Schadstoffbildung und Emissionsminimierung bei Kfz Teil I...NOx legislations >2g/kWh Power density...

1

Schadstoffbildung und

Emissionsminimierung bei Kfz

Teil I

Theodor Sams

WS 2016/17

202011

2

INHALT

Anthropogene Schadstoffe

Thermodynamik der Verbrennung

Numerische Simulation der Verbrennung

Berechnung der Schadstoffbildung

Analyse charakteristischer Verbrennungen

200056-0

1b

3

BEDROHUNGEN FÜR DIE ATMOSPHÄRE

200056-0

1b

4

NATÜRLICHE TREIBHAUSEFFEKTE DER ERDE

200056-0

1b

Spurengas atmosphärische Konzentration

(derzeit)

Erderwärmungseffekt

(derzeit)

Wasserdampf (H2O) lokal sehr variabel (2 ppm - 3 %) 20.6 K

Kohlendioxid (CO2) 350 ppm 7.2 K

Ozon, bodennah (O3) 0.03 ppm 2.4 K

Distickstoffoxid (N2O) 0.3 ppm 1.4 K

Methan (CH4) 1.7 ppm 0.8 K

weitere 0.6 K

Summe 33.0 K

5

WÄRMEGLEICHGEWICHT DER ATMOSPHÄRE

200056-0

1b

6

SCHADSTOFFBILDUNG UND EMISSIONSMINIMIERUNG BEI KFZ

CO2-Emissionen

200056-0

1b


7

Electrification

WORLDWIDE CO2 / FUEL ECONOMY LEGISLATIONC

O2

Em

iss

ion

–g

/km

no

rma

lize

dto

NE

DC

Te

st

Source: ICCT, November 2012, Global

Transportation Energy and Climate

Roadmap , AVL EU 2021-22: 50

for Supercredits

EP proposalEU 2012-20: 50

for Supercredits EU 2025:

68-78* EP

1000

US 2025: 91

Year

Future CO2 / FE legislations require significantly increased powertrain electrification

1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900

Vehicle weight - kg

8

CO2 REDUCTION – SEDAN IN WLTP

Base Engine: 1.4L, 4-cyl, TGDI, Start/stop, smart alternator control

116

CO

2 –

g/k

m

120

115

110

105

100

95

90

85

80

75

70

65

88

75

1,4 TGDI

State of Art

200 g/kWh 170 g/kWh

Engine needs to beoperated as close aspossible to BSFC min

BSFC min needs to beimproved

Additional measuresrequired on the vehicleside

9

TCO & CO2 EMISSION REQUIREMENTSLONG HAUL TRUCK

Fuel costs

Service &

maintenance

Costs for driver

Fuel costs

Tires

Vehicle

Admin

Source: Lastauto Omnibus-Zukunftskongress am

24.9.2013 in Ludwigsburg

DAS CO2-ARME NUTZFAHRZEUG

Dr. Harald Ludanek; Scania CV AB

?

CO2 EmissionsTotal Cost of Ownership (TCO)

10


Motorischer Ansatz zur Verbrauchsreduktion

200056-0

1b

11

WHAT ARE THE DRIVERS FOR THE EFFICIENCY DIFFERENCE BETWEEN DIESEL AND GASOLINE?

Diesel engines have:

Lean combustion

High compression ratio

Stratification

TC

EGR

Gasoline engines today have:

Lambda=1 combustion

Moderate compression ratio

Homogeneous mixture

NA or TC

Three way catalyst

The effects are:

High thermal efficiency

High thermal efficiency

Lower wall heat losses

Torque

NOx reduction

Effects needed:

Combustion with dilution

High expansion ratio

Homogeneous mixture for RDE

NA for response, TC for torque

Conversion of all gaseous emissions

Technology:

Cooled EGR

Miller or articulated crank

Lambda=1

TC + E-SC for torque

Three way catalyst

12

THERMODYNAMIC IMPROVEMENT POTENTIALS

High pressure cycle:

• Cylinder mass

• w/o EGR Excess air ratio

• with EGR Cylinder mass ratio

• Valve timing (Miller, Atkinson)

• Compression ratio

• Combustion process

• Duration of combustion

• Center of combustion (Mass fraction burned 50%)

• Shape of combustion

Low pressure cycle:

• Turbocharging efficiency

• Pressure losses

13

EFFECT OF HIGH & LOW PRESSURE CYCLE ON BSFC WITH AND W/O EGR (EURO VI)

