„SCR-ONLY-STRATEGIEN SIND DERZEIT IM TREND“Ab 2014 treten für Offroad-Nutzfahrzeuge in Europa und Nordamerika stufenweise die vorläufig schärfsten

Abgasbestimmungen in Kraft. Hierfür haben die Unternehmen in den letzten Jahren neue Systeme und

Lösungen entwickelt. ATZoffhighway sprach am Tenneco-Standort Edenkoben mit Bernd Scherer, Executive

Director Systems Engineering Clean Air Europe, und Frank Terres, Engineering Director Exhaust Aftertreatment

Technology Clean Air Europe, über diese neuen Lösungen sowie zukünftige Entwicklungen.

Dipl.-Ing. Bernd Scherer, Jahrgang 1961, studierte an der RWTH Aachen Kraftfahrzeugtechnik. Nach seinem Studium zog es ihn ins Süddeutsche. Hier startete er seine berufliche Karriere bei der J. Eberspächer GmbH & Co. KG als Entwicklungsingenieur. Weitere Positionen in dem Unternehmen folgten schnell als Projektleiter, später dann als Abteilungsleiter. 2008 wechselte er dann zu Tenneco GmbH, wo er heute als Leiter Produktentwicklung und Versuch für Clean Air Europa tätig ist.

Dipl.-Ing. Frank Terres, Jahrgang 1962, studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Kaiserslautern. Seine Laufbahn begann er bei der Heinrich Gillet GmbH in der Forschung und Vorentwick-lung. Hier wurde ihm schon nach kurzer Zeit die Leitung einer Gruppe und schließlich der ganzen Abteilung übertragen. Auch nach der Übernahme von Gillet durch Tenneco 1994 blieb er dem Stand-ort Edenkoben treu. Seit 2008 verantwortet er dort die Produkt-entwicklung für Abgasreinigungskomponenten für Clean Air Europa.

INTERVIEW

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ATZoffhighway _ Tenneco zählt zu den welt-weit führenden Anbietern für Abgassysteme. Wie unterscheidet sich die Entwicklung für die Bereiche Onroad und Offroad?SCHERER _ Die größten Unterschiede zwi-schen On- und Offroad liegen sicherlich im zur Verfügung stehenden Bauraum. Da sind die Anforderungen ganz anders. Bei Straßenfahrzeugen hängen die Abgassysteme meistens am Rahmen. Bei Offroad-Fahrzeugen sind sie entweder unter der Haube, neben der Fahrerkabine oder kurz vor der Fahrerkabine außer-halb des Motorraums fixiert. Ein zweiter Differenzierungspunkt ist sicherlich, dass die Akustikgesetzgebung bei Off-road-Fahrzeugen nicht so streng ist wie bei Straßenfahrzeugen. Hieraus resul-tiert, dass wir bei Straßenfahrzeugen einen Teil des Abgasreinigungssystems auch bezüglich der Akustik abstimmen müssen.TERRES _ Ein sehr wichtiger Punkt ist, dass die Gesetzgebung bezüglich Abgas-emissionen für On- und Offroad sehr unterschiedlich ist. Euro-VI-Fahrzeuge benötigen neben SCR auch zwingend einen Partikelfilter aufgrund der Parti-kelanzahlbegrenzung. Das heißt, wir müssen bei Straßenfahrzeugen Diesel-oxidationskatalysatoren (DOC), Diesel-partikelfilter (DPF) und Systeme für die selektive katalytische Reduktion (SCR) in eine Box integrieren. Bei Offroad sieht das noch ein bisschen anders aus. Hier wurden bisher Systeme mit DOC und DPF oder nur mit SCR realisiert. Und dieser Trend setzt sich auch für Stufe IV in Europa fort, nur dass es jetzt wahr-scheinlich SCR-only-Systeme sind, mit denen man die Stufe IV erfüllen möchte. Erst für größere Motoren oberhalb von 130 kW wird man ein DPF hinzufügen müssen. So erhält man sich die Flexibili-tät, diese Maschinen auch in Bereichen einzusetzen, wo Filter grundsätzlich vorgeschrieben sind, wie zum Beispiel in der Schweiz oder Stuttgart 21.

