12022018 daimler status abgasqualität nfz dieselmotoren2...status der abgasqualität von nfz...

20
Daimler Trucks Status der Abgasqualität von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren Status of Exhaust Gas Quality of CV Engines J. Bleckmann | M. Stiller | Prof. Dr. U. Gärtner

Upload: others

Post on 25-Feb-2021

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler Trucks

Status der Abgasqualität von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren

Status of Exhaust Gas Quality of CV Engines

J. Bleckmann | M. Stiller | Prof. Dr. U. Gärtner

Page 2: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

Overview - „NOX-free” Exhaust Gas from Heavy-Duty Diesel Engines?

2/20

Status exhaust-gas quality commercial-vehicle-engines in traffic1

Future challenges2

Measures for NOX - reduction3

Proof of concepts4

Summary5

Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 3: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

Overview - „NOX-free” Exhaust Gas from Heavy-Duty Diesel Engines?

3/20

Status exhaust-gas quality commercial-vehicle-engines in traffic1

Future challenges2

Measures for NOX - reduction3

Proof of concepts4

Summary5

Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 4: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

1. Status Exhaust-Gas Quality Commercial-Vehicle-Engines in Traffic [1]

1

2

3

4

5

Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

1.504Verkehr

370Sonstige

Technische

Einrichtungen

410Industrie und

Gewerbe

431Kleine und

Mittlere

Feuerungsanlagen

33Biogene Systeme

932Pkw

77LNFZ

453SNFZ

8KRAD

12Schienenverkehr

21Schiffverkehr

Ref.: LUBW Landesanstalt für Umwelt, Baden-Württemberg, 2014

Total NOx Load in Stuttgart Metropolitan Area: 2748 tons

Total Traffic: 1504 tons ( 54,7 % )

HD Engines: 453 tons ( 16,5 % )

4/20

Page 5: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

1

2

3

4

5

1. Status Exhaust-Gas Quality Commercial-Vehicle-Engines in Traffic [2]

8

9

Diesel Euro 5

Vans

Diesel Euro 6

Diesel < Euro 5

Otto

Restl. Hintergrund

Feuerungsanlagen

Lkw (und Bus)

10

87

3

35

15

3

4

Grenzwert

40 µm/m3

Pkw

Hinter-

grund1

Nfz

Ursachen der NO2-Belastung 2015,

in µg/m3

∆=47

Traffic Volume1)

Total 71100 Vehicle/day, thereof

PC 66870 #/day

Heavy Duty 2020 #/day ( 2,8 % )

1) Stand 2013

„Neckartor Stuttgart“ with HOTSPOT Monitoring Station

5/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Ref.: a) Norddeutscher Rundfunk NDR ( Foto ), b) Verkehrsstärke an ausgewählten Verkehrs- und Spotmessstellen Landesanstalt für Umwelt LUBW, 05/2015, c) Dai-Berechnungen auf Datenbasis LUBW/Aviso

Page 6: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

1

2

3

4

5

1. Status Exhaust-Gas Quality Commercial-Vehicle-Engines in Traffic [3]

6/20

0

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

NO

x[

g/

Fzg

. km

]

Mittlere Fahrgeschwindigkeit [ km/h ]1) Datenquelle: Wirkungsabschätzung weiterer Maßnahmen für den

Ballungsraum Stuttgart, Emissionsfaktoren für sNfz, LUBW, 05/2015

2) Datenquelle: BELICON, Prof. Pütz, FH Landshut, Citaro Linienbusse mit

OM 470 in Wiesbaden

Emissionsfaktoren sNfz

Basisjahr 2013 1)

Prognose 2014 1)

Prognose 2020 1)

Citaro C1, EURO VI 2)

TNO Report 2014 R10641,

OM936h, MY 2013

Interne Messungen,

OM934, MY 2015

Ref.: ICCT, „NOX emissions from heavy-duty and light-duty diesel vehicles in the EU: Comparison of real-world

performance and current type-approval requirements“, Dezember 2016

• Erhebliche NOx

Reduktion von EURO V

auf EURO VI!

• Weniger NOx bedeutet

nicht gleichzeitig mehr

CO2!

Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 7: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

Overview - „NOX-free” Exhaust Gas from Heavy-Duty Diesel Engines?

