Deutz AGN System: Grundlagen Tier4 interim Train the Trainer Herbst Hans Reinke 2013/08/20

Deutz AGN System: Grundlagen Tier4 interim Train the Trainer Herbst 2013 Hans Reinke 2013/08/20

Abgasnachbehandlung AGN Abgasemissionen Gesetzgebung Veränderungen Tier3 zu Tier4i Abgasnachbehandlung AGN Systemübersicht

Abgasemission: Entstehung NOx & Partikel NOx-Emissionen: >> entstehen bei hohen Verbrennungstemperaturen (Motor ohne AGR) Maßnahme: Reduktion mittels AdBlue im SCR-Katalysator Partikel-Emissionen: >> entstehen bei niedrigen Verbrennungstemperaturen (Motor mit AGR) Maßnahme: Ausfiltern mittels Dieselpartikelfilter Fazit: Motorische Maßnahmen, die eine Senkung der NOx-Emissionen bewirken, haben im Allgemeinen einen Anstieg der Partikelemissionen zur Folge und umgekehrt. AGR = Abgasrückführung SCR = Selektive katalytische Reduktion

Abgasemission: Zusammensetzung der Dieselpartikel Häufigster Durchmesser 100 Nanometer (0,0000001 m) Sulfate 12% Asche 10% Sonstiges 5% Unverbranntes ÖL 23% Unverbrannter Kraftstoff 6% Kohlenstoff 44%

Abgasemission: NO x NO x : Stickoxide (hauptsächlich NO & NO2), werden auch mit NO x abgekürzt, da es auf Grund der vielen Oxidationsstufen des Stickstoffs mehrere Stickstoff- Sauerstoff-Verbindungen gibt. Die meisten Verbindungen sind farb und geruchslos. Ursache: Thermisch erzeugte NO x entstehen bei Temperaturen über 1200 C durch die Oxidation der Stickoxide in der Verbrennungsluft. Die Bildungsrate nimmt mit der Temperatur exponentiell zu. Gefahr: Wenn Sauerstoff mit NO x reagiert, ensteht bodennahes Ozon, welches negativ auf unser Lungensystem wirkt und krebserregend sein kann. Saurer Regen und Verschlechterung der Luftqualität kommen ebenfalls noch hinzu. Reduktionstechnologie: Selektive Catalyische Reduktion (SCR), Abgasrückführung, Optimierung der Verbrennung

Abgasemission: Rußpartikel Giftstoffe Metalle Sekundäre Sulfate und Nitrate Organische Kohlenstoffverbindungen Kohlenstoffkern

Abgasemission: Rußpartikel (engl. PM) Particulate Matter PM: Dieselruß bzw. Feinstaub (PM) besteht vorrangig aus Rußpartikeln, die durch unvollständige Verbrennung von Diesel entstehen. Diese mikroskopisch kleinen Partikel haben in der Regel einen von einer Vielzahl anderer Stoffe umhüllten Kohlenstoffkern: Metalle, sekundäre Sulfate und organische Verbindungen. Ursache: Resultat einer fetten Verbrennung, hervorgerufen durch hohe Lastzustände bzw. in Situationen wie Stop&Go, variierender Geschwindigkeiten, Kaltstarts oder längerer Leerlaufphasen. Gefahr: Eine erhöhte Feinstaubbelastung der Luft wird für Gesundheitsschäden wie Herzerkrankungen, Beeinträchtigung der Lungenfunktion und Lungenkrebs verantwortlich gemacht. Daher ist die Reduzierung des Feinstaubausstoßes die dringlichste Aufgabe. Reduktionstechnologie: Dieselpartikelfilter, Optimierung der Verbrennung

Abgasemission: Kohlenwasserstoff (HC = Hydro Carbons) HC: Kohlenwasserstoffe sind Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Diese sind in Öl und Diesel vorhanden. Ursache: Kohlenwasserstoffe sind ein Resultat einer unvollständigen Verbrennung von Diesel und auch Schmieröl. Gefahr: Kohlenwasserstoffe sind die Vorläufer für die Ozonbildung und eine ernste Bedrohung der Luftqualität. Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Sonnenlicht sind Vorraussetzung zur Bildung von Ozon (Smog). Die Folgen für den Menschen können Lungen- und Herzschädigungen sein. Reduktionstechnologie: Dieseloxidationskatalysator (DOC), Optimierung der Verbrennung

