Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

2010 engine aftertreatment nrel


Published on

  • Be the first to comment

2010 engine aftertreatment nrel

  1. 1. Biodiesel and 2010 Engine After­  Treatment Technology  Steve Howell  Technical Director  National Biodiesel Board  Presented at Alternative Fuels &  Vehicles National Conference and Expo  Tuesday, April 21, 2009
  2. 2. Biodiesel and Advanced Emission  Controls  •  Thanks to Bob McCormick and Aaron Williams of NREL for  much of the content of these slides ­2010 
  3. 3. How will the 2010 standards be met?  •  Introduction of ultra­low sulfur diesel fuel in October 2006  •  October 2008 ASTM approves up to 5% biodiesel as D975 fuel  • B6 to B20 ASTM standard also approved by ASTM: D7467  •  Intermediate EPA emissions standard for 2007:  • 0.01 g/bhp­h for PM, 1.2 g/bhp­h for NOx  • Diesel particle filters (DPF), un­burned diesel fuel for regeneration  • Increased levels of exhaust gas recirculation (EGR) and higher fuel  injection pressures  •  Full EPA emissions standard in 2010:  • 0.01 g/bhp­h for PM, 0.20 g/bhp­h for NOx  • DPF, EGR, high pressure fuel injection  • Exhaust catalysts for NOx reduction  •NOx adsorber catalysts, unburned diesel fuel for operation  •Selective catalytic reduction (SCR)  •Diesel Exhaust Fluid (DEF) needed for SCR operation
  4. 4. Diesel Particle Filters  •  Exhaust flows through porous wall­flow elements  –  PM is trapped on the walls of the filter  •  When exhaust temperature is high enough, PM is burned off  –  In most cases, unburned diesel fuel is injected to accomplish this  •  Precious metal is loaded onto filter walls to lower the  temperature required for regeneration  •  Issues:  –  Regeneration at low temperatures/duty cycles  –  Plugging with incombustible materials like lube oil ash
  5. 5. Catalytic Control of NO  Emissions  x  •NO  Adsorber Catalyst (or lean NO  x  x  trap –LNT)  – Catalyst converts all NO  to NO  , adsorbent  x  2  bed “traps” NO 2  – When bed is saturated, exhaust is forced  “rich”  – NO  is released and converted to N2  2  – Bed also traps SO  , but doesn’t release it  2  NO  adsorber catalyst (NAC) is also  •  Near sulfur free exhaust is needed  x  known as a lean­NO  trap (LNT)  •  Higher temps, longer time needed to  x  release sulfur  – 90%+ conversion is possible  •Selective Catalytic Reduction (SCR)  NOx + NH3  Sensor  – Used for industrial NO  control for many  x  years  – Requires a supplemental “reductant”  – Typically ammonia, derived from urea  SCR  •  “Diesel Exhaust Fluid”  – 80­90% reduction efficiency  Injection Urea  – Generally sulfur tolerant 
  6. 6. NBB 2007/2010 OEM Program  Objective:  Investigate the impact of B20 and  lower biodiesel blends on 2007 and later fuel  system, engine, and emission control technology •  Major NBB/DOE Collaboration via CRADA  •  Ongoing program areas:  –  Light­duty diesel vehicle testing with DPF and NO x  control  –  Medium­duty engine testing with DPF and NO  control  x  –  Heavy­duty vehicle testing with active regen DPF  •  Ongoing and future program areas include  additional MD and HD testing with DPF and NOx  control systems, off­highway systems 
  7. 7. Biodiesel Testing with DPF – MD Engine  •  Cummins ISB 300  –  2002 Engine, 2004 Certification  –  Cooled EGR, VGT  •  Johnson Matthey CCRT  –  12 Liter DPF  –  Passively Regenerated System  –  Pre Catalyst (NO  Production)  2  •  Fuels:  ULSD, B100, B20, B5  •  ReFUEL Test Facility  –  400 HP Dynamometer  –  Transient & Steady State Testing  •  Cummins  –  Soot Characterization  –  Significant financial support for  testing
  8. 8. B20 Testing with DPF – HD FTP  B20 results in substantial PM reduction even with DPF  (data for 2003 Cummins ISB with Johnson Matthey CCRT on HD FTP)  Reduction with DPF ranges  from 20% to 70%, depending  on basefuel, test cycle, and  other factors  •  Reduction in sulfate  emissions  •  Increased PM reactivity  Williams, et al., “Effect of Biodiesel Blends on Diesel Particulate  Filter Performance” SAE 2006­01­3280
