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Um die weltweit kontinuierlich strenger werdenden Abgasgrenzwerte für HC-, CO- und insbesondere für NOx- und Partikelemissionen für Pkw und Lkw einhalten zu können, haben die Ingenieure von Motorenherstellern und Zulieferern von Abgasnachbehandlungssystemen in den vergangenen Jahren robuste Systeme für den Einsatz in diesen Fahrzeugen entwickelt. Ähnlich strenge Grenzwerte stehen nun (ab 2010 bis 2014) auch dem Nonroad- Sektor (NRMM) bevor. Emitec stellt in diesem Beitrag ein Konzept eines modularen Nachbehandlungssystems für Partikel- und NOx-Emissionen zum Einsatz im Nonroad-Sektor vor.
Katalysatorsysteme
für Non-Road-Anwendungen
ABGASNACHBEHANDLUNG I EXHAUST GAS AFTERTREATMENT
ATZoffhighway26
1 Einleitung
Die Entwicklung von Nachbehandlungs-systemen für diesen Einsatz erscheint extrem herausfordernd, insbesondere vor dem Hintergrund der sehr spezi-fischen Einsatz- und Umgebungsbedin-gungen und der Vielzahl der Lastprofile in den Anwendungen, die abgedeckt wer-den müssen. Dieselmotoren in solchen Anwendungen werden gewöhnlich in ei-ner Vielzahl von Fahrzeugen wie land-wirtschaftlichen Geräten oder Bauma-schinen verbaut, in denen der Bauraum sehr begrenzt ist, wodurch eine hohe Komplexität hinsichtlich des Packagings, des thermischen Managements und des transienten Betriebs resultieren. Die zu erfüllende Abgasgesetzgebung sieht im ersten Schritt eine Reduzierung der Par-tikelemissionen vor, anschließend zusätz-lich die Verringerung der NOx-Emissio-nen.
Dieser Beitrag beschreibt ein Konzept eines modularen Nachbehandlungssys-tems für Partikel- und NOx-Emissionen zum Einsatz im Nonroad-Sektor, mit dem Grenzwerte wie die EU-Stufe IIIA bezie-hungsweise US Tier 4 interim und schließ-lich auch EU-Stufe IV beziehungsweise US Tier 4 eingehalten werden können. Die technische Umsetzung besteht in der Verwendung von strukturierten Folien für den Einsatz im Oxidationskatalysa-tor, im Partikelfilter sowie im SCR-Kataly-sator und beruht vor allem auf der kom-pakten Kombination dieser drei Bauteile
als funktionelle Einheit, dem sogenann-ten SCRi-System in Verbindung mit einem innovativen SCR-Dosiersystem.
2 Emissionsgrenzwerte und Anforderungen an die Abgasreinigung
Die stufenweise verschärften Emissions-anforderungen führten bei den On-Road-
Fahrzeugen mit EU IV ab 2005 erstmals zur Einführung von Abgasreinigungs-technologien in Nutzfahrzeugen als Erst-ausrüstung in der Serienproduktion. In-zwischen ist bereits EU V Standard, und EU VI wird bis 2012/13 umgesetzt wer-den. Damit werden die zulässigen NOx- und PM-Emissionen binnen zehn Jahren gegenüber dem Stand von 1990 (EU 0) um mehr als 97 % vermindert sein. Eine
Die Autoren I The Authors
Rolf Brück ist Leiter Forschung und Ent-
wicklung, Versuch bei der
Emitec GmbH in Lohmar.
Rolf Brück is Director Research and
Development. Testing at the
Emitec GmbH in Lohmar
(Germany).
Peter Hirth ist Leiter Forschung und
Entwicklung bei der Emitec
GmbH in Lohmar.
Peter Hirth is Manager Research and
Development at the Emitec
GmbH in Lohmar (Germany).
Klaus Müller-Haas ist Mitarbeiter Applikation
Heavy Duty und Leiter
Nonroad bei der Emitec GmbH
in Lohmar.
Klaus Müller, Application Heavy Duty, Man-
ager Nonroad at the Emitec
GmbH in Lohmar (Germany).
Andreas Scheeder ist Leiter Applikation Heavy
Duty bei der Emitec GmbH
in Lohmar.
Andreas Scheeder is General Manager Applica-
tion Heavy Duty at the Emitec
GmbH in Lohmar (Germany).
Catalyst Systems for
Non-Road Applications
Engine manufactures’ and exhaust gas
system suppliers’ engineers have suc-
cessfully developed robust exhaust gas
aftertreatment systems for on-road ap-
plications to achieve worldwide strin-
gent emission standards for hydrocar-
bons and carbon monoxides, and – even
more challenging ultra-low – NOx and
particulate standards as well. Nonroad-
Mobile Machinery (NRMM) will be sub-
ject to similar stringent emissions stand-
ards from 2010 to 2014 on. This study by
Emitec summarizes a road map for
modular aftertreatment systems for
European Stage IIIA/US Tier 4 interim
and finally Stage IV/US Tier 4 regulation,
respectively.
1 Introduction
The development of exhaust gas after-
treatment systems for non-road applica-
tions is expected to be extremely chal-
lenging due to the specific operating
profiles, severe ambient conditions and
the variety of duty cycles to be covered.
These diesel engines are installed in mul-
tiple vehicles and equipment such as ag-
ricultural and construction machines with
very limited space allowance, adding a
magnitude of complexity to the develop-
ment in terms of packaging, thermal
management and high transient load fac-
tors. The up-coming emission regulations
require in a first stage reduction of par-
ticulate matter and in the following stage
additionally reduced NOx tail pipe emis-
sions.
This study summarizes a road map for
modular aftertreatment systems for Euro-
pean Stage IIIA/US Tier 4 interim and fi-
nally Stage IV/US Tier 4 regulation, re-
spectively. Such systems are engineered
with advanced structured foil substrates
for Diesel Oxidation Catalyst, PM-Metalit
and SCR catalysts in compact, function-
ally integrated arrangement, the so-called
SCRi system, resulting in minimum pack-
aging requirements.
27 Sonderausgabe von ATZ I Special Edition ATZ I Oktober I October 2009
ähnliche Entwicklung ist auch bei den Non-Road Fahrzeugen beziehungsweise Motoren vorgezeichnet.
Beginnend mit den Motoren der Leis-tungsklasse 130 bis 560 kW in 2011, ge-folgt von den Motoren 56 bis 130 kW in 2012 und den Motoren 37 bis 56 kW in 2013 werden die Abgasgrenzwerte zu-nächst auf die EU Abgasstufe 3B und dann in 2014 auf die Abgasstufe EU IV (Motoren 56 bis 560 kW) angehoben, Bild 1.
