ab 16 C 12
Rel. Abgasgegendruck Pressure drop [%] /% Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d Analyse des Abgasgegendrucks System SCR System SDPF cdpf SCR SDPF SCR 1 5 1% 126% SCR SDPF cdpf AdBlue Dosierung -cdpf-scr -SDPF-SCR 13
Tturbinenaustrittstemperatur / C Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d Verwendete Testzyklen am Motorprüfstand WLTC low medium high extra high =cold start city 7 6 5 4 Warmstart Stadtfahrt 3 2 1 Autobahnzyklus 14
58 NOx emission / - abatement [mg/km] 31 261 138 Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d WLTC NOx Emissionen / SCR System 1.65 L cdpf 2.5 L SCR 3.8 L 3 Full mass flow Tailpipe mass flow 25 2 15 1 5 Raw -DPF ascr Tailpipe 15
61 NOx emission / - abatement [mg/km] 44 279 144 T [ C] SCR.8 L Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d WLTC NOx Emissionen / SDPF System 1.65 L SDPF 3. L 3 25 2 Full mass flow 5 Full mass flow 4 3 2 1 in SDPF in SCR in 15 1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 time [s] 5 Raw asdpf ascr Tailpipe 16
61 NOx emission / - abatement [mg/km] 44 279 144 SCR.8 L Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d WLTC NOx Emissionen / SDPF System 1.65 L SDPF 3. L 3 25 2 15 Full mass flow NOx Umsatz mit einem im Unterboden verbauten SCR Katalysator Full mass ist flow möglich, falls Noch NOx-Emissionen nach dem SDPF auftreten Die Abgastemperatur für die (NO-only) Reaktion hoch genug ist 1 5 Der SCR Katalysator noch ausreichend mit Ammoniak gefüllt ist. Raw asdpf ascr Tailpipe 17
NOx emission / - abatement [mg/km] 167 447 215 T [ C] SCR.8 L Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d WLTC Kaltstart - NOx Emissionen / SDPF System 1.65 L SDPF 3. L 5 Full mass flow 5 4 3 2 in SDPF in SCR in Full mass flow 4 1 3 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 time [s] 1 Raw asdpf ascr Tailpipe 18
NOx emission / - abatement [mg/km] 55 12 6 25 13 122 249 81 356 16 SCR.8 L Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d Warmstart Stadtzyklus und Autobahnzyklus NO x 1.65 L SDPF 3. L 5 4 Warm start city cycle Full mass flow Tailpipe mass flow Full mass flow Highway Tailpipe mass flow 3 2 1 Raw asdpf ascr Tailpipe Raw asdpf ascr Tailpipe 19
NOx emission / - abatement [mg/km] 33 4 11 14 29 16 422 194 Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d Warmstart Stadtzyklus und Autobahnzyklus NO x 1.65 L cdpf 2.5 L SCR 3.8 L Warm start city cycle Highway 5 Full mass flow Tailpipe mass flow Full mass flow Tailpipe mass flow 4 3 2 1 Raw -DPF ascr Tailpipe Raw -DPF ascr Tailpipe 2
Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d cdpf SCR 1.65 L 2.5 L 3.8 L Temperatur [ C] SCR System 25 225 2 175 15 NO2/NOx [%] Warmstart Stadtzyklus Temperaturen und NO2/NOx 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Zeit [s] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Zeit [s] SDPF 3. L SDPF System.8 L 1.65 L SCR 21
SCR.8 L Abgaskonzeptuntersuchung für EU 6d Warmstart Stadtzyklus Temperaturen und NO 2 /NOx 1.65 L cdpf 2.5 L SCR System SCR 3.8 L Vorteil im NO 2 zu NOx- Verhältnis 1.65 L SDPF 3. L SDPF System Vorteil durch eine höhere Temperatur vor dem SDPF 22
SC Ein Vergleich beider Varianten SCR vs SDPF cdpf SCR SDPD Einsatz der bekannten cdpf Technologien auf robusten Substraten Geringerer Gegendruck (SDPF Beladung) SCR außerhalb des AGR-Systems > Geringere NOx-Emissionen > Geringere AdBlue Dosierung NO 2 -Bildung im cdpf Geringere Emissionen während der DPF Regeneration Früherer Dosierstart des AdBlue > weniger häufige Regenerationen > Kraftstoffverbrauch Einfacheres Thermomanagement, da die aktiven Temperaturfester der beiden NOx-Bausteine sind besser überlappen. Packaging Vorteile, falls der zweite SCR Katalysator nicht benötigt wird. SSM-Tagung 216 am 2.9.216 im Campus Sursee 23
Erste Zusammenfassung Der in Kombination mit einer aktiven SCR-Technologie bietet die Möglichkeit, die NOx-Emissionen deutlich zu reduzieren und damit die Luftqualität in den Städten zu verbessern. Der Speicherkatalysator zeigt daneben ein verbessertes Umsatzverhalten für Kohlenmonoxid, was im Hinblick auf die kraftstoffeffizienten Dieselmotoren von Bedeutung ist. Die Untersuchung solcher Systemausgestaltungen kann gut durch Simulationstools unterstützt werden. 24
Modellieren als Tool 25
Modelling Komponenten in der Modellbildung 26
Soot Layer Physik Flüße, Temperaturen Durchflußsubstrat Chemische Reaktionen Wärmetransport Filter Chemische Reaktionen Wärmetransport 27
Chemie Reaktionen und Reaktionsraten Mechanismus Reaktionsgeschwindigkeit NH 3 + NO + ¼ O 2 N 2 + 1.5 H 2 O r NO k NO E exp R T c 1 K NH 3 1 NH 3 NH 3 x 2. 2 A, NO NO O LH 28
NOx / g NOx / ppm T / C Die Anwendung / RTC Testzyklus Vergleich Experiment vs Modell / SCR Perfomance 4 325 2 15 25 175 1 6 4 Input Experiment Simulation 1 5 SV / h -1 2 1 5 Input Experiment Simulation Simulationsergebnis basierend auf Modellgasuntersuchungen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time / s 29
Die Anwendung / WLTC Testzyklus Vergleich Experiment vs Modell / SCR Perfomance Simulationsergebnis basierend auf Modellgasuntersuchungen 3
Die Anwendung / WLTC Testzyklus Vergleich Experiment vs Modell / N 2 O Bildung Simulationsergebnis basierend auf Modellgasuntersuchungen 31
Zusammenfassung Die NOx-Nachbehandlung für Diesel-PKW wird in der Zukunft die Komponenten und SCR aufweisen. Eine Vielzahl von Variationen im Bereich der NOx-Nachbehandlung für den Diesel- PKW sind denkbar. Hier kann die Simulation des Anlagenkonzeptes für die Auslegung der Abgasreinigung wertvolle Hinweise geben. 32
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit SSM-Tagung 216 im Campus Sursee J. Gieshoff, I. Grisstede, M. Votsmeier 33