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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mit einem Partikelfilter
(DPF) ausgestatteten Verbrennungsmotors einschließlich der
Regeneration dieses Filters. Die Erfindung betrifft des Weiteren
einen verbesserten Partikelfilter.
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Die
Regeneration von Partikelfiltern scheitert in vielen Anwendungen
daran, dass die Abgastemperatur im praktischen Fahrzeugbetrieb nicht
das Niveau erreicht, das für
die Verbrennung des abgeschiedenen Russes erforderlich ist, auch
wenn diese Temperatur durch katalytische Mittel auf Werte von 250–350°C abgesenkt
sein sollte. Häufig
fehlen nur 50 bis 100 K, um diesen Verbrennungsprozess auszulösen.
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Partikelfilter
sind aus der Praxis insbesondere im Zusammenhang mit dem Betreiben
von Dieselmotoren bekannt. Die nachstehenden Ausführungen beziehen
sich hauptsächlich
auf derartige Systeme. Grundsätzlich
kann man solche Partikelfilter auch bei einem Otto-Magermotor einsetzen,
der insbesondere als Direkteinspritzer ähnlich viele Partikel erzeugt
wie ein Dieselmotor.
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Der
im Partikelfilter gesammelte Russ verbrennt unter Abgasbedingungen
in der Regel erst bei Temperaturen von 550–600°C – ein Bereich, der erheblich
nach oben oder unten schwanken kann, je nach Zusammensetzung, Morphologie
und Graftitisierung des Russes sowie Zusammensetzung des Abgases
selbst. Derart hohe Temperaturen werden im Abgas von Turbo-aufgeladenen
Motoren praktisch nie erreicht. Um den im Filter gesammelten Russ trotzdem
periodisch unter kontrollierten Bedingungen abzubrennen d.h. den
Filter zu regenerieren, muss die Russzündtemperatur durch katalytische
Wirkungen abgesenkt werden und es müssen Massnahmen ergriffen werden,
um die Abgastemperatur kurzzeitig zu steigern.
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Durch
heute verfügbare
katalytisch wirksame Beschichtungen oder Treibstoffadditive wird
die Russzündtemperatur
in den Bereich von 250–350°C abgesenkt,
womit viele Betriebsbedingungen abgedeckt werden können. Aber
selbst bei Fahrzeugen, bei denen diese Bedingung häufig erreicht
wird, können
Situationen auftreten, in denen über
längere
Zeit nur Leichtlast gefahren wird, so dass sich der Filter zunehmend
belegt. Folge des erhöhten
Gegendruckes ist einerseits eine Verschlechterung von Leistung und
Brennstoffverbrauch sowie eine Erhöhung der Bauteil-Temperaturen,
schliesslich Unfähigkeit zum
Start, andererseits das Risiko eines plötzlich unkontrollierten Abbrandes
bei hoher Russbeladung und damit das Erreichen von hohen Spitzentemperaturen,
die weit über
1000°C erreichen
können
und damit das Filtermaterial gefährden.
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Die
für die
Regeneration erforderliche Wärmezufuhr
wird heute durch Verwendung von Brennern, durch Einbau elektrischer
Heizungen, durch katalytische Umsetzung eingespritzten Treibstoffes oder
durch Späteinspritzung
im Falle von elektronisch geregelten Einspritzsystemen realisiert.
Während
Diesel-Brenner und Heizwendel im Abgasstrom aufwändige und betrieblich anfällige Massnahmen sind,
sind Eingriffe in die Einspritzung nur bei Erstausrüstungen
möglich,
nicht bei der Nachrüstung.
Unter anderem bei der Nachrüstung
mit Dieselpartikelfiltersystemen ist es eine technisch elegante Methode,
die erforderliche Temperaturerhöhung durch
Erhöhung
der Abgastemperatur infolge von Drosselung des Gasstromes herbei
zu führen.
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Eine
gute Übersicht
der Möglichkeiten
der Drosselung des Gasstromes von Dieselmotoren im Zusammenhang
mit der Regeneration von Partikelfiltern findet sich bei A. Mayer
et al.: Engine Intake Throttling for Active Regeneration of Diesel
Particle Filters, SAE 2003-01-0381.
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Es
ist jedoch technisch nicht befriedigend, den Regenerationsvorgang
durch Temperaturerhöhung
lediglich auslösen
zu können.
Dieser soll vielmehr auch optimal ablaufen, d.h. einerseits möglichst schnell
und weitestgehend vollständig,
jedoch auch nicht unter zu starker Temperaturerhöhung, um eine Schädigung des
Filters zu vermeiden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, den Regenerationsvorgang nicht nur gezielt
initiieren, sondern auch dessen Ablauf gezielt steuern zu können.
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Gelöst wurde
diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors,
der mit
– mindestens
einer Drosselklappe zur Regulierung des zu- und/oder abgeführten Gasstroms
und
– einem
abgasstromseitig nachgeschalteten Partikelfilter
ausgestattet
ist, wobei jeweils zum Auslösen
eines Regenerationsvorgangs des Partikelfilters der Gasstrom mindestens
soweit gedrosselt wird, das die dadurch bedingte Temperaturerhöhung des
Abgases, bevorzugt in Verbindung mit einem im Filter befindlichen
Katalysator, die notwendige Starttemperatur für den Regenerationsvorgang
erreicht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
auch der nach
dem Erreichen der Starttemperatur ablaufende Regenerationsprozess
durch Veränderung
der Drosselung geregelt wird.
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Die
Drosselung ist an unterschiedlichen Stellen im Gasstrom des Motors
möglich
und die Wirkung ist davon weitgehend unabhängig. Grundsätzlich ist das
Verfahren der Drosselung bei allen Dieselmotoren und in allen Anwendungsfällen einsetzbar,
insbesondere auch bei der Nachrüstung
von Partikelfiltersystemen. Die Drosselstelle kann nach praktischen Kriterien
gewählt
werden. So ist es sicher einfacher, ein solches Bauteil mit seiner
Ansteuerung im kalten Bereich anzuordnen als auf der Abgasseite.
