8. Symposium 7. und. 8. Dezember 2006 in Leipzig

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1 8. Symposium 7. und. 8. Dezember 2006 in Leipzig Turbulente Abgasnachbehandlungssysteme Innovationen für fortschrittliche Motoren W. Maus Dr. J. Diringer, Dr. A. Schatz Emitec GmbH, Lohmar, Deutschland

2 1 Turbulente Abgasnachbehandlungssysteme Innovationen für fortschrittliche Motoren W. Maus Emitec GmbH, Lohmar, Deutschland Dr. J. Diringer, Emitec GmbH, Lohmar, Deutschland Dr. A. Schatz Emitec GmbH, Lohmar, Deutschland Abstract Zur Jahrtausendwende schien es, dass der hochentwickelte Drei-Wege-Kat bei stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren in motornaher Position auch die zukünftigen Forderungen des Gesetzgebers meistern würde. Somit lag der Schwerpunkt der Weiterentwicklung in der Erarbeitung volumeneffektiver und somit kostenoptimierter Systeme. Der Einsatz von turbulenten Katalysatoren zeigt, dass Strukturen und Perforierungen im Metallträger ein neu realisiertes Potenzial darstellen, aufgrund des erhöhten Stofftransportes solche volumeneffektiven Systeme zu erzeugen. Fortschrittliche Motoren, wie der mager betriebene Direkteinspritzer Ottomotor erfordern zur Abgasnachbehandlung darüber hinaus auch zugehörige neue Beschichtungstechnologien um den zukünftigen gesetzlichen Anforderungen gerecht zu werden. Die Erfahrungen aus dem Bereich der Dieselmotoren weisen das Potenzial nach, welches,turbulente Katalysatoren in aktuellen NO x - Nachbehandlungssystemen besitzen - wie z. B. der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) sowie des NOx-Adsorbers. 1. Einleitung Abnehmende fossile Energiereserven und zunehmende automobile Mobilität, legen den Entwicklungsschwerpunkt der Automobilindustrie auf Einführung verbrauchsärmerer Antriebsaggregate. Dies spiegelt sich insbesondere in der EU-Forderung nach zu reduzierenden Kohlendioxid (CO 2 )- Emissionen wider. Dabei bleiben die Erwartungen der Gesetzgeber der Industrie- und Schwellenländer nach niedrigeren Kohlenwasserstoff (HC)-, Kohlenmonoxid (CO)-, Stickoxid (NOx)-Emissionen bestehen. Und zu den Erwartungen sparsame und umweltfreundliche Fahrzeuge angeboten zu bekommen, wünschen sich die Verbraucher gleichzeitig leistungsstarke Antriebssysteme und Komfort, was häufig mit Anstieg des Gewichts einhergeht. Parallel zu der Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors beschäftigen sich deshalb praktisch alle Automobilhersteller mit der Entwicklung von alternativen Antriebskonzepten. Wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellenantrieb sowie Elektrofahrzeuge sind Gegenstand der Forschung, können aber heute aufgrund mangelnder Wirtschaftlichkeit und teilweise nicht vorhandener Infrastruktur noch nicht in Serie eingeführt werden. Aus diesem Grund kommt der Weiterentwicklung der bekannten Verbrennungsverfahren eine besondere Bedeutung zu, da zum heutigen Zeitpunkt nur so die Nachfrage an Mobilität auf der einen Seite und Umweltschutz auf der anderen Seite, erfüllt werden kann. Insbesondere der Dieselmotor zeigte in den letzten 15 Jahren einen bedeutsamen Entwicklungsfortschritt der das Image vom lauten, langsamen Diesel zum Antrieb mit Spaßfaktor und niedrigem Verbrauch wandelte. Insbesondere das gute Drehmoment der direkteinspritzenden Turbodieselmotoren verschaffte dem Diesel eine deutliche Verbesserung bzgl. der Marktakzeptanz. Bei einem Neuwagen Marktanteil in Deutschland von heute über 50% stellt der Dieselmotor für den Ottomotor die größte Herausforderung dar.

3 2 Die sich verschärfenden Emissionsgrenzwerte für Personenkraftwagen mit Otto- und Dieselmotoren bergen zusätzliche, und neue technische Herausforderungen an die Antriebsarten (Tabelle 1). Norm HC CO NO x PM Pkw Otto Euro IV Euro V 0,10 0,10 1,0 1,0 0,08 0,07-0,005 Euro VI 0,10 1,0 0,07 0,005 Pkw Diesel Euro IV Euro V 0,30 (HC+NOx) 0,23 (HC+NOx) 0,50 0,50 0,25 0,18 0,025 0,005 Euro VI 0,17 (HC+NOx) 0,50 0,07 0,005 Tabelle 1: Abgasgrenzwerte in Europa heute und Prognosen der Abgasgrenzwerte für EU V (2010) und EU VI (2015) [1] Aus den heute diskutierten Prognosen für EU V und EU VI wird ersichtlich, dass eine deutliche Verschärfung der gasförmigen Emissionen - vor allem für die Stickoxide - bei den Dieselmotoren gefordert wird, da die Wirkung des durch NO x in Verbindung mit Kohlenwasserstoff entstehenden Ozons als Reizstoff für die Lunge sowie deren Auswirkungen auf die Vegetation von Bedeutung ist. Die HC-Grenzwerte sollen moderater sinken und die CO-Limits bleiben voraussichtlich für beide Antriebe konstant, da hier die Konzentration der Imissionen in den Städten schon heute deutlich unter den kritischen Werten liegt. Erhöhte Aufmerksamkeit wird gegenwärtig den Emissionen von Partikeln beigemessen. Zwar sind die Partikelemissionen seit 1990 um 60% gesunken [2], aufgrund der Vorsorge und des Gesundheitsschutzes (z.b. Allergien, Atembeschwerden) werden für EU V jedoch weitere Reduktionen gefordert. Zusätzlich wird ab EU V für mager betriebene Ottomotoren ein Partikelgrenzwert eingeführt. Abbildung 1 zeigt die zukünftigen System- und Emissionstrends für Nutzfahrzeug und PKW Antriebe bis zum Jahre Ausgehend vom heutigen Stand wird der Trend der Motorenentwicklung hin zum Magermotor und die Entwicklung der Abgasnachbehandlung hinsichtlich der Partikel und NO x Verminderung dargestellt. Die mit der EU VI Gesetzgebung angedachte Gleichstellung der Otto und Dieselantriebe hat einen weiteren Einfluss auf die Entwicklung. Abbildung 1: Zukünftige System- und Emissionstrends

