Abgasdrossel Phase 2 (Potential der Emissionsminderung bei Abgasdrosselung im urbanen Einsatz)

• Unité de recherche: OFEV
• Numéro de projet: UTF 514.17.15

Mots-clé (Allemand)

Dieselpartikelfiltern, DPF, Luftqualität, Regeneration, Abgas, Drosselung, Euro-VI, Emissionen, Verbrauch, Drosselklappe

Description succincte (Allemand)

Der Einsatz von Dieselpartikelfiltern (DPF) in Fahrzeugen ist eine sehr wirkungsvolle Massnahme, zur Verbesserung der Luftqualität. Die Regeneration der Filter wird aber problematisch bei Abgastemperaturen unter 250 °C, wie sie zum Beispiel im stop&go Betrieb bei Bussen verstärkt auftreten. Eine sehr wirkungsvolle Lösung zur Anhebung der Temperatur ist die geregelte Drosselung des Ansaugluft- oder Abgasstromes, wie sie heute bei Euro-VI eingesetzt wird. Die Nachrüstung älterer Fahrzeuge als Euro-VI hat ein grosses Umweltpotential und macht aus deshalb Sinn, weil solche Fahrzeuge noch viele Jahre in Betrieb sein können.

Im Vorgängerprojekt UTF 485.15.14 sind im Auftrag des Vereins VERT Versuche mit einem Linienbus der Grenzwertstufe Euro II, ausgerüstet mit einer einfachen on/off-Klappe in der Abgasleitung ohne und mit DPF durchgeführt worden. Mit der gewählten Klappe von IVECO konnte eine Temperatursteigerung um 80°C zur Unterstützung der Regeneration von Partikelfiltern erreicht werden, wobei die Massnahme der Drosselung ganz gezielt nur bei Leerlauf, im Schubgetrieb und bei tiefer Teillast eingesetzt wurde.

Überraschender Weise konnten auch eine reproduzierbare Verbesserung des Brennstoffverbauchs um fast 10 % und eine Verminderung aller Emissionen festgestellt werden.

In diesem Projekt soll nun dieser Befund an einem dynamischen Motorenprüfstand vertieft untersucht werden und das Potential eines solchen Eingriffs bei bestehenden Fahrzeugen analysiert werden.

Résultats selon le contrat (Allemand)

1     Messungen von Emissionen, Verbrauch, Drücken und Temperaturen im Abgassystem im gewählten Zyklus ohne und mit einer Drosselklappe im Auspuff unter folgenden Bedingungen:

• Die Bohrung in der Klappe ist soweit zu reduzieren, dass im Leerlauf ein λ-Wert von 8, bei Abregeldrehzahl ohne Last gegen 2 erreicht wird.
• Die Klappe ist im Leerlauf, im Schubbetrieb und im Leichtlastbereich, Obergrenze 25 km/h Fahrgeschwindigkeit, zu schliessen.

2     Ein Vergleich der Maximalbeschleunigungen des simulierten Fahrzeuges ohne und mit Klappe bis 35 km/h (Öffnen der Klappe bei 25 km/h) ist dokumentiert.

3     Messungen von Emissionen, Verbrauch, Drücken und Temperaturen im Abgassystem    bei simulierten Fahren von zwei Drehzahlschnitten im unteren Lastbereich bei 45 und 60% Drehzahl, ohne und mit Klappe.

4     Die verschiedenen Regelstrategien für die Drosselung zur weiteren Optimierung des           Nachrüstkonzepts bezüglich Temperaturerhöhungen und Verbrauchs- und Emissionseinfluss sind erprobt und dokumentiert.

5     Eine Beschreibung der angestrebten kommerziellen Verwertung der Ergebnisse mit Angabe der involvierten Firmen aus dem Partnerkreis des VERT-Vereins.

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

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

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

Objectifs du projet (Allemand)

In einer ersten Phase soll mittels einem vergleichbaren Testzyklus das Verhalten des Linienbuses der Grenzwertstufe Euro II, mit einer einfachen on/off-Klappe in der Abgasleitung ohne und mit DPF ausgerüstet, auf einem dynamischen Prüfstand nachgebildet und simuliert werden.

In einer zweiten Phase sollen verschiedene Regelstrategien für die Drosselung zur weiteren Optimierung des Nachrüstkonzepts bezüglich Temperaturerhöhungen und Verbrauchs- und Emissionseinfluss erprobt werden.

Description des résultats (Allemand)