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1 zeigt
die Möglichkeiten
der Anordnung zur Drosselung des Luft- bzw. Gasstroms.
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Die
Drosselung des Gasdurchsatzes im Leichtlastbetrieb eines Motors
ist ein bewährtes
Mittel, um die Abgastemperatur zu steigern. Die Drosselung ist grundsätzlich vor
dem Motor oder im Abgasstrom nach dem Motor möglich. Physikalisch werden dabei
unterschiedliche Effekte ausgelöst,
nämlich eine Absenkung
der Dichte bei Drosselung vor dem Motor und eine erhöhte Abgasrückhaltung
bei Drosselung nach dem Motor. Drosselung vor dem Motor ist aus
Gründen
der Bauteiltemperaturen vorzuziehen, beim Saugmotor besonders einfach,
im Falle des turboaufgeladenen Motors ist auf die Druckverhältnisse
im Turbolader Rücksicht
zu nehmen. Aus den genannten Gründen
ist es daher bevorzugt, das erfindungsgemäße Verfahren bei Dieselmotoren
mit vorgeschalteter Drosselklappe durchzuführen.
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Diese
Variante nutzt die Tatsache, dass der Dieselmotor im Teillastbereich – und gerade
dort besteht das grosse Problem ungenügender Regenerationsbedingungen – mit einem
ausserordentlich hohen Luftüberschuss
(λ = 6 – 8) betrieben
wird. Dieser hohe Luftüberschuss
ist eine Folge der Qualitätsregelung
des Dieselverfahrens, d.h. bei Laständerung wird nicht der Luftdurchsatz
geregelt, sondern die Brennstoffmenge. Dieser hohe Luftüberschuss
führt dazu,
dass der Motor bei Teillastbereich sehr niedrige Prozesstemperaturen
aufweist, was grundsätzlich
für die
Verbrennungsqualität
und damit auch für
die Erzeugung von Emissionskomponenten wie CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe
ungünstig
ist. Eine Reduktion des Luftüberschusses
wäre also
in verschiedener Hinsicht förderlich.
Eine derartige Drosselung darf jedoch andererseits nicht soweit
gehen, dass der Vorgang der Verbrennung negativ beeinflußt wird.
Vorteilhafterweise ist die Drosselung zum Auslösen des Regenerationsvorgangs
so eingestellt, dass das Abgas eine möglichst hohe Temperatur aufweist.
Dabei soll die Verbrennung zumindest nicht unvollständiger sein
als ohne Drosselung. Vorzugsweise erfolgt eine Verbesserung der
Verbrennung. Eine technische Massnahme, durch die das sichergestellt
werden kann, ist die Verwendung einer Lambdasonde, die kontinuierlich
den Sauerstoffgehalt im Abgas misst, wobei dieses Signal dynamisch in
den Regelalgorithmus mit einbezogen wird.
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Bevorzugt
ist eine Regelung nach Massgabe des gemessenen Lambdawertes, für den kennfeldgestützte optimale
Sollwerte vorgegeben werden können.
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Reduziert
man die bei gegebener Last zugeführte
(zugelassene) Luftmenge, so rückt
das Gemischverhältnis
wieder in die Nähe
des stöchiometrischen
Verhältnisses
und damit steigt die Abgastemperatur. Grundsätzlich wäre es damit also denkbar, auch
bei Teillastbedingungen Volllast-typische Temperaturen zu fahren,
mindestens könnte
man λ bis auf
das Niveau anheben, das für
eine schadstoffarme Verbrennung des entsprechenden Motors geeignet ist.
Es wird daher bevorzugt, dass bei einer Motorfahrweise mit konstantem
Lastpunkt die Drosselung so voreingestellt ist, dass der Motor nahe
des Grenz-Lambda betrieben wird.
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Zu
berücksichtigen
ist dabei, dass bei Temperatursteigerung der Wärmeverlust durch Wärmeübergang
steigt d.h. die Abgastemperatur steigt zwar, aber die im Abgas enthaltene
Wärme wird
etwas geringer sein als im Vergleichsfall ohne Drosselung.
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Für den problemlosen
Betrieb eines Fahrzeugmotors spielt die Dynamik der Drosselregelung natürlich eine
wesentliche Rolle, d.h. ausgehend von einem gedrosselten Zustand
muss die maximal erforderliche Luftmenge bei plötzlicher Belastung möglichst
unverzögert
freigegeben werden. Die Drosselklappe kann z.B. vollautomatisch,
z.B. in Abhängigkeit
des Abgas-Sauerstoffgehaltes respektive des λ-Wertes (Lambda-Sensor) aus
einem geschlossenen Regelkreis heraus angesteuert werden. Eine kennfeldgestützte Ansteuerung
erlaubt ähnlich
freizügige
Strategien und umgeht das Totzeitproblem. Ausgehend vom gedrosselten
Zustand kann aber auch die Klappe bei Volllast-Wunsch mit sehr geringer
zeitlicher Verzögerung
in die neutrale Position gebracht werden, so dass Volllast-Betrieb
ohne Einschränkung
des Luftüberschusses
möglich
ist.
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Es
ist jedoch bevorzugt, dass bei einer Motorfahrweise mit Lastschwankungen
die Drosselung
– über den
per Lambda-Sonde gemessenen Lambda-Wert so geregelt wird, dass der
Motor nahe des Grenz-Lambda betrieben wird oder
– so voreingestellt
ist, dass der Motor bei konstantem Lastpunkt nahe des Grenz-Lambda
betrieben wird, bei Zunahme der Last die Drosselung jedoch für die Dauer
dieser Zunahme zumindest reduziert wird.
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Während der
Drosselung (vor Motor) entsteht ansaugseitig ein erheblicher Unterdruck,
der natürlich
die Lastwechselarbeit des Motors erhöht und damit zu einem erhöhten Brennstoffverbrauch führt. Da
die Massnahme aber nur sehr kurzzeitig eingesetzt wird – nur während der
Regenerationsperiode, also ca. 10 Minuten pro 8 Stunden Betrieb – ist die
Auswirkung auf den gesamten Brennstoffverbrauch kaum zu bemerken.
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Die
Klappenregelung kann benutzt werden, um zunächst den Filter bei maximaler
Abgastemperatur aufzuheizen, nach Erreichen der Russzündtemperatur
aber durch Verminderung der Drosselwirkung den Sauerstoffgehaltes
anzuheben und damit die Reaktionsgeschwindigkeit zu steigern. Läuft die
Reaktion zu schnell, so dass ein Überhitzen des Filters befürchtet werden
muss, so kann sie durch Drosseln auch wieder gebremst werden. Bevorzugt
ist also ein Verfahren bei dem die Drosselung nach dem Auslösen des
Regenerationsvorgangs zwecks Erhöhung des
Sauerstoffgehalts im Gasstrom vermindert oder aufgehoben wird.
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Der
Drosselvorgang kann durch eine Vielzahl von Verfahrensvariablen
z.B. durch den Gegendruck, die Abgastemperatur vor und nach dem
Filter, die Regelstangen-Position der Einspritzpumpe, die Waste-Gate-Position,
die LDA-Position
oder andere motorische Grössen
gesteuert oder geregelt werden.
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Die
genannten Verfahrensvariablen können gemessen
und die Messwerte von einer zentralen elektronischen Kontrolleinheit
(ECU) aufgenommen, verarbeitet und der Prozess entsprechend geregelt werden.
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Bevorzugt
ist ein Verfahren bei dem zwecks Schutzes vor Überhitzung die Drosselung in
Abhängigkeit
von der Temperatur im Filter oder von der Temperaturdifferenz vor
und nach Filter geregelt wird. Es kann aber auch vorteilhaft sein,
anstelle der Temperatur den Gegendruck als Steuerungs- bzw.
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Reglungsgröße zu verwenden.
Bevorzugt ist dann ein Verfahren, bei dem die Drosselung zum Auslösen eines
Regenerationsvorgangs erfolgt, wenn der Gegendruck des Filters einen
vorgegebenen oberen Wert erreicht. Vorzugsweise wird die Drosselung
aufgehoben, wenn der Gegendruck des Filters einen vorgegebenen unteren
Wert erreicht.
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Die
Regelung kann beispielsweise einsetzen, sobald der Drucksensor eine
Beladung des Partikelfilters auf einen vorgewählten Punkt erreicht hat. Sie
schliesst dann die Klappe zunächst
auf eine vorgewählte
Position und wartet den Anstieg der Temperatur vor Filter ab. Wird
die Temperatur in einer vorgegebenen Zeit wegen irgendwelcher Störgrössen, zum
Beispiel sehr tiefe Aussentemperaturen, nicht erreicht, so wird
nachgeregelt. Sobald der Wert erreicht ist, wartet der Regler eine
gewisse Zeit ab, um eine Aufwärmung
des Filtermaterials bis zu einer gewissen Tiefe des Filterkörpers zuzulassen.
Danach wird die Klappe voll geöffnet.
Bevorzugt ist ein Verfahren bei dem mittels der Steuerungseinheit
(ECU) die Regenerationsregelung so gefahren wird, dass die genannten
Störgrößen ausgeglichen
werden. Ein vorteilhaftes Regelschema der Vordrossel-Regelung ist
in 2 dargestellt.
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Hier
zeigt sich nun die Besonderheit und der Vorteil dieser Regelung:
Während
im üblichen
motorischen Betrieb hohe Temperatur immer mit geringem Sauerstoffgehalt
und tiefe Temperatur mit hohem Sauerstoffgehalt verknüpft sind,
können
bei dieser Regelung nun Temperaturverfügbarkeit und Sauerstoffverfügbarkeit
entkoppelt werden. Denn beim Öffnen
der Klappe behält
der Filter noch für
Minuten seine hohe Temperatur, gleichzeitig aber hat der hohe Sauerstoffgehalt
nun Zutritt, der eigentlich zu einer tiefen Motorentemperatur gehört. Diese
besonders günstige
Kombination für
den Verbrennungsvorgang kann zu einem sehr raschen, vielleicht zu
raschen Abbrand führen,
der den Filter gefährden
könnte.
Um dies zu vermeiden, kann das System erweitert werden durch eine
Temperaturmessung nach Partikelfilter, deren Signal benutzt wird,
um die Klappe wieder soweit zu schliessen, dass der Prozess, durch
den Sauerstofffluss kontrolliert gerade so schnell abläuft, wie
dies gewünscht
wird.
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Das
System ist erweiterbar durch Kontrolle des Luftüberschusses, was eine besonders
gute Möglichkeit
bietet, selbstadaptierende Prozesse in die Strategie mit einzubinden.
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Neben
diesen genannten Funktionen kann die ECU die Speicherung der Daten,
die Errechnung von Trends, die Bildung von Alarmen und die Funktionsüberwachung
der Komponenten Drosselklappe und Additivpumpe sowie des Additivtank-Niveaus übernehmen.
Eine beispielhafte Anordnung zeigt 3.
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Eine
wie vorstehend beschriebene Regelung wurde in der TRU-Anwendung,
wie im Beispiel-Teil beschrieben, eingesetzt.
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Ein
optimaler Regenerationsablauf kann zusätzlich durch konstruktive Massnahmen
unterstützt werden.
So ist die Verbindungsleitung zwischen Motor und Partikelfilter
vorzugsweise gut isoliert, um in der Phase des Regenerationsanlaufs
Wärmeverluste zu
vermeiden. Der Partikelfilter sollte vorzugsweise eine geringe thermische
Masse aufweisen. Von Vorteil sind Filter, bei denen die Regeneration
bereits dann einsetzt, wenn die motornahe Filteroberfläche aufgeheizt
ist, d.h. nicht erst, wenn das gesamte Filtermedium die erforderlichen
Temperaturen erreicht hat.
