NO x -lagring för tunga dieselfordon

NO x -lagring för tunga dieselfordon Slutrapport projekt P12526-1 Energimyndigheten Ingemar Odenbrand Klaus Papadakis Institutionen för Kemiteknik, Lunds tekniska högskola Lunds Universitet, Februari 2004

Innehållsförteckning Innehållsförteckning... 2 Sammanfattning... 3 Summary... 4 NO X -lagringstekniken... 5 Bänkskaleundersökning... 5 Bygge av mottorriggen... 7 Uppbyggnad, test och reglering av avgasreningssystemets mekaniska komponenter... 8 Katalysatorflödets storlek... 9 Radiell fördelning av insprutat kolväte... 10 NO x -reduktionsgraden... 10 Katalysatormodell... 13 Statistisk design för optimering av stationära försök... 15 En första ETC-cykelkörning... 16 Konferenser... 17 Publikationer... 17 2

Sammanfattning NO X -lagringstekniken har använts för att illustrera hur man kan reducera mängden kväveoxider som släpps ut från tunga dieselfordon. Systemet är komplext och har undersökts i bänkskala och i fullskala på en 11 l motor monterad i en rigg. I metoden används ett katalysatorsystem bestående av oxidationskatalysatorer och NO X -fällor. NO X lagras i fällorna under normal drift och sedan reduceras den med hjälp av upprepade korta insprutningar av kolväten (oftast dieselbränsle) varje eller varannan minut. En katalysatormodell som beskriver funktionen hos NO X -fällorna har utvecklats och anpassats till data från testkörningar. I en statistisk design togs data fram från stationära försök vilka skulle ligga till grund för en enkel doseringsstrategi i transienta försök. Resultaten från den första transientkörningen visade att 3,5-3,6 g NO X /kwh (54 %) reducerades med ett bränslestraff på 5,8 %. 3

Summary The NO X storage and reduction technology was used to illustrate how it is possible to reduce the amounts of nitrogen oxides emitted from heavy-duty diesel vehicles. The system is complex and has been investigated in bench scale as well as in full scale on an 11 litre engine mounted in a rig. The method uses a catalyst system consisting of oxidation catalysts and NO X traps. NO X is stored in the traps under normal conditions and is reduced with the aid of repeated short injections of hydrocarbons (mostly diesel) each or every other minute. A catalyst model that describes the function of the NO X traps has been developed and adjusted to data from test runs. Statistical design was used to evaluate data from stationary experiments performed in order to give a basis for transient experiments. Results from the first transient cycle showed that 3.5 to 3.6 g NO X /kwh (54 %) was reduced with a fuel penalty of 5.8 %. 4

