NO2-Workshop 2010

Transcription

NO2-Workshop 2010

Herzlich Willkommen
FAD-Workshop
„Simultane Feinstaub- u. NO2-Minderung – ein
Zielkonflikt?“
24. und 25.3.2010 in Dresden
In Zusammenarbeit mit
Workshop „Simultane Feinstaub- u. NO2-Minderung – ein Zielkonflikt?“
Vorwort
Sehr geehrte Damen und Herren,
ich begrüße Sie herzlich zu unserem FAD-Workshop “Simultane Feinstaub- und NO2-Minderung – ein Zielkonflikt?“,
der in Zusammenarbeit mit dem Umweltbundesamt veranstaltet wird und freue mich, dass Sie so zahlreich unserer
Einladung nach Dresden gefolgt sind.
Die Diskussion um die städtische Luftreinhaltung war in den letzten Jahren stark durch Feinstaub geprägt. Hierzu
wurden flächendeckende Minderungsmaß-nahmen eingeführt und umgesetzt. Dabei wurden die ab dem Jahr 2010
in der EU geltenden Luftqualitätsgrenzwerte für Stickstoffdioxid in der Öffentlichkeit zu wenig wahrgenommen.
Diese Grenzwerte werden heute an vielen hoch belasteten Straßen überschritten. Wesentliche Ursache hierfür sind
die direkten NO2-Emissionen aus Straßenfahrzeugen. In Folge der Einführung von Abgasnachbehandlungstechnologien
hat sich der NO2-Anteil an NOx aus Dieselmotoren teilweise erhöht.
Ziel dieses Workshops ist die Vorstellung des aktuellen Stands der Technik, der Entwicklungstrends sowie die
Präsentation aktueller Forschungsergebnisse. Es sind hochgesteckten Emissions- und Immissionsziele nachhaltig
zu erreichen. Der Workshop geht der Frage nach , ob eine simultane Feinstaub- und NO2-Minderung möglich ist.
Wie Sie dem Programm entnehmen, bieten wir neben den Fachvorträgen umfangreiche Möglichkeiten, um mit anderen Teilnehmern
ins Gespräch zu kommen.
An dieser Stelle möchte ich die Gelegheit nutzen, den Referenten für Ihre Bereitschaft zu danken, uns mit einem Vortrag zu unterstützen.
Ich wünsche uns einen erfolgreichen Verlauf der Veranstaltung sowie einen regen Erfahrungsaustausch und interessante
Diskussionen.
Prof. Dr.-Ing. G. Zikoridse
Geschäftsführer FAD e.V.
Programm 24.3.2010
14:00
Begrüßung/ Eröffnung
Prof. Dr.-Ing. G. Zikoridse, FAD e.V.,FIF/ HTW Dresden
14:10
Grußwort
Prof. Dr.-Ing. habil. R. Stenzel, Rektor HTW Dresden
14:25
Messtechnik – Chancen und Limits der Messtechnik
K. Engeljehringer, AVL List GmbH
14:55
Neue laserbasierte Methode zur Bestimmung von NO2 und anderer
Stickstoffverbindungen
D. Scheder, HORIBA Europe GmbH
15:25
Die Abgasuntersuchung AU aus der Sicht eines
Messgeräteherstellers
W. Kolberg, SAXON Junkalor GmbH
15:55
Kaffeepause
Programm 24.3.2010
16:15
Schnelle laserbasierte Abgasmesstechnik zur artefakfreien
Messung von NOx
Dr. R. Brunner, Dr. A. Lambrecht, Fraunhofer IPM
16:45
Stickoxid & Co. – FTIR Messtechnik
B. Arlitt, AVL Emission Test Systems
17:15
Messung von NO und NO2 am Rollenprüfstand
B. Heller, Volkswagen AG
17:45
Simultane Messung von NO und NO2 mittels NDUV Messtechnik
O. Franken, Sensors Europe GmbH
18:00
Besuch der Ausstellung u. Vorführung der Abgasmesstechnik
19:20
Abendveranstaltung
Programm 25.3.2010
09:00
Eröffnung und Einführung in die Thematik
Prof. Dr.-Ing. G. Zikoridse, FAD e.V./ HTW Dresden
09:15
Grußwort
M. Wichmann-Fiebig, Umweltbundesamt
09:30
Antworten von Volkswagen auf die Herausforderung der
Absenkung von NO2-Emissionen
R. Dorenkamp, Volkswagen AG
10:00
Bestimmung der NO2-Emissionen von mit
Partikelminderungssystemen nachgerüsteten Nutzfahrzeugen
Dr. S. Witt, Umweltbundesamt
10:30
Katalytische Beschichtung für NO2-optimierte
Partikelfiltersysteme
Dr. J. Spengler, INTERKAT GmbH
11:00
Kaffeepause
Programm 25.3.2010
11:30
Ergebnisse aktueller Analysen: Ursachen und zukünftige
Entwicklung der NO2-Belastung
U. Lambrecht, F. Dünnebeil, ifeu
12:00
Dieselruß, NO und NO2-Grenzwerte und Expositionssituationen
am Arbeitsplatz
Dr. D. Dahmann, BG RCI, Institut für Gefahrstoffforschung
12:30
Mittagspause
Programm 25.3.2010
13:30
Additivgestützte Filterregeneration – ein Beitrag zur
NO2-Neutralität
L. Rocher, Rhodia Operations
Dr. T. Seguelong, SBC Technologies
14:00
NO2-Selektivität von Voll- und Nebenstrompartikelfiltersystemen für
die Nachrüstung
K. Schrewe, HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co. KG
14:30
Kaffeepause
14:50
Podiumsdiskussion und Zusammenfassung
ca.16:00 Ende der Veranstaltung
AVL EMISSION TEST SYSTEMS
Kurt Engeljehringer, AVL List GmbH
26.03.2010
EMISSION TEST SYSTEME
Einführung:
• Luftreinhaltung
• Entwicklungstrends
Herausforderungen:
• Zusätzliche Messaufgaben
• Gasförmige Grenzwerte
• Partikel Grenzwerte
Problemstellung:
• Beispiel von „Stolpersteinen“ für
die Messtechnik bei SCR
Anwendungen
Zusammenfassung und Ausblick:
AVL Emission Test Systems, K. Engeljehringer
2
UMWELTVERSCHMUTZUNG
ein altes Thema
ca. 1970
Los Angeles, USA
März, 2008
Peking, China
Los Angeles:
In den 70er war Smog das
hauptsächliche Umweltproblem.
Smog wird durch die Abgase
(NOx, HC) von
Verbrennungsmotoren und der
Sonneneinstrahlung
hervorgerufen.
krone.at
Peking:
Die momentanen
Staubbelastungen der Luft in
kommt hauptsächlich aus
natürlichen Quellen – der Wüste
Gobi.
krone.at
3
UMWELTVERSCHMUTZUNG
Luft ist eine begrenzte Ressource
Unsere Atmosphäre.
(NASA Space Shuttle Flight 6 on 4 April 1983)
Die Steht hinter der Erde. Die orange Schicht ist die
Atmosphäre. Die blaue Schicht ist die Stratosphäre.
Unsere Atmosphäre ist nicht so groß:
60%
72%
99.9%
ist unter dem Mount Everest.
ist unter 10km.
ist unter 100 km.
Verglichen mit einem Tischtennisball:
Verkleinert man die Erde so, dass sie in einen
Tischtennisball passt, dann ist die Atmosphäre nur
so dünn, wie die Wandstärke des Balls.
4
ENTWICKLUNGS-THEMEN
Abgas – Green House Gase – Energie Unabhängigkeit
Energie
Unabhängigkeit
Automobile Entwicklungs-Trends:
GHG Reduktion (CO2)
Abgas Reduktion
1990
2000
2010
2020
2030
Messtechnik-Herausforderungen:
Neue Gaskomponenten
Mobile Messtechnik
Niedrigstemissionen (SULEV, …)
Hohe Konzentrationen
Basis Messtechnik
1990
2000
2010
2020
2030
5
Einführung:
• Luftreinhaltung
Herausforderungen:
Problemstellung:
Anwendungen
6
8
PKW EMISSIONSGESETZGEBUNG - EU
Messanforderungen
8
Diesel
(CI)
+CH4
Otto
(PI)
Emission
CO, THC, NOx, CO2
Diluted Hot THC – CI only („Diesel“)
Particulate Mass – CI only („Diesel“)
NMHC
Particulate Mass – PI-GDI only
Particle Number – CI only („Diesel“)
CO2 Limit
Particle Number – all engines
Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 5+ Euro 6
1992
1996
2000
2005
2009
2011
2014
9
9
9
9
9
9
9
?
7
Grenzwerte
Emission
Positive
Ignition
Engines
(Gasoline)
CO
HC
HC + NOx
NOx
NMHC
PM only GDI
PN
CO
Compression HC + NOx
Ignition
NOx
Engines
PM
(Diesel)
PN
mg/km
EU-1
1992
EU-2
1996
EU-3
2000
EU-4
2005
EU-5 EU-5+ EU-6
2009 2011 2014
2720
2200
2300
200
1000
100
1000
100
1000
100
1000
100
970
500
150
80
60
68
5
60
68
4,5
60
68
4,5
?
640
560
500
50
500
300
250
25
500
230
180
5
500
230
180
4,5
6E11
500
170
80
4,5
6E11
mg/km
mg/km
mg/km
mg/km
mg/km
#/km
mg/km
mg/km
2720
970
1000
700
140
80
mg/km
mg/km
#/km
Moderate Reduction (<30%)
Large Reduction (>30%)
8
Niedrigste Grenzwerte
•
•
Positive
Ignition
Engines
(Gasoline)
Für die gasförmigen Emissionen wurden die niedrigsten Grenzwerte
bereits mit EU-4 etabliert.
PM / PN Grenzwerte werden weiter drastisch reduziert.
CO
HC
HC + NOx
NOx
NMHC
PM nur GDI
PN
CO
Compression HC + NOx
Ignition
NOx
Engines
PM
(Diesel)
PN
mg/km
EU-1
1992
EU-2
1996
EU-3
2000
EU-4
2005
EU-5 EU-5+ EU-6
2009 2011 2014
2720
2200
2300
200
1000
100
1000
100
1000
100
1000
100
970
500
150
80
60
68
5
60
68
4,5
60
68
4,5
?
640
560
500
50
500
300
250
25
500
230
180
5
500
230
180
4,5
6E11
500
170
80
4,5
6E11
mg/km
mg/km
mg/km
mg/km
mg/km
#/km
mg/km
mg/km
2720
970
1000
700
140
80
mg/km
mg/km
#/km
9
MESSTECHNIK – GASFÖRMIGE EMISSIONEN
Genauigkeit typischer Analysatoren
Analysator
HC
CH4 Cutter
NOx
CO Ultra low
Kleinster
Messbereich
10 ppm C1
10 ppm C1
10 ppm
10 ppm
Messgenauigkeit
(2% of PT)
1 ppm +/- 20 ppb C1
1 ppm +/- 20 ppb C1
1 ppm +/- 20 ppb
1 ppm +/- 20 ppb
Die chinesische Mauer ist das einzige Bauwerk, das man vom Weltall sehen kann.
Sie ist ca. 7 Meter breit.
+/- 20 ppb is +/- 7 Meter
Die Genauigkeit von +/- 20 ppb (parts per billion) entspricht diesen 7 Meter, bezogen auf
die Distanz zwischen Mond und Erde.
10
MESSTECHNIK – PARTIKEL EMISSIONEN
Partikel-Masse versus Partikel-Anzahl
4.5
Limit 6*1011
1.0E+11
Particulatel-Masse
Partikel-Anzahl
1.0E+10
1.0E+09
3.0
2.0
1.0
0.5
0.0
Ein Dieselfahrzeug mit DPF
ist typischerweise:
• ca. einen Faktor 10 unter
dem PM Limit
• während es gerade das PN
Anzahl Limit unterschreitet.
Particle Number [#/km]
Particulate Mass [g/km]
4.0
1.0E+12
Limit 4.5 g/km
1.0E+08
1.0E+07
1.0E+06
1.0E+05
1.0E+04
1.0E+03
1.0E+02
1.0E+01
11
MESSTECHNIK – PARTIKEL EMISSIONEN
Partikel-Masse versus Partikel-Anzahl
4.5
Limit 4.5 g/km
4.0
Particulate Mass [g/km]
Die Genauigkeit der Partikel-Masse
Messung hängt primär von der
Massenbeladung des Analyse-Filters ab.
3.0
Particulate Mass
Beim Euro-5/6 Grenzwert ist die Beladung des AnalyseFilters ca. 150μg.
Typische Reproduzierbarkeiten der Filterwägung liegen bei
ca. 20μg.
2.0
Damit kann man hinreichend genau den Grenzwert von
(4,5 mg/km) messen und überwachen.
1.0
0.5
0.0
Aber, liegt eine Fahrzeug weit unter diesem Grenzwert
(typischerweise um einen Faktor 10) ist die Genauigkeit
der gravimetrischen PM Messung nicht mehr
gegegeben.
12
Einführung:
• Luftreinhaltung
Herausforderungen:
Problemstellung:
Anwendungen
13
MESSTECHNIK
Ein Analysator kann nur messen was bis zum Analysator kommt
Abgas
Mess-Anlage
¾
¾
¾
Repräsentative Probe aus dem Auspuff
Unveränderter Transport zur Messzelle
Geeignete Messbereiche, Ansprechzeiten
und dynamische Auflösung des Messsignals.
14
MESSTECHNIK
Beispiel: Messung bei einer SCR Applikation
SCR (Selectiv Catalytic Reduction) erfordert die Messung zusätzlicher Gaskomponenten.
Zertifizierung: NH3 beim NFZ Anwendungen
R&D:
Bei R&D und Applizierung des SCR
Systems an den Motor, müssen mehrere
Gaskomponenten and unterschiedlichen
Messstellen gemessen werden.
15
MESSTECHNIK BEI SCR ANWENDUNGEN
NOx Reduktion, aber auch mögliche Sekundär-Emissionen
NH3
EU-IV Limit
N 2O
16
Simulationswerkzeuge als erster Schritt
Urea
SCR
AdBlue Tropfenverteilung
Harnstoff Konzentration
NH3 Konzentration
NOx Konzentration
17
Simulation und reale Messung ergänzen sich
Radiale NH3 Verteilung am SCR
Eingang
Abgasmessung mittels
einer beweglichen Sonde
18
Simulation und reale Messung ergänzen sich
Entwicklung eines PGW-SCR Systems für eine doppelflutige Abgasanlage mit Hilfe von
Simulationsrechnung und Motorprüfstandsuntersuchungen.
Dr. B. Amon, Faurecia Exhaust systems,
7. FAD Nov. 2009, Dresden
19
Verschmutzungen und Ablagerungen bei SCR Messung
Harnstoff aber auch später NH3 können zu
erheblichen Ablagerungen führen, nicht nur an
der Zapfsäule (Bild links).
Die Bestimmung der NH3 Umwandlung und
Verteilung am SCR Eingang ist besonders
wichtig, da nur NH3 im SCR NOx reduziert,
nicht der Harnstoff. Dabei kommt aber auch
Harnstoff und hohe NH3 Konzentrationen in
das Messsystem.
Urea Crystallization
20
Messprobleme vermeiden bei SCR Messung
• Harnstoff (NH2-CO-NH2) kristallisiert
• Ammonium-Nitrat Bildung:
2NH3 + 2NO2 + H2O → NH4NO3 + NH4NO2
• Ammonium-Sulfat Bildung:
NH3 + SO3 + H2O → NH4HSO4
2NH3 + SO3 + H2O → (NH4)2SO4
Ablagerungen in einer Messgasleitung
Ablagerungen in einer optischen
Messzelle
Ammonium-Nitrat (NH4NO3), ein helles Pulver,
hat bei Umgebungsdruck einen Schmelzpunkt
von 169 °C.
Ammonium-Nitrat lagert sich in fester oder
flüssiger Form im Katalysator aber auch in den
Messgeräten.
Ammonium-Nitrat Bildung kann vermieden
werden, wenn die Temperatur über 170°C ist.
Messsysteme sollten für diese Anwendung
durchgängig, inklusive Messcellen, auf 190°C
beheizt.
21
Vermeintliche Drift des Messgerätes
Wurde als Drift
interpretiert,
war aber keine
AMA
NOx
CO, CO2, …
waren
konstant
22
Vermeintliche Drift des Messgerätes
AMA
NOx
23
Aliasing Effekt
Urea
SCR
Pulsierende Urea Einspritzung
ergaben auch eine pulsierende NOx
Konzentration nach dem SCR.
NOx
Sensor
NOx
10Hz
NOx
1Hz
(gleiche Farben wie im Diagram)
Aliasing Effekt.
Hervorgerufen durch
eine fast identischen
Messfrequenz (1Hz)
und der mit 1Hz
arbeitenden
Eindüsung.
kein Urea
Urea mit 1Hz
Urea mit 4Hz
24
MESSTECHNIK
Dynamik Anforderungen: CFR 1065
90%
Rise Time x Datenrate >= 5
1 sec
x
5 Hz
>= 5
10%
Rise Time
25
MESSTECHNIK
Dynamik Einflüsse - Messgasleitung
Die Leitungslänge der Messgasleitung verändert nur wenig die Dynamik der
Messung.
1 Hz
3 Hz
5 Hz
0,5 Hz
1 Hz
3 Hz
5 Hz
Konventionelle
Messtechnik
Ultra Fast (ms)
Messtechnik
0,5 Hz
3/26/2010
Messgasleitung = 0,5 Meter
Messgasleitung = 9 Meter
26
26
MESSTECHNIK
Dynamik Einflüsse - Messgasleitung
Empfohlene Auslegung
Veränderte Auslegung
Zusätzliche
Leitungen,
Druckregler und
Vor-Filter
eingebaut
Bei kritischen Gasen, wie NH3, sollte die
Messgasleitung und die Probenführung
innerhalb des Messsystems so kurz wie
möglich sein und möglichst frei von
diversen Pneumatikkomponenten, wie
Ventilen, Regler, Pumpen, …
26.03.2010
27
5. Int. Partikelforum
-
Problematische Probennahme bei NH3
„Verschleifungen“ des NH3 Messwertes, durch die zusätzlichen
eingebauten Komponenten (Vor-Filter, Druckregler und Leitung)
26.03.2010
28
5. Int. Partikelforum
-
Einführung:
• Luftreinhaltung
Herausforderungen:
Problemstellung:
Anwendungen
29
ABGASMESSTECHNIK
Die analytischen Messmethoden haben einen sehr hohen technischen
Stand erreicht.
•
•
Analysegenauigkeit, Messbereichsspreizung,
Ansprechverhalten, Quereinflüsse, …
Im realen Prüfstandsbetrieb wird aber manchmal das falsche
Werkzeug eingesetzt. Die Eierlegende-Woll-Milch-Sau gibt es
eben nicht.
Probenentnahme und Transport:
• Probenentnahme und Transport stellen keine
unüberwindbaren Probleme dar, werden aber sehr oft im
realen Prüfstandsbetrieb zu wenig beachtet.
Die Abgaszusammensetzung verändert sich mit den Motorentechnologie:
• Die Messtechnik muss folgen, wird aber immer einen
„kleinen“ Schritt zurück sein.
30
ABGASMESSTECHNIK
Ausblick
" DEKRA Technologie
8. FAD Konferenz
Tag 2010„
"Herausforderung
Abgasnachbehandlung für
Dieselmotoren„
… und auch hoffentlich
wieder einen Messtechnik
Workshop in 2010
2011
22. April 2010
Klettwitz
3. - 4. November 2010
Dresden
Dresden
31
Neue laserbasierte Methode zur
Bestimmung von NO und anderer
Stickstoffverbindungen
Daniel Scheder, HORIBA Europe GmbH
© 2010 HORIBA Europe GmbH. All rights reserved.
Darüber werde ich heute sprechen!
1
Hintergrund
2
Der analytische Prozess
3
Lösungsansatz
4
Quantenkaskaden Laser für die Abgasmessung
5
Ergebnisse
2
Automobilindustrie bzw. Motorenbau und
Abgasanalytik
Trigger 1
-
„bessere“ Motoren
geringerer Verbrauch
weniger Schadstoffe
weniger klimaschädliche Abgase
(z. B. N2O, ca. 300fach
klimaschädlicher als CO2)
Trigger 2
- Erfüllung gesetzlicher Vorgaben bzw.
Selbstverpflichtungen der Industrie
- Audits und Zulassungen
- weltweiter Megatrend für „Green Products“, „Grüne Mobilität“, LOHASBewegung/Consumer (Lifestyle of Health and Sustainability)
3
Herausforderung
►
Hersteller von Messgeräten müssen analytische Werkzeuge
liefern, mit denen die Zielindustrie erfolgreich arbeiten und
bestehende sowie zukünftige Herausforderungen meistern kann.
4
Der analytische Prozess in der
Abgasmesstechnik
Qualität der Komponente
- welche Verbindung?
- zweifelsfreie Identifizierung!
Quantität des Komponente
- höchst mögliche Präzision (precision)
- höchst mögliche Genauigkeit (accuracy)
Spezifität der Methode
- Störungen durch andere Komponenten
Fehler der Methode
- Blindwert
- systematische und zufällige Fehler
5
Was wird eigentlich gemessen!
systematischer Fehler
Accuracy
Precision
wahrer Wert
Mittelwert
6
Zielsetzung
selektiv messen
störungsfrei messen
richtig messen
genau messen
empfindlich und nachweisstark messen
schnell messen
automatisiert messen
belastbar messen (Audits, Zulassung)
7
bestehende Werkzeuge in der Abgasanalytik
Fourier-Transform
Infrarot Spektrometrie
(FTIR)
Non-Dispersive
Ultraviolett
Spektrometrie (NDUV)
Non-Dispersive
Infrarot Spektrometrie
(NDIR)
Erfassung von mehr
als 200 Komponenten
im Abgas
DiodenlaserSpektrometrie (TDL)
Chemolumineszenzverfahren (CLD)
MassenSpektrometrie (MS)
Paramagnetischer
Analysator
(Combustibles) Flammenionisationsdetektor (FID, Gaschromatographie mit
FID-Detektion)
►
►
es gibt sehr viele Messmethoden!
Jede Methode hat ihre spezifischen Vorteile und Schwächen!
8
Stickstoffverbindungen im Abgas
Nachweisstark
Simultan
N2O
richtige und präzise
analytische Ergebnisse,
die belastbar sind
NH3
NO2
NO
Störungsfrei
Selektiv
9
Lösungsansatz Infrarotabsorption
hohes I0 für gute Messreserven Æ neue Anregungsquelle
nicht dispersiv Æ sehr feine Durchstimmbarkeit
