Schadstoffbildung und Emissionsminimierung bei Kfz Teil II

Transkript

1 Schadstoffbildung und Emissionsminimierung bei Kfz Teil II (Abgasnachbehandlung) a.o.univ.-prof. Dipl.-Ing. Dr. Stefan Hausberger LV-Veranstaltungsnummer: Nr Stand

2 Organisatorisches Skriptum für Teil 2 online verfügbar Weitere Termine: : SCR Katalysatoren : Betrachtung Gesamtsystem Dieselmotoren und Abgasnachbehandlung (Gastvortrag von BMW Steyr) Prüfungen mündlich nach Vereinbarung

3 Behandelte Themen 3-Wegekatalysator (bei diesem werden auch grundlegende physikalische und chemische Abläufe behandelt) NOx-Speicherkatalysator nur überblicksmäßig SCR (Selective Catalytic Reduction) in einem eigenem Vorlesungsblock Partikelfilter und sonstige Partikelabscheider ->Aufbau und Eigenschaften ->Physikalische und chemische Grundlagen der Funktionen

4 Vollständige Verbrennung: C H n + ( m + ) O2 mco2 + 4 n H 2 m n 2 + Produkte unvollständiger Verbrennung: CO, HC, Ruß + NOx-Bildung Oxidation von CO, HC, Ruß, z.b.: 3-Wegekatalysator O NOx-Reduktion, z.b.: 2NO + 2CO N + CO Konvertierungsgrad: K = C Rohabgas C C Rohabgas NachKat λ= L.( a k tu. Leulle f t m) e n g L m in

5 3-Wegekatalysator, Regelung Lambda wird um den Wert 1 geregelt, Abweichungen werden durch Sauerstoffspeicherung (z.b. an Ceroxid) gepuffert: Gleichungen nach Feßler K., 2010 λ 1,01 1,00 0,99 λ nach Kat λ vor Kat O 2 -Abgabe O 2 -Aufnahme O 2 -Abgabe Zeit

6 EU Limits PKW 1.6 Diesel ECE 15/01 (bis 1992) 1.4 HC Limit [g/km] Diesel EURO 6 NOx=80mg/km Diesel EURO NOx Limit [g/km] Otto EURO 1 ( ) CO Limit [g/km] Otto EURO 6 NOx = 60 mg/km CO-Limit = 21,5 g/km

7 Rohemissionen und Emissionen nach Kat 50% von TLEV Rohemissionen EU6 TLEV 0,1 ghc/km Kumulierte HCemissionen [g] 30% von EU6 50% von ULEV LEV ULEV SULEV Zeit [s]

8 3-Wegekatalysator Gehäuse (Canning) mit Katalytisch beschichtete Trägerkatalysatoren, Trägerkörper, einer Zwischenschicht (Washcoat) und der katalytische aktiven Schicht, oder Vollkatalysatoren z.b. Extrudat aus katalytisch aktivem Material

9 3-Wegekatalysator, Aufbau Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ), Ceroxid, Zirkoniumoxid als Washcoat Trägermaterial aus stranggepresster Keramik oder gewelltes oder gewickeltes Stahlblech Beschichteter Einzelkanal

10 3-Wegekatalysator, Aufbau Katalytisch aktive Beschichtung aus *Platin *Rhodium *Palladium Washcoatschicht an der Kanalwand eines Wabenkatalysators

11 3-Wegekatalysator, Wirkung 1 1 Senkung der Aktivierungsenergie E schnellere Reaktion d[a] / dt = k * [A] x [B] Arrhenius: k = a * e (-Ea/R*T) Zur Erinnerung, Teil 1 der VL: Gibbs-Energie (Freie Enthalpie): G = H T * S Wenn G = 0 chemisches Gleichgewicht G < 0 Reaktion läuft spontan ab

12 3-Wegekatalysator, Grundlagen

13 3-Wegekatalysator, Grundlagen 1. Strömung des Abgases im Katalysator und Wärmeübergang 2. Transport der Schadstoffe an die katalytisch aktive Oberfläche des Katalysators (2: Wandfilmdiffusion, 2p: Porendiffusion) 3. Chemisorption eines oder mehrerer Reaktionspartner an den aktiven Zentren der Katalysatoroberfläche Strömungsrichtung 2 6 2p 6p 3, 4, 5 4. Reaktionen an der katalytischen Oberfläche 5. Desorption der chemisorbierten Produkte von der Katoberfläche 6. Transport der Reaktionsprodukte zurück in die Gasströmung (6p: Porendiffusion, 6: Wandfilmdiffusion) Grenzschicht Katalysator

