Ausgewählte Ansätze zur Schadstoffreduzierung

Möglichkeiten zur NOx-Emissionsreduzierung durch optimierte und neuartige Brennverfahren Dr.-Ing. Uwe Wagner INSTITUT FÜR KOLBENMASCHINEN Fachtagung Herausforderung NO2-Immissionen Heidelberg 2010 KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association www.kit.edu

Gliederung Einleitung Ausgewählte Ansätze zur Schadstoffreduzierung Zusammenfassung 2 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Wege zur Schadstoffreduzierung Optimierung konventioneller BV: Alternative BV: Alternative Kraftstoffe: Abgasnachbehandlung: Optimierte Einspritzstrategien Abgasrückführung Aufladung Einspritzdruckerhöhung HCCI-Verfahren PCCI-Verfahren LTC-Verfahren Zündstrahl Diesel-Wasser- Emulsion Diesel-Ethanol- Emulsionen Diesel-Ethanol- Wasser- Emulsion SCR NO x -Speicherkat DPF Ziel: Einhaltung strenger Abgasgrenzwerte ohne Wirkungsgradnachteile 3 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Wege zur Schadstoffreduzierung 3. Optimierung konventioneller BV: Optimierte Einspritzstrategien Abgasrückführung Aufladung Einspritzdruckerhöhung Alternative BV: HCCI-Verfahren PCCI-Verfahren 2. LTC-Verfahren Zündstrahl Alternative Kraftstoffe: Diesel-Wasser- Emulsion Diesel-Ethanol- Emulsionen Diesel-Ethanol- Wasser- Emulsion 1. Abgasnachbehandlung: SCR NO x -Speicherkat DPF Ziel: Einhaltung strenger Abgasgrenzwerte ohne Wirkungsgradnachteile 4 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Versuchsmotor NFZ-Einzylinder-Forschungsaggregat Hubraum: 1827 cm3 Hub: 142,0 mm Bohrung: 128,0 mm Verdichtungsverhältnis: 17,7:1 Common-Rail-Einspritzung Externe Aufladung Abgasrückführung pinj = 1600 bar 5 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO2-Immissionen

Gliederung Einleitung Ausgewählte Ansätze zur Schadstoffreduzierung: Emulsionskraftstoff Alternative Brennverfahren Optimierte Einspritzstrategie Zusammenfassung 6 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Abgasgesetzgebung EU 97/68/EG Eisenbahnen p mi /p mi max Bezeichnung Lastpunkt 1900 rpm / 20 bar 1900 rpm / 15 bar 1900 rpm / 10 bar 1900 rpm / 2 bar 1300 rpm / 20 bar 1300 rpm / 15 bar 1300 rpm / 10 bar 800 rpm / 1 bar Anteil Nenndrehzahl: 55% Anteil Zwischendrehzahl: 30% Anteil Leerlauf: 15% 7 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

C1-Zyklus Stage IIIb Grenzwert E10W10 mit AGR und Spritzbeginnoptimierung Stickoxide und Partikel mit AGR und angepasstem Einspritzbeginn innerhalb der Grenzwerte 8,000 7,000 6,000 spezifische NOx Emissionen NOx Grenzwert 0,030 0,025 spezifische Partikel Emissionen g/kwh 5,000 4,000 3,000 2,000 g/kwh 0,020 0,015 0,010 Partikel Grenzwert 1,000 0,005 0,000 E10W10 ohne AGR E10W10 mit AGR E10W10 mit AGR- und ASB- Optimierung 0,000 E10W10 ohne AGR E10W10 mit AGR E10W10 mit AGR- und ASB- Optimierung 8 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

C1-Zyklus Stage IIIb Grenzwert E10W10 mit AGR und Spritzbeginnoptimierung spezifischer Kraftstoffverbrauch steigt bezogen auf Heizwert nicht an spezifischer Kraftstoffverbrauch Dieseläquivalent 220 b i [g/kwh] g/kwh 180 140 100 Diesel E10W10 ohne AGR E10W10 mit AGR E10W10 mit AGR- und ASB- Optimierung Kraftstoffmasse auf den Heizwert von Diesel bezogen 9 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Wirkungsgrad vollkommener Motor Geringere Klopfneigung magerer Gemische ermöglicht zusätzlich die Erhöhung der Verdichtung 11 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Eigenschaften mager betriebener Ottomotoren Größerer Isentropenexponent Gesteigerter thermodynamischer Wirkungsgrad Geringere Prozesstemperaturen geringere Wandwärmeverluste geringere NO x -Emissionen Geringere Klopfneigung höhere mögliche Verdichtung verlängerte Entflammungsphase und langsame Verbrennung erhöhte Zündenergie notwendig 12 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Zündstrahlverfahren Ein homogen-mageres Grundgemisch aus Benzin wird durch die Piloteinspritzung einer kleinen Menge Diesel sicher und schnell gezündet. Zündung durch Pilotkraftstoff Homogen-mageres Grundgemisch Hohe Energiedichte im Pilotstrahl sorgt für sichere Entflammung Niedrige Verbrennungstemperaturen und damit geringe NO x -Emissionen Sehr geringe Rußemissionen durch sehr kleinen Anteil an kraftstoffreichen Verbrennungsbereichen 13 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