Nutzung von Fundamentalschwingungen anstelle von
Oberschwingungen Æ hohe molare Extinktionskoeffizienten für
bessere Signale
Messung bei vermindertem Druck Æ scharfe Peaks durch
Vermeidung von Energiedissipation durch Stöße
hohe Spezifität Æ hohe spektrale Reinheit bzw. extrem schmale
resolution band width (rbw)
10
Quantenkaskaden Laser
klassischer Halbleiterlaser
1e-
1e-
E2
Quantum Wells
(20–100 Photonen)
hν
hν
hν
hν
1 Photon
hν
E1
20–100 Photonen
11
schematischer Aufbau eines Messgeräts mit
12
Grundzüge der Quantenkaskaden Laser (QCL)
Technologie 1/3
~ 200-1000 ns
~ 100 kHz
Strompuls (A)
Laser
Temperatur
►
Der Temperaturgang des QCL ist eine wichtige Stellgröße!
13
Grundzüge der Quantenkaskaden Laser
Technologie 2/3
Wellenlänge
Laser Temperatur
►
Die sorgfältige Steuerung und Kontrolle der Temperatur des
QCL ist entscheidend!
14
Grundzüge der Quantenkaskaden Laser
Technologie 3/3
~ 200-1000 ns
~ 100 kHz
Temperatur
des QCL
Wellenlänge
Intensität
Zeit
15
Detektion
Detector Signal NH3
0
-0,02
detector signal [a.u.]
-0,04
C =
-0,06
-0,08
− ln( I I 0 )
K *L
I
-0,1
-0,12
-0,14
-0,16
I0
-0,18
-0,2
0
50
100
150
200
250
300
Time [ns]
K = S (T , p ) * p
16
Durchstimmbarkeit des Quantenkaskaden
Lasers
I0
0.001 cm-1
0
1
2
cm-1
17
Quantifizierung von Stickstoffverbindungen
I0
I
N2O
NH3
NO2
NO
- ln(I I 0 )
cn =
Kn* L
►
►
I0 = f(T) bekannt
K
bekannt
Multi-Path-Messzelle
L = const.
I: Messgröße ~ c
18
Messung bei reduziertem Druck
Komponente: CH4
c: 500ppm
L: 10m
p=101,3kPa
bei Normaldruck breite Peaks
Æ schlecht zu integrieren
►
p=25kPa
bei reduziertem Druck schmale Peaks
Æ gut zu integrieren
QCL hat ausreichend Reserven für die extraktive Messung bei
reduziertem Druck!
19
Spektren im Vergleich
Spektrum mit
FTIR gemessen
Spektrum mit
Quantenkaskaden
Laser gemessen
20
Empfindlichkeit im Vergleich
Komponente
Messmethode
Faktor
Nahes Infrarot
(Stand der Technik)
470 ppm
Mittleres Infrarot
mit QCL
2 ppb
235000
360 ppm
10 ppb
36000
CH4
7 ppm
100 ppb
70
HCl
1 ppm
10 ppb
100
NH3
20 ppm
20 ppb
1000
H2O
0.6 ppm
14 ppb
40
CO2
CO
21
Ergebnisse
sehr hohe spektrale Auflösung < 0,001 cm-1
extrem schnelle Messungen < 1 ns
geringe Peakhalbwertsbreite
hohe Spezifität und wenige Störungen
Hohes Signal zu Rauschverhältnis
Quantensprung bei den Nachweisgrenzen
(je nach Komponente: × 20 – × 1000!)
►
Die Quantenkaskaden Laser Technologie ist ein leistungsstarkes Werkzeug für die präzise und richtige Messung der
Spuren-Komponenten N2O, NO, NO2 und NH3
22
Bitte stellen Sie Ihre Fragen?
Wir helfen gerne weiter!
23
NDIR-Messwertgeber
Abgasanalysatoren für Benzin- und Dieselfahrzeuge
Infrarot-Gasanalysatoren für industrielle
Anwendungen
Der Spezialist der Abgasanalyse
SAXON® JUNKALOR GmbH
Alte Landebahn 29
D-06846 Dessau
Germany
Der Gasanalyse Spezialist
für
kundenorientierte
Applikationen
Mehr als 40 Jahre Erfahrung in der
Entwicklung, Produktion und Vertrieb von
Gasanalysatoren auf der Basis eigenentwickelter
Messwertgeber
Infralyt smart
Abgasanalysator für Fahrzeuge mit Fremdzündungsmotor
Opacilyt 1030
Abgasanalysator für Fahrzeuge mit Kompressionszündungsmotor
Die Abgasuntersuchung AU
Die Abgasuntersuchung in der heutigen Form wird seit 1993 für Benzinund Diesel-Fahrzeuge durchgeführt
Grundlage für die AU ist die Europäische Richtlinie 96/96 in der
aktuellen Fassung 2009/40/EG
Alle Fahrzeuge sind mit entsprechenden Abgasmessgeräten im
Endrohr der Auspuffanlage zu messen
Eine Änderung dieser Richtlinie ist in absehbarer Zeit nicht vorgesehen
Die Benzin-AU
Benzin-Fahrzeuge werden grundsätzlich mit 4-Gas-Testern gemessen
CO
0.........10 % vol
NDIR
CO2
0.........20 % vol
NDIR
HC
0....2500 ppm vol
NDIR (als n-Hexan)
O2
0........22 % vol
Elektro-chemisch
Lambda
nach Brettschneider
Die Bauartzulassung erfolgt auf der Grundlage der MID (Measuring
Instrument Directive) einheitlich für den gesamten EU-Raum
einschließlich der Schweiz. In Deutschland durch die PTB in
Braunschweig
Der Prüfablauf ist nicht vereinheitlicht und wird durch nationale
Regelungen vorgegeben. In Deutschland erfolgt die Zulassung des
Prüfablaufes durch den TÜV Nord in Essen und die DEKRA in
Stuttgart
Die Diesel- AU
Die EU-Richtlinie 2009/40/EG schreibt für Diesel-Fahrzeuge die
Abgasprüfung im Endrohr bei „freier Beschleunigung“ mittels
Opazimetern vor
Anders als für Benzin-Tester ist die Bauartzulassung nicht
vereinheitlicht
In Deutschland erfolgt die Bauartzulassung durch die PTB auf der
Grundlage der entsprechenden PTB-Anforderungen an
Abgasmessgeräte für Kompressionszündungsmotore in der
Ausführung als Teilstrom-Trübungsmessgerät (PTB-A 18.9)
Die Zulassung des Prüfablaufes erfolgt wie auch für die BenzinAbgastester durch den TÜV Nord in Essen oder die DEKRA in
Stuttgart
Diesel-AU
In Deutschland gelten folgende Grenzwerte:
kmax=1,5 m-1 für moderne Diesel-Fahrzeuge
Dieser Wert wird von herkömmlichen Opazimetern problemlos
gemessen und angezeigt
Diese Vorgabe wird jedoch von modernen Diesel-Motoren unterschritten
Bei Verwendung von Partikel-Filtern stoßen Opazimeter an ihre
Grenzen und zeigen in der Regel kmax-Werte von Null an
Ein Rückschluss auf die Arbeitsweise des Partikel-Filters ist damit
nicht möglich
Diesel – AU
Dilemma
Eine schlüssige, aussagefähige Abgasprüfung an
modernen Diesel-Fahrzeugen mit Partikel-Filtern ist mit
vorhandenen Opazimetern nicht mehr möglich, da die
Rauchgasemissionen außerhalb des Anzeigebereiches
liegen!
Moment mal!
Für die AU nach aktuellem Leitfaden ist doch für Fahrzeuge ab Baujahr
2006 nur noch die OBD-Prüfung notwendig.
Dann ist ja die Diskussion nach neuen Messgeräten überflüssig!
Nein!
Die Abgasuntersuchung kann nur in Verbindung mit einem
zugelassenen Abgastester durchgeführt werden!
Ist die OBD-Überprüfung nicht möglich, ist die „normale“
Abgasuntersuchung bei freier Beschleunigung durchzuführen!
Auf das AU-Gerät wird nicht verzichtet!
Wie gesagt, es geht um eine schlüssige, aussagefähige
Abgasuntersuchung und dafür ist eine verbesserte Technik notwendig!
Eine schlüssige, aussagefähige Abgasuntersuchung heißt
•Arbeitet der Motor einwandfrei
•Arbeitet der Partikelfilter einwandfrei
•Ist die gesamte Auspuffanlage in Ordnung
Um die wichtigsten Parameter zu nennen.
Bei der Benzin-AU unterscheiden wir beispielsweise nach
O-Kat
U-Kat
G-Kat
Um festzustellen, ob die Funktion auch der eingesetzten Katalysatoren
gewährleistet ist.
So wurde zur Überprüfung der Funktion des geregelten Katalysators
die „Regelkreisprüfung“ in den Ablauf der AU integriert, um Ausfälle zu
erkennen und anzustellen.
Jetzt haben wir bei der Diesel-AU eine ähnliche Situation
Wir haben eine neue Generation von Diesel-Motoren und haben
darüber hinaus noch die Partikel-Filter.
Aber die Messtechnik, die im Moment für die Abgasuntersuchung
eingesetzt und vorgeschrieben ist, ist den Aufgaben nicht mehr
gewachsen und hier muss nach neuen Wegen gesucht werden.
Die Situation ist in etwa vergleichbar dem Übergang von der
CO-Messung der ASU zur Viergas-Messung mit integrierter
Regelkreisprüfung bei der Benzin-AU.
Diesel-AU
Welche Wege aus diesem Dilemma sind denkbar?
Abwarten, was der Gesetzgeber beschließen wird
oder
Selbst aktiv werden
und
nach möglichen Lösungsmöglichkeiten suchen
Entwicklung von speziellen Partikelmessgeräten
Da wir ja aus der Gasanalytik kommen
Entwicklung von speziellen Abgasmessgeräten
Wir haben uns beiden Aufgaben gestellt!
Wir entwickeln derzeit ein Partikelmessgerät, das in der Lage ist,
Partikelgrößen von ca. 100 nm zu messen.
Damit wäre eine sinnvolle Abgasuntersuchung an modernen DieselFahrzeugen möglich und es können im Rahmen der Diagnose auch
Fehler oder Defekte am Partikel-Filter festgestellt werden.
Partikel-Messgerät PMG LP100
•Messung von Partikelgrößen < 100nm
•Messbereich 0.....200 mg/m3
•Messgenauigkeit 0,01 mg/m3
•Automatische Nullpunktkorrektur
Ein kompaktes, robustes Messgerät zur
Diagnose von Diesel-Fahrzeugen mit PartikelFiltern.
Partikel-Messgerät PMG LP100
Mit unserem Abgastester Infralyt ELD steht ein Analysator zur
Verfügung, der folgende Abgasbestandteile messen kann
CO
0.........2.000 ppm vol
NDIR
CO2
0...............20 % vol
NDIR
HC
0..........2.500 ppm vol
NDIR
NO
0..........2.000 ppm vol
elektro-chemisch
NO2
0.............500 ppm vol
elektro-chemisch
O2
0................22 % vol
elektro-chemisch
Diesel-Abagsanalysator Infralyt ELD
Das heißt, wir haben zwei unterschiedliche, für die mobile
Abgasuntersuchung geeignete Tester, die auch eine perfekte
Diesel-Diagnose zulassen!
Aber!
Eine Partikelmessung oder eine Abgasmessung ist in der EURichtlinie für Diesel-Fahrzeuge nicht vorgesehen und auch in nächster
Zeit nicht zu erwarten!
Welchen Ausweg aus dieser Situation kann es geben?
1. Die verbindlichen Grenzwerte für die Diesel-AU sind den
tatsächlichen Gegebenheiten anzupassen
Hier ist der Gesetzgeber gefragt!
2. In einem ersten Schritt sind die Partikelmessgeräte so zu
modifizieren, dass die gemessene Partikelkonzentration in
einen k-Wert umgerechnet und ausgewiesen wird.
3. Mittelfristig sollte die Abgasuntersuchung generell auf die Prüfung
der Wirksamkeit von Partikel-Filtern ausgerichtet werden und
damit die Endrohrprüfung zwingend vorgeschrieben werden.
Werden mit Partikel-Messgeräten k-Werte angezeigt und gemessen,
stünde eine neue Generation von Opazimetern zur Verfügung, die den
Forderungen der EU-Richtlinie formal entsprechen.
Durch die PTB sind entsprechende Anforderungen an die
Bauartzulassung von Opazimetern der „neuen Generation“ zu
erarbeiten.
Auf dieser Basis erfolgen dann die Zulassungen dieser Opazimeter.
Schrittweise können die im Markt befindlichen Opazimeter durch die
neue Generation ersetzt werden.
Das ist dann zwar ein Alleingang Deutschlands, der aber durch die EURichtlinien abgedeckt ist.
Und ein Anfang wäre getan!
Die Fragen einer möglichen Abgasmessung bei Diesel-Fahrzeugen sind
zwar damit nicht beantwortet, aber die notwendigen Denkanstöße sind
erfolgt.
Dass auch in der EU die Fragen einer möglichen Überarbeitung der
Regelungen erkannt wurden, zeigt die Tatsache, dass im Rahmen einer
EU-weiten Studie die Problematik der Partikel- und NO2-Emission von
modernen Diesel-Fahrzeugen untersucht werden soll.
Hier ist aber mittelfristig nicht mit
Ergebnissen zu rechnen.
Wir sind aber auf einem guten Weg!
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Schnelle (laserbasierte) Abgasmesstechnik zur
artefaktfreien Messung von NOx.
FAD Workshop (24. - 25. März 2010)
Dr. Raimund Brunner
Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik (IPM)
Heidenhofstr. 8, D-79110 Freiburg
Folie 1
Zusammensetzung der Atmosphäre
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 2
Artefaktfrei messen
EXTRAKTIV
Messung einer repräsentativen
IN-SITU
Messung am Ort des Prozesses
Probe
spezielle Probenahme
verändern von chemischen
Gleichgewichtsbedingungen
unkontrollierte Reaktionen an
Komponenten der Probenahme
z.B.: Filter, Leitungen etc.
zeitliche Auflösung dominiert durch
Probenahme
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 3
extreme Bedingungen
(Temperatur, Druck, Partikel,
EM-Felder, Vibrationen)
instabile Bedingungen
aufwendige Auswertung
Platzprobleme
Übersicht
HCAT – In-Situ: schnelles (Filter-) Spektrometer am Katalysator
DEGAS – Extraktiv: schnelle Probenahme bei der Abgasanalyse
STROMBOLI – filterfreie optische Messzelle, ein neues Design
REFAM II – Abgasanalysator auf Basis von Quantenkaskadenlasern
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 4
Dynamische Messung von Kohlenwasserstoffen
schnelle Analytik von Kohlenwasserstoffen im Katalysator
Bohrung
Flansch mit
IR-Fenster
kaskadierbar
Zeitauflösung: < 10 ms
IR-Sendeeinheit
Nachweisgrenze: > 200 ppm
Robust gegen:
hohe Temperaturen (T > 500 °C)
schnelle Temperaturschwankungen
starke Vibrationen
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 5
Filterspektrometer
HCAT
Messstrecke
Katalysator
Empfangseinheit
Mit Gas gespülte Fenster
Vibrationseinflüsse durch
steife Bügel minimiert
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 6
schnelle optische Gasmesstechnik Fraunhofer IPM
Ankopplung an den Katalysator
Filterwahl für die spektroskopischen Messungen
1,0
Benzindampf 1 bar 20 °C 15 cm
Transmission
0,8
Aromate
Messfilter
Referenz0,6 filter
0,4
0,2
0,0
2600
2800
3000
3200
3400
-1
Wellenzahl / cm
Aliphate
8 Paare von
Mess- und
Referenzfiltern,
Drehzahl
12000 U/min
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24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 7
Vergleich HCAT und FFID
Messstellen vor Kat
gemessen im Auftrag von VW bei IAV - Berlin
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 8
schnelle optische Gasmesstechnik Fraunhofer IPM
HCAT Dynamik im Lastsprung
Messstelle im Kat 25 mm
Messstellen
gemessen im Auftrag von VW bei IAV - Berlin
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 9
Zusammenfassung: IR-Filterspektrometer
+ erprobtes robustes Verfahren
+ Vibrationen sind beherrschbar
+ Temperaturen …
+ dynamische Messung im ms-Bereich
+ gute Vergleichbarkeit mit FFID-Messung
+ relativ preiswerte Komponenten
- Begrenzte Kalibrierbarkeit durch Fluktuationen von
Temperatur und Strömung
- bewegliche Teile, Filterrad (Rotation)
- Querempfindlichkeit durch rel. breite Filter
- Wegstrecke limitiert Æ Empfindlichkeit reduziert
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 10
Übersicht
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 11
DEGAS, laserbasiertes Abgasanalysator
D ynamic
E xhaust
G as
A nalyser
S ystem
12 Messkanäle:
3 Komponenten
an je 4 Messstellen
5 ms Zeitauflösung
erprobt in zahlreichen
Messungen am Prüfstand
Mit freundlicher Genehmigung der Volkswagen AG
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24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 12
DEGAS - Grundspezifikationen
Messprinzip
Infrarot-Diodenlaserspektroskopie,
optische Wegstrecke: 31 cm bei 50 mbar.
Messkomponente
Nachweisgrenzea
CO
NO
CO2
CH4
NO2
NH3 (bei 1600 cm-1)
NH3 (bei 1050 cm-1)
10 ppm
20 ppm
20 ppm
5 ppm
10 ppm
50 ppm
10 ppm
a
Messbereicha
2.000 ppm
4.000 ppm
4.000 ppm
2.000 ppm
2.000 ppm
10.000 ppm
2.000 ppm
niedrigste erzielbare Werte; Umstellung auf höhere Werte möglich
Länge der Probenahmeleitung
Messrate
ca. 300 cm (variabel)
5 ms
anwendbar auf weitere Gase wie
CO, NO, NO2, NH3, N2O, CH2O, C2H2, COS, SO2
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Folie 13
Robuste optische Komponenten
Laserstationen
Referenzzellen
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Folie 14
Messzellen
Bewährte Probenahme des DEGAS-Systems
Sampling
port
Gas
sample
Pressurized air
Hot pressurized air
Heat exchanger
Heater
T=185°C
T=185°C
Exhaust
gas
flow
Sample gas cell
Calibration
gas
• bis zu 4 Gassysteme parallel
• vollständig temperierbar
Pressure
control
• Gasaustauschzeit < 3 ms
• Zellvolumen 8.8 cm3
P
Pump
• optischer Wegstrecke 310 mm
Verbrauch bei 200 Hz Messrate und 50 mbar Druck: 0.088 Nl/s pro Zelle (5.28 Nl/s gesamt)
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Folie 15
Buffer
volume
p=50 mbar
Beispielmessungen am Prüfstand
Three component analysis:
CO, NO, NO2
74
72
70
68
3
2
1
0
4000
Velocity / km/h
CO behind precat / %
NO behind precat / ppm
FTIR 1s
DEGAS 5ms
2000
0
80
60
40
20
0
840
NO2 behind precat / ppm
842
844
846
848
850
Time / s
Courtesy of Volkswagen AG
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Folie 16
Vergleich zwischen CLD und DEGAS
NO / ppm
4000
Messung von NO
an einer Einzylindermaschine mit zwei
Ausgangsventilen,
CLD with 0.8 s time resolution
DEGAS with full time resolution
DEGAS with 0.8 s integration time
Ignition
suppressed
2000
0.8 s Anstiegszeit
0
Mit freundlicher Genehmigung
von Renault Direction
de la Recherche
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24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 17
4
8
Time / s
12
Eigenschaften DEGAS IV
• direktes physikalisches Verfahren ohne Einsatz von Filtern!
Æ hochspezifischer Nachweis im MIR, getrennte Linien im Unterdruck
Æ keine Artefaktbildung, konstant temperiert, verdünnt
• parallele Messung verschiedener Gasarten mit demselben Verfahren
Æ Untersuchung komplexer Phänomene mit insgesamt moderaten Kosten
Æ strenge Vergleichbarkeit der Ergebnisse
• isotopenspezifischer Nachweis
Æ ermöglicht Tracer-Untersuchungen
• kurze Ansprechzeit durch angepasste Probenahme
Æ Beobachtung zeitlich dynamischer Vorgänge, mit hoher Nachweisdynamik
• integrierte Kalibrierfunktion
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24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 18
Übersicht
FAD Workshop,
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Folie 19
Messbedingungen am Lichtbogenofen

