Möglichkeiten zur Verminderung der Partikelemissionen von Dieselmotoren A.Sottopietra, Bregenz A.Mayer, TTM Rudolf DIESEL 1893 Patent - 1.Motor 1897 mit 26.2 % Wirkungsgrad 1910 - Turboaufladung (Büchi) 1936 - Direkteinspritzung (Saurer) 1993 - EURO 1 : Probleme NOx und Russ 2000 - EURO 3 + Elektronische Einspritzregelung + Hochdruckeinspritzung bis 2000 bar (common rail) + Abgasnachbehandlung mit SCR und Filter + Schwefelfreier Dieselkraftstoff < 10 ppm 2006 EURO 4 2008 EURO 5 mit Filter zero emission 1
Diesel Partikel auf einer 5 μm Filterfaser Diesel Partikel Grössen verteilung Morphologie hängt von der Grösse ab Quelle: METZ, BMW 2
Aerosol Anzahl-Verteilungen Stadt (Zürich) und Land (Zürcher Oberland) 10 6 10 5 6 November 2001 dn/d(logd) (cm -3 ) 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 Urban Area: Rural Region: (Downtown Zürich) (Zürcher Oberland) Day (SMPS) Day (SMPS) Night (SMPS) Night (SMPS) Day (OPC) Day (OPC) Night (OPC) Night (OPC) 10 100 1000 10000 10 100 1000 10000 Dp (nm) Bukowiecki et al., Atmospheric Environment, 2002 Ablagerung von Partikeln in den Atemwegen 3
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
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 1978-93 15 000 cases Korrelation nur mit ultrafeinen Partikeln (Quelle: Dockery NEJM 1993 ) 5
Was leistet die Gesetzgebung? EU-Standards zur Schadstoffverminderung der NFZ-Dieselmotoren 6
EU-Grenzwerte für Strassenfahrzeuge 7
Was leistet die Motorindustrie? Wie gut sind die neuesten Motoren Euro 4/5? 8
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
SCR ist sehr effizient über 300 C jedoch ineffizient - wirkungslos unterhalb von 200 C Auswirkung der SCR (AdBlue) Technik auf die Abgasschadstoffe 10
AGR mit PM-Kat erreicht EURO 4 Partikelfilter offen (Bsp. PM-Kat ) - Aerodynamisches Abscheidesystem - Abscheidegrad 30-50% - Keine VERT-Zertifizierung 11
Auswirkung der PM-Kat-Technik auf die Abgasschadstoffe Partikelkonzentration Euro 3/4/5 bei 1400 U/min 12
Gasförmige Emissionen Euro 4 [ppm] Gasförmige Emissionen Euro 5 [ppm] 13
Was leisten Partikelfilter? Partikelfilter geschlossen - Abscheidegrad >99% - In vielen verschiedenen Ausführungen und Grössen einsetzbar - In CH und vielen anderen Staaten zugelassen (VERT) 14
Cordierit und Silikonkarbid typische keramische Werkstoffe 15
16
Anforderungen an DPF - Abscheidegrad: > 99 % ohne Alterung (20-300 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
Gefiltertes Diesel-Abgas ist sauberer als die Umgebungsluft (Quelle VERT 1998) Filtrationsschwächen beim Übergang Diffusion-Impaktion 18
VERT- geprüfte PFS einige Beispiele Active Regeneration Passive Regeneration Filtration-Efficiency DEUTZ Full Flow Burner 98 old data ECS-UNIKAT Electr.Heating Catalyt.Coating 99.99 HJS CRT, FBC (Additives) 99.40 JOHNSON MATTHEY Electr.Heating CRT, FBC 99.50 HUSS Electr.Heating Standstill-Burner 99.99 DCL Electr.Heating Intake Throttling FBC, Catalyt.Coating 99.99 ARVINMERITOR Full Flow Burner 99.84 ENGELHARD CSF 99.60 HUG Full Flow Burner Catalyt.Coating 98.60 INTECO FBC 99.24 EHC Exchangable 96.70 TSH Electr.Heating Catalyt.Coating 98.90 Regeneration = rückstandsfreie Verbrennung des Russes im Filter 19
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-12 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Temperatur ( C) HJS/EMINOX/JOHNSON MATTHEY CRT:kontinuierliche Regeneration mit NO2 20
CRT-Regenerations-Fenster CRT-Filtersystem 21
ENGELHARD/DINEX/BAUMOT/HUG: Katalytisch beschichtete Filter NO NO 2 - Konversion mit katalytischen Beschichtungen und Additiven 22
EMINOX (LARAG) / AIRMEEX Regeneration mit Additiven ( FBC) Regenerations-Prozess mit Additiven (FBC) 23
Comparison of Soot Oxidation Rate @590 w/o NO 2 time 2006-01-1526 HUSS, JMC, UNIKAT Elektrische Beheizung im Stillstand 24
Elektrische Beheizung im Stillstand 25
DEUTZ, HUG, ARVIN MERITOR Vollstrom Diesel-Brenner 26
PFS for large engines in locomotives and ships 300 locomotives 200-3000 kw 15 000 hrs in operation Standard Filtermodul Restsauerstoff im Abgas: > 8% Heizleistungen: 30 400 kw Druckluft > 5 bar: 20 Nm 3 /h Dieselkraftstoff: 3 40 l/h Stromversorgung: 24 VDC FS26 spezial Vollstrom Diesel-Brenner 27
GAT (RP) Diesel-Brenner im Leerlauf Diesel Brenner im Leerlauf GAT 28
HUSS, ATH, GREENTOP Diesel-Brenner bei Motorstillstand 29
Diesel-Brenner bei Motor-Stillstand COMELA, PURITECH, DONALDSON Katalytische Verbrennung 30
Regeneration durch katalytische Verbrennung PEUGEOT: Nacheinspritzung und FBC 31
Peugeot mit FAP 1 Mio Fahrzeuge erfolgreich im Einsatz! 19 Späte Nacheinspritzung + FBC + NO2 32
COMELA (RP) Wärme-Speicherung und Regelung Strategie der Wärmespeicherung 33
MAN, ENWA, LOGLINK Wärmemanagement mit Gas-Drosselung 34
Regeneration durch Gas-Drosselung HUSS, JMC, ECS, DCL : Wechselfilter 35
ENDEAVOUR : Einmal-Filter Hausmüll 36
Kombination von SCR und Partikelfilter Auswirkung der Kombination SCR + PFS auf die Abgasschadstoffe 37
Ausreinigen der Asche alle 1000 2000 Betriebsstunden Verstopfen von Filterzellen durch Asche aus Schmieröl und Abrieb 38
Alternativen? Gas Biodiesel Wasserstoff Brennstoffzelle 39
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
Auswirkung von RME/Diesel-Blends auf die Feinstpartikel Alternative Treibstoffe? 41
Wasser / Diesel Emulsionen? Erdgas-Ottomotor oder Dieselmotor? 42
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
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
und was kostet uns das? 45
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
Verdampfung und Verbrennung von Dieselpartikeln Analysis of Reaction Sustainability 2006-01-1526 47