14 3-Wegekatalysator, Grundlagen Reaktionen in heterogener Katalyse über Reaktionskinetik (üblich in Berechnung: alles als Gasphasenreaktionen abgebildet, keine Zwischenprodukte an Katalysator) Besonders wichtige Reaktionen sind: Oxidation von CO, H 2, HC (verschiedene Spezies), NO, H 2 S Reduktion von NO, NO 2 mit CO, H 2, HC N 2 O und NH 3 Bildung Sauerstoff-Speicherung und Abgabe Speichern: CeO 2 mit O 2 und NO ( N 2 oder N 2 O),. Abgeben: Ce 2 O 3 mit CO, HC, H 2, H 2 S, NH 3

15 3-Wegekatalysator, Grundlagen Beispiele Reaktionskinetik dazu (Quelle:Axisuite, Exothermia): Beispiel zu Oxidation C 12 H /2 O 2 12 CO H 2 O Reaktionsrate r = k 1 x p C12H26 x p O2 / G mit p..partialdruck = Molanteil Bsp. Für Alkan (n-dodekan) G Inhibitions Term, berücksichtigt Konkurrenz anderer Spezies bei Besetzung aktiver k = A * e (-E a/r*t) katalytischer Oberfläche, z.b. G 1_2 = 1 + k i * p CO 2 * p HC 2 Beispiel Sauerstoffspeichern Ce 2 O 3 + ½ O 2 2CeO 2 Reaktionsrate r = k 2 * p O2 *Ψ Ce2O3 Ψ Ce2O3.Freie Ceriumspeicherkapazität [Mol]

16 3-Wegekatalysator, Grundlagen Einfache Energiebilanzen zur Temperaturbestimmung Q Strahlung Q Wü-i Q Wü-a Stofftransport an Kat-Oberfläche durch Diffussion: Q l

17 3-Wegekat

18 0.40 In realen Kfz erreichte Emissionsniveaus hängen dann stark von λ-regelung ab HC [g/km] Average cycle speed [km/h] HC-Messergebnisse an 211 EURO 4 Benzin-PKW in verschiedenen Zyklen

19 Emissionsniveaus hängen stark von λ-regelungstrategie ab HC-Messergebnis Beispiel EURO 5 Otto-PKW mit Direkteinspritzung Bild rechts: NEDC Bild rechts unten: WLTC Bild Unten: ERMES real world Zyklus mit Volllastphasen (Volllastanreicherung an HC zu sehen) NEDC ERMES WLTC

20 Abgasnachbehandlung bei λ>1 Oxidationskatalysator für CO, HC 3-Wege Katalysator versagt für NOx wegen Luftüberschuss -> NOx-Speicherkat -> Selektive Katalytische Reduktion als heutige Lösungen

21 NOx-Speicherkat Aufbau wie 3-Wegekat Zusätzlich NOx-Speicherkomponenten auf Beschichtung (Alkali- oder Erdalkaliverbindungen, speziell Bariumcarbonat durch Umwandlung in Nitrate) Regeneration entweder durch fette Verbrennung oder Kraftstoffeinspritzung vor Kat (z.b. Toyota D-Kat)

22 NOx-Speicherkat 100% NOx-Schlupf = F(Beladung) Regelmäßige Regeneration erforderlich Lastbereiche für Regenerationsbetrieb NOx Schlupf [%] Sinnvoller Betriebsbereich (je nach Zielvorgabe) Maximale Beladung = F(T, SV) 0 % 0 NOx Beladung [g]