Gastemperaturen
bis 1800 °C

hohe Umgebungstemperaturen

hohe Partikelbeladung
des Messgases

EM-Felder im kA-Bereich

starke Vibrationen
Einschmelzvorgang
Ofen 1 bei den Lech-Stahl-Werken
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Folie 20
Energieeinsparung während der Stahlschmelze
Messsystem + Probenahme
Schmelzprozess energieintensiv:
~ 450 kWh / Tonne Rohstahl,
20-30 % Verluste im Abgasstrom,
hoher Anteil an unverbranntem CO
Einblasen von O2
CO + O2 Æ CO2
(stark exotherm)
modellbasierter Ansatz
ermöglicht gezielte
Nachverbrennung durch
Regelung
stark variierender Prozess:
Æ exakte und schnelle Messung
von CO, CO2 und O2 im Abgas
erforderlich
Energierückführung Æ Energieeinsparung
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24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 21
Modularer Aufbau: Laser / Optikeinheit
Detektoreinheiten
Referenzzelle
zur opt. Messzelle
Lasereinheiten
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Folie 22

VCSEL at ~1580 nm für CO und CO2

VCSEL at ~760 nm für O2

Referenzzelle mit CO2 und O2
Modularer Aufbau: Messzelle
zur
Optik
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Folie 23

optischer Weg durch
Mehrfachreflexion: 11 m

Messzelle temperatur-stabilisiert
auf ~ 120 °C

Messzelle druckstabilisiert auf 200
mbar absolut

Geringes Messvolumen:
48 ml Æ schnelle Austauschzeit

Minizyklon zur Staubabscheidung

temperierte Stickstoffspülung zum
Schutz der Spiegeloptiken
Typische Messungen am Lichtbogenofen - Status
hohe CO Werte bis zu 50%
stabiler, driftfreier Messbetrieb
demonstriert
Zeitliche Verzögerung auf der
gesamten Messstrecke: ~ 6 s
keine Anfälligkeit gegenüber EMEinstrahlung und Vibrationen
beobachtet.
einfache Kalibrierung des Gerätes
durch Aufschalten von Probegas
Æ durch optimierte O2 Eindüsung: bis zu 4,5 % Energieeinsparung
und CO-Reduktion erreicht !
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 24
Übersicht
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 25
Quantenkaskadenlaser (QCL) 2009
CW-DFB-QCL:
dieselben Messverfahren wie bei NIR- DFB-Lasern oder
Bleisalzlasern verwendbar, Messspezifikationen analog
AlpesLaser stock list (07/2009):
CW DFB-QCL bei RT:
Puls DFB-QCL bei RT:
1098.4 cm-1 Ù 2299 cm-1
596; 602; 844 cm-1
2351 cm-1
2009:
- CW DFB-QCL für viele Wellenlängen verfügbar (Alpes Lasers)
- Preis cw > Puls
Trend: Messverfahren mit cw-Lasern bei RT
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 26
Erfassung mehrer Komponenten mit CW-QCL
HAMAMATSU RT-CW
typ. Abstimmbereich CW-QCL mit Strompuls/Rampe
NH3
NO2
NH3
NO2
NO2
Linienbreite ~ Faktor 10 geringer als bei gepulsten QCLs Æ niedrigere Nachweisgrenze
Design ähnlich NIR Laserspektrometern Æ keine schnelle Pulsansteuerung und Detektion
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 27
Quantenkaskadenlaser mit Externem Resonator
Großer optischer Abstimmbereich
Æ Erfassung eines größeren Spektralbereiches über einen Satz von Komponenten
Konstruktionsprinzip eines Externen Resonators
(Day-Light-Solutions)
CW-Laser mit Externem Resonator der Firma Alpes-Laser.
(Abstimmbereich ca. 80 Wellenzahlen)
R. Maulini et al.(2004):
Δνmax = 180 cm-1 pulsed
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 28
A. Hugi et.al. (2009):
Δνmax = 432 cm-1 pulsed
Δνmax = 201 cm-1 cw
Testaufbau im Labor zur Detektion von Sprengstoffen
Testaufbau ECQCL
mit Whitezelle 2.3 m,
Referenzkanal und
Vigo-Detektoren
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 29
Extremer Abstimmbereich mit externem Resonator
Beispielmessung von
1
Atemluft am IPM mit
0.95
ECQCL von
Day-Light-Solution
Transmission
0.9
0.85
Vergleich HITRAN
0.8
ECQCL - DLS (shift 0.65 cm -1)
0.75
0.7
0.65
1240
1250
1260
1270
1280
1290
Wellenzahl / cm -1
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 30
1300
1310
1320
1330
Vorteile von QCLs im Vergleich zu Bleisalzlasern (DEGAS)
Betrieb bei Raumtemperatur, thermoelektrisch stabilisiert.
Æ Die Kühlung mit flüssigem Stickstoff mit begrenzten Standzeiten entfällt.
Laser (DFB) sind einmodig und modensprungfrei
Æ reproduzierbares und stabiles Einschaltverhalten
Æ kurze Anlaufzeit für die Inbetriebnahme
Geringere Temperaturabstimmung der Laserwellenlänge
Æ deutlich reduzierte Drift
QCL-DFB Struktur
Hohe Laserleistung
Æ besseres Signal zu Rauschverhältnis, Verbesserung der Nachweisgrenze
Bessere Langzeitstabilität, auch nach mehrfachem Ein- und Ausschalten
Æ verbesserten Langzeitstabilität, da vernachlässigbare Degradationseffekte
Æ deutliche Reduktion des Kalibrieraufwandes des Analysators
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 31
Vorschlag zum neuen System:
Demonstration über REFAM II - FVV
Schnelle Messung von vorzugsweise NO, NO2 und NH3 mit
Quantenkaskadenlasern (CW-RT, DFB) / externem Resonator auf einer
vorhandenen DEGAS – Plattform (bewährte Probenahme und Optik)
mit folgenden Eigenschaften:
1. Multikomponentenfähigkeit mit intelligenter Auswertung
2. Nachweisstärke: 0,5 ppm
3. Messung von unbehandelten Abgas bei 50 mbar:
Artefakte und Aufwand von Presampling werden vermieden;
wichtig für die reaktiven Abgaskomponenten wie NO2 und NH3.
4. Reduzierter Kalibrieraufwand
5. Hohe Konzentrationsdynamik
6. Hohe Messgeschwindigkeit für dynamische Prozesse: Bereich 5-100 Hz wählbar
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 32
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Weitere Fragen?
FAD Workshop,
24. – 25. März 2010, Dresden
Folie 33
Stickoxide & Co. – FTIR Messtechnik
Fourier-Transform-Infrarot Spektroskopie
Dipl. Chem.-Ing. B. Arlitt
SESAM-FTIR
Stickoxide & Co. – FTIR Messtechnik
Bei simultaner PM- und NOx –Minderung
NO2
Workshop
PM- NOx- Zielkonflikt
Dresden
24.- 25.03.2010
Dipl.Chem.-Ing. B. Arlitt
AVL Instrumentation Test Systems
ETS- Gaggenau
N2O
NH3
ÜBERBLICK
0. Normen, Regulationen u. zukünftige Anforderungen
Test Methoden und Normen FTIR
EPA Distickstoffoxid-Grenzwerte
EU VI Ammoniak-Grenzwerte
1. SESAM FTIR Spektroskopie
Gerätetypen: Antaris IGS - und 2030 Hybrid FTIR
Nachweisgrenzen
2. FTIR-Abgasanalyse bei der DPF/SCR-Technik
Absorptionsbanden von Stickstoff- Verbindungen
Auswertemethode
Abgasanalyse bei NO2, N2O, NH3
Zusammenfassung
AVL Emission Test Systems, B. Arlitt
3
STANDARD TEST METHODEN UND NORMEN (FTIR)
EPA CONDITIONAL TEST METHOD (CTM) 320 (1997)
Protocol for the use of Extractive Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectrometry for the Analyses of Gaseous
Emissions from Stationary Sources
EPA CONDITIONAL TEST METHOD (CTM) 038 (2003)
Measurement of Ammonia Emissions From Highway,
Nonroad, and Stationary Use Diesel Engines by Extractive
Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy
ASTM D6348 – 03 rev. (2003)
Standard Test Method for Determination of Gaseous
Compounds by Extractive Direct Interface Fourier
Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy
4
EPA - CFR 40 - TREIBHAUSGASE (GHG)
DISTICKSOFFOXID - GRENZWERTE
N2O
Nebenprodukt der DPF- SCR Abgas-Nachbehandlung, bei
beschichteten DPF - Nebenprodukt der SCR Katalyse und
Nebenprodukt der Ammoniak Sperrkatalyse (Oxi-Kat).
Protection of Environment §1065.275
N2O Measurement devices. (since Nov. 2009)
… (2) Fourier transform infra-red (FTIR) analyzer.
You may use an FTIR analyzer that has compensation algorithms that are
functions of other gaseous measurements and the engine’s known or assumed
fuel properties. The target value for any compensation algorithm is 0.0 % that
is, no bias high and no bias low), regardless of the uncompensated signal’s
bias. Use appropriate analytical procedures for interpretation of infrared
spectra.
Use good engineering judgment to determine interference gases for FTIR.
Proposed Rules for light duty vehicle GHG Standards (September 28, 2009)
N2O Standard: Tailpipe N2O ...................... Cap per vehicle ........ 0.010 g/mile
CH4 Standard: Tailpipe CH4 ...................... Cap per vehicle ........ 0.030 g/mile
5
ENTWURF NEUE RICHTLINIE 2010 EG - KOMMISSION
AMMONIAK MESSUNG (NH3)
Commisson of the European Communities 2009
Draft proposal on implementing Regulation on type-approval of motor
vehicles and engines with respect to emissions from heavy duty vehicles
(Euro VI) and on access to vehicle repair and maintenance information
PROCEDURE FOR THE MEASUREMENT OF AMMONIA
- Laser Diode Spectrometer (LDS)
- Fourier Transform Infrared (FTIR) analyzer
Emissions Grenzen Euro VI / HD
Grenzwertverschärfung
NH3 [Limit 10ppm]
6
Neue Herausforderungen an Nachweisstärke, Richtigkeit,
Präzision und Dynamik der Abgasmesstechnik
Zusammenfassung

Weltweit verschärfte Abgasnormen ab 2010
Grenzwertverschärfung und Limitierung NH3 und N2O
Neue dynamische Prüfzyklen (z.B. WHTC)
Erfordert teilweise 5 Hz als Messfrequenz
Multikomponentenfähigkeit bei Dieselkraftstoff – Mixturen
z.B.: biogene Kraftstoffzusätze FAME, Ethanol oder Methanol
7
1. SESAM FTIR Spektroskopie

Antaris IGS FTIR Spektrometer

FTIR 2030 Hybrid Spektrometer

Probenahme SESAM

Spektrenauswertung

Nachweisgrenzen MDC
8
SESAM FTIR- Spektrometer Antaris IGS
Strahlengang - Optischer Aufbau - Komponenten
Messgeschwindigkeit
(1Hz)
(max. spektrale Auflösung = 0.5 cm-1 )
Standard (12 l/min @ 860 hPa)
IR-Quelle
T= 1100°C
MCT Detektor
T= -196°C
Multi-Reflektions-Gaszelle
Optische Weglänge= 2m
Volumen: 200ml
9
SESAM FTIR- Spektrometer 2030 Hybrid
Technische Details – Interferometer - Gaszelle
Corner Cube Interferometer
*18
(max. spektrale Auflösung = 0.5 cm-1)
*
Messgeschwindigkeit
(5 Hz)
Optionen:
Standard
(12 l/min @ 860 hPa)
Fast Response (20 l/min @ 580 hPa)
B. Arlitt, SESAM-Group, 05.03.2009
Multi-Reflektions- Gaszelle
Optische Weglänge= 5 m
Volumen 200ml
10
ANORDNUNG Probenahme SESAM- FTIR
Oxi-Kat
Oxi-Kat PM-Filter
SCR
Heated Line
Vorfilter
kurzer auf 191°C beheizter
optimierter Abgasprobenweg
• Filterrückspülung nach jedemTest
• Vermeidung von Ablagerungen
• Fokus krit. Gase z.B. NH3 u. NO2
Infrarot
Quelle
Interferometer
Proben
Gaszelle
Detektor
Signal und Daten
Verarbeitung
Kühler
DruckRegelung
Pumpe
Luftbetrieb
AVL SESAM-FTIR
11
FTIR- Spektren stickstoffhaltiger Abgaskomponenten mit einer
möglichen automotiven Emissionsmatrix
Auswertung mit Referenz- Bibliothekspektren verschiedener Konzentrationen
(spektrale Auflösung 0.5 cm-1)
H 2O
CO2
CO
NO
N 2O
HCN
NO2
NH3
Nur optimierte Auswertemethoden unter Berücksichtigung der max. möglichen Konzentrationsbereiche
der motorischen Emissionen in Abhängigkeit von der Kraftstoffsorte und der verwendeten Abgasnachbehandlung ermöglichen eine interferenzfreie Auswertung der Spektrenmatrix.
12
SESAM - FTIR Version 4 - Nachweisgrenzen (1Hz / 5Hz)
Nachweisgrenzen berechnet als MDC (Minimal Detectable Concentration) / 2 Sigma /

Bestimmung MDC: Nullgasmessung über 60s und Berechnung der 2 fachen Standardabweichung (N-1)
13
2a. SESAM- FTIR zur Analyse von niedrigen Stickstoffdioxid (NO2)
Konzentrationen

Auswerteregion NO2 – Absorptionsbande

NO2 – Konzentrationsverlauf bei WHTC – HD Motorentest

NO2 – WHTC Detail - Konzentrationsverlauf
NO 2
NOx
Oxi-Kat
NO
O NO 2 N O
2
HNC
Urea DPF SCR
NH
3
N 2O
NO 2
NO
NH3
NO2
N2O
Sperr-Kat
NH
3
14
Interferenzfreie FTIR Auswertung der NO2 - Verbindung mit
Darstellung der möglichen Störkomponenten in der IR-Region
Auswertung mit Referenz- Kalibrierspektren
H2O [~10Vol.%]
Auswerteregion
NO2
Nur geeignete und selektive Auswertefenster in der Auswerteregion ermöglichen ein interferenzfreie Quantifizierung (+/- 0% Störung) der NO2 Verbindung nach dem Lambert- Beerschen Gesetz
unter Verwendung des ‚Classical Least Square‘ CLS Algorithmus zur Kompensation von H 2O.
15
Stickstoffdioxid- Konzentrationsverlauf SCR- Nachkat (WHTC)
N2O- Emissionen bei einer FTIR 5Hz Scan- Geschwindigkeit
250
[ppm]
(5Hz)
200
150
NO2
100
50
0
0.00
300.00
600.00
900.00
1200.00
1500.00
(s)
Probenahme beim FTIR – Fluss von 12/min (860hPa) mit Entnahmesonde – ca. 1m HSS
Filterzuleitung und 8m beheizter (191°C) Transferleitung direkt zum SESAM- FTIR.
16
Stickstoffdioxid- Konzentrationsverlauf SCR- Nachkat (WHTC)
Messung NO2 – Konzentrationswerte WHTC- Teilbereich
(5Hz)
Filterzuleitung und 8m beheizter (191°C) Transferleitung direkt zum SESAM- FTIR.
17
2b. SESAM FTIR zur Analyse von niedrigen Distickstoffoxid (N2O)
Konzentrationen