NO X -lagringstekniken Utsläpp av NO X från tunga lastbilar är ett av de största miljöproblemen. Bland olika åtgärder som kan minska lastbilars NO X -utsläpp finns NO X -lagringstekniken. Detta är en teknik där NO X lagras på en katalysatoryta under normal drift och sedan reduceras med hjälp av upprepade insprutningar av kolväten varje eller varannan minut. Vid Lunds tekniska högskola/institutionen för kemiteknik har ett sådant avgassystem i en motorrigg byggts upp. Detta med hjälp av STEM:s finansiering i samarbete med avdelningen för förbränningsmotorer vid LTH samt avdelningen för kemisk reaktionsteknik vid Chalmers. Dessutom deltog representanter från lastbilsindustrierna Volvo och Scania samt katalysatortillverkaren Johnson Matthey. NO X -lagringstekniken upptäcktes 1994 av Toyota och har därefter vidareutvecklats av flera internationella forskargrupper. Reaktionsmekanismen kan förenklat beskrivas så att NO 2 lagras på en BaO-yta som Ba(NO 3 ) 2. NO lagras inte utan måste först oxideras till NO 2 på Pt-partiklar på katalysatorns yta. Detta pågår under syrerika förhållanden. NO X - lagringstiden kan vara en till två minuter. Sedan sprutas kolväten in under en kort tid (1-20 s) så att λ<1 (syrefattiga förhållanden) uppnås. NO X desorberas och reduceras till kväve förmodligen på Rh. Tiden där NO 2 lagras som Ba(NO 3 ) 2 kallas NO X -lagringstid, tiden där den reduceras regenerationstid. Tillsammans ger de en NO X -lagrings- och regenerationscykel med en tillhörande cykeltid. Skall tekniken användas i lastbilar så kan reduktionsmedlet vara dieselbränslet då det redan finns tillgängligt på fordonet. I det här projektet användes alltså dieselbränslet för att uppnå så realistiska förhållanden som möjligt. Det sprutades in med en injektor som sitter 80 cm uppströms katalysatorn i avgasröret. Bränslet sprutas in mot avgasflödet för att få en bra omblandning av bränslet och avgaserna. Perioden när dieselbränslet sprutades in kallas injektionstid. Figur 1 visar mekanismen för NO X -lagringstekniken. Figur 1. Mekanismen för NO X -lagringstekniken. Bänkskaleundersökning I början av projektet fanns det mycket litteratur om arbetet med NO X -fällor i laboratorieförsök, d.v.s. de flesta forskare arbetade med katalysatorer som bara var några få centimeter stora. Frågan uppstod om resultat från sådana försök kunde appliceras på en fullskaleanläggning med katalysatorer med en storlek på 10-20 l. Det finns många 5

signifikanta skillnader mellan en liten och en stor uppbyggnad. I laboratorieförsök använder man speciella gasblandningar och inte riktiga avgaser som varierar i temperatur, flöde och sammansättning. Dessa tre parametrar kan ju ha någon påverkan på katalysatorns funktion. Dessutom kan en liten katalysator placeras i en ugn och temperaturen kan kontrolleras ganska noggrant. En stor katalysator kan bara värmas upp genom att varma avgaser strömmar genom den. Det betyder att katalysatorn lätt kan kylas ner för mycket så att den blir för kall för att fungera bra. Den kan också värmas upp för mycket. Även reduceringsmedlet är inte detsamma. I de flesta laboratorieundersökningar används rena organiska substanser som t.ex. propen. På en lastbil skall däremot dieselbränsle användas för att det redan finns på plats på fordonet. Dieselbränslet består av hundratals substanser varav många inte reagerar inte så bra som propen. I fullskalafullskale använder man dessutom ytterligare katalysatorer uppströms av NO X - fällan för att föroxiderapreoxidera reduceringsmedlet. Dessa katalysatorer påverkar också NO X -reduktionsgraden. Så det blir svårt att överföra slutsatserna från laboratorieförsök till fullskaleförsök. Under 2000 gjordes därför en undersökning om vilka slutsatser man kan dra ur laboratorieförsök och hur man skall tolka dem. En bänkskalereaktor byggdes upp med en ugn där en liten katalysator placerades. Nu kunde olika experiment köras. Det gjordes försök med en syntetisk gasblandning och med avgaserna från en 6,7 l lastbilsmotor. En stor mängd försök gjordes och ett flertal parametrar undersöktes, t.ex. påverkan av katalysatorns storlek, reduceringsmedlet, vilken slags avgaser som används. Det undersöktes även hur olika ytterligare katalysatorer påverkar NO X -reduktionsgraden i bänkskalabänkskale. I olika försök placerades en trevägs- och en oxidationskatalysator uppströms NO X -fällan. I andra försök används bara en NO X -fälla. Resultaten redovisades som de olika gasernas (CO, HC, N 2 O) utsläpp samt NO X - reduktionen. Försöken planerades och analyserades statistiskt. Resultaten är därför mångfaldiga och visade en stark påverkan av parametrarna, t.ex. reagerar propen mycket bättre än dieselbränsle så att en högre NO X -reduktionsgrad uppnås i laboratorieskala, med detta reduktionsmedel, än i fullskala med dieselbränsle som reduktionsmedel. Man skall alltså alltid vara försiktig med en tolkning av laboratorieresultaten. Dessutom har det visats att man alltid skall använda någon slags förbiledning när man sprutar in dieselbränslet i avgasröret då det snabbt blir så varmt att katalysatorn kan förstöras. I bänkskala ökas temperaturen i katalysatorn kraftigt p.g.a. kolväteförbränningen medan detta inte är fallet i laboratorieförsöken. Propen reagerar snabbare än n-heptan eller i- oktan och reagerar fullständigt redan vid 375 C. N-heptan och i-oktan reagerar mycket långsammare och djupare in i monoliten. På grund av att propen har en lägre antändningstemperatur än n-heptan kan kolväteutsläppet underskattas i laboratorieförsöken. NO 2 -utsläppet var högre i kombinationer med oxidations- och trevägskatalysatorer därför att NO 2 -halten i avgaserna beror på katalysatorsammansättningen. NO 2 -halten var upp till 50 % av NO X -halten eller 100-200 ppm. NO 2 -utsläppet minskades med en längre reduktionstid. En längre NO X -lagringstid ökade NO 2 -utsläppet bara i laboratorieskala. En ökad andel NO 2 kan ha en positiv påverkan på NO X -lagringen i katalysatorn. Så kombinationer av oxidationskatalysatorer och NO X -fällor kan vara fördelaktigt i tillämpningen. Betydelsen av kombinationssystem förbises dock ofta i laboratorieförsök. NO X -reduktionen normaliserad mot bränslestraffet har underskattats i laboratorieförsöken 6

