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Jul 24, 2023

Diesel

Bei der Verwendung von Dieselkraftstoff zum Auskochen von NOx besteht ein empfindliches Gleichgewicht

Es besteht ein empfindliches Gleichgewicht, wenn es um die Verwendung von Dieselkraftstoff zur Beseitigung von NOx-Emissionen geht, um den strengen Stickoxid-Standard (NOx) des California Air Resources Board für 2027 zu erfüllen, aber nach zahlreichen Tests vermelden Eaton und Tenneco Erfolge mit ihrem gemeinsam hergestellten integrierten Auspuff Wärmemanagementsystem.

Nach ihrer Partnerschaft im März 2021 begannen beide Unternehmen, genauer zu prüfen, wie sie NOx thermisch mit einem dieselbetriebenen Abgasbrenner senken könnten, um den NOx-Anforderungen von CARB für 2027 von 0,02 g/PS-Stunde gerecht zu werden, ohne dabei Kohlendioxid anzukurbeln.

Erfolg hatten sie mit einem Cummins Während der Low-Load-Cycle-Tests (LLC) am Southwest Research Institute sank der NOx-Wert auf 0,02 g/bhp-h, während C02 neutral blieb. (Die LLC-Anforderungen von CARB für 2027 betragen 0,05 g/PS-Stunde, was einem Rückgang von 90 % gegenüber den aktuellen Standards entspricht).

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Während des Federal Test Procedure (FTP)-Hochleistungs-Übergangszyklus, den CARB für 2027 auf 0,02 g/PS-Stunde festlegte, sank der NOx-Wert sogar noch weiter auf 0,01 g/PS-Stunde. CO2 stieg jedoch um 0,9 %.

„Wir können die Tatsache nicht ignorieren, dass CO2 wichtig ist, auch wenn es nicht reguliert ist“, sagte Jim McCarthy, leitender Chefingenieur von Eaton, gegenüber CCJ im Anschluss an ein von Tenneco mitveranstaltetes Webinar zum Abgasbrenner. McCarthy fügte hinzu, dass er „völlig zuversichtlich“ sei, dass der CO2-Ausstoß „mit ein paar weiteren Testtagen“ zumindest auf neutral sinken werde.

Eaton und Tenneco haben die Luftquelle für das Abgaswärmemanagementsystem aus dem TVS V180-Gebläse von Eaton für kleine Motoren mit 1,5 Litern oder weniger entwickelt. Das auf der Website von Eaton als „Cold Start Thermal Unit Air Source“ bezeichnete Gebläse ist mit einem Elektromotor (12 oder 24 Volt) gekoppelt, der „effizient und präzise gesteuert werden kann, um optimale Nachbehandlungstemperaturen aufrechtzuerhalten“.

Das Gebläse versorgt einen von Tenneco bereitgestellten Brenner mit Luft, der auch den Zünder versorgt. Der Abgasbrenner ist direkt vor dem Dieselpartikelfilter (DPF) montiert.

„Diese Kombination des Brenners vor dem DPF ist eine hervorragende Konfiguration, bei der man hart auf ihn einwirken und einen gleichmäßigen Wärmefluss stromabwärts erzeugen kann“, sagte McCarthy.

Der von Eaton und Tenneco entwickelte dieselbetriebene Abgasbrenner hat eine Nennleistung von etwa 50 kW, während eine 48-Volt-Elektroheizung, für die Eaton einen Regler entwickelt hat, 10 kW leistet. „Letztendlich liefert die elektrische Heizung viel weniger Wärme an das Abgassystem als der [Diesel-]Brenner“, sagte Tom Harris, Senior Engineering Manager bei Tenneco. „Wenn der Antriebsstrang später ein Vollhybrid sein wird und man die Möglichkeit hat, etwas Energie für die elektrische Heizung zurückzugewinnen, dann ist das die einzige Lösung.“Eaton/Tenneco

McCarthy arbeitete mit Tom Harris, dem leitenden technischen Leiter von Tenneco, zusammen, um einen zweistufigen Ansatz für die Beheizung des Abgasbrenners zu entwickeln. Beim Kaltstart heizt sich der Brenner schnell auf 300 Grad Celsius auf, um die in einem kalten Nachbehandlungssystem vorherrschenden höheren NOx-Werte auszugleichen. Wenn der Motor die normale Betriebstemperatur erreicht, schaltet der Brenner ein/aus, um die SCR-Temperatur anschließend auf 180 bis 200 Grad Celsius (356 bis 392 Fahrenheit) aufrechtzuerhalten.

„Der primäre Ansatz bei diesem zweistufigen Schwellenwert ist im Grunde nur ein Ein-Aus-Schalter, bei dem man den Kompromiss zwischen Abgas-NOx, CO2 oder dem vom Brenner verbrauchten Kraftstoff verwaltet“, sagte Harris.

Das Management der Brennertemperatur, insbesondere auf höheren Ebenen, ist der Schlüssel zum Erfolg des Systems.

„Die Temperatur ist ein zweischneidiges Schwert. Sie möchten es heiß machen, um eine NOx-Reduktion zu erreichen, aber wenn Sie es zu schnell heiß machen und zu heiß halten, können Sie Ihren Ammoniakspeicher verlieren, der Ihr Reduktionsmittel ist.“ Ihr SCR“, erklärte McCarthy.

„Die Strategie besteht also darin, schnell hart zuzuschlagen, es auf Temperatur zu bringen und dann den Brenner auszuschalten. Alles stabilisieren zu lassen und dann, wenn Sie den überschaubaren Modus „Heiß bleiben“ erreicht haben, bei dem das Ammoniak auf dem SCR verbleibt, Sie „Wir erzielen eine große NOx-Reduktion“, fuhr McCarthy fort.

„Der Motor läuft im sogenannten Wärmemanagementmodus und Kraftstoffsparmodus, und der Wärmemanagementmodus ist nicht unerheblich“, sagte McCarthy. „Es geht eine Menge Kraftstoff hinein. Und der Brenner ermöglicht es uns, das Nachbehandlungssystem sehr schnell heißer zu machen, und dann wechseln wir vom Wärmemanagementmodus in den Kraftstoffsparmodus. Und dann bringt uns der Nettounterschied zur Neutralität.“ [in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch].“

Harris sagte, dass es beim Aufheizen des SCR am besten sei, ihn mit einem dieselbetriebenen Abgasbrenner auf Temperatur zu bringen.

„Wenn man das im Motor macht, kann man natürlich, wie Jim erwähnte, den Wärmemanagementmodus nutzen, um den Motor mehr Abgaswärme erzeugen zu lassen, aber auch dabei sendet man etwa 30 bis 40 % der Kraftstoffenergie.“ zum Kühlmittel, wo es einfach verschwendet wird und man sehr viel Luft mit Raumtemperatur aufheizen muss, die in den Motor gesaugt wird“, sagte Harris. „Wenn Sie also Abwärme benötigen, ist der Brenner die wesentlich sparsamere Möglichkeit, diese zu erzeugen.“

Laut der Website von Eaton wird die Produktion des integrierten Abgaswärmemanagementsystems für 2025 erwartet.