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Zur
Absenkung der Russzündtemperatur und
zur Beschleunigung der Abbrenn-Reaktion
werden bevorzugt katalytisch wirksame Brennstoff-Additive gewählt, denen
im Vergleich zu katalytischen Beschichtungen – deren Verwendung gleichwohl
auch möglich
ist – aus
folgenden Gründen
der Vorzug zu geben ist:
- • Sie unterliegen praktisch
keiner Alterung
- • Sie
sind anpassbar an die emittierte Russmenge, auch selbstadditiv
- • Sie
sind unabhängig
von Schichtbildung, dem sogenannten Russkuchen
- • Die
Reaktion läuft
5–10mal
schneller als bei katalytischer Beschichtung
- • Der
Filter wird in kurzer Zeit sehr vollständig gereinigt
- • Die
Regenerationsbedingungen müssen
nicht ständig,
sondern können
in grösseren
zeitlichen Abständen
erzeugt werden
- • Sie
sind besser geeignet für
aktive Eingriffe
- • Sie
sind unabhängig
von Zusammensetzung von Treibstoff und Schmieröl
- • Sie
erzeugen keine Sekundäremissionen,
insbesondere keine Erhöhung
der NO2-Emission
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Es
ist also bevorzugt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Katalysator
aus einem dem Motortreibstoff zugegebenen Additiv gebildet wird.
Man spricht hier von sogenannten Fuel Borne Catalysts (FBC). Besonders
gut geeignet sind eisenorganische Verbindungen, insbesondere Ferrocen und
Ferrocenderivate wie Ethyl-, Butyl- und Acetylferrocen oder 2,2-bis-Ethylferrocenylpropan.
Diese Additive werden dem Treibstoff bevorzugt als Lösungen zudosiert.
Beste Ergebnisse liefern geminale Bisferrocenylalkane, gelöst in iso-paraffinischen
Lösemitteln
oder in hocharomatischen Lösemitteln,
wie in
DE 100 43 144 und
DE 102 08 326 beschrieben. Eine
Dosierung von 15 bis 25 mg Fe pro Liter Treibstoff ist optimal.
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Die
Additiv-Dosierung aus einem Vorrats-Behälter erfolgt z. B. wahlweise
in die Treibstoff-Rücklaufleitung
oder auch in die Treibstoff-Zulaufleitung und wird vorzugsweise
von der zentralen ECU angesteuert. Die Additivzugabe kann in die
Treibstoffzuleitung vor der Einspritzpumpe erfolgen oder in die Treibstoffrücklaufleitung.
Es kann unabhängig
vom Betrieb des Motors eine kontinuierliche Dosierung erfolgen,
die im zeitlichen Durchschnitt die erforderliche Konzentration von
Additiv im gespeicherten Russ gewährleistet. Die Dosierung ist
aber auch automatisch adaptierbar, wenn sich dies aufgrund geänderter
Betriebsbedingungen als erforderlich zeigt. Bevorzugt ist ein Verfahren,
bei dem die Additivzugabe solange erfolgt, bis der im Tank befindliche
und über
den Treibstoffrücklauf
additivierte Treibstoff die gewünschte
Additivkonzentration aufweisst. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
kann die Additivzugabe auch direkt in den Treibstofftank erfolgen.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem nicht nur die die Meßwertaufnahme
für Druck
und Temperatur sowie die Steuerung des Regenerationsverfahrens durch
eine zentrale Steuerungseinheit (ECU) erfolgt, sondern auch die
Steuerung der Additivzugabe.
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Als
besonders vorteilhaft erweist sich folgendes Verfahren zur Additivierung:
Vorlauf und Rücklauf
werden kurzgeschlossen, jedoch gekühlt; in den Vorlauf mündet eine
Verbindung zum Tank mit einem Rückschlagventil.
In dieser Zuführungsleitung
befindet sich ein Sensor, der die jeweils vom Motor geforderte Brennstoffmenge
erfasst. Dieses Signal wird der elektronischen Kontrolleinheit zugeführt. Die
Additivierung erfolgt so, dass in diesem geschlossenen Kreislauf
immer die gewünschte
Additivierung vorliegt – dies
auch unter transienten Bedingungen.
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Bevorzugt
ist ein Verfahren, bei dem mittels der Steuerungseinheit eine selbstadaptive
Regelung vorgenommen wird, indem bei Abweichung der Messwerte aus
einem vorgegebenen Bereich die Steuerungseinheit voreingestellte
Steuerungsgrößen nachjustiert.
Fährt z.B.
ein LKW fährt
in Alaska auf grosser Höhe,
dann stimmen möglicherweise
die Voreinstellungen nicht mehr, die auf eine höhere Außentemperatur und einen höheren Luftdruck
ausgerichtet sind. Die ECU erkennt durch die aufgenommenen Messwerte,
dass der Filter nicht regeneriert. Sie kann jetzt selbständig Zusatzmassnahmen
ergreifen wie Erhöhung
der Vorheizzeit oder der Temperatur oder der Additivierungsmenge – in einer
geeigneten Strategie nacheinander oder miteinander, entsprechend
ihrer Programmierung.
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Ein
besondere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet sich
bei sogenannten Transport Refrigeration Units (TRU), also Kühlaggregaten
für Transportzwecke.
Derartige TRU finden sich beispielsweise an/in LKW-Trailern bzw.
-hängern,
Fracht-Containern und Frachtwagen der Bahn und dienen zur Kühlung leicht
verderblicher Fracht. Diese Kühlaggregate
werden meistens durch kleine Dieselmotoren angetrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren
kommt also bevorzugt bei Dieselmotoren zum Betreiben von Kühlaggregaten
für Transportbehälter zum
Einsatz.
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Die
besonderen Schwierigkeiten, ein zuverlässiges Partikelfilter-System
für eine
solche TRU-Einheit insbesondere für LKW-Trailer bereit zu stellen
bzw. diese entsprechend nachzurüsten,
sind vor allem in folgenden Aspekten zu sehen:
Die durchschnittlichen
Temperaturen sind niedrig und es muss unter ungewöhnlichen
Bedingungen auch mit sehr langen Teillast-Perioden bei z.T. tiefen
Aussentemperaturen gerechnet werden.