14

INFLUENCE OF EXCESS AIR RATIO ONHIGH PRESSURE CYCLE EFFICIENCY

𝑬𝒙𝒄𝒆𝒔𝒔 𝑨𝒊𝒓 𝑹𝒂𝒕𝒊𝒐 =𝒎𝒂𝒔𝒔 𝒂𝒊𝒓

𝒎𝒂𝒔𝒔 𝒇𝒖𝒆𝒍 ∗ 𝑳𝒔𝒕

15

INFLUENCE OF CYLINDER MASS RATIO ON HIGH PRESSURE CYCLE EFFICIENCY

𝑪𝒚𝒍𝒊𝒏𝒅𝒆𝒓 𝑴𝒂𝒔𝒔 𝑹𝒂𝒕𝒊𝒐 (𝑪𝑴𝑹) =𝒎𝒂𝒔𝒔 𝒂𝒊𝒓 +𝒎𝒂𝒔𝒔 𝑬𝑮𝑹

𝒎𝒂𝒔𝒔 𝒇𝒖𝒆𝒍 ∗ 𝑳𝒔𝒕

16

OPTIMAL INTAKE VALVE TIMING DEPENDING ON TURBOCHARGER EFFICIENCY

2 g/kWh

17

INFLUENCE OF COMPRESSION RATIO ON FUEL CONSUMPTION

1200 rpm – Full Load

2 g/kWh

𝑰𝒅𝒆𝒂𝒍 𝑬𝒏𝒈𝒊𝒏𝒆

𝑹𝒆𝒂𝒍 𝑬𝒏𝒈𝒊𝒏𝒆

18

NOX AND BSFC DEPENDING ON COMBUSTION 50 % MASS FRACTION BURNED

BSFC min

w/o EGR for SCR only

NOx reduction

with EGR (~ 25%)

Gas exchange

with EGR

1200 rpm – BMEP 18 bar

19

OPTIMIZED NOX / BSFC TRADE-OFF

Baseline Euro VI

Optimized Thermodynamics

Optimized Thermodynamics with EGR

Optimized

Thermodynamics

with Miller w/o EGR

1200 rpm – BMEP 18 bar

Optimized Combustion

20


CO2 Minderung durch Elektrifizierung

200056-0

1b

21

DEGREE OF ELECTRIFICATION

Mild Hybrid

Low to mediumvoltage (12 to 120V)

Includes stop-start, regeneration brakingand acceleration assist

Micro Hybrid

Low voltage (12V)Shuts down engine at idle to save fuel

Full Hybrid

High voltage (300V+)

Includes all mildHEV features PLUS EV-mode

Pure EV

High voltage (300V+)BatteryRange extender with combustion engineFuel cell

Plug-In Hybrid (PHEV)

High voltage (300V+)Ability to recharge battery through electrical wall outlet

http://bioage.typepad.com/.shared/image.html?/photos/uncategorized/bmw1.png

http://images.marken.auto-motor-und-sport.de/media/mdb/237115/Mercedes-S-400-Hybrid.jpg

http://i.treehugger.com/files/hybrid_plugin.jpg

22

CO2 Emissions - Well to Wheel

Pure Electric Vehicle

ICE DI Gasoline

ICE DI Diesel

ICE DI Gas Full Hybrid

Electric Vehicle withRE

rel. CO2 Emissions [%]

100

50

0

50

100

Tank To Wheel

Well To Tank ? ?

CO2 Reduction by Biofuel


ICE DI Gasoline

ICE DI Diesel




100

50

0

50

100

Tank To Wheel

Well To Tank ? ?


23

GENERIC MILD HYBRID (48 V) STRATEGY

Downsizing + Downspeeding

bigger VGT

48V Mild Hybrid - BSG

Electric SuperchargerBASE

TARGET

24

OPERATING STRATEGY

100

150

200

250

300

350

400

750 1750 2750 3750 4750

Tor

que

/Nm

Speed /rpm

136 PS

325Nm

25

OPERATING STRATEGY

100

150

200

250

300

350

400

750 1750 2750 3750 4750

Tor

que

/Nm

Speed /rpm

12%

25%

170 PS

12%

bigger Turbo

25%

136 PS

170 PS

18%

26

OPERATING STRATEGY

100

150

200

250

300

350

400

750 1750 2750 3750 4750

Tor

que

/Nm

Speed /rpm

12%

40%

12%

40% 48V BSG

27

OPERATING STRATEGY

100

150

200

250

300

350

400

750 1750 2750 3750 4750

Tor

que

/Nm

Speed /rpm

12%

Area of usage

12%

Area of usage

E-Charger

28

ELEKTRISCHE AUFLADUNG: DOPPEL-FUNKTION TRANSIENT BOOST + EGR PUMP

29


CO2 Minderung durch Kraftstoff

200056-0

1b

30

CO2 Emissions - Well to Wheel


ICE DI Gasoline

ICE DI Diesel




100

50

0

50

100

Tank To Wheel

Well To Tank ? ?



