Teil 1 - Berner Fachhochschule Technik und Informatik
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Teil 1 - Berner Fachhochschule Technik und Informatik
Berner Fachhochschule Haute école spécialisée bernoise Hochschule für Technik und Informatik HTI Haute école Technique et Informatique HTI Gwerdtstrasse 5 CH-2560 Nidau Tel./Tél. +41 (0)32 321 66 80 Fax +41 (0)32 321 66 81 Abgasprüfstelle (AFHB) Laboratoire de contrôle des gaz d’échappement Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Förderkennzeichen (UFOPLAN) 205 45 125 /01 Messtechnische Untersuchung offener Partikelminderungssysteme Typbericht GAT / V.2 Auftraggeber: Umweltbundesamt (UBA), Wölitzer Platz 1, D-06844 Dessau, Geschäftzeichen Z6-50 473 / 156 Projektleitung: Dipl. Ing. A. Mayer, TTM, Schweiz Berichterstattung: J. Czerwinski, Dipl. Ing. Dr. techn., P. Comte, Dipl. Ing. FH Abgasprüfstelle und Motorenlabor (AFHB) Hochschule für Technik und Informatik HTI, Biel Gwerdtstrasse 5, CH-2560 Nidau / Switzerland Jan. / Feb. 2007 B185a Berichts-Kennblatt 1. 4. Berichtsnummer UBA-FB Titel des Berichts 2. 3. Messtechnische Untersuchung offener Partikelminderungssysteme – Typbericht GAT 5. Autor(en), Name(n), Vorname(n) Jan Czerwinski, Dr. Dipl. Ing. Pierre Comte, Dipl. Ing. 6. Durchführende Institution (Name, Anschrift) AFHB Abgasprüfstelle FH Biel, CH Gwerdtstrasse 5 2560 Nidau Switzerland 7. 8. Abschlußdatum 9. Okt. 2006 9. Veröffentlichungsdatum 10. UFOPLAN-Nr. FKZ 205 45 125/01 11. Seitenzahl 25 12. Literaturangaben 22 13. Tabellen und Diagramme 30 14. Abbildungen 7 B185a Fördernde Institution (Name, Anschrift) Umweltbundesamt, Postfach 14 06, D-06813 Dessau 15. Zusätzliche Angaben: unter der Leitung von Dipl. Ing. A. Mayer, TTM Technik Thermische Maschinen, Föhrhölzlistrasse 14b, CH-5443 Niederrohrdorf 16. Kurzfassung Die Mechanismen der Partikelminderung eines Partikelminderungssystems (PMS) wurden an einem Euro 3 Diesel Personenwagen am Abgasrollenprüfstand eingehend untersucht. Dabei wurden neben den limitierten Abgaskomponenten (CO, HC, NOx und Partikelmasse) auch die nichtlimitierten Partikelzahlen mit verschiedenen Methoden mitgemessen. • Beim dynamischen Betrieb in verschiedenen Fahrzyklen liegen die mittleren Abscheideraten für Partikelmasse und für Nanopartikel bei 25% bis 29%. • Bei gemischter Fahrweise bewirkt das untersuchte PMS keine signifikante Verbrauchsänderung. • Beim Stationärbetrieb können je nach den Bedingungen und je nach dem zu bewertenden Parameter stark streuende Abscheidegrade (3% bis 62%) festgestellt werden. • Durch seine katalytische Wirkung trägt der anstelle vom original DOC montierter Partikelkatalysator zu den gleichen NO2-Konzentrationen bei. 17. Schlagwörter Partikelkatalysatoren, offene Partikelfilter, Abscheidegrade, Partikelmasse, Nanopartikel, Emissionen von Dieselmotoren. 18. Preis 19. 20. Report Cover Sheet 1. 4. Report No. UBA-FB Report Title 2. 3. Metrological Investigation of Open Particle Reduction Systems – Type Report GAT 5. Autor(s), Family Name(s), First Name(s) Jan Czerwinski, Dr. Dipl. Ing. Pierre Comte, Dipl. Ing. 6. Performing Organisation (Name, Address) Lab. for Exhaust Emission Control (AFHB) University of Applied Sciences, Biel, CH Gwerdtstrasse 5 2560 Nidau, Switzerland 7. 8. Report Date Oct. 9th, 2006 9. Publication Date 10. UFOPLAN-Ref. No. FKZ 205 45 125 / 01 11. No. of Pages 25 12. No. of Reference 22 13. No. of Tables, Diagrams 30 14. No. of Figures 7 B185a Sponsoring Agency (Name, Address) Umweltbundesamt, Postfach 14 06, D-06813 Dessau 15. Supplementary Notes: under leadership of Dipl. Ing. A. Mayer, TTM Technik Thermische Maschinen, Föhrhölzlistrasse 14b, CH-5443 Niederrohrdorf 16. Abstract The features of particle reduction by a particle catalyst were extensively investigated on an Euro 3 Diesel passenger car and chassis dynamometer. Additionally to the limited exhaust gas components (CO, HC, NOx and particle mass) the unlimited particle counts were measured with different methods. It can be stated, that : • At transient operation in different driving cycles the average reduction rates for particle mass and for nanoparticle counts are between 25% and 29%. • By the mixte driving patterns the investigated PMS causes no significant changes of fuel consumption. • The filtration efficiencies measured at stationary operation can scatter according to the circumstances and to the assessing parameter in a large spectrum (3% to 62%). • Due to the catalytic activity the PMS, which is mounted instead of original DOC causes the same level of NO2concentrations. 17. Keywords Particle catalysts, open particle filters, filtration efficiency, particle mass, nanoparticulates, emissions of Diesel engines. 18. Price 19. 20. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 ‘07 2 INHALTSVERZEICHNIS 1. ABKÜRZUNGEN UND SYMBOLE 3 2. EINLEITUNG 5 3. ZIELSETZUNG UND AUFTRAG 5 4. VORHANDENE INFORMATIONEN 4.1. VERT Qualitätsprüfung der DPF 4.2. Forschungsergebnisse mit PM-Katalysatoren 4.3. Wirkung des geradekanaligen Katalysators und des Auspufftraktes auf Nanopartikel 6 6 7 10 5. BETEILIGTE INSTITUTE UND VERANTWORTLICHE PERSONEN 11 6. VERSUCHTRÄGER 6.1. Fahrzeug 6.2. Treibstoff 6.3. Schmieröl 12 12 12 12 7. PRÜFSTANDSAUFBAU, MESSTECHNIK, AUSWERTUNG 7.1. Prüfstandsaufbau und Standard-Messtechnik 7.2. Standard-Emissionsmesstechnik 7.3. Partikelgrössen-Analytik und Partikel-on-line-Messtechnik 13 13 14 14 8. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 15 9. PROBANDEN 9.1. GAT Partikelkatalysator 16 16 10. ERGEBNISSE 10.1. Beladung ab Neuzustand 10.2. Blow-off 10.3. Lastschnitt 10.4. Konstantgeschwindigkeiten 10.5. Fahrzyklen 16 16 17 21 21 22 11. ZUSAMMENFASSUNG 23 12. DOKUMENTATION 24 13. LITERATURVERZEICHNIS 24 14. LISTE DER ABBILDUNGEN UND DIAGRAMME 26 15. ANHANG 26 UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 ‘07 3 1. ABKÜRZUNGEN UND SYMBOLE AFHB AGR AUVA BAB BAFU BUWAL c CADC CDI CO CNC CPC D 50% DC DI Di DIN DMA DME DOC DPF EC ECE ECU ELPI EMPA EPA EUDC FE FID FTP GC GRPE HC HD HJS INSOF IR-MS Kx LSD M M stage 11 MD19 MS Mw N NanoMet NEFZ Ni Abgasprüfstelle FH Biel, CH (http://labs.hti.bfh.ch → Automobiltechnik → Abgasprüfstelle) Abgasrückführung Austria Unfall Versicherungs- Anstalt Bundesautobahn (Germany) Bundesamt für Umwelt, (Swiss EPA) Bundesamt für Umwelt Wald und Landschaft (ab 1.01.2006 BAFU) mit Kaltstart Common ARTEMIS Driving Cycle Common Rail Diesel Injection carbon monoxide condensation nuclei counter condensation particle counter 50% Trenndurchmesser einer ELPI-Impaktorstufe (Balkentrennlinien) Diffusion Charging Sensor Direct Injection geometrischer Mittelwert 2 benachbarter Trenndurchmesser des ELPI-Impaktors (Balkenmitte) Deutsche Industrie Normen differential mobility analyzer Diesel Motor Emissions = EC (nomenclature of occupational health authority SUVA) Diesel oxidation catalyst Diesel Particle Filter Elemental Carbon Economic Comission Europe electronic control unit Electric low pressure impactor Eidgenössische Material Prüf- und Forschungsanstalt Environmental Protection Agency Extra Urban Driving Cycle filtration efficiency flame ionization detector Federal Test Procedure gas chromatography UN Groupe of Rapporteurs Pollution & Energie unburned hydrocarbons heavy duty Hans Jürgen Schulte Abgasnachbehandlunghersteller insoluble fraction infrared mass spectroscopy Conversion rate of the component “x” low sulphur Diesel ELPI Massenkonzentration gemittelt über die Partikelgrössenklassen und über die Messzeit ELPI Massenkonzentration aus der Impaktorstuffe 11 gemittelt über die Messzeit heated minidiluter Messstelle motorway, Autobahnteil ELPI Partikelzahl-Konzentration gemittelt über die Partikelgrössenklassen und über die Messzeit nanoparticle summary surface analyser (PAS + DC + MD19) Neuer Europeischer Fahrzyklus (ECE+EUDC) Nickel UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 ‘07 NO NO2 NOx NP NYCC OC PAH PAS PCDD/F PDTC PK PM PMAG PMP PMS PN POK PSD Pt PZ PZAG Rd RFK SMF SMPS SOF SUVA TAN TBG TBN TC TDI TPN TTM ULSD UBA Urb US-EPA VERT VFT1 VSET w 4 nitrogen monoxide nitrogen dioxid nitric oxides nanoparticles, alle Partikel < 999 nm New York City Cycle Organic Carbon Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Photoelectric Aerosol Sensor Polychlorinnated Dibenzodioxins / Furans post dilution thermoconditioner Partikelkatalysator particulate matter, particle mass (Probenahme bei 52°C, Filterwägung bei 20°C) Filtration Efficiency based on Mass, Partikelmasse