vid låga temperaturer och överskattats vid högre temperaturer. Detta beror troligtvis p.g.a. bristen av vatten i laboratorieförsöken. NO X -reduktionen normaliserad mot bränslestraffet i laboratorieförsöken var i försök med bara NO X -fälla cirka 18 % vid 225 C och 45 % vid 425 C. I bänkskaleförsöken var respektive värden 17 och 75 % även för kombinationskatalysatorsystemen. I laboratorieförsök visade uppbyggnaden med kombinationskatalysatorer en mycket högre normaliserad NO X -reduktion, 55 %, vid 225 C men bara 20 % vid 425 C. Dessa värden visar att prestanda för kombinationskatalysatorsystem ej kan förstås från resultat erhållna i laboratorieförsök. I försök med bara en NO X -fälla var den normaliserade NO X - reduktionen 0 % under 300 C när n-heptan eller i-oktan användes medan den var 30 % vid 325 C och 85 % vid 425 C. Bygge av mottorriggen Under 2001 byggdes en motorrigg upp vid LTH bestående av en 11 l Scania dieselmotor som vanligtvis används i tunga lastbilar, NO X -lagringskatalysatorer, oxidationskatalysatorer, ett avgasanalyssystem samt ett kontrollsystem för styrningen av motorn och katalysatorsystemet. Avgassystemet är numera utrustat med en förbiledning (by-pass) för att kunna reducera flödet genom katalysatorn. Avgassystemets uppbyggnad visas i Figur 2. Oxidationskatalysatorer Förbiledning NO X -fällor T G InjektorT T, G T λt T, G, λ G 280 125 Flow 1800 840 76 76 156 76 76 1000 G = provtagningspunkt Avgasbroms (EPG) λ = lamdasond T = temperatur Figur 2. Avgassystemets uppbyggnad. Förbiledningen styrs pneumatiskt med två olika slags ventiler. Det finns på varje rör en spjällventil som antingen kan vara öppen eller stängd. Dessutom finns det en avgasbroms (exhaust pressure governor (EPG)), som är en liten förbiledning som kan vara öppen eller stängd. Om spjällventilen är stängd och EPG:n är öppen så finns det fortfarande ett litet flöde genom katalysatorn. Flödets storlek är cirka 10 % av det totala flödet. Figur 3 visar ventilsystemet som styr massflödet genom förbiledningen. 7

