Motornahe Abgasnachbehandlung im Nutzfahrzeug: Eine Lösung für CARB 2020 NO x?

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1 Motornahe Abgasnachbehandlung im Nutzfahrzeug: Eine Lösung für CARB 2020 NO x? Dr. M. Presti a,1, Dr. A. Scheeder a,2, O. Holz a,3 und R. Brück a,4 a Continental Emitec GmbH Hauptstrasse 128, Lohmar, Germany Kurzfassung: Die anstehende Verschärfung der NO x -Grenzwerte im Nutzfahrzeug-Sektor in den USA stellt neue Herausforderungen an die Motorenhersteller. Die diskutierte Absenkung von 90% (auf 0,02 g/bhp-hr) ohne negative Auswirkungen auf die CO 2 -Emission (green house gas emissions) erfordert eine NO x -Minderung unter allen Betriebsbedingungen. Insbesondere stellen der Kaltstart und die Lastpunkte mit niedrigen Abgastemperaturen erhöhte Anforderungen an die Aktivität des Abgasnachbehandlungssystems und hier speziell die Menge und Aufbereitung des Reduktionsmittels. NO x -Rohemissionsreduktion durch Kennfeldanpassung bzw. motorische Heizmaßnahmen sind schwierig wegen der damit verbundenen erhöhten CO 2 -Emissionen. Als eine CO 2 -neutrale Möglichkeit der Temperaturerhöhung bietet sich die bereits im Pkw-Sektor bewährte motornahe Anordnung der Abgasreinigungskomponenten an. Die aufzuheizenden thermischen Massen und Wärmeverluste über Rohrlängen werden dadurch verringert. Aufgrund des nun höheren Temperatur-Niveaus am Abgasnachbehandlungssystem kann die Reduktionsmittelaufbereitung früher beginnen und ggf. das Katalysator-Volumen bzw. die Edelmetallbeladung reduziert werden und somit ein insgesamt leichteres, kompakteres und kostengünstigeres Gesamtsystem dargestellt werden. Schlagworte: motornahe Abgasnachbehandlung; cceat (close coupled Exhaust AfterTreatment); CARB 2020 NO x ; Katalysator; SCR. 1 manuel.presti@@continental-corporation.com, URL: andreas.scheeder@continental-corporation.com, URL: oswald.holz@continental-corporation.com, URL: rolf.brueck@continental-corporation.com, URL:

2 1 Einleitung Studien belegen, dass der Verbrennungsmotor auch im Jahr 2050 weiterhin die dominante Antriebsart für Fahrzeuge bleiben wird [1]. Um die Luftqualität bei wachsendem Fahrzeugbestand zu verbessern, werden seitens der Gesetzgebung die Abgasvorschriften ständig verschärft. Aktuell ist die Absenkung der NO x -Grenzwerte in USA um weitere 90 % in Diskussion. Die ständige Verbesserung der Motor-Wirkungsgrade bringt eine Absenkung der Abgastemperaturen mit sich, was wiederum die Anforderungen an die Effektivität der Abgasnachbehandlung der modernen Motoren erhöht. Eine Reduktion der Motor-Rohemissionen ist ohne negative Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch (und damit auf den CO 2 -Ausstoß) nicht trivial. Aktuelle Abgassysteme von Nutzfahrzeugen bestehen in der Regel aus einem relativ großen, am Rahmen angebauten Gehäuse, in dem alle Komponenten (Dieseloxidationskatalysator DOC, Dieselpartikelfilter DPF, Reduktionsmitteldosierung und die SCR-Katalysatoren) untergebracht sind. Die Verbindung zum Turbolader stellt ein relativ langes Rohr dar; über dieses Rohr sind Wärmeverluste zu erwarten, auch wenn dieses zusätzlich isoliert ist. Moderne Pkw-Abgassysteme haben im Allgemeinen den ersten Katalysator bereits direkt nach dem Turbolader angeordnet und die weiteren Komponenten entlang des Abgasrohres platziert. Es liegt daher nahe, eine motornahe Konfiguration analog den Pkws auch im Bereich der Nutzfahrzeugmotoren darzustellen. Das höhere Temperaturniveau direkt nach dem Turbolader begünstigt die Katalysatoreffektivität, so dass dessen Volumen ggf. reduziert werden kann; die Integration im extrem beengten motornahen Bereich wird durch diese potentielle Volumenreduktion vereinfacht. Die verbleibende Zuleitung zum Schalldämpfer kann bereits zur Aufbereitung des Reduktionsmittels genutzt werden. Die Verschiebung der Komponenten hin zum Motor reduziert den erforderlichen Bauraum am Fahrzeugrahmen, was die Freiräume für die Anordnung von anderen Komponenten am Rahmen erhöht (z.b. größerer Tank, andere Anbauteile, die eine gute Zugänglichkeit erfordern). 2 Aktuelle Abgassysteme Pkw-Anwendungen haben einen Vorlauf in Bezug auf Felderfahrung in der Abgasnachbehandlung. Hersteller von Nutzfahrzeug-Motoren sowohl für Straßenfahrzeuge wie auch für den Nonroad-Bereich haben erst später analog zur Verschärfung der Emissionsgrenzwerte die Abgasnachbehandlung eingesetzt.