Abscheidegrad, Particulate Measurement Program of GRPE Partikelminderungssystem particle number Pankl Oxidationskatalysator particle size distribution Platinium Partikelzahl Filtration Efficiency based on Number, Partikelzahl Abscheidegrad Road, Überlandteil Remus Filter Katalysator (Emitec Technik) Sintermetallfilter Scanning Mobility Particle Sizer soluble organic fraction Schweiz. Unfallversicherungs-Anstalt total acid number Tiefbaugenossenschaft (D) total base number thermoconditioner Turbo Direkt Injection Total Particle Number Technik Thermische Maschinen, Niederrohrdorf, CH ultra low sulphur Diesel Umwelt Bundesamt urban, Stadtteil US – Environmental Protection Agency Verminderung der Emissionen von Realmaschinen im Tunnelbau (Swiss – Austrian – German project, DPF retrofitting in underground) VERT Filter Test Phase 1 VERT-Sekundäremissionstest mit warmem Motor UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 ‘07 5 2. EINLEITUNG Partikelminderungssysteme PMS, (wie PM-Kat, City-Filter, Russfilterkat, EuroKat u.a.) gelten als eine preisgünstige Alternative zum geschlossenen Partikelfilter und drängen daher immer stärker für die Nachrüstung der Dieselfahrzeuge auf den Markt. Der grosse Vorteil dieser Abgasnachbehandlungssysteme, neben dem Preis, ist ihre Problemlosigkeit beim Betrieb, da sie keine Regenerationen und keine periodische Aschereinigung benötigen, was bei den geschlossenen Partikelfiltern (DPF) hingegen notwendig ist. Das Abscheideverhalten der Partikelkatalysatoren PMS ist naturgemäss schwächer, als bei den geschlossenen DPF’s. Es entsteht nun Abklärungsbedarf in welchem Ausmass dieser Nachteil erscheint und wie er aus dem Blickwinkel des Umwelt- und Gesundheitschutzes zu bewerten wäre. Auch die komplexen physikalischen Vorgänge – Überlagerung der Filtration und der katalytischen Oxidation, mögliche Speicher- und Entladeeffekte beim stationären und dynamischen Betrieb, sowie Auswirkungen auf die flüchtigen Abgasemissionskomponenten – stellen eine ganze Reihe von Fragen dar, welche für verschiedene Typen der Partikelkatalysatoren experimentell nachvollzogen sein sollen. Ein Schweizer Team, welches sich seit Anfang der 90er Jahren mit der Bewertung der DPF-Qualität (VERT Filter Test, VFT) befasst, und an den Schweizer Arbeiten zu GRPE PMP teilgenommen hat, wurde damit beauftragt die Abscheidegrade verschiedener Partikelkatalysatoren (PMS) bei verschiedenen Betriebsbedingungen an einem Diesel-PKW am Rollenprüfstand zu untersuchen. 3. ZIELSETZUNG UND AUFTRAG Ziel des Vorhabens ist es, die Grenzen der Leistungsfähigkeit offener Partikelminderungssysteme zu ermitteln. Durch die experimentelle Untersuchung von 4, unterschiedlich aufgebauten offenen Systemen sind deren wichtige Merkmale, wie Minderung der Partikelanzahl und der Partikelmasse zu beschreiben. Die erarbeiteten Resultate sollen zur Abklärung einiger Fragen im Zusammenhang mit der Emissionsminderung der Dieselmotoren, sowie zur Weiterentwicklung des Emissionskatasters dienen. Der Messauftrag beinhaltete die Untersuchungen des Fahrzeuges im Originalzustand (ohne PMS), sowie mit 4 verschiedenen PMS mit folgenden Zielsetzungen: • • • • • Einfluss der Beladung und Konditionierung ab Neuzustand, Einfluss transienter Zustände (blow-off) NO2-Verfügbarkeit Einfluss von Raumgeschwindigkeit und Temperatur – Emissionsfaktoren bei Konstantgeschwindigkeiten Emissionsfaktoren bei verschiedenen Fahrzyklen. Diese Aufzählung berücksichtigt die Reihenfolge, welche zusammen mit der detaillierten Vorgangsweise bei jeder Messreihe mit dem jeweiligen PMS, genaustens gleich eingehalten wurde. Weitere Informationen zur Vorgangsweise bei der Versuchsdurchführung der Tests siehe Kap. 8, das zugrundeliegende Versuchsprogramm befindet sich im Anhang A1. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 ‘07 6 4. VORHANDENE INFORMATIONEN 4.1. VERT Qualitätsprüfung der DPF VERT war in den 90er Jahren ein Verbundprojekt der Arbeitsschutz- und Unfallversicherungsinstitutionen aus der Schweiz (SUVA), aus Österreich (AUVA) und aus Deutschland (TBG) betreffend Verminderung der Emissionen von Realmaschinen im Tunnelbau, [1,2,3]. Es wurde im VERT Projekt sehr schnell erkannt, dass der Partikelfilter die effizienteste Massnahme zur radikalen Beseitigung der Partikelemissionen der Dieselmotore im Untertagebau darstellt. Zur Einführung der DPF-Nachrüstsysteme mussten: die Qualitätskriterien und die Qualitätsprüfung, Feldkontrolle und entsprechende Beratung und Betreuung der Benützer erarbeitet werden. Im VERT Filter Test (VFT) werden neben dem Abscheidegrad bei verschiedenen Motorbetriebs- und Filterbeladungzuständen am Motorprüfstand auch die Dauerhaltbarkeit und Funktionstüchtigkeit des Gesamtsystems (einschliesslich Überwachung und Regenerationssteuerung) im Feld (2000h) geprüft. Für manche Systeme, welche für die Regeneration die Katalysatoren gebrauchen, sei es als Beschichtung, als Kraftstoffadditive, oder als Kombinationen von beiden, muss ein VERT Sekundäremissionstest (VSET) durchgeführt werden. Dies ist notwendig, um festzustellen, ob im ungünstigsten Fall (worst case), mit erhöhter Anwesenheit von Chlor und Fluor (z.B. aus den Öl- / Kraftstoff- Additivpaketten) besonders gefährliche Sekundärsubstanzen, wie Dioxine und Furane (PCDD/F) erzeugt werden. Es werden im VSET bis zu 140 Substanzen in Spurenmengen (pg/L) nachgewiesen. Eines der wichtigsten Erkenntnisse der VERT Prüfungen ist, dass die Bewertung des Abscheidegrades des DPF nach Partikelmasse, welche gemäss der gesetzlichen Methoden gravimetrisch gemessen wurde, unzureichend ist. In vielen Fällen, insbesondere durch die Einflüsse der katalytischen Substanzen im DPFSystem, können Sulfate entstehen (dazu reicht auch nur der Schwefel aus dem Schmieröl), welche den DPF dampfförmig passieren und erst nachher auf dem PM-Messfilter kondensieren. Dies kann im Extremfall dazu führen, dass ein DPF, welcher die Festpartikel (NP, EC) perfekt (z.B. 98%) abscheidet, die Partikelmasse (PM) verdoppelt, oder verdreifacht. Der Abscheidegrad eines DPF wird nur mit Festanteilen der Partikel richtig beurteilt. In diesem Zusammenhang werden im VFT die Nanopartikel als wichtigstes Kriterium betracht, [4, 5]. Ein begleitendes Kontrollkriterium ist die coulometrische Analyse des Elementarkohlenstoffes (EC) in dem abgeschiedenen PMFilterrückstand. Die Nanopartikel können mit verschiedenen Methoden gemessen werden. Aufgrund ihrer Eigenschaft sehr leicht in den menschlichen Organismus einzudringen, gelten sie als besonders gefährlich, [6, 7, 8]. Seit einigen Jahren (2001) wird es auf der internationalen gesetzgeberischen Ebene die Möglichkeit der Einführung der Nanopartikel- Anzahlkonzentrationen als Zusatzparameter in die Abgasgesetzgebung diskutiert – Particulate Measurement Program (PMP) der UN Working Party on Pollution and Energy (GRPE), [9, 10, 11, 12]. Die Abscheidegrade auf Basis der gravimetrisch bestimmten Partikelmasse PMAG (welche immer einen SOF-Anteil beinhaltet) werden in VERT meistens aus Vergleichsgründen mitgemessen, können jedoch auf keinen Fall als Bewertungskriterium des Partikelfilters angesehen werden. Die Nanopartikelmessmethoden sind ausserordentlich sensibel und lassen einen geringsten Riss, oder Undichtheit im DPF-Material, oder im Canning sofort erkennen. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 ‘07 7 Die kontinuierlich messende Sensoren (PAS und DC, siehe NanoMet, Anhang A4) ermöglichen auch dynamische Messungen und können im Feld eingesetzt werden. Als wichtigstes VERT-Kriterium gilt, dass der Mittelwert aller gemessenen Partikelzahl-Abscheidegrade (PZAG) grösser (gleich) als 95% sein soll (d.i. die üblicherweise problemlos erreichbare Filtrationsqualität der geschlossenen DPF Anfang 90-er Jahre). 