Figur 3. Förbiledningens ventilsystem samt avgasbromsen. Uppbyggnad, test och reglering av avgasreningssystemets mekaniska komponenter Under 2002 byggdes avgassystemet upp och ett flertal försök gjordes för att får en uppfattning om hur systemet egentligen fungerar. Förbiledningen, som skulle förbileda en stor mängd av avgaserna under regenerationstiden, installerades. Detta var nödvändigt p.g.a. den höga syrehalten i dieselavgaserna. Det måste sprutas in stora mängder av reduktionsmedlet för att uppnå feta förhållanden vid fullt flöde och detta leder till en stor bränsleförbrukning då mycket bränsle reagerar med syret i avgaserna. Dessutom leder det till att mycket reaktionsvärme frigörs och att katalysatorn uppvärms så att den kan skadas. Med installationen av förbiledningen uppstod nya frågor som vi måste finna svar på. Den första frågan var hur stort det förbiledda massflödet egentligen skulle bli. För att kunna uppnå feta förhållanden med en rimlig mängd dieselbränsle måste massflödet genom katalysatorerna reduceras. Problemet som uppkom var att det var svårt att kontrollera ventilerna tillräckligt snabbt och precist för varje nytt driftsfall. Detta beror delvis på att både temperatur och avgastryck har sin andel i hur stort massflödet genom katalysatorerna blir när man stänger ventilen till viss del. Ett fungerande styrningssystem för förbiledningen skulle alltså bli mycket komplext och mycket dyrt. Därför beslöts att reglera ventilerna pneumatiskt så att ventilerna alltid är i samma position under regenerationstiden oavsett av motorns driftsfall. Sedan undersöktes katalysatorflödets storlek. Så länge man kan uppnå ett λ-värde mindre än 1 med en rimlig mängd kolväten räcker det om man vet hur stort flödet genom 8

katalysatorn är för att denna skall kunna modelleras. Detta är viktigare än att alltid ha samma flöde under regenerationstiden. Det visades i de första NO X -reduktionsförsöken (våren 2002) att man inte kunde reducera NO X med 0,8 g/s som då var den största mängden i vårt doseringssystem. Beräkningar gav vid handen att det skulle behövas upp till 4 g/s vid vissa lastpunkter. Storleken på doseringssystemet ökades och mängden 2,3 g/s var vid denna tid (hösten 2002) den största mängden som kunde insprutas. Nu behöver vi bara finna en ventilposition som passar bra för alla driftspunkterna, d.v.s. där feta förhållanden kan uppnås med cirka 2,3 g/s injektionsmängd. För att undersöka detta har, med hjälp av en manuell knapp, katalysatorventilen öppnats i flera olika positioner medan förbiledningsventilen hållits helt öppen. Sedan sprutades in cirka 20 g dieselbränsle under 10 s. Det visade sig att λ<1 uppnåddes vid alla driftspunkter när spjällventilen på katalysatorsidan var stängd och bara EPG:n var öppen. Nu var det klart att massflödena genom katalysatorn kan reduceras enkelt och på ett billigt sätt genom att hålla EPG:n i förbiledningsröret stängd hela tiden och EPG:n i katalysatorröret öppen hela tiden. Systemet kan nu styras genom att spjällventilerna i båda rören öppnas och stängs helt. Katalysatorflödets storlek En annan undersökning gällde storleken på det reducerade massflödet som går genom katalysatorn. I motorriggen mäts det ingående luftflödet med hjälp av en termisk sensor i motorns luftintag. Dessutom mäts motorns bränsleförbrukning. Av luftflödena och bränsleförbrukning kan det fulla avgasflödet beräknas. Det reducerade flödet genom katalysatorn undersöktes. Det gjordes genom mätningar av avgasernas tryckförlust över katalysatormonoliterna under olika driftsbetingelser. Det visade sig att det reducerade flödet stiger från 4 till 12% när det totala avgasflödet stiger inom vårt arbetsområde. Figur 4 visar det reducerade massflödet genom katalysatorn som funktion av det totala massflödet. Detta flöde användes i katalysatorsimuleringarna och vid beräkning av gasbelastningar. 14 Reducerat massflöde [%] 12 10 8 6 4 2 0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Totalt massflöde [kg/h] Figur 4. Det reducerade massflödet som funktion av det totala massflödet. 9

Radiell fördelning av insprutat kolväte En annan viktig undersökning gällde den radiella fördelningen av de insprutade kolvätena. Katalysatorns diameter är 28 cm och det är viktigt att kolvätena är jämt fördelade över hela diametern så att hela katalysatorn används. Kolvätena som sprutas in i avgasröret förbränns i oxidationskatalysatorerna. Därmed uppstår värme och en ökad temperatur kan mätas på katalysatorn där kolvätena förbrändes. Undersökningen gjordes alltså genom att stoppa in tre termoelement på olika radier i den första oxidationskatalysatorn. Insprutningen gjordes under olika driftsbetingelser och temperaturökningen registrerades. Två olika injektorer har testats, en 1-hål-injektor som sprutar in mot avgasflödet och en 6-hål-injektor som sprutar åt olika radiella håll. 6-hålinjektorn visade en ostabil insprutning speciellt vid låga flöden. Den användes därför inte vidare. 1-hål injektorn visade en god fördelning vid alla tre mätställena och den användes därefter. Figur 5 visar de båda injektorerna. Luft- och bränsleflöde Ø 1 mm Ø 1 mm Ø 6 mm Ø 6 mm 1-hålinjektor Figur 5. Injektorerna. 6-hålinjektor NO x -reduktionsgraden Nästa steg i projektet gällde undersökning av NO X -reduktionsgraden. Denna är en funktion av olika variabler. Katalysatortemperaturen har en stor effekt på NO X - reduktionsgraden. Dessutom finns det parametrar som kan styras av kontrollsystemet. Några av de viktigaste är: NO X -lagringstiden, regenerationstiden, den insprutade mängden reduktionsmedel, injektionshastigheten och tidsperioden där förbiledningen är öppen och avgasflödet genom katalysatorn är minskat (förbiledningstiden). Dessutom är det viktigt att undersöka vid vilka inställningar man kan uppnå en hög NO X -reduktion och samtidigt hålla bränslestraffet lågt. 10

Den första undersökningen gjordes för att studera temperaturens påverkan på NO X - reduktionen. Flera stationära försök gjordes vid olika driftsbetingelser. Cykeltiden var 4 min, injektionstiden var 10 s och injektionsmängden 35 g. Tiden när förbiledningen var öppen var 10 s. Det undersökta temperaturintervallet var mellan 300 och 600 C. Resultaten visas i Figur 6. NO X -reduktionsgraden blev mellan 20 och 60 %. Den maximala NO X -reduktionsgraden erhölls vid 450 C. 70 60 NO X -reduktion [%] 50 40 30 20 10 0 300 350 400 450 500 550 600 Temperatur i NO X -fällan [ C] Figur 6. NO X -reduktionsgraden som funktion av katalysatorns temperatur. Den efterföljande undersökningen gjordes för att får svar på frågorna om hur systemparametrarna; injektionstid, -mängd och -hastighet samt cykeltid och förbiledningstid påverkar NO X -reduktionsgraden. En stor serie av enskilda försök gjordes där alla parametrar hölls konstanta utom en som varierades. Följande parametervärden användes: injektionsmängd under 1 cykel 20, 35 och 55 g, injektionstid 10 och 20 s, förbiledningstid 10, 15 och 20 s och cykeltid 160 och 240 s. De NO X -reduktionsgrader som erhölls jämfördes som funktion av temperaturen. Resultatet blev att en kortare cykeltid ledde till en ökning av NO X -reduktionsgraden vid alla temperaturer. Effekten av den cykeltiden på NO X -reduktionsgraden visas i Figur 7. 11

