Studies of a Heavy-Duty Diesel Aftertreatment System Based on the NOX Storage and Reduction Technology

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Gränsvärden för NOX-utsläppen i avgaserna från tunga dieselmotorer kommer att minskas i den Europeiska Unionen från 3,5 g/kWh (Euro IV) idag till 2,0 g/kWh (Euro V) år 2008. I USA och Japan är trenden likadan och utveckling av ett avgassystem för tunga dieselfordon verkar oundviklig. I detta arbetet har en motorrigg byggts upp som bestod av en 11 l dieselmotor och ett avgasrenings-system baserat på NOX-lagringstekniken. Avgasreningssystemet bestod av BaO-baserade NOX-lagringskatalysatorer på totalt 16.8 l och oxidationskatalysatorer på totalt 8,4 l för att oxidera NO till NO2 och föroxidera insprutade kolväten. Denna teknik har redan tillämpats i samband med lean-burn-bensinmotorer där en NOX-reduktionsgrad av 80 % uppnåddes. Därmed är den ett lovande alternativ för minskningen av NOX i dieselavgaser. I NOX-lagringstekniken lagras NOX som Ba(NO3)2 under långa magra förhållanden (1-2 min) och den desorberas och reduceras under korta rika förhållanden (0-10 s). Syftet med denna avhandling var att optimera avgassystemet med hänsyn till en hög NOX-reduktionsgrad och ett lågt bränslestraff samt att modellera katalysatorerna. Modellerna kan sedan användas för att reglera NOX-reduktionsprocessen under transienta förhållanden. Stationära NOX-reduktionsförsök har utförts i motorriggen. NOX-reduktionsgraden uppgick då maximalt till cirka 60 %. Denna är beroende av ett flertal parametrar som katalysatorns temperatur, insprutningstiden, cykeltiden och den insprutade mängden kolväten (dieselbränsle). För att erhålla ett lågt bränslestraff har ett förbiledningssystem installerats som förbileder cirka 90 % av avgasflödet under regenerationstiderna. Perioden då avgasflödet genom katalysatorn minskas (förbilednings-tiden) har påvisats som en viktig parameter för att uppnå en hög NOX-reduktionsgrad vid låg temperatur utan att öka bränslestraffet. Optimeringen av NOX-reduktionsgraden gjordes med hjälp av designförsök vid olika temperaturer. Optimeringens resultat användes som bas för den temperaturbaserade doseringsstrategin som reglerade insprutningarna under transienta driftsbetingelser. I en Europeisk Transientcykel (ETC)-körning har en NOX-reduktionsgrad av 60 % uppnåts med 6,6 % bränslestraff. En första modell av NOX-fällan har utvecklats och testats i stationära försök. En mean-field-modell av oxidationskatalysatorn, placerad uppströms NOX-lagringskatalysatorn, har också skappats och testats med god överenstämmelse i en ETC-körning.