23 Abhängigkeiten Konvertierungsraten Kat generell Die wesentlichsten physikalischen Einflüsse sind: Temperatur Verweilzeit der Moleküle im Kat. Kennzahl ist Raumgeschwindigkeit bzw. Space Velocity (SV) in Raumgeschwindigkeit = V Abgas in Nm 3 /h / Katalysatorvolumen in m 3 Beispiel gemessene Abhängigkeiten in einem Kat-Kennfeld SV = 0 0 <SV < < SV < < SV < < SV < < SV < < SV < < SV < < SV < < SV < < SV < SV = Temp = % 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0 < Temp < % 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 50 < Temp < % 11.3% 11.4% 11.4% 11.3% 11.1% 11.1% 11.1% 11.0% 10.6% 9.6% 4.3% 100 < Temp < % 53.1% 54.0% 53.6% 53.6% 52.5% 52.3% 52.3% 52.0% 50.3% 45.5% 20.1% 150 < Temp < % 79.5% 80.7% 80.2% 80.1% 78.6% 78.2% 78.2% 77.8% 75.2% 68.0% 30.1% 200 < Temp < % 96.7% 98.2% 97.5% 97.5% 95.6% 95.1% 95.2% 94.7% 91.5% 82.8% 36.6% 250 < Temp < % 97.0% 98.5% 97.9% 97.8% 95.9% 95.5% 95.5% 95.0% 91.8% 83.0% 36.7% 300 < Temp < % 95.4% 96.9% 96.2% 96.2% 94.3% 93.9% 93.9% 93.4% 90.3% 81.7% 36.1% 350 < Temp < % 95.5% 97.0% 96.4% 96.3% 94.5% 94.0% 94.1% 93.6% 90.4% 81.8% 36.2% 400 < Temp < % 94.3% 95.8% 95.2% 95.1% 93.3% 92.8% 92.9% 92.4% 89.2% 80.8% 35.7% 450 < Temp < % 91.6% 93.0% 92.4% 92.3% 90.5% 90.1% 90.2% 89.7% 86.6% 78.4% 34.7% Temp = % 49.2% 50.0% 49.7% 49.6% 48.7% 48.4% 48.5% 48.2% 46.6% 42.1% 18.6%

24 NOx-Speicherkat Aktuelle Entwicklung NO->NO 2 sehr langsam Nitrate thermisch instabil Gleichgew. NO->NO 2 eher bei NO

25 Diesel-Partikelfilter

26 Materialien: Monolithen aus Keramik Diesel-Partikelfilter Siliziumkarbid (Standard bei PKW) Cordierit (billiger aber problematisch bei hohen Temperaturen) oder Sintermetall Quelle Bosch

27 Diesel-Partikelfilter Abbrandtemperatur PM: >500 C ohne Maßnahmen /thermische Regeneration <300 C mit Kraftstoffadditiv oder NO 2 (CRT) Rußabbrand: C + O 2 => CO 2 über 500 C C + 2NO 2 => CO 2 + 2NO über ca. 300 C 2NO + O 2 => 2 NO 2 (in vorgelagertem Oxi-Kat)

28 v [km/h] and t [ C] Typische Abgastemperaturen im normalen Kfz Betrieb Stadtbus, ebene Fahrbahn 0 %>350 C 0 % > 300 C 13% > 250 C 0.5%>350 C 13% > 300 C 42% > 250 C 9040 city centre cycle Braunschweigzyklus v t before PM Cat Time [s] Time [s]

29 Typische Abgastemperaturen im normalen Kfz Betrieb PKW, Runde in und um Graz Geschwindigkeit [km/h] %>350 C 0 % > 300 C 0 % > 250 C Innerorts 0%>350 C 7% > 300 C Steigung "Ries" 42% > 250 C Zeit [sec] Bundesstrasse 5%>350 C 18% > 300 C 67% > 250 C Autobahn Abgastemperatur vor Katalysator [ C]

30 Abgasgegendruckverhalten DPF T e c h n i s c h e U n i v e r s i t ä t G r a z

31 Regenerationsmöglichkeiten DPF Drehmoment Regeneration mittels NO 2 Motorisches Heizen, ev. mit Additiv Motorisches Heizen, ev. mit Additiv thermische Regeneration Drehzahl

32 Schema CRT-DPF

33 DPF, Grundlagen Mechanismen der Partikelabscheidung

34 DPF, Grundlagen Verhalten Oberflächenfilter Zu groß für Diffusionsabscheidung, zu klein für Impaktion

35 DPF, Grundlagen Filtertypen

36 Beispiel Simulation Rußabbrand Partikelfilter Quelle: ICE

37 DPF, Grundlagen Russabbrand

38 Partikelkatalysator Offene Struktur (Zulegen unkritisch) Partikel durch Impaktion und Adhäsion auf Oberfläche angelagert (z.b. Oberland Mangold) Partikel durch Prägung des Katalysators in Speicherschicht geleitet (z.b. Twin-Tec)

39 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Bitte geben Sie Feed Back im -Online ( LV-Evaluierung) bzw. auch jederzeit gerne direkt