3 2.1 Nutzfahrzeugsysteme Die heutigen EU VI-Systeme bestehen in der Regel aus einem am Rahmen montierten Schalldämpfer. Hier sind alle Abgasnachbehandlungskomponenten sehr kompakt integriert: Oxidationskatalysator, Partikelfilter sowie die SCR-Komponenten (incl. Reduktionsmittel-Dosierung und dessen Aufbereitung). Die Abbildungen 1 und 2 zeigen am Beispiel Scania die typische EU VI-Anordnung [3]. Abbildung 1: Scania EU VI-Motor mit Abgasnachbehandlung [3] Abbildung 2: Aufbau Scania EU VI-Schalldämpfer [3]

4 Über die Zuleitung zum Schalldämpfer ist eine Temperaturverschiebung (= Temperaturverlust) zu erwarten, was insbesondere im Kaltstart zu Emissionsnachteilen führen wird. Die Aufbereitung der Harnstoff-Lösung AdBlue ist mit viel simulativem und experimentellem Aufwand in die Lauflänge des Abgases in der Box integriert. Teilweise mehrfache Umlenkungen und resultierende Querschnittsrestriktionen erhöhen den Gegendruck nach Abgasturbolader und beeinflussen damit den thermodynamischen Wirkungsgrad des Motors. 2.2 Personenkraftwagen Im Gegensatz zu den Nutzfahrzeugen wird bei Personenkraftwagen bereits seit längerem mit einer motornahen Anordnung von Katalysatoren gearbeitet, wie das Beispiel des Volkswagen Dieselmotorsystems in der EU 5- Variante [6] zeigt: Abbildung 3: motornaher DOC in einer EU 5-Anwendung [6] Der erste Katalysator, hier der DOC, wird direkt am Turbolader angeflanscht, so dass es nicht zum Verlust von Wärme über die Verrohrung kommen kann. Der Dieselpartikelfilter schließt mit wenigen Millimetern Abstand direkt an den DOC an. Aus Packaging-Gründen sind zum Teil komplexe Geometrien für die Katalysatoren bzw. deren Anströmung und Canning zu realisieren. Hier kann der Metallträger seine Vorteile zu Geltung bringen: Flexibilität in der Formgestaltung, kurze Baulängen und einfache Verbaubarkeit durch Einschweißen.

