Projekt 28831/01

Weiterentwicklung von Abgasnachbehandlungssystemen für den Aussetzbetrieb bei mobilen Arbeitsmaschinen, die zur Effizienzsteigerung über Hybridantriebe verfügen

Projektdurchführung

HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co. KG
Dieselweg 12
58706 Menden

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die energetischen Vorteile und die CO2-Minderung hybrider Antriebssysteme ergeben sich vorwiegend bei intermittierenden Lastzyklen, nur hier kann das Rekuperationspotential von wiederaufladbaren Energiespeichern genutzt werden. So ergibt sich in hybriden Antrieben die Nutzung des Primäraggregates im energetisch vorteilhaften Aussetzbetrieb.
Den o. g. Vorteilen des Aussetzbetriebs im Hybridantrieb steht allerdings die deutliche Verschlechterung der Bedingungen für die Abgasnachbehandlung gegenüber. Derzeit ungelöste Probleme stellen die Gestaltung des Thermomanagements und der Regenerationsphasen für das gesamte Abgasnachbehandlungssystem dar. Es stellt sich die Frage nach der Anpassung dieser Systeme an den Aussetzbetrieb. Für eine derartige Anpassung ist es erforderlich, die Anforderungen zu definieren, denen ein neu gestaltetes System gerecht werden muss. Die Anforderungsanalyse für künftiges Thermomanagement und Regeneration dieselmotorischer Abgasnachbehandlungssysteme mobiler Maschinen mit Aussetzbetrieb stellt demnach den inhaltlichen Schwerpunkt dieses Projektes dar.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der ersten Projektphase soll die im Aussetzbetrieb arbeitende Freikolbenmaschine am Motorenprüfstand des fif in Betrieb genommen und die Komponenten der Abgasnachbehandlung vorausgelegt werden. In der nachfolgenden ersten Messkampagne werden die Emissionsreduktionspotentiale der eingesetzten Abgasnachbehandlungskomponenten ohne zusätzliches Thermomanagement ermittelt und die Auslegung für die nachfolgenden Versuche optimiert. In der zweiten Messkampagne werden die Emissionen im Aussetzbetrieb, ggf. mit zusätzlichem Thermomanagement, mit erweitertem Messaufwand (detaillierte PM-Analytik) untersucht und optimiert. Die abschließende Messreihe dient der umfassenden Dokumentation der Emissionsminderungspotentiale des entwickelten AGN-Systems.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurden Untersuchungen für die spezifischen Anforderungen an dieselmotorische Abgasnachbehandlungssysteme beim Aussetzbetrieb des Primäraggregates hybrider mobiler Maschinen durchgeführt. Der Aussetzbetrieb des Primäraggregates wurde durch eine thermohydraulische Freikolbenmaschine auf einem Motorenprüfstand dargestellt. Als repräsentative typische Lastzyklen wurden ein Schwachlastzyklus (Zyklusdauer: 4.574 Sekunden) und ein VDI-Staplerzyklus (Zyklusdauer: 6.437 Sekunden) verwendet. Somit war eine gute Reproduzierbarkeit der Versuchsrandbedingungen gegeben. Das Temperaturniveau im Abgasstrang ist bei diesen Lastzyklen deutlich niedriger als bei kontinuierlichem Betrieb des Primäraggregates, so dass eine konventionelle Abgasnachbehandlungstechnik unter diesen Temperaturrandbedingungen versagt. Es muss auch erwähnt werden, dass die Besonderheit des Primäraggregates aus der Sicht der thermischen Randbedingungen zu einer Verschärfung der Anforderungen beiträgt, da es beim Betrieb keinen Leelaufanteil und keine Teillast gibt, so dass in den Stillstandszeiten keinerlei exotherme Verbrennungsvorgänge stattfinden und davon auszugehen ist, dass beim thermischen Gesamtniveau ungünstigere Verhältnisse als mit Leerlauf- und Teillastanteilen vorliegen. Vorversuche mit einer thermisch isolierten Abgasanlage haben gezeigt, dass sich das thermische Niveau auch bei Aussetzbetrieb günstig beeinflussen läßt. Hier muss allerdings die Frage geklärt werden, ob das Kosten-Nutzen-Verhältnis im Zusammenhang mit den ohnehin erforderlichen Nachbehandlungskomponenten angemessen ist.