ICE DI Gasoline

ICE DI Diesel




100

50

0

50

100

Tank To Wheel

Well To Tank ? ?


31

CNG – Direct Injection

Dedicated

Hardware

Ethanol – Direct Injection

Flex Fuel – Identical

Hardware

Gasoline – GDI

Spray Guided

HIGH FUEL ECONOMY DIRECT INJECTION CONCEPTS

WITH ALTERNATIVE FUELS

32

CNG – Direct Injection

• 20% efficiency improvement due to

stratified operation

• Additionally 20% CO2 reduction due

to lower C-content of CH4

• Significantly higher low end torque

compared to manifold injection

• Higher thermodynamic efficiency

due to advantageous fuel properties

• Less enrichment with Turbocharging

• Less NOx with stratified GDI

• E100 - Multiple injection needed to

improve deep temperature cold start

Ethanol – Direct Injection

HIGH FUEL ECONOMY DIRECT INJECTION CONCEPTS

WITH ALTERNATIVE FUELS

33

HD GAS ENGINES MAIN TECHNOLOGY ROUTES FOR

SI Lean burn

Cost effective solution for NOx legislations >2g/kWh

Power density limited by knock / misfire and emissions

Similar thermal loads as Diesel

Need Oxi-Cat and SCR for EU6, US14,T4

High ignition system demands

Require high charging system capabilities

Dual fuel SI Stoichiometric High Pressure DI

Main route for EU6, US EPA14, T4

Cost effective solution Three-Way Catalyst

Improved trans. torque vs. lean burn concept

High thermal loads

Cooled EGR optionally to reduce thermal load & knock sensitivity

Improved trans. torque vs. lean burn concept

Efficiency and power density limited by knock

Reliable technology with limited emission potential

Full load on Diesel possible


Limited substitution potential

Challenging in view of emission compliance (CH4)

Need highly efficient MOC +SCR +DPF +Thermal management for EU6, US14,T4

Complex technology withhigh efficiency potential

Limp home on Diesel possible

Efficiency and power density similar to Diesel


Need Oxi-cat and SCR +DPF +Thermal management for EU6,US14,T4

Maturity of technology for On-road HD

34


CO2 Minderung durch optimierte Fahrweise

200056-0

1b

35

CONNECTED POWERTRAIN

Auxiliaries

EngineP&E

Shifting

Hybrid

EnergyMgmt.SystemControl

Electric System

Driveline

36

COMMERCIAL VEHICLE PREDICTIVE ENERGY MANAGEMENT

VEHICLE ENERGY COORDINATOR

BATTERY

CONTROL

SOC control

SOH control

SOF control

thermal

management

control

etc.

TRANSMISSION

CONTROL

clutch control

gear shift control

oil pump control

retarder control

etc.

COMBUSTION ENGINE

CONTROL

• real time capable vehicle / powertrain model (AVL CRUISE embedded)

• power split: comb. engine - e-motor – battery

• scenario calculator (cost calculator / optimizer)

E-MOTOR

CONTROL

torque control

speed control

thermal manage-

ment

safety monitoring

etc.

HUMAN MACHINE INTERFACE DATA TRANSLATOR

VEHICLE / POWERTRAIN / HYBRID CONTROL

GPS, v2v, i2v, …

Real time P&E control

Adaptive emissions control

Smart Auxiliaries

Vehicle thermal management

WHR control

Engine brake control

OBD

etc.

kW_demand_current

kW_demand_predictedcost / kW

Tasks:

• predictive cruise control

• hybrid system control

• vehicle cooling syst. control

• e-power steering control

• interface to trailer (trailer energy management)

• etc.

