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
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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
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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
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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].
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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
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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.
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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.
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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).
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(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.
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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.
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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.
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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]
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[3]
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www.umwelt-schweiz.ch
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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,
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technik und Grenzwerte. München 15. Mai 2006, Veranstaltung Nr. E-H030-05-185-6, Haus der
Technik, Essen, www.hdt-essen.de.
[7]
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Generated Particles, Zürich Aug. 15-17. 2005 & Zürich Aug. 21-23. 2006, www.nanoparticles.ethz.ch
[8]
Mayer, A. & 81 coautors: Elimination of Engine Generated Nanoparticles, Problems and Solutions.
Haus der Technik Handbuch, Band 58, Expert Verlag 2005, www.expertverlag.de
[9]
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http://www.unece.org/trans/main/wp29/wp29wgs/wp29grpe/grpeage.html
[10] Mohr, M.; Lehmann, U.: Comparison Study of Particle Measurement Systems for Future Type Approval
Application. EMPA Report: 202779, May 2003. Swiss contribution to GRPE Particle Measurement
Programme (GRPE-PMP CH5)
[11] Andersson, J.; Clarke, D.: UN-GRPE PMP Phase 3 Inter-laboratory Correlation Exercise: Framework
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Report No. RD 04/80 801.5; Q55022, Feb. 2005
[12] De Serves, C.; Karlsson, H.L. : PMP Interlaboratory Correlation Exercise. AVL / MTC Report No.
MTC5410, Feb. 2005, www.mtc.se
[13] Jacobs,T.; Chatterjee, S.; Conway, R.; Walker, A.; Kramer, J.; Mueller-Haas, K.: Develepment of partial
Filter Technology for HDD Retrofit. SAE Techn. Paper 2006-01-0213, Johnson Matthey, Emitec.
[14] Brück, R.; Hirth, P.; Konieczny, R.: The PM-Metalit; Experience with the bypass-flow particulate trap
with regard to the reduction of particulate number and mass for passenger cars and truck applications.
Emitec, 4th AVL Forum “ Abgas und Partikelemissionen”, Ludwigsburg, März 2006.
[15] Okawara, S.; Tsuji, S.; Inoue, M.; Itatsu, T. ; Nohara, T. ; Konatsu, K. : Soot trapping and continuously
oxidizing behavior by flow-through Metallic PM filter.
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www.car-training-institute.com
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Regeneration Performance of a Catalyzed Metal Foam Particulate Filter. Aristotle Univ. Thessaloniki,
Inco Special Products, SAE Techn. Paper 2006-01-1524, Detroit, Apr. 2006
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at the Exhaust Pipe Outlet During Cold Start in a Passenger Car IDI Diesel with a Practical Exhaust
System in Place. SAE Technical Paper 2000-01-0511, University of Leeds, Ford Research.
[22] Andrews G.E., Clarke A.J., Rojas N.Y., Gregory D., Sale T.: Diesel Particle Size Distribution Changes
Along a Practical Exhaust System During Cold Start in Passenger Car IDI Diesel. SAE Technical Paper
2000-01-0514, University of Leeds, Ford Research.
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14. 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

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