Ist der Kraftstoffverbrauch nicht höher ohne DPF?TERRES _ Nein, bei Einsatz von SCR-Tech-nologie wird der Motor soweit kalibriert, dass die Partikel innermotorisch redu-ziert werden. Dies ist gleichzeitig die Kalibrierung, die auch den günstigsten Verbrauch ergibt. Denn je höher die Tem-peratur, desto effektiver und effizienter ist die Verbrennung – und desto geringer sind der Verbrauch und auch die Par-

tikelemissionen. Gleichzeitig sind aber die Stickoxidemissionen an die Verbren-nungsspitzentemperaturen gekoppelt, das heißt, bei dieser Kalibrierung herr-schen die höchsten NOx-Emissionen.

Wann können wir im Offroad-Bereich mit Vorschriften bezüglich der Partikelanzahl rechnen?TERRES _ Ob die Grenzwerte bezüglich Partikelanzahl kommen, wird sehr, sehr heftig diskutiert. Aber wir gehen davon aus, dass sie kommen werden und haben für diesen Fall auch die Produkte und Lösungen.

Tier 4 final beziehungsweise EU-Stufe IV tritt 2014 stufenweise in Kraft, die hierfür notwendigen Produkte sind entwickelt. Ist nun mit einem „Durchatmen“ bei der Abgasreduzierung zu rechnen, oder bereitet Tenneco sich schon auf die nächsten Verschärfungen vor?SCHERER _ Es wird heute schon über die Stufe V und deren Grenzwerte diskutiert, wofür dann auch wieder neue Lösungen gefunden werden müssen.

Hier steht aber noch kein Datum fest, oder?SCHERER _ Wir schätzen, dass die Einfüh-rung in den Jahren 2018 bis 2020 statt-finden wird. Um aber auf Ihre Frage bezüglich „Durchatmen“ zurückzukom-men: Bei zukünftigen Entwicklungen wird der Fokus sicherlich ein anderer sein. Bisher haben wir nur über Emissio-nen gesprochen. Die heutigen Fahrzeug-abgase sind aber fast sauberer als die Luft, die der Motor ansaugt, da ist nicht mehr viel Spielraum für neue Grenz-werte. Der zukünftige Fokus wird mehr in Richtung Treibhausgase gehen. Die CO2-Reduktion ist wiederum direkt gekoppelt mit dem Kraftstoffverbrauch. Daher sind insbesondere verbrauchsmin-dernde Systeme gefragt: Wie kann ich den Kraftstoffverbrauch reduzieren, wie kann ich die Energie zurückgewinnen, die im Abgas steckt, wie kann ich den Verbrauch durch Leichtbau reduzieren? Das sind die Themen, die uns in der Zukunft sehr stark beschäftigen werden.Da Tenneco international tätig ist, beob-achten wir natürlich auch die internatio-nalen Märkte und deren Strömungen sehr genau. Beispielsweise gibt es Pro-jekte, bei denen asiatische Hersteller in Märkte exportieren möchten, wo sie ent-weder Euro VI für Onroad oder Tier 4 final für Offroad erfüllen müssen. Wir sind hier mit unseren weltweiten

„Die Akustikgesetzgebung bei

Offroad-Fahrzeugen ist nicht so

streng wie bei Straßenfahrzeugen.“

Für Bernd Scherer liegen die größten Unterschiede zwischen Onroad und Offroad im zur Verfügung stehenden Bauraum For Bernd Scherer, the main differences between on-road and off-road applications are in the installation space available

15 Juli 2013

Entwicklungszentren und Produktions-stätten gut darauf vorbereitet, diese Pro-jekte zu unterstützen. Ein gutes Beispiel hierfür ist vielleicht die Eröffnung eines Werks in Japan für Kubota, einen großen japanischen Motorenhersteller. Hier liefern wir ab Mitte des Jahres Systeme sowohl für den lokalen als auch den Exportmarkt. Diese Systeme wurden lokal entwickelt mit der Unterstützung durch die Hauptentwicklungszentren in den USA und Europa. Das gleiche Vorge-hen wenden wir auch an für Projekte in Indien oder in China. Wir nutzen also unsere globale Präsenz mit knapp 1000 Ingenieuren, die sich des Themas Abgas-reinigung annehmen, um auch bei sol-chen Märkten vorne mit dabei zu sein.