37

EMBEDDED CONTROLS

Auxilliaries

Emissions

Shifting

Hybrid

EnergyMgmt.SystemControl

Electric System

Driveline

EmbeddedEnergyMgmt.SystemControl

38

RDE

PN

BM

EP

-b

ar

Conventional Powertrain

Legislation

WLTP

Engine Speed – rpm

NEDC

WLTC

EMISSION LEGISLATION EUROPE

INFLUENCE OF TEST CYCLE

39

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 10 20 30 40 50 60 70Cu

mu

lati

ve E

ne

rgy

Co

nsu

mp

tio

n [

-]

Power [kW]

RDE

NEDC

WLTC Passenger Car 1360 kg

New Test Cycles shiftthe ICE operation tohigher load / power

EMISSION LEGISLATION EUROPE

INFLUENCE OF TEST CYCLE

40

0

20

40

60

80

100

CLASSIC EMROAD CLEAR

NOx [mg/km]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000


CO [mg/km]

0.0E+00

1.2E+12

2.4E+12

3.6E+12

4.8E+12

6.0E+12

7.2E+12


PN [#/km]

RDE – Moderate Driver

RDE – Dynamic Driver

RDE Load Spectrum – Moderate vs. Dynamic Driving Style

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500

Engine Speed - rpm

To

rqu

e

-N

m

0

50

100

150

200

250

300

350

400

RDE Emission Evaluation Moderate vs. Dynamic Driving Style

w/o Tool Tool A Tool B

NOx – mg/km

RDE POSTPROCESSING – SPORTS CAREMISSIONS MODERATE/DYNAMIC

41

DIESEL ENGINE WITH DOC AND SDPF

OPTIMIZATION OF RDE BY CALIBRATION

99%

100%

101%

102%

103%

104%

105%

Conformity Factor (moderate driving) [-]

Fu

el

Co

nsu

mp

tio

n-

%

0.5

42



NOx

200056-0

1b

43

GLOBALE NOX EMISSION

200056-0

1b

Quelle Natürlich Anthropogen

Waldbrände 0.02 ... 0.07 0.8 ... 3.4

Steppenbrände 0.1 ... 0.2 0.1 ... 0.2

Gewitter 7.5 ... 15 -

NH3 - Oxidation ? 0.2 ... 0.5

N2O - Oxidation 0.6 ... 3 0.2 ... 2

Mikrobielle Bodenprozesse 7 0.5

Technogene Prozesse - 20

Summe 16 ... 25 22 ... 27

Ab

In Mt/a als N

44

HISTORY OF NOX AND PM EMISSION LIMITSEUROPE, US-EPA & CARB

NOx Emissions

PM Emissions

?

optional low NOx emission standards

45

DIESELVERBRENNUNG MITNIEDRIGSTEN NOX / RUß-EMISSIONEN

0,1

1

10

1000 1500 2000 2500 3000

Lokale Flammentemperatur [K]

Lo

kale

s L

uft

verh

ält

nis

[-]

Ruß

NOxVerbrennung mit

niedrigsten Emissionen Homogenisierung

hoher InertgasanteilStandard

Verbrennung

46

Reduced

Temperature

- Charge AirIntercooling

- Retarded Timing

- EGR

- EGR Cooling

- Water Injection(Emulsion)

NOx Emission

- Initially ReducedInjection Rate

Initially

Slow

Combustion

- Elongated Injection Period

- Increased CR

- IncreasedCetane No.

- Reduced Swirl

IMPORTANT PARAMETERS FOR LOW EMISSION DIESEL COMBUSTION

47

NOX-REDUKTION ÜBER O2-KONZENTRATION IM EINLASS

2 l/Cyl; 1900 1/min, 18 bar

0,5 l/Cyl; 2000 1/min, 9 bar

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

O2 Intake [ Vol% ]

NO

x [

g/k

Wh

]

PC

Engine

HD Engines

DO2=1,3 %

DNOx=50 %

DO2=1,3 %

DNOx=50 %

48

Air

Exce

ss R

ati

o [

-]

1.0

1.1

1.2

1.4

1.6

2.0

3.0

5.0

10.0

NOx Reduction [-]

105070 30909598 8097

13 14 15 16 17 18 19 20 21Oxygen Intake [Vol%]

Schaubild:

l – AGR-Rate – O2-Konzentration - NOx-Reduktion

EU 6

Area

49

NOx versus O2 Content Intake DME

0

1

2

3

4

5

6

7

8

17,00 17,50 18,00 18,50 19,00 19,50 20,00 20,50 21,00

O2 Content Intake (Vol %)

NO

x (

g/k

Wh

)

A100

B100

C100

NOX-REDUCTION - O2-CONCENTRATION INTAKE TRADE-OFF - DME

DO2 ~1,0 %

DNOx=50 %

DO2 ~1,0 %

DNOx=50 %

50

Air

Exce

ss R

ati

o [

-]

