SDPF (Entwicklung einer optimierten Einspritzung von Harnstoff und eines Dieselpartikelfilters mit SCR-Beschichtung (SDPF) zur Reduzierung von Partikel- und NOx-Emissionen von Dieselmotoren)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 431.27.12

Schlüsselwörter (Deutsch)

Abgasbehandlung, Dieselpartikel, Stickoxide, Partikelfilter, Selektive Katalytische Reduktion, Beschichtung,  Harnstoff, Einspritzung, Nachrüstung, Nutzfahrzeug

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Verbrennungsmotoren kommen heute nicht mehr ohne Abgasnachbehandlung aus. Dieselpartikel und Stickoxide sind nicht nur durch Emissionsgrenzwerte sondern auch durch Immissionsgrenzwerte scharf begrenzt. Die Abgasbehandlungssysteme für Dieselmotoren, bestehend aus Partikelfilter (DPF) einerseits und aus einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) andererseits, sind die effizientesten Massnahmen zur Eliminierung von Partikeln und NO_x. Bei der Nachrüstung bestehender Fahrzeuge ist meistens der mangelnde Platz ein beschränkender Faktor. Das vorliegende Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines DPF mit SCR-Beschichtung d.h. einer kombinierten Einheit SDPF, welche in einem Bauteil alle Funktionen vereint, und der optimalen Einspritzung des Harnstoffs als Reduktionsmittels. Das geringere Bauvolumen und die tieferen Kosten des SDPF fördern die Nachrüstung bestehender Fahrzeugflotten, sind aber auch für die Erstausrüstung von Fahrzeugen, namentlich der Firma Liebherr Machines Bulle SA von Interesse, was die hohe Eigenleistung dieser Firma im Projekt begründet.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1     Modul 1: Daten aus numerischen Simulationen und aus dem Prüfstand zu Injektions-  und Mischungsverhalten des Harnstoffes vor dem  SDPF.

 

2     Modul 1: Daten zu den entstehenden Nebenprodukten aufgrund des Injektions- und Mischungsprozess des Harnstoffes vor dem SDPF. (Meilenstein 1)

 

3     Modul 2: Die Untersuchungen und Vergleiche verschiedener Varianten des SDPF sind abgeschlossen und die Daten liegen vor.

 

4     Modul 2: Die Daten zu den Vergleichen verschiedener Varianten des SDPF mit optimierter Einspritzung des Harnstoffes liegen vor (Meilenstein 2)

 

5     Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4.

 

6     Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets.

 

7     Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit  entsprechender Power-Point Darstellung.

Projektziele (Deutsch)

Entwicklung eines SDPF (DPF mit SCR-Beschichtung) und optimierter Einspritzung des Harnstoffes als Reduktionsmittel zur Erst- und Nachrüstung von verschiedenen Nutzfahrzeugtypen. Die kombinierte Einheit, welche die  Stage IV/Tier4f Norm erreicht und in einem Bauteil alle Funktionen vereint, ist gekennzeichnet durch geringes Bauvolumen und tiefere Kosten als bisherige Abgasbehandlungssysteme.

Grundlage für die Zielsetzung dieses Vertrages ist der Inhalt des Beitragsgesuchs vom 26.02.2013 (Beilage 1).

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

 

Das von AFHB bearbeitete Modul 2 des Projektes befasste sich mit experimenteller Grundlagenforschung an einem Diesel Partikelfilter mit SCR-Beschichtung (SDPF). Es wurden Standardtestmethoden entwickelt um strickt wiederholbare Resultate generieren zu können. Es wurde unter anderen gezeigt, dass die AdBlue-Dosierung die passive Regeneration verlangsamt. Die Filtrationsqualität des SDPF ist jedoch gleich, wie beim DPF; auch die klar nachweisbaren Sekundärnanopartikeln verschlechtern unbedeutend den gesamten Nanopartikel-Abscheidegrad. Die NOx-Reduktionsraten sind ebenfalls ähnlich, wie bei den SCR-Systemen. Diese hängen mit der Wirksamkeit des vorgeschalteten Katalysators und auch mit dem Beladungszustand des DPF zusammen.

Bei entsprechender Urea Dosierung gibt es keine, oder nur geringe NH3-Emissionen. Diese jedoch können beträchtlich streuen auch bei identischen Motorbelastungsprofilen, wegen der zeitlich und örtlich variabler NH3-Speichermenge.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

 

Die erarbeiteten Resultate wurden von dem Industriepartner, als Ergänzung seiner Entwicklungsarbeiten aufgenommen und flossen in das Know-How aller beteiligten Partner ein. Sie helfen die Abgasreinigung der Dieselmotore effizienter und kostengünstiger auszuführen.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Die Kombination von DPF + SCR in einem Substrat hat einige Vorteile (Packaging, Kosten, thermische Trägheit), so ist eine immer steigende Anwendung dieser Technik am Markt vorauszusehen. Bei dem hier beteiligten Industriepartner ist das eine klare Zielsetzung.

Das verbliebene, wertvolle Versuchsmaterial des Projektes ist weiter für die studentischen Projektarbeiten im Gebrauch, womit auch weitere interessante Forschungsfragen bearbeitet werden können.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Detaillierte Resultate wurden in 2 Jahresberichten zusammengefasst:

Czerwinski, J.; Zimmerli, Y.; Nauroy, H.: Tests with (DPF+SCR) and with SDPF Systems on the IVECO F1C Engine, E(4). Laboratories for Exhaust Emission Control, University of Applied Sciences, Biel-Bienne, Switzerland. B 365, Aug./Nov. 2013.

Czerwinski, J.; Zimmerli, Y.; Nauroy, H.: Tests with (DPF+SCR) and with SDPF Systems on the IVECO F1C Engine, E(4). Laboratories for Exhaust Emission Control, University of Applied Sciences, Biel-Bienne, Switzerland. B 387, Aug./Sept. 2014.

2 technische Paper wurden zur Publikation eingereicht:

für SAE Congress 2015:

Czerwinski, J.; Zimmerli, Y.; Mayer, A.; Lemaire, J.;D’Urbano, G.; Zürcher, D.: Investigations of SDPF – Diesel Particle Filter with SCR Coating. SAE Paper, Detroit April 2015

für Springer :

Czerwinski, J.; Zimmerli, Y.; Mayer, A.; D’Urbano, G.; Zürcher, D.: Emissions Reduction with Diesel Particle Filter with SCR Coating (SDPF), Springer 2015