Experiences with partial-flow filters to reduce the solid particle emissions from diesel engines

• Autorzy: Mayer A. , Czerwiński J. , Comte P.

Warianty tytułu

PL

Badania filtrów o częściowym przepływie spalin w zakresie redukcji cząstek stałych z silników o ZS

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Four of these Particulate Reduction Systems (PMS) were tested on a passenger car and one of them on a HDV. Expectation of the research team was that they would reach at least a PM-reduction of 30% under all realistic operating conditions. The standard German filter test procedure for PMS was performed but moreover, the response to various operating conditions was tested including worst case situations. Besides the legislated CO, NOx and PM exhaust-gas emissions, also the particle count and NO2 were measured. The best filtration efficiency with one PMS was indeed 63%. However, under critical but realistic conditions filtration of 3 of 4 PMS was measured substantially lower than the expected 30 %, depending on operating conditions and prior history, and could even completely fail. Scatter between repeated cycles was very large and results were not reproducible. Even worse, with all 4 PMS deposited soot, stored in these systems during light load operation was intermittently blown-off. Due to these stochastic phenomena the behaviour of these systems is hardly predictable. Furthermore the provision of NO2, through catalysis ahead of the filter or in the filter matrix, is inherent in these systems. Some of this secondary NO2 is emitted. Cost/benefit ratio is high compared to full-flow filters and Diesel engines equipped with partial-flow filters are inferior to SI engines regarding global warming potential. Based on these findings it is concluded that the sustainable performance of partial-flow filters is not yet determined.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań czterech systemów redukcji cząstek stałych (PMS - Particulate Reduction Systems) zamontowanych w samochodzie osobowym i ciężarowym. Oczekiwanym efektem badań była 30-procentowa redukcja emisji cząstek stałych w rzeczywistych warunkach ruchu. Badania przeprowadzono według niemieckiej procedury badawczej rozszerzonej o badania filtrów w zmiennych warunkach pracy silników. Wykonano pomiary limitowanych normą związków toksycznych (CO, NOx, PM), a także nielimitowanych - NO2 oraz liczby cząstek stałych. Największa zmierzona sprawność filtracji wynosiła 63%. Jednakże w rzeczywistych warunkach ruchu sprawność filtracji dla trzech, z czterech przebadanych, filtrów wynosiła znacznie mniej niż zakładane 30% i jednocześnie zależała od warunków użytkowania pojazdu. Różnice wyników między poszczególnymi pomiarami były znaczne i nie były reprezentatywne. Wszystkie badane konfiguracje systemów redukcji emisji cząstek stałych pozwalały na efektywną filtrację cząstek stałych na obciążeniach częściowych. Ponadto zmiany w stężeniu NO2 przed filtrem w stosunku do stężenia za filtrem są zgodne z przewidywaniami - występuje niewielka wtórna emisja tego związku za filtrem. Wskaźnik kosztów zastosowania filtra do korzyści ekologicznych jest wyższy dla filtrów o pełnym przepływie spalin w stosunku do filtrów o częściowym przepływie spalin, a jednocześnie większy jest również potencjał globalnego ocieplenia. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono konieczność dalszych badań w zakresie polepszenia właściwości filtrów o częściowym przepływie spalin.

Słowa kluczowe

EN

diesel particle filtration; filtration efficiency; nanoparticles; filtration materials; open filters

PL

filtr cząstek stałych; efektywność filtracji; nanocząstki; materiał filtracyjny

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Silniki Spalinowe
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 48, nr 2
• Strony: 62--83
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz.

Twórcy

autor

Mayer A.

autor

Czerwiński J.

autor

Comte P.