Einige Offroad-Motorenhersteller haben auf-grund der fehlenden Beschränkung bezüglich Partikelanzahl ihre Motoren so abgestimmt, dass sie ohne einen DPF auskommen. Wie sieht hier die Lösung bei Tenneco aus?TERRES _ Unsere Kunden entscheiden, ob sie eine SCR-only-Strategie gehen oder ob sie SCR und DPF einsetzen möchten. Wenn wir uns aber den Markt anschauen, dann sehen wir den Trend, dass man bei kleineren Motoren weiter-hin versucht, den SCR-only-Weg zu gehen, der weniger Kraftstoff verbraucht. Die Motoren werden so kalibriert, dass man die Partikelgrenzwerte einhält. Dann benötigt man allerdings SCR-Sys-

teme mit Wirkungsgraden von bis zu 95 %, um die Stickoxide ins Zielfenster zu bekommen.

Mit dieser Lösung werden dann auch Ammoniakschlupf und/oder kristalline Ablagerungen im Abgassystem verhindert?TERRES _ 95 % Wirkungsgrad in einem NRTC-Zyklus, das bedeutet, dass man quasi in jedem Betriebspunkt eine sehr hohe Umsatzrate für NOx braucht. Hier-

für muss man die entsprechenden Men-gen an Harnstofflösung einspritzen. Und das ist eine echte Herausforderung im Hinblick auf die Vermeidung von Ablage-rungen und auch bezogen auf die Redu-zierung des Ammoniakschlupfs. Aber es geht! Ein ganz wichtiger Punkt ist hier-bei das Mischstreckendesign. Es ist sehr einfach, eine bestimmte Menge Redukti-onsmittel ins System zu spritzen, aber damit beginnt eigentlich erst die Arbeit. Denn was eingespritzt wird, muss ver-dampft und hydrolisiert werden. Das gasförmige Ammoniak muss anschlie-

ßend sehr effektiv mit dem Abgas ver-mischt werden, auch das ist nicht trivial. Um einen hohen Wirkungsgrad zu errei-chen und um Ammoniakschlupf zu ver-meiden, muss abschließend das Gas sehr gleichmäßig und gleichförmig auf dem SCR-Kat verteilt werden. Wir haben zur Realisierung dieses komplexen Prozesses geeignete Mischerkonzepte entwickelt. In der Regel konzipieren wir unsere Produkte dabei so, dass sie in möglichst viele Maschinen passen. Bei größeren Stückzahlen werden natürlich auch spezielle Lösungen kreiert, um beispiels-weise spezielle Packageprobleme zu lösen.SCHERER _ Um solch hohe Einspritzraten von Harnstoff realisieren zu können, haben wir auch sehr viel Entwicklungs-zeit in die passende Materialwahl der zuführenden Rohre und Trichter inves-tiert. Hierfür haben wir in eigenen Ver-suchen in unserem Prüflabor in Polen die Widerstandsfähigkeit der verschiede-nen, von uns eingesetzten Edelstähle gegenüber dem aggressiven Harnstoff nachgewiesen.

Werden durch alternative Antriebskonzepte wie beispielsweise die Elektromobilität in Zukunft Abgassysteme ein Auslaufmodell sein?SCHERER _ Die Frage bekommen wir natürlich oft gestellt. Wir gehen davon aus, dass der Verbrennungsmotor auch in den nächsten Jahren eine deutliche Rolle spielen wird. Die Zukunft sehen wir in der Verbrauchsoptimierung. Starker Fokus liegt daher bei uns auf der Entwicklung von Produkten zur Energierückgewinnung aus dem Abgas.TERRES _ Dass man den Verbrennungs-motor bei Offroad-Anwendungen erset-zen kann, sehe ich ebenfalls nicht. Auch in absehbarer Zukunft werden rein elek-trisch angetriebene Traktoren oder Bau-maschinen außer in Nischenanwendun-gen nicht zum Einsatz kommen – allein schon wegen der begrenzten Speicher-kapazität der Batterien. Somit wird in den meisten Anwendungen – auch bei hybriden Lösungen – auf jeden Fall ein Verbrennungsmotor und damit eine Abgasnachbehandlung benötigt.

Herr Scherer und Herr Terres, vielen Dank für das interessante Gespräch.