Status exhaust-gas quality commercial-vehicle-engines in traffic1

Future challenges2

Measures for NOX - reduction3

Proof of concepts4

Summary5

7/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 8: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

CARB / EPA - legislationCARB / EPA - legislationEU - legislationEU - legislation

2. Future challenges– legal drivers

NOX

1

2

3

4

5

NH3 – mean = 10 ppm

PM = 10 mg/kWh

PN = 6 x 1011

CO = 4 g/kWh

THC = 0.16 g/kWh

N2O

EU VI: 0.46 g/kWh

in discussion

NOX

N2O

0.2 g/bhp-hr

in discussion

Cerfification of WHTC + WHSC on engine test bench

in-use-compliance (IUC) w/- conformity factor = 1.5 (2013)

EU6d (2018):

� More stringent IUC requirements

� Pay-load reduction from 20 % to 10 %

� Cold start emissions still not relevant

EU7 (beyond 2018?):

� CO2 limitation expected 2020

� More strigent IUC legislation?

� N2O limitation?

0.1 g/bhp-hr

0.02 g/bhp-hr

EPA10/13 legislation

CARB proposal (202x)

EPA GHG ph.1/2

EPA10/13:

� includes in-use-compliance (IUC) measurements

� conformity factor (CF) of 1.5 x certification values

� NOx emissions at TSCR < 250°C not OBD relevant

� NTE zone at high engine-speed / load (CF = 1.5)

� Cold start emissions not relevant

Cerfification of FTP + RMC on engine test bench

Common CARB / EPA legislation in discussion (202x):

� More strigent FTP NOX - emission requirements

� IUC in RDE – cycles / OBD

no NH3 limit

PM = 10 mg/bhp-hr

no PN limit

CO = 15.5 g/bhp-hr

HC = 0.14 g/bhp-hr

( 1 kWh = 1.34 bhp-hr )

8/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 9: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

[µg/m3] PM2.5 NO2

Stuttgart

(Neckartor)

mean.

max.

17

40

87

264

Beijing

(U.S. embassy)

mean.

max.

65

684-

Central L.A. mean.

max.

12

56

45

162

health aspectshealth aspectsenvironmental aspectsenvironmental aspects

2. Future callenges– environmental drivers

1

2

3

4

5

Regional / local problem:

HC + NO2 + hv � O3 (indirect emission)

N2O

NO2 (direct emissions)

PM

Influence on human heatlth:

� O3/NO2: tear attraction, respiratory ducts stimulation, heat aches

� N2O: only health critical at very high concentrations

� PM: cancerogenic effects, respiratory ducts stimulation

� NO2 has priority in California against climate gases N2O

Global problem:

CO2 / N2O (direct emission)

Influence on global climate change:

� N2O has CO2 equivalent of 298

� Temperature annomaly + 0.8 K (≈ last 100 years)

summer smog

(Los Angeles)

winter smog

(Peking)

emission values (2015)

≈ + 3 %

9/20

approximate data

of MD 8 l engine

discussed US limit

Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 10: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

Overview - „NOX-free” Exhaust Gas from Heavy-Duty Diesel Engines?

Status exhaust-gas quality commercial-vehicle-engines in traffic1

Future challenges2

Measures for NOX - reduction3

Proof of concepts4

Summary5

10/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 11: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

engine based measuresengine based measurescatalysiscatalysis

3. Measures for NOX - reduction

1

2

3

4

5

catalysts applications NOx-reduction

performance

PNA future100°C - 300°C

NOX,storage=0.2-1.0 g/l

NSC pass-car200°C - 450°C

NOX,storage=0.5-2.0 g/l

Va-SCR EU4+5(+6) ηSCR,200°C ≈ 50%

Fe-SCR EU6 ηSCR,200°C ≈ 60%

Cu-SCR EU6 ηSCR,200°C ≈ 85%

11

22

Discontinious NOx – adsorption / absorption

Disadvantages: ageing, λ < 111

22Continious NOx – reduction

Disadvantages: low temp. activity

technology NOx-reduction performance

combustion-designmost efficient, but

trade-off CO2

exhaust-gas-recirculation most efficient up to – 50 %

charge-air-cooler Efficient up to - 20 %, but

driven by power demand

H2O-injection most efficient up to – 50 %

(only steady-state applications)

NOX-reburn Efficient, but complex

controlled-auto-ignition Most efficient up to -80 %, but

very complex

in-cylinder Adblue dosing efficient, but complex

AA

BB

State of the art technologiesAA

BB Exotic technologies

11/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 12: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

3. Measures for NOX – reduction - catalysis

1

2

3

4

5

NOX vs. N2O

NH3,storage vs. NOX-control

regeneration (λ<1)

NOX,storage vs. NOX-control

efficiency=f(end of test cycle)

12/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 13: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

3. Measures for NOX -reduction – basic investigations of NOx- catalysis

1

2

3

4

5

0

20

40

60

80

100

0 500 1000 1500 2000

NO

Co

nve

rsio

n[

% ]

NO Raw Emission [ ppm ]

VWT-Technology

Cu-Technology

0

10

20

30

40

50

60

0 500 1000 1500 2000

N2O

Fo

rmati

on

[

pp

m ]

NO Raw Emission [ ppm ]

� CO2 Reduction will increase NO Raw Emission.