Abgasemission: Kohlenstoffmonoxid ( CO ) CO: Kohlenstoffmonoxid ist ein tödliches, giftiges, geruchs- und farbloses Gas. Ursache: Es ensteht bei unvollständiger Verbrennung von Kraftstoffen und Schmieröl. Gefahr: Kohlenmonoxid ist deshalb gefährlich, weil es beim Einatmen den Sauerstoff im Blut ersetzt und langsam Herz, Gehirn und andere Vitalorgane vom Sauerstoff ausschließt. Große Mengen von Kohlenmonoxid führen ohne Vorwarnung zu Bewusstlosigkeit und Erstickung. Reduktionstechnologie: Dieseloxidationskatalysator (DOC), Optimierung der Verbrennung

Gesetzgebung: Neue Verantwortung Hinweise zur EU Norm und US-EPA Stufenweise Emissionsreduzierung Grenzen der innermotorischen Lösungen

Globale Verantwortung Lösungsvorschlag für die Reduzierung von Treibhausgasen unterstützt von der EU, UK, China, Afrika und der Weltbank.

Gesetzgebung: Verantwortungsbereich der Motorenhersteller Tier4i / EU Stufe IIIB Zone : Nordamerika, Europa und Japan MN 118-09-11 Emission Downgrade Motorvarianten Tier4i nur in Regionen mit einem Schwefelanteil bis max. 2000 ppm zugelassen.

Gesetzgebung: Verantwortungsbereich der Motorenhersteller bis 2011 ab 2011 (Tier 4 interim) Verantwortungsbereich bis Ausgang Motor Verantwortungsbereich bis Ausgang Endrohr

Gesetzgebung: Herausforderung Off-Highway Seit Anfang 2012 sind die Emissionsstufen US EPA Tier 4i (interim) und EU Stufe III B für Motoren in mobilen Arbeitsmaschinen ab einer Leistung von 56 kw in Kraft getreten. Die Emissionsgrenzwerte und Einführungstermine sind abhängig von Leistungsklassen (mit sinkender Leistung nehmen die Anforderungen ab). Für jede Kundenanwendung und für jede Leistungsklasse muss ein Gesamtoptimum gefunden werden. Im Jahr 2014 werden die Stufe US EPA Tier 4 final/ EU Stufe IV eingeführt. TCD 2.9 erfüllt jetzt die Abgasstufe Tier 4 final. Engl. interim = Übergang

Partikel (g/kwh) Gesetzgebung: Stufenweise Emissionsreduzierung 10 0,9 0,8 0,7 Innerhalb von 15 Jahren PM-Emissionen reduziert um 96.5 % Nox-Emissionen reduziert um 95.7 % US Tier 1 / EU Stage I 75-130 kw (1999) 0,6 0,5 0,4 0,3 US Tier 3 / EU Stage III 75-130 kw (2006) US Tier 2 / EU Stage II 75-130 kw (2004) 0,2 0,1 0,0 US Tier 4 / EU Stage IV 56-130 kw (2014) US Tier 4 interim / EU Stage III B 56(37)-130kW (2012) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Nox (+HC) (g/kwh)

Modulare DEUTZ Abgasnachbehandlungssysteme So viel Technologie wie nötig und nicht so viel wie möglich.

Abgasnachbehandlung (AGN) Einführung AGN-Systeme Strategie & Übersicht AGN-Systeme DPF System Aktive DPF Regeneration mit Brenner Offene Filtersysteme : Dieseloxidationskatalysator (DOC) Geschlossene Filtersysteme (DOC+DPF) CRT-Regeneration Motor EMR4 EDC 17 Abgasnachbehandlungs -system AGN Aktives System mit DPF Mit Brenner Passives System DOC Passives System CRT SCR

Abgasnachbehandlung (AGN) DEUTZ Strategien für Tier 4i Zur Erfüllung der Tier 4i Abgasnorm ist eine Abgasnachbehandlung erforderlich. Es sind grundsätzlich zwei Strategien möglich: 1. Motor ist auf die Partikelemissionen optimiert: => SCR-System notwendig. 2. Motor ist auf die NOx-Emissionen optimiert: => Partikelfilter System notwendig. DEUTZ Tier 4i Motoren: Industrie Versionen (z.b. TCD4.1) => Partikelfilter System Agripower und TCD12.0V6, TCD16.0V8 => SCR-System