INTERVIEW: Andreas FuchsFOTOS: Albrecht Fehlig

Frank Terres meint, dass Grenzwerte bezüglich Partikelanzahl auch für Offroad-Anwendungen beschlossen werden Frank Terres believes that limit values for particle numbers will also be introduced for off-road applications

„Es wird heute schon über die

Stufe V und deren Grenzwerte

diskutiert, wofür dann auch wieder

neue Lösungen gefunden werden

müssen.“

INTERVIEW

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“SCR-ONLY STRATEGIES ARE CURRENTLY THE TREND”From 2014, what is currently the strictest emissions legislation will come into force step by step for off-road

commercial vehicles in Europe and North America. In preparation for this, companies have been developing new

systems and solutions in recent years. ATZoffhighway spoke to Bernd Scherer, Executive Director Systems

Engineering Clean Air Europe, and Frank Terres, Engineering Director Exhaust Aftertreatment Technology Clean

Air Europe, at Tenneco’s Edenkoben location, about these new solutions and future developments.

Dipl.-Ing. Bernd Scherer was born in 1961 and studied automotive engineering at RWTH Aachen University. After graduating, he moved to the south of Germany. There, he began is career as a development engineer at J. Eberspächer GmbH & Co. KG. This was quickly followed by other posts as project manager and finally as head of department. In 2008, he joined Tenneco GmbH, where he is now Executive Director Systems Engineering Clean Air Europe.

Dipl.-Ing. Frank Terres was born in 1962 and studied mechanical engineering at the Technical University of Kaiserslautern. His career began in research and advance development at Heinrich Gillet GmbH. He was soon given responsibility as a project manager and was ultimately appointed as head of the whole department. He remained at the Edenkoben site after the acquisition of Gillet by Tenneco in 1994. Since 2008, he has been Engineering Director Exhaust Aftertreatment Technology Clean Air Europe.

ATZoffhighway _ Tenneco is one of the world’s leading suppliers of exhaust systems. What are the differences between develop-ment for the on-road and off-road sectors?SCHERER _ The biggest differences between on-road and off-road applica-tions are certainly in the amount of installation space available. The require-ments are completely different. For road vehicles, the exhaust systems are usually connected to the chassis. On off-road

vehicles, they are mounted either under the bonnet, next to the driver’s cab or just in front of the driver’s cab outside the engine compartment. A second difference is that acoustics legislation for off-road vehicles is not as strict as for road vehicles. This means that, for road vehicles, we also have to design part of the exhaust aftertreatment system with a view to its acoustics.TERRES _ A very important point is the fact that exhaust emissions legislation is very different for on-road and off-road

vehicles. Euro VI vehicles not only require SCR but must also have a par-ticulate filter due to limitations on parti-cle numbers. This means that, for road vehicles, we have to integrate diesel oxi-dation catalysts (DOC), diesel particulate filters (DPF) and systems for selective catalytic reduction (SCR) in one box. For off-road vehicles, the situation is a little different. Here, systems with DOC and DPF or with SCR alone have so far been implemented. And this trend is also continuing for Stage IV in Europe, except that the aim is probably now to achieve the Stage IV limits with SCR systems alone. Only for larger engines above 130 kW will it be necessary to add a DPF. This also offers the flexibility to use these machines in areas in which filters are mandatory, for example in Switzer-land or for Stuttgart 21.

Isn’t fuel consumption higher without a DPF?TERRES _ No, if SCR technology is used, the engine is calibrated in such a way that the particulates are reduced inside the cylinder. This is also the calibration that produces the lowest fuel consump-tion. The higher the temperature, the more effective and more efficient com-bustion becomes – and fuel consumption

and particulate emissions are reduced accordingly. At the same time, however, NOx emissions are linked to the peak combustion temperatures, which means that this calibration produces the highest NOx emissions.

When can we expect to see legislation on particle numbers in the off-road sector?TERRES _ There is an extremely lively discussion going on about whether there will be limits for particle numbers. But we are assuming that limits will indeed be imposed and also have the products and solutions for this eventuality.

Tier 4 final and EU Stage IV will come into force step by step from 2014, and the neces-sary products have been developed. Can you now relax as far as exhaust emissions are concerned or is Tenneco already preparing for further tightening of the legislation?SCHERER _ There is already discussion about Stage V and its limit values, for which new solutions will once again have to be found.