5 3 Neuer Ansatz für Nutzfahrzeuge Die Notwendigkeit zur motornahen Anordnung der Abgasnachbehandlung ist auch im Bereich der Nutzfahrzeug-Motoren unverkennbar [1], [2], [4]. In den bestehenden Bauräumen können tendenziell nur kleinere Katalysatorvolumina untergebracht werden. Mit den Erfahrungen aus den Pkw- Anwendungen erscheint eine Volumenreduktion ggf. mit einer Anpassung der Edelmetallbeladung realistisch. Um das Gegendruckverhalten des Systems nicht zu verschlechtern, sollte auf eine Verringerung der Katalysator- Querschnittsfläche möglichst verzichtet werden. Die Umsetzbarkeit einer solchen motornahen Konfiguration für Nutzfahrzeuganwendungen soll im Rahmen dieser Untersuchung verifiziert werden. Als Referenz dient ein klassischer Aufbau für EU VI-/EPA 2010-Systeme: Anbau der gesamten Abgasanlage am Fahrzeugrahmen. Als Testaggregat stand ein 15 Liter 450 kw Motor mit AGR zertifiziert nach US 2010 zur Verfügung. Bei dessen Rohemissionen besteht kein signifikanter Unterschied zu AGR-Motoren nach EU VI. Motorseitig wurden im Zuge dieser Untersuchung keinerlei Maßnahmen zur Veränderung der Motor- Rohemissionen vorgenommen. Der Algorithmus zur Zwangsregeneration des Partikelfilters wurde stillgelegt; mit großem Aufwand wurde darauf geachtet, dass der Beladungszustand zu Testbeginn immer gleich war. Abbildung 4: Schematischer Aufbau für das System 1 (Referenzsystem) und System 2 (mit reduziertem DOC-Volumen an motorferner Position)

6 3.1 Maßnahme 1: Motornahe Integration des DOC Das Volumen des standardmäßig verbauten DOC beträgt 11,3 Liter. Simulationen mit einem motornahen DOC lassen den Schluss zu, dass durch den Temperaturvorteil eine Volumenreduktion von bis zu 30% dargestellt werden könnte. Ein DOC mit 7,8 Liter Volumen wird also angestrebt. Die Integration eines Trägers mit großem Querschnitt in gegebenen engen Bauräumen kann in der Regel nicht mit der klassischen Bauweise realisiert werden. Die gewählte Konfiguration mit einem kurzen Träger, der in Richtung der Fahrzeug-Querachse durchströmt wird, ermöglicht den Einbau zwischen dem Motor und dem sehr häufig begrenzenden Fahrzeugrahmen. Das Packaging kann durch Einsatz von unrunden Trägern unter Umständen vereinfacht werden [5]. Der hier gewählte quadrat-ähnliche Träger mit einer Seitenlänge von 290 mm entspricht im Querschnitt einem runden Träger von immerhin 313 mm Durchmesser. Abbildung 5: Integration motornaher quer durchströmter DOC zwischen Motorblock und Rahmenträger

7 Die Konfiguration mit einem quer durchströmten quadratischen Träger erfordert eine genaue Betrachtung und Simulation der Strömung, um eine gute Gleichverteilung über den Träger und damit eine hohe Effektivität und geringen Gegendruck zu realisieren. Abbildung 6: Strömungssimulation motornaher DOC Mit der gezeigten Konfiguration konnte im ersten Schritt nur eine Gleichverteilung von UI=0,79 erreicht werden; dies führt zu einer ungleichmäßigen Ausnutzung des Katalysators und zu einem höheren Gegendruck. Eine weitere Optimierung wird zu einem späteren Zeitpunkt weiteres Potential aufzeigen. 3.2 Maßnahme 2: Verlegung der Dosierstelle Bei motornaher Anordnung des DOC's entsteht die Möglichkeit, die Verrohrung zum Schalldämpfer zur Aufbereitung des Reduktionsmittels zu nutzen. Dazu wird die Dosierung direkt am Abgang des DOC-Gehäuses positioniert. Das UDP-System (Universal Decomposition Pipe) kombiniert die notwendigen Funktionen: - Eindüsung der wässrigen Harnstofflösung Verdampfung der Wassers Thermolyse (Harnstoffprimär-Zersetzung) Hydrolyse (Zersetzung der Isocyansäure)