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Der
Filter ist weit vom Motor entfernt auf dem Dach des Trailers platziert;
die lange dünne
Abgasleitung ist kühlender
Luftströmung
ausgesetzt. Es geht also unvermeidlich viel Abgaswärme auf
dem Weg bis zum Filtereintritt verloren.
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Es
ist keinerlei Eingriff seitens des LKW-Fahrers oder anderer Bedienungspersonen
möglich.
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Die
Ziele für
die Emissionsminderung dieses Motors sind dabei: Abscheidegrad > 95%, für Feststoffpartikel
im Grössenbereich
20–300
nm Keine Überschreitung
der gesetzlich limitierten Emissionen CO, HC, NOx Keine Sekundäremissionen,
insbesondere auch keine Erhöhung
der Emissionen von NO2
Druckverlust: maximal 200 mbar
Geräuschdämpfung:
gleichwertig der Schalldämpferanlage
Lebensdauer
= Lebensdauer des Motors
Wartungsintervall: 2000 Betriebsstunden
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Der
Betrieb des Partikelfiltersystems am TRU-Antriebsmotor muss ohne
jeden Eingriff von aussen erfolgen und sich an veränderte Betriebsbedingungen
automatisch anpassen.
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Ein
TRU-DPF-Nachrüstsystem
lässt sich
wie folgt beschreiben:
Den Wärmeschutzmassnahmen kommt eine
sehr grosse Bedeutung zu. Der Partikelfilter ist weit vom Motor
auf dem Dach des Trailers platziert. Die Abgasleitung wird deshalb
nicht nur nach aussen isoliert, sondern bevorzugt durch ein dünnwandiges
Innenrohr so gestaltet, dass bei sprungartiger Steigerung der Temperatur
möglichst
wenig Wärme
im Rohr gespeichert wird. Hinzu kommen bevorzugt äussere Abschirmungen
gegenüber
dem Kaltluftstrom im Ventilatorbereich.
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Dem
Motor vorgeschaltet ist eine Drosselklappe, die normalerweise in
neutraler Position steht, für
die Auslösung
der Regeneration, aber auf einen frei wählbaren Winkel eingestellt
werden kann. Vollausschlag erfolgt möglichst schnell, bevorzugt
in weniger als 100 ms. Die ECU überwacht
neben der Motordrehzahl den Druck vor Filter, um den Zeitpunkt der
Regeneration festzulegen. Sie schliesst dann die Klappe, bis die
erforderliche Temperatur erreicht ist und öffnet sie in wählbarer
Strategie, um erhöhte Sauerstoff-Konzentration
zur Beschleunigung der Regeneration zuzulassen. Ändern sich die Betriebsbedingungen
(Umgebungstemperatur, Höhe,
Veraschung, Veränderung
der Rohemission des Motors), so kann die ECU alle Prozess-Parameter,
auch die Dosierungsrate, freizügig ändern.
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Als
Filter können
handelsübliche
Dieselpartikelfilter eingesetzt werden, z.B. solche mit einem keramischen
Fasergestrick. Bevorzugt ist ein SiC-Zellenfilter, wie er in modernen
Diesel-PKWs zum Einsatz kommt.
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Insbesondere
bei TRU-Anwendungen kommen vorteilhafterweise Partikelfilter zum
Einsatz, denen mindestens ein Wärmespeicherelement,
vorzugsweise ein keramischer Körper
vorgeschaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass beim (teilweise) Aufheben der
Drosselung nach Start der Regenerationsreaktion die Temperatur im
DPF, zumindest in dessen Eingangsbereich, nicht zu schnell absinkt
und somit die Regeneration beeinträchtigt. Das Wärmespeicherelement
kann ein keramischer Körper
sein, beispielsweise ein monolithischer zellenförmiger Körper, wie er als Substrat für Katalysatoren
eingesetzt wird oder eine Schüttung
aus keramischen Elementen, aber auch ein metallischer Körper wie
z.B. ein Drahtgestrick oder ein Folienwickelkörper aus metallischen Werkstoffen.
Wichtig ist vor allem ein geringer Druckverlust und eine hohe Wärmespeicherkapazität. Die von
Hause aus grosse Oberfläche
eines solchen Körpers
kann benutzt werden, um durch katalytische Beschichtung vorteilhafte
Zusatzeffekte zu erzielen, wie Oxidationseffekte oder Reduktionseffekte
der Abgaskomponenten und damit weiterer Abbau der Schadstoffe.
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Als
Regenerations-Additive werden verzugsweise solche auf Eisenbasis
gewählt,
wobei die Dosierung im Bereich von 15–25 mg Metall pro Liter Treibstoff
beträgt.
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Moderne,
elektronisch ansteuerbare Drosselklappen sind aus dem PKW-Bereich
verfügbar,
wo sie bisher in der Regel zur Unterstützung der EGR-Steuerung eingesetzt
wurden. Sie sind meist elektrisch betätigt und auf beliebige Schliesswinkel einstellbar.
Die Schliesszeit beträgt
bei der für
die Tests gewählten
Klappe ca. 70 ms von „voll
offen" bis „voll geschlossen". Die Drosselung
führt zu
einer Erhöhung
des Brennstoffverbrauches von etwa 10–15%, was jedoch völlig unerheblich
ist, da die Klappe nur 1–2mal
täglich
während
etwa 2 Minuten geschlossen wird. Die Partikelemission im Motor steigt
nur dann, wenn der Luftüberschuss
unter eine kritische Grenze abgesenkt wird, die bei etwa 1.3 bis 1.4
liegt, je nach Motor etwas verschieden. Der Drosseleingriff ist,
wie auch die durchgeführten
Versuche zeigen, ein hochdynamisches Mittel, um, ausgehend von einem
beliebig niedrigen Betriebspunkt, die Abgastemperatur auf den Wert
zu steigern, bei dem der durch FBC katalytisch gestützte Prozess
der Russverbrennung einsetzt.