Neben diesen schon so signifikant re-duzierten Zahlenwerten stellen zusätz-liche Vorgaben wie unter anderem die Einführung des in Bild 2 gezeigten neuen Non-Road Transient Test Zyklus als Kalt- und Warmtest durchaus eine erhebliche Verschärfung der Rahmenbedingungen für die Motorenentwicklung von Nutz-fahrzeugen dar. Der Non-Road-Transient-Zyklus besteht aus einer Hintereinander-reihung von Lastkollektiven verschie-dener Non-Road-Anwendungen wie zum Beispiel Tieflöffelbagger, Radlader, Bull-dozer, Landmaschinenfahrzeug, Löffel-bagger und Minibagger. Unabhängig von der späteren Anwendung werden die Motoren damit hinsichtlich ihrer Emissi-onen universell getestet, wodurch die An-forderungen an die Abgasnachbehand-lung entsprechend steigen werden.
Das Entwicklungsziel der meisten Her-steller ist eine optimierte Lösung für das Jahr 2014 (EU-Stufe IV beziehungsweise US-EPA Tier 4 final) mit der Maßgabe, die weniger strengen Grenzwerte der Emissi-onsstufe EU-Stufe 3B beziehungsweise US-
EPA Tier 4 interim mit einem vereinfach-ten, damit kompatiblen Katalysator- und Filtersystem zu erfüllen. Die Vielfalt der Anwendungen mit oft geringen Stück-zahlen erfordert eine effiziente Planung und Auslegung der Systeme. Hier zeigt ein modularer Aufbau beziehungsweise ein Baukastensystem mit standardisier-ten Komponenten Vorteile bei der Beherr-schung der Varianz der Anwendungen.
Zusätzlich rückt weltweit neben ande-ren Umweltschutzthemen das Thema „Global Warming“ in den Vordergrund. Fachleute diskutieren die Einflüsse un-terschiedlichster Emissionen und deren Auswirkungen auf das Klima. Neben Ruß, Methan, Stickoxiden etc. wird in der Öffentlichkeit vor allem der Einfluss von CO2 thematisiert. Das vom Menschen vor allem als Produkt jedes Verbren-nungsprozesses erzeugte CO2 gilt in der Politik als Hauptverursacher für den Kli-mawandel. Für den Fahrzeugbetreiber sind die CO2-Emissionen mit dem Kraft-stoffverbrauch und damit den Betriebs-kosten gleichzusetzen.
Das führt vor allem bei der Motorent-wicklung zu einem Zielkonflikt, da eine umfassende Abgasnachbehandlung ten-denziell zu Lasten des Kraftstoffver-brauchs realisiert wird. Vor dem Hinter-grund stetig strengerer Emissionsgrenz-werte von gesundheitsgefährdenden Schadstoffen muss demnach mit Abstri-chen vom zukünftig technisch erziel-baren Kraftstoffeinspar- beziehungsweise CO2-Absenkungspotenzial gerechnet wer-
2 Emission Limits and Exhaust
Gas Aftertreatment Requirements
In response to increasingly stricter emis-
sions legislation exhaust gas aftertreat-
ments systems have been fitted as original
equipment to EU IV commercial vehicles
as standard equipment since 2005. The cur-
rent standard is EU Stage V; and EU Stage
VI will come into effect by 2012/13. As a re-
sult of this legislation, permissible NOx and
PM emissions will be reduced by over 97 %
within ten years compared to 1990 (EU 0).
Non-road vehicles and non-road engines
are expected to undergo similar develop-
ments. Starting with 130 to 560 kW engines
in 2011, followed by 56 to 130 kW engines
in 2012 and 37 to 56 kW engines in 2013,
stricter emission limits will initially be im-
posed by EU Stage 3B before EU Stage IV
(56 to 560 kW engines) comes into effect in
2014, Figure 1.
The development of commercial vehicle
engines will be subject to much more dif-
ficult general conditions, not just as a re-
sult of substantially reduced numerical
values but also due to additional require-
ments, such as the introduction of the
new non-road transient test cycle, shown
in Figure 2, with a warm and cold test.
The non-road transient test cycle includes
a collection of load parameters taken
from various non-road applications, such
as backhoes, wheel loaders, bulldozers,
agricultural vehicles, power shovels and
skid loaders. Irrespective of their later ap-
plication, engine emissions will be tested
Bild 1: Weltweite Non-Road-Emissions-gesetzgebung im ÜberblickFigure 1: An overview of worldwide non-road emissions legis-lation
ABGASNACHBEHANDLUNG I EXHAUST GAS AFTERTREATMENT
ATZoffhighway28
den. Damit kommt der Wahl des „rich-tigen“ Katalysator- und Filtersystems ent-scheidende Bedeutung zu, denn dessen technische Ausführung ist eng verknüpft mit der Balance zwischen bestem Kunden- und Umweltnutzen. Fahrzeuge, die die-
sen doppelten Wettbewerbsvorteil bieten und zusätzlich eine unkomplizierte, dau-erhaltbare Abgasnachbehandlung aufwei-sen, werden sich im Markt durchsetzen.
Als wichtig aber auch als kritisch ist in diesem Zusammenhang der internati-
onale Wettbewerb zu sehen. Politische Meinungen und Trends in einzelnen Län-dern sollten nicht zu Technologievor-schriften führen.
Entscheidungsgrundlage für den Ein-satz eines bestimmten Nachbehandlungs-systems müssen ausschließlich die ge-setzlichen Grenzwertanforderungen dar-stellen, um einen optimalen Kosten-/Nut-zen-Effekt zu erhalten, der gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit und die Inno-vationskraft steigert.
Damit werden Gesamtsysteme, beste-hend aus Fahrzeug, Motor und Abgas-nachbehandlung, realisiert, die ökono-misch ein Optimum darstellen.
3 Anforderungen an die Motoren
Bewertet man den Stellenwert der Mo-toren und der Abgasnachbehandlung in der öffentlichen Meinung, wird deutlich, dass der Motor die führende Rolle hat. Kunden achten auf Technik, Drehmo-ment, Leistung und vermehrt auf den Verbrauch. Die Abgasnachbehandlung wird nur indirekt durch die Erfüllung der jeweiligen Grenzwerte oder ggf. durch Vorerfüllung zukünftiger Grenz-werte in Verbindung mit Steuervorteilen beachtet. Auch der Wettbewerbsvorteil einzelner Motorenhersteller basiert ne-
universally, which will raise requirements
to emission aftertreatment effort accord-
ingly.
The development objective of the major-
ity of manufacturers is to have an opti-
mised solution in place for 2014 (EU
stage IV or US-EPA Tier 4 final) with the
aim of meeting the less stringent emis-
sion limits of EU Stage 3B or US-EPA Tier
4 interim through a simplified and hence
compatible catalyst and filter system. The
wide variety of applications with often
small production runs demands efficient
system planning and design. A modular
design or a building-block system using
standardised components is more suited
to managing the variety of applications.
Global warming has moved to the top of
the worldwide agenda alongside other
environmental issues as experts discuss
the effects of different emissions and their
impact on our climate. In addition to soot,
methane, nitrogen oxides, etc. it is the ef-
fect of CO2 that has become a matter of
public concern. Governments regard the
CO2 released through human activity, pri-
marily as the product of combustion pro-
cesses, as the main cause of climate
change. As far as vehicle operators are
concerned CO2 emissions equal fuel con-
sumption and hence operating costs.