Auswerteregion N2O – Absorptionsbande

N2O – Konzentrationsverlauf bei WHTC – HD Motorentest

N2O – WHTC Detail – Konzentrationsverlauf [0- 5ppm]
NO 2
NOx
Oxi-Kat
NO
O NO 2 N O
2
HNC
Urea DPF SCR
NH
3
N 2O
NO 2
NO
NH3
NO2
N2O
Sperr-Kat
NH
3
18
Interferenzfreie FTIR Auswertung der N2O Verbindung mit
Darstellung der möglichen Störkomponenten in der IR-Region
Auswertung mit Referenz- Bibliothekspektren verschiedener Konzentrationen
Auswerteregion
CO2 [~10Vol.%]
CO [~3Vol.%]
H2O [~10Vol.%]
N 2O
Nur geeignete und selektive Auswertefenster in der Auswerteregion ermöglichen ein interferenzfreie Quantifizierung (+/- 0% Störung) der N2O Verbindung nach dem Lambert- Beer‘schen Gesetz
unter Verwendung des ‚Classical Least Square‘ CLS Algorithmus zur von CO, CO2 u. H2O
19
Distickstoffoxid Konzentrationsverlauf SCR- Nachkat (WHTC)
N2O- Emissionen bei einer FTIR 5Hz Scan- Geschwindigkeit
10
[ppm]
9
8
7
6
5
N2O
4
3
2
1
0
0.0
300.0
600.0
900.0
1200.0
1500.0
(S)
Probenahme beim FTIR – Fluss von 12 L/min (860hPa) mit Entnahmesonde – ca. 1m beh. Zuleitung
zum HSS Filter System und 8m beheizter (191°C) Transferleitung direkt zum FTIR. /FTIR t10 – t90 = 1.0s/
20
Distickstoffoxid Konzentrationsverlauf SCR- Nachkat (WHTC)
Messung N2O – Konzentrationswerte WHTC- Teilbereich
[ppm]
6
5
(5Hz)
4
N2O
3
2
1
0
55
55
54
54
54
53
53
53
53
52
52
52
51
51
51
50
50
50
50
49
49
4.
7.
0.
3.
6.
9.
2.
5.
8.
1.
4.
7.
0.
3.
6.
9.
2.
5.
8.
1.
4.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
(S)
Probenahme beim FTIR – Fluss von 12 L/min (860hPa) mit Entnahmesonde – ca. 1m beh. Zuleitung
zum HSS Filter System und 8m beheizter (191°C) Transferleitung direkt zum FTIR. /FTIR t10 – t90 = 1.0s/
21
2c. SESAM FTIR zur Analyse von niedrigen Ammoniak (NH3)
Konzentrationen

Überprüfung der Sensitivität bei NH3 [0-10ppm]

NH3 – undefinierter Testverlauf [0-10ppm]

NH3 – WHTC Konzentrationsverlauf – HD Motorentest
NO 2
NOx
Oxi-Kat
NO
O NO 2 N O
2
HNC
Urea DPF SCR
NH
3
N 2O
NO 2
NO
NH3
NO2
N2O
Sperr-Kat
NH
3
22
Überprüfung der Sensitivität bei NH3 [0-10ppm]
Detektionslimits NH3 - Auswertung
[ppm]
10
9
8
7
6
NH3
5
4
3
2
25 Stufen iCal-Gasteiler (64 Steps)
AirLiquide. -Ref.: NH3 [25.21ppm]
1
AVL FTIR-Calib. (Automatik)
SESAM (HY) - Test [0 – 10ppm]
0
0.00

500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
3000.00
3500.00
4000.00
4500.00
(s)
Da die Messgenauigkeit der Analytik mindestens um den Faktor 10 besser als der einzuhaltende
Grenzwert sein sollte, erfüllen nur besondere Spektrometer mit hoher Präzision diese
Anforderungen.
23
Ammoniak - Konzentrationsverlauf [0- 10ppm] nach Kat
NH3- Schlupf – undefinierter Testverlauf Katalysator gemäß EU VI
10
[ppm]
9
(1Hz)
8
7
6
NH3
5
4
3
2
1
0
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
(s)

Filterzuleitung und 8m beheizter (191°C) Transferleitung direkt zum FTIR.
24
Ammoniak Konzentrationsverlauf SCR- Nachkat (WHTC)
NH3 – Sperr - Katalysator Konzentrationswerte gemäß Euro VI
12
(5Hz)
[ppm]
11
10
9
8
7
6
NH3
5
4
3
2
1
0
0.0 0

300 .0 0
6 00 .0 0
9 00 .0 0
1 20 0.00
(s)
1 500 .00
Filterzuleitung und 8m beheizter (191°C) Transferleitung direkt zum FTIR.
25
Zusammenfassung
Zur Abgasmessung bei modernen Motoren mit Abgasnachbehandlung wird
Multikomponentenfähigkeit gefordert!
Differenziert interferenzfreie Quantifizierung von NO2 , NO und NH3 , N2O auch bei
niedrigen (0- 10 ppm) Konzentrationen auf Grund präzisier, nachweisstarker und
schneller Spektrometer in Kombination mit optimierten Auswertemethoden.
Simultane Quantifizierung der limitierten und nicht limitierter Schadstoffverbindungen über den Testzyklus mit einer bis 5Hz schnellen FTIR Messgeschwindigkeit.
Für z.B. Nfz-Motoren EUVI / US 2010-Technologie ein essenzielles Messgerät.
SESAM FTIR erfüllt die zukünftigen Anforderungen CFR 40 EPA § 1065
Potential für die Substitution konventioneller Abgasmessanlagen.
26
AUSBLICK
Auswertemethoden als Erweiterung zu den derzeitigen Kraftstoffen
Typ DIESEL B7
BIODIESEL – B 30 - 100 Methoden mit Auswertung der FAME Absorptionen
(mögliche NH3- Störabsorptionbanden bei FTIR - 1400cm-1 – 1000cm - 1)
DIESEL - Ethanol oder Methanol - Mixturen
Auswertemethoden mit Auswertung der Ethanol - Methanol Absorption!
(mögliche NH3- Störabsorptionbanden beim FTIR – 1150 – 970 cm - 1)
Auswertemethoden zu den derzeitigen Benzin E10 / Ethanol - Kraftstoffen