Die Abgastemperatur regelt die Effizienz der Abgasnachbehandlung wie der Katalyse zur Verminderung von CO, HC und NOx und der Regeneration der Partikelfilter zur Eliminierung der Feinpartikelemissionen. Ohne diese Abgasnachbehandlung ist die Abgasqualität moderner Verbrennungsmotoren nicht erreichbar. Das wissen wir seit langem vom Ottomotor mit seinem Dreiwegekatalysator und erfahren es jetzt neu auch beim Dieselmotor: wenn die Abgastemperatur ein kritisches Niveau unterschreitet, wie das bei Stillstand und im Teillastbereich, also typisch im Stadtverkehr der Fall ist, sind diese chemischen Prozesse nicht oder nur beschränkt möglich – die Emissionen steigen dann stark an und die Filter verstopfen. Das Zauberwort heisst „Temperaturmanagement“: bei OEM-Systemen werden die Verbrennungsbedingungen so gesteuert, dass die Temperatur die kritischen Werte nicht zu lange unterschreitet. Dazu wird entweder die Einspritzung auf spät verstellt oder es wird der Luftdurchsatz durch Drosselung vermindert oder es werden sogar elektrische Verbraucher zugeschaltet. Bei der Nachrüstung bestehender Fahrzeuge haben wir keinen Zugriff auf die Einspritzelektronik, aber die Drosselung des Gasstroms ist auch bei bestehenden Fahrzeugen möglich. In früheren Projekten von TTM mit der ETH wurde der Einfluss der Drosselung am Prüfstand gründlich untersucht und es zeigte sich, dass entsprechend der theoretischen Erwartung eine fast verzögerungsfreie Steigerung der Abgastemperatur um 3-400 °C bei Drosselung vor Motor möglich ist. Drosselung vor Motor ist aber konstruktiv schwierig, dagegen ist es im Abgasstrom leicht möglich, zu drosseln. Im ETH-BAFU Projekt „retrofit-kit“ 2005-8 wurde diese Massnahme zwecks Regeneration der Filter und Steuerung der Abgasrückführung zum NOx-Abbau ausführlich getestet und eine Temperatursteigerung von über 100 °C nachgewiesen, die aber eine aufwendige Regelung des Luftüberschusses voraussetzt. Eine einfache konstruktive Lösung unter Verwendung bestehender Drosselklappen (LKW-Bremsklappen) sowie einer leicht umsetzbaren Zweipunktregelung wurde im Projekt UTF 485.15.2014 an einem älteren Mercedes Benz Bus untersucht und bestätigte eine Temperatur-steigerung von gegen 80°C, zusätzlich aber zeigten die im Fahrbetrieb durchgeführten Messungen eine  überraschend deutliche Absenkung der Schadstoffemissionen CO, HC und NOx und eine Verbesserung des Brennstoffverbrauchs, die sich auch in ausführlichen Wiederholungsmessungen bestätigten. Im vorliegenden Projekt UTF 514.17.15 sollte diese erstaunliche Beobachtung im Motorprüfstand verifiziert werden. Eine erste Serie von Messungen wurde an einem modernen Strassenfahrzeug-Motor IVECO F1C durchgeführt und zeigte die Ergebnisse von Landshut nicht. Die Erklärung fand sich darin, dass die Motorelektronik sich dem Drosseleingriff „widersetzt“, die gewünschten Wirkungen kompensiert, der Motor lässt sich sozusagen nicht drosseln. In einer zweiten Messserie wurden die Messungen am Liebherr D934S weitergeführt, ein Baumaschinenmotor, der weniger Kontrollelektronik aufweist. Hier wurde die Temperatursteigerung nachgewiesen, aber eine Verbesserung von Emission und Verbrauch zeigte sich auch in diesem Fall nicht.

Man muss daraus folgern,

• Abgasdrosselung nach dem Motor ist weniger effizient als vor dem Motor, Drosselung vor Motor steigert die Abgastemperatur verzögerungsfrei um etwa 300°C, nach Motor nur um 80-100°C – was jedoch in den meisten Fällen genügen dürfte

• Bei modernen Motoren müsste auch die Elektronik angepasst werden

• Die bei dem älteren Mercedes-Motor (ohne elektronische Einspritzregelung) beobachteten Verbesserungen von Verbrauch und Emissionen lassen sich nicht ohne weiteres auf andere Motoren übertragen und sind möglicherweise dadurch begründet, dass dort die Betriebspunkte durch die Drosselung in günstiger Weise verlagert wurden.

•  Die beobachteten Phänomene sollten weiter untersucht werden, da sie zum real world Emissions-Verhalten unserer Fahrzeuge unter verkehrstypischen Leichtlastbedingungen ganz wesentlich beitragen und weitere Verbesserungen bei der bestehenden Fahrzeugflotte ermöglichen.  

Mise en oeuvre et application (Allemand)

Partner des Projektes ist VERT, ein in der Schweiz ansässiger, aber international ausgerichteter Verband von derzeit 34 Firmen, die die Abgasqualität bestehender Fahrzeuge durch Nachrüstung verschiedenster Massnahmen minimieren. Diese Nachrüstungen finden vor allem dort statt, wo die Exposition der Bevölkerung gegen toxische Abgasemissionen hoch ist, also in Megacities respektive dort, wo die Behörden lokal entsprechende Low Emission Zonen einrichten, die diese Nachrüstmassnahmen verlangen. Die Ergebnisse der Projektarbeiten stehen diesen Firmen zur Verfügung und können von ihnen angewendet werden. Im Falle einer Anwendung muss der kommerzielle Umfang dem BAFU gemeldet werden, um davon allenfalls einen Anspruch auf Rückzahlung der vom BAFU geleisteten Unterstützung abzuleiten.

Suivi (Allemand)

Eine Fortsetzung der Projektarbeiten setzt eine enge Zusammenarbeit mit einem Motorhersteller voraus, damit die erforderlichen Anpassungen in der Steuerelektronik vorgenommen werden können. Danach wird gesucht. Es ist allerdings wenig wahrscheinlich, dass OEM, die generell gegen Nachrüstung eingestellt sich, dafür Hand bieten; es sei denn, es gelingt auf politischer Ebene das Postulat des Emissions-Upgrade bestehender Fahrzeuge durchzusetzen.

Publications / Résultats (Allemand)

Die Ergebnisse der Vorläuferprojekte wurden vom Berichterstatter und der ETH in 3 SAE-Papers publiziert. Die Ergebnisse des vorliegenden Projektes wurden bisher nicht publiziert.