  9. 9. Balance Point Temperature/Regeneration  Rate Results  BPT  • BPT is 40ºC lower for B20  ULSD  360ºC  • Soot is more easily burned off of filter  B20  320ºC  • B20 can be used for lower temperature duty cycle  B100  250ºC  • Regeneration rate increases with  increasing biodiesel content  • Even at 5%, biodiesel PM measurably  oxidizes more quickly
  10. 10. Biodiesel and DPF operation  •  Biodiesel is compatible with Diesel Particulate  Filters, and has some distinct advantages:  –  Lowers regeneration temperatures  –  Less engine out particulate matter  –  May provide increased performance and decreased  maintenance vs. ULSD alone  –  May provide increased fuel economy  •  Regeneration mode is important  –  Late in­cylinder injection may cause increased fuel  dilution of engine oil and limit the level of biodiesel  that can be used (i.e. B20 or B5)  –  Most US heavy duty applications use exhaust  stream fuel injection which is compatible with B20,  perhaps higher blends  –  NBB is working closely with OEM’s in this area
  11. 11. Biodiesel Testing with LD Emission Control Systems  •  Includes two emission control systems and two fuel blends  on a light­duty platform  –  NAC/DPF and SCR/DPF  –  5% and 20 % biodiesel blends  •  Performance, optimization and durability  –  Aging to represent 2100 hours of operation (approximately 120,00  miles or full useful life) for B20  –  Emissions evaluations over UDDS, US06, and HFET –conducted  by EPA  –  Perform engine and fuel component teardown at end of aging  Engine:  DCX OM646  Vehicle: Mercedes C200 CDI Vehicle: Mercedes C200 CDI 
  12. 12. Test Results – EPA Chassis Dynamometer  NOx Adsorber Catalyst (NAC)  11  B20  10  PM  [mg/mile]  9  Cold LA4  50,000 mile  120,000 mile  8  Hot LA4  Standard  7  Standard  6  Composite FTP75  5  4  3  2  1  0  0.00  0.01  0.02  0.03  0.04  0.05  0.06  0.07  0.08  NOx  [g/mile]  11  10  ULSD PM  [mg/mile]  9  Cold LA4  50,000 mile  120,000 mile  8  Hot LA4  Standard  7  Standard  6  Composite FTP75  5  4  3  2  1  0  0.00  0.01  0.02  0.03  0.04  0.05  0.06  0.07  0.08  NOx  [g/mile] 
  13. 13. Experimental Setup and Objectives: SCR  Diesel Particulate Filter  Diesel Particulate Filter  §  Compare SCR catalyst performance  §  §  JM CCRT (12 Liters)  JM CCRT (12 Liters)  with ULSD and Soy B20 through  §  §  Passively Regenerated  Passively Regenerated  engine testing  §  §  Pre Catalyst for NO  2  Production  Pre Catalyst for NO Production  2  §  Measure relative importance of catalyst  de­NOx Aftertreatment  de­NOx Aftertreatment  temp, exhaust chemistry and catalyst  §  JM Zeolite SCR (15.5 Liters)  §  JM Zeolite SCR (15.5 Liters)  space velocity  §  Urea Injection (air assisted)  §  Urea Injection (air assisted)  §  Measure B20’s impact on these  §  §  NH3 Slip Catalyst  NH3 Slip Catalyst  system variables and overall NOx  conversion  Diesel Engine  Diesel Engine  §  §  2002 Cummins ISB (300 hp)  2002 Cummins ISB (300 hp)  §  Focus on Steady­State Modal Testing  §  2004 Emissions Cert  §  2004 Emissions Cert  §  §  Cooled EGR, VGT, HPCR  Cooled EGR, VGT, HPCR Urea Injection  Diesel  Selective  NH3  DOC  Particulate  Catalytic  Slip  Filter  Reduction  Cat 
  14. 14. ULSD vs B20 – SCR Overall NOx Conversion  §  No statistical difference in NOx Conversion with B20
  15. 15. Conclusions:  •  NBB, the US Department of Energy, and the  engine and vehicle manufacturers are  expending significant resources to understand  how biodiesel blends interact with new diesel  emission controls  •  Detailed testing thus far indicates B20 and lower  blends are compatible with both diesel and NOx  after treatment  –  Provides benefits in some cases  •  B5 is now just part of normal D975 diesel fuel  •  Additional study is underway  –  Quantify long term benefits of biodiesel blends  –  Late in­cylinder injection may cause fuel dilution  –  NBB is encouraging OEM’s to publicly support B20