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Das
Regenerationsverfahren soll auch bei den Dieselmotoren von TRUs
den folgenden Anforderungen genügen:
Frei
wählbare
Auslösung
bei niedrigem Gegendruck, um Auswirkungen auf den Brennstoffverbrauch
zu minimieren.
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Vollständige Verbrennung
des abgeschiedenen Russes ohne Rückstände in den
Aussenbezirken des Filters bei jeder Regeneration
Keine Emissionsspitzen
von gasförmigen
Schadstoffen oder Partikeln während
der Regeneration
Schonender Ablauf der Regeneration, um thermo-mechanische
Schäden
des Filters zu vermeiden
Berücksichtigung von Störgrössen wie
Umgebungstemperatur, Höheneinfluss,
Veränderung
der Rohemission
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Beispielhaft
lässt sich
ein typischer Prozessablauf für
die Regeneration wie folgt schildern:
Nach Beladung des Filters
von etwa 70 auf 140 mbar wird die Klappe geschlossen, der Aufheizvorgang
gestartet. Das Schliessen der Klappe bewirkt ein Absenken des Durchsatzes
und damit ein Absinken des Gegendruckes und eine Verminderung des
Luftüberschusses
auf etwa 1.3. Die Abgastemperatur nach Motor springt schlagartig
auf etwa 550°,
um dann langsam weiter zu steigen. Die Temperatur vor Filter steigt
wesentlich langsamer aufgrund der Wärmeverluste zwischen Motor
und dem weit entfernten Partikelfilter. Die Temperatur nach Filter
hinkt noch wesentlich deutlicher nach.
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Die
Aufheizzeit von ca. 2 Minuten führt
zu einer Steigerung der Temperatur vor Filter von etwa 450°C – die Regeneration
setzt ein. Der Regenerationsablauf ist erstaunlich schnell. In der
Anfangsphase zeigt das Absinken des Luftüberschusses den Sauerstoffverbrauch,
jedoch wird die Verbrennung dadurch nicht limitiert. Vielmehr zeigt
sich ein rascher Abbau des Druckabfalls, der nach weniger als 30
Sekunden zu einer völligen
Reinigung des Filters führt. Der
Regenerationsablauf bleibt trotzdem moderat, ein Resultat der relativ
bescheidenen Beladung des Filters.
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Der
Temperaturunterschied zwischen der Messung unmittelbar nach Motor
und vor Filter beträgt
etwa 50°.
Diese Differenz darf angesichts der sehr langen dünnen Leitung
auch als befriedigend betrachtet werden.
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Wesentlich
grösser
ist der Unterschied zwischen Temperatur nach Motor und Temperatur
vor Filter im transienten Fall nach Eingriff der Drosselung. Dieser
Wärmeverlust
hat mit einem Verlust nach aussen, der durch Isolation abgedeckt
werden könnte,
nichts zu tun. Es ist vielmehr die Wärme, die zur Aufheizung des
Abgasrohres benötigt
wird. Eine Reduktion ist nur durch eine Verminderung der Wärmekapazität des Rohrs
möglich
und wurde durch Einlegen eines dünnwandigen
Innenrohres erreicht.
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Nach
Optimierung aller Parameter und Wahl des besten Additivs wurde ein
wie vorstehend beschriebenes System über mehrere Tage sozusagen sich
selbst überlassen.
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Das
Auslöse-Niveau
für den
Gegendruck war bei 160 mbar eingestellt. Der gemessene Druckverlauf
zeigt den regelmässig
abgerufenen Regenerationsvorgang und die vollständige Reinigung des Filters.
Der Tages-Trend – ein heisser
Sommertag – spiegelt
sich wider im deutlichen Ansteigen der Temperatur, da sich die steigende
Aussentemperatur beim unaufgeladenen Motor natürlich verstärkt auf die Abgastemperatur
und den Luftüberschuss
auswirkt. Gleichzeitig steigt auch die Russfracht, was sich in kürzeren Regenerationszeiten
niederschlägt.
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Auch
die Emission der gasförmigen
Abgaskomponenten wurde während
der Regeneration untersucht. Dabei zeigte sich ein kurzzeitiges
Ansteigen der CO-Emission
von etwa 300 auf 1600 ppm, die aber sehr rasch wieder zurückging.
Die anderen Emissionskomponenten, insbesondere HC und NOx, zeigten
keine Veränderung,
während
der Sauerstoffgehalt kurzzeitig auf 8% zurück fiel. Während der Drosselphase stieg
auch die Rauchemission leicht an. Eine ergänzende Messung des Drosselvorgangs ohne
Filter wies auf einen massiven Anstieg der Rauchemission hin, der
sich auch im deutlichen Anstieg des Drucks während der Drosselphasen niederschlägt. Dieser
Effekt kann durch entsprechende Führung des Regenerationsprozesses
minimiert werden, d.h. die Drosselung kann etwas schwächer gewählt werden,
dafür die
Zeit zum Aufheizen des Filters etwas länger.
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Das
vorgeschlagene Verfahren ist auf jeden Dieselmotor übertragbar,
sofern er während
der Regeneration in einem konstanten Lastpunkt betrieben werden
kann. Wenn diese Voraussetzung nicht erfüllt ist, wenn der Motor also
ständigen
unerwarteten Lastschwankungen unterworfen ist, so ist das Verfahren
grundsätzlich
dennoch anwendbar, muss aber in einigen wichtigen Punkten modifiziert
werden, wobei zwei Wege möglich
sind.
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Entweder
wird die Drosselung unmittelbar über
Lambda geführt
und die Regelung ist schnell genug, um während des Drosselvorgangs Lambda
am Grenzwert und damit die Temperatur im Zielbereich zu erhalten,
so dass unabhängig
von den Lastschwankungen des Motors die Regeneration ausgelöst und erfolgreich
durchgeführt
wird.