1.0

1.1

1.2

1.4

1.6

2.0

3.0

5.0

10.0

NOx Reduction [-]

5075939799 87

13 14 15 16 17 18 19 20 21Oxygen Intake [Vol%]

l– AGR-Rate – O2-Concentration - NOx-Reduction

DME

EU 6

Area

51

INFLUENCE OF INTAKE TEMPERATURE DEPENDINGON O2-CONCENTRATION OR NOX-LEVEL

NOx [g/kWh]

0

0,1

0,2

0,3

1415161718192021

O2 Konzentration [Vol %]

D N

Ox

[g

/kW

h]

14 10 8 6 4 2 1 0,5

DT=10 °C in Intake

52

REQUIRED NOX CONVERSION RATES DEPENDING ON NOX ENGINE OUT

53

SCHADSTOFFBILDUNG BEI DER VERBRENNUNG


HC

200056-0

1b

54

HC ÜBER NOX FÜR CHARAKTERISTISCHE NFZ-LASTPUNKTE

2 l/Cyl HD Engine

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

NOx [g/kWh]

HC

[g

/kW

h]

1900 rpm, 18 bar

1500 rpm, 12 bar

1200 rpm, 6 bar

55

HC ÜBER NOX FÜR CHARAKTERISTISCHE PKW-LASTPUNKTE

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 0,5 1 1,5 2

NOx [g/kWh]

HC

[g

/kW

h]

2000 1/min, 9 bar

1500 1/min, 2.5 bar

0,5l/Cyl PC Engine

56


Schwefel

200056-0

1b

57

SCHWEFELGEHALTE IN MASSEPROZENTE

200056-0

1b

Brennstoff Siedetemperatur Schwefelgehalt

Gas, Flüssiggas

CH4 - C4H10

bis 0°C sehr gering

Rohbenzin bis 200°C bis 0.05 %

Mitteldestillate (Kerosin,

Heizöl EL, Diesel

175 - 350 °C 0.2 - 0.8 %

Atmosphärischer Rückstand

schweres Heizöl

> 350°C 1.0 - 3.0 %

58

OXIDATIONSKAT PARTIKELFILTER NOX-SPEICHER-KAT

• Verminderte

Umsetzungsrate für

HC und CO bei

niederen

Temperaturen

• Sulfat-Partikelbildung

• Erhöhte Alterung

• Verminderte

Funktion beim CRT-

Prinzip

• Sulfatbildung, führt

zur Erhöhung der

Partikel trotz des

Filters

• Deaktivierung

• Desulfatisierung

erforderlich

• Sulfatpartikelbildung

• Abgasgeruch (H2S)

S < 50 ppm ? S < 50 ppm ? S < 10 ppm

Schwefel im Dieselkraftstoff – Problemefür die Abgasnachbehandlung

Die wirksame Abgasnachbehandlung benötigt

weitgehend schwefelfreien Kraftstoff

Wirkung des Schwefels auf die Nachbehandlung

90116-2

7

59

• Sulphur in Fuel

• For EGR + DOC application 10 ppm S in fuel mandatory in view of certification (PM

mass)

• More than 350 ppm S in fuel can cause severe engine wear due to sulphuric acid

after EGR cooler (intake duct, liner, piston, rings ...)

• For SCR application w/o DOC, 50 ppm S in fuel acceptable for certification

Key Issues for EGR / Aftertreatment

60


Partikel, Russ

200056-0

1b

61

ANTHROPOGENOUS PARTICULATE EMISSION

PM 2.5 –Emission Sources in Germany

62

FRAKTIONEN UND QUELLEN DER DIESEL-PARTIKELEMISSION

202011-0

3

Organisch löslich

KraftstoffSchmieröl

Organisch unlösliche Fraktion

Anorganisch löslich

(z. B. SO4--)

Anorganisch unlöslich

Russ, Aschen

GemischbildungÖlverbrauch Kraftstoff-Zusammensetzung

Quellen

Partikelfraktionen

63

Health

Relevance of

Particulates

Health Relevance

of Dust/Particulates

64

Example for Nucleation/Accumulation Mode

EU 3 Engine

Fuel D2 1. Block

ESC (13 mode test)

Particle Number Size Distribution

DDMPS

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

1,0E+08

1,0E+09

1,0E+10

1 10 100 1000

Dp [nm]

dN

/dln

(Dp

) [/

cm

3]

Mode 1

Mode 2

Mode 3

Mode 4

Mode 5

Mode 6

Mode 7

Mode 8

Mode 9

Mode 10

Mode 11

Mode 12

Mode 13

Nucleation Accumulation

65

- FuelComposition

- Fuel Sulfur Content

- Good Lube OilConsumption

- Engine Design

Pistons RingsLiners

- Oil Leaks

TurbochargerValve Stem Seals

- Lube Oil Formulation

- Good Atomization

- Reduced Wall Wetting

- Sufficient Air (O2)

- Turbocharging andIntercooling

- Small Nozzle Hole Area

- High Injection Pressure

- Rapid Pressure Drop

- Bowl Shape

- Promoted Post Burning(Swirl, Bowl Shape, Post-Inj.)