8 Die geometrische Auswahl und Anordnung der Komponenten Konfusor, HWL-Injektor und MX-Substrat sind auf den Abgasmassenstrom und insbesondere auch auf die erforderlichen Massenströme des Reduktionsmittels abgestimmt. Sowohl Niedrigst-Lastpunkte wie auch Hoch-NO x -Punkte müssen ablagerungsfrei darstellbar sein. Abbildung 7: Konzept mit motornahem DOC und Reduktionsmittelaufbereitung UDP in der Zuleitung zum Schalldämpfer 3.3 Maßnahme 3: Partikelfilter mit SCR-Beschichtung Die Maßnahme 2 bietet eine hervorragende Gelegenheit, den Partikelfilter in einer doppelten Funktion zu nutzen. Neben der Reduktion von Partikelmasse und -anzahl kann die Struktur mit einer SCR-Beschichtung versehen werden. Veröffentlichungen hierzu zeigen schon seit Jahren, dass diese Funktionskoppelung ein großes Potential bietet; erste Systeme befinden sich bei Pkw- und Heavy Duty-Anwendungen bereits in Serie. Die Art der Beschichtung und die Wahl des passenden Substrats sind sehr wichtig für die jeweilige Anwendung. Ein Vergleich der möglichen Beschichtungen (Va, Fe-Z, Cu-Z, Mischungen davon) werden u.a. sehr schön in [4] dargestellt. Ziel dieser hier vorliegenden Untersuchung lag nicht in der Bewertung dieser Technologien; vielmehr ging es um die Potentiale der SCR-Reaktion bei verbesserten thermischen Randbedingungen. In aller Regel und insbesondere für sehr hohe Konvertierungsleistungen ist für solche Anordnungen ein zusätzlicher, nachgeschalteter SCR- Katalysator erforderlich. Zur Anwendung kam hier ein System aus Vabeschichtetem DPF und nachgeschaltetem, Va-beschichtetem Reduktionskatalysator.

9 Abbildung 8: Gesamtsystem (motornaher DOC, Reduktionsmittelaufbereitung UDP und SRC-beschichteter DPF im Schalldämpfer)

10 4 Versuchsprogramm und Ergebnisse Abbildung 9 zeigt die getesteten Varianten. Um den Temperatureinfluss von anderen Effekten zu separieren wurde zusätzlich ein DOC mit dem reduzierten Volumen an der Referenzposition (entspricht Position Fahrzeugrahmen) getestet (= System 2). Abbildung 9: schematische Darstellung der Versuchsvarianten Die Wirksamkeit des Systems sollte in einem möglichst breiten Anwendungsbereich bewerten werden. Dazu wurden folgende wichtigen Emissionszyklen gefahren: - WHTC (kalt / warm) - WHSC - ETC - ESC - NRTC (kalt / warm) - NRSC - HD-FTP (kalt / warm)

11 4.1 DOC Im ersten Schritt wird die Möglichkeit der Volumenreduktion des Oxidationskatalysators untersucht und bewertet. Als Parameter dienen jeweils der HC- und CO-Umsatz bzw. die NO 2 -Bildung. Als zusätzliche Option für den motornahen, volumenreduzierten DOC 3A wurde ein DOC mit höherer Edelmetall-Beladung 3B eingeführt: Der absolute Gehalt an Edelmetallen lag beim DOC 3B aber immer noch ca. 7 % unter dem der Referenz. Bei der Beschichtung handelt es sich in allen Fällen um Serienbeschichtungstechnologie auf Pt/Pd-Basis. Eine Optimierung der Beschichtungen hinsichtlich neuem Temperaturprofil wäre noch zu untersuchen. Tabelle 1: Getestete Varianten für den Oxidationskatalysator (DOC) Um das Druckniveau und damit auch die Temperaturen und Emissionen durch die unterschiedlichen Varianten nicht zu verändern, wurde eine Abgasklappe eingesetzt. Damit bleibt der Druck nach Turbolader für jede Variante möglichst gleich DOC-Temperaturen Die Temperaturen vor dem DOC verschieben sich erwartungsgemäß in Abhängigkeit von der Position; in der motornahen Position liegen diese im Schnitt K höher als an der Rahmen-Position im Schalldämpfer.

