Bewertung und Darstellung von Technologien zur Erreichung niedrigster NOx-Emissionen am Beispiel eines NFZ-Dieselmotors

Autoren

C. A. Sharp, Dr. C. Henry, G. Neely, S. Rengarajan, J. Sarlashkar, Southwest Research Institute, San Antonio, USA; C. C. Webb, Low Emission Technology Solutions, San Antonio, USA; Dr. S. Yoon, California Air Resources Board, Sacramento, USA

Jahr

2017

Druckinfo

Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 802

Zusammenfassung

Mit den vor kurzem in den Vereinigten Staaten eingeführten Emissionsgrenzwerten für NFZ-Motoren wurde für Stickoxide (NO_x) eine Obergrenze von 0.20 g/bhp-hr festgelegt, was einer 90%-igen Reduktion gegenüber den davor geltenden Emissionsgrenzwerten entspricht. Trotzdem wurde prognostiziert, dass, selbst wenn die gesamte Flotte von schweren Nutzfahrzeugen auf den Straßen von Kalifornien diese Grenzwerte erreicht, die bevorstehende landesweite Regelung für die Luftqualität in der Umwelt (NAAQS) bezüglich der Partikel- und Ozonemissionen, ohne eine weitere drastische Reduktion der NO_x-Emissionen von schweren Nutzfahrzeugen, nicht eingehalten werden kann. Derzeit haben die Hersteller von Motoren wenig Anreiz, die NO_x-Emissionen unter die derzeit geltenden Grenzwerte abzusenken, so dass das Potential für weitere Reduktionen auch nicht eindeutig abzuschätzen ist. Um diese Unklarheiten zu beseitigen, hat das California Air Resources Board (CARB), die kalifornische Behörde für die Luftreinhaltung, eine Studie in Auftrag gegeben, die darauf abzielt, Technologien, mit Hilfe derer NO_x-Emissionen erreicht werden können, die weit unter den derzeitigen Grenzwerten liegen, aufzuzeigen und zu bewerten. Bei diesem Projekt liegt der mit Hilfe des US Tests für schwere Nutzfahrzeuge (Heavy-Duty Federal Test Procedure) gemessene Zielwert für NO_x-Emissionen bei 0.02 g/bhp-hr. In der Studie werden eine verbesserte Motor-Kalibrierung zur Absenkung der Emissionen ebenso bewertet wie die Möglichkeiten von verbesserten Abgasnachbehandlungstechnologien und neuer Konfigurationen, sowie Möglichkeiten von Katalysatoren mit höherem Wirkungsgrad und Möglichkeiten durch verbessertes Abgassystem-Thermomanagement und verbesserte Dosier- und Motormanagement-Strategien. Die Untersuchungen erfolgten an zwei Nutzfahrzeugmotoren: einem Erdgasmotor mit Dreiwege-Katalysator (TWC) sowie einem Dieselmotor mit Partikelfilter (DPF) und selektiver katalytischer Stickoxid-Reduktion (SCR). Im Vortrag werden lediglich die am Dieselmotor vorgenommenen Maßnahmen beschrieben. Ursprünglich erfolgte die Bewertung einer Vielzahl von Technologien anhand einer neuartigen, brennerbasierten Lösung zur Simulation der transienten Abgasbedingungen eines Verbrennungsmotors. Dabei gelangte das vom SwRI entwickelte, institutseigene Hot Gas Transient Reactor (HGTR) System zur Anwendung. Damit konnten viele unterschiedliche Technologien, wirksamer als am Motorprüfstand, und reproduzierbar bewertet werden. Die Bewertung erfolgte mittels eines Abgasprofils, das auf einer modifizierten Motor-Kalibrierung beruhte und auf ein rascheres Anspringen des Katalysators sowie auf eine Reduzierung der NO_x-Emissionen in der Phase vor dem Anspringen des Katalysators ausgelegt war. Aus allen bewerteten Möglichkeiten wurden einige Varianten zur praktischen Untersuchung am Motor ausgewählt, wobei ihr Potenzial für die Reduktion von NO_x-Emissionen, ihre Auswirkungen auf den Treibhausgasausstoß und andere Faktoren, wie Kosten und Komplexität, berücksichtigt wurden. Auf der Grundlage dieser Untersuchungen erfolgte die Entwicklung einer endgültigen Systemkonfiguration zur Erreichung der angestrebten Emissionswerte. Die Hardware für die Abgasnachbehandlung wurde anschließend am Motor getestet und anschließend anhand eines beschleunigten Alterungsprofils gealtert. Zur Beurteilung des Emissionsniveaus über die gesamte Nutzungsdauer wurden die Untersuchungen in gealtertem Zustand durchgeführt. In diesem Vortrag werden der Technologieauswahlprozess, sowie Einzelheiten der endgültigen Konfiguration und Steuerung beschrieben und die dokumentierten Emissionswerte dargestellt. Zum Zeitpunkt der Verfassung dieses Vortrages waren die Ergebnisse der Alterungsuntersuchungen noch nicht für die öffentliche Bekanntgabe freigegeben, so dass nähere Aussagen darüber erst später möglich sein werden. Der Wirkungsgrad des Systems wurde sowohl in den vorgeschriebenen Testzyklen (FTP, RMC-SET, WHTC) als auch in einigen Zyklen aus praktischen Feldversuchen bestimmt.