Abgasnachbehandlung (AGN) Regeneration Wie wird man den gesammelten Ruß los? => Verbrennung zu CO2 Option 1: Passive Regeneration Verbrennungsprozess basiert auf NOx Temperaturbereich 250..450 C optimal Kontinuierlicher Prozess während des normalen Betriebes Benötigt NOx/Ruß-Verhältnis > 50:1 => nur möglich unter 130kW Benötigt ein Lastprofil mit ausreichenden Abgastemperaturen Option 2: Aktive Regeneration Verbrennung mit dem Restsauerstoff im Abgas Benötigte Temperatur > 600 C Dies kann nur mit zusätzlicher Wärmequelle erreicht werden Aktive Regeneration wird ausgelöst durch: Differenzdruck / Zeit (Standard)/ aus Kraftstoffverbrauch berechnen

Abgasnachbehandlung AGN DEUTZ Strategien für Tier 4i DPF-Systeme Passive Regeneration Motor DOC DOC+DPF ohne Brenner (CRT) TCD 2.9 X (alle) X (optional) Aktive Regeneration DOC+DPF mit Brenner TCD 3.6 X (alle) X (optional) TCD 4.1 TCD 6.1 TCD 7.8 X (alle / nicht bei STILL) X (optional<130kw) X (optional / bei STILL Serie) X (alle) X (alle) TCD 12.0 und 16.0 sowie Agripower laufen mit SCR-Abgastechnik

Abgasnachbehandlungssystem Motor EMR4 EDC 17 Abgasnachbehandlungs -system AGN Aktives System mit DPF Mit Brenner Passives System DOC Passives System CRT SCR

Abgasnachbehandlung DPF Aktives System Brenner/Verdampfer Aktive Regeneration DOC DPF + HC und CO werden oxidiert + >99% Partikelreduzierung durch DPF + NO2-freies System, d.h. auch einsetzbar in Bereichen mit strengen Immisionslimitierung + Keine motorischen Maßnahmen zur Temperaturanhebung notwendig + Sichere Filterregeneration auch nach langem Schwachlastbetrieb + Aktive Komponenten werden am Motor montiert Erhöhter Aufwand für Brennerinstallation

Abgasnachbehandlung DPF Systemübersicht DPF, mit Teilstrombrenner am TCD 7.8 L6 (wie TCD 4.1 L4) Brenner Flexelement Abgasleitung (Kunde) Sensormodule Luftverdichter DOC DPF-Modul Endrohr (Kunde)

Exhaust aftertreatment for Tier 4 non-road engines DEUTZ EAT solutions - Single system DOC DOC Ein DOC bzw. Dieseloxidationskatalysator ist ein Bauteil, welches einen chemisch bedingten Prozess nutzt, um die Schadstoffe im Abgasstrom in harmlosere Stoffe zu zerlegen. Im Aufbau ist das Bautteil wie eine keramische Wabe strukturiert und mit Palladium und / oder Platin beschichtet in Abhängigkeit vom Einsatzzweck. Warum? Der Hauptnutzen eines DOC ist nicht nur, dass Gas- und Partikelemissionen reduziert werden, sondern, dass auch die Wärmemenergie zusätzlich zur Regenerierung des Dieselpartikelfilters genutzt werden kann. +offenes System = kein Verstopfen der durchströmenden Medien +Passives System = keine komplexe Umrüstung notwendig +Wartungsfrei Ineffiziente Partikelreduzierung

Exhaust aftertreatment for Tier 4 non-road engines DEUTZ EAT solutions - Single system DOC DOC Konzept DOC (Diesel Oxidation Catalyst) Reduziert nachfolgende Schadstoffe: CO (Kohlenmonoxid) 70-95% HC (Kohlenwasserstoffe) 70-90% PM (Rußpartikel) bis zu 15% HC, CO DOC CO2, H2O

Abgasnachbehandlung AGN Passives System DOC Dieseloxidationskatalysator DOC Aufgabe: Senkung der CO & HC Emissionen Reduktion der Partikelmasse (PM) Oxidation von NO zu NO2 für nachgeschaltete Systeme Einsatz als katalytischer Brenner (für nachgeschaltete AGN Systeme)

Abgasnachbehandlung CRT-Prinzip Continuos Regeneration Trap Passives System DOC+DPF (geschlossenes Filtersystem) Passive Regeneration (CRT) DOC DPF + HC und CO werden oxidiert + > 99 % Partikelreduzierung durch DPF + Filterregeneration durch CRT Effekt Ggfs. Aufwand für Lastzuschaltung, z. B.: Hydraulik Empfindlichkeit gegenüber Schwachlastbetrieb aktive Maßnahmen notwendig Lastaufschaltung Drehzahlanhebung Drosselung