12 Abbildung 10: Temperaturen vor DOC im HD-FTP Zyklus (Kaltstart) HC-Konversion Insbesondere in Zyklen mit einem Kaltstart ist der positive Einfluss der motornahen Anordnung des Oxidationskatalysators erkennbar. Abbildung 11: HC Umsatz in ausgewählten Zyklen mit Kaltstart

13 Die Verringerung des DOC-Volumens (und des absoluten Edelmetallgehaltes) an der ursprünglichen Rahmenposition (= DOC 2) geht erwartungsgemäß einher mit einer Verringerung der HC-Konversion. Die Verschiebung dieses kleineren Volumens in Richtung des Turboladers (= DOC 3A) kompensiert diesen Konversions-Nachteil etwa zur Hälfte. Durch Erhöhung des Edelmetallgehaltes des motornahen Trägers auf 93% der Referenz (= DOC 3B) kann dieser Nachteil fast vollständig kompensiert werden. In den Zyklen mit durchgewärmten System bleibt der HC-Umsatz für den motornahen DOC mit reduziertem Volumen 2 5 Prozent-Punkte unter dem Niveau der Referenz CO-Konversion Bei der CO-Konvertierung ist der Vorteil der motornahen Positionierung noch deutlicher. Abbildung 12: CO-Umsatz in ausgewählten Zyklen mit Kaltstart Hier wird bereits mit dem DOC 3A das Niveau des Referenzsystems nahezu erreicht und mit adaptiertem Edelmetallgehalt sogar deutlich übertroffen. In den Zyklen mit durchgewärmten System erreicht der CO-Umsatz für den motornahen DOC mit reduziertem Volumen das Niveau der Referenz.

14 4.1.4 NO 2 -Bildung Auch die NO 2 -Bildung folgt im Prinzip dem oben gezeigten Trend von HCund CO-Konversion für die gewählten DOC Varianten. Abbildung 13: NO 2 -Bildung im NRTC (Referenz und DOC 3A) In der kumulierten Darstellung (Vergleich Referenz und motornaher DOC 3A, grüne Linien) ist der frühere Beginn der NO 2 -Bildung für das motornahe System (trotz 30 % weniger Edelmetallgehalt!) deutlich zu erkennen; die geringere NO 2 -Bildung bei höheren Temperaturen ist über das thermodynamische NO-/NO 2 -Gleichgewicht zu begründen.

15 4.2 Gesamtsystem Referenzaufbau mit motornahem DOC Im ersten Schritt bleibt der Aufbau der SCR-Komponenten unangetastet. Reduktionsmitteldosierung und SCR Katalysatoren behalten ihre Position hinter dem DPF (siehe Abbildungen 4 und 13). Abbildung 14: Schematischer Aufbau System 3 (motornaher DOC mit reduziertem Volumen und klassischem DPF-/SCR-Teil) HC- und CO-Konvertierung aller drei Systeme mit klassischem Aufbau ( SCR nach DPF, Systeme 1, 2 und 3A; siehe Tabelle 2) gemessen an der Tailpipe-Position - liegen auf demselben Niveau. Auch der NO x -Umsatz verändert sich kaum durch den Einsatz der verkleinerten DOC's. Die dominierende thermische Masse stellt der DPF dar, so dass sich der Temperaturverlauf an der Dosierstelle und damit auch die Dosierfreigabe kaum ändert. Lediglich der frühere Beginn der NO 2 -Bildung im motornahen System bringt leichte Vorteile im Kaltstart.

16 4.2.2 System mit SCR-beschichtetem DPF Hinter dem motornahem DOC wird direkt anschließend die Reduktionsmitteldosierung in Form einer UDP (Universal Decomposition Pipe, [1]) eingefügt. Die typische Rohrlänge bis zum Schalldämpfer (inclusive Flex- Bellow) kann hierbei als zusätzliche Aufbereitungsstrecke genutzt werden. Im Schalldämpfer sind dann nur noch der DPF mit einer SCR-Beschichtung sowie ein zusätzlicher kleiner SCR- und evtl. ein Sperr-Katalysator unterzubringen. Die Edelmetallbeladung dieses Systems ist auch durch den Wegfall des Pt-beschichteten DPFs um insgesamt 44 % reduziert. Tabelle 2: Getestete System-Varianten

17 Abbildung 15: Schematischer Aufbau des Systems mit motornahem DOC und SCR-beschichtetem DPF (= System 4) (Abbildung 14 entspricht Abbildung 8, zum besseren Verständnis nochmals gezeigt)