NO x -Minderungspotenzial 0,45 0,4 0,35 0,4 g/kwh n = 1175 1/min p mi = ca. 10 bar p Inj = 1200 bar Χ 0,9 0,3 NO x [g/kwh] 0,25 0,2 0,15 82% 0,1 0,05 0,07 g/kwh 0 EPA Tier 4 ab 2014 Zündstrahlverfahren 14 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Einfluss einer Voreinspritzung Zylinderdruck [bar] 100 90 80 70 60 Mit Voreinspritzung: Positiv: Verringerung des Druckgradienten Verringerung der Stickoxidemissionen Negativ: Anstieg der Rußemissionen 50 Ohne Voreinspritzung: 40 Positiv: Verringerung der Rußemissionen Negativ: Erhöhung des Druckgradienten Anstieg der Stickoxidemissionen 30 160 170 OT 190 200 210 Kurbelwinkel [ KW] 16 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Räumliche Trennung von Vor- und Haupteinspritzung Die Idee Voreinspritzung erfolgt in einen anderen Brennraumbereich als die Haupteinspritzung Vermeidung eines direkten Zusammentreffens des während der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffes mit den Bereichen, in denen der voreingespritzte Kraftstoff umgesetzt wird / wurde Verbessertes Luftverhältnis für die Haupteinspritzung Reduzierung der Rußbildung und Erhöhung der Rußoxidation main injection pilot injection 17 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Modifikationen an Zylinderkopf und Kolbenmulde Optischer Zugang 1 Hauptinjektor Druckindizierung 2 Vorinjektor Hauptinjektor Modifizierte Mulde Strahlen der Voreinspritzung 1 Voreinspritzung Haupteinspritzung 18 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

PM NO x Zielkonflikt NOx [g/kwh] 8 7 6 5 4 3 ASB HE = -1 KW vor ZOT m VE = 2 mg VE-HE = 15 KW PMI = 6 bar AGR-Rate = 0 % AGR-Rate = 10 % Konventionelle Einspritzstrategie Advanced Split Injection Strategy NO x -50% 2 1 Euro V AGR-Rate = 20 % PM -40% Euro VI 0 0.00 0.02 0.04 0.06 PM [g/kwh] AGR-Rate = 30 % 19 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Vorzüge des ASIS-Systems Optimierung der Düsengeometrie auf geringeren Durchfluss der Voreinspritzung Verringerung des Schwärzungsbuckels bei niedriger Last Optimierte Gemischbildung auch bei Voreinspritzung Weite Voreinspritzmengentoleranz Verringerung der Wandbenetzung mit Kraftstoff bei homogenen Brennverfahren Zentrale Ausrichtung der Voreinspritzung Zylinderdruck bei früher Einspritzung gering Kombinierbar mit konventionellem Brennverfahren für hohe Lasten Verringerung der Rußemission bei Nacheinspritzung Kurz nachgelagert NE nutzt den Sauerstoff im Brennraumzentrum Optimierte DPF Regeneration 20 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Zusammenfassung Weitere Senkung der Rohemissionen mit verschiedenen Maßnahmen je nach Anwendungsfall möglich Beibehaltung guter Wirkungsgrade möglich Alternative Kraftstoffe (auch auf biogener Basis) ermöglichen Schadstoffreduzierung bei bestehender Technologie Weiteres Potenzial durch alternative Technologien / Brennverfahren erschließbar 22 20100118uw Dr. Uwe Wagner Fachtagung Herausforderung NO 2 -Immissionen

Möglichkeiten zur NOx-Emissionsreduzierung durch optimierte und neuartige Brennverfahren Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. INSTITUT FÜR KOLBENMASCHINEN Fachtagung Herausforderung NO2-Immissionen Heidelberg 2010 KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association www.kit.edu