Abgasnachbehandlung TCD 2.9 mit AGN System nach CRT-Prinzip Drosselklappe Flex element mit Abgasleitung mit Abgastemp.- Sensor Differenzdruck- (nicht im Bild) Wärmeisolierung Wärmeisolierung vor und nach DOC sensor (Kundenseitig) AGS-Sensor DOC-Modul DPF-Modul Endrohr (Kundenseitig)

Abgasnachbehandlung DPF Continuos Regeneration Trap (CRT) Passive Regeneration (kontinuierlich unter bestimmten Betriebsbedingungen, engl. CRT) erfolgt immer dann, wenn die normale Abgastemperatur im Arbeitszyklus und das NOx zu Ruß Verhältnis (> 50:1) im Abgas eine Regeneration ermöglicht Die Auslegung der DEUTZ Systeme ermöglicht einen hohen Anteil passiver Regeneration Die Regeneration erfolgt hauptsächlich katalytisch im normalen Gerätebetrieb und braucht keinen Brenner Eine Drosselklappe im Motoransaugtrakt oder Lastaufschaltung im Gerät kann Temperaturen im normalen Betrieb auf das zur katalytischen Regeneration erforderliche Niveau anheben Ist ein temperaturabhängiger Prozess und beginnt bei einer durchschnittlichen Temperatur am Filter von ca. 250 C und erreicht volle Funktionalität bei 300 C Jedes Grad Abgastemperatur vor DOC hilft -> ISOLIERUNG der Abgasrohre Sonderfall Standstill Regeneration ( Service Regeneration ) Statischer Betrieb des Gerätes mit Anhebung der Abgastemperatur durch Motordrosselklappe, Nacheinspritzung, Drehzahlanhebung, statische Lastaufschaltung

Abgasnachbehandlung Kontinuierliche Regeneration (CRT) Balance-Point Abhängig von Umgebungsbedingungen und Lastzyklus Gleichgewichtspunkt zwischen Rußemissionen des Motors und Rußabbau im Filter Rußmasse im Filter bleibt im Mittel konstant Filterdifferenzdruck bleibt im Mittel konstant

Abgasnachbehandlung Kontinuierliche Regeneration (CRT) Oxicat chemistry: DPF chemistry:

Abgasnachbehandlung SCR (selektive katalytische Reduktion) SCR-Verfahren vermindert bei Dieselfahrzeugen die Stickoxidemissionen (Nox) Das für die SCR-Reaktion benötigte Ammoniak wird in einer 32,5- prozentigen, wässrigen Harnstofflösung (AdBlue) in den Abgasstrang eingespritzt. Aus AdBlue entsteht durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak und CO 2. Das so erzeugte Ammoniak kann in einem speziellen SCR- Katalysator bei entsprechender Temperatur mit denstickoxyden im Abgas reagieren. Der Verbrauch an AdBlue beträgt abhängig von der Rohemission des Motors etwa 2 bis 8 % der Menge des eingesetzten Dieselkraftstoffs.

Ausblick auf Tier 4 final in 2014

Abgasnachbehandlung DPF Wall Flow Filter Für Motoren TCD 3.6 bis TCD 7.8 verwendet DEUTZ Wall Flow Filter um Partikel aufzufangen Hoher Wirkungsgrad (>99%) Monolithischer Block (extrudiert) mit abwechselndblockierten Kanälen Partikelfilterung an der Oberfläche der Kanäle Mögliche Rußbeladung: 3g/l Filtervolumen DEUTZ-DPF: TCD4.1 => 5,6 7,9 l TCD6.1 => 9,3 13,9 l TCD7.8 => 16,3 19,5 l

Abgasnachbehandlung DPF Verschmutzung des Partikelfilters Die Ansammlung der nicht regenerierbaren Feststoffe im Filter, wie: Asche vom Schmieröleintrag =>!!!ÖL SPEZIFIKATIONEN BEACHTEN!!! (TR 0199-99-01217) Sulfate, Phosphate, Metallpartikel, Staub aus der Ansaugluft, etc. führt zu einer Reduzierung der effektiven Filterlänge und bewirkt eine Erhöhung des Abgasgegendruckes. Dies führt zu immer kürzeren Intervallen zwischen den Regenerationen, und ergibt letztlich die Notwendigkeit einer Filterreinigung: <130kW nach 3000 Bh > 130kW nach 4500 Bh Dieser Abstand ergibt sich aus den Vorgaben des Gesetzgebers (EPA)! Wartungsintervall wird über eine Aschelampe optisch angzeigt und wird anhand des verbrauchtes Dieselkraftstoffes errechnet! Asche im Filterkanal

