Advanced

Catalytic Reduction of NOx on Heavy-Duty Trucks

Künkel, Christian LU (2001)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling beskriver arbetet med att ta fram ett avgasreningssystem för att minska mängderna kväveoxider, NOx, som lastbilstrafik ger upphov till. Kväveoxid (NO) och kvävedioxid (NO2) i en godtycklig blandning brukar betecknas som NOx. NOx bildas vid i stort sett all förbränning, t.ex. i kraftverk eller fordon, och om avgaserna inte renas följer kväveoxiderna med ut i atmosfären, där de bl.a. kan delta i förstöringen av ozonlagret. De bildar också salpetersyra som i sin tur är den viktigaste beståndsdelen i surt regn. Kväveoxider har även en del andra mer eller mindre negativa effekter på hälsa och miljö.



En av de största källorna till NOx-utsläpp är trafik i allmänhet,... (More)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling beskriver arbetet med att ta fram ett avgasreningssystem för att minska mängderna kväveoxider, NOx, som lastbilstrafik ger upphov till. Kväveoxid (NO) och kvävedioxid (NO2) i en godtycklig blandning brukar betecknas som NOx. NOx bildas vid i stort sett all förbränning, t.ex. i kraftverk eller fordon, och om avgaserna inte renas följer kväveoxiderna med ut i atmosfären, där de bl.a. kan delta i förstöringen av ozonlagret. De bildar också salpetersyra som i sin tur är den viktigaste beståndsdelen i surt regn. Kväveoxider har även en del andra mer eller mindre negativa effekter på hälsa och miljö.



En av de största källorna till NOx-utsläpp är trafik i allmänhet, och där bidrar dieseldrivna lastbilar med en stor andel av utsläppen. På bensindrivna bilar finns sedan 1989 krav på mycket låga utsläppsnivåer, medan stränga krav på lastbilssidan kommer 2005 och 2008. På grund av dieselmotorns konstruktion, som ger en överlägsen bränsleekonomi jämfört med bensinmotorn, kan lastbilar inte utrustas med samma typ av avgasrening som på bilar ger mycket låga utsläpp. Av denna anledning behövs ett helt annorlunda och nytt avgasreningssystem för tunga dieselfordon.



Uppgiften att ta fram ett avgasreningssystem för lastbilar är ganska komplicerad med många intressenter. Ett avgassystem måste klara krav inom så vitt skilda områden som akustik, design, hållbarhet, platsåtgång och kostnad utöver de grundläggande kraven för utsläpp av NOx, oförbrända bränslerester, kolmonoxid och partiklar. Även om systemet som redovisas i denna avhandling i princip inriktas på de gasformiga utsläppen krävs stor hänsyn till den slutliga tänkta användningen. Det projekt som denna avhandling är en del av kan därför betraktas som tvärvetenskapligt till en viss grad.



Arbetet som redovisas i avhandlingen går ut på att förse avgasröret till en laboratoriemonterad lastbilsmotor med en katalysator. Framför denna katalysator sprutas en liten mängd dieselbränsle in i avgaserna. På katalysatorn reagerar kväveoxiderna med denna diesel och omvandlas till ofarlig kvävgas, som är huvudbeståndsdelen i den luft vi alla andas. De huvudproblem som uppstår med metoden är först och främst att avgöra hur mycket diesel som bör sprutas in framför katalysatorn i varje ögonblick, eftersom mängden kväveoxider i avgaserna varierar mycket alltefter hur motorn körs. Dessutom är det av stor vikt att temperaturen i katalysatorn kan förutsägas. En kall katalysator fungerar nämligen mycket dåligt oavsett hur mycket diesel som sprutas in; då är det bättre att spara dieseln till ett tillfälle när katalysatorn är varm och fungerar bättre. Slutligen har det en stor betydelse dels vilken slags katalysator som används och hur dieselinsprutningen i avgassystemet fungerar, dels hur alla delar placeras i förhållande till varandra.



Arbetet har bland annat visat att det går att minska mängden kväveoxider med över 40 % i genomsnitt under verklighetsliknande körförhållanden. Därutöver minskar fordonets utsläpp av oförbrända bränslerester och kolmonoxid med över 90 %. Partikelutsläppen sjunker med 20 % under samma förhållanden, fastän systemet inte är konstruerat för effektiv partikelborttagning. Dessa utsläppsminskningar sker till en kostnad av ca 5 % ökad bränsleförbrukning i form av den diesel som sprutas in i avgassystemet framför katalysatorn. Undersökningar har gjorts som visar hur systemets effektivitet beror på olika faktorer som t.ex. systemets uppbyggnad och konstruktion, hur väl katalysatorns temperatur kan förutsägas och hur insprutningen av diesel sker under körning av motorn. Även experiment som visar hur laboratorieförsökens utförande påverkar resultat och slutledningar har gjorts. Utöver resultat från undersökningar innehåller avhandlingen en genomgång av bakgrundsinformation inom området som är viktig att känna till. (Less)
Abstract
The objective of the work described in this thesis is to identify the principles and parts of an aftertreatment system for the catalytic NOx reduction for heavy-duty diesel vehicles, and to demonstrate such a system in full-scale. The reducing agent is diesel fuel.