BENZIN Methode E10 – E20 – für normale Benzinmotoren

ETHANOL Methode (E65- E100) im Speziellen für EU6 (-7°C) Klimarollentests
27
REFERENZEN (einige Kunden)
weltweit 320 Installationen!
28
Danke für Ihre
Aufmerksamkeit!
29
Simultane Feinstaub- und NO2-Minderung - ein Zielkonflikt? - FAD Dresden 24.+25.März 2010
Beate Heller – Zulassung, Fahrzeug-Prüffelder, Prüfmethoden
Volkswagen AG, Wolfsburg
Gliederung
!
Messverfahren zur Bestimmung von NO und NO2
!
Messaufbau am Rollenprüfstand und Probennahme
!
Effekte in der Probennahme die zu Fehlmessungen führen können
!
Umwandlung von NO2 in der Probennahme
!
Messergebnisse mit 3-fach SESAM am SCR-Kat
!
Vergleichsmessungen NOX : Beutelanalyse zu Rohabgas
!
Zusammenfassung
2
CLD (Chemilumineszenz Detektor)
Quelle: AVL, i60 CLD
3
• Abgasprobe wird über Konverter zu NO reduziert
• Reaktion von NO mit Ozon
• Lichtstärke ist Maß für NO-Konzentration
• NO2 wird über Differenzmessung ermittelt
• Messung im verdünnten und unverdünnten
Abgas möglich
• Referenzgerät für NO2 Immissionsmessungen
UV-Spektrometer (LIMAS)
• Messung von NO über UV-Resonanz
• Messung von NO2 über UV-Absorption
• gleichzeitige Messung der Abgaskomponenten
• Messung im verdünnten und unverdünnten
Abgas möglich
• Kalibrierung über interne Küvetten
• LIMAS mit Konverter für US- und EU-Zulassung
anerkannt
Quelle: ABB, LIMAS
4
FTIR (SESAM)
• Messung der Absorption von Abgas im
Infrarotspektrum
• Absorptionsstärke ist Maß für NO- und NO2Konzentration
• gleichzeitige Messung der Abgaskomponenten
• dynamische Messung im unverdünnten Abgas
• Bauteilbewertung der Abgasanlage durch
3-fach Messung möglich
Quelle: Peus-Systems, SESAM
5
Messaufbau am Rollenprüfstand
CVS-Beutel
Konverter
NOx
HC
Luft
Verdünnungstunnel
CVSAnlage
CO
CO2
6
NO/NO2- Messungen im unverdünnten Abgas
CVS-Beutel
Konverter
NOx
HC
Luft
Verdünnungstunnel
Verdünnungstunnel
CVSAnlage
CO
CO2
Volumenmessun
g
Carflow
120°C
180°C
NO
NO2
LIMAS
(UV-Analysator)
SESAM
(FTIR)
NO, NO2 , N2O, NH3 ..
7
Effekte die zu Fehlmessungen führen können
CVS-Beutel
Konverter
NOx
Kondensatbildung im
Abgas
Luft
HC
Verdünnungstunnel
Verdünnungstunnel
CVSAnlage
CO
CO2
Volumenmessung
verrusste
Leitungen
oder
Messgasfilter
Mangelnde
Konditionierung
des
Auspuffsystems
NO
NO2
LIMAS
(UV-Analysator)
Carflow
ungenügend
beheizte
Zuleitungen
und Messgeräte
SESAM
(FTIR)
NO, NO2 , N2O, NH3 ..
8
Reduktion von NO2 zu NO unter Anwesenheit von Ruß
FTIR-Messung von 35 ppm NO2 Prüfgas
über stark verschmutzte Entnahmeleitung (8m, 180°C)
30
25
[ppm]
20
15
10
5
0
-5
0
20
40
60
80
NO2
9
NO
100
120
[s]
140
Wasserkondensation in der Probennahme
120
10
80
5
40
0
0
200
400
H2O berechnet
10
600
H2O_VK gemessen
800
[s]
Istgeschwindigkeit
1000
0
1200
Istgeschwindigkeit [km/h]
[%]
15
Beheizte Probennahme nach DPF
11
Messung der Kat-Effektivität am SCR-System
Konverter
NOx
Luft
Verdünnungstunnel
Volumenmessung
Carflow
Volumensignal
vK SESAM
(FTIR)
12
mK SESAM
(FTIR)
nK SESAM
(FTIR)
CVSAnlage
NO/NO2-Messung vor DPF (Rohemission)
300
45
[ppm]
NO
110 mg/km NOx
200
30
100
15
0
0
200
400
600
NO_VK
13
NO2_VK
800
Vol
1000
[s]
0
1200
Abgasvolumenstrom [l]
NO2
NO/NO2-Messung nach DPF
300
45
[ppm]
NO
110 mg/km NOx
200
30
100
15
0
0
200
400
600
NO_MK
14
NO2_MK
800
Vol
1000
[s]
0
1200
NO2
NO/NO2-Messung nach SCR (Passat BlueTDI)
300
45
[ppm]
NO
45 mg/km NOx
200
30
100
15
0
0
200
400
600
NO2_NK
15
NO_NK
800
Vol
1000
[s]
0
1200
NO2
Konzentrationsvergleich Rohabgas zu verd. Abgas
MW Konzentration Abgas
Rohabgas
verd. Abgas
~ 22 ppm NOx
~2
MW Konzentration Untergr.
----
Messwerte
Temperatur Probennahme
1 Hz
180°C
ppm NOx
~ 0,03 ppm NOx
integral
< 52°C
(im CVS Tunnel)
Probensammlung
8 m beheizte
CVS-Beutel
Leitung
Reaktionszeit bis zur
Analyse
16
<4s
< 15 min
Vergleichsmessungen NOx: Rohabgas zu Beutelanalyse
Relative Standardabweichung der NOx-Emissionen als
Ergebnis von Ringmessungen zwischen 5 Rollenprüfständen:
(hohes NOx-Emissionsniveau)
NOx
CO2
[g/km]
[g/km]
___________________________________________________________________
FTIR Rohabgas
MW + STABW
CVS Beutelanalyse MW + STABW
0,297 + 5,7 %
0,295 + 5,1 %
140 + 2,8 %
140 + 1,4 %
___________________________________________________________________
17
Vergleichsmessungen NOx: Rohabgas zu Beutelanalyse
Relative Standardabweichung der NOx-Emissionen als
Ergebnis von Ringmessungen zwischen 5 Rollenprüfständen:
(niedriges NOx-Emissionsniveau)
NOx
CO2
[g/km]
[g/km]
___________________________________________________________________
FTIR Rohabgas
MW + STABW
0,007 + 47 %
189 + 2,7 %
CVS Beutelanalyse MW + STABW
0,005 + 32 %
189 + 1,2 %
___________________________________________________________________
18
Zusammenfassung
•
Mit Analysegeräten wie FTIR- und UV-Spektrometer
kann das NO/NO2- Verhältnis zwischen den Bauteilen und am
Endrohr des Fahrzeugs bestimmt werden.
•
Die NO2-Messung muss unverdünnt (im Rohabgas) mit möglichst
kurzen, beheizten und russfreien Entnahmeleitungen erfolgen.
(Umwandlung von NO2 zu NO)
•
Wichtig ist die Vermeidung von Kondensatbildung in der Abgasanlage
oder in der Probennahme. (Verlust von NO2 im Kondensat)
•
Die NO2-Emission des Dieselmotors ist nur direkt an
der Quelle quantifizierbar.
19
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
FAD-Workshop in Dresden am 24.und
25.3.2010
Bestimmung der NO2-Emission von mit PMS nachgerüsteten Nutzfahrzeugdieselmotoren
Bestimmung der NO2-Emission von mit PMS
nachgerüsteten Nutzfahrzeugdieselmotoren
Umweltbundesamt
Susanne Witt
[email protected]
25.03.2010
S. Witt
Simultane Feinstaub- und NO2-Minderung – ein Zielkonflikt?
1
Inhalt
• NO2
• Momentane Situation - Imissionen
• Einfluss der Nachrüstung auf die NO2-Emission
• BMU/UBA-Projekt
• Ziel und Verfahrensweise
• Randbedingungen Messvorschrift
• Motorenauswahl
• Zyklenauswahl
• Analyse der Stickstoffoxide
• Berechnungen der Emissionen
• Umsetzung
25.03.2010
S. Witt
2
NO2 – momentane Situation
- Prognose: diese Grenzwerte werden im Jahr 2010 nicht überall eingehalten
- Die Höhe der NO2-Belastung ist sehr stark durch lokale Quellen – insbesondere
den Verkehr – in den Ballungsräumen bestimmt.
-55% der verkehrsnahen
Messstationen überschritten die
NO2-Jahresmittelgrenzwerte des
Jahres 2009
-6 Messstationen: Überschreitung
Grenzwerte der NO2
Stundenmittelwerte
-Im ländlichen, emittentenfernen
Gebieten 10 μg NO2/m3 im
Jahresmittel
25.03.2010
S. Witt
GW
Quelle:UBA
3
NO2 – Projekt – Messvorschrift – Randbedingungen - Umsetzung
- seit dem 1.1.2010 gelten Imssionsgrenzwerte für die
Stickstoffdioxidkonzentration (NO2) in Innenstädten
Einfluss der Nachrüstung von PMS auf NO2-Bildung
- Die Kenntnisse über den NO2-Gehalt im NOx nach PMS an schweren
Nutzfahrzeugmotoren sind gering.
- Der Einsatz von nachgerüsteten PMS kann bis zu 40% NO2 im Gesamt NOx
führen
- Emissionsveränderung bei schweren Nutzfahrzeugen durch Nachrüstung
innerorts*:
10% Nachrüstquote in D bedeuten bis zu +500 t mehr NO2/a;
das entspricht 1,3 % des innerstädtisch durch den Verkehr emittierten NO2
*Bedingungen:TREMOD-Programm, Version 4.17, aus dem Jahre 2006; Innerortsverkehr; 2 Szenarien berücksichtigt: Nachrüstquote von 10% für
schwere Nutzfahrzeuge & Nachrüstquote von 80% für schwere Nutzfahrzeuge angenommen. Es werden schwere Nutzfahrzeuge der Schadstoffklassen
EURO III oder EURO IV berücksichtigt (Annahme); Der Marktanteil von Mercedes-Benz (Daimler-Chrysler) beträgt bei den schweren Nutzfahrzeugen
bundesweit durchschnittlich 27%. Deren empfohlene Nachrüst-Filtersysteme emittieren kein zusätzliches NO2 (KBA-Daten und durch Messung bestätigte
NO2-Neutralität hinsichtlich der NO2-Direktemissionen).
25.03.2010
S. Witt
4
- NO2-Emission nach PMS wird durch die Oxidation von NO gebildet.
Einfluss der Nachrüstung von PMS auf NO2-Bildung
-Zulassung nach Anlage XXVII der StVZO: kein NO2-Grenzwert, NO2-Anteil im
Abgas muss aber bestimmt und angegeben werden
-Viele Systeme führen zu einer Erhöhung der absoluten NO2-Emissionen im
Prüfzyklus
Handlungsbedarf
-Harmonisierte
Messvorschrift
-Informationen
für Käufer,
Kommunen
und Betreiber
25.03.2010
S. Witt
PMS (zugelassen nach Anlage XXVII)
Quelle:KBA
5
BMU/UBA-Projekt
Erfassung der Veränderung der NO2-Emission durch die Nachrüstung von
Dieselmotoren für SNF und mobile Maschinen und Geräte mit PMS
Verfahren:
- Erarbeitung einer Messvorschrift zur Bestimmung von NO2 durch UBA und Partner
aus Industrie und technischen Diensten
- Freiwillige Vermessung der PMS durch die PMS-Hersteller inklusive
Qualitätsüberwachung durch technische Dienste
- Sammlung und Bewertung der Messergebnisse
- Veröffentlichung der Ergebnisse der PMS als Information für die Öffentlichkeit
25.03.2010
S. Witt
6
Ziel:
Einflussfaktoren bei der NO2-Messung
Abgasspender:
Motorauswahl unter Berücksichtigung der
Rohemissionen von NOx, NO2 und HC
Prüfzyklus:
stationärer oder transienter Zyklus
Teilbereich (innerstädtisch) oder gesamter Zyklus
Vorbereitung/ Konditionierung
PMS:
Familienbildung/ Beschichtung
Messung:
Temperaturbereich
Ansprechzeit des Detektors
Entnahmestelle
Online- oder Beutelmessung
Analyse:
25.03.2010
indirekte (CLD) oder direkte Messung (FTIR)
S. Witt
7
Randbedingungen bei der NO2-Messung
- basiert auf Anlage XXVII der StVZO
- Größe des Prüfmotors und die des PMS müssen aufeinander abgestimmt sein
- Motor muss aus dem in der ABE angegebenen Verwendungsbereich für das PMS
stammen
- nach Möglichkeit soll der Motor bereits zur Zulassung nach Anlage XXVII StVZO für
das PMS verwendet worden sein
- die HC- und NO2 Rohemissionen des ausgewählten Motors müssen in bestimmten
Bereichen liegen
Auswahl PMS
- Familienbildung nach Anlage XXVII StVZO
- kleinstes Filtervolumen
- höchster Edelmetallgehalt
25.03.2010
S. Witt
8
Abgasspender/Motorenauswahl
Prüfzyklus
-Tendenz zur NO2-Erhöhung durch PMS sowohl im stationären als auch
transienten Zyklus
Rohemission
Prüfmotor
PMS (zugelassen nach Anlage XXVII)
Quelle:KBA
25.03.2010
S. Witt
9
Prüfzyklus
- In den innerstädtischen Bereichen hohe NO2-Emissionen
- Diese tragen zur Überschreitung von Immissionsgrenzwerte in den Städten bei.
- NO2-Emissionen sind daher unter innerstädtischen Bedingungen zu bestimmen
Æ0-600 s des ETC
Bildquelle:DieselNet
25.03.2010
S. Witt
10
-Chemilumineszenzdetektor (CLD) oder alternativ ein Fourier-TransformationsInfrarotspektrometer (FTIR).
Anforderungen an CLD:
2 parallele Messkammern zur simultanen,
kontinuierlichen Bestimmung von NO und NOx aus einer
Probennahmestelle
beheizt; keine H2O-Dampfquerempfindlichkeit
Anforderung an FTIR:
Simultane Messung von NO, NO2 und NOx
Nachweis der Gleichwertigkeit mit CLD (Abweichung der
absoluten NO2-Messwerte ± 10%)
-Probenahme muss beheizt erfolgen um mögliche Kondensationen und NO2Verlust zu vermeiden
25.03.2010
S. Witt
11
Analytik/Messtechnik
- Messung der Konzentration von NO, NOx- direkt (CLD/FTIR) und NO2 (indirekt:
CLD/ direkt: FTIR) im Abgasstrom
- separate Berechnung der Massendurchsatz (mgas) von NO und NO2 im Abgasstrom
mit den realen Dichten von NO (1,34 g/cm3) und NO2 (2,05 g/cm3)
mgas = ugas × cgas × qmew
ugas...Verhältnis von Dichte
Abgasbestandteil und Dichte
Abgas/Luft
cgas...Konzentration des
Abgasbestandteil
25.03.2010
S. Witt
Diesel
verdünnt
unverdünnt
Ethanol
qmew...Massendurchsatz des
(verdünnten) Abgases
- NOx wird sowohl nach
Ugas-Werte
verdünnt
unverdünnt
NO
NO2
0,001033
0,001587
0,001033
0,001588
0,001047
0,001609
0,001033
0,001588
Berechnung NO und NO2 Emissionen
- Richtlinie 2005/55/EG bestimmt als auch als
- Summe der gemessenen Stickstoffoxide (NOx= NO + NO2)
12
- Prüfzyklus Typ C1 nach ISO 8178-4
- Motoren der EURO II-Klasse SNF einsetzbar als Abgasspender
- Prüfmotor der Abgasstufe II der Richtlinie 97/68/EG kann auch verwendet
werden
- Ablauf der Prüfung, Analytik und Randbedingungen der Messung entsprechen
denen der Nutzfahrzeuge
- Trocknungsanlagen, zur Vortrocknung des Abgases vor dem Analysator, nicht
zugelassen
25.03.2010
S. Witt
13
PMS für mobile Maschinen und Geräte
Zusammenfassung
- Verfahrensentwickelung unter Einbeziehung von Industrie und Technischen
Diensten
- Basiert auf etablierten Messmethoden
- Grundlage bildet Anlage XXVII der StVZO
- Datensammlung und Weitergabe der Daten für Unternehmen freiwillig
- positive Berichterstattung für NO2-arme Systeme:
- Anreiz für Unternehmen, Vorteile im Markt
- Informationen für Kommunen für die Nachrüstung eigener Fuhrparks
25.03.2010
S. Witt
14
- Grundlage für eine Beurteilung der NO2-Veränderung durch ein PMS wird
geschaffen
Vielen Dank an…
…und für Ihre Aufmerksamkeit!
25.03.2010
S. Witt
15
PM [mg/kWh]
Katalytische Beschichtungen für
NO2-optimierte Partikelfiltersysteme
Quelle: Corning
Dr. Jörg Spengler
INTERKAT Katalysatoren GmbH
Dr. Simone Geisler
Dr.-Ing. Barbara Zelenka-Eichler
TWINTEC Technologie GmbH
NO2 [g/kWh]
FAD NO2-Workshop, März 2010
INHALT:
1. Einleitung
2. NO2-optimierte Beschichtungen für passiv regenerierte Filter
3. NO2-optimierte Beschichtungen für aktiv regenerierte Filter
4. Feldtest und Zertifizierung des aktiv regenerierten Filtersystems (TWINgreenactive)
5. Schlussfolgerungen für die Nachrüstung
2
1. Einleitung
PM [mg/kWh]
Gilt der Zielkonflikt Partikel/NO2 auch für beschichtete Partikelfilter ?
Quelle: Corning
NO2 [g/kWh]
3
1.1 Zielkonflikt NO2-Absenkung/Filterfunktionalität
Zielkonflikte für passiv regenerierte Filter:
DPF
• NO2 ↓ ⇔ Betriebsicherheit ↓ (engeres Temperaturfenster)
beschichtet
• NO2 ↓ ⇔ HC-, CO- Schlupf ↑ (geringere Oxidationsaktivität)
beschichteter Filter
Zielkonflikte für aktiv regenerierte Filter:
• NO2 ↓ ⇔ Regenerationshäufigkeit bzw. Kraftstoffverbrauch ↑
(⇨ fehlender Anteil Passivregeneration)
Oxi.
DPF
Kat. beschichtet
HC-Dosierung
katalytischer Brenner
• NO2 ↓ ⇔ Betriebsicherheit ↓ (Zündfähigkeit ↓, Schwefelstabilität ↓)
• NO2 ↓ ⇔ HC-Schlupf bei Regeneration ↑ (geringere Oxidationsaktivität)
Nutzung der Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel (HC-SCR) zur NO2-Minimierung:
• NO2 ↓ ⇔ Lachgas (N2O) ↑ (begrenzte Selektivität der HC-SCR)
• NO2 ↓ ⇔ Kraftstoffverbrauch ↑ (hoher Reduktionsmittelverbrauch)
4
INHALT:
1. Einleitung
5
Strategie zur NO2-Optimierung:
● Effiziente Nutzung des gebildeten NO2 zur Russoxidation
● Optimale Korrelation NO2-Bildung mit Russabbrandverhalten
● Vermeidung der NO2-Bildung unterhalb der benötigten Reaktionstemperatur zur Russoxidation
● Optimale Abstimmung der einzelnen Funktionalitäten
Anforderungen an die Beschichtung:
● Filterbeschichtung mit “einstellbarer” NO2-Bildungscharakteristik
● Filterbeschichtung mit hoher katalytischer Aktivität bzgl. HC- und CO-Oxidation
● Filterbeschichtung mit hoher katalytischer Aktivität bzgl. Russoxidation mit NO2
6
2.1 Regenerationverhalten von passiven Filtersystemen
[CO2] / [ a. u. ]
Ruß
Ruß + Al2O3
Ruß + Kat.
Temperatur programmierte Oxidation:
• Modellruss
• 4,5 % NO2 in Luft
• Heizrate: 10 K/min
100
200
300
400
500
600
700
800
Temperatur / [ °C ]
Ergebnisse:
➢ Russoxidation mit NO2 benötigt Temperaturen größer 250 °C
➢ Russoxidation mit NO2 kann durch entsprechende Beschichtung katalysiert werden
➢ Effiziente Nutzung des NO2 für die Russoxidation erfordert katalytisch beschichteten Filter
7
2.2 Korrelation von NO2-Bildung und Filterregeneration
Charakterisierung der NO2-Bildung
Rußabbrandverhalten in 4,5 % NO2/Luft
Beschichtung A
Beschichtung B
Beschichtung C
Al2O3
[NO2] / [ a.u.]
[CO2] / [ a. u. ]
Beschichtung A
Beschichtung B
Beschichtung C
100
200
300
400
500
100
200
300
400
500
600
700
800
Ergebnisse:
➢ Filterbeschichtung A hat die höchste Aktivität bzgl. Russabbrand via NO2
➢ Filterbeschichtung A zeigt beste Korrelation von NO2-Bildung und Abbrandverhalten
➢ Reduktion der NO2-Emissionen bis zu 50 % im Vergleich zu Standard-CRT-System möglich
➢ Katalysierter Partikelfilter mit NO2-optimierter Beschichtung zeigt größtes Potential
8
INHALT:
1. Einleitung
9
Strategie zur NO2-Optimierung:
● Gezieltes NO2-Management innerhalb des kompletten Filtersystems
● Optimierung des Zielkonfliktes Systemfunktionalität / NO2-Bildungspotential
● Effiziente Nutzung der Russoxidation mit O2 für T > 400 °C
● Optimale Abstimmung der einzelnen Komponenten im Gesamtsystem
Anforderungen an die Beschichtung:
● Exothermiekatalysator mit möglichst geringem NO2-Bildungspotential und gleichzeitig
● Exothermiekatalysator mit hoher Aktivität bzgl. HC und CO-Oxidation
● Filterbeschichtung mit geringem NO2-Bildungspotential
● Filterbeschichtung mit hoher katalytischer Aktivität bzgl. Russoxidation mit O2
10
3.1 Beschichtungsentwicklung für aktiv regenerierte Filter
Beschichtungsentwicklung Exothermiekat
Beschichtungsentwicklung Filter (aktiv)
100
100
CO + 1/2 O2
90
conversion [%]
60
DOC
DOC 3
50
40
50
40
20
20
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Tv [°C]
450
10
NO2
500
DPF 1
60
30
NO + 1/2 O2
DPF 2
DPF
70
30
10
550
CO 2
DPF 3
80
DOC 2
70
CO + 1/2 O 2
90
DOC 1
80
conversion [%]
CO2
NO + 1/2 O 2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
NO 2
500
550
T v [°C]
Ergebnisse (DOC und DPF):
➢ NO2-Bildungsrate kann je nach Anforderung angepasst werden (DOC/DPF)
➢ Exothermiekat mit geringerem NO2-Bildungspotential und hoher HC-,CO-Aktivität ist darstellbar
➢ Katalytisch aktive Filterbeschichtung mit geringem NO2-Bildungspotential ist darstellbar
11
3.2 NO2-Screening verschiedener Varianten am Motorenprüfstand
60
3 L DI/TCI Dieselmotor (EU4)
50
NO2/NOx (%)
50
40
45
DOC1/DPF1: hohes NO2-Bildungspotential
DOC2/DPF2: mittleres NO2-Bildungspotential
DOC3/DPF3: geringes NO2-Bildungspotential
30
20
20
15
12.5
10
DOC1+DPF1
(ohne SCR)
CRT-System
DOC3+DPF3
DOC2+DPF2
DOC2+
Unb. DPF
engine-out
0
DOC1+DPF1
(mit SCR)
4
4
➢ Reduktion der NO2-Emissionen um mehr als 50 % bezogen auf ein Standard-CRT-System möglich
12
3.3 Regenerationsverhalten verschiedener Varianten am Motorenprüfstand