70 60 50 NO X -reduktion [%] 40 30 20 240 s cykeltid 160 s cykeltid 10 0 300 350 400 450 500 550 600 Temperatur i NO X -fällan [ C] Figur 7. NO X -reduktionsgraden för 160 och 240 s cykeltid. En ökad injektionsmängd ledde till att NO X -reduktionsgraden kunde ökas med 10-20% vid temperaturer under 500 C. Figur 8 visar NO X -reduktionsgraden vid insprutningen av 20, 35, och 55 g dieselbränsle under en cykel. 70 60 50 NO X -reduktion [%] 40 30 20 20 g 35 g 55 g 10 0 300 350 400 450 500 550 Temperatur i NO X -fällan [ C] Figur 8. NO X -reduktionsgraden för 20, 35 och 55 g injektionsmängd (i en cykel). 12

En liknade effekt hade en förlängd förbiledningstid. Det har alltså visats att det är möjligt att öka NO X -reduktionsgraden med hjälp av systeminställningarna när temperaturen är under 500 C. Figur 9 visar NO X -reduktionsgraden för olika förbiledningstider. Injektionstiden var alltid 10 s. 70 60 50 NO X -reduktion [%] 40 30 20 10 s förbiledningstid 15 s förbiledningstid 20 s förbiledningstid 10 0 300 350 400 450 500 550 Temperatur i NO X -fällan [ C] Figur 9. NO X -reduktionsgrad för 10, 15 och 20 s förbiledningstid. Katalysatormodell Hur det är möjligt att ändra reduktionsgraden med hjälp av parameterändringar vid temperaturer under 500 o C kunde förklaras då katalysatormodellen utvecklades. I försöken för att utveckla katalysatormodellen sprutades kolväten in och koncentrationerna mättes före och efter NO X -fällan. För att mäta koncentrationerna direkt före och efter katalysatorn måste avgasproven utspädas med luft. Anledningen till detta var att det togs bort cirka 90 % av avgasflödet under regenerationstiden genom förbiledningen. När man sprutar in en viss mängd kolväten i det minskade flödet genom katalysatorn så ökas deras koncentration drastiskt. I våra experiment blev koncentrationerna så höga att instrumentens mätområden överskreds. Efter utspädningen med luft kunde experimenten genomföras som planerats. Katalysatormodellen består av en mass- och värmetransportdel och en kinetisk del. Den sista utvecklades i laboratorieförsök vid Chalmers tekniska högskola och anpassades till förhållandena i motorriggen. De flesta mellansteg i reaktionerna togs bort. Kinetiken beskrivs nu av 9 ekvationer för NO X -adsorptionen, katalysatorns regenerering, NO X - reduktionen, inlagringen av syre och oxideringen av kolväten och kolmonoxid. Modellen skall användas on-line som styrmodell. Detta innebär att beräkningstiden bör vara så kort som möjligt. Därför har numera transportmodellen förenklats med de följande antagandena: 13