- Minimized Dead Volumes

- Fuel Properties (Boiling Range)

Soot Fuel Lube Oil Sulfates + Water

Particulate Emission

IMPORTANT PARAMETERS FOR LOW EMISSION DIESEL COMBUSTION

66

Dieselverbrennung mitniedrigsten NOx / Ruß-Emissionen

0,1

1

10

1000 1500 2000 2500 3000

Lokale Flammentemperatur [K]

Lo

kale

s L

uft

verh

ält

nis

[-]

Ruß

NOxVerbrennung mit

niedrigsten Emissionen Homogenisierung

hoher InertgasanteilStandard

Verbrennung

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30 35

NOx - g/kg fuel

So

ot -

g/k

g fu

el

SCRE* 0,5L/Cyl Class, 2000rpm, IMEP=13 bar

Combustion – EGR, Railpressure, Boostpressure:

Increasing

EGR-Rate

Increasing

Rail Pressure

Increasing

Boost Pressure

*) SCRE...Single cylinder research engine

Basis

68

2 l/Cyl HD Engine

Rated Power

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9l - O2/fuel [ - ]

So

ot

[g/k

Wh

]

O2: ~ 17 %, 28 % EGR; 1,2 g/kWh NOx

O2: ~ 19 %, 15 % EGR, 3,5 g/kWh

NOx

2 l/Cyl HD Engine

Rated Power

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9l - O2/fuel [ - ]

So

ot

[g/k

Wh

]

O2: ~ 17 %, 28 % EGR; 1,2 g/kWh NOx

O2: ~ 19 %, 15 % EGR, 3,5 g/kWh

NOx

RUSS ÜBER LUFTVERHÄLTNIS BEI UNTERSCHIEDLICHER O2

KONZENTRATION

erhöhter Ladedruck

verbesserte

Verbrennung

69

0.001 0.01 0.1 1 10 100

SOOT MASS; PARTICLE MASS [mg/kWh]

1.E+09

1.E+10

1.E+11

1.E+12

1.E+13

1.E+14

1.E+15

PA

RT

ICL

E N

UM

BE

R[1

/kW

h]

PARTICULATE NUMBER MEASUREMENT WITH AVL PARTICLE COUNTER

ESC Euro IV cEGR EO

ESC Euro IV cEGR + POC

WHTC Euro VI cEGR EO

WHTC Euro VI cEGR + DPF empty

WHTC Euro VI cEGR + DPF loaded

6*1011 #/kWh

Euro 6 particle number limit

Euro 6 particle mass limit

70

GEFAHRENPOTENTIAL AUSGEWÄHLTER PAH´S

200056-0

1b

Angabe nach: PONGRATZ LEE IRAC EPA

mut. canc.

Flouren - -

Phenathren - -

Anthracen - -

Fluoranthen +/- +

Pyren - +/-

Benz(q)pyren + + +

Chrysen+ + +/- +

Triphenylen + +/-

Benzo(b)fluoranthen ++ +++ ++

Benzo(j)fluoranthen +++ +++ ++

Benzo(k)fluoranthen ++ + ++

Benzo(a)fluoranthen

Benzo(e)pyren + - /-

Benzo(a)pyren ++++ ++++ ++

Perylen + -

Ideno(1,2,3-cd)pyren ++ ++ +

Dibenz(a,c)anthracen +

Dibenz(a,h)anthracen +

Benzo(ghi)perylen + +/- +

Wirkung nach Pongratz:

sehr stark

++++

stark

+++

mäßig

++

schwach

+

keine

-

Canceriogenität im Tierversuch nach

Lee

stark

++

schwach

+

unsicher, aber möglich

/-

nicht nach-

weisbar

IARC: Leitkomponente für die Luftüberwachung in Bezug auf cancerogene Schadstoffe der International Association for