4.2. Forschungsergebnisse mit PM-Katalysatoren Partikelkatalysatoren (PMS) stellen eine relativ neue Technologie dar, die in der Wirkung zwischen Oxidationskatalysator und Partikelfilter liegt. Sie haben eine offene Bauweise, die auch bei unzureichender Regeneration das Zulegen durch angesammelte Partikel verhindern soll, sind jedoch so geformt und/oder beschichtet, dass eine Speicherkapazität für Partikel besteht. Bei ausreichend hohen Abgastemperaturen werden die gespeicherten Partikel katalytisch abgebrannt. Die grundlegenden Funktionalitäten sind bei allen bekannten Partikelkatalysatoren ähnlich, die technische Umsetzung jedoch unterschiedlich. Emitec Als erster wurde dem Publikum der Partikel-Katalysator von Emitec, Fig.1, vorgestellt. Dieser wurde zunächst bei den MAN Lastwagen eingesetzt. Durch einen Metalitträger aus Wellfolie mit entsprechenden Öffnungen und Schaufeln in den Kanälen des Katalysatorträgers hat man Strömungsbedingungen geschaffen, welche durch starken Impulsqueraustausch zwischen den Kanälen und durch die intensivierte Turbulenz sowohl die Ablagerungseffekte, als auch die katalytische Oxidation intensivieren. In weiteren Entwicklungschritten hat man zwischen die Wellfolien eine Vliesmatte als Glattlage platziert, welche einen Teil der Festpartikel filtert und dadurch die Abscheidegrade des gesamten Partikelkatalysators. Alles das ist nur mit einem geringen Anstieg des Druckverlustes erkauft, welcher in Anbetracht der Vorteile vernachlässigt werden kann. Emitec Partikelkatalysatoren werden zur Nachrüstung der Personenwagen unter dem Namen „Twin-Tec“ angeboten. Die Publikationen der Forschungsergebnisse [13, 14, 15] berichten über: • PM-Reduktion bei HDAnwendungen bis 77%, [13], • stabiles Langzeit – Gegendruckverhalten beim Betrieb mit schwefelarmem Kraftstoff LSD, • Reduktion von CO, HC und Anstieg von NO2, ähnlich wie beim DOC, • Fig. 1: Aufbau des Emitec / Twin-Tec Partikelkatalysators Nanopartikel Abscheidegrade bis 80%, [14]. Besonders interessant sind die Resultate von [15], welche neben der Abscheidung und der Oxidation von SOF auch die NO2-Russ-Reaktion und die kontinuierliche Oxidation von Russ (EC) nachweisen (CRTEffekt). UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 ‘07 8 HJS Fig. 2 zeigt den City-Filter von HJS, [16]. Dieses PMS entstand auf Basis des bewährten VERT-zertifizierten Sintermetallfilters (SMF), welcher in verschiedenen Bauformen für leichte und schwere Fahrzeuge angeboten wird. Das Abgas strömt im SMF durch eine poröse Wand, welche aus gesintertem Drahtgeflecht und Metallpulver besteht. Im PMS, welcher für Nachrüstung der Personenwagen und leichter Nutzfahrzeuge als „City-Filter“ angeboten wird, ist eine Bypassöffnung vorgesehen, welche einen unzulässigen Anstieg des Gegendruckes im Falle des stark belegten Filtrationsmaterials verhindert. Die PMS werden auch als offene Partikelfilter, bzw. Partikelfilter mit Bypass bezeichnet. In dem HJS City-Filter sind die Funktionen: Filtration und Bypass am deutlichsten baulich getrennt, sie sind jedoch auch in den anderen PMS-Typen vorhanden. Generell gilt es für alle PMS, dass je mehr der Filtrationsteil mit Russ und/oder Asche belegt (verstopft) ist, desto mehr Abgas strömt durch den Bypassteil und der gesamte Abscheidegrad sinkt. Fig. 2: Aufbau des HJS- Sintermetall City-Filter City-Filter können katalytisch beschichtet werden, sie können auch unbeschichtet zum Einsatz kommen und sind im Nachrüstsatz auch mit einem dazugehörenden Oxidations - Vorkatalysator versehen, um die NO – NO2 – Konvertierung zu garantieren. Ähnlich, wie beim Twin-Tec sind beim City-Filter neben der Filtration die Oxidationsmechanismen: katalytische Oxidation von SOF und NO2-unterstützte Oxidation vom elementaren Kohlenstoff (EC) tragende Elemente. Beim Betrieb im entsprechenden Temperaturfenster und mit dem passenden NO2 / Russ- Verhältnis können diese beiden Oxidationen kontinuierlich verlaufen, [16] (vorausgesetzt intakte Katalysatoren, schwefelarme Betriebsstoffe). Metall- und Keramikschäume Die Schäume aus Materialien mit entsprechender mechanischen, thermischen und chemischen Widerstandsfähigkeit können als Filtrationsmedien gebraucht werden, Fig. 3. Meistens kann im Produktionsprozess die Porengrösse des Schaumes gezielt beeinflusst werden. In einer Grundlagenforschung einer Serie von Schaummaterialien aus einer Ni-basierten Speziallegierung der Fa. INCO, [17], berichtet man über Porengrössen von 450 bis 1200 µm, die also um Faktoren 10 bis 100 grösser sind, als bei den geschlossenen DPF. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 9 Mit kleineren Poren erreicht man erwartungsgemäss schneller die Filterbeladung, wobei neben dem Gegendruck auch der Abscheidegrad ansteigt. metallische Schäume keramische Schäume Fig. 3: Aufbau der Partikelminderungssysteme aus keramischen und metallischen Schäumen Je nach dem Beladungszustand, Porengrösse und Strömungsbedingungen (Motorbetriebspunkt) werden die Nanopartikelabscheidegrade (PZAG) von 20-80% und die PM-basierten Abscheidegrade (PMAG) von 30-60% erreicht. Die Pt-basierte katalytische Beschichtung erlaubt die Oxidation der flüchtigen Komponenten und der SOF. Diese Oxidation ist durch die zerklüftete Strömung mit erhöhtem turbulenten Anteil entsprechend unterstützt, [17]. Die Strömung in einem SchaumFiltermaterial kann modellhaft mit einem Naturfluss verglichen werden, wo die orientierte Hauptströmung das Bypass und die Randgebiete (mit Buchten, Kehr- und Totwasser) den Filtrationsteil darstellen. Sehr wertvolle Informationen bietet ein Studium des Institutes für Verbrennungsmotoren und Thermodynamik der TU Graz, [18] , welches vom Land Steiermark beauftragt wurde um die Förderungsmassnahmen der Nachrüstung der Dieselfahrzeuge mit Partikelkatalysatoren vorzubereiten. Es wurden in dieser Arbeit zwei österreichische Produkte bearbeitet: • • Remus Filter Katalysator (RFK) mit der Emitec Technik an 3 Personenwagen – PMAG 15-49%, PZAG 10-25%, (http://www.remus.at) Pankl Oxidationskatalysator (POK) mit beschichtetem Metallschaum an 2 schweren Nutzfahrzeugen – PMAG 55-86%, PZAG 37-51% (http://www.pankl.com/en_start.php) . Es wurde unterstrichen, dass mit derselben PMS-Technologie an unterschiedlichen Fahrzeugen und bei verschiedenen Einsatzprofilen sehr unterschiedliche Abscheidegrade erreicht werden. Die Funktion eines Partikelkatalysators hängt also einerseits von dessen Anpassung an das Fahrzeug und anderseits vom Einsatzprofil des Fahrzeuges und damit vom Motorbelastungskollektiv ab. Diese Faktoren beeinflussen die im PMS herrschenden Temperaturen und Raumgeschwindigkeiten. Ein seitens der Hersteller genannter Anhaltswert gibt vor, dass während 30% der Betriebsdauer Abgastemperaturen von über 300°C zu erreichen sind, um die befriedigende Katalyse hervorzubringen. Dies ist jedoch bei der Anwendung im innerstädtischen Verkehr und besonders in den Wintermonaten als kritisch zu betrachten. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 10 Weitere Bermerkungen Nach Kontakten mit verschiedenen Spezialisten, die sich bereits mit Untersuchungen von Partikelkatalysatoren befassten, können ergänzend folgende Bemerkungen formuliert werden: • PM-Katalysatoren (PMS) sind eine sehr willkommene Lösung für bestimmte Märkte, wo aufgrund unzureichender Qualität der Betreuung der Flotten und der Betriebsrandbedingungen die geschlossenen DPF nicht angeboten werden können, • es gibt PMS, die sich kontinuierlich beladen, solche die ständig durchlässig sind, oder solche, die beides kombinieren; diesen Be- und Entladungsvorgängen überlagert sich die Oxidationsfähigkeit, welche ihrerseits mit verschiedener Intensität von 0% bis 100%, je nach den vorherrschenden Bedingungen, wirksam sein kann; die Überlagerung von temporären Speichereffekten und vom dauerhaften PM-Abbrand kann also zu verschiedensten Ergebnissen führen, • die CRT-Effekte können sehr unterschiedlich stark verlaufen, • die Oxidation von CO, HC und SOF ist in der Regel sehr gut, • die Entladeeffekte, bzw. das stochastische Ausblasen sind messtechnisch sehr schwierig nachzuweisen, • die Effizienz der PMS kann durch ihre geometrische Auslegung mitbeeinflusst werden, bei HDAnwendungen werden meistens höhere Abscheidegrade erreicht. Die grundsätzlichen Unterschiede zwischen einem geschlossenen Diesel Partikel filter (DPF) und einem Partikelkatalysator (PMS) können folgendermassen beschieben werden: • bei versagender Regeneration eines DPFs steigt der Filtrationswirkungsgrad kontinuierlich, bis er schliesslich 100% approximiert; der Druckverlust steigt dabei und kann als Signal zur Einleitung der Schutzmassnahmen verwertet werden, • bei versagender Regeneration eines PMS verhält sich dieses umgekehrt: der Abscheidewirkungsgrad nimmt monoton ab bis etwa zu dem Wert eines geradekanaligen DOC’s und der Druckverlust nährt sich einem Grenzwert, welcher für den Motorbetrieb völlig ungefährlich ist, kann jedoch für keinerlei Überwachung, oder Schutzeingriffe genutzt werden. Dies ist so, weil beim belegten Filtrationsteil das Bypass die ausschlaggebende Schutzfunktion übernimmt. 4.3. Wirkung des geradekanaligen Katalysators und des Auspufftraktes auf Nanopartikel Katalysator Bekanntlich vermindert der Katalysator (Ox. Kat, oder 3-W-Kat.) die PM durch Oxidation der SOF. Gleichzeitig aber kann er durch die vermehrte Erzeugung der Sulfate die PM wesentlich steigern. Auch bei den Nanopartikeln kann die Wirkung des Katalysators je nach den Bedingungen verschiedene Effekte hervorrufen: - Erhöhung der PZ durch vermehrte Sulfat-Spontankondensate - Verminderung der PZ durch Oxidation der Vorläufersubstanzen der SOF-Spontankondensate (catalytic striping), - Verminderung der PZ durch Ablagerung der Feststoffpartikel (inertial impaction, diffusion losses). Die zwei letzten Effekte wurden in [19] beim Benzinbetrieb aufgezeigt. Beim Dieselbetrieb wurden alle obigen Effekte in [2] bestätigt. An der Universität von Leeds wurden gemeinsam mit Ford umfangreiche Untersuchungen über die Ablagerung und Ausscheidung der Partikel im Oxidationskatalysator und im Auspufftrakt durchgeführt, [20, 21, 22]. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 11 Die wichtigsten Schlussfolgerungen betreffend Katalysator sind: • der Ox. Kat wirkt beim Kaltstart wie ein Partikelfilter, wobei die Abscheidung der Nanopartikel besonders bei Leerlauf und bei niedrigen Drehzahlen stattfindet, • bei hohen Gasdurchsätzen nach dem Kaltstart scheidet der Katalysator die Partikel zuerst aus, nach dem Erreichen der light-off-Temperatur speichert, oder oxidiert er sie, • die Vorgeschichte des Motorbetriebes vor dem Kaltstart (Anfangsbeladung des Katalysators) hatte stärkeren Einfluss auf die Speicherfähigkeit, als die Anfangstemperatur. Wie daraus ersichtlich wirkt der Katalysator verschieden auf die festen und auf die löslichen Partikel, dies in Abhängigkeit von Temperatur und Gasdurchsatz. Es gibt eindeutige Hinweise darauf, dass beim Betrieb mit Additiven (Benzin-Reinigungsadditive, Antiklopfadditive, Diesel-Regenerationsadditive) der Katalysator die Additivfeinstpartikel teilweise anlagert. Die Mechanismen des anschliessenden Ausscheidens der Partikel beim dynamischen Betrieb und der Grad derer Agglomeration sind Gegenstand weiterer Forschungsaufgaben. Auspufftrakt Untersuchungen mit Hilfe von ELPI zeigen, dass es im Auspuff Ablagerung- und Ablösungseffekte der NP gibt, [20, 21, 22]. Die NP lagern sich an den Wänden der Auspuffleitungen und in den Schalldämpfern besonders beim Leerlauf und beim tieferen Teillastbetrieb ab. Bei Beschleunigungsvorgängen kommt es infolge der transienten Temperatur- und Durchsatzänderungen zur Ablösung des angelagerten Partikelmaterials. Diese sekundäre Partikelemission liegt schwerpunktmässig in dem Grössenbereich 2-8 μm. Die grösseren Partikel oberhalb von 2 μm leisten keinen nennenswerten Beitrag zu der Zahlenemission, doch aber einen wesentlichen Beitrag zu der Massenemission. Die Untersuchung der Speicher- und Entladeeffekte entlang des Abgasstranges, [22], ergab, dass diese Vorgänge an verschiedenen Orten (in den Schalldämpfern und im Katalysator) nicht phasengleich ablaufen. Aus anderen Untersuchungen ist auch bekannt, dass bei Verwendung von Kraftstoffadditiven, Kraftstoffemulsionen, oder Spezialkraftstoffe „memory-Effekte“ der NP-Emissionen auftreten. Weitere wertvolle Grundsatzinformationen über DPF, PMS, NO2, PM und PZ befinden sich im Anhang A2. 5. BETEILIGTE INSTITUTE UND VERANTWORTLICHE PERSONEN Folgende Institutionen führten die Messungen aus: • Abgasprüfstelle der FH Biel, CH-2560 Nidau (Durchführung des Testprogramms am Rollenprüfstand) Prof. Dr. J. Czerwinski, Dipl. Ing. P. Comte • Matter Engineering AG, CH-5610 Wohlen (Besonderheiten der Nanopartikelanalyse, ELPI) Dr. M. Kasper, Dipl. Ing. Th. Mosimann • Intertek Caleb Brett Analytisches Laboratorium, CH-8952 Schlieren (Ölanalyse) Hr. R. Lebert UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 12 6. VERSUCHTRÄGER 6.1. Fahrzeug SMPS & NanoMet Fig. 4 zeigt das Versuchsfahrzeug, VW Passat TDI auf dem Rollenprüfstand. Folgende Daten können genannt werden: Produktionsjahr: 2005 Typ: 3BG Hubraum: 1.9 dm3 (1896 cm3) Leistung: 96 kW bei 4000 Upm Drehmoment 310 Nm bei 1900 Upm Motortyp: AVF Motor: TDI 2V VTG Einspritzsystem: Pümpedüse Abgasnachbehandlung: motornaher DOC Katalysator: Gillet 8DO 178E 400 cpsi, 1.56 g Pt Emissionsstufe: EURO 3 Gänge: 6G Handschaltung km Stand Anfang: 23700 Fig. 4: Das Versuchsfahrzeug und die Messeinrichtungen für Nanopartikelanalytik am Rollenprüfstand 6.2. Treibstoff Kraftstoff schwefelarm Shell Formula Diesel Schweizer Marktqualität (10 ppm Schwefel) : Dichte (bei 40°C) Viskosität (bei 40°C) Flammpunkt: pm min Trübungspunkt: max. Filtrierbarkeitsgrenze Koksrückstand (Conradson) Asche Schwefel Cetanzahl Siedeanalyse (bei 1013 mbar, 340 °C) Heizwert (unterer) : 0.820 - 0.845 g/ml : 2.0 - 3.2 mm2/s : 62°C : -10°C : CFPP max. -20°C : max. 0.02 mg/kg : Spuren : max. 0.0010 g/100 g : min. 52 - 54 : min. 98 Vol.% : min. 42.5 MJ/kg 6.3. Schmieröl Gemäss Hersteller API: SJ/CF; SAE OW/30 Die Daten des Gebrauchtöls während der Tests sind: Eigenschaft kin.Viskosität 40°C kin.Viskosität 100°C Viskositätsindex Gehalt an Schwefel Ag Silver Al Aluminium B Bor Ba Barium Ca Calcium Cd Cadmium Cr Chrom Cu Kupfer Fe Eisen 69.75 11.54 160 5000 <1 23 26 3 2847 1 6 18 171 2 mm /s 2 mm /s (--). mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg Eigenschaft K Kalium Mg Magnesium Mn Mangan Mo Molybdän Na Natrium Ni Nickel P Phosphor Pb Blei Si Silicium Sn Zinn Ti Titan V Vanadium Zn Zink 16 100 7 22 6 2 1078 10 18 4 <1 <1 1243 mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 13 7. PRÜFSTANDSAUFBAU, MESSTECHNIK, AUSWERTUNG 7.1. Prüfstandsaufbau und Standard-Messtechnik Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Messaufbau mit der CVS Anlage. Es wurden gebraucht: • Rollenprüfstand: Schenk 500 G5 60 • Fahrleitgerät: Zöllner FLG2 Typ. RP 0927-3d, Progr. Version 1.4 • CVS Anlage: Horiba CVS-9500T mit Roots Gebläse, Durchfluss 12 m3/min (variabel). • Luftkonditionierung der Halle (Ansaug- und Verdünnungsluft): automatisch Die Einstellung der Bremskennlinie des Rollenprüfstandes erfolgte aus dem Ausrollversuch „coast down“. Nähere Daten dazu befinden sich im Anhang A3. Die Abgasprüfstelle der FH Biel (AFHB) und ihre Messeinrichtungen sind von den Schweizer Behörden für die offizielle Zertifikationen anerkannt. Die AFHB nahm an verschiedenen nationalen und internationalen Vergleichsmessungen (round robin) und Emissionsprojekten, wie ARTEMIS, Swiss PMP und WMTC teil. Fig. 5: Probenahmestellen und Messaufbau für Abgas und Nanopartikel am Rollenprüfstand Eine Besonderheit dieser Untersuchungen ist die Probenahme direkt vor und nach dem Probanden um die Einflüsse der anderen Teile des Auspuffsystems auf die interessierende Emissionen möglichst auszuschalten. Fig. 6 zeigt diese Probenahmestellen (1) und (2) für Nanopartikel und NOx mit beheizten Leitungen und Anschlüsse zur Überwachung von Überdruck und von Temperaturen im Auspuff. (Für die motornahe montierten Probanden gelten die Messstellen 0 und 1). Die grafische Darstellung der Zuordnung der einzelnen Messstellen zu den Stufen des Messprogrammes, sowie die Distanzen der Messstellen von den Probanden befinden sich in Anhang A1-1. Das Schalten der Probenahme zwischen den Messstellen 1 und 2 (oder 0 und 1) ist durch ein beheiztes Schaltventil möglich. Für die Mestellen 3 und 4 müssen die Messgräte samt Probenahmeeinrichtungen physisch verschoben werden. Der Abstand vom Auspuffende bis zur CVS-Verdünnung beträgt c.a. 7m und derjenige von Verdünnung bis Probenahme (4) am Ende des CVS-Tunnels c.a. 4m. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 14 1 NP NOx hot t, Δp 2 NP NOx hot t, Δp Fig. 6: Messstellen direkt vor (1) und nach (2) dem PM-Kat an der Fahrzeugunterseite. Bemerkung: dieses Bild dient der allgemeinen Illustration und bezieht sich auf kein spezielles PMS. 7.2. Standard-Emissionsmesstechnik Entsprechend der schweizerischen Verordnung über die Abgasemissionen leichter Motorwagen (FAV1 vom 01.10.1987), mit entsprechenden Updates gemäss der technischen Entwicklung (TAF V1 1.10.1995. EG Richtlinie 70/220/EWG 2003/76/EG). • gasförmige Schadstoffe: Abgasmessanlage Horiba MEXA – 9400 H CO, CO2 – Infrarot (IR), HCIR (nur für Leerlauf) HCFID ... Flammenionisationsdetector (für Totalkohlenwasserstoffe) NO / NOX ... Chemoluminescenzanalysator (CLA) O2 ... Magnos Verdünnungsverhältnis DF im CVS-Verdünnungstunnel ist variabel, kann aus der CO2-Analyse ermittelt werden. • Partikelmessung (PM gravimetrisch): − Verdünnung im Hauptstrom (CVS), Verdünnungsfaktor etwa 10, − Verdünnungsluft, Umgebungsluft konditioniert, gefiltert (periodische Sturmentlüftung) Temperatur: 20 – 30°C Feuchtigkeit: 5.5 – 12.2 g/kg − Temperatur des Messfilters ≤ 52°C − Konditionierung des Messfilter: 8-24h (20°C, rel. Feuchtigkeit 50%) − Wage: Mettler, Genauigkeit +/- 1 µg 7.3. Partikelgrössen-Analytik und Patikel-on-line-Messtechnik Zusätzlich zu der gravimetrischen Messung der Partikelmasse PM wurden die Nanopartikel mit Hilfe der folgenden Instrumentierung analysiert: • SMPS – Scanning Mobility Particle Sizer, TSI (DMA TSI 3071, CPC TSI 3025 A) • NanoMet – System bestehend aus: PAS – Photoelectric Aerosol Sensor (Eco Chem PAS 2000) DC – Diffusion Charging Sensor (Matter Eng. LQ1-DC) MD19 tunable minidiluter (Matter Eng. MD19-2E) • Thermokonditionierung (TC) – Erhitzung des Probegases nach Minidiluter bis 300°C UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 15 SMPS misst die Anzahlkonzentrationen der Partikel in Abhängigkeit von derer Grösse (Partikelgrössenverteilungen), während das NanoMet die Gesamtoberfläche des Aerosols analysiert. Genauere Beschreibung dieser Messsysteme befindet sich im Anhang A4. Diese Probenahme, Probeaufbereitung und Partikelmesstechnik entsprechen dem durch PMP definierten Protokoll und sind von dem Hersteller kalibriert. Die Nanopartikelmessungen wurden sowohl beim stationären, als auch beim dynamischen Motorbetrieb durchgeführt. 8. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Die Testserien für jeden untersuchten Patikelkatalysator (PK) wurden nach dem gleichen Schema und in der Reihenfolge des im Anhang A1 dargestellten Messprogrammes durchgeführt. Auch die Betriebsdauer bei den jeweiligen Betriebszuständen waren nahezu gleich so dass für jeden Probanden, welcher im Neuzustand die Versuche begann, zu jedem Zeitpunkt eine gleiche Vorgeschichte vorliegt. Um den Aufwand im vorgegebenen Rahmen zu halten musste der wiederholbare Ablauf des Testprogramms gleichzeitig als Konditionierung benutzt werden. Das Messprogramm, welches pro PK 4 Messtage und c.a. 1’250 km benötigte setzte sich aus folgenden Schritten zusammen: • Mechanische Vorbereitungen und Einbau des PK im Abgasstrang des Fahrzeuges. Beim Einbau wurde auf Sauberkeit geachtet, damit keine Spänne, oder Fett im Auspuff verbleiben. Der Messanschluss am Auspuffende wurde blankgeputzt, damit man seine Verschmutzung mit Hilfe der Tuchmethode beobachten kann. Beladung und Konditionierung ab Neuzustand; Blow-off • Kaltstart und Beschleunigung bis auf 35 km/h, IV Gang • Konstantfahrt 3,5h, TAbg. < 200°C, periodische NP-Messungen vor/nach PK (Messstellen 1-2, oder 0-1, Fig. 5), eine Kontrollmessung von CO, HC, NOx, PM (CVS, Messstelle 4) • Blow-off: Übergang in Leerlauf, 3x3 Freibeschleunigungen in Abständen vom 10 min mit dazwischen jeweils 35 km/h, NP-Messung (CPC + NanoMet) am Auspuffende (Messstelle 3) und ELPI + PM (CVS, Messstelle 4) • Konstantfahrt 65 km/h, IV Gang, 3,5h, TAbg ~300°C • Blow-off (beide mit analogem Messvorgang) NO2- Verfügbarkeit und Abscheidegrade beim Lastschnitt • Bei Konstantgeschwindigkeit 85 km/h im VI Gang wurde die Radlast in Schritten von 0 bis 1600N gesteigert. Bei jeder Drehmomentstufe dauerte der Betrieb 30 min, (10 min Stabilisierung, 10 min Messung vor PK, 10 min Messung nach PK). Die Messung von NP und NOx heiss erfolgte vor/nach PK, die Messung der limitierten Komponenten aus CVS-Tunnel. NO2, PZAG und Emissionsfaktoren bei Konstantgeschwindigkeiten • Mit der Einstellung des Rollenprüfstandes, welche die Fahrwiderstände bei horizontaler Fahrbahn simuliert wurden im V Gang Konstantgeschwindigkeiten von 45 bis 120 km/h gefahren. Bei jeder Geschwindigkeitsstufe dauerte der Betrieb 30 min, (10 min Stabilisierung, 10 min Messung vor PK, 10 min Messung nach PK). Die Messung von NP und NOx heiss erfolgte vor/nach PK, die Messung der limitierten Komponenten aus CVS-Tunnel. Emissionsfaktoren bei verschiedenen Fahrzyklen Folgende Fahrzyklen wurden jeweils 2 Mal an 2 verschiedenen Tagen durchgeführt: NEFZ kalt / warm, FTP75, CADC, NYCC und BAB. Die Messung der limitierten Komponenten und der NP (CPC & NanoMet) erfolgte aus dem CVS-Tunnel. Die Kontrollmessungen des Nanopartikel-Abscheidegrades PZAG wurden am ersten Tag bei 65 km/h und an den letzten 2 Tagen nach der Durchführung einiger Fahrzyklen, ebenfalls bei 65 km/h durchgeführt. Die NP-Kontrollmessung erfolgte heiss vor / nach PK. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 16 9. PROBANDEN 9.1. GAT Partikelkatalysator Bei GAT Partikelkatalysatoren wird Keramikschaum verwendet, welcher einen Teil der Partikel zurückhalten kann. Der Keramikschaum wird katalytisch beschichtet, wodurch bei entsprechenden Temperaturen die Partikel oxidiert werden. Das GAT PMS ist anstelle des original-Oxidationskatalysators montiert. Das vorhandene GAT PMS (Sach-Nr.Typ: DPFO-01, E1-103R-000251, KBA: 17064)) wurde für PKWNachrüstung erstellt. Über die Details der inneren Ausführung liegen keine Informationen vor. Fig. 7 zeigt das untersuchte GAT PMS vor und nach der Montage am Versuchsfahrzeug. Fig. 7: GAT Partikelkatalysator (Keramikschaum) vor der Montage (rechts) und installiert am Versuchsfahrzeug (links). 10. ERGEBNISSE Grafische Darstellungen der Ergebnisse und die Tabellen der entsprechenden Zahlenwerte befinden sich in den beilgelegten Figuren (Verzeichnis siehe Kap. 14). Die Resultate können folgendermassen interpretiert werden: 10.1. Beladung ab Neuzustand Fig. 8 – die Messungen der NP direkt vor und nach PK begannen sofort nach dem Kaltstart beim stationären Betriebszustand 35 km/h. Es ist ersichtlich, dass der Partikelzahl-Abscheidegrad gemessen mit SMPS zunächst höher liegt und dann sinkt um bei c.a. 12% zu verbleiben. Bis das komplette Scannen vor und nach PK abgeschlossen ist, braucht es etwa 20 min, was den momentanen Zustand direkt nach dem Start nicht widerspiegeln kann. Viel besser sind dazu die NanoMet-Signale PAS und DC geeignet, welche ohne jeglichen Zeitverzug messen. Sie zeigen den höheren Abscheidewirkungsgrad von 30% bis 36% beim Kaltstart, ein schlagartiges Umschlagen beider Werte (DCAG und PASAG) ins Negative, und einen LangzeitBeharrungszustand von nahe zu Null. Diese zunächst unerwarteten Ergebnisse mussten bestätigt werden und nach Abschluss aller planmässigen GAT-Messserien wurde der erste Tag (dh. Beladungen bei 35 km/h und bei 65 km/h) wiederholt. Die entsprechenden Resultate dieser Wiederholungen befinden sich im Anhang A5 und A6. Es kann daraus folgendes ersehen werden: UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 • • • 17 die in Fig. 8-2 dargestellten Tendenzen des mit PAS und DC definierten Abscheidegrades sind wiederholbar (dies gilt auch für Fig. 9-2 bei 65 km/h), die Unterschiede von DCAG und PASAG gemessen an verschiedenen Tagen bei vergleichbaren Bedingungen können bis zu 7 Prozentpunkte betragen, die Emissionsstreuung gemessen mit SMPS (10-400nm) jeweils vor, oder jeweils nach PMS kann zwischen den beiden Messtagen bis zu 24% betragen (Ergebnisse hier nicht dargestellt). Es muss auch generell bemerkt werden, dass alle PZAG-Werte (SMPS und NanoMet) in jeder Messserie von der Emissionsstreuung mitbeeinflusst sein können, da – die Messungen vor / nach PK nicht zeitgleich ausgeführt, und es muss die Probenahmeleitung entsprechend ungeschalten werden. Die Tendenz der Veränderungen von PZAG im Fig. 8 zeigt, dass sich das kalte PMS beim Kaltstart und beim sehr hohen Emissionszustand des Motors zunächst belegt (PM teilweise speichert) und nachher entlädt er sich teilweise während des Warmwerdens. Dabei ist der Einbruch des Filtrationwirkungsgrades (die stärkste Entladung) bei der Messung nach 10 min am grössten. Dies wird als Tendenz vom SMPS und vom NanoMet gleichermassen aufgezeigt, liegen jedoch die Abscheidegrade für SMPS im positiven und für PAS / DC im negativen Bereich. Dies bedeutet dass das SMPS eine (geringe) Verminderung der Partikelzahl im PMS und das NanoMet gleichzeitig eine (geringe) Erhöhung der summarischen Oberfläche des Aerosols registriert. Dafür sind zwei Gründe vorstellbar: • es treten Entladungseffekte in Partikelgrössen, welche vom SMPS (10-400) nicht erfasst sind, • das Aerosol lädt sich beim Durchströmen durch den Keramikschaum elektrisch auf, was für NanoMet eine Vortäuschung der Messgrösse (Erhöhung der summarischen Oberfläche) bedeutet. Da die Entladungen kurzzeitig und stochastisch ablaufen und die hier beobachteten Effekte länger andauern (3.5h) muss davon ausgegangen werden, dass die elektrostatische Aufladung des Aerosols hier die ausschlaggebende Rolle spielt. Diese Ergebnisse bei 35 km/h betreffen den Betrieb unterhalb von Light-off-Temperatur (TAbg < 200°C) und somit kann die Oxidation verschiedener Komponenten noch vernachlässigt werden. Die Lage des GAT PK etwas näher am Motor bewirkt bei diesem Betriebspunkt eine Temperaturerhöhung von nur 15°C (bis auf c.a. 198°C). Fig. 9 – der konstante Warmbetrieb oberhalb der Light-off-Temperatur der katalytischen Beschichtung zeigt zum Teil ähnliches Resultat. Es werden jedoch etwas stärkere Anstiege der NP-Abscheidegrade erreicht, wobei die resultierenden Endwerte sind: PZAG von c.a. 26% für SMPS und 12% für NanoMet. 