Abgasnachbehandlung DPF DPF Systemkomponenten: DPF-Delta-P Sensor Aufgabe: Messwert zur Berechnung der DPF-Filter Beladung Technische Daten: Medium: Abgas, Ruß Umgebungstemperatur - 40 bis 125 C Maximale Druckbelastung 5 bar Versorgungsspannung 5 VDC ±0,25 Ausgangsspannung: 0,5 VDC bei 0 mbar bis 4,5VDC bei 350mbar Differenzdr

Abgasnachbehandlung DPF Wall Flow Filter Thermische Regeneration, Anforderungen: Aktive Initiierung der Regeneration notwendig. Oxidatitionsmittel Sauerstoff O2 (Restsauerstoff im Abgas). Ruß verbrennt ab einer Temperatur von 550 C (ohne Einsatz von Additiven). Hohe Abbrenngeschwindigkeit. Enthält nicht regenerierbare (brennbare) Anteile => Veraschung des DPF Risiko: Unkontrollierte Regeneration des DPF führt zu einer hohen Belastung bzw. auch zur Zerstörung. Verbrennung von 17g Ruß innerhalb kurzer Zeit entspricht 10 kw thermischer Leistung. => Überwachung der DPF-Beladung notwendig!

Abgasnachbehandlung DPF Verschmutzung des Partikelfilters Neuer Filter

Abgasnachbehandlung DPF Verschmutzung des Partikelfilters Besorgniserregend Inakzeptabel Extrem

Abgasnachbehandlung DPF DPF, intern gerissen Kontrollieren Sie den Filterauslass auf Anzeichen von Ruß. Dies würde bedeuten, dass die geschlossenen Zellen im Filter gerissen oder geschmolzen sind. Der gezeigte Schaden stammt von einem DPF, dessen Inneres geschmolzen ist, weil versucht wurde, ihn zu regenerieren, obwohl er hätte ausgetauscht werden müssen (aufgrund zu starker Rußeinlagerung). Dieser Filter muss ausgetauscht werden. Symptome: - Schwarzer Rauch aus dem Auspuff - - Ruß an der Außenseite des Filters

Abgasnachbehandlung DPF Geschmolzene DPF-Zellen Kontrollieren Sie den Filter auf zusammengebackene (linkes Bild) oder abgerundete Zellen (rechtes Bild). Suchen Sie auch nach großen Rissen in der Keramik, die offene Zellen freilegen.

Abgasnachbehandlung DPF DPF, schwer geschmolzen Beachten Sie, wie wenig die Außenfläche des Filters (rechtes Bild) trotz der starken Schmelze beschädigt ist. Wenn der DPF-Gegendruck konstant hoch ist oder die Regeneration sehr häufig erfolgt, kann dieser Schaden auftreten. Die Schmelztemperatur für das Keramikmaterial des DPF-Substrats beträgt 1450 C. Im vorliegenden Fall wurde diese ganz offensichtlich überschritten.

Abgasnachbehandlung DPF DPF, mit Öl oder Kraftstoff verunreinigt Die Abbildung zeigt einen ölgetränkten DPF. Als Ursache kommt ein festgegangener Turbolader in Frage. Zu viel Öl, Ruß oder Diesel im Filter löst bei der Regeneration eine unkontrollierte Verbrennung aus. Daher muss das DPF-Element ausgetauscht werden, wenn es mit Öl oder Diesel kontaminiert ist.

Abgasnachbehandlung DPF DPF, mit Wasser eingeweicht DPF-Einlass DPF-Auslass Zuviel Wasser in einem DPF vermischt sich mit angesammelter Asche und bildet eine zementartige Masse, die sich nicht aus dem Filter lösen lässt. Dies verringert das Aufnahmevermögen des Filters für Ruß und Asche.

Abgasnachbehandlung DPF Asche Reinigung Die Filter werden in einem Ofen auf bis ca. 800 C erhitzt, um die Einlagerungen zu lösen und im Nachgang werden diese ausgewaschen. Verfahren können herstellerabhängig auch abweichen und dient lediglich zur Veranschaulichung.

Abgasnachbehandlung DPF Asche Reinigung Sämtliche Einlagerungen können ausgeblasen oder gewaschen werden und somit als neuwertig im Umlauf gebracht werden. Die Qualität der gereinigten Filter wird in einem Messdatenblatt festgehalten.