18 4.2.3 Temperaturen Das Temperaturniveau im Bereich des SCR-Katalysators wird bei identischen Temperaturen direkt nach dem Turbolader durch die geänderte Konfiguration signifikant höher, so dass die Dosierfreigabe früher erfolgen kann bzw. die maximal zulässigen Dosiermengen entsprechend höher ausfallen. Abbildung 16: Temperaturverlauf nach Turbolader und vor dem ersten SCR-Kat im WHTC (kalt)

19 4.2.4 NO x -Umsatz Entsprechend dem höheren Temperaturniveau kann die Dosierung ohne Veränderung der Dosierstrategie früher beginnen. Am Beispiel WHTC (kalt) liegt der Vorteil bei rund 200 Sekunden. Dadurch steigt auch der Gesamt-Umsatz des Systems mit dem SCR-beschichteten Filter. Abbildung 17: Früherer Beginn der Reduktionsmitteldosierung und NO x - Umsatz im WHTC (kalt)

20 Abbildung 18: Kumulierte NO x -Emission im WHTC (kalt) In der kumulierten Darstellung am Beispiel WHTC (kalt) ist der Vorteil des Systems mit SCR-beschichtetem DPF und motornahem DOC (= DOC 3A, 30% geringeres Volumen und 30% geringerer Edelmetallgehalt) gegenüber der Referenz erkennbar.

21 5 Zusammenfassung und Ausblick Es konnte gezeigt werden, dass durch eine motornahe Platzierung des Oxidationskatalysators eine Volumen- und Edelmetallreduktion ohne Nachteile für die Emissionen realisiert werden kann. Dies bedeutet gleichzeitig auch eine Gewichts- und Kosteneinsparung. Vorteile für die NO x -Emission lassen sich allein durch die Positionsverlagerung des DOCs nicht darstellen. Erst durch die Verlagerung der Reduktionsmitteldosierung und des SCR-Katalysators unmittelbar hinter den DOC hier durch den Einsatz einer UDP und eines Partikelfilters mit SCR- Beschichtung ist es gelungen das Effektivitätsfenster des SCR-Systems deutlich zu erweitern. In Kombination mit weiteren Maßnahmen wie z.b. motorische und/oder externe Heizmaßnahmen (z.b. elektrisch mit dem EMICAT ) ist das Ziel CARB 2020 zu erreichen. Als nächste Schritte sind die Themen rund um die Regeneration des SCRbeschichteten Partikelfilters sowie der reale Einsatz eines angepassten Systems in einem Fahrzeug (Continental Innovation Truck) vorgesehen. Abbildung 19: Bauraumstudie für den Continental Innovation Truck (li) sowie Basisvermessung auf dem HD-Rollenprüfstand (re)

22 Danksagungen Die Autoren danken den Kollegen vom Continental Emitec-Prüfzentrum in Eisenach, insbesondere Christoph Hühn und Jens Dachsel, die die Tests am Motorprüfstand durchgeführt haben. Literatur [1] R. Brück, T. Cartus und K. Müller-Haas, 2014, Die Vision eines motornahen Nutzfahrzeug Katalysatorsystems; Emissionsminderung unter allen Betriebsbedingungen, 7. Emission Control 2014 in Dresden. [2] R. Brück, Mark Brugger, Naroa Zaldua-Moreno 2015, Anforderungen und Lösungen für die Abgasnachbehandlung von Diesel PKW im Hinblick auf WLTP und RDE, 2. internationaler Motorenkongress 2015 in Baden Baden [3] M. Nielsson, M. MackAldener, F. Swartling; 2014, Scania Euro 6 aftertreatment system; 7. Emission Control 2014 in Dresden. [4] G. Smedler, O. Sonntag, P. Marsh, M. Decker, 2016, 9. Potential of the SCRF concept for future legislation, Internationaler Motorenkongress 2016, Baden-Baden [5] M. Rice, J. Kramer, Dr. R. Mueller, K. Mueller-Haas, 2008, Development of an Integrated NOx and PM Reduction Aftertreatment System: SCRi TM for Advanced Diesel Engines, SAE [6] R. Dorenkamp, 2008, Das Volkswagen-Abgaskonzept zur Erreichung niedrigster Emissionsstandards, FAD Dresden 2008