Den radiella fördelningen av koncentrationerna, temperaturen och flödena var likformig. Axiell diffusion och värmeöverföring försummades. Koncentrationerna i gasfasen var alltid konstanta, d.v.s. bara koncentrationerna på katalysatorns yta antogs förändra sig. Diffusionsmotståndet i katalysatorns bärarmaterial försummades. Värmetransportmotståndet i bärarmaterialet försummades. Monoliten modellerades som en serie av 25 tankreaktorer. Katalysatormodellen som utvecklades visade sedan bra överensstämmelse med de experimentella data under NO X -lagringstiden. Oxidationskatalysatorn ingick inte i modelleringen och modellens överensstämmelse med experimenten är låg under regenerationstiden. Figur 10 visar en jämförelse mellan katalysatormodellens prediktion av NO X -koncentrationen efter katalysatorn och de experimentella data vid olika temperaturer. Figur 10. Jämförelse mellan katalysatormodellens prediktion och experimentella data vid tre olika temperaturer: (a) 330 C, (b) 430 C och (c) 530 C. Med hjälp av modellen kunde det visas att nästan alla NO X -lagringssäten på katalysatorns yta används vid låga temperaturer. Figur 11 visar den predikterade täckningsgraden för NO X vid olika temperaturer. Vid låg temperatur (a) täcks nästan alla NO X -lagringssäten men under regenerationen minskar täckningsgraden med bara 20 %. Detta innebär att inte så stor andel av NO X :en kan reduceras vid låga temperaturer. Vid höga temperaturer är det tvärtom (c). Täckningsgraden är bara 20 % men alla kan reduceras. Detta var anledningen varför NO X -reduktionsgraden inte kunde ökas med hjälp av system- 14

parametrarna vid höga temperaturer. Vid låga temperaturer kunde NO X -reduktionen däremot förbättras. Figur 11. Predikterade beläggningsgrader för NO X vid tre olika temperaturer: (a) 330 C, (b) 430 C och (c) 530 C. Statistisk design för optimering av stationära försök Den sista undersökningen som gjordes som stationära försök skulle visa vilka systeminställningar man skulle använda för att skapa en enkel doseringsstrategi för att styra injektionen i en ETC cykel. Undersökningen skulle alltså specificera hur mycket dieselbränsle man skulle spruta in vid vilken tid och hur länge förbiledningen skulle vara öppen samt hur lång cykeltiden skulle vara för en given temperatur. För att uppnå målsättningen med ett lågt antal försök användes statistisk försöksplanering. Det kördes försök vid 4 olika lastpunkter och cirka 10 enskilda experiment utfördes vid varje lastpunkt. De bästa resultaten visas i Tabell 1. För att uppnå det bästa resultatet skulle cykeltiden vara 160 s vid temperaturer under 500 C, 80 s vid 520 C och 65 s vid 540 C. Injektionstiden skulle vara 5 s vid temperaturer över 500 C, 10 s vid 460 C och 20 s vid 370 C. Förbiledningstiden skulle minskas från 40 s till 5 s mellan 370 C och 540 C. Den insprutade mängden dieselbränsle skulle vara cirka 40 g under 500 C, 19 g vid 520 C och 10 g vid 540 C. Med dessa inställningar uppnåddes NO X -reduktionsgrader mellan 51 och 63 %. Bränslestraffet blev mellan 2,5 och 2,9 %. Bara vid lastpunkten med temperaturen 370 C blev bränslestraffet 5,0 %. 15