The resulting conflict of objectives primari-
ly affects engine development because
comprehensive exhaust aftertreatment
tends to come at the expense of fuel econ-
omy. Increasingly stricter emission limits
on harmful pollutants can be expected to
have a negative impact on the future,
technically feasible potential for fuel sav-
ings or CO2 reduction. The selection of the
“right” catalyst and filter system therefore
becomes crucially important because the
technical design is closely linked to the
balance between optimum customer and
environmental benefit. Vehicles with this
double competitive advantage and a sim-
ple, durable exhaust aftertreatment sys-
tem are going to succeed in the market.
International competition is an important
factor but must also be critically evaluated
in this context. Technical regulations must
not be based on political opinions and na-
tional trends in individual countries.
Decisions have to be made solely on the
basis of statutory emission limits to
achieve an optimum cost-benefit effect
that also improves competitiveness and
innovation.
This approach would lead to the imple-
mentation of overall systems consisting
of vehicle, engine and exhaust aftertreat-
ment that represent an optimum solution
from an economic aspect.
Bild 2: Non-Road-Transient-Test-Zyklus mit anwendungsbezogenen LastkollektivenFigure 2: Non-road transient test cycle with application-related load collectives
29 Sonderausgabe von ATZ I Special Edition ATZ I Oktober I October 2009
ben der Zuverlässigkeit und dem Design primär auf der eingesetzten innovativen Technologie. Für die Erfüllung aller zu-künftigen Vorschriften ist jedoch ein op-timales Zusammenwirken aller beteilig-ten Komponenten erforderlich. Das fol-gende Beispiel soll die Vielfalt der Mög-lichkeiten verdeutlichen.
Das primäre Ziel der Motorenentwick-ler ist es, die Emissionsgrenzwerte rein motorisch einzuhalten. Insbesondere bei den NOx-Emissionen bedeutet das übli-cherweise einen Verbrauchsnachteil. Da neben der Einhaltung der Grenzwerte der limitierten Abgaskomponenten zu-nehmend auch auf geringst möglichen Kraftstoffmehrverbrauch zu achten ist, kommt der Auslegung der Abgaskompo-nenten eine besondere Bedeutung zu. Die fortschreitende Motorenentwicklung trägt bereits dazu bei, dass der Kraftstoff-verbrauch von Nutzfahrzeug-Dieselmo-toren über Jahrzehnte abgenommen hat. Jetzt kommt es darauf an, Motorenent-wicklung und Abgasreinigungstechnik in der Entwicklung gemeinsam zu be-trachten und Lösungen zu finden, bei der Aufwand und Nutzen in optimalem Verhältnis stehen.
Bild 3 zeigt qualitativ den Zusammen-hang von NOx- und PM-Emission bei Nutzfahrzeugmotoren. Prinzipiell gibt es auch hier den „Trade-off“-Zusammen-hang zwischen NOx- und Partikelemissio-
nen, das heißt der Motor kann entweder in Richtung niedrigster NOx- oder nied-rigster PM-Emissionen ausgelegt und ab-gestimmt werden.
Mit zunehmendem Aufwand am Mo-tor konnte die Kurve in den letzten Jah-ren immer weiter nach links unten (gleichzeitige Absenkung von Stickoxid- und Partikelemissionen) verschoben wer-den. Allerdings gilt noch immer, dass der beste spezifische Kraftstoffverbrauch bei bester Verbrennung erreicht wird. Damit sind die Emissionen von Rußpartikeln (und unverbrannten Kohlenwasserstof-fen und Kohlenmonoxid) besonders nied-rig, während höhere Stickoxidemissio-nen in Kauf genommen werden müssen. Auf die Nachbehandlung dieser Abgas-komponenten unter Beachtung der spe-zifischen Randbedingungen wird im Fol-genden eingegangen.
4 Prinzipiell notwendige Katalysatortechnologien
Die Entwicklung von Abgasnachbehand-lungssystemen für Non-Road-Anwen-dungen stellt aufgrund der speziellen Betriebs- und Umgebungsbedingungen und der stark verschiedenen Belastungs-zyklen, die erfüllt werden müssen, eine sehr anspruchsvolle Aufgabe dar. Die hier verwendeten Dieselmotoren sind in
3 Engine Requirements
An examination of public perception of
engines and exhaust aftertreatment re-
veals that much more importance is at-
tached to the engine. Customers are in-
terested in technology, torque, perfor-
mance and increasingly also fuel con-
sumption. Exhaust aftertreatment is con-
sidered only indirectly in connection with
tax incentives for vehicles that are able
to meet present or even future emission
limits. Apart from reliability and design,
it is above all innovative technology that
gives passenger car and commercial ve-
hicle manufacturers a competitive ad-
vantage. Compliance with all future regu-
lations requires optimum interaction be-
tween all the components involved. The
following example illustrates the wide
range of options:
The primary aim of engine developers is
to meet emission limits solely through
engine-based measures. This approach
generally leads to higher fuel consump-
tion, especially when it comes to NOx re-
duction. Because keeping the increase in
fuel consumption as low as possible in
addition to meeting compliance with leg-
islation on limited exhaust gas compo-
nents is an increasingly important aspect,
the development of exhaust gas after-
treatment technology becomes more and
more important. Progress in engine de-
velopment has helped to improve the
fuel economy of commercial diesel en-
gines over the last few decades. The im-
portant issue now is to look at develop-
ments in engine and exhaust gas after-
treatment technology in conjunction and
find the best solution overall that offers
an optimum cost and benefit ratio.
Figure 3 shows a qualitative representa-
tion of the correlation between NOx and
PM emissions from commercial vehicle
engines. Fundamentally, there is again a
trade-off between NOx and particulate
emissions, i.e. engines can be designed
and tuned towards either low NOx emis-
sions or low PM emissions.
Increasingly complex development of the
engine has shifted the curve more and
more towards the bottom left (simultane-
ous reduction of particle and NOx emis-
sions). However, still applicable, that the
lowest specific fuel consumption is
achieved at optimum combustion lead-
ing to particularly low soot particle emis-
Bild 3: Motorischer NOx /Partikel-Trade-Off und prinzipieller Einfluss auf den KraftstoffverbrauchFigure 3: Engine NOx /particulate trade-off and basic impact on fuel consumption
ABGASNACHBEHANDLUNG I EXHAUST GAS AFTERTREATMENT
ATZoffhighway30
verschiedensten Fahrzeugen, wie zum Beispiel Land- oder Baumaschinen bei gleichzeitig geringem Bauraumangebot verbaut. Dadurch entsteht eine hohe Komplexität in der Entwicklung hin-sichtlich des Packagings, des Wärmema-nagements und der hochtransienten Mo-torbelastung.
Die zukünftigen Abgasemissionsregu-lierungen erfordern in der ersten Stufe eine Reduktion der Partikel und in wei-teren Stufen zusätzlich eine geringe NOx-Konzentration im Abgas. In der Vergan-genheit konnten die Abgasemissions-werte für NRMM alleine durch innermo-torische Maßnahmen erreicht werden.