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Oder
es wird eine einfachere Lösung
gewählt,
bei der die Regelung in gleicher Weise eingreift wie hier beschrieben,
aber bei jedem Lastpunkt des Motors durch ein schlagartiges Öffnen der
Klappe unterbrochen wird. Um die Eingriffszeit für diesen Fall kurz zu machen,
muss ein unmittelbares Signal vor der Lastaufnahme, also zum Beispiel
vom Gaspedal, vorliegen.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
insbesondere für
TRU-Anwendungen
lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die anspruchsvollen Anforderungen
zur Eliminierung der Russemission von TRU-Motoren können unter Einsatz moderner Partikelfilter
gelöst
werden. Die Partikelemissionen werden damit auf das Niveau der Umgebungsluft
abgesenkt und es müssen
keinerlei Sekundäremissionen
entstehen, ja es ist sogar eine leichte Absenkung der NOx und eine
markante Absenkung der NO2 und der HC möglich.
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Als
Regenerationshilfe bieten sich Brennstoff-Additive an, die sich
sehr gut eignen, um an die unterschiedlichsten Betriebsbedingungen
dieser relativ hoch emittierenden Motoren angepasst zu werden, ja
sogar die Gestaltung selbstadaptiver Massnahmen ermöglichen.
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Die
Drosselung des Dieselmotors auf ein für die Verbrennung noch zuträgliches
Grenz-Lambda, bietet sich als einfache Möglichkeit zur Steigerung der
Temperatur auf das für
die Regeneration erforderliche Niveau an und ermöglicht rasche und sehr vollkommene
Regenerationsabläufe.
Eine elektronische Steuerung dieses Prozesses ist auf einfache Weise
möglich
und die Prozesselektronik kann gleichzeitig für Regelungsaufgaben, sogar
zur Übernahme
selbstadaptiver Eingriffe genutzt werden. Gleichzeitig übernimmt
sie die Gesamtüberwachung der
Funktionen, auch Speicherung kritischer Daten und die Bildung von
Alarmen. Das Emissionsproblem der TRU-Motoren ist damit in einem
akzeptablen Kostenrahmen lösbar,
alle technischen Komponenten sind in ausgereifter Form verfügbar. Eine Übertragung
dieses Konzeptes, das grundsätzlich
bei allen Dieselmotoren anwendbar ist, ist vor allem auch für die Nachrüstung bei
anderen Offroad-Applikationen, wie bei Baumaschinen und landwirtschaftlichen Fahrzeugen
geeignet.
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Grundsätzlich ermöglicht die
aktive Regeneration immer eine Verkleinerung des Filtervolumens, da
die Regeneration relativ häufig,
also bereits bei geringen Belegungen ausgelöst werden kann. Dies führt generell
zu einem niedrigeren mittleren Gegendruck und damit zu einer Minimierung
des Brennstoffsverbrauchs. Vorteile bietet die aktive Regeneration
durch Drosselung auch für
die Regeneration selbst, da frischer Russ leichter zu regenerieren
ist als ältere
Schichten. Dies gilt insbesondere dann, wenn solche Schichten aus
vielfach abgebrochenen Regenerationsphasen stammen.
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Die
Methode ist mit katalytischen Massnahmen verknüpft, also mit dem Einsatz von
Additiven oder katalytischen Beschichtungen. Die erforderliche Temperatursteigerung
bis zum Einsatz der Regeneration wird dann nur 100–150°C betragen,
die, wie die Ergebnisse zeigen, jederzeit, d.h. in jedem Betriebszustand
rasch erzielbar sind.
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Vorteile
bietet auch ein System mit einem zusätzlichen Wärmespeicherelement. Wie bereits
ausgeführt
kann die von Hause aus grosse Oberfläche eines solchen Körpers benutzt
werden, um durch katalytische Beschichtung vorteilhafte Zusatzeffekte
zu erzielen, wie Oxidationseffekte oder Reduktionseffekte der Abgaskomponenten
und damit weiterer Abbau der Schadstoffe.
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Verwendete
Versuchsgeräte
und Analytik
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TRU UND MOTOR
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Die
für den
Aufbau am Aufliegeranhänger konstruierte
Kühlanlage
stammt von der Firma THERMOKING.
- Typ: SB TC1–30 TRU
- Motor: Hersteller YANMAR
- Typ: 4TNE86-TK, DI-Dieselmotor ohne Aufladung
- Hubvolumen: 2.1 Itr
- Nenndrehzahl: 2200
- Nennleistung: 25.3 kW
- Betriebsdrehzahl: 2200 1/min und 1450 1/min
- Durchschnittlicher Brennstoffverbrauch: 2,5–3 Itr/h
- Brennstoff: handelsüblicher
US-Dieselkraftstoff Schwefelgehalt S < 500 ppm
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Die
Einheit ist vollständig
autark, kann also auch am parkierten Auflieger betrieben werden.
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Filter
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Es
wurde ein elliptischer Zellenfilter von LiqTech aus Si gewählt, weil
er aufgrund seiner Bauform die besten Einbaubedingungen bot und
auch im Blick auf das Kostenziel vertretbar schien.
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Eigenschaften
des Filterelementes
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Hersteller
LiqTech; Material: SiC-gebundenes EC; Zelldichte: 90 cpi; Zelldimension:
2 × 2
mm; Wandstärke
0.8 mm; Porengrösse:
23 μ; Porosität: 45%;
Wärmeleitfähigkeit
(Watt/mK): 40 bei 25°C; Wärmeausdehnung
radial: 4,2 × 10–6 pro °C bei 25°; Elastizitätsmodul:
E ([Gpa] 50; Biegefestigkeit/MORa[Mpa] > 25; Dichte in [g/cm3:]
1.8; Elektrischer Widerstand: [Ω × cm] 1;
Dimensionen: 115 × 185
mm, Länge
254 mm; Volumen: 4.2 Itr.