Als (passive) Abgasnachbehandlungskomponenten kamen ein Keramik - DOC, ein Metallit - DOC und ein Sintermetall - DPF zum Einsatz. Die Konversion (DOC) und Abscheidung (DPF) im Aussetzbetrieb ist in ähnlicher Weise ohne weitere Zusatzmaßnahmen wie beim Stationärbetrieb gegeben, wobei die Konversionsraten im Aussetzbetrieb etwas geringer sind. Es zeigte sich, dass die besondere Problematik im Aussetzbetrieb die zuverlässige Regeneration des Partikelfilters ist. Dieses Problem scheint nur unter Zuhilfenahme weiterer aktiver Nachbehandlungskomponenten lösbar zu sein.
Mit dem elektrisch beheizbaren Partikelfiltersystem (SMF - AR) und einem speziellen Kraftstoffadditiv mit der Bezeichnung F51 von der Fa. HJS konnte der experimentelle Nachweis erbracht werden, dass eine zuverlässige, reproduzierbare Regeneration des Filters auch im Aussetzbetrieb realisiert werden kann. Allerdings ist dafür Voraussetzung, dass nur in einer bestimmten Korrelation von Beladungszustand (Abgasgegendruck), damit einhergehendem Temperaturniveau im Abgasstrang, einer Dotierung des Kraftstoffs mit Additiv, Einsatz einer (elektrischen) Zusatzheizung und Zuführung von Sekundärluft für den Russabbrand, die Filterregeneration gestartet wird.
Die diesbezüglichen Untersuchungen haben ergeben, dass auch ohne Zusatzheizmaßnahme eine Regeneration durchgeführt werden kann, wenn die anderen Parameter in entsprechender Korrelation vorliegen.
Künftige Untersuchungen sollten sich damit befassen, die Grenzen einer sicheren Regeneration unter diesen Randbedingungen auszuloten und eine optimale Kombination unter möglichst geringem, zusätzlichen Energieaufwand zu erarbeiten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Erste Posterpräsentation von Zwischenergebnissen auf der 5. Fachtagung Baumaschinentechnik im September 2012 in Dresden. Weiterhin ist geplant, die Ergebnisse im Wissensportal Bau- und Baustoffmaschinen (www.baumaschine.de) nach Projektabschluss vorzustellen.


Fazit

Mit zwei Lastzyklen (Schwachlast, VDI-Staplerzyklus), die den Aussetzbetrieb (Start-Stopp-Betrieb) eines Primäraggregates für mobile Anwendungen repräsentieren, wurden die Einsatzmöglichkeiten von Abgasnachbehandlungskomponenten hinsichtlich Konvertierung von gasförmigen Abgasbestandteilen und Regeneration von Partikelfiltern untersucht. Es wurde deutlich, dass die am Markt verfügbaren Nachbehandlungskomponenten prinzipiell für den Einsatz im Aussetzbetrieb geeignet sind. Ohne eine entsprechende Weiterentwicklung (Anpassung) kann aber den besonderen thermischen Randbedingungen im Aussetzbetrieb nicht Rechnung getragen werden. Es müssen entsprechende Kombinationen von Temperaturniveau im Abgasstrang, Beladungszustand des Partikelfilters, Additivkonzentration, Einsatz einer Zusatzheizung und Verwendung von Sekundärluft für den Russabbrand berücksichtigt werden. Weitere Untersuchungen sollten der Erarbeitung von optimalen Kombinationen dienen.