Beispielsweise wurde die europäische Ab-gasnorm EU 3A durch Einsatz von ge-kühlter Abgasrückführung erreicht. Ak-tuelle Resultate der Motorenweiterent-wicklung wie Vierventiltechnologie, vari-able Turboladergeometrie und Hoch-druck-Kraftstoffeinspritzung in Kombina-tion mit gekühlter Abgasrückführung ist dazu geeignet, den Kraftstoffverbrauch zu verringern und die innermotorische Abgasentstehung zu minimieren. Trotz-dem werden zukünftige Abgasvorschrif-ten eine motorenexterne Abgasnachbe-handlung erforderlich machen. Die Lö-sung zur Erfüllung der zukünftigen Ab-gasnormen ist demnach in einer Kombi-nation einer NOx-Reduktion mit einem Partikelfiltersystem zu finden. Im Fol-genden sind notwendige Technologien und einige Lösungen zusammengestellt.
4.1 StickoxidreduktionIm Wesentlichen existieren heutzutage zwei Technologien zur NOx-Reduktion: die sogenannte SCR-Technologie („Selek-tive Katalytische Reduktion“) und die NOx-Speichertechnologie. Beide Systeme wurden bis zur Serienreife entwickelt. Allerdings sind für den Heavy-duty-Be-reich serienmäßig nur die SCR-Systeme verfügbar.
Nachteilig für die NOx-Speichertech-nologie ist deren negativer Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch, weil ein NOx-Ad-sorber in relativ kurzen Abständen mit
sions (and unburned hydrocarbons and
carbon monoxide) but also inevitably to
higher nitrogen oxide emissions. The af-
tertreatment of these exhaust gas com-
ponents, taking account of the specific
basic conditions, are dealt with below.
4 Essential Catalyst Technology
The development of exhaust aftertreat-
ment systems for non-road applications
is complicated by special operating con-
ditions, difficult environmental condi-
tions and widely varying load cycles that
have to be met. Diesel engines are fitted
to a wide variety of vehicles, such as ag-
ricultural or construction machines,
where installation space is severely lim-
ited. This increases the complexity of the
development process with respect to
packaging, temperature management
and highly transient engine loads.
Future exhaust emission regulations will
demand a reduction of particulates as a
first step and lower NOx concentrations
in the exhaust gas in the later stages. In
the past it was possible to meet emission
limits for NRMM through engine-based
measures alone. For example the Euro-
pean exhaust gas standard EU 3A could
be met by cooled exhaust gas recircula-
tion. Engine developments in four-valve
technology, variable turbocharger ge-
ometries and high-pressure injection
combined with cooled exhaust gas recir-
culation are able to reduce fuel consump-
tion and minimise the generation of
emissions inside the engine. However,
future emission legislation will require
the implementation of exhaust aftertreat-
ment that is external to the engine. The
solutions to meeting future emission lim-
its will be found in a combined NOx re-
duction and particulate filter system. The
relevant technologies and a number of
solutions are presented below.
4.1 Nitrogen Oxide Reduction
There are essentially two technologies
for NOx reduction in existence today: SCR
technology (selective catalytic reduction)
and NOx storage technology. Both sys-
tems have been developed to the pro-
duction stage, however, only SCR sys-
tems are available as standard for heavy-
duty applications.
The disadvantage of NOx storage tech-
nology is its negative impact on fuel con-
Bild 4: Emitec- Sensor-Katalysator Figure 4: Emitec’s sensor catalyst
31 Sonderausgabe von ATZ I Special Edition ATZ I Oktober I October 2009
zusätzlich angereichertem Kraftstoff-Gasgemisch regeneriert und in regelmä-ßigen Intervallen bei Temperaturen von 650 °C entschwefelt werden muss. Die Katalysatoren sollten groß sein, damit die Intervalle zwischen den Regenerati-onsphasen nicht zu klein werden. Die dadurch erforderliche hohe Edelmetall-menge dieser Katalysatoren würde hohe Kosten für die Anwendung dieser Tech-nik in kommerziell genutzten Fahrzeug-motoren verursachen. Daher ist das Po-tenzial dieser Technik für den Einsatz in Heavy-duty-Fahrzeugen begrenzt.
Die „Selektive Katalytische Reduk-tion“ (SCR) von NOx mit Ammoniak wird in der chemischen Industrie und der Ab-gasnachbehandlung von Energieerzeu-gungsanlagen bei Luftüberschuss seit Jahrzehnten erfolgreich angewandt.
Im Automotivebereich wurde die SCR-Technik ursprünglich zur Kraftstoffre-duktion in kommerziell genutzten Fahr-zeugen entwickelt, jedoch verzögerte die ständige Verbesserung der Motoren ei-nen Serienstart dieser Entwicklungen, weil durch innermotorische Maßnahmen ähnliche Emissions- und Verbrauchsvor-teile erzielt werden konnten. Die Not-wendigkeit, zusätzlich Ad-Blue als am-moniakerzeugendes Reduktionsmaterial im Fahrzeug mitzuführen, verzögerte diese Entwicklung nochmals.
Ein typisches, komplettes SCR-System besteht aus einem Reduktionskatalysa-tor, einer Urea-Einspritzung, Dosierkom-ponenten, Leitungen und einem Vorrats-
behälter. Manche Systeme beinhalten zusätzlich einen vorgeschalteten Oxida-tionskatalysator, einen Hydrolysekataly-sator und, falls nötig, einen nachgeschal-teten Ammoniak-Sperrkatalysator.
Die derzeitig in Europa verbaute Kata-lysatortechnologie basiert entweder auf extrudierten Vollkatalysatoren oder ge-trägertem Vanadiumpentoxid/Titanoxid als katalytisch aktive Komponente auf keramischen oder metallischen Substra-ten. Die Beschichtungstechnologie für Träger ist vergleichbar mit dem bekann-ten Produktionsprozess für Dreiwegeka-talysatoren. Erhöhte Temperaturstabili-tät ist für SCR-Katalysatoren, die nach Partikelfilter installiert werden, wichtig, da bei der Regeneration der Filter hohe Temperaturen benötigt und erzeugt wer-den. Für solche Anwendungen wurden Beschichtungen, basierend auf der Zeo-lith-Technologie, entwickelt. Allerdings reagieren Zeolith-Katalysatoren bei nied-rigen Temperaturen sehr empfindlich auf das NO2/NO Verhältnis, das optima-lerweise bei etwa 1:1 liegt. Um dieses Ver-hältnis darzustellen, wird zumeist auch ein Oxidationskatalysator vorgesehen, der das überwiegend emittierte NO zum Teil zu NO2 umwandelt.
Vom Standpunkt der Motorkalibrie-rung betrachtet, ist es durch den Einsatz von SCR möglich, die NOx-Rohemissio-nen des Motors wieder anzuheben und damit einen Verbrauchsvorteil zu gene-rieren. Gleichwohl entstehen sowohl An-schaffungs- wie auch Betriebskosten
sumption because NOx adsorbers regen-
erate at short intervals using a fuel-rich
mixture and also have to be regularly
desulphated at temperatures of around
650 °C. The substrates should be quite
large so that the intervals between re-
generation phases do not become too
short. The high precious metal content of
these substrates would considerably
raise the costs for the application of this
technology in commercial vehicle engine.