10.2. Blow-off Fig. 10 zeigt die wiederholten Freibeschleunigungen im Originalzustand (ohne PMS) nach den jeweiligen Beladungsperioden: 3,5 h bei 35 km/h und 3,5 h bei 65 km/h. Fig. 11 zeigt dasgleiche mit dem PM-S. Gemessen wird mit den sehr sensiblen Methoden (CPC, PAS, DC) am Auspuffende, dh. allfällige Entladungseffekte der Partikel können aus dem gesamten Auspuffsystem einschliesslich Vor- und Hauptschalldämpfer stammen. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 18 Im unteren Teil der genannten Figuren ist jeweils die erste Gruppe der Freibeschleunigungen vergrössert dargestellt. Die ersten 3 Piks stammen von den 3 wiederholten Freibeschleunigungen, der vierte Pik ist durch die milde Beschleunigung bis auf die Ausgangsgeschwindigkeit 35 km/h oder 65 km/h verursacht. Die Beschleunigungspiks sind für CPC und DC sichtbar, beides Signale, welche die Gesamtpartikelzahl (TPN) repräsentieren. Die kohlenstoffhaltigen Festpartikel (PAS) sind weniger sichtbar, da sie bereits mit SOF umgeben als flüchtiges Aerosol vom DC-Sensor erkannt wurden. Es kann bemerkt werden, dass die Maxima der Beschleunigungsspitzen von CPC mit PMS tiefer liegen, als ohne PMS. (Beim DC sind die Spitzenwerte mit / ohne PMS fast gleich). Weiters ist die Tendenz zur Abnahme der nacheinanderfolgenden Piks, welche mit dem ersten, höchsten Pik die Partikelentladung aus dem Auspuffsystem signalisiert, mit dem PMS stärker, als ohne PMS. In Fig. 12, welche die jeweils dritten Beschleunigungsgruppen darstellt sind die Spitzenwerte mit PMS deutlich tiefer, die Tendenz der monotonen Abnahme der nachfolgenden Spitzenwerte ist jedoch sehr viel schwächer. Es können anhand dieser Resultate: eine Minderung der NP-Beschleunigungsemissionen durch das PMS und keiner, oder nur sehr geringer Beitrag zu den Entladeeffekten gedeutet werden. Bei den Wiederholungen der stationärer Beladung bei 35 km/h und 65 km/h wurde auch das „Ausblasen“ (Blow-off) teilweise wiederholt. Die Messungen der Beschleunigungsspitzen mit CPC und DC-Sensor wurden diesmal direkt nach dem PMS (Messstelle 1) statt wie früher am Auspuffende (Messstelle 3) ausgeführt. Die Spitzenwerte nach dem PMS sind wesentlich höher, als am Auspuffende: für CPC im Mittel 4.4 mal bei 35 km/h und 6.9 mal bei 65 km/h und für DC im Mittel 7 mal bei 35 km/h und 22 mal bei 65 km/h. Dies widerspiegelt für DC neben der tatsächlichen Verminderung der Nanopartikelkonzentrationen im Auspuffstrang, auch die starke Abnahme der Signalverfälschung durch die elektrostatische Aufladung des Aerosols beim Durchströmmen dieses Aerosols durch das Auspuffsystem. Fig. 13 fasst die Resultate der ELPI-Messungen und der PM-Gravimetrie, welche im CVS-Tunnel (Messtelle 4) während der Freibeschleunigungen durchgeführt wurden, zusammen. Fig. 13-1 verauschaulicht 2 Beispiele der ELPI-Resultate: v = 65 km/h, mit / ohne GAT PMS, jeweils die erste Beschleunigungsgruppe und die erste Freibeschleunigung. Der 12-stufige Kaskaden-Impaktor des ELPI misst folgende Grössenklassen des aerodynamischen Durchmessers, Tabelle 1. Stage 1 D 50% 0,03 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0063 0.109 0.173 0.267 0.407 0.656 1.021 1.655 2.52 4.085 6.56 0.083 0.137 0.215 0.330 0.516 0.818 1.300 2.042 3.208 5.177 8.099 [μm] Di 0.043 [[μm ] Tabelle 1: Partikelgrössenverteilung des ELPI gemäss Herstellerangaben DEKATI UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 19 Dabei sind: D 50% ... 50% Trenndurchmesser einer ELPI-Impaktorstufe (Balkentrennlinien), Di … geometrischer Mittelwert 2 benachbarten Trenndurchmesser des ELPI-Impaktors (Balkenmitte). ELPI nimmt die Partikelgrössenverteilungen des gemessenen Aerosols mit 1Hz-Auflösung auf. Die in Fig. 13-1 dargestellten Anzahlkonzentrationen in Funktion des Durchmessers zeigen für jede Grössenklasse einen Mittelwert über der Zeitperiode, welche dem ersten Freibeschleunigungspik entspricht. Mit Hilfe eines Rechenmodells, welches in der Regel die Partikel als Kugel mit einer Normdichte „1“ beschreibt, wird die grössenspezifische Massenverteilung berechnet. Somit stellen die angeführten Massenverteilungen ebenfalls mittlere Verteilungen im Zeitintervall des ersten Beschleunigungspiks dar. Es ist ersichtlich, dass die grösseren Partikel mit deutlich geringerer Anzahl zum grössten Teil der Masse beitragen. Die Massenkonzentration von der Impaktorstufe 11 mit dem Mitteldurchmesser 5.18 µm wird als Mstage 11 bezeichnet. Die unten angeführten Zeitverläufe repräsentieren die momentanen, über dem Partikeldurchmesser gemittelten Zahlen-, oder Massenkonzentrationen während der Messung dieser ersten Beschleunigungsgruppe. (Die Beschleunigungsgruppe besteht aus 3 Freibescheunigungen und einer ruhigen Beschleunigung bis auf Zielgeschwindigkeit, s. Kap. 8 und Erklärungen Fig. 10-1 unten). Die zuunterst befindlichen Tabellen, schliesslich, fassen die über der Zeit des ersten Beschleunigungspiks und über der Partikelgrösse gemittelten Werte der Zahlen- und Massenkonzentration N und M zusammen. Fig. 13-2 stellt die Werte der mittleren Partikelzahlen N, der mittleren Partikelmassen M und der Partikelmassen in der Grössenstufe 11 (5.2 µm) für jeweils den ersten Beschleunigungspik aller Beschleunigungsgruppen, ohne / mit PMS, zusammen. Es wird generell mit PMS höhere Anzahl und annähernd gleiche Masse der Partikel emittiert, dh. die Partikel mit PK sind im Durchschnitt kleiner. Eine Tendenz der höchsten Emissionswerte bei der Beschleunigungsgruppe 1 und ihre Abnahme bei weiteren Beschleunigungen ist mit PMS nicht zu bemerken. Die grösseren Partikel (hier 5.2 µm) stellen eine wesentlich höhere Masse, als der Durchschnitt des gemessenen Aerosols dar. Während der Durchführung jeder Beschleunigungsgruppe mit anschliessender Beschleunigung bis auf die Zielgeschwindigkeit und Konstantfahrt, bis in Summe 10 min Gesamtdauer, wurde PM gravimetrisch im CVS-Tunnel gemessen. Die Resultate dieser Messungen sind in Fig. 13-3 zusammengestellt. Bei 35 km/h ist die Partikelmasse aus der ersten Beschleunigungsgruppe mit PK deutlich höher, als ohne PK. Dies kann auf Entladungseffekte des unterhalb von Light-off-Temperatur laufenden PMS hindeuten. Sicherheit darüber könnte erst nach mehreren Wiederholungen dieser Messserie gewonnen werden. Bei 65 km/h, oberhalb von Light-off-Temperatur sind die PM-Emissionen aus dem Auspuff mit PMS ebenfalls stärker, als ohne PMS. Somit sind die Entladungseffekte des PMS sichtbar. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 20 Ein Blick auf den Vergleich der Nanopartikel-Anzahlkonzentrationen zwischen Auspuffende (Messstelle 3) und CVS-Tunnel (Messstelle 4) kann interessante Hinweise liefern. Aufgrund der verschiedenen Messprinzipien von CPC (MS3) und ELPI (MS4) ist der genaue Vergleich der gemessenen Partikelzahlen nicht möglich. Dieser Vergleich wird hier jedoch gewagt, da es sich einerseits um qualitative Aussagen handelt und anderseits sind die betrachteten Unterschiede der Zahlenwerte recht gross (über 2 Grössenordnungen). Folgende Tabelle 2 fasst die Maximalwerte der Zahlenkonzentrationen und die ELPI-Massenkonzentrationen für die ersten Beschleunigungspiks der ersten Beschleunigungsgruppen (bei 65 km/h) zusammen. Auspuffende CPC max PMS [1/cm3] GAT CVS-Tunnel ELPI DC max 2 3 [µm /cm ] 7 1·2 · 10 7 N max M Mstage 11 3 [1/cm ] 6 4·5 · 10 6 [mg/m ] [mg/m ] CPC N 1118 319.6 218 35 3 5 3 ohne 9·8 · 10 mit 9.6 · 10 1.2 · 10 27.7 · 10 1169 316.8 2% 0.0 % -515% -4.6 % 0.8 % Reduktion um 5 Tabelle 2: Spitzenwerte der NP-Konzentrationen bei erster Freibeschleunigung der ersten Beschleunigungsgruppe, 65 km/h. Am Auspuffende gemessen reduziert das PMS die CPC-Werte nur geringfügig. DC wird gar nicht beeinflusst, dh. der geringe mindernde Einfluss (CPC) wird durch die elektrostatische Aufladung des Aerosols (DC-Messartefakt) ausgeglichen. Gemessen in CVS-Tunnel vermindert sich die Partikelzahl ohne PMS viel stärker (218 Mal) als mit PMS (35 Mal). Darin ist die CVS-Verdünnung miteingeschossen. Sie ist bei dem Beschleunigungsgasstoss stationär nicht messbar, ist jedoch bei den beiden Messserien mit / ohne PK identisch, (diese Verdünnung kann im Mittel mit 50 geschätzt werden). Das bedeutet, dass die Partikelzahl ohne PMS zwischen Auspuffende und CVS-Messstelle etwa 6 mal so stark absinkt, wie mit PMS. Die Partikel ohne PMS sind im Durchschnitt grösser, da sie mit geringerer Anzahl eine etwa gleiche Masse ergeben. Die Masse in der Grössenklasse der Impaktorstufe 11 Mstage 11 steigt geringfügig mit PMS, während die mittlere Masse M sinkt (auch sehr geringfügig). Mit Rücksicht auf die Mess- und Emissionsstreuung darf ausgesagt werden, dass das ELPI im CVS-Tunnel keine Massenänderung mit PMS erkennt, obwohl die Anzahlkonzentration 5 fach angestiegen ist. Es wird vorausgesetzt, dass diese Zusammenhänge auch für die anderen Beschleunigungspiks gelten. Die genauere Untersuchung der Veränderungen des Aerosols entlang des Auspuffstranges und im Messsystem würde ein separates Forschungsvorhaben benötigen. Auf dem etwa 11 m langen Weg vom Auspuffende (MS3) bis zum CVS-Probenahmepunkt (MS4) können verschiedene Effekte ablaufen: Diffusionverluste, Koagulation, Verdampfung der flüchtigen Bestandteile und Agglomeration der verbliebenen Festpartikel. Das Maximum der Grössenverteilung des Aerosols verschiebt sich in der Regel zum grösseren Durchmesser (hier von etwa 65 nm bis 140 nm) und zu tieferen Anzahlkonzentrationen (hier etwa um 35 bis 45 Mal). UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 21 (Vergleich Fig. 9-1 → Fig. 13-1, Auspuffstrang nach PMS und Verdünnung im CVS-Tunnel inbegriffen). Aufgrund dieser Veränderungen und Artefakte ist die Bewertung der Nanopartikel aus dem CVS-Tunnel nicht sinnvoll. 10.3. Lastschnitt Während der Lasterhöhung bei konstanter Motordrehzahl (konstanter Fahrgeschwindigkeit) wurden die Nanopartikel (SMPS + NanoMet) sowie die NOx heiss direkt vor und nach PMS gemessen. Die limitierten Schadstoffkomponenten CO, HC, NOx, PM wurden normgerecht aus dem CVS-Tunnel bestimmt. Fig. 14 fasst die Resultate von SMPS und NanoMet (PAS & DC) zusammen. Der PartikelzahlAbscheidegrad PZAG ausgedrückt mit Hilfe aller diesen drei Messgrössen zeigt eindeutige Tendenzen: Durchlassen / Entladung bei erster Laststufe (Nullast); schwache, jedoch steigende NP-Abscheidegrade bei höheren Laststufen; schlagartig verstärkter Umsatz von PM (Oxidation) ab 800N (T>430°C). Der Versuch wurde von tieferen zu höheren Lasten (30min bei jeder Laststufe) durchgeführt. Bei tieferen Lasten emitiert dieser Motor aufgrund höherer AGR-Raten auch höhere NP-Anzahlkonzentrationen. Eine partielle Abscheidung dieser NP, sowie eine geringe Abscheidung der grösseren Partikel (PM d >> 1µm), findet bei (tAbg ≤ t light off, erste Drehmomentstufe) statt. Bei höheren Lasten sinkt die NP-Emission des Motors deutlich (keine AGR, höhere PM-Werte) und eine geringe Verminderung dieser NP-Emission im PK manifestiert sich mit bereits positiven Werten von PZAG. Die verstärkte PM-Umsetzung im PK (ab 800N) ist durch die katalytische Umsetzung der angelagerten und der aktuell einströmenden Partikelmasse (incl. SOF) verursacht, da nun die Abgastemperatur deutlich über der Light-off-Temperatur liegt und PMAG höhere Werte (54% - 62%) annimmt. Auch die Entladeeffekte, begünstigt durch die höheren Strömungsgeschwindigkeiten und durch die intensivierte Turbulenz, spielen hier sicher mit, können jedoch nicht so dauerhaft, wie die katalytische Umsetzung wirken. Die Entladeeffekte sind bekanntlich stochastisch und kurzzeitig und tendieren zu Agglomeraten im Mikrometerbereich, [20, 21, 22]. Fig. 15 fasst die NO2-und NOx- Werte vor, nach und ohne PM-Kat zusammen. Vor dem PM-Kat liegen keine erhöhten NO2- Konzentrationen vor, da er als erster, motornaher Katalysator im Abgasstrang montiert ist. Der PK trägt jedoch durch seine katalytische Wirkung zu einer Erhöhung der NO2- Werte bei, wobei dieses Emissionsniveau etwa gleich wie mit original DOC verbleibt. Fig. 16 stellt alle Partikelemissionen in Funktion von Last mit und ohne PK zusammen. Das Vorhergesagte über steigende PM- und sinkende NP- Werte bei erhöhter Last ist hier deutlich veranschaulicht. Die Tabellen der Zahlenwerte der Emissionen in Fig. 17 bestätigen anhand von CO und HC die Oxidationswirkung des untersuchten PKs. Die Partikelwerte ohne PMS sind zum Teil deutlich tiefer, als die entsprechenden Werte vor PMS, dies weil der PMS durch seinen Gegendruck den Ladedruck und die AGR beeinflusst und so Motorgrundemissionen verschlechtert. 10.4. Konstantgeschwindigkeiten Der Messablauf und die Messtellen bei Konstantgeschwindigkeiten waren gleich, wie beim Lastschnitt: • • Stufen von je 30 min gefahren von tiefster bis höchster Geschwindigkeit, NP-Messung direkt vor / nach PK, limitierte Komponenten aus CVS-Tunnel. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 22 Fig. 18 zeigt die Abscheidegrade für SMPS, PAS und DC. Während die SMPS-Abscheidegrade 10% bis 20% betragen, liegen die DC- und PAS-Abscheidegrade zwischen 0% und 13%. Diese tiefere Bewertung durch NanoMet-Sensoren (höhere gemessene Emissionen nach PMS) wurde bereits für Fig. 8 diskutiert. Der PM-Abscheidegrad ist bei der tiefsten Fahrgeschwindigkeit (tiefste Abgastemperatur) recht schwach, steigt aber deutllich (bis auf 37%) bei den höheren Geschwindigkeiten. Der negative Wert bei 80 km/h stellt eine Entladung aus dem Abgasstrang dar. Die Abgastemperatur vor PK beträgt bei 120 km/h 350°C (siehe Fig. 19). Dies ist deutlich tiefer, als 431°C – die Abgastemperatur bei Laststufe 800 N (Fig. 14 & 15), wo die erhöhte Umsetzung von PM besonders deutlich bemerkbar wurde. Daraus lässt sich ableiten, dass bei 120 km/h die Kombination von PM-Grundemission, NO2 / Russ Verhältniss, Strömungsgeschwindigkeit- und Temperaturfeld im PK so ist, dass eine mittlere bis erhöhte PMMinderung (Abscheidung + Oxidation) stattfindet (Grenzgebiet des Light-off). Dabei kann das entstehen der Nanopartikel auch aus dieser Oxidation nicht ausgeschlossen werden. Fig. 19: die NO2- Konzentrationen werden durch die Oxidationswirkung des PK erhöht (ähnlich wie beim Lastschnitt), bleiben jedoch auf gleichem Niveau, wie mit original DOC. Fig. 20: die Partikelemissionen über der Fahrgeschwindigkeit verlaufen nicht monoton, da die Fahrwiderstandslinie, entlang welcher hier gemessen wurde, den Teillastbereich mit erhöhter AGR im Motorkennfeld durchläuft. Die dargestellten Parameter: SMPS, DC und PM zeigen meistens dieselben Tendenzen auf. Fig. 21 stellt die Emissionswerte, auch mit den limitierten Komponenten in Tabellen zusammen. Die Oxidation von CO und HC ist nur bei höheren Geschwindigkeiten sichtbar, wo die Temperatur des PKs ausreichend hoch ist. Bei der tiefsten Geschwindigkeit ist die Verschlechterung dieser Komponenten durch den PK zu bemerken (TAbg < T light-off). Fig. 22 fasst die Abgastemperaturen bei den Laststufen und den Konstantgeschwindigkeiten vor / nach PK zusammen. Der Einfluss der Exothermie ist anhand dieser Temperaturen auch bei den höheren Laststufen, wo eine deutliche Oxidation stattfand, nicht sichtbar. Offensichtlich ist die Abkühlung zwischen den Messstellen 1 und 2 wesentlich stärker, als die Wärmezufuhr durch Exothermie, dies nicht zuletzt, weil die Messstellen jeweils c.a. 4 cm vor und 80 cm nach dem PMS-Körper entfernt sind. 10.5. Fahrzyklen Der graphische und tabellarische Vergleich aller Emissionswerte bei allen gefahrenen Fahrzyklen mit und ohne PK ist in Fig. 23 dargestellt. Folgende Tabelle 3 fasst die Konvertierungsraten, bzw. Abscheidegrade der Emissionskomponenten zusammen. Die Oxidationswirkung des PK ist mit den mittleren Reduktionsraten von -11.4% für CO und 28.7% für HC als recht schwach dokumentiert. Die mittlere Verminderung von PM, CPC, DC und PAS liegt zwischen 25% und 29%. Verglichen mit den Resultaten beim Stationärbetrieb (Lastschnitt und Konstantgeschwindigkeiten) sind diese Partikel-Abscheidegrade als erstaunlich hoch anzusehen. Offensichtlich spielt hier die motornahe Position und höhere Temperatur des PMS positiv mit. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 Cycle NEFZ c. NEFZ w. FTP 75 w. CADC Urb w. CADC Rd w. CADC Mw w. NYCC w. BAB w. AVERAGE KCO [%] -97.1 -46.5 28.7 46.3 -120.0 46.7 -10.3 61.1 -11.4 23 KHC [%] -122.2 -16.7 48.0 71.4 63.2 76.5 33.3 76.5 28.7 KNOx [%] -2.1 -4.6 0.5 -3.6 -3.0 5.5 -4.9 7.5 -0.6 PMFE [%] 38.1 26.4 37.9 17.6 10.8 32.8 22.6 18.9 25.6 DCFE CPCFE PASFE [%] [%] [%] 43.5 30.6 38.8 28.1 19.8 10.8 28.3 20.7 24.2 36.9 29.3 50.1 18.4 22.3 18.2 25.6 30.9 23.8 28.6 27.2 45.5 14.1 18.3 20.8 27.9 24.9 29.0 FE… Filtration efficiency (GAT) Tabelle 3: Verminderungsraten aller Emissionskomponenten in den Fahrzyklen. Fig. 24 zeigt Beispiele der Signalverläufe von CPC, PAS und DC, mit und ohne PMS bei verschiedenen Abschnitten der Fahrzykle. In der Regel sind die NP-Emissionen mit PMS tiefer, als ohne PMS. Es gibt jedoch Ausnahmen, die auf Entladeeffekte, verstärkte PM-Oxidation, oder Ausscheiden von Spontankondensaten hindeuten: Die erhöhten PAS- und DC- Werte mit PK bei FTP75 warm, Sek. 170-200, Fig. 24-2 sind auch von einer erhöhten CPC- Spitze (mit PK) bei der Beschleunigung (Sek.c.a. 165-175) begleitet. Die Überhöhungen der PAS- und DC- Signale mit PK im NYCC, Fig. 24-3 entsprechen nahezu deckungsgleichen CPC-Signalen mit / ohne PK. Fig. 25 stellt die Ergebnisse mit PK an zwei verschiedenen Messtagen gegenüber. Die Wiederholbarkeit der meisten Resultate ist sehr gut. Fig. 26 fasst in Tabellen alle Ergebnisse mit PK bei den gesamten Fahrzyklen und bei Zyklusabschnitten zusammen. Fig. 27 dokumentiert die Kontrollmessungen des NP-Abscheidegrades mit Hilfe von SMPS und NanoMet. Diese Messungen fanden direkt vor und nach PMS (Messstellen 0 und 1) 3 Mal statt: • am 1 Tag nach 120 min bei v = const = 65 km/h, • am 3 Tag nach dem Abfahren der Fahrzykle: NEFZc, NEFZw, FTP75 und CADC [urban, road & motorway] • am 4 Tag nach dem Abfahren der Fahrzykle: NEFZc, FTP75 und CADC urban. Es kann eine Abnahme des Partikelzahl-Abscheidegrades (PZAG) während dieser Betriebsperiode beobachtet werden. PZAG (SMPS) verbleibt bei Langzeitwerten zwischen 12% und 13%, PZAG (NanoMet) wird negativ, infolge der erhöhten PAS / DC-Anzeigen nach dem PMS (siehe Diskussion zu Fig. 8). 11. ZUSAMMENFASSUNG Die Mechanismen der Partikelminderung eines Partikelkatalysators (PK) wurden an einem Euro 3 Diesel Personenwagen am Abgasrollenprüfstand eingehend untersucht. Dabei wurden neben den limitierten Abgaskomponenten (CO, HC, NOx und Partikelmasse) auch die nichtlimitierten Partikelzahlen mit verschiedenen Methoden mitgemessen. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 24 Es kann festgestellt werden, dass: • • • • • • • • • Bei Beladung des PK ab Neuzustand schwankt der Abscheidegrad der unsichtbaren Nanopartikel (SMPS 10 < 400nm) zwischen 6% und 31%. Die mit Hilfe von PAS und DC ausgedrückten Abscheidegrade werden negativ, dies vor allem wegen eines Messartefaktes durch die elektrostatische Aufladung des Aerosols im PM-Kat. Während der Freibeschleunigung nach 3.5h Beladung beim Stationärbetrieb können im Nano-Bereich keine Entladeeffekte beobachtet werden. Bei grösseren Partikeln (im Mikro-Bereich), welche zur Partikelmasse beitragen kann eine Emissionserhöhung detektiert werden. Dieses Ergebnis muss jedoch mit weiteren Messserien abgesichert werden. Der PK reduziert die Nanopartikelzahlen bei Freibeschleunigung um etwa 10%. Dieses Aerosol hat andere Struktur und Zusammensetzung (weniger Kondensate), was dazu führt, dass (verglichen mit dem Betrieb ohne PK) im CVS-Tunnel höhere Zahlenkonzentrationen resultieren. Beim Stationärbetrieb unterhalb der Light-off-Temperatur liegen die Abscheidegrade für Nanopartikel (PZAG-SMPS) zwischen 3% und 16% und die Abscheidegrade für Partikelmasse (PMAG) bei c.a. 6%. Beim Stationärbetrieb oberhalb der Light-off-Temperatur kommt die katalytische Oxidation der Partikelmasse zur Erscheinung: PMAG steigt bis auf c.a. 62%, PZAG (SMPS) steigt bis auf 33%. Durch seine katalytische Wirkung trägt der anstelle von original DOC montierter Partikelkatalysator zu den gleichen NO2-Konzentrationen bei. Beim dynamischen Betrieb in verschiedenen Fahrzyklen liegen die mittleren Abscheideraten für Partikelmasse und für Nanopartikel bei 25% bis 29%. Bei gemischter Fahrweise besteht kein signifikanter Einfluss des untersuchten PMS auf den Kraftstoffverbrauch, bei Stationärbetrieb Vollast wurde in einer Einzelmessung die Verbrauchserhöhung bis c.a. 3.1% festgestellt. Beim dynamischen Betrieb überlagern sich im PK verschiedene Effekte: veränderbare Motoremission (Russ, NO2, Raumgeschwindigkeit, Temperatur), Speichern, Durchlassen und Oxidation. Die Entladeeffekte sind stochastisch, sie können auch von anderen Teilen des Auspuffsystems stammen und bei bestimmten Betriebszuständen durch das Erscheinen von Sulfatkondensaten überdeckt werden. Daher ist der messtechnische wiederholbare Nachweis der PMS-Entladung sehr schwierig. 12. DOKUMENTATION Die Originaldaten sind bei der Abgasprüfstelle der Fachhochschule Biel, CH (AFHB) auf Papier und auf elektronischen Datenträger archiviert und stellen das Eigentum des Auftraggebers dar. 13. LITERATURVERZEICHNIS [1] Particulate traps for heavy duty vehicles. Environmental Documentation No. 130, Swiss Agency for Environment, Forests and Landscape (SAEFL, since Jan. 06 BAFU), Bern 2000 [2] VERT, Final Report, 29.2.2000, Available from SUVA (Swiss National Accident Insurance Organization) Lucerne, www.suva.ch. [3] VERT Filter List, tested and approved particle trap systems for retrofitting Diesel engines, www.umwelt-schweiz.ch [4] Mayer, A.; Czerwinski, J.: VERT Particulate Trap Verification. IX. International Conference “R & D of Internal Combustion Engines”, Vladimir, Russia, May 27-29,2003 (ISBN 5-86953-048-2) p. 92 (SAE 2002-01-0435). [5] Mayer, A.; Czerwinski, J.; Pétermann, J.-L.; Wyser, M.; Legerer, F.: “Reliability of DPF-Systems: Experience with 6000 Applications of the Swiss Retrofit Fleet. SAE Paper 2004-01-0076, TTM, AFHB, BUWAL, AKPF. UBA / GAT / TTM / AFHB V.2 '07 25 [6] Minimierung der Partikelemissionen von Verbrennungsmotoren. Teil 1: Grundlagen, Wirkungen, Mess technik und Grenzwerte. München 15. Mai 2006, Veranstaltung Nr. E-H030-05-185-6, Haus der Technik, Essen, www.hdt-essen.de. 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LISTE DER ABBILDUNGEN UND DIAGRAMME Im Text Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 Aufbau des Emitec PM-Katalysators Aufbau des HJS-Sintermetall PM-Katalysators Aufbau der PM-Katalysatoren aus keramischen und metallischen Schäume Das Versuchsfahrzeug und die Messeinrichtungen für Nanopartikelanalytik am Rollenprüfstand Probenahmestellen und Messaufbau für Abgas- und Nanopartikel am Rollenprüfstand Messtellen direkt vor (1) und nach (2) dem PM-Kat an der Fahrzeugunterseite GAT Keramikschaum-Partikelkatalysator vor / nach Montage In Beilage Fig. 8 Fig. 9 SMPS & NanoMet bei Beladung 210 min bei TAbg <200°C (35km/h) SMPS & NanoMet bei Beladung 210 min bei TAbg 320°C Fig. 10 Fig. 11 Fig. 12 Fig. 13 Freibeschleunigungen nach 3.5h Beladungsperioden ohne PMS Freibeschleunigungen nach 3.5h Beladungsperioden mit PMS Zusammenstellung 3-ter Freibeschleunigungen, mit / ohne PMS Blow-off-Effekte im CVS-Tunnel, ELPI & PM Fig. 14 Fig. 15 Fig. 16 Fig. 17 Lastschnitt: SMPS & NanoMet, vor / nach PMS Lastschnitt: NO2 / NOx vor, nach und ohne PMS Lastschnitt: SMPS-, DC- und PM-Werte während der Laststeigerung mit / ohne PMS Zusammenstellung der Emissionswerte während der Laststeigerung mit / ohne PMS Fig. 18 Konstantgeschwindigkeiten: SMPS & NanoMet, vor / nach PMS Fig. 19 Konstantgeschwindigkeiten: NO2 / NOx vor, nach PMS Fig. 20 Konstantgeschwindigkeiten: SMPS-, DC- und PM-Werte mit / ohne PMS Fig. 21 Zusammenstellung der Emissionswerte bei Konstantgeschwindigkeiten mit / ohne PMS Fig. 22 Temperaturen vor / nach PMS bei Last- und Geschwindigkeitssteigerung Fig. 23 Fahrzykle: Vergleich aller Emissionswerte mit / ohne PMS Fig. 24 Beispiele der CPC & NanoMet Signalverläufe mit / ohne PMS bei verschiedenen Fahrzyklusabschnitten Fig. 25 Wiederholbarkeit der Resultate bei verschiedenen Fahrzyklen mit PMS Fig. 26 Zusammenstellung der Ergebnisse mit PMS bei allen Fahrzyklen und bei Zyklusphasen Fig. 27 Kontrolmessungen des Nanopartikel-Abscheidegrades PZAG 15. ANHANG A1 A2 A3 A4 Messprogramm zur Untersuchung offener Partikelminderungssysteme und Zuordnung der Messstellen zu den einzelnen Programmstufen Zusätzliche Grundsatzinformationen von TTM Kennlinienanpassung des Rollenprüfstandes Feinpartikel-Messverfahren und Geräte Wiederholung GAT A5 NanoMet bei Beladung 210 min bei TAbg <200°C (35km/h) – Vergleiche Tag 1 –Tag 5 A6 NanoMet bei Beladung 210 min bei TAbg 320°C (65km/h) – Vergleiche Tag 1 –Tag 5 26