But the date has not yet been set, has it?SCHERER _ We estimate that the introduc-tion will take place in 2018 to 2020. But to answer your question on whether we

“Acoustics legislation for

off-road vehicles is not as strict

as for road vehicles.”

17 July 2013

INTERVIEW

can now “relax”: the focus of future developments will certainly be a differ-ent one. So far, we have only been talk-ing about emissions. Today’s vehicle emissions are almost cleaner than the air that the engine draws in, and there is not much room left for new limits. In future, the focus will be more on greenhouse gases. Reducing carbon emissions is itself directly linked with fuel consump-tion. For that reason, there is a particular need for systems that improve fuel effi-ciency: how can I reduce fuel consump-tion, how can I recover energy from the exhaust gas, how can I improve fuel effi-ciency by means of lightweight design? These are the issues that we will need to concentrate on in the future.As Tenneco is an international company, we are of course keeping a very close eye on international markets and their trends. For example, there are projects in which Asian manufacturers want to export into markets where they have to comply with either Euro VI for on-road or Tier 4 final for off-road applications. Our worldwide development centres and production facilities mean that we are well prepared to support these projects. Perhaps a good example is the opening of a plant in Japan for Kubota, a large Japanese engine manufacturer. From the middle of this year, we will be supplying systems from this plant both for the local market and for export. These systems were developed locally with support from the main development centres in the USA and Europe. We are also apply-ing the same procedure for projects in India and China. We are therefore using our global presence with almost 1,000 engineers working on the subject of exhaust aftertreatment to ensure that we are among the leaders in such markets too.

Due to the lack of specified limits, some off-road engine manufacturers have set the particle number of their engines in such a way that they do not require a DPF. What is the Tenneco solution?TERRES _ Our customers decide whether they want to pursue an SCR-only strat-egy or use SCR together with a DPF. But if we look at the market, we can see a continued trend towards trying to use a SCR-only strategy for smaller engines, as it uses less fuel. The engines are cali-brated to comply with the particulate limits. This requires systems with effi-

ciencies of up to 95 % in order to keep the NOx within the target window.

Does this solution then prevent ammonia slip and/or crystalline deposits in the exhaust system?TERRES _ 95 % efficiency in a Non-Road Transient Cycle (NRTC) means that a very high NOx conversion rate is required at virtually every operating point. To achieve this, sufficient quanti-ties of urea solution need to be injected. And that is a real challenge when it comes to avoiding deposits and reducing ammonia slip. But it is possible. A very important point is the design of the mixer system. It is very easy to inject a certain amount of reducing agent into the system, but it’s only then that the real work begins. What has been

injected then has to be vaporised and hydrolysed. The gaseous ammonia must subsequently be mixed very effectively with the exhaust, and that is no trivial matter. In order to achieve high effi-ciency, the gas must finally be distrib-uted very evenly and uniformly over the SCR catalyst. We have developed mixer concepts to perform this complex pro-cess. As a rule, we design our products in such a way that they fit into as many machines as possible. For larger produc-tion volumes, special solutions are of course created, for example to solve spe-cial package problems.SCHERER _ In order to achieve such high urea injection rates, we have invested a great deal of development time into finding the best material for the feeder pipes and funnels. Our own tests at our testing laboratory in Poland have proven the resistance of the various stainless steels that we use against the aggressive effects of urea.

Will alternative drive concepts such as elec-tric mobility make exhaust systems obsolete in the future? SCHERER _ We are often asked this ques-tion, of course. We expect the internal combustion engine to continue to play a significant role in the years to come. We

see the future in the optimisation of fuel efficiency. We are therefore strongly focusing on developing products for exhaust energy recovery.TERRES _ I also do not believe that we can replace the internal combustion engine in off-road applications. Even in the fore-seeable future, fully electrically powered tractors or construction machines will not be used except in niche applications – due to the limited storage capacity of the batteries alone. For that reason, most applications – even with hybrid solutions – will definitely require an internal com-bustion engine and therefore an exhaust aftertreatment system.

Bernd Scherer and Frank Terres, thank you very much for this interesting interview.

INTERVIEW: Andreas FuchsPHOTOS: Albrecht Fehlig

“There is already discussion about

Stage V and its limit values,

for which new solutions will once

again have to be found.”

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INTERVIEW

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