This limits the potential of this technol-
ogy for use in heavy-duty vehicles.
On the other hand the selective catalytic
reduction (SCR) of NOx with ammonia
has been used for decades, for example,
in the chemical industry or in the exhaust
gas aftertreatment of power stations in
the presence of excess oxygen.
In the automotive sector SCR technology
was originally developed to reduce fuel
consumption of commercial vehicles but
continuous progress in engine develop-
ment delayed the point at which these
developments entered mass production.
The primary reason for this was that it
was possible to reduce emissions and
consumption to a similar extent with en-
gine-based measures. The development
was further delayed by the fact that the
vehicles also required an onboard source
of AdBlue as an ammonia-generating re-
ducing agent.
A typical complete SCR system consists
of a reduction catalyst, a urea injection
unit, dosing components, pipes and a
storage tank. Some systems also include
an upstream oxidation catalyst, a hydroly-
sis catalyst and, if necessary, a down-
stream ammonia slip trap.
Modern European catalyst systems use
extruded bulk phase catalysts or sup-
ported catalysts with vanadium pentox-
ide/titanium oxide as the catalytically ac-
tive component on ceramic or metal sub-
strates. Substrate coating technology is
similar to the standard production pro-
cess of three-way catalysts. Increased
temperature stability is an important fac-
tor in SCR catalysts located behind the
particulate filter because the regenera-
tion of the filter both requires and gener-
ates high temperatures. Zeolite coatings
were developed specifically for these ap-
plications. However, zeolite catalysts are
very sensitive to the NO/ NO2 ratio, which
should be 1:1 under optimum conditions.
Bild 5: PM-Meta-lit; Nebenstrom Tiefbettfilter für die Partikelre-duktion von Nutz-fahrzeugmotorenFigure 5: PM Metalit; partial-flow deep-bed filter for particle reduction of light- and heavy-duty engines
ABGASNACHBEHANDLUNG I EXHAUST GAS AFTERTREATMENT
ATZoffhighway32
durch den Einsatz von AdBlue als Reduk-tionsmittel, allerdings kann gegebenen-falls auch die Komplexität des Abgas-rückführsystems und der damit verbun-denen Kühlung reduziert und damit Kosten eingespart werden. Mittels sol-cher hocheffektiver SCR-Systeme lassen sich durchaus NOx-Minderungswirkungs-grade von 90 % realisieren. Bei modernen Motoren mit entsprechender Auslegung sind dann die PM-Emissionen bereits mo-torseitig so niedrig, dass mit Hilfe von passiv regenerierten, kontinuierlich ar-beitenden Partikelfiltern mit Wirkungs-graden von zum Beispiel 60 % die Emissio-nen bis unter die zulässigen Grenzwerte (25 mg/kWh) gesenkt werden können (vgl. Abschnitt 4.3).
4.2 OxidationskatalysatorOxidationskatalysatoren werden zur Ver-ringerung der HC- und CO-Emissionen eingesetzt. Bei magerem Gemisch und Temperaturen zwischen 200 und 450 °C wird zusätzlich NO zu NO2 oxidiert. NO2 wird dazu benötigt, die Regeneration des nachgeschalteten Rußfilters zu unter-stützen. Eine weitere Funktion besteht in der Sicherstellung der SCR-Niedertempe-ratureffektivität zwischen 180 und 300 °C an zeolithischen SCR-Katalysatoren. Oxi-dationskatalysatoren benutzen, je nach thermischer Belastung, eine Platin- oder Platin/Palladium Beschichtung.
Bei Einsatz eines hocheffizienten SCR-Systems besteht zudem prinzipiell die Gefahr von Ammoniakschlupf hinter dem SCR-Katalysator. Dieser kann verhin-dert werden, wenn ein Oxidationskataly-sator hinter dem SCR-Katalysator einge-baut oder der hintere Teil des SCR-Kataly-sators mit einer Oxidationsbeschichtung versehen wird, die überschüssiges NH3 oxidiert. Ein sogenannter Sensorkataly-sator, Bild 4, mit metallischer Struktur stellt in diesem Falle eine geeignete An-wendung des Oxidationskatalysators dar,
denn dieses Design verfügt über einen NH3-Sensor, der in die metallische Kataly-satorstruktur integriert ist, womit das katalytische Volumen hinter dem Sensor den NH3-Schlupf verhindert.
4.3 PartikelreduzierungDerzeit findet man zwei prinzipielle Tech-niken bei Rußfiltersystemen, die zur Re-duzierung von Partikeln im Dieselabgas verwendet werden: Den klassischen Wall-Flow-Filter und eine Reihe von kontinuier-lich passiv regenerierten Systemen wie
In order to achieve this ratio the systems
include an oxidation catalyst that partial-
ly converts NO, which is a major compo-
nent in the exhaust gas, to NO2.
As far as engine calibration is concerned
the use of SCR makes it possible to raise
the engine’s raw NOx emissions again to
improve fuel efficiency. While the use of
AdBlue as a reducing agent incurs both
upfront and operating costs it may also
reduce the complexity of the exhaust gas
recirculation system and the associated
cooling, which may in turn save costs
again. These highly efficient SCR systems
are able to achieve NOx reduction rates of
90 %. In modern engines with a corre-
sponding design the PM emissions gen-
erated by the engine are already so low
that passively regenerating, continuously
operating particulate filters with an effi-
ciency of 60 %, for instance, are able to
reduce emissions to below permissible
limits of 25 mg/kWh (cf. section 4.3).
4.2 Oxidation Catalyst
Oxidation catalysts are used to reduce
HC and CO emissions. During lean phas-
es and at temperatures between 200 and
450 ° C they also oxidise NO to form NO2.
The generated NO2 is required to sup-
port the regeneration of the downstream
soot filter. Oxidation catalysts also se-
cure the SCR low-temperature efficiency
of zeolite SCR catalysts at temperatures
between 180 and 350 °C. Depending on
the thermal load oxidation catalysts are
coated with Pt or Pt/Pd.
Highly efficient SCR systems are always
at risk of ammonia slip behind the SCR
catalyst. This can be prevented by install-
ing an oxidation catalyst behind the SCR
catalyst or by applying an oxidation coat-
ing to the rear of the SCR catalyst to oxi-
dise excess NH3. In this case appropriate
use of an oxidation catalyst involves a
sensor catalyst, Figure 4, with a metal
structure because the design includes an
NH3 sensor, which is integrated in the
metal catalyst structure, so that the cata-
lytic volume behind the sensor prevents
ammonia slip.
4.3 Particulate Reduction
Soot filter systems currently use two ba-
sic technologies to reduce particulates in
the diesel exhaust gas. They include tra-
ditional wall-flow filters and a number of
continuously and passively regenerating
systems, such as Emitec’s PM-Metalit
partial-flow deep-bed filter.