Many advantageous features of the diesel engine, such as life span, reliability and efficiency, make the engine the most frequent power source in heavy-duty vehicles. The most significant disadvantage of diesel engines is their emission of nitrogen oxides (NOx) which have adverse effects on the environment. Consequently, legislative pressure is put on manufacturers of heavy-duty vehicles to decrease truck NOx emissions. A background to NOx emissions and their... (More)
The objective of the work described in this thesis is to identify the principles and parts of an aftertreatment system for the catalytic NOx reduction for heavy-duty diesel vehicles, and to demonstrate such a system in full-scale. The reducing agent is diesel fuel.



Many advantageous features of the diesel engine, such as life span, reliability and efficiency, make the engine the most frequent power source in heavy-duty vehicles. The most significant disadvantage of diesel engines is their emission of nitrogen oxides (NOx) which have adverse effects on the environment. Consequently, legislative pressure is put on manufacturers of heavy-duty vehicles to decrease truck NOx emissions. A background to NOx emissions and their source and effects is supplied, as is a survey of NOx aftertreatment techniques.



Several aspects on heavy-duty diesel deNOx via the use of HC-SCR are accounted for. These aspects consist of, for example, exhaust system design including injector construction and catalyst configuration, reaction models and dosing strategies. In addition, a comprehensive background of the subject is given and the significance of test methods is pointed out.



The potential of HC-SCR is indicated, as are its limitations. The relative cost/effectiveness performance of the system suggests that commercial use will be extremely limited. Several system solutions reported in this thesis can, however, be transferred to other similar systems, as the complexity of the problems within the field of NOx reduction show many features in common.



A bench-scale study of NOx storage and reduction shows the influence that the choice of experimental procedures has on results and conclusions related to the experimental work. The study indicates that system optimisation is largely depending on the inclusion or exclusion of N2O selectivity in the term "NOx conversion". (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Prof Jobson, Edward, Göteborg
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Kemiteknik och kemisk teknologi, Chemical technology and engineering, real time, strategy, model, catalysis, exhaust gas, diesel, automotive, deNOx, NOx reduction, NOx storage, HC-SCR, Carbochemistry, petrochemistry, fuels and explosives technology, Petrokemi, bränslen, sprängämnen
pages
140 pages
publisher
Center for Chemistry and Chemical Engineering
defense location
Blå Hallen, Ekologihuset
defense date
2001-09-28 09:15
external identifiers
  • Other:ISRN: LUKAT/TKKT-01/1060-SE
ISBN
91-628-4928-X
language
English
LU publication?
yes
id
42efb992-5245-4786-b513-0dcac82f343b (old id 41907)
date added to LUP
2007-08-01 11:47:39
date last changed
2016-09-19 08:45:15
@misc{42efb992-5245-4786-b513-0dcac82f343b,
  abstract     = {The objective of the work described in this thesis is to identify the principles and parts of an aftertreatment system for the catalytic NOx reduction for heavy-duty diesel vehicles, and to demonstrate such a system in full-scale. The reducing agent is diesel fuel.<br/><br>
<br/><br>
Many advantageous features of the diesel engine, such as life span, reliability and efficiency, make the engine the most frequent power source in heavy-duty vehicles. The most significant disadvantage of diesel engines is their emission of nitrogen oxides (NOx) which have adverse effects on the environment. Consequently, legislative pressure is put on manufacturers of heavy-duty vehicles to decrease truck NOx emissions. A background to NOx emissions and their source and effects is supplied, as is a survey of NOx aftertreatment techniques.<br/><br>
<br/><br>
Several aspects on heavy-duty diesel deNOx via the use of HC-SCR are accounted for. These aspects consist of, for example, exhaust system design including injector construction and catalyst configuration, reaction models and dosing strategies. In addition, a comprehensive background of the subject is given and the significance of test methods is pointed out.<br/><br>
<br/><br>
The potential of HC-SCR is indicated, as are its limitations. The relative cost/effectiveness performance of the system suggests that commercial use will be extremely limited. Several system solutions reported in this thesis can, however, be transferred to other similar systems, as the complexity of the problems within the field of NOx reduction show many features in common.<br/><br>
<br/><br>
A bench-scale study of NOx storage and reduction shows the influence that the choice of experimental procedures has on results and conclusions related to the experimental work. The study indicates that system optimisation is largely depending on the inclusion or exclusion of N2O selectivity in the term "NOx conversion".},
  author       = {Künkel, Christian},
  isbn         = {91-628-4928-X},
  keyword      = {Kemiteknik och kemisk teknologi,Chemical technology and engineering,real time,strategy,model,catalysis,exhaust gas,diesel,automotive,deNOx,NOx reduction,NOx storage,HC-SCR,Carbochemistry,petrochemistry,fuels and explosives technology,Petrokemi,bränslen,sprängämnen},
  language     = {eng},
  pages        = {140},
  publisher    = {ARRAY(0xdfe4a60)},
  title        = {Catalytic Reduction of NOx on Heavy-Duty Trucks},
  year         = {2001},
}