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Dieser
Filtertyp hat im Durchschnitt aller Betriebspunkte einen Abscheidegrad
von 99.8% für Partikel
im Grössenbereich
20–300
nm.
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TESTZYKLUS
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Bei
der Untersuchung von Filtern kann man auf das Durchfahren ganzer
zyklischer Abläufe
verzichten, da bei allen guten Filtern die Abscheidung von Feststoffpartikeln
in allen Betriebspunkten und auch unter transienten Bedingungen
mit annähernd gleich
guter Wirkung erfolgt, sofern die Raumgeschwindigkeit auf die systemgegebenen
Grenzen begrenzt bleibt. Aus diesem Grund wurden die Versuche zur
Entwicklung eines Filtersystems für diesen Motor in der TRU-Anlage
selbst durchgeführt.
Bei zwei geregelten Drehzahlen – 1600
und 2100 U/Min. – und
variierender Last, die über
die Einstellung der Kälteanlage
und damit die Leistung der Kälte-Mittelpumpe
eingestellt werden konnte.
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EMISSIONSANALYTIK
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Es
wurde eine wie weiter oben beschriebene Drosselklappe aus dem PKW-Bereich eingesetzt.
Im vorliegenden Fall wurde die Partikelemission bei einer Einstellung
von λ =
1.3 mit einem transient wirksamen Partikelmessgerät NanoMet
aufgezeichnet. Die Erhöhung
der Partikelemission wurde dabei mit 2 Sensoren aufgezeichnet, dem
DC- Sensor, der die Gesamtoberfläche
der Partikel erfasst, und dem fotoelektrischen Aerosol-Sensor PAS,
der eine Aussage über
den Gehalt an elementarem Kohlenstoff EC im Feinpartikelbereich
gibt. Beide Sensoren zeigen in gleicher Weise, dass bei dieser starken
Drosselung die Partikelemission auf den vierfachen Wert steigt, nach Öffnen der
Drossel aber auch spontan wieder auf den Ausgangswert zurückkommt.
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Nachdem
das System definiert und mit den endgültigen Komponenten aufgebaut
war, wurde eine Emissionsmess-Kampagne unter Zuzug von Spezialisten
für die
Nanopartikel-Analytik und die Erfassung gasförmiger Emissionen durchgeführt.
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1. Partikelemissionen
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Zum
Einsatz kamen die folgenden Messsysteme:
Heisse Probenahme
direkt aus dem Abgas
Konditionierung der Probe durch heisse
Verdünnung mit
rotierendem Verdünner
und nachgeschalteter Beheizung des Abgases zur Abtrennung flüchtiger
Bestandteile.
DMA zur Grössen-Klassierung
der Partikel nach ihrem Beweglichkeitsdurchmesser in 60 logarithmisch-äquidistante
Partikelgrössen
CNC
im Zählmodus
zur Bestimmung der Anzahlkonzentration der Partikel in [P/cm3]
DC zur Bestimmung der Gesamtpartikel-Oberfläche im Bereich
20–1000
nm
PAS zur Bestimmung des Elementarkohlenstoff-Gehaltes Die
Messungen wurden ohne Filter und mit Filter durchgeführt.
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Die
Partikelemissionen dieses Motors sind mit etwa 108Partikel/cm3 sehr hoch. Die Penetration weist Abscheidegrade
von etwa 99.8% aus.
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Bemerkenswert
ist die Einheitlichkeit der Aussagen von PAS und DC; denn da DC
die Gesamtoberfläche
aller Partikel, flüchtig
und fest, ermittelt, PAS aber nur die verbrennungsgenerierten eigentlichen
Russpartikel „sieht", würde ein
Unterschied der beiden Signale auf die Anwesenheit von Kondensaten
hinweisen.
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2. gasförmige Emissionen
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Die
folgenden Geräte
kamen zum Einsatz: rbr-ecom-KD für
CO, NO. NO2 und HC; AVL 407 Smoke-Tester für FSN; ETAS LAMBDA Meter LA
4
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Zusammenfassend
lässt sich
feststellen:
Während
CO nicht reagiert, zeigt sich eine Verbesserung bei NO und eine
sehr deutliche Verminderung der Emission bei NO2. Ein typisches
Ergebnis, das sich bei den eisenbasierten Additiven immer wieder findet.
Auch die Kohlenwasserstoff-Emissionen sind auf ein Drittel reduziert.
Dass die Rauchemission, hier mit dem empfindlichen AVL 407-Gerät gemessen,
das gut mit EC korreliert, hinter dem Filter nicht mehr nachweisbar
sind, ist angesichts der oben gezeigten Partikel-Analysen nicht
verwunderlich.
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Es
konnte also bestätigt
werden, dass sich die gasförmigen
Emissionen nicht erhöhen,
sondern sogar deutlich vermindern, insbesondere tritt die bei katalytisch
beschichteten Systemen beobachtete starke Erhöhung der NO2-Werte nicht auf,
vielmehr wird dieser Schadstoff auf ein äusserst tiefes Niveau reduziert.
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1: Möglichkeiten
der Platzierung einer Drosselvorrichtung
- 1
- Motor
- 2
- Ansaugfilter
- 3
- Turbolader
Verdichter
- 4
- Ladeluftkühler
- 5
- Turbolader
Turbine
- 6
- Partikelfilter
- 7a-e)
- Drosselung
-
2: Regelschema
der Vordrossel-Regelung
-
3: ECU-gesteuertes
System
- 1
- Partikelfilter
- 2
- Temperaturmessung
vor Filter
- 3
- Druckmessung
vor Filter
- 4
- rpm-Messung
- 5
- Füllstandmessung
Tank
- 6
- Temperaturmessung
nach Motor
- 7
- ECU
- 8
- Additiv-Tank
mit Pumpe
- 9
- Drosselklappe
- 10
- Motor
- 11
- Kraftstoff-Tank
- 12
- Kraftstoffzufuhr
zum Motor
- 13
- Kraftstoffrückfluss
- 14
- Abstand
Motor zum Partikelfilter