Bild 6: Aufbau eines SCRi-Systems mit AdBlue-Gegenstromeinspritzung auf die Hinterseite des OxidationskatalysatorsFigure 6: Schematic construction of an SCRi system with counterflow AdBlue injection onto the rear of the oxidation catalyst
33 Sonderausgabe von ATZ I Special Edition ATZ I Oktober I October 2009
Emitecs PM-Metalit-Nebenstrom-Tiefbett-filter.
Wall-Flow-Filter weisen nach dem Auf-bau eines Filterkuchens eine Effektivität von über 98 % auf. Der Filter muss in re-gelmäßigen Abständen bei Tempera-turen von 550 bis 600 °C aktiv thermisch regeneriert werden. Da jedoch die Abgas-temperaturen von Nutzfahrzeugen unter normalen Bedingungen dieses Niveau nicht mehr erreichen, wird vor dem Oxi-dationskatalysator entweder per Spätein-spritzung in den Verbrennungsraum oder über einen separaten Injektor in den Abgasstrom Brennstoff zugeführt. Der Brennstoff heizt das Abgas durch eine exotherme Reaktion im Oxidationska-talysator auf, wodurch die erforderli-chen Temperaturen erreicht werden. Der Druckverlust verändert sich demzufolge regelmäßig, gemäß dem jeweiligen Bela-dungszustand des Filters.
Die thermische Regenerierung erhöht sowohl die Temperaturbelastung des Oxi-dationskatalysators als auch die des strom-abwärts des Filters angeordneten SCR-Ka-talysators (hinter dem Partikelfilter typi-scherweise 550 °C ohne aktive Regene-rierung, 750 °C im aktiven System). Bei diesem Verfahren beobachtet man eine Verbrauchszunahme, die zum einen durch die notwendigen Regenerierungen bedingt ist und zum anderem durch den erhöhten Druckverlust induziert ist, der bei beladenem Filter besteht.
Emitecs PM-Metalit-Nebenstrom-Tief-bettfilter, Bild 5, wird seit vier Jahren er-folgreich in Nutzfahrzeugen und Pkw eingesetzt. Der PM-Metalit ist weltweit das einzige in Großserie hergestellte OEM-Filtersystem, das für die gesamte Laufleistung eines Motors ohne weitere Wartungsmaßnahmen konzipiert ist.
5 Das Emitec-SCRi-System für EU IV
5.1 Katalysatorsystem„SCRi“ steht für „SCR integriert“ und be-schreibt eine neue und einzigartige Sys-temtechnik, bei welcher der Partikelfil-ter einen Teil des SCR-Nachbehandlungs-systems darstellt. In der Gesamtbetrach-tung aller Emissionen ist die Kombina-tion von Motor mit niedrigen PM-Emissio-nen, kontinuierlichem Partikelfilter und effektivem SCR-System eine nahezu opti-male Lösung. Diese Systemanordnung
Wall-flow filters are over 98 % efficient
after the formation of a filter cake. The fil-
ters require active thermal regeneration
at temperatures of 550 to 600 °C at regu-
lar intervals. Since the exhaust gas tem-
peratures of commercial vehicles no
longer reach these temperature levels
under normal conditions fuel is post-in-
jected into the combustion chamber in
front of the oxidation catalyst or added to
the exhaust gas flow via a separate injec-
tor. The fuel heats the exhaust gas by
means of an exothermal reaction in the
oxidation catalyst and so generates the
required temperatures. This leads to regu-
lar changes in pressure loss depending
on filter load.
Thermal regeneration increases both the
temperature load of the oxidation cata-
lyst and that of the SCR catalyst fitted
downstream from the filter (behind the
particulate filter temperatures typically
reach 550 °C without active regeneration
and 750 °C in active systems). This pro-
cess increases fuel consumption because
of the necessary regeneration phases
and the higher pressure loss when the
filter is loaded.
Emitec’s PM-Metalit partial-flow deep-
bed filter, Figure 5, has been used suc-
cessfully in commercial vehicles and pas-
senger cars for four years. The PM-Meta-
lit is the only mass-produced OEM filter
system in the world that has been de-
signed for the entire service life of the
engine without requiring any further
maintenance.
5 The Emitec SCRi System
for EU Stage IV
5.1 Catalyst System
“SCRi” stands for “SCR Integrated” and
describes a unique and innovative sys-
tem where the PM aftertreatment is actu-
ally part of the SCR system. A compre-
hensive survey of all emissions shows
that a combination of engines with low
PM emissions, a continuously operating
particulate filter and an effective SCR
system is an almost perfect solution. This
system arrangement was developed by
Emitec as the SCRi system and repre-
sents a complete solution for engines
with low particulate emissions and low
fuel consumption whose trade-off is ad-
justed towards higher NOx levels. It con-
sists of an oxidation catalyst followed by
a urea injection unit, a PM-Metalit and an
SCR catalyst. Figure 6 shows the layout
of such a system. In addition, the applica-
tion of a hydrolytic coating to the contin-
uously operating filter further increases
the performance and reliability of the
system while maintaining the benefit of
its compact size.
One option of adding AdBlue is by inject-
ing it between the oxidation catalyst and
the PM Metalit filter. In this case the filter
with its optically dense structure functions
as an evaporation and mixing element
and its hydrolysis coating catalytically
supports the conversion of urea to ammo-
nia for the SCR reaction, which further ex-
pands the application temperature range.
One of the important challenges facing
modern SCR systems is the equal distri-
bution and atomisation of the aqueous
urea solution following injection into the
exhaust gas flow. The larger the droplets
the longer they take to evaporate in the
exhaust gas. This fact and a radially un-
equal droplet concentration in the gase-
ous phase can easily lead to widely dif-
ferent NH3 concentrations on the catalyst
surface, resulting in a reduced conver-
sion rate or even NH3 slip. “Turbulent”
catalyst substrates that equalise radial
speed and concentrations can be used in
filters and/or SCR catalysts and offer sig-
nificant improvements.
The counterflow injection of an aqueous
urea solution onto the rear of the oxida-
tion catalyst is another option and in-
volves a hydrolysis coating being applied
to the last 20 mm of the oxidation cata-
lyst as shown in Figure 6. The design uses
the rear section of the DOC to accelerate
the thermal decomposition process and
evaporate the AdBlue water content.
5.2 Dosing System
Alongside the development and produc-
tion of catalyst substrates Emitec has al-
so been involved in the development of
aftertreatment systems. Based on this ex-
perience and some preliminary work the
company has recently started developing
AdBlue dosing systems and is now offer-
ing complete dosing systems. The sys-
tems are configured to operate either in-
dependently using a separate control
unit and sensors without any data link
with the engine or vehicle management
ABGASNACHBEHANDLUNG I EXHAUST GAS AFTERTREATMENT
ATZoffhighway34
wurde von Emitec als SCRi-System entwi-ckelt und stellt eine Komplettlösung für Motorenanwendungen mit niedrigen Partikelemissionen und niedrigem Ver-brauch dar, deren Trade-Off in Richtung höhere NOx-Werte getrimmt ist. Es be-steht aus einem Oxidationskatalysator, gefolgt von der Harnstoffeinspritzung, dem PM-Metalit und dem SCR-Katalysa-tor und ist in Bild 6 skizziert. Wenn der kontinuierliche Filter zusätzlich mit ei-ner hydrolytisch wirkenden Beschich-tung ausgestattet ist, lässt sich die Leis-tung und Betriebssicherheit des Systems trotz seiner kompakten Bauweise noch erhöhen.
Eine Möglichkeit der Eindüsung von AdBlue besteht in der Zuführung nach Oxidationskatalysator, aber vor dem PM-Metalit-Filter. Der Filter dient dann mit seiner optisch dichten Struktur als Ver-dampfungs- und Mischelement, wobei die Hydrolysebeschichtung die Umwand-lung des Harnstoffs in Ammoniak für die SCR-Reaktion zusätzlich katalytisch un-terstützt und damit den Temperaturein-satzbereich noch erweitert.
Eine der wesentlichen Herausforde-rungen für aktuelle SCR-Systeme besteht in der gleichmäßigen Verteilung und Verdüsung der Harnstoff-Wasserlösung bei der Einspritzung in den Abgasstrom. Je größer die erzielten Tröpfchen sind, umso länger dauert deren Verdampfung innerhalb des Abgases. Diese Tatsache und eine radial ungleichmäßige Tröpf-chenkonzentration in der gasförmigen Phase kann leicht zu stark unterschied-lichen NH3-Konzentrationen auf der Ka-talysatoroberfläche führen, aus denen eine verringerte Konvertierungsrate oder
auch ein NH3-Durchbruch resultiert. Die Verwendung „turbulenter“ Katalysator-substrate für Filter und/oder SCR-Kata-lysator mit radialem Geschwindigkeits- und Konzentrationsausgleich können ei-ne signifikante Verbesserung darstellen.
Ein weiterer Lösungsansatz besteht in der Einspritzung der harnstoffwässrigen Lösung entgegen der Gasströmung auf die Hinterseite des Oxidationskatalysators. Bei dieser Variante sind, wie in Bild 6 dar-gestellt, die letzten 20 mm des Oxidations-katalysators mit einer Hydrolyse-Beschich-tung beschichtet. Dieses Konzept nutzt den hinteren Teil des DOC, um den Ther-molyseprozess zu beschleunigen und den AdBlue-Wasseranteil zu verflüchtigen.
5.2 DosiersystemEmitec hat sich parallel zur Entwicklung und Produktion von Katalysatorträgern auch mit der Entwicklung von Systemen
zur Nachbehandlung befasst. Aus diesen Erfahrungen heraus und aufbauend auf Vorarbeiten hat man jetzt die Entwick-lung von AdBlue-Dosiersystemen aufge-griffen und bietet komplette Dosiersyste-me an. Deren Konfiguration ermöglicht sowohl den autarken Betrieb mit eige-nem Steuergerät und Sensoren, so dass keine Datenkommunikation mit dem Motor- oder Fahrzeugsteuergeräten erfor-derlich ist. Es ist jedoch auch eine direkte Ansteuerung der AdBlue Dosierung über das Motormanagement möglich.
Um die Funktionstüchtigkeit gerade bei Temperaturen unter dem Gefrier-punkt zu garantieren, sind alle Kompo-nenten beheizbar. Auf Grund der beson-deren Gestaltung des hydraulischen Sys-tems besteht nach einer Motorabschal-tung nicht die Anforderung, das System zu entleeren. Zusätzlich sind alle Kompo-nenten zur Aufnahme der während des
Bild 7: Emitec-SCR-DosiersystemFigure 7: Emitec SCR dosing system
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Einfrierens von AdBlue auftretenden Vo-lumenvergrößerungen mit Kompensati-onselementen ausgerüstet.
Das gesamte System wird von einem neuartigen SCR-Controller gesteuert. Das spezielle Layout ermöglicht eine Arbeits-weise entweder als Standalone-Komponen-te oder als integriertes System und er-laubt die Verwendung desselben Control-lers sowohl für die Applikationen im Re-trofit als auch für die OEM-Anwendung. Retrofit-Systeme werden mit zwei NOx- und Temperatursensoren ausgerüstet
und erhalten ein Massenstromsignal. Bei OEM-Applikationen erhält das System al-le notwendigen Informationen über eine CAN-Bus-Verbindung vom Motormanage-mentsystem. Für die Berechnung der be-nötigten AdBlue-Menge werden verschie-dene Algorithmen wie ein Oxidations-, ein Thermolyse-, ein Hydrolyse sowie ein NH3-Speicherungsmodell verwendet. Das gesamte System ist tiefkühlgeschützt und arbeitet in Pkw-Applikationen ebenso zu-verlässig wie in Light-duty-, Heavy-duty- und NRMM-Applikationen.
Bild 8: Oxidationskatalysator im LS-Design: Vergleich der Umsatzrate zu herkömmlichen KatalysatorenFigure 8: Oxidation catalyst based on LS-design; comparison of its conversion rate to a conventional system
Bild 9: Ruß- und NOx-Umsatzraten an einem Nutzfahrzeugmotor mit Emitec-SCRi-System Figure 9: Soot and NOx conversion rates on a commercial vehicle engine using Emitec’s SCRi system
system. Alternatively, the AdBlue dosing
unit can also be controlled directly by the
engine management system.
Every component can be heated to safe-
guard its function, especially at tempera-
tures below freezing. Using a special de-
sign the hydraulic system does not have
to be emptied when the engine is
switched off. Every component has also
been fitted with elements that compen-
sate for the expansion of the AdBlue vol-
ume during freezing.
The entire system is controlled by a new
SCR controller. The special layout allows
the system to operate as a stand-alone
component or as an integrated solution
and makes it possible to use the same
controller for retrofit and OEM applica-
tions. Retrofit systems include two NOx
and temperature sensors and receive a
mass flow signal. In OEM applications
the system receives all the necessary in-
formation via a CAN bus connection to
the engine management system. The cal-
culation of the required AdBlue quantity
is based on various algorithms such as
oxidation, thermal decomposition, hy-
drolysis and NH3 storage models. The
complete system is protected against low
temperatures and operates as reliably in
passenger cars as in light-duty, heavy-
duty and NRMM applications.
Figure 7 shows the structure of the cur-
rent system. The main component is a
dosing unit including filter, pump, pres-
sure control valve and pressure sensor,
each with a heating element. The system
is able to control the injection pressure in
the exhaust gas in response to different
load points or speeds. Dosing is based on
“liquid only”, so that atomising and flush-
ing do not require compressed air. The
dosing valve is integrated in the injection
nozzle. The tank extraction unit contains a
suction pipe, electric heating to rapidly
restore system function after freezing and
cold starts, fill level sensors and an op-
tional quality sensor to differentiate be-
tween AdBlue and water. The tank extrac-
tion unit can be used with standard tanks
or tanks supplied by the customer.