HC-Emissionen während der ativen Regeneration
Motor: 4 Zyl. 2.8 l DI/TCI (78 kW)
DOC2/DPF2
HC-Emissionen
DOC3/DPF3
Ergebnisse:
➢ HC-Schlupf während Regeneration
begrenzt Potential für NO2-Minimierung
➢ Optimale Auslegung eines aktiven
Filtersystems bedarf einer aufwendigen
Abstimmung der Einzelkomponenten
➢ TWINgreenactive (Fa. Twintec)
0
200
400
0
200
400
Zeit [s]
13
INHALT:
1. Einleitung
14
4.1 Feldtest von TWINgreenactive im Fiat Ducato
Turbolader
HC-Dosierung
Motor: IVECO 8140.43S
2.8L, 92 kW
EU II
GVW 3.5 t
DOC: Ø5.66“ x 4“
DPF: Ø5.66“ x 10“
DPF
DOC
vor DOC: p, T
nach DPF: p
hinter DOC: T
15
4.2 Zertifizierung von TWINgreenactive
(Beispiel: EU II – Anlage XXVII)
Motor: 4 Zyl. 2.8 l DI/TCI (78 kW)
NO2/NOx
%
NOx
g/kWh
10
30
28.3
CO
HC
g/kWh
g/kWh
1.5
0.20
0.25
8
850
0.20
0.15
800
1.0
20
6
0.15
0
0
0
- 97%
0.05
2
0.5
- 92%
10
+0.8%
0.10
9.0
- 82%
4
750
0.10
- 95%
14.6
0
CO2
g/kWh
particulates
g/kWh
700
0.05
-97%
0
650
engine-out
DOC3/DPF3 (25 ETC - gewichtet) > geringes NO2-Bildungspotential
DOC2/DPF2 (25 ETC - gewichtet) > mittleres NO2-Bildungspotential
16
INHALT:
1. Einleitung
17
➢ Nachrüstung von Fahrzeugen mit Partikelfiltern die bereits Dieseloxidationskatalysatoren
besitzen, reduziert die NO2-Emissionen (z.B. PKW-Nachrüstung)
➢ Für die Nachrüstung von Fahrzeugen ohne Dieseloxidationskatalysator sind
betriebssichere Partikelfilter mit einer begrenzten Reduktion der NO2- Emissionen
gegenüber herkömmlichen CRT-Systemen darstellbar
➢ Weder aktiv noch passiv regenerierte Filtersysteme auf Basis katalytischer Beschichtungen können ohne schwerwiegende Nachteile NO2-neutral dargestellt werden
➢ Eine nachhaltige Lösung bietet nur die Reduktion von NOx (NO, NO2) mit Hilfe der
selektiven katalytischen Reduktion (SCR)
(Atmosphärenchemie: NO + O3 Ù NO2 + O2)
18
Vortrag „Umweltzone für bessere Luft“ (2010) von Bernd Lehming:
„ 40 bis 60 % des NO werden in der Stadt zu NO2 umgewandelt
→ weniger NO = weniger NO2 !“
19
Dr. Jörg Spengler
Dr. Simone Geisler
Dr.-Ing. Barbara Zelenka-Eichler
TWINTEC Technologie GmbH
(Bild: Darstellung einer Interkat-Beschichtung für
Nebenstromfilter auf Vliesbasis)
Herzlichen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit!
20
Simultane Feinstaub- und NO2-Minderung
- ein Zielkonflikt?
Workshop des Förderkreises Abgasnachbehandlungstechnologien
für Dieselmotoren (FAD) e. V.
in Zusammenarbeit mit dem Umweltbundesamt
am 24. und 25. März 2010 in Dresden
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
Ursachen und zukünftige Entwicklung
der NO2-Belastung –
-1-
Ergebnisse aktueller Analysen
für Baden-Württemberg
Frank Dünnebeil, Udo Lambrecht, Alexander Schacht
ifeu – Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH
Unter Mitarbeit von
Christoph Kessler, AVISO
Übersicht
Aktuelle Situation in Deutschland und in Baden-Württemberg
Ursachen der NO2-Belastung an verkehrsnahen Messstationen
Lokale NOx- und NO2-Emissionen an den
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
untersuchten Messstationen
-2-
Quellenaufteilung der NO2-Konzentrationen im Jahr 2008
Entwicklung der zukünftigen NO2-Belastung
an den untersuchten Messstationen
Luftqualitätsgrenzwerte für Stickstoffdioxid NO2
Ab 2010 gelten die in der 1. Tochterrichtlinie (1999/30/EG) zum
Gesundheitsschutz festgelegten Luftqualitäts-Grenzwerte für
Stickstoffdioxid (NO2):
• Jahresmittelwert: 40 µg/m³
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
• Ein-Stunden-Mittelwert von 200 µg/m³ darf nicht
mehr als 18-mal im Jahr überschritten werden.
-3-
Unter bestimmten Bedingungen ist eine Verlängerung der Frist der
Einhaltung der Grenzwerte bis zum Jahr 2015 möglich (2008/50/EG).
Frank Dünnebeil
100
80
60
0
Stuttgart Am Neckartor
Stuttgart Hohenheimer
Reutlingen Lederstraße Ost
München/Landshuter Allee
Tübingen Mühlstraße (S)
München/Prinzregentenstra
Ludwigsburg Friedrichstraße
Stuttgart-Mitte-Straße
München/Stachus
Düsseldorf Corneliusstr.
Hamburg Max-Brauer-Allee
Hagen Graf-v.Galen-Ring
Freiburg Schwarzwaldstraße
Leonberg Grabenstraße (S)
Köln Clevischer Ring 3
Darmstadt-Hügelstraße
Hamburg Stresemannstraße
Pleidelsheim Beihinger
München/LuiseHerrenberg Hindenburger
Hamburg Habichtstraße
Münster Weseler Straße
Frankfurt-Friedb.Ldstr.
B Hardenbergplatz
Wuppertal Gathe
Dortmund Brackeler Str.
Kiel-Bahnhofstr. Verk.
Hannover Verkehr
B Neukölln-Karl-Marx-Str.
Itzehoe Lindenstr.
Hamburg Kieler Straße
Cherbourger Straße
Nürnberg/Von-der-TannOsnabrück-Verkehr
Aachen Wilhelmstr.
Halle (Westfalen) Lange Str.
Wiesbaden-Ringkirche
Braunschweig-Verkehr
Heidenheim Wilhelmstraße
Kassel-Fünffenster-Str.
Rostock Am Strande
Augsburg/Karlstraße
Mainz-Parcusstraße
Hürth Luxemburger Straße
Dresden-Bergstr.
Burgdorf-Verkehr
Karlsruhe-Straße
Mannheim-Straße
Chemnitz-Leipziger Str.
Marburg-Univers.Straße
Köln Turiner Straße
B Neukölln-Silbersteinstr.
Ludwigshafen-Heinigstraße
B Steglitz-Schildhornstr.
Essen Gladbecker Str.
Fulda-Petersberger Str.
Recklinghausen Bochumer
Dortmund Steinstr.
Oberaudorf/Inntal-Autobahn
Barbis-Verkehr
Gießen-Westanlage
Potsdam, Großbeerenstr.
Markgröningen
Essen-Ost Steeler Str.
Leipzig-Mitte
Koblenz-Hohenfelder Straße
Frankfurt-Höchst
Bremen Verkehr 1
Freiburg Zähringer Straße
Augsburg/Königsplatz
Leipzig Lützner Str.
Duisburg Kardinal-GalenB Friedrichshain-Frankfurter
Würzburg/Stadtring Süd
Potsdam Zeppelinstr.
Regensburg/Rathaus
Magdeburg/Damaschkeplatz
Magdeburg/Reuterallee
Saarbrücken-Verkehr
Heppenheim-Lehrstraße
Stuttgart-Zuffenhausen
Bielefeld Stapenhorststr.59
Pinneberg Damm
Gevelsberg Hagener Str.
Mainz-Rheinallee
Reinheim
Göttingen-Verkehr
Lübeck Gr. Burgstr.
Mainz-Große Langgasse
-4-
NO2-JMW in µg/m³
www.ifeu.de
Überschreitung des ab 2010 geltenden NO2-Luftqualitätsgrenzwerts
NO2-Immissionen in Deutschland 2008 - Stationen mit
Jahresmittelwert über dem ab 2010 geltenden Grenzwert von 40 µg/m³
120
Insgesamt 89 Stationen lagen 2008 über dem Grenzwert 2010.
Ca. die Hälfte aller verkehrsnahen Messstationen betroffen.
NO2-Grenzwert ab 2010:
40 µg/m³ im Jahresmittel
40
20
Entwicklung von NOx-Emissionen und -Konzentrationen
NOx-Innerorts-Emissionen des
Straßenverkehrs in Deutschland
350
240
Busse
Lkw > 3,5t
Leichte Nutzfahrzeuge
Diesel-Pkw
Otto-Pkw
Motorisierte Zweiräder
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
250
200
160
µg/m³
Kilotonnen/Jahr
300
-5-
NOx-Konzentrationen an VerkehrsMessstationen in Baden-Württemberg
200
120
150
80
100
40
50
0
1995
IFEU 2010
1997
1999
Quelle: TREMOD 2010
2001
2003
2005
2007
2009
0
1995
1997
1999
Quelle: LUBW 2010
2001
2003
2005
2007
2009
Entwicklung von NOx-Emissionen und -Konzentrationen
NOx-Innerorts-Emissionen des
Straßenverkehrs in Deutschland
240
350
Busse
Lkw > 3,5t
Leichte Nutzfahrzeuge
Diesel-Pkw
Otto-Pkw
Motorisierte Zweiräder
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
250
NO
NO2
200
160
µg/m³
Kilotonnen/Jahr
300
-6-
NOx-Konzentrationen an VerkehrsMessstationen in Baden-Württemberg
200
120
150
80
100
40
50
0
1995
IFEU 2010
1997
1999
Quelle: IFEU 2010
2001
2003
2005
2007
2009
0
1995
1997
1999
Quelle: LUBW 2010
2001
2003
2005
2007
2009
NO2-Luftbelastung in Baden-Württemberg
NO2-Jahresmittelwerte an Verkehrs- und
Spotmessstationen in Baden-Württemberg
140
NO2 in µg/m³
120
100
www.ifeu.de
Frank Dünnebeil
zahlreiche straßennahe
Messstationen mit Überschreitung
des ab 2010 geltenden NO2Jahresgrenzwerts.
80
Sehr unterschiedliche Höhe und
60
40
-7-
Auch in Baden-Württemberg
NO2-Grenzwert ab 2010
Verlauf der NO2-Konzentration
in den vergangenen Jahren.
20
0
1995
1998
2001
2004
2007
Stuttgart Neckartor (Spotmessung)
Freiburg Schwarzwaldstraße
Stuttgart-Mitte-Straße
Karlsruhe-Straße
Mannheim-Straße
Stuttgart Siemensstr. (Spotmessung)
Stuttgart Hohenheimer Straße (Spotmessung)
Ludwigsburg Friedrichstraße (Spotmessung)
Schwäbisch Gmünd (Spotmessung)
Pleidelsheim (Spotmessung)
Grundlage fü
für die Ableitung
geeigneter Maß
Maßnahmen ist die
Kenntnis
der Ursachen der NO2-Belastung
und deren zukü
zukünftiger Entwicklung
Ursachen der NO2-Belastungen
Zur NO2-Immission tragen bei:
Lokaler Verkehr
Ozon
NO-Emission
(lokaler Verkehr)
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
NO2-Emission
(lokaler Verkehr)
-8-
NO2
Luftchemie
NO
NO22
Primäre
Primäre
Emission
Emission
NO-Emissionen
tragen nach Reaktion mit Ozon
zur NO2-Konzentration bei
Beitrag
lokaler
Verkehr
NO
NO2
andere
Quellen
Städtischer
Städtischer
Hintergrund
Hintergrund
IFEU 2010
NO + O3
NO2 + O2
„photochemisches Gleichgewicht“
Primäre NO2-Emissionen
tragen direkt zur NO2-Konzentration bei
Zunahme der NO2/NOx –Verhältnisse
im Abgas der Diesel-Kfz
Zunahme der Diesel-Pkw
Hintergrundbelastung
Emissionen anderer Quellen
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
Ermittlung der
NOx- und NO2-Emissionen
-9-
Verkehrsdaten
Stündliche Verkehrsbelastung (Kfz/h) für das gesamte Jahr 2008 für
differenziert nach Pkw, LNF und Lkw
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
- Stuttgart-Neckartor,
- Freiburg-Schwarzwaldstr.
- Karlsruhe R.-Frank-Str.
- 10 -
Beispiel Stuttgart-Neckartor
Beispiel Freiburg
Stuttgart-Mitte: Modellierung Tagesgang auf Basis von Zähldaten
für Pkw, Zweiräder und Schwerverkehr (Kfz >3,5t) sowie
Fahrplaninformationen zum Linienbusverkehr.
NOx- und NO2-Emissionsfaktoren
1,0
0,9
Emissionsfaktoren Otto- und Diesel-Pkw
Beispielsituation
0,8
0,7
=> Zuordnung stations- und situationsspezifisch
(Straßenfunktion, Geschwindigkeit, Verkehrsfluss, Belastung)
NO
NOxx
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
NOx (g/km)
0,6
- 11 -
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
NO22
0,0
Euro-0 Euro-1 Euro-2 Euro-3 Euro-4 Euro-5 Euro-6 Euro-0 Euro-1 Euro-2 Euro-3 Euro-4 Euro-5 Euro-6
Otto-Pkw
Otto-Pkw
Diesel-Pkw
Diesel-Pkw
Verkehrsaufkommen, NOx- & NO2-Emissionen im Jahr 2008
Verkehrsaufkommen
NOx-Emissionen
40
80.000
Bus
Lkw
LNF
Pkw
72.000
70.000
Kfz/d
40.000
www.ifeu.de
24.900
kg/km/d
48.400
30.000
34
35
7
25
20
12
3
2
10.000
5
1
0
Freiburg- Karlsruhe- StuttgartSchwarz- R.FrankMitte
waldstr.
Straße
IFEU 2010 im Auftrag des UM Baden-Württemberg
5,6
4
10
StuttgartNeckartor
7,1
5
20.000
0
6,5
6
15
Bus
Lkw
LNF
Pkw
32
30
54.400
50.000
Frank Dünnebeil
35
8
Bus
Lkw
LNF
Pkw
kg/km/d
60.000
- 12 -
NO2-Emissionen
2,5
0
StuttgartNeckartor
waldstr.
Straße
StuttgartNeckartor
FreiburgSchwarzwaldstr.
KarlsruheR.FrankStraße
StuttgartMitte
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
Quellenaufteilung der
NO2-Konzentrationen 2008
- 13 -
Quellenaufteilung der NO2-Konzentrationen - Methodik
1.) Anteil von primärem NO2 im
lokalen NOx-Beitrag anhand NO2/NOxEmissionsverhältnissen
2.) Zurechnung von
primärem und luftchem.
NO2 zu Kfz-Kategorien
3.) Zusammenfassung der
lokalen NO2-Beiträge jeder KfzKategorie
Lkw
lokaler
Beitrag
LNF
lokaler
Beitrag
Lkw primär
NO2
primär
Pkw primär
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
NO2
lokaler
Beitrag
- 14 -
LNF primär
Lkw luftchem.
NO2
luftchem.
Pkw
lokaler
Beitrag
LNF luftchem.
Pkw luftchem.
NO2
städt. HG
NO2
städt. HG
NO2
städt. HG
IFEU 2010
NO2
städt. HG
Zusammensetzung der lokalen NO2-Belastung 2008
Beiträge zur NO2-Belastung im Jahresmittel
Beiträge zur NO2-Belastung im Jahresmittel
120
120
Primäres NO2
110
Luftchem. NO2
100
100
Städt. Hintergrund
90
Frank Dünnebeil
90
50,3
Lokaler Verkehr
70
60
25,4
25,8
50
40
23,8
25,7
30
20
16,6
33,1
20,2
22,5
4,7
80
1,7
70
60
56,0
16,7
3,8
50
1,9
1,9
24,7
40
20
11,9
4,2
29,2
27,9
20,2
22,5
33,1
10
33,1
0
0
StuttgartNeckartor
waldstr.
Str.
- 15 -
13,4
30
14,2
33,1
10
17,4
NO2 in µg/m³
NO2 in µg/m³
www.ifeu.de
80
Bus lokal
Lkw lokal
LNF lokal
Pkw lokal
Städt. Hintergrund
110
StuttgartNeckartor
waldstr.
Str.
www.ifeu.de
Frank Dünnebeil
- 16 -
Ermittlung der
zukünftigen NO2-Belastung
an den ausgewählten Stationen
Modellierung von NO2-Immissionen mit einem Chemie-Boxmodell
Modellierung der NO2H
wind
outflow
W
Stundenfeine Berechnung der
NO2-, NO- & Ozonkonzentration
www.ifeu.de
street
Frank Dünnebeil
an den vier Messstationen
für 2008, 2010, 2015 und 2020
inflow
- 17 -
Konzentrationen mit dem
Chemie-Boxmodell von AVISO
Chemie-Boxmodell (AVISO)
AACHENER-VERKEHRS-INGENIEUR-SOZIETÄT
- Windgeschwindigkeit und Temperatur
- Emissionen von NO, NO2,
- RADM2: 59 Substanzen, 161
Reaktionen (21 photolytisch, 140
thermisch)
Eingangsdaten
NO- u. NO2-Emissionen des
lokalen Verkehrs,
Hintergrundkonzentration von
NO, NO2, Ozon
Emissionsentwicklung 2008-2020
NOx-Emissionen lokaler Verkehr
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-62%
-49%
kg/km/d
-55%
x
Bus
Lkw
LNF
Pkw
2008
2010
2015
2020
2008
2010
2015
2020
2008
FreiburgSchwarzwaldstraße
2010
2015
2020
2008
KarlsruheReinhold-Frank-Straße
2010
2015
2020
StuttgartMitte
NO2-Emissionen lokaler Verkehr
2
kg/km/d
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
StuttgartNeckartor
- 18 -
-54%
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-36%
-37%
-31%
-47%
Bus
Lkw
LNF
Pkw
2008
2010
2015
StuttgartNeckartor
2020
2008
2010
2015
2020
2008
2010
2015
2020
KarlsruheReinhold-Frank-Straße
2008
2010
2015
StuttgartMitte
2020
NO2-Konzentrationen – Jahresmittelwerte 2008-2020
160
-37%
-37%
-45%
µg/m³ NO2
140
Beitrag lokaler Verkehr
Städtischer Hintergrund
120 109 109
100
NO2-Jahresgrenzwert
ab 2010
93
80
69
73
www.ifeu.de
Frank Dünnebeil
77 74
69
55
60
- 19 -
-42%
59
52 50
40
40
42
45
33
20
0
2008 2010 2015 2020
2008 2010 2015 2020
2008 2010 2015 2020
2008 2010 2015 2020
StuttgartNeckartor
Karlsruhe
Reinhold-FrankStraße
StuttgartMitte
Beiträge der Kfz-Kategorien zu den NO2-Konzentrationen 2008-2020
120
µg/m³ NO2
100
13 12
5 5
80
60
Bus
Lkw
LNF
Pkw
8
5
4
3
58 61
56
41
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
40
- 20 -
2
2
16 14
4 4
1
8
4
30 30
13 12
4 4
2 2
2
1
1
5
3
29
20
NO2-Jahresgrenzwert
ab 2010
2
1
26 26
24 25
1
24
1
8
3
2
4
2
23 1
17
22
17
20 19
13 10
23 21
16 14
2008 2010 2015 2020
2008 2010 2015 2020
2008 2010 2015 2020
2008 2010 2015 2020
StuttgartNeckartor
Karlsruhe
Reinhold-FrankStraße
StuttgartMitte
33 31
24 21
0
33 31
24 21
kg/km/d
Wie hoch ist die Belastung bei lokaler Euro-6/VI-Flotte?
40
35
30
25
20
15
10
5
0
NOx-Emissionen Stuttgart Neckartor
120
-41%
-55%
NO2-Konzentrationen Stuttgart-Neckartor
100
µg/m³ NO2
13
12
5
5
Lkw lokal
LNF lokal
Pkw lokal
8
5
80
2008
Pkw+MZR
2010
2015
LNF
2020
Lkw
Bus
Euro
6/VI
58
60
4
61
NO2-Jahresgrenzwert
3
- 21 -
NO2-Emissionen Stuttgart Neckartor
kg/km/d
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
56
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
41
40
-45%
-36
22
25
20
33
31
24
21
21
2015
2020
Euro 6/VI
0
2008
2008
Pkw+MZR
2010
2015
LNF
2020
Lkw
Bus
Euro
6/VI
2010
Fazit I – Ursachen der NO2-Belastung im Jahr 2008
Der lokale Verkehr trägt durch seine Emissionen den größten Teil zu
den hohen NO2-Konzentrationen an verkehrsnahen Messstationen bei.
Die Menge der lokalen NO- und NO2-Emissionen hängt entscheidend
von Verkehrsmenge UND Verkehrszusammensetzung ab.
An den untersuchten Messstationen trugen sowohl primäres als auch
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
luftchemisch gebildetes NO2 aus dem lokalen Verkehr relevant zur
NO2-Gesamtimmission bei.
- 22 -
Die Hintergrundbelastung hatte ebenfalls einen relevanten Anteil
an der NO2-Gesamtimmission.
Der Pkw-Verkehr war an allen Stationen Hauptverursacher
des lokalen Verkehrsbeitrags.
Je nach lokaler Verkehrsituation hatten auch Lkw oder Busse einen
relevanten Anteil an der NO2-Belastung.
Fazit II – Zukünftige Entwicklung der NO2-Konzentrationen
Die NOx-Emissionen werden bis zum Jahr 2020 um > 50% abnehmen.
Die Minderungen sind im Schwerverkehr (Lkw, Bus) stärker als bei Pkw.
Die NO2-Emissionen nehmen erst nach 2010 ab. Starke Minderungen
gibt es insbesondere im Pkw-Verkehr erst nach dem Jahr 2015.
Bis zum Jahr 2015 wird im Trendszenario der NO2-Luftqualitätsgrenz-
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
wert an der Station Karlsruhe - Reinhold-Frank-Str. nahezu erreicht
– an den anderen Stationen deutlich überschritten.
- 23 -
Im Jahr 2020 wird der NO2-Grenzwert im Trendszenario auch in
Freiburg erreicht. An den Stuttgarter Stationen wird der Grenzwert
auch bis 2020 nicht erreicht.
Auch unter der Annahme, dass der lokale Kfz-Verkehr vollständig aus
Euro 6/VI-Fahrzeugen besteht, liegt bei ansonsten gleichen
Bedingungen (Verkehrsaufkommen, Hintergrundbelastung) die NO2Belastung bei Stuttgart-Neckartor oberhalb des Grenzwertes.
Vielen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit!
Aufmerksamkeit!
Frank Dünnebeil
www.ifeu.de
und vielen Dank an
- 24 -
Frank Dünnebeil
[email protected]
Udo Lambrecht
Alexander Schacht
[email protected]
Christoph Kessler
[email protected]
[email protected]
Weitere Informationen & Download der Studie:
Studie
www.ifeu.de/NO2
Dieselruß, NO und NO2-Grenzwerte und
die Expositionssituation am Arbeitsplatz
Dirk Dahmann, Bochum
Exposition am Arbeitsplatz, Dahmann
26.03.2010
Inhalt
Vorbemerkung
Grenzwerte am Arbeitsplatz in Deutschland
AGW (Arbeitsplatz-Grenzwerte)
Grenzwertentstehung in Deutschland
Expositionssituation im untertägigen Kali- und Steinsalzbergbau
Ergebnisse von Studien
Reaktionen der Grenzwertsetzenden Organe
Konsequenzen für die Praxis – künftige Entwicklung
26.03.2010
Seite 2
Vorbemerkung
Die neue TRGS 554 „Abgase von Dieselmotoren“ (2009):
Abgase von Dieselmotoren
Partikelanteil
Gasanteil
Dieselmotoremissionen (DME)
stets auftretende relevante
Gasanteile
elementarer Kohlenstoff (EC) des
Partikelanteils
(CO, CO2, NO, NO2)
Gasanteile durch
Abgasnachbehandlung
(z.B. NH3, N2O)
26.03.2010
Seite 3
Scope dieses Vortrages:
Wie ist die Expositions-Situation in den höchstbelasteten
Arbeitsbereichen der BG RCI?
Besteht ein Gesundheitsrisiko?
Wie ist die Entwicklung mittelfristig zu bewerten?
Nicht: Welche Auswirkungen hat das auf die
Abgasreinigungstechnik?
26.03.2010
Seite 4
Grenzwertkategorien:

Grenzwerte können „sichere Bedingungen“ definieren.
In Deutschland AGW (Arbeitsplatzgrenzwerte, „gesundheitsbasiert“).

Grenzwerte können beschreiben, was bei derzeitigen technischen
Möglichkeiten „machbar ist“.
In Deutschland sind derartige Werte seit 2005 nicht mehr existent. („TRK“ sind
abgeschafft! „technisch basiert“)
Damit entfällt der TRK-Wert als relevante Entscheidungsgrundlage.
Allerdings muss der „Stand der Technik“ nach wie vor erfüllt werden.
26.03.2010
Seite 5
Grenzwerte: AGW
GefStoffV: § 3 Begriffsbestimmungen
(6) Der „Arbeitsplatzgrenzwert" ist der Grenzwert für die zeitlich gewichtete
durchschnittliche Konzentration eines Stoffes in der Luft am Arbeitsplatz in
Bezug auf einen gegebenen Referenzzeitraum. Er gibt an, ab welcher
Konzentration eines Stoffes, akute oder chronische schädliche Auswirkungen
auf die Gesundheit im Allgemeinen nicht zu erwarten sind.
TRGS 900: 1 Begriffsbestimmungen und Erläuterungen
(2) Arbeitsplatzgrenzwerte sind Schichtmittelwerte bei in der Regel täglich
achtstündiger Exposition an 5 Tagen pro Woche während der Lebensarbeitszeit.
Expositionsspitzen während einer Schicht werden entsprechend Nummer 2.3
mit Kurzzeitwerten beurteilt (Anmerkung: in der Regel als 15 Minuten
Mittelwerte).
26.03.2010
Seite 6
Derzeit aktuelle „Grenzwertlage“ unter Tage
Komponente
Aktueller
AGW
Früherer Grenzwert
Herkunft/Nennung
/Bemerkungen
Salzstaub
- (nicht
limitiert)
- (nicht limitiert)
TRGS 900
Dieselruß
-
0,3 mg/m³ (TRK)
Krebserzeugend
Stickstoffdioxid
-
5 ml/m³ (ppm)
(MAK)
Deutschland
Stickstoffmonoxid -
25 ml/m³ (ppm)
(MAK)
EU
Kohlenmonoxid
30 ml/m³ (ppm)
(MAK)
Deutschland
30 ml/m³
Zu beachten: Allgemeiner Staubgrenzwert für A- und E-Staub für den nicht
löslichen Staubanteil nach GefStoffV bzw. für den A-Staub nach GesBergV
Grenzwerte und Europa
Deutschland (GefStoffV):
• Der Arbeitsplatzgrenzwert …gibt an, bei welcher Konzentration eines Stoffes
akute oder chronische schädliche Auswirkungen auf die Gesundheit im
allgemeinen nicht zu erwarten sind.
EU (98/24/EWG):
• Im Sinne dieser Richtlinie bezeichnet der Ausdruck … „Arbeitsplatzgrenzwert“
… den Grenzwert für … die Konzentration eines chemischen Arbeitsstoffs in
der Luft im Atembereich eines Arbeitnehmers … .
• Diese Grenzwerte werden gemäß dem Verfahren des Artikels 17 der Richtlinie
89/391/EWG unter Berücksichtigung der verfügbaren Meßtechniken festgelegt
oder geändert.
Zusammenhang EU - Deutschland
„Binding Limit Values“ der EU müssen 1:1 übernommen werden.
„Indicative Limit Values“ der EU sind Richtwerte, von denen die
Nationalstaaten begründet abweichen können!
Der Vorschlag zu beiden kommt vom Scientific Committee on
Occupational Exposure Limits (SCOEL), das rein (medizinisch-)
wissenschaftlich begründete Werte aufstellt.
Anschließend wird nach einem internen Abstimmungsprozess der
EU der Vorschlag in einer Richtlinie veröffentlicht.
Aktueller Grenzwert-Diskussionsstand der EU
Für Ruß bestehen derzeit offensichtlich keine Überlegungen im
Hinblick auf einen Grenzwert.
Für NO liegt mit Kommissionsvorschlag aus 2004 der Vorschlag
auf einen neuen Grenzwert in Höhe von 1 ppm vor.
Für NO2 liegt die SCOEL Empfehlung aus dem Jahr 2008 bei 0,2
ppm.
In Deutschland (Bergbau, Tunnelbau, aber auch Schweißen und
Schneiden) bestanden durchaus Erkenntnisse auf eine
abweichende Expositionslage.
26.03.2010
Seite 10
Was tun?
Wissenschaftliche Kritik an den verwendeten Studien
Wurde gemacht, kann aber publizierte Daten nicht wirklich entkräften!
Zusage an die EU, im untertägigen Bergbau eigene Studien
durchzuführen.
Parallel Messung der Exposition der Beschäftigten in Betrieben, die dem
Stand der Technik entsprechen und
Medizinische Untersuchung möglichst der kompletten entsprechenden
Belegschaften im Hinblick auf ihre Lungenfunktion
Publikation der Ergebnisse nach den „international anerkannten Spielregeln“
(peer reviewed paper).
26.03.2010
Seite 11
Die Studie
Partner:
• K plus S AG (insbesondere die Werke Zielitz und Hattorf)
• Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, BAuA, Berlin
(Durchführung der medizinischen Untersuchungen und der
Epidemiologie)
• IGF (Durchführung der Expositionsermittlung für die genannten
Komponenten im Auftrag der BAuA)
Layout:
• Längsschnittstudie in den beiden Werken (jeweils zwei
Kompletterhebungen im Abstand von etwa 5 Jahren, um individuelle
Veränderungen erkennen zu können)
26.03.2010
Seite 12
Die Studie - Publikation
Dahmann, et al. „Exposure assessment in German potash
mining”, Int Arch Occup Environ Health (2007) 81:95–107
Lotz, et al. „Dose–response relationships between
occupational exposure to potash, diesel exhaust and
nitrogen oxides and lung function: cross-sectional and
longitudinal study in two salt mines”, Int Arch Occup Environ
Health (2008)
26.03.2010
Seite 13
Die Studie
Einige Zahlen:
• 4 Messkampagnen mit jeweils mehreren Wochen (1994/95, 1999,
2000, 2003)
• Fast 3000 Schichtmessergebnisse wurden insgesamt erhoben.
• Insgesamt 840 Bergleute wurden untersucht, 568 von ihnen
zweimal.
• Die Studie ist inzwischen (Ende 2007) mit dem gewünschten
Qualitätslevel publiziert
• Expositionsdaten (IGF und K plus S AG)
• Medizinische Daten und Epidemiologie (BAuA)
26.03.2010
Seite 14
Die verwendete Messtechnik:
Komponente
Verfahren
Validitätskategorie
Bemerkung
Nachweisgrenze
NO
Multiwarn
o
Querempf. CO,
Messbereich
1 ppm
NO
Chemolum.
++
Nicht praxistaugl.
0,002 ppm
NO2
Multiwarn
+
NO2
Chemolum.
++
Nicht praxistaugl.
0,002 ppm
CO
Multiwarn
o
Querempf. NO,
Messbereich
1 ppm
CO2
Multiwarn
-
Messbereich!
„Dieselruß“
Coulometrie
++
0,01 mg/m³
A-Staub („PM4“)
Gravimetrie
++
0,15 mg/m³
E-Staub
Gravimetrie
++
0,1 mg/m³
Vortragstitel, Autor, Veranstaltung
1 ppm
26.03.2010
Seite 15
Komponente
Mittelwert
95-Perzentil1
A-Staub (lungengängig)
1,57 mg/m³
4,66 mg/m³
E-Staub (einatembar)
10,76 mg/m³
36,74 mg/m³
Dieselruß
0,1 mg/m³
0,24 mg/m³
Stickstoffmonoxid
2,57 ppm
5,73 ppm
Stickstoffdioxid
0,74 ppm
1,78 ppm
Kohlenmonoxid
2,7 ppm
7,39 ppm
1
= 95-Perzentil ist derjenige Expositionswert unterhalb dessen
95% ALLER Werte liegen!
26.03.2010
Seite 16
Spitzenexposition [ppm]
Anzahl der
Messungen
Mittelwert
Standardabweichung
95-Perzentil
CO
331
7,08
5,14
15,90
NO
347
4,15
4,28
12,45
NO2
344
3,44
1,01
3,60
Jeweils höchste 15-min Exposition während der jeweiligen Schicht
26.03.2010
Seite 17
Die Studie
Wesentliche Ergebnisse
• Die Bergleute (vor allem im Bereich der Gewinnung) sind für alle Komponenten
gleichermaßen (und statistisch nicht voneinander trennbar) verhältnismäßig
hoch exponiert.
• Die früheren Grenzwerte werden eingehalten.
• Die neuen Grenzwertvorschläge der SCOEL für NO und NO2 werden um ein
Vielfaches überschritten.
• Die Lungenfunktion der hoch und lange exponierten Bergleute in der
Gewinnung kann (auch altersbereinigt) abnehmen, was allerdings nicht auf
EINE der Komponenten zurückgeführt werden kann, sondern auf die
vorliegende Mischung mehrerer relevanter Komponenten.
• Dieser Effekt hat jedoch keinen Krankheitswert.
26.03.2010
Seite 18
Eine weitere Studie im Steinkohlebergbau:
Dahmann et al., “Exposure assessment for nitrogen oxides
and carbon monoxide in German hard coal mining”, Int Arch
Occup Environ Health (2009), 1267-1279
Morfeld et al., Effect of dust exposure and nitrogen oxides on
lung function parameters of German coalminers: a
longitudinal study applying GEE regression 1974–1998, Int
Arch Occup Environ Health (2009)
…mit ganz vergleichbarem Ausgang
26.03.2010
Seite 19
Reaktionen
Die Studien wurden sowohl bei SCOEL, als auch bei der
deutschen MAK-Kommission vorgestellt.
Die MAK-Kommission hat jetzt auf ihrer letzten Sitzung MAKWerte (Maximale Arbeitsplatz Konzentration) von jeweils 0,5 ppm
für NO und NO2 empfohlen und dabei ausdrücklich beide
genannten Studien berücksichtigt.
Details der Begründung:
Immer Bezug auf die gemessenen MITTELWERTE (nicht das 95-Perzentil)
Vorhandene Tierexperimente.
Effekte von NO, NO2 und Dieselruß „nicht abtrennbar“.
26.03.2010
Seite 20
Konsequenzen für den Arbeitsplatz (direkt)

