Effiziente Abgaskatalysatoren mit weniger Edelmetallbedarf. Projekt REffKat

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Justus Brahms
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1 Effiziente Abgaskatalysatoren mit weniger Edelmetallbedarf Projekt REffKat

2 Motivation Weltweit ~ Benzinmotoren > t/a Schadstoffumsatz Davon: t/a CO t/a No x t/a HC 2

3 Motivation Weltweit ~ Benzinmotoren > t/a Schadstoffumsatz Davon: t/a CO t/a No x t/a HC Masse / kg % der Weltproduktion (2012) Wert (Ø 2012) / Mio. Palladium Rhodium Cer

4 Drei-Wege-Katalysator (Chemie) 4

5 Drei-Wege-Katalysator (Chemie) Koop, Detaillierte Modellierung der Pt-kataylsierten Schadstoffminderung in Abgasen modernder Verbrennungsmotoren, Dissertation 2008, Karlsruhe 5

6 Drei-Wege-Katalysator (Chemie) Koop, Detaillierte Modellierung der Pt-kataylsierten Schadstoffminderung in Abgasen modernder Verbrennungsmotoren, Dissertation 2008, Karlsruhe 6

7 Drei-Wege-Katalysator (Regelung) Regelung des Sauerstoffgehalts (λ-regelung) 7

8 Drei-Wege-Katalysator (Regelung) Regelung des Sauerstoffgehalts (λ-regelung) 8

9 Problemstellung Betriebswarmer Zustand Optimaler Sauerstoffgehalt Umsatz 100% 9

10 Problemstellung Betriebswarmer Zustand Optimaler Sauerstoffgehalt Emissionen 10

11 Problemstellung Betriebswarmer Zustand Optimaler Sauerstoffgehalt Emissionen Mehr Edelmetall Mehr Ceroxid Umsatz 100% 11

12 Problemstellung Betriebswarmer Zustand Optimaler Sauerstoffgehalt Emissionen Mehr Edelmetall Mehr Ceroxid Umsatz 100% REffKat 12

13 Projektstruktur Labor- Testverfahren Regelkonzepte Materialentwicklung Kinetische Modelle REffKat Schicht- und Zonenstruktur 13

14 Projektstruktur Labor- Testverfahren Regelkonzepte Materialentwicklung Kinetische Modelle REffKat Schicht- und Zonenstruktur 14

15 Projektstruktur Labor- Testverfahren REffKat 15

16 Labor-Testverfahren - Hintergrund Äußerst komplexes Zusammenspiel zwischen Motor und Sensorik Aufwändige und kostspielige Tests an Motor- und Fahrzeugprüfständen 16

17 Labor-Testverfahren - Hintergrund Äußerst komplexes Zusammenspiel zwischen Motor und Sensorik Einfache Tests an Modellgasprüfständen Aufwändige und kostspielige Tests an Motor- und Fahrzeugprüfständen 17

18 Labor-Testverfahren - Ergebnisse Kaltstartverhalten Sauerstoffspeicherverhalten 18

19 Labor-Testverfahren - Ergebnisse Kaltstartverhalten Sauerstoffspeicherverhalten Kondensation/Verdampfung (H 2 O, C x H y ) Verschiedene Kohlenwasserstoffe Dynamisches Aufheizen eines kalten Katalysators durch heißes Abgas Reversible Deaktivierung 19

Sauerstoffspeichers Einfluss von Durchbruchszenarien

20 Labor-Testverfahren - Ergebnisse Kaltstartverhalten Sauerstoffspeicherverhalten Charakterisierung des Sauerstoffspeichers Einfluss von Durchbruchszenarien Dynamischer Sauerstoffspeicher Statischer Sauerstoffspeicher 20

21 Labor-Testverfahren - Ergebnisse Kaltstartverhalten Sauerstoffspeicherverhalten Bestimmen des Sauerstoffspeichers anhand der Thermodynamik Einflussgröße: Massentransport im Katalysator 21

22 Projektstruktur Kinetische Modelle REffKat 22

23 Kinetische Modelle - Hintergrund 1. Chemisches Verständnis 2. Extrapolation 23

24 Kinetische Modelle - Ergebnisse Kaltstartverhalten Sauerstoffspeicherverhalten Stationäres Umsatzverhalten Kinetisches Modell für das Kaltstartverhalten Gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten 24

25 Kinetische Modelle - Ergebnisse Kaltstartverhalten Sauerstoffspeicherverhalten Stationäres Umsatzverhalten Kinetisches Modell für das Sauerstoffspeicher Gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten 25

26 Kinetische Modelle - Ergebnisse Kaltstartverhalten Sauerstoffspeicherverhalten Stationäres Umsatzverhalten Kinetisches Modell für das Stationäre Umsatzverhalten Gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten 26

27 Projektstruktur REffKat Schicht- und Zonenstruktur 27

28 Schicht- und Zonenstruktur - Hintergrund Palladium Oxidationsreaktionen Rhodium Reduktionsreaktionen Substrat 1. Schicht 2. Schicht 28

29 Schicht- und Zonenstruktur - Ergebnisse Massentransfer (extern + intern) Optimale Beladungsprofile 100 Optimum Loading Profile F catgeo Length, m 29

30 Projektstruktur REffKat Regelkonzepte 30

31 Regelkonzepte - Hintergrund Regelstörungen unvermeidbar! Regelung anpassen State of the Art Aufwändige Tests Regelung korrigieren Neuer Katalysator Fertige Regelung 31

32 Regelkonzepte - Hintergrund Regelstörungen unvermeidbar! Regelung anpassen State of the Art Aufwändige Tests Regelung korrigieren Neuer Katalysator Fertige Regelung Modell REffKat Regelung anpassen 32

33 Regelkonzepte - Ergebnisse Verschiedene modellbasierte Regelkonzepte: Exakte Ein- / Ausgangslinearisierung linear-quadratischer- Regler nichtlineare modellprädiktive Regelung Lambdaregelkreis o - + Zellenanzahl Regelgröße Komplexität o + - Echtzeitfähigkeit + + o Regelgüte + o o 33

34 Projektstruktur Materialentwicklung REffKat 34

35 Zusammenfassung Labor- Testverfahren Regelkonzepte Materialentwicklung Kinetische Modelle REffKat Schicht- und Zonenstruktur 35

36 Zusammenfassung Regelkonzepte Materialentwicklung Kinetische Modelle Prototyp REffKat Light-Off- Verhalten Labor- Testverfahren Sauerstoffspeicherverhalten Schicht- Emissionen und Zonenstruktur (CO / C x H y / NO x ) 36

37 Performance Ausblick Kinetische Modelle Regelkonzepte Materialentwicklung Labor- Testverfahren REffKat Edelmetallbedarf Schicht- und Zonenstruktur 37

38 Performance Ausblick Kinetische Modelle Regelkonzepte Materialentwicklung Labor- Testverfahren REffKat Edelmetallbedarf Schicht- und Zonenstruktur 38

39 Projekt REffKat Entwicklung von ressourceneffizienten Autoabgaskatalysatoren mit deutlich reduziertem Gehalt an Edelmetall und Seltenerdmetall

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