In OEM applications the dosing unit is in-
tegrated in the tank extraction unit so
that the system can be connected using
only a pressure hose connection to the
injection nozzle and an electrical connec-
tion with a CAN bus which saves costs.
ABGASNACHBEHANDLUNG I EXHAUST GAS AFTERTREATMENT
ATZoffhighway36
In Bild 7 ist der Systemaufbau des ak-tuellen Systems dargestellt. Die Haupt-komponente ist die Dosiereinheit, beste-hend aus Filter, Pumpe, Druckregelven-til und Drucksensor, jeweils versehen mit Heizelementen. Das System ist in der Lage, den Einspritzdruck in Abhän-gigkeit vom Lastpunkt beziehungsweise der Geschwindigkeit im Abgassystem zu steuern. Die Dosierung arbeitet „liquid-only“, also ohne Druckluftbedarf zur Zerstäubung oder Spülung. In die Ein-spritzdüse ist das Dosierventil inte-griert. Die Tankentnahmeeinheit ent-hält das Saugrohr, elektrische Heizung für schnelle Systemfunktion nach Ein-frieren und Kaltstart, Füllstandssenso-rik und optional einen Qualitätssensor zur Unterscheidung von AdBlue gegen zum Beispiel Wasser. Die Tankentnah-meeinheit kann mit dem Standardtank oder kundenseitig definierten Tanks verwendet werden.
Für OEM-Anwendungen wird die Do-siereinheit in die Tankentnahmeeinheit
integriert, so dass nur ein Drucklei-tungsanschluss zur Einspritzdüse und ein elektrischer Anschluss mit CAN-Bus notwendig ist, um das System anzukop-peln. Damit können Kosten eingespart werden.
5.3 AnwendungsbeispielDas oben skizzierte SCRi-Katalysatorsys-tem wurde unter Verwendung des gezeig-ten Emitec-Dosiersystems an einem Nutz-fahrzeugmotor getestet. Der verwendete Motor war wie beschrieben verbrauchs-optimiert abgestimmt. Zur Erreichung der EU-Stufe-IV-Grenzwerte ist eine NOX-Reduktionsrate von 90 % und eine Parti-kelreduktionsrate von 30 % erforderlich. Das getestete Katalysatorsystem bestand aus einem Oxidationskatalysator mit massentransportoptimierten, turbulent wirkenden Zellstrukturen (LS-Design), einem nachgeschalteten PM-Metalit mit einem Volumen von 115 % des Motorhub-volumens, sowie einem SCR-Katalysator mit 175 % des Hubvolumens.
Durch die Verwendung des turbulent wirkenden LS-Designs im Oxikat konnte das notwendige Katvolumen im Ver-gleich zu herkömmlichen Katalysatoren um 22 % verkleinert werden, Bild 8. Auch die absolute Edelmetallbeladung auf dem LS-Träger wurde um 22 % verrin-gert. Trotz dessen geringeren Volumens konnte seine Wirksamkeit bei der Oxida-tion signifikant verbessert werden, wie man den geringeren HC- und CO-Emissio-nen entnehmen kann. Inzwischen ist das LS-Design in einer Vielzahl von Anwen-dungen für Oxidationskatalysatoren im Onroad-Bereich vertreten.
Die in einem SCRi-System miteinan-der kombinierte NOX- und PM-Abgas-reinigung konnte im Raum des bishe-rigen Schalldämpfers untergebracht werden. Die Harnstoffdosierung wurde optimiert, um einen minimalen NH3-Schlupf auch ohne Ammoniak-Sperrkat zu gewährleisten.
Bild 9 zeigt Messergebnisse, die mit dem SCRi-System erzielt wurden. Die NOX-Emission wird um über 90 %, die Rußpar-tikel-Emission um mehr als 75 % gesenkt. Somit war es möglich, Abgaswerte ent-sprechende der Stufe EU IV zu erreichen.
6 Zusammenfassung
Moderne Motorentechnologie und da-rauf abgestimmte, funktional integrierte Abgasreinigungssysteme sind zur Errei-chung zukünftiger Grenzwertstufen er-forderlich, um den Aufwand und Platz-bedarf für die Abgasreinigung am Nutz-fahrzeug in akzeptablen Grenzen zu halten.
Neben der Einhaltung der Emissions-grenzen für die limitierten Abgaskompo-nenten wie Stickoxide und Partikel (Ruß), soll die Abgasreinigung nur einen mög-lichst geringen Kraftstoffmehrverbrauch verursachen. Dazu ist die Verwendung leistungsoptimierter Katalysatorträger und funktional integrierter Systeme (SCRi-System) vorteilhaft.
Das Emitec-SCR-Dosiersystem stellt aufgrund der Druckregelung und damit der optimierten Verteilung des Harn-stoffs auch im dynamischen Betrieb eine zielführende Lösung dar. Es konnte ge-zeigt werden, dass mit diesem Ansatz die Anforderungen an niedrigste Emissionen zu erfüllen sind.
5.3 Sample Applications
The SCRi catalyst system outlined above
was tested on commercial vehicle en-
gine using the aforementioned Emitec
dosing system. The engine was tuned to-
wards low consumption as described.
EU Stage IV limits require an NOx reduc-
tion rate of 90 % and a particulate reduc-
tion rate of 30 %. The tested catalyst sys-
tem consisted of an oxidation catalyst
with mass transfer-optimised, turbulent
cell structures (LS design), a downstream
PM-Metalit with a volume amounting to
115 % of the engine’s cubic capacity and
an SCR catalyst with a volume amount-
ing to 175 % of the cubic capacity. Urea
dosing was optimised to minimise NH3
slip in the absence of an ammonia trap.
Catalyst volume required could be
reduced by 22 % by making use of the
LS design for the oxidation catalyst,
Figure 8. The absolute precious metal
amount was also reduced by 22 % on the
LS catalyst. Despite its smaller volume,
the oxidation potential compared to the
Standard has significantly increased, as
indicated by lower HC- and CO-emis-
sions. Meanwhile the LS design is widely
used as an oxidation catalyst for on road
vehicles. Figure 9 shows the test results
obtained from the SCRi system. NOx
emissions were reduced by over 90 %
and soot particulate emission by over
75 % so that EU Stage IV emission limits
were met.
6 Summary
Future emissions legislation requires
modern engine technology and the cor-
responding, functionally integrated ex-
haust gas aftertreatment systems to
keep costs and space requirements
within acceptable limits. Apart from
compliance with emissions legislation
on limited exhaust gas components,
such as nitrogen oxides and particulates
(soot), exhaust gas aftertreatment
should also have a minimum effect on
fuel consumption. The use of perform-
ance-optimised catalyst substrates and
functionally integrated systems (SCRi
system) offers definite advantages.
Emitec’s SCR dosing system represents
a practical solution in the dynamic range
because it controls pressure and conse-
quently optimises urea distribution. This
approach was shown to fulfil extremely
low emission requirements.
37 Sonderausgabe von ATZ I Special Edition ATZ I Oktober I October 2009