• Technik Thermische Maschinen, Switzerland

Bibliografia

• [1] Mayer A. et al.: Quality standards and test procedures for particle filters to retrofit utility vehicles. MTZ 00/2009.
• [2] Belot G. et al.: Passenger Car Serial Application of a Particulate Filter System on a common-rail Direct Injection Diesel Engine. SAE 2000-01-0473, Detroit 2000.
• [3] Eckerle W.A.: Technology for Advanced Heavy Duty Diesel Engines. 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zürich 2008.
• [4] Mayer A. et al.: Reliability of DPF-Systems: Experience with 6000 Applications of the Swiss Retrofit Fleet. SAE 2004-01-0076, Detroit 2004.
• [5] Massnahmen gegen die Verunreinigung der Luft durch Partikel von Kraftfahrzeugen mit Selbstzündungsmotor. Anhang zu Artikel 1 Nr. 4, Anlage XXVI, zu § 47 Abs. 3a der Strassenverkehrszulassungsordnung der Bundesrepublik Deutschland.
• [6] Rexeis M., Hausberger S.: ARTEMIS, Assessment and Reliability of Transport Emission Models in Inventory Systems. Final Report of the WP400-Heavy Duty Vehicles Emission; Institut für Vkm and Thd, TU-Graz 2003.
• [7] Rembor H.J.: Hot Gas Filtration of Fine and Ultra Fine Particles. Particle Filter Retrofit for all Diesel Engines, Expert Verlag ISBN 978-3-8169-2850-8.
• [8] Okawara S. et al.: Soot trapping and continuously oxidizing behaviour by flow-through Metallic PM filter. Toyota Motor Corp., Emitec, JSAE Annual Congress Sept. 2005, paper No. 20055824.
• [9] Koltsakis G.C. et al.: Filtration and Regeneration Performance of a Catalyzed Metal Foam Particulate Filter, Aristotle Univ. Thessaloniki, Inco Special Products, SAE 2006-01-1524, Detroit 2006.
• [10] Kolke R. et al.: Einsatz wechselnder Filtersysteme und Regenerationsverfahren für die Nachrüstung von PKW, LKW, Baumaschinen. "Dieselabgas-nachbehandlung", München 11-12. Juli 2006, CTI Car Training Institute www.iir-verlag. de; [e-mail]; www.car-training-institute.com
• [11] Mayer A. and 50 co-authors: Particle Filter Retrofit for all Diesel Engines. published by Expert-Verlag, 2008, ISBN 978-3-8169-2850-8.
• [12] Andrews G.E. et al.: Particulate Mass Accumulation and Release in Practical Diesel Engine Exhaust Systems under Cold Start conditions. SAE 2000-01-0508, University of Leeds, Ford Research, 2000.
• [13] Kolke R. et al.: ADAC Verbraucherschutztest an Nachrüstfilter für PKW. 6. FAD-Konferenz, Herausforderung - Abgasnachbehandlung für Dieselmotoren, November 2008 in Dresden.
• [14] Rüdy C. et al.: Nachrüst-Partikelfilter für Diesel-Personenwagen. EMPA Untersuchungsbericht Nr. 441179, Dezember 2006, EMPA, Überlandstrasse 129, CH 8600 Dübendorf.
• [15] Hausberger S. et al.: Testverfahren und Optimierung für Partikelkatalysatoren. Bericht des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, TU Graz, Inffeldgasse 21A, A-8010, Graz 2006.
• [16] Nylund N.O. et al.: Heavy-duty Vehicles: Safety, Environmental Impacts and new Technology. VTT Annual report 2006.
• [17] Mayer A. et al.: Nanoparticle-Emission of Euro IV and Euro V HDV Compared to Euro III with and without DPF. SAE 2007-01-1112, Detroit 200.7.
• [18] Mohr M. et al.: Conventional and New Methods of Particle Measurement. Elimination of Engine Generated Nanoparticles, expert verlag ISBN 3-8169-2552-9.
• [19] Rice M. et al.: Innovative Substrate Technology for High Performance Heavy Duty Truck SCR Catalyst Systems. SAE 2007-01-1577, Detroit 2007.
• [20] Brück R., Reck A.: Retrofit with Particulate Traps - the first Step. Experience and Outlook into the Future; 6.FAD-Conference Dresden, Nov.2008.
• [21] Schrewe K. et al.: SMF - AR Autarkes Partikelfiltersystem für Nach- und Erstausrüstung von LDV und Industriemotoren. 6. FAD-Konferenz, Herausforderung - Abgasnachbehandlung für Dieselmotoren, November 2008 in Dresden.
• [22] Bykowski B.: Formulation and Evaluation of Alternate Diesel Particulate Trap Media. Southwest Research Institute, The American Society of Mechanical Engineers, 87-ICE-36.
• [23] Mizra T. et al.: Open-Pore Ceramic Foam as Diesel Particulate Filter. SAE 890172.
• [24] Van Basshuysen, Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor. Published by Vieweg&Sohn, ISBN 3-528-03933-7.
• [25] Jodeit H.: Partikelabscheidung in technischen Tiefenfiltern. VDI-Fortschrittsberichte Verfahrenstechnik Nr.108, VDIVerlag 1985.
• [26] Mayer A. et al.: Pre-Turbo Application of the Knitted Fiber Diesel Particulate Trap. SAE 940459, Detroit 1994.
• [27] Allansson R. et al.: The use of the Continuously Regenerating Trap (CRTTM) to Control Particulate Emissions: Minimising the Impact of Sulfur Poisoning. SAE 2002-01-1271, Detroit 2002.
• [28] Stationary source emissions - Determination of mass concentration of nitrogen oxides (NOx) - Reference method: Chemiluminescence; European Standard, EN 14792, June 2005.
• [29] Payne S. et al.: Fundamental Studies of Soot Deposition Using Flow-through Substrates. 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zürich 2008.
• [30] Gojova A. et al.: Induction of Inflammation in Vascular Endothelial Cells by Metal Oxide Nanoparticles: Effect of Particle Composition. Environmental Health Perspectives - Volume 115, Number 3, March 2007.
• [31] U.S. EPA: The Cost Effectiveness of Heavy-Duty Diesel Retrofits and Other Mobile Source Emission Reduction Projects and Programs. EPA 420-B-07-006; May 2007.
• [32] Jacobson M.Z.: Testimony for the Hearing on Black Carbon and Global Warming. Stanford University, United States House of Representative, October 2007.
• [33] Waxman H.A.: Hearing on Black Carbon and Global Warming. US House of Representatives, October 2007.
• [34] Leutert G.: Quality Criteria, Test Methods and Test Standards for Particle Filter Systems. Chapter 7 of [11].
• [35] Görsmann C.: Catalytic Coatings for diesel Particulate Trap Regeneration. Chapter 5.1 of [11].
• [36] Regulation (EC) No. 715/2007 for the European Parliament and the Council of 20. June 2007 on type approval of motor vehicles.