Exhaust Gas Temperatures will drop.

� DeNOx Benefit of SCR Catalysts on Cu Base

� More Catalyst Volume with higher NO Raw Emission

STD SCR

ANR= 1,1

SV = 60000 1/h

10 % H2O

10 % O2

TGAS = 200 °C

� Increasing NO Raw Emission causes higher N2O

Formation

� Cu Technology causes higher N2O Formation

13/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 14: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

3. Measures for NOX – reduction – system analysis

1

2

3

4

5

End of pipe emissions with classic ATSEnd of pipe emissions with classic ATS

NOx

0 10 20 30

avg. cycle power [%]

Cold

Hot

EURO6

EPA10-Limit

cold start cold start

hot starthot start

Engine Temp. / Duty CyclesEngine Temp. / Duty Cycles

100

150

200

250

300

350400

450

Exhaust Temperature [°C]

200°C200°C

� Critical area MEP < 2 bar

� CO2 opt. thermal-management

� Close couple ATS

� right engine type and size for appl. ?

� fast SCR light-off

PEMS EU6d city-part only

FTP

WHTC

NYBC (New-York Bus City)

Downsizing

CO2 reduction

14/20

4

200

MEP [bar]

n [rpm]

2

Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 15: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

BDC TDC BDC TDCF

EXHAUST INTAKE

3. Measures for NOX reduction – thermal management

1

2

3

4

5

0

5

10

15

20

25

30

250

300

350

400

450

500

Exhaust Temperature [°C]

Brake Flap

Intake Air Throttle IAT

Cylinder Deactivation

BSFC

[g/kWh]

50

Q_Exhaust

[kW]

5

Exhaust Temperature [°C]

Early Exhaust Valve Open

Early Intake Valve Close (Miller „early“)

Late Intake Valve Close (Miller „late“)

Variable Exhaust Cam Phaser

Burner or Elec. Heated Catalyst

Keep warmHeat-up

Cam Timing5 Liter MD

N =1200 rpm

MEP = 2 bar

15/20

Exhaust Reopen

200 200

Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 16: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

Overview - „NOX-free” Exhaust Gas from Heavy-Duty Diesel Engines?

Status exhaust-gas quality commercial-vehicle-engines in traffic1

Future challenges2

Measures for NOX - reduction3

Proof of concepts4

Summary5

16/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 17: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

4. Proof of concepts – layout of tested systems

1

2

3

4

5

Abbreviations:

ASC Ammonia Slip Catalyst

Aftertreatment System ATS

CSC Cold Start Catalyst

DOC Diesel Oxidation Catlayst

DPF Diesel Particulate Filter

HC Hydro Carbon

SCR Selective Catalytic Reduction

classic ATS

EU6 & EPA10/13

DOC+SCRF+SCR

dual SCR

17/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 18: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

Hot start emissionsHot start emissionsCold start emissionsCold start emissions

4. Proof of concepts – Federal Test Procedure FTP

1

2

3

4

5

Classic ATS

EU6 & EPA10/13

DOC+SCRF+SCR

dual SCR

earlier Adblue dosing release

faster heat-up of ATS

∆ηSCR=-50 %

External heating required

Space velocity

NOX-control

Challenge:

Adblue dosing release

NH3,storage vs. NOX-control

18/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 19: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

Overview - „NOX-free” Exhaust Gas from Heavy-Duty Diesel Engines?

Status exhaust-gas quality commercial-vehicle-engines in traffic1

Future challenges2

Measures for NOX - reduction3

Proof of concepts4

Summary5

19/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner

Page 20: 12022018 Daimler Status Abgasqualität Nfz Dieselmotoren2...Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner 5/20 Ref.: a) Norddeutscher

Daimler AG

� Contribution of CV Diesel engines to NO2 Immission on very low level. Big benefit from EURO V

� EURO VI Technology

� Cold start & low-engine-load are most critical for CV Diesel engines

� New ATS technologies / layouts and/or external heating devices are required for cold start

� fast heat-up of ATS

� New Engine technologies required for low-load operation

� never light-out of ATS

� Trade-Off N2O-emission vs. NOX-conversion-rates of SCR‘s

� non-EGR engine concepts has risk of higher N2O- and CO2-emissions from Adblue

� Promising proof of concepts, which could fulfill future CARB / EU limits

5. Summary

1

2

3

4

5

20/20Status der Abgasqualität von Nfz Dieselmotoren | J. Bleckmann, M. Stiller, Prof. Dr. U. Gärtner