Die neu vorgeschlagenen Grenzwerte für NO und NO2 sind derzeit und
sicher auch mittelfristig nicht einhaltbar.
„Verfügbare Messtechnik“ für die Vorschläge (NWG <= 10%!) existiert nicht!
Es bleibt abzuwarten, wie die staatlichen Gremien (Ausschuss für
Gefahrstoffe, BMAS) auf die MAK-Empfehlung reagieren.
Für den Bereich des untertägigen Bergbaus liegen aus unserer Sicht zwei
wissenschaftliche Studien vor, die es gerechtfertigt erscheinen lassen, eine
abweichende Grenzwertsetzung ins Auge zu fassen (Gesundheitsschutz
Bergverordnung, BMWi).
In jedem Fall ist der Stickoxidminderung (Achtung: Keine Differenzierung
zwischen NO und NO2 aus Sicht der MAK-Kommission) künftig erhöhte
Aufmerksamkeit zu schenken, da z. B. unter Tage mit den Sprengschwaden
eine weitere unvermeidbare NOx Quelle existiert.
26.03.2010
Seite 21
Konsequenzen für den Arbeitsplatz (indirekt)
Das Signal für die Durchführung weiterer
epidemiologischer Studien mit Beteiligung von
Unternehmen ist aus unserer Sicht katastrophal!
26.03.2010
Seite 22
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
26.03.2010
Seite 23
Additivgestützte DPF Regeneration-ein
Beitrag zu NO2 Neutralität
25 März 2010
BU CATALYSIS
Introduction
• Available emissions control technologies.
• Situation of NO2 emissions and legislations in Europe.
• Feedback on AFSEET Study.
• Performances of DPF regeneration strategies with FBC.
• FBC solution for Euro 6 implementation.
• Conclusion
y
L . Rocher
y 21/01/2010
The Diesel aftertreatment technologies introduction along the
EURO regulations
Euro2
Euro3
2015
2010
2005
2000
1995
Euro4
Euro5
Euro6
1996
Oxidation
Catalyst
(CO&HC)
2000 (PSA)
+ Particulate
Filter
(PM)
Mercedes (2006)
+ NOx
After-treatment
(NOx)
x
NO
trap
Bluetec I
US Tier2 Bin8
Mercedes (2008)
SCR
Bluetec II
US Tier2 Bin5
y
L . Rocher
y 21/01/2010
Audi (2008)
3
Bluemotion
US Tier2 Bin5
Solutions for DPF regenerations
Catalyst :
Fuel Additive
(FBC)
DPF +FBC
450°C
(ADPF)
Catalysed DPF
Catalyst on the
monolith
650°C
+ CRT™ 250-450
(CSF – CDPF)
CRT™*
NO
-250 to 450°C
-NO2/C > 58
NO2
Oxidation catalyst
* Continuously Regenerating Trap
(Evolution CCRT)
No limit value for NO2 species at Oe level
4
02-12-2009
NO2 regulation for air quality in EU
New directive 1999/30/CE of 22 April 1999 set up limit
values not to exceed at the latest in 2010 :
-Hourly limit value : 200 µg/m³ : no to exceed more
than 18 times/year as of 01/01/2010.
-Yearly limit value : 40 µg/m³ as of 01/01/2010.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
Focus on NO2 emissions in EU
• NO & NO2 concentrations in 5 traffic stations in Paris area (1994 till 2006)
2010 limit value
- NO & NOx levels decrease since 1994 while NO2 stays stable.
- Emissions over the period do not fulfill the EU 2010 yearly limit value of 40 µg/m³.
• Letter from Sarah Ludford MEP to environment Commissioner Janez
Potocnik about Nitrogen Dioxide air pollution in London :
• London : 5 recording sites have already exceeded more than 18 times the
hourly limit after 6 weeks in 2010.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
Focus on NO2 emissions in EU Germany
In 2005 : > 82 stations in Germany
recorded exceeding the EU 2010 limit in
main German cities.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
In 2006 44 German stations over
420 exceed the hourly limit of 200
µg/m³ not to be exceed more than
18 times.
Focus on NO2 emissions in EU Germany
Measurements on A4 Motorway
(between 1987 till 2003)
-Decrease of NO by 60 %.
-Increase of Ozone by 2 to 3 folds.
-Stagnation of NO2 till 1999 and
increase of 2 folds afterwards.
- Only Ozone increase can not explain
the NO2 increase.
- The origin come from vehicles (ex.
DOC introduction as standard
aftertreatment system).
y
L . Rocher
y 21/01/2010
Main conclusions of AFSSET report
- AFSEET report published in August 2009: Impact of emissions control
technologies on diesel vehicles NO2 emissions, associated health effects.
Results :
Source ADEME
NO2 & NOX measurements over different PC vehicle families
(EURO limit, fuel type, aftertreatment system) and a total of 124
samples.
Only Artemis cycles are considered.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
- Increase of NO2 on Euro 2 vehicles
when an oxicat is fitted.
- Move from Euro 2 to Euro 3 : decrease
of total NOx.
- DPF technologies associating enforced
catalytic oxidation to trigger regeneration
(Oxicat + catalytic DPF) emit more NO2
than other DPF technologies (A-DPF).
- Euro 4: High NO2 emissions.
- Additivated DPF : low NO2 levels
because no needs of high NO2 levels for
regeneration.
AFSSET : NO2 & NO emissions on Buses vs post
treatment
- Measurements on vehicles on different cycles.
- Presence of oxicat & Catalysed DPF leads to increased NO2 emissions.
- Coupling SCR + Catalysed DPF leads to increased NO2 emissions.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
Results AFSSET study : on road measurements
• Airparif study
(April till July 2007) :
• Use of a mobile NO2 concentration measurement apparatus to measure NO2 levels in the
vehicle and just outside of the vehicle (on the left door).
• Measures in the vehicle: air ventilation on 1 position and doors closed.
• Results :
y
L . Rocher
y 21/01/2010
Results AFSSET study : on road measurements
NO2 level 2,5 times higher in the vehicle than measured alongside
the road at the same time.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
AFSSET report: INSERM/CERTAM study (on road measurements)
•
•
Influence of the emissions control technology on the vehicle preceding the measurement
vehicle.
Vehicle preceding: Euro III bus equipped with oxicat + bare filter (CRT). 6 minutes drive
behind the bus and bus over passed.
- Behind the bus the NO2 concentration in the vehicle can increase up to
1781 µg/m³ compared to 109 µg/m³ w/o bus.
Important impact of the emissions control device of the vehicle preceding
the vehicle on the NO2 measurements in the vehicle.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
AFSSET Study : simulations
• Goal: Impact assessment on NO2 emissions over the regulation implementation
and taking into account different DPF technologies.
• Hypothesis :
• Euro 0 to 4 : mean values obtained on Artemis cycles (urban-road-motorway).
• Euro 5 Gazoline : reduction of NO & NO2 on Artemis cycles in the same proportion as
NOx reduction set up by regulation Euro 4/Euro5.
• Euro 5 Diesel: 3 scenarii :
• Positive : 50/50 CDPF/ADPF & NO2 reduction/Euro 4 Artemis = same as NOx reduction
Euro4/Euro5.
• Moderate : 50/50 CDPF/ADPF & NO2 emissions = + 10%/Euro 4 Artemis.
• Negative : 80/20 CDPF/ADPF & NO2 emissions =+ 10%/Euro 4 Artemis.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
1- Diesel : positive scenario :
- High increase of NO2 emissions on diesel
engines between 1996 to 2000 due to
Oxicat introduction.
- stabilisation till 2009 and decrease as of
2009.
- In 2014 (Euro 6) : NO2 emissions will be
due to diesel at 95% with 20% coming from
Euro 5 CDPF.
2- Diesel : moderate scenario :
- Lower decrease of global NO2 emissions
in 2014 compared to scenario 1.
- 40 % of NO2 emissions due to CDPF in
2014.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
3- Diesel : negative scenario :
- Increase of NO2 emissions as of 2012
due to high market share penetration of
Catalysed DPF technology (80%).
A-DPF exhaust aftertreatment solution for
limited NO2 emissions.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
E C (m g /k W h )
VERT Filter Test results on Fe-FBC with IBIDEN SiC DPF 1
SD 991-285,8*254 mm- 16,3 L.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
84,76
56,07
1,16
Reference
(w/o trap, w/o
FBC)
w/o DPF +
FBC
1,15
1,68
“trap DPF” + “loaded DPF” “regenerated
FBC
+ FBC
DPF” + FBC
Elemental Carbon emissions in VERT Filter Test
VFT1 with / without Filter and Fe-FBC
- Mean mass EC filtration efficiency with
DPF + Fe-FBC : 98,4 %.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
Particulate
number
reduction (%)
Opacity
reduction (%)
Reference (w/o
DPF, w/o FBC)
-
-
w/o DPF, FBC
-
15
„New
DPF”+FBC
99.98
94
Loaded
DPF+FBC
99.73
98
Regenerated
DPF + FBC
99.99
98
Reduction of Particulate number (size 20-300 nm) and
particulate emission during transients (Opacity) using
DPF and Fe-FBC
- Particulate number filtration efficiency
in the size range 20-300 nm : 99,99%.
- No increase of PM emissions is observed
During transients (Opacity).
VFT Results on Fe-FBC with IBIDEN SiC DPF 1
SD 991-285,8*254 mm- 16,3 L.
0,99
0,98
0,93
1
0,9
0,8
3
3,6
2
3,3
3,3
PAH
0,7
3
Total HC
Use of FBC + DPF
P A H (µ g /l)
NOx (g/kWh)
5
4
0,3
4
NO/NOx
NO/NOx
NOx
0,1
1
0,5
0
Reference fuel
(w/o trap-w/o FBC)
with trap
with FBC
0,2
0,15
2
0,6
1
0,25
with trap-with FBC
+ Chlorine
NOx emissions and NO/NOx ratio with /
without Filter and Fe-FBC
T o ta l H C (g /k W h )
1,1
6
0,05
0
0
Reference fuel
(w/o trap-w/o FBC)
with DPF
+ FBC
with DPF + FBC + Chlorine
Total Hydrocarbons (HC) and PolyAromatic Hydrocarbons
(PAH) emissions with / without filter and Fe-FBC
- Reduction of PAH and THC by 72 to 90 %
- Slight reduction of NOx by 5% and
reduction of NO2/NOx from 7 % to 1-2%. and 60 % with DPF + Fe-FBC even in presence
of Chlorine.
- PCDD/F are not increased compared to the reference test
(w/o DPF-w/o FBC) even when 10 ppm chlorine is added.
Fe-FBC meets VERT requirements and is
registered on the European chemical list
y
L . Rocher
y 21/01/2010
FBC : Secondary emissions : NO2/NOx ratio
Over the MVEG Cycle
60
NO2/NOx (%)
50
Série5
40
30
20
10
0
ADPF wo RG ADPF w RG CDPF wo RG CDPF w RG
607-DW12
607-DW12
607-DW12
607-DW12
Oxicat
406-XUD11
Oxicat
406-DW10
Source PSA
Pt loading : 40g/ ft3
y
L . Rocher
y 21/01/2010
dt [1/s]
oxidation rate dm/(m dt)
Comparison between the Oxidation Rates of various filter
technologies
CRT
CSF
FBC
O2
150
250
350
450
Abgastemperatur
exhaust
temperature
[°C][°C]
y
L . Rocher
y 21/01/2010
550
650
Comparison between the Regeneration Rates of various
filter technologies
Regeneration Rate [mbar/min]
12
CRT
10
CSF1
CSF2
8
FBC-DPF
6
4
2
0
300
325
350
375
400
Exhaust Temperature [°C]
y
L . Rocher
y 21/01/2010
425
450
Comparison between the NO2 - emissions of various filter technologies
80
Engine speed = constant
NO2 - part at NOx [%]
70
CSF1
60
CSF2
CRT
50
FBC-DPF
40
30
20
10
0
200
220
240
260
280
300
320
340
Exhaust Temperature [°C]
y
L . Rocher
y 21/01/2010
360
380
400
Other alternatives for low NO2 emissions :
Base-Metal coating + FBC
70%
Pt-Coating A
60%
Pt-Coating B
NO2/NOx Emissionen von
Partikelfiltersystemen
im VERTEignungstest
NO2 / NOX [%]
50%
Pt-Coating C
Pt-Coating
D
40%
Pt-Coating
E
30%
w/o DPF
Pt-Coating F
20%
Base-Metal
Coating G
Base-Metal
Coating H + Fe-FBC
10%
0%
100
200
300
T5
y
L . Rocher
y 21/01/2010
(before DPF)
400
[°C]
500
Challenges in Exhaust Line Architectures:
two main approaches for EURO6
System A
ΔΔ
System B
Δ
2
4
y
L . Rocher
y 21/01/2010
High NOx conversion requires early SCR light off and
optimised exhaust SCR/DPF layout
SCR downstream DPF
100
90
DOC
30
SCR downstream DPF
25
80
SCR upstream DPF
70
20
60
15
50
10
40
NOx efficiency (%)
NEDC T°C @ injector nozzle NEDC
(%)
35
DPF
SCR
Urea
A
SCR upstream DPF
Urea
DOC
SCR
DPF
5
30
B
0
<160
160-180
180-200
200-220
220-240
240-260
>260
Temperature (°C)
Source: PSA 2008
%T<180°C
180<T<200
%T>200°C
%max. for
SCR usage
System “A”
52%
22%
26%
~ 48%
System “B”
17%
23%
60%
~ 83%
Urea injection
No Urea injection
or high fuel penalty with fuel penalty
2
5
y
L . Rocher
y 21/01/2010
Urea injection
available
DPF regeneration located under floor after SCR is
facilitated with Additive assistance
System B
Optimised DOC to allow elevated
exotherm
Optimised exhaust definition to
limit exhaust thermal loss (e.g.
exhaust insulation)
Suitable regeneration temperature
requirements (f.i. Additive)
c
DOC
d
e
SCR
Average Temperature (°C)
Urban driving conditions - <20km/h
Key features to achieve efficient DPF
regeneration in all driving conditions are:
Bare DPF
C-DPF
Thermal
loss
Exotherm
Additive
d
e
c
T°C upst.
DOC
T°C dwst.
DOC
T upst. DPF
DPF
Source: PSA Peugeot Citroën SIA 2008
FBC allows optimal configuration for SCR operation thus
optimal NOx reduction & CO2 reduction.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
Conclusions
• Difficulties to meet the 2010 air quality limit values for NO2 in EU.
• Aftertreatment solutions, particularly Particulate Filters, using enforced catalytic
•
•
•
•
•
activity for regeneration, increase global NO2 emissions.
High level of NO2 have been measured in the vehicle itself (AFSSET study).
The level of NO2 concentration measured in the vehicle is highly dependant on
the emissions of the vehicle driving in front of it.
FBC for DPF regeneration is a solution less impacting on NO2 emissions as its
regeneration strategy is not based on soot oxidation by NO2.
Furthermore it allows the best layout for SCR operation in view of Euro 6.
Proposals :
• To set up measurement method and limit value for NO2 pollutant in the next Euro PC
regulation (eg. Euro VI Heavy Duty gives the opportunity to set up a limit value in the
future for NO2).
• Set up taxes if a certain threshold of NO2 or NO2/NOX is exceeded.
y
L . Rocher
y 21/01/2010
HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co KG
Dieselweg 12 • D-58706 Menden/Sauerland
NO2-Selektivität von Partikelfiltersystemen
für die Nachrüstung
FAD-Workshop Feinstaub- und NO2-Minderung
Dresden, 25.03.2010
Klaus Schrewe
1
© Confidential. HJS reserves all rights even in the event of industrial property rights.
We reserve all rights of disposal, such as copying and passing on to third parties.
Inhalt
NO2 – Selektivität von Voll- und Nebenstrompartikelfiltersystemen für
die Nachrüstung
Einführung
–
–
Wozu NO2?
DOC-Alterung und Funktionsgarantie (Anlage XXVI und XXVII)
Emissionsverhalten von Nebenstromfiltersystemen
–
–
Euro 3 PKW
Euro 4 PKW
Emissionsverhalten von Vollstromfiltersystemen
–
–
CRT-Systeme
Additiv gestützte Filtersysteme
Schlussbetrachtung
–
–
2
Zusammenfassung
Ausblick SCRT
die Nachrüstung
Einführung
–
–
Wozu NO2?
–
–
Euro 3 PKW
Euro 4 PKW
–
–
CRT-Systeme
Schlussbetrachtung
–
–
3
Zusammenfassung
Ausblick SCRT
Wozu NO2? – Reaktionskinetische Grundlagen 1
DOC
CO
HC
NO
NO2
4
+ O2
+ O2
+ O2
+ HC + CO
DPF
CO2
CO2
CO2 + H2O
NO2
CO2 + H2O + NO
CO2 + H2O
+C
NO + CO2
NO
Wozu NO2? – Reaktionskinetische Grundlagen 2
NO
+ O2
+C
NO2
NO + CO2
NO
r NOOx real = f (T; HC/CO/NO; O2; Katalysatorparameter)
HC
Weisweiler, W.:
5
O2
Entfernung von Stickstoffoxiden aus Sauerstoffenthaltenden Automobil-Abgasen
Chemie Ingenieur Technik, Vol. 72 Iss. 5 , Pages 433 - 532 (Mai 2000)
NO
Deprés, J. et al.: Investigation of the Oxidation of NO
over Pt Catalysts
PSI Scientific Report 2001, Vol. V, 64-5
Wozu NO2? - Reaktionskinetische Grundlagen 3
+ O2
NO
+C
NO2
NO + CO2
r CAbb real = f (T; NO2; Rußbeladung; {PMS-Parameter})
NO2-Degradation vs. Temperature (CF)
EU4-DOC, Soot Loading CF 33 g/m²
0,45
8
0,40
NO2-Emissions after CF
[g/km]
9
Emissions
7
6
5
4
3
2
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0
180
0,00
220
240
260
280
300
320
EUDC(hot)-NO2-Emissions vs. Soot Loading
74 kW EU3 engine
0,35
1
200
0
5
DOC-Temperature [°C]
NOX b DOC [mg/s]
6
NO2 b DPF [mg/s]
NO
10
15
20
25
30
35
40
Soot Loading [g/m²]
NO2 a DPF [mg/s]
High-Pt-DOC
"NO2-neutral"-DOC
Engine raw emissions
Anlage XXVI (PKW und Wohnmobile)
Der Antragsteller muss bestätigen, dass die Funktionsfähigkeit dieses Systems bei bestimmungsgemäßem Betrieb über eine
Lebensdauer von bis zu 5 Jahren oder bis zu einer Kilometerleistung von 80.000 km - je nachdem, welches Kriterium zuerst
erreicht wird - gewährleistet ist.
Anlage XXVII (Nutzfahrzeuge sowie mobile Maschinen und Geräte)
NO2 - Umsatz [‰]
Der Antragsteller muss bestätigen, dass Funktionsfähigkeit dieses Systems bei bestimmungsgemäßem Betrieb in
–Nutzfahrzeugen mit einem Hubraum unter 0,75 l/Zyl. von 80.000 km,
–Ansonsten über eine Lebensdauer von bis zu 6 Jahren oder bis zu einer Kilometerleistung von 200.000 km - je nachdem,
welches Kriterium zuerst erreicht wird - und
NO2-Umsatzkurven
–In mobilen Maschinen oder Geräten über
Gegenüberstellung feldgealterte Katalysatoren
eine Lebensdauer von bis zu 6 Jahren
700
Messprogramm: HJSoder 4.000 Betriebsstunden - je nachdem,
Parameter, 2“ mittig, anNeuzustand
600
welches Kriterium zuerst erreicht wird –
strömseitig, Abheizrampe
gewährleistet ist.
500
ca. 150.000 km
400
300
200
ca. 250.000 km
100
ca. 350.000 km
0
150
200
250
300
Temperatur [ºC]
7
350
400
450
die Nachrüstung
Einführung
–
–
Wozu NO2?
–
–
Euro 3 PKW
Euro 4 PKW
–
–
CRT-Systeme
Schlussbetrachtung
–
–
8
Zusammenfassung
Ausblick SCRT
Emissionsverhalten von EU3-PKW mit Nebenstrom-PMS
0,200
Reduktion
NO2-Emissionen
um ca. 55%
NO2 [g/km]
0,160
0,120
Filter in zweiter
Testreihe:
Deutlich höhere
Beladung
im Stadtzyklus
NO2-Emission im NEFZ nach PMS
Serienmessung
HJS
TwinTec
VWDPF
Remus
0,080
0,040
0,000
0
5
10
15
Beladung mDPFvorM [g]
20
25
30
Der Einsatz von PMS führt nicht zur Erhöhung, sondern zur Reduzierung der NO2-Emissionen im
Vergleich zum Serienstand
Kolke, R. et al.: Nachrüstsysteme zur Partikelminderung
ADAC e. V. Fahrzeugtest, April 2008
Die NOx-Emissionen bleiben unverändert.
9
Funktionsverhalten eines EU4-PKW mit Nebenstrom-PMS
NOx-Emissionen im NEFZ
Golf V EU4, 1.9l 77kW, 85.000 km
VW Touran EU4, 103 kW, DSG
60
PM-Minderung [%]
Rußbeladung [g]
350
300
250
100
200
150
50
50
100
50
40
0
30
0
200
400
600
800
1000
Zeit [s]
Typisches Emissionsverhalten eines
Euro-4-Diesel-PKW im NEFZ
20
10
0
0
1000
2000
3000
4000
Strecke Stadt-DL [km]
Rußbeladung [g]
10
400
Geschwindigkeit [km/h]
NOx [ppm]
NO2 [ppm]
T n ATL [°C]
T v DPF [°C]
150
Geschwindigkeit
Temperaturen
- Steigende Rußbeladung wegen geringen
Regenerationsvermögens (NO2-Angebot)
- Degressiv steigende Rußbeladung wegen
besserer NO2-Nutzung (Rußschichtdicke) und
sinkenden Abscheidegrads (Nebenstromeffekt
ÎBetriebssicherheit)
200
PM-Minderung [%]
5000
-
Geringe NO2-Bildung im ECE
Mittl. Abgastemperatur 191°C / 204°C
Mittl. NOX-Emission im NEFZ 0,24 g/km
Mittl. NO2-Emission im NEFZ 0,06 g/km
0
1200
NO-Emissionen
Typisches Verhalten eines Euro-4-PKW
mit Retrofit-PMS im Stadtdauerlauf
Emissionsverhalten eines EU4-PKW mit Nebenstrom-PMS
30%
Reduktion
NO2-Emissionen
um 51%
NO2 - Anteil
25%
20%
Gesamt
15%
ECE kalt
ECE warm
10%
EUDC
Stadt70
5%
0%
OE
ohne
CF
11
OE-DOC
CF Jet50
0,6 g Ruß
OE-DOC
CF Jet50
23 g Ruß
OE-DOC
CF Jet50
39,5 g Ruß
Inhalt
die Nachrüstung
Einführung
–
–
Wozu NO2?
–
–
Euro 3 PKW
Euro 4 PKW
–
–
CRT-Systeme
Schlussbetrachtung
–
–
12
Zusammenfassung
Ausblick SCRT
Funktionsverhalten eines EU III- Motors im ETC
13
Funktionsverhalten eines EU III- Motors im ETC
Stickoxide kumuliert im ETC, Euro III - Motor, 2,0 l/Zyl., ca. 265 kW
450
400
Emissionen
HC:
CO:
NOX:
PM:
0,2 g/kWh
0,1 g/kWh
5,0 g/kWh
0,06 g/kWh
Mittlere AbgasTemperatur 309 °C
NO-Emissionen [g]
Abgastemperatur [°C]
350
300
250
T vor System [°C]
200
NOx [g] kumuliert
vor CRT
NOx [g] kumuliert
nach CRT
NO2 [g] kumuliert
vor CRT
NO2 [g] kumuliert
nach CRT
150
100
50
0
0
200
400
600
800
1000
Laufzeit [s]
14
1200
1400
1600
1800
Emissionen
Funktionsverhalten eines EU I- Motors im ETC
(ECE R49)
HC:
0,3 g/kWh
CO:
0,7 g/kWh
NOX:
7,7 g/kWh
PM:
0,09 g/kWh
Stickoxide kumuliert im ETC, Euro I - Motor, 2,0 l/Zyl., ca. 265 kW
T vor System [°C]
NOx [g] kumuliert
vor CRT
NOx [g] kumuliert
nach CRT
NO2 [g] kumuliert
vor CRT
NO2 [g] kumuliert
nach CRT
450
400
350
NO-Emissionen [g]
300
250
200
150
100
50
0
0
200
400
600
800
1000
Laufzeit [s]
15
1200
1400
1600
1800
Emissionsverhalten von NFZ-Motoren mit CRT-System im ETC
NO2-Emissionen im ETC
EU III - und EU I – Motor mit 2,0 l/Zyl.
NO2-Überhöhung
- Trotz NO2-Abbau in
der Rußschicht
- Warmer Zyklus
- Alterungsreserve
16
Emissionsverhalten eines LDV-Motors mit FBC-System im ETC
Stickoxide kumuliert im ETC, Euro III - Motor, < 0,75 l/Zyl., ca. 95 kW
Emissionen
HC:
CO:
NOX:
PM:
450
400
NO-Emissionen [g]
350
0,4 g/kWh
2,6 g/kWh
4,9 g/kWh
0,10 g/kWh
300
250
200
T vor Filter ]°C]
150
NOx [g] kumuliert
vor Filter
NOx [g] kumuliert
nach Filter
NO2 [g] kumuliert
vor Filter
NO2 [g] kumuliert
nach Filter
100
50
0
0
200
400
600
800
1000
Laufzeit [s]
17
1200
1400
1600
1800
Emissionsverhalten eines LDV-Motors mit SMF-AR-System im ETC
NO2-Emissionen im ETC
EU III - Motor mit < 0,75 l/Zyl.
15
NO2-Anteil im Abgas [%]
NO2-Reduktion
- Kein DOC
- NO2-Abbau in der
Rußschicht
10
NO2-Anteil nach Filter [%]
5
NO2-Anteil vor Filter [%]
0
0
5
10
15
20
25
Laufzeit [h]
18
30
35
40
45
50
Inhalt
die Nachrüstung
Einführung
–
–
Wozu NO2?
–
–
Euro 3 PKW
Euro 4 PKW
–
–
CRT-Systeme
Schlussbetrachtung
–
–
19
Zusammenfassung
Ausblick SCRT
Zusammenfassung
Grundlagen
–
–
Bei der Auslegung von Partikelfiltern, die über NO2 regeneriert werden, ist sowohl die Oxidation von NO
im DOC wie auch die Umsetzung von NO2 mit Ruß zu berücksichtigen.
Die Oxidationskatalysatoren zeigen ein deutliches Alterungsverhalten mit reduzierter NO2-Bildung bei
höheren Temperaturen. Dies ist zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit über die zu gewährleistende
Laufzeit bei der Auslegung der Systeme zu berücksichtigen.
–
Bei der Nachrüstung von PKW mit PMS kann eine deutliche NO2-Reduzierung bis zu etwa 50 % erzielt
werden. Dies wird sogar bei Euro-3-Systemen festgestellt, bei denen der serienmäßige DOC durch
einen hoch aktiven DOC vor PMS ersetzt wird.
–
–
–
–
20
CRT-Systeme zeigen im Neuzustand im ETC eine deutliche NO2-Überhöhung, die jedoch durch den
Aufbau der Rußschicht im DPF schon während der Zulassungsprüfung bereits um mehr als 30%
reduziert wird.
Ziel ist es, diese Überhöhung so niedrig wie möglich zu halten und dennoch den Anforderungen
bezüglich der Dauerfunktionssicherheit und den in der Praxis kälteren Fahrzyklen Rechnung zu tragen.
Bei Additiv-gestützten Filtersystemen, wie z.B. dem aktiv regenerierten SMF®-AR-System, findet
aufgrund des fehlenden DOC immer eine deutliche Reduktion der NO2-Emissionen statt.
Die Kombination eines DPF mit einer aktiven Entstickung des Abgases (SCRT®) führt zu einer
deutlichen Reduktion der NOx- und in der Regel auch der NO2-Emissionen.
SCRT® - System für einen EU III – Motor 1,0 l/Zyl., ca. 160 kW
150
500
140
450
130
400
120
350
110
300
100
250
90
200
NOx nach SCRT
NOx nach ATL
NO2 nach SCRT
NO2 nach ATL
T n ATL
80
70
60
50
150
100
50
0
40
-50
Emissionen
30
HC:
CO:
NOX:
PM:
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
Zeit [s]
21
Summe Emissionen [g]
Kummulierte NOx-Emissionen im ETC
1200
1400
1600
-100
0,1
g/kWh
1,1
g/kWh
-150
4,5
g/kWh
-200
0,02 g/kWh
-250
1800Mittlere
2000
AbgasTemperatur 317 °C
SCRT® - System im CITARO G mit OM 457 EURO III Motor
Emissionen im Straßenbetrieb in Hagen; Messung durch den TÜV NORD
Ö NO2-Minderung = 62 %
Ö NOX-Minderung = 71 %
Temperatur nach ATL [°C]
Ohne HWL-Eindüsung
450
Mit HWL-Eindüsung
400
350
300
250
200
150
100
Mittlere Abgastemperatur 253 °C
50
0
0
500
1000
1500
Zeit [s]
22
2000
2500
3000
SCRT® - Nachrüstung: Einfluss auf die NO2-Tagesmittelwerte
23
Vielen Dank Thank You
Dieselweg 12
D-58706 Menden/Sauerland
Phone +49 2373 987-0
Telefax +49 2373 987-199
E-Mail: [email protected]
Internet: www.hjs.com
24

NO2-Workshop 2010

Transcription

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