Tabell 1. Bästa inställningar och resultat från designförsöken. Temperatur i NOX-fällan [ C]: 370 460 520 540 Cykeltid [s]: 160 160 80 65 Injektionstid [s]: 20 10 5 5 Förbiledningstid [s]: 40 20 10 5 Injektionshastighet [g/s]: 2 3,7 3,8 2 Injektionsmängd [g]: 40 37 19 10 NOX-reduktion [%]: 51 56 58 63 Bränslestraff [%]: 5,0 2,5 2,9 2,6 En första ETC-cykelkörning Dessa inställningar användes i en första temperaturbaserad doseringsstrategi. Man måste förstå att de bästa försöken bara var bäst inom designens gränser. Det kan finnas bättre systeminställningar. En tolkning av originaldatafilerna visade att två av designerna (520 o C och 460 o C) hade generellt för långa cykeltider. Inställningar som tycktes vara bättre för att uppnå en hög NO X -reduktion ändrades något och doseringsstrategin utvecklades. Inställningarna som visas i Tabell 2 användes vid ETC-testerna. Lastpunkt Tabell 2. Parametervärden för den första doseringsstrategin. 1000 rpm 1000 Nm 540 o C 1250 rpm 1000 Nm 520 o C 1500 rpm 1000 Nm 460 o C 1500 rpm 500 Nm 370 o C Cykeltid [s]: 65 65 70 160 Injektionstid [s]: 5 5 10 20 Förbiledningstid [s]: 5 5 10 40 Lagringstid [s]: 60 60 60 120 Injektionshastighet [g/s]: 2 2 3 2 Injektionsmängd [g]: 10 10 30 40 De olika värdena är temperaturbaserade. De knöts ihop lineärt som funktion av temperaturen som mäts i NO X -fällan. Eftersom reaktionsvärmet från oxidationskatalysatorn värmer upp NO X -fällan cirka en halv minut efter insprutningen så avläses NO X -fällans temperatur tidigast en minut efter insprutningen. Istället för att man använder cykeltiden, bestäms en temperaturbaserad NO X -lagringskapacitet. Hur mycket NO X det finns i katalysatorn beräknas med hjälp av en enkel motormodell. Doseringsstrategin har testats i en ETC-cykel. Reduktionsgraden som uppnåddes blev 54 % med 5,8 % bränslestraff motsvarande en absolut reduktion av 3,5-3,6 g NO x /kwh. NO X -reduktionen är i paritet med de bästa värden som demonstrerats världen över. Ett lägre bränslestraff kommer dock att erhållas om motorn är av t.ex. EuroIV-klass i stället för Euro II som vi använder. 16

Konferenser 23rd Task Leaders Meeting of the IEA Implementing Agreement, Energy Conservation and Emissions Regulation, 9-12 September 2001, Kauai, Hawaii, USA Programkonferens: Energisystem i vägfordon, 14-15 november 2001, Skövde, Sverige 10 th Nordic Symposium on Catalysis, "Bridging the Gaps in Catalysis", 2-4 June, 2002, Marienlyst, Helsingør, Denmark 24th Task Leaders Meeting of the IEA Implementing Agreement, Energy Conservation and Emissions Regulation, 23-26 June 2002, Trondheim, Norway EUCHEM CONFERENCE on Environmental Catalysis, 27 November 1 December 2002, Gothenburg, Sweden Programkonferens: Energisystem i vägfordon, 4-5 februari 2003, Södertälje, Sverige 2003 SAE/SAE International Spring Fuels & Lubricants Meeting, 19-22 May, 2003, Yokohama, Japan 25th Task Leaders Meeting of the IEA Implementing Agreement, Energy Conservation and Emissions Regulation, 7-10 September, 2003, Faringdon, England, UK CAPoC 6, Sixth International Congress on Catalysis and Automotive Pollution Control, 22-24 October, 2003, Brussels, Belgium Publikationer Bench scale NO x trap system for diesel applications, C. Künkel, and C.U.I. Odenbrand, Soc. Automot. Eng., [Spec. Publ.] SP (2001), SP-1644 (General Emissions and Gasoline Emission Control Systems), 75-185. Catalytic Reduction of NO x on Heavy-Duty Trucks, C. Künkel, Doctoral Thesis, Department of Chemical Engineering II, Lund University, Institute of Technology, September 2001. Stationary NO X Storage and Reduction Experiments on a Heavy-Duty Diesel Engine Rig Using a Bypass System, K. Papadakis, C.U.I. Odenbrand, D. Creaser, SAE Technical Paper Series 2003-01- 1884, 2003. Evaluation of a NO X Reduction System on an Engine Rig under Stationary Operation, K. Papadakis, C.U.I. Odenbrand, D. Creaser, Preprints CAPoC 6, Poster Sessions, Volume 2, p. 307-322, Sixth International Congress on Catalysis and Automotive Pollution Control, October 22-24, 2003, Brussels, Belgium. K. Papadakis, Exhaust Gas Cleaning by Means of NOx storage and Reduction Technology on Heavy- Duty Diesel Vehicles, Licentiate Thesis, Department of Chemical Engineering, Lund Institute of Technology, Lund University, Sweden, December 2003. 17