Research on Cancer

EPA: in der von der Environmental Protection Agency herausgegebenen Liste gefährlicher Umweltgifte enthalten

71

STRUKTUR VON BENZO(A)PYREN (BAP) C20H12

200056-0

1b

72

LUNGENBELASTUNG DURCH BENZO(A)PYREN(BAP) UND NITROPYREN (NP)

200056-0

1b

73


200056-0

1b


74

BEISPIELE FÜR STANDARDREAKTIONSENTHALPIEN FÜR

T = 298 K

200056-0

1b

Reaktion DH°mR

[KJ/mol]

H2 + 0.5 O2 H2O - 241.835

H2 + CO2 H2O + CO 41.160

0.5 N2 + 1.5 H2 NH3 - 45.901

O2 O + O 498.402

C(graph) + O2 CO2 - 393.533

CO + 0.5 O2 CO2 - 282.995

C6H6 + 7.5 O2 6 CO2 + 3 H2O - 3171.585

N2 + O2 2 NO 180.586

3 H2 + CO H2O + CH4 - 206.183

75

GLEICHGEWICHTSKONSTANTE K FÜR DAS WASSERGASGLEICHGEWICHT

200056-0

1b

Wassergasgleichgewicht

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Temperatur [K]

Gle

ich

ge

wic

hts

ko

ns

tan

te K

76

ZUSAMMENSETZUNG DES TROCKENEN UND

FEUCHTEN VERBRENNUNGSGASES

FÜR MIT C:H = 1:2 UND K = 3.5

200056-0

1b

0 0.5 1 1.5 2 2.5Luftverhältnis l

0

5

10

15

20

25

30

Vol%

H2-tr

H2-f

H2O

CO2-tr

COf

COtr

O2-tr

CO2-f = H2OCO2-f

O2-f

Ru

ßgre

nze

77

ZUSAMMENSETZUNG DES VERBRENNUNGS-

GASES FÜR C:H = 1: 2, T = 1000 K

200056-0

1b

78

ZUSAMMENSETZUNG DES

VERBRENNUNGS-GASES FÜR C:H = 1: 2, T = 2000 K

200056-0

1b

79

ZEITLICHER KONZENTRATIONSVERLAUF EINER REAKTION 1. ORDNUNG

200056-0

1b

80

ZEITLICHER KONZENTRATIONSVERLAUF EINER REAKTION 2. ORDNUNG

200056-0

1b

81

EXAKTER VERLAUF UND QUASISTATIONARITÄT

200056-0

1b

82

VERGLEICH: PARTIELLES GLEICHGEWICHT –VOLLSTÄNDIGER MECHANISMUS

200056-0

1b

83

REAKTIONSFLUSS-ANALYSE:

STÖCHIOMETRISCHES METHAN-

LUFT-GEMISCH

200056-0

1b

84

200056-0

1b

REAKTIONSFLUSS-ANALYSE – FETTES

METHAN-LUFT-GEMISCH

85

VERGLEICH VON MESSDATEN UND SIMULATION MIT UMFANGREICHEN

REAKTIONSMECHANISMEN

200056-0

1b

86

VERGLEICH MESSDATEN –UMFANGREICHE – REDUZIERTE

MECHANISMEN

200056-0

1b

201030-0

2

950 K

825 K350 K

~1600 K ~2700 K

KalterKraftstoff

WarmeLuft

Fettes Kraftstoff/LuftVerhältnis

Verbrennungsprodukte fetter VerbrennungCO, UHC & Particulates

NOxCO2 & H2O - Bildung

Temperaturen

ChemieSource: SAE Paper No. 1999-01-0509

Schema der Verbrennung am

Dieselstrahl

AIR

FUEL

INTAKE

PORTS

INJECTION

SYSTEM

COMBUSTION

CHAMBER

AIR/FUEL

MIXING

IGNITION

COMBUSTION

HEAT

RELEASE

EXHAUST

EMISSIONS

Diesel Combustion Process Overview

89

ZEITLICHE FLUKTUATION UND ZEITLICHER MITTELWERT

200056-0

1b

90

VERBRENNUNGSMODELLE

200056-0

1b

Eddy Break-up Modelle

Rein Turbulenz kontrolliert

Flamelet Modelle

Reaktionskinetik eindimensional berechnet

und Ergebnisse in CFD-Berechnung übertragen

PDF Modelle

Wechselwirkung zwischen Reaktionskinetik und

Turbulenz direkt berechnet

91

VERGLEICH DER BRENNVERLÄUFE DER 3D SIMULATION UND

MOTORPROZESSRECHNUNG

200056-0

1b

rich mixture

SOOT

formedT=1600K

agglomerated

transported

diffusion zone

air excess

high temperature

T=2700Kconsumedif high heat release

emission correlatesgas temp.@ 75% heat release

O2press.@ EOC

cylinder press.@ SOC

burn-off dominating

premixed zoneFuel-Rich Premixed Flame

Initial Soot Formation

Thermal NO Production Zone

Soot Oxidation Zone

View on Formation of Major Emission

Components

NOx formed

diffusion zone

T>2700K

Zeldovichmechanism

peak flame temperature

emission correlates

consumed

marginally

O2+N2 ->NO+N

N+O2->NO+O

N+OH ->NO+H

950 K950 K

825 K825 K350 K350 K

~1600 K~1600 K ~2700 K~2700 K

ColdColdFuelFuel

WarmWarmAirAir

Rich Fuel/AirRich Fuel/Air

Products of RichProducts of RichCombustionCombustion

CO, UHC & ParticulatesCO, UHC & Particulates

NOxNOx

COCO22 & H & H22OO

93

CO-KONZENTRATION, REAKTIONSKINETISCHE BETRACHTUNG UND

GLEICHGEWICHTSBETRACHTUNG

200056-0

1b

94

CO-KONZENTRATION: EINGEFRORENES GLEICHGEWICHT BEI OT UND BEI AÖ, KINETISCHE

MODELLIERUNG UND MESSWERTE

200056-0

1b

95

BERECHNETE UND GEMESSENE NO –KONZENTRATIONEN IN H2 / LUFT FLAMMEN

200056-0

1b

96

BERECHNETE NO – KONZENTRATIONEN FÜR UNTERSCHIEDLICH KOMPLEXE

REAKTIONSMECHANISMEN

200056-0

1b

97

BERECHNUNGSGITTER FÜR DIE VERBRENNUNGS- UND STICKOXIDSIMULATION

200056-0

1b

98

TEMPERATURVERLÄUFE AN DEN ZWEI BEOBACHTUNGSPUNKTEN IM BRENNRAUM

200056-0

1b

99

MITTLERE BRENNRAUMTEMPERATUR IN ABHÄNGIGKEIT VOM EGR –ANTEIL

200056-0

1b

100

MASSENANTEIL NO IN ABHÄNGIGKEIT VOM EGR -ANTEIL

200056-0

1b

101

MASSENANTEIL AN NO IN ABHÄNGIGKEIT DES ZÜNDZEITPUNKTES

200056-0

1b

102

RUSSBILDUNGSGRENZEN VERSCHIEDENER ATMOSPHÄRISCHER VORMISCHFLAMMEN

200056-0

1b

Brennstoff chem. Bez. CmHn lR l bei (O/C)krit

Ethan C2H6 0.285 0.47

Propan C3H8 0.300 0.47

n-Pentan C5H12 0.313 0.45

n-Oktan C8H18 0.320 0.45

Ethin C2H2 0.400 0.83

Ethen C2H4 0.330 0.60

Benzol C6H6 0.400 0.57

103

200056-0

1b

SCHEMA DER RUSSBILDUNG IN EINER VORMISCHFLAMME

104

DREI PHASEN DER RUSSENTSTEHUNG

200056-0

1b

W C en n

f fn

n

2

2

W N F f Tg avg 62

31

32

3 ,

W R f C p T eo OH O

C

T

2

31

1

2

2

2

Keimbildung

Oberflächenwachstum

Rußabbrand

105

AUSWIRKUNGEN DER PARTIKELSTRAHLUNG AUF DIE TEMPERATURPROFILE IN EINER LAMINAREN

DIFFUSIONSFLAMME

200056-0

1b

Horizontalschnitt 8 mm über dem Brenneraustritt

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

Abstand vom Flammenkern [m]

TE

MP

ER

AT

UR

[K

]

mit Strahlung

ohne Strahlung

Messdaten

106

200056-0

1b

Horizontalschnitt 25 mm über dem Brennerkante

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

Abstand vom Flammenkern [m]

TE

MP

ER

AT

UR

[K

]

mit Strahlung

ohne Strahlung

Messdaten

AUSWIRKUNGEN DER PARTIKELSTRAHLUNG AUF DIE TEMPERATURPROFILE IN EINER LAMINAREN

DIFFUSIONSFLAMME

Schadstoffbildung und Emissionsminimierung bei Kfz Teil I...NOx legislations >2g/kWh Power density...

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