4 3 2. Status der Ottomotorentwicklung Im Wettbewerb zum Diesel beeinflusst - neben der Emissionsgesetzgebung und der Verbrauchsdiskussion - auch der Kundenwunsch nach höherem Drehmoment im alltagsrelevanten Drehzahlbereich die Entwicklung deutlich. Aus diesem Grunde findet bei den ottomotorischen Entwicklungen eine Fokussierung auf diese Themen statt. Stellvertretend seien hier nur einige aktuelle Motorentwicklungen dargestellt. Zum Beispiel werden zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs die Reibleistungen der Motoren durch neue Lagertechnologien reduziert. Der verbrauchsrelevante Nachteil konventioneller Ottomotoren, bedingt durch die traditionelle Drosselsteuerung, welche während des Ansaugvorgangs Unterdruck erzeugt und somit eine Verlustleistung am Kolben erhöht, wurde durch den Einsatz von vollvariablen Ventiltrieben weitgehend beseitigt [3]. Weitere Kraftstoffverbrauchsvorteile können durch Downsizing- Konzepte mit Turboaufladung erreicht werden. Die Turboaufladung bei Ottomotoren stellt sich generell als Lösung für höhere Drehmomente und Verminderung spezifischer Reibverluste dar. Der Einsatz der Direkteinspritz-Technologie ermöglicht bei Bedarf ein mageres Brennverfahren, das zu weiteren Verbrauchsvorteilen führt. Dazu ist eine Ladungsschichtung hilfreich, denn frühere Untersuchungen zeigen, dass die Verbrennung homogener magerer Gemische technisch schwer realisierbar ist. Die Entwicklung der strahlgeführten Direkteinspritzung erlaubt eine stabile Verbrennung. Verbrauchsvorteile sind möglich und können je nach Betriebsbedingungen bis zu 20 % betragen [4]. Zusätzliche Maßnahmen zur Verbrauchsverbesserung wie zum Beispiel Start / Stopp Strategien und Energiemanagement sind ebenfalls in der Entwicklung [5] bzw. für den Serieneinsatz angekündigt. 3. Anforderungen an die Abgasnachbehandlung Summiert man alle vorgenannten Trends und Zwänge, so lässt sich ableiten, dass dem mageren, Turbo aufgeladenen direkteinspritzenden Ottomotor die Zukunft gehören wird. Um die Vorteile der Direkteinspritzung gerade im Magerbetrieb auch in der Abgasnachbehandlung zu realisieren, sind neue Katalysatorsysteme und -technologien erforderlich. Umso wichtiger ist es, frühzeitig den Einfluss der neuen Motoren- und Verbrennungskonzepte auf die Emissionierung zu erkennen und die Übertragbarkeit der vorhandenen Technologien zu überprüfen. Die aus dem Dieselsektor, sowohl für Nutzfahrzeuge als auch für Personenkraftwagen, bekannten Methoden zur Reduzierung der Emissionen bei magerer Verbrennung (die NO x -Reduzierung als endothermer Prozess), sowie die bewährten Systeme bei stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren (3-Wege Kat als Kombination der exothermen HC, CO Oxidation und endothermen NO x -Reduzierung) müssen auf die zukünftigen mageren Abgase angepasst werden. Zusätzlich kommt bei turboaufgeladenen Motoren dem Kaltstart eine besondere Bedeutung zu, da die Turbine eine maßgebliche Wärmesenke darstellt und so das Aufheizen des Katalysators verzögert. Neue Emissionsgrenzwerte fordern eine Langzeitstabilität bis zu km, die nur durch den Einsatz modernster Katalysator- und Regelungstechniken erreicht werden kann. Da auch in absehbarer Zukunft noch magere und Lambda = 1 geregelte Ottomotoren auf den Markt kommen, müssen sowohl die klassischen 3-Wege Katalysatoren als auch die für den mageren Betrieb erforderlichen Lösungen zur Stickoxidverringerung weiter entwickelt werden. Die Anforderungen beim Ottomotor sind im Vergleich zum Dieselmotor dahingehend noch erschwert, da die im Einsatz benötigte Temperaturspanne von 200 C über 1050 C reicht und zusätzlich die auftretenden Schwingungsbelastungen aufgrund des höheren Drehzahlniveaus deutlich größer sind. Trotz aller dieser Anforderungen müssen aus bauraumtechnischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zukünftige Katalysatorkonzepte möglichst kompakt und kostengünstig sein. 4. Die turbulente Abgasnachbehandlung Die Entwicklung der Katalysatortechnologie für den automobilen Bereich begann bereits in den 60er Jahren. Aus der chemischen Industrie wurden zunächst die als hocheffektiv bekannten Schüttgutkatalysatoren mit sehr gutem, einer turbulenten Strömung vergleichbarem, Stofftransport übernommen. Mechanische Schwingungen, wechselnde thermische Belastungen und Gaspulsationen führten jedoch zu Abrasion der Edelmetalle und der Pellets selber weshalb dieser Weg verlassen wurde. Als Lösung boten sich die ebenfalls in einigen Anwendungen der chemischen Industrie

5 4 eingesetzten metallischen Wabenkörper aus beschichteten glatten und gewellten geradlinigen Stahlfolien an. Aufgrund der erfolgreichen Entwicklung, die einzelnen Folien als Matrixkörper in einem Hochtemperatur-Vakuum-Lötprozeß zu verbinden, war es möglich, die vorteilhaften Materialeigenschaften eines metallischen Wabenkörpers als Katalysatorträger im automobilen Bereich einzubringen. Diese Lösung stellte eine erfolgreiche Weiterentwicklung zum alternativ eingesetzten extrudierten keramischen Wabenkörper dar. Aufgrund der Zellform und der eingesetzten dünnen Folien aus einer hochtemperatur-korrosionsbeständigen Stahl-Legierung konnten Wabenkörper mit vergleichsweise höherer katalytischer Oberfläche, niedrigem Druckverlust und geringer Wärmekapazität angeboten werden, was die Entwicklung moderner dünnwandiger und hochzelliger Katalysatoren einleitete. Wie erwähnt, erzielen Schüttgutkatalysatoren aufgrund des guten Stofftransports der Emissionen aus der Gasphase an die katalytisch aktiven Pellets gute Konvertierungsleistungen. Dies macht deutlich, dass die Erhöhung des Stofftransportes die zwingend logische Weiterentwicklung von Wabenkörpern mit laminarer Strömung bedeutet. Diese Erkenntnis führte zu dem Ansatz, Strukturen und Perforationen in die Kanalwände zu integrieren, um Strömungen mit einer Komponente quer zur Kanalwand zu erzeugen. Diese Innovation wurde 1994 mit der Einführung der transversalen Struktur (TS) in die Serie gebracht [6]. Die Weiterentwicklung der Beschichtungsprozesse ermöglichte den Einsatz von radial offenen Kanälen mit Strukturen. Diese turbulenten Katalysatoren können die volumenspezifische Effektivität weiter erhöhen und bieten damit die Möglichkeit das Volumen zu verkleinern und Kosten einzusparen. [7,8] Eine Übersicht strukturierter Katalysatoren zeigt Abbildung 2. Abbildung 2: Turbulente Metallträgerkatalysatoren, Aufbau der TS, LS, PE und LS/PE-Struktur PE-Katalysator Bei Ottomotoren mit stöchiometrischer Verbrennung waren in den letzten Jahren Systeme mit perforierten (PE) Strukturen erfolgreich, wie es zum Beispiel bei der Optimierung des Abgaskonzeptes am V8-Motors von Maserati [9] beschrieben wurde. Der Grund ist, dass neben der schon erwähnten Stofftransporterhöhung eine Homogenisierung der Strömung über den Katalysatorquerschnitt erfolgt. Abbildung 3 zeigt die Strömungsverteilungen eines 500 cpsi Standard-Trägers im Vergleich zu einem gleichzelligen Träger mit perforierter Struktur, durchgeführt an einem Krümmerrohr des Acht-Zylinders Motors. Die Strömungsverteilungsmessung zeigt das Problem, dass bauraumbedingt keine optimale Strömungsverteilung realisierbar war. Die durch die Krümmeranordnung verursachte, nicht optimale Anströmung, konnte jedoch durch den Einsatz der perforierten Struktur deutlich verbessert werden. Sowohl Totgebiete als auch Bereiche mit sehr hohen Gasbeaufschlagungen (Hot-Spots, Bereiche höherer Exothermie) können durch den Einsatz der Perforationen vermindert werden. Die Folge ist eine in diesen Bereichen deutliche Verringerung der katalytischen Alterung über Laufzeit. Der Uniformity Index steigt von 0,90 (Glattkanal) auf 0,93 (PE) und beschreibt die effektivere Ausnutzung des vorhandenen Katalysatorvolumens.

6 5 Abbildung 3: Geschwindigkeitsverteilung eines glatt-kanaligen (a) und eines PE Metaliten (b) (Trägerdesign: 167*102*120 mm, 500 cpsi/50 µm) Die Einführung der Perforationen hat noch einen weiteren Vorteil. Die Verringerung der Katalysatoroberfläche reduziert die Reibungskräfte innerhalb des Kanals und beeinflusst somit den Druckverlust positiv. Abbildung 4 zeigt einen Vergleich eines unbeschichteten Keramikträgers mit einem Metallsubstrat mit Perforationen bei ungleichmäßiger Strömungsverteilung (Tabelle 2). Die PE-Struktur mit der leicht größeren Eintrittsoberfläche kompensiert nicht nur die Druckerhöhung durch die höhere Zelldichte, sondern zeigt sogar eine Verringerung des Gegendrucks bei z.b. 450 Nm 3 /h von 48 %. Tabelle 2: Trägerdesign der getesteten Systeme Keramik Metall Dimension 152.4*101.6 *139.9 mm 167 * 102 * 120 mm Vol. Kat.- Oberfl. Zelldichte cpsi / 1,56 l 4,18 m 4 mil PE / 1,60 l 2,89 m 50 µm Abbildung 4: Gegendruckmessung eines elliptischen Trägers bei einer ungleichmäßigen Strömungsverteilung. Trägerdesign siehe Tabelle 2

7 6 Abbildung 5: Emissionsvorteil eines PE-Metaliten im FTP Zyklus Um den Vorteil der Ausgleichsströmung auf die katalytische Effektivität zu überprüfen, wurden die beiden Substrate mit einer jeweils optimierten 3-Wege-Kat-Technologie beschichtet. Bei der Beschichtung muss berücksichtigt werden, dass die PE-Struktur aufgrund der fehlenden Wandbereiche eine geringere Oberfläche (ca. 38 %) besitzt. Aus diesem Grunde wurden sowohl die Washcoatmenge als auch die Beschichtungsparameter entsprechend angepasst. Abbildung 5 zeigt, dass durch den Einsatz der PE Struktur beim Metallträger trotz niedrigeren Druckverlustes eine Verbesserung von jeweils 30 % in den HC und NO x Emissionen erreicht werden konnte. Die CO-Emissionen konnten sogar um 70 % gesenkt werden. Lambdasondenkatalysator Wie bereits erwähnt, existiert aufgrund der motornahen Anordnung häufig eine ungünstige Anströmung in den Katalysator. Um ein optimales Kraftstoff-Luft-Verhältnis und somit eine optimale Effektivität des Kats zu gewährleisten, ist es das Ziel, mit Hilfe der Lambdasonde stets ein repräsentatives Abgasgemisch aller Zylinder zu detektieren. Üblicherweise erfordert die optimale Positionierung der Sonde die Einführung von Systemen, bei denen der Sensor zwischen zwei Katalysatorträgern eingefügt wird. Der Spalt zwischen den beiden Katalysatoren wird zum Konzentrationsausgleich benötigt. Eine zusätzliche Möglichkeit, ein kleinvolumiges aber effektives Abgasnachbehandlungssystem zu realisieren, ist die Integration einer oder sogar der Regel- und OBD Sonde in den Katalysator (Abb. 6). Abbildung 6: Ein kompaktes Katalysatordesign: Die Kombination von PE-Design mit einem integrierten Sensor.

8 7 Der Lambdasondenkat mit PE Folie ermöglicht einen Strömungsausgleich schon im Katalysator, so dass die Sonde in jeder beliebigen Position eingesetzt werden kann. Für den OBD-Sensor bedeutet eine Positionierung im oder nach dem PE Metalit die Möglichkeit, zylinderindividuelle Unterschiede des Kraftstoff-Luft Gemisches durch Mischeffekte zu vergleichmäßigen. Solche Unterschiede entstehen sowohl durch zylinderbezogene unterschiedliche Liefergrade als auch durch Variation der injizierten Kraftstoffmassen bedingt durch die Toleranzen der Injektoren. Um diese Verhalten zu überprüfen, wurde in [10] eine Bank eines Sechszylinders Versuchsmotors bei betriebswarmen Motor in drei Versuchsreihen mit den folgenden Abweichungen vom optimalen Kraftstoff-Luft-Verhältnis beaufschlagt: {λ1,λ2,λ3} = 1.0, 1.0, 1.0 {λ1,λ2,λ3} = 0.93, 1.07, 1.0 {λ1,λ2,λ3} = 1.07, 0.93, 1.0 Die Abweichung von 7% soll eine maximal mögliche Toleranz simulieren. Die Auswirkung auf die Emissionen eines Katalysators ohne inneren Strömungsausgleich zeigt Abbildung 7 oben. Deutlich sichtbar ist die Korrelation der Nach-Kat-O 2 Sondenspannungen mit den Emissionen, was zu einem deutlichen Anstieg der NO x Emissionen führt. Der Vergleich mit einem Lambdasondenkat mit inneren Strömungsausgleich zeigt eine erhebliche Verbesserung dieser Korrelation aufgrund der Strömungshomogenisierung. Die Folge ist eine deutliche Verbesserung der NO x Emissionen und lässt einen positiven Effekt auf die Langzeitstabilität erwarten. Abbildung. 7: Einfluss zylinderselektiver Störungen auf die NO x Emissionen während eines FTP Tests (Phase 2). Für die Regelsonde bedeutet eine Integration in den Katalysator eine Erhöhung der Aufheizgeschwindigkeit des Sensors beim Kaltstart [11,12]. Wassertropfen können während des Kaltstarts nicht mehr direkt auf die aufgeheizte Lambdasonde treffen, sondern werden am Katalysatorsubstrat adsorbiert. Wenn der Katalysator aufgeheizt wird, verdampft das Wasser und erreicht den Lambda- Sensor im gasförmigen Zustand. Auf diese Weise kann die Heizung der Regelsonde direkt mit Motorstart aktiviert werden. Dies erlaubt eine schnellere Aktivierung der Regelung und eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Kaltstartemissionen. Abbildung 8 zeigt die HC und NO x Emissionen während eines Kaltstarts hinter einem Katalysator mit integriertem Sauerstoff-Sensor. Die Lambda-Kontrolle wurde nach 10 s statt 18 s aktiviert. Deutlich sichtbar ist, dass insbesondere die NO x -Emission vom mageren Kaltstart schnell reduziert werden

9 8 kann, während die HC-Emissionen stabil niedrig bleiben. Beim Durchfahren eines FTP Tests führt dies zu einer NO x -Reduzierung um 43 %. Abbildung 8: HC und NO x -Emissionen hinter einem Katalysator mit integriertem Lambda- Sensor. Die Messung wurde an einem Volvo S40 mit 5 Zylinder SULEV Motor durchgeführt 5. Die Katalysatortechnik für fortschrittliche Motoren 5.1 Der turbulente 3-Wege Kat für stöchiometrische Anwendungen Bei der Einführung des Drei-Wege Kats für den automobilen Bereich wurden die Katalysatoren zunächst im Unterbodenbereich angeordnet. Der Grund hierfür lag, neben der einfachen Montage im Fahrzeug anstelle des Schalldämpfers, an der fehlenden Temperaturstabilität der damals vorhandenen Beschichtungstechnologie. Um die langzeitstabile Funktion auch über einen größeren Zeitraum zu gewährleisten, war man gezwungen, die thermische Alterung durch das Verschieben in den hinteren Teil des Abgasstranges zu verhindern bzw. einzuschränken. Die Weiterentwicklung der Temperaturstabilität der katalytischen Beschichtungen ermöglichte es in den darauffolgenden Jahren von dieser Unterbodenposition wegzurücken. Die sich verschärfenden Abgasgrenzwerte erforderten zudem eine Verkürzung der Kaltstartemissionen und damit ein schnelleres Aufheizen des Katalysators. Aus bauraumtechnischen Gründen wurden neben den im Unterbodenbereich positionierten Katalysatoren anfangs nur kleine Startkatalysatoren im motornahen Bereich eingesetzt. Sie waren der Garant für das Erreichen verschärfter Abgasgrenzwerte in den 90er Jahren. In den späteren Jahren wurde der benötigte Bauraum für den Einsatz ganzer Katalysatorsysteme im motornahen Bereich ermöglicht. Die aufgrund der Neupositionierung der Katalysatoren gestiegene Effektivität, konnte dazu benutzt werden, das Gesamtvolumen des Katalysatorsystems im Abgasstrang zu reduzieren und eine zumindest relative Kostensenkung herbeizuführen. Als Beispiel für die Entwicklung vom Unterboden- zum motornahen Katalysator zeigt Abbildung 9 die Geschichte der Katsysteme am Beispiel der Fahrzeugplattform Chrysler LH/LX [13].

10 9 Abbildung 9: Entwicklung des Katalysatorsystems der Fahrzeugplattform Chrysler LH/LX zur Erfüllung der sich verschärfenden Abgasgrenzwerte. Motornahe mehrteilige Katalysatorsysteme stellen damit die Basis für die Weiterentwicklung dar. Da die erforderlichen Umsatzraten prinzipiell mit den heute in Serie befindlichen Systemen erreicht werden können, liegt der Entwicklungsschwerpunkt auf der Verringerung der Kosten und der Verkleinerung der Katalysatoren. Bereits in Kapitel 4 wurden die Möglichkeiten turbulenter Katalysatoren aufgezeigt. Bei den heutigen mehrteiligen Katalysatorsystemen kommt dem Spalt zwischen den Trägern eine besondere Bedeutung zu. Zunächst wird an dieser Stelle die Diagnose Sonde eingebaut (Abb. 10) Zusätzlich können sich im Spalt die Strömungen und auch die Gemische der Einzelzylinder mischen. Abbildung 10: Zweiteiliges Katalysatorsystem im Vergleich zu einem einteiligen turbulenten Katalysator mit integrierter Lamdasonde. Zusätzlich wird aus Light/off-Gründen der erste Träger mit einer höheren Edelmetallbeladung beschichtet als der zweite. Möchte man das 2-Träger System durch einen einzelnen Träger ersetzen, müssen diese Funktionen und Vorteile erhalten bleiben. Die in Kapitel 4 dargestellten Lösungen der Kombinationen von PE-Struktur der Trägermatrix und eines Lambdasondenkat ermöglichen den Einsatz eines einzelnen Trägers mit allen Funktionen eines 2 Träger Systems. Die unterschiedlichen Beschichtungen können durch moderne Zonenbeschichtung auch auf einem Träger aufgebracht werden.

11 10 Es wird deutlich, dass der Einsatz von turbulenten Katalysatorträgern deutliche Vorteile mit sich bringt. Aufgrund der Möglichkeit, ein 2-Träger-System ohne Funktionseinbußen durch einen einzelnen Träger mit PE Struktur und integrierten Sonden zu ersetzen, sind kompaktere Abmessungen des einteiligen Systems sowie Kostenvorteile bzgl. der Systemkosten (1-Träger) möglich. Die Gesamtkosten eines Konverters setzen sich zusammen aus Träger-, Beschichtungs-, Canningund Handlingskosten. Für jeden dieser Anteile bedeutet der Einsatz von zwei Trägern eine Erhöhung der Herstell- und Handlingskosten. Insbesondere bei keramischen Systemen macht sich ein Kostennachteil durch das zweifache Canning der keramischen Wabenkörper in den Metallgehäusen bemerkbar. Abbildung 11 zeigt einen Kostenvergleich eines Serien-Keramikkonverters mit 2 Wabenkörpern (1. Träger: 110,5 * 74,7 mm, 900 cpsi, PGM: 210 g/ft 3 ; 0:35:1 und 2. Träger 110,5 * 74,7 mm, 400 cpsi, PGM: 51 g/ft 3 ; 5:0:1) im Vergleich zu einem volumengleichen einteiligen Metallträger mit einer Zelldichte von 600 PE (PGM Zonenbeschichtung: 210 g/ft 3 ; 0:35:1 und 51 g/ft 3 ; 5:0:1). Abbildung 11: Kostenvergleich eines zweiteiligen Keramikkatalysator-Systems im Vergleich zu einem volumengleichen einteiligen Metallträger mit PE-Struktur und integrierter OBD -Sonde NO x Reduktion für Magermotoren Aufgrund des Überangebots an Sauerstoff kann bei Magermotoren eine Reduktion der Stickoxide mittels eines 3-Wege-Kats nicht mehr stattfinden und erfordert bei der Abgasnachbehandlung neue Konzepte. Um auch hier volumeneffektive Katalysatorkonzepte anwenden zu können, bietet sich die Übernahme der aktuellen Erfahrungen der NOx-Nachbehandlung Nachbehandlung beim Dieselmotor sowohl des PKW- als auch im NFZ-Bereichs an. Grundsätzlich unterscheidet man heute zwei serienreife Verfahren. Es gibt zum einen die Technologie des NO x -Adsorbers, bei dem die Stickoxide zwischengespeichert und durch kurzfristiges fettes Abgasgemisch umgesetzt werden und zum anderen die aus der Kraftwerksentstickung stammende SCR Technologie (Selektive katalytische Reduktion) Der NO x Adsorber Eine bekannte Methode, Stickoxide bei Sauerstoffüberschuss zu reduzieren, ist der NO x -Adsorber. Die Beschichtungstechnik basiert auf der Drei-Wege-Kat Technologie, enthält aber als zusätzliche Komponente ein Alkali- oder Erdalkalimetall (überwiegend Barium). Die Stickoxide werden am Katalysator zu NO 2 oxidiert und in Form von Nitraten gespeichert. NO x Sensoren überwachen den Sättigungsgrad des NOx Speichers. Bei Überschreiten eines vorgegeben Grenzwertes wird kurzzeitig ein fettes Gemisch erzeugt, wodurch die gebundenen Stickoxide wieder freigegeben und zu N 2 reduziert werden, während das Alkalimetall wieder zum Carbonat oxidiert wird.

12 11 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt hierbei stellt die chemischen Reaktionen dar, deren Zeitkonstante vergleichsweise hoch sind. Damit sind für ein vollständiges Ablaufen lange Verweilzeiten erforderlich. Bei automobilen Anwendungen stehen bei hohen Lasten und damit Raumgeschwindigkeiten diese Reaktionszeiten jedoch nicht zur Verfügung, wodurch entweder NO x Schlupf entsteht oder sehr kurze Regenerationszeiten mit hohem Kraftstoffverbrauch notwendig sind. Analog zum Lambdasondenkat bietet ein NO x -Adsorber mit PE-Struktur und integrierter Sonde ebenfalls ein kompaktes und effektives System (schematisch dargestellt in Abb. 12). Zum einen ermöglicht die interne Strömungsverteilung ein gleichmäßiges Auffüllen der vorhandenen Speicherplätze und erlaubt so dem Sensor eine Bewertung, die weitestgehend über den gesamten Adsorber seine Gültigkeit hat. Abbildung 12: Schematische Darstellung eines NO x -Adsorbers mit perforierter Folie und integrierten Sensor Die Position des NO x -Sensors nach Adsorber hat den Nachteil, dass bei Erkennung des vorgegebenen Grenzwerts schon ein NO x -Durchbruch erfolgt ist. Alternativ kann die Grenze herabgesetzt werden, was aber zu einer erhöhten Regenerationsfrequenz und zu einer Herabsetzung der volumenspezifischen Effektivität führt. Der integrierte Sensor erkennt frühzeitig die Notwendigkeit einer Regeneration, hat andererseits jedoch noch ein definiertes Katalysatorvolumen hinter sich, um eine weitere Speicherung vorzunehmen, bevor es zu einem Durchbruch kommt. Die mittlere NO x - Konversionsleistung wird dadurch erhöht. Der Einsatz von Metallkatalysatorträgern bietet weiterhin die Möglichkeit, auch Beschichtungen zu verwenden, die Kalium als Speicherkomponente verwenden. Der Vorteil bei Kalium ist die Möglichkeit, auch bei höheren Temperaturen Stickoxide einzuspeichern. Eine Kombination aus Barium zum Beispiel im vorderen Teil eines NO x -Adsorbers und Kalium im hinteren Bereich in Verbindung mit der PE-Struktur stellt einen möglichen Lösungsansatz zur Erweiterung des verwendbaren Temperaturfensters dar. (siehe Abb. 13)

13 12 Abbildung 13: Erhöhung der NO x Konversionsleistung durch eine integrierte NO x -Sonde Der SCR Katalysator Die selektive katalytische Reduktion von Stickstoff stellt eine weitere Möglichkeit der Verringerung der Stickoxide im Abgas unter Sauerstoffüberschuss dar. Hier können wie erwähnt Anleihen bei heutigen Diesel-Serienentwicklungen genommen werden. Für die chemische Funktion ist die Zugabe von Ammoniak als Reduktionsmittel notwendig. Beim Betanken und Mitführen von Ammoniak im Fahrzeug existiert jedoch ein gewisses Gefährdungspotential, so dass man den Umweg über eine wässrige Harnstofflösung als Vorprodukt geht. Diese wässrige Harnstofflösung wird derzeit am Markt unter dem Namen Adblue angeboten. Die Lösung wird vor dem SCR Katalysator in das Abgas eingedüst und hydrolisiert ab ca. 180 C zu Ammoniak. Dieselabgas besteht beispielsweise zum überwiegenden Anteil (90 %) aus NO, dessen Reaktionsgeschwindigkeit mit Ammoniak bei der Bildung von Stickstoff relativ langsam ist. Um eine Erhöhung des Reduktionsvermögens, vor allem bei tiefen Temperaturen, zu erreichen, ist die Existenz von NO 2 nützlich. Aus diesem Grunde wird ein Oxidationskatalysator (V) vorgeschaltet. Ein Verhältnis NO/NO x von ~ 1 ist für ein optimiertes Reduktionsvermögen ideal. Das eigentliche SCR System besteht aus einem Reduktionskat (R), sowie der für die Harnstoffeindüsung und Dosierung notwendige Technik. In einigen Nutzfahrzeuganwendungen wird hinter der Eindüsung noch ein Hydrolysekatalysator (H) eingesetzt. Heutige Nutzfahrzeug-Katalysatoren sind üblicherweise Vollextrudat-Katalysatoren mit Vanadiumpentoxid als katalytisch aktive Komponente. Da die SCR-Beschichtung gleichzeitig auch als Hydrolysebeschichtung arbeitet, wird bei PKW- Anwendungen zumeist auf den Hydrolysekatalysator verzichtet. In PKW Anwendungen besteht das Abgassystem üblicherweise zunächst aus einem Oxidationskatalysator mit nachgeschaltetem Partikelfilter. Bei der Regeneration des Partikelfilters können Temperaturen deutlich über der normalen Betriebstemperatur entstehen, so dass die Temperaturstabilität des Vanadiumpentoxids nicht ausreichend sein kann. Neuere Entwicklungen verwenden daher Beschichtungen auf Zeolith-Basis. Um das Potential des SCR-Verfahrens voll auszuschöpfen zu können, ist es von Bedeutung, dass die in das Abgas eingespritzte wässrige Harnstofflösung möglichst gleichverteilt auf den Katalysator auftrifft. Je nach vorhandenem Bauraum und Konstruktion der Abgasanlage ist eine Gleichverteilung nur bedingt möglich. Bedenkt man zudem, dass das die Harnstoffeindüsung zu einer bestimmten Tropfengrößenverteilung führt und dass das Tropfenvolumen in der dritten Potenz mit ihrem Durchmesser eingeht, ist selbst bei einer homogenen Anströmung der Frontfläche eine inhomogene Harnstoff - und damit Ammoniak-Verteilung - zu erwarten. Die in Versuchen bestimmten Distanzen, die zur Verdampfung des Harnstoffs notwendig sind (Abbildung 14) zeigen, dass im realen Fahrzeug

14 13 die Harnstoff-Wasser-Lösung nicht komplett vor dem Katalysator verdampft wird, sondern auch in Tropfenform auf den Katalysator aufschlagen. Hierdurch wird die Gleichverteilung weiter verschlechtert. Abbildung 14: Distanz die zum Verdampfen von Harnstofftropfen in Abhängigkeit des Tropfendurchmessers benötigt wird Um einen SCR-Katalysator mit optimaler Effektivität auszulegen, ist es notwendig, innerhalb des Trägers eine Querverteilung der Ammoniak Konzentration zu ermöglichen. Zusätzlich sollte der Stofftransport in den Kanälen verbessert werden. Das LS/PE Design bietet sich daher als Lösung an, da es durch die LS-Schaufeln sowohl den Stofftransport erhöht, als auch durch die PE Lage einen Strömungs- und Konzentrationsausgleich ermöglicht (Abbildung 15). Die LS Struktur verbessert den Stofftransportdeutlich indem die katalytisch aktive Fläche in den Bereich der höchsten Konzentration in der Kanalmitte verschoben wird (Abbildung 15). Zusätzlich bilden sich im Bereich der Schaufeln wiederholt radiale Strömungskomponenten aus die Turbulenz erzeugen. Der Stofftransport an die Kanalwand wird dadurch deutlich gesteigert. Abbildung 15: LSPE Struktur und Konzentrationsverteilung im Zellquerschnitt eines glattkanaligen und eines LS strukturierten Kanals Die Molekularbewegungen in einem geschlossenzelligen Monolithen setzen sich aus einem konvektivem und einem diffusiven Anteil zusammen. Bei der laminaren Strömung in normalen Katalysatoren ist der Anteil der Konvektion an der radialen Molekularbewegung sehr klein. Außer beim turbulenten Gaseintritt in den Katalysator findet die Molekularbewegung überwiegend durch Diffusion statt. Beim Katalysator mit LS/PE Struktur ergibt sich, neben dem durch die LS Struktur bewirkten radialen Strömungskomponenten durch die PE Struktur, die Möglichkeit zum Konzentrationsausgleich zwischen zwei Kanälen. Das bedeutet dass sich die radialen Konvektionsanteile und die Diffusionsanteile addieren. Hierdurch kommt es zu einer Homogenisierung der Ammoniakkonzentration über den gesamten Trägerquerschnitt. Zusätzlich findet noch eine Querströmung aufgrund der (wenn vorhandenen) ungleichmäßigen Strömungsverteilung statt. Als

15 14 treibende Kraft hierfür wirkt der unterschiedliche Druck in den nicht gleichmäßig angeströmten Kanälen. Diese radiale Komponente addiert sich ggf. noch zu den Konvektiven und diffusiven Molekularbewegungen. Abbildung 16 verdeutlicht die Molekularbewegungen in einem geschlossenzelligen und in einem LS/PE Kanal. Der Konzentrationsausgleich alleine durch die Diffusion ist für Ammoniak etwa doppelt so schnell wie die radiale Konvektion in einem geschlossenen Kanal. Abbildung 16: Molekularbewegung von Ammoniak in einem geschlossenen im Vergleich zu einem LS/PE Kanal durch Konvektion und Diffusion Im Folgenden ist die Anwendung der LS/PE Struktur bei SCR Systemen für einen Nutzfahrzeug- und einen mager betriebenen Ottomotor dargestellt [14]. Diesel Nutzfahrzeug Als Testmotor wurde ein EU IV Motor mit 10,5 l Hubraum verwendet. Die Katalysatoranlage bestand aus einem Oxidationskatalysator und einem im Bypass dazu befindlichen Hydrolysekatalysator. Diese Katalysatoren befanden sich in einem Vorkatalysatorgehäuse und wurden für die nachfolgenden Tests nicht verändert. Die Abgasmessungen wurden im ESC getestet. Um die Effektivität der Katalysatoren bewerten zu können wurden drei alpha Variationen (0,75; 0,9; 1,0) gefahren. Als Reduktionskatalysator wurde zum einen ein Vollextrudat-Katalysator und zum anderen ein LSPE Katalysator mit Vanadiumpentoxid Beschichtung gefahren. Der LS/PE Katalysator war im Volumen um 35% verkleinert. Vorlaufende Untersuchungen an der Universität von Kaiserslautern zeigten das die Beschichtung des Wabenkörpers bei gleichen Zelldichten und glattkanaligen Katalysatorträgern eine vergleichbare Effektivität zu dem Vollextrudatkatalysator zeigte. Die Ergebnisse sind in Abbildung 17 dargestellt.

16 15 Abbildung 17: Vergleich der NO x -Effektivitäten (ESC-Test) eines SCR-Standardkatalysators (laminar) und eines um 35% verkleinerten turbulenten Katalysators eines 10,5 l- Nutzfahrzeugmotors am Motorprüfstand (Standard=V 2 O 5 -TiO 2 -Vollextrudat 300 cpsi, turbulenter Kat = 200/400LS mit 150g/l V 2 O 5 -TiO 2 Beschichtung) Es wird deutlich dass der kleiner LS/PE Träger selbst bei alpha 1 vergleichbare wenn nicht sogar bessere Umsatzraten zeigt als der laminare Vollextrudatkatalysator. Der gemessene Ammoniakschlupf war beim LS/PE Katalysator niedriger. Otto Magermotor Die SCR Technologie im Dieselabgas bei Nutzfahrzeugen gilt als serienreif. Das Abgas eines direkteinspritzenden Ottomotors bringt jedoch bezüglich Abgastemperatur, -zusammensetzung und Massenstrom veränderte Randbedingungen mit sich. Die Untersuchungen des Einflusses dieser Randbedingungen sind aktuell Gegenstand von verschiedenen Forschungsgruppen. Erste Ergebnisse zeigen, dass SCR auch bei Ottomotoren eine Zukunft haben kann. In einem Versuchsprogramm wurde ein geschlossenzelliger Metalit-Katalysator mit TS Struktur im Vergleich zu einem gleichgroßen LS/PE Träger untersucht. Die Bewertung der Katalysatoren erfolgte über das gesamte Kennfeld und ist in Abbildung 18 dargestellt.

17 16 Abbildung 18: Vergleich der NO x Konversionsraten eines TS strukturierten und eines turbulenten LS/PE Katalysators Es wird ersichtlich, dass mit Einsatz eines Reduktionskatalysators mit TS- Struktur bei Durchfahren der Lasten im FTP 75 Tests eine NO x Konversionsrate von 88 % erreicht wird. Im Bereich außerhalb des Zyklus kann im höheren Drehzahlbereich noch eine Effektivität bis ca. 70% gewährleistet werden. Die LS/PE Struktur verbessert wie oben erwähnt - die Ammoniakverteilung und den Stofftransport, wodurch sich eine gemittelte Konversionsrate von 92 % im gesamten, getesteten Kennfeldbereich ergibt. Im FTP-Zyklus erhöht sich die Effektivität auf 94 %.

18 17 Zusammenfassung Eine erkennbare Tendenz der Ottomotor Entwicklung sind verbrauchsarme, direkteinspritzende, magere Verbrennungskonzepte. Sie benötigen innovative, aufwendige Abgasnachbehandlungen. Insbesondere die endotherme Reduzierung des NO x, bedeutet hohen, zusätzlichen Aufwand. Die hochentwickelte Drei-Wege-Katalysatortechnik ist hier nur in Ansätzen hinsichtlich des Wärmemanagements und teilweise bzgl. üblicher Katalysatorträger übertragbar. Magere Ottomotoren erfordern nach heutigem Kenntnisstand eine spezielle NO x -Nachbehandlung, so dass nach erfolgreicher SCR-Einführung bei Diesel-PKW sich eine Adaption für magere Ottomotoren anbieten wird. Die Vermutung liegt nahe, dass sich Otto- und Diesel-Abgasnachbehandlung einander nähern. Der Einsatz von turbulenten Katalysatoren ermöglicht eine Vielzahl neuer und innovativer Konzepte, um auch für zukünftige Motorenkonzepte volumeneffektive und kostengünstige Katalysatortechnik bereitzustellen. Potentiale des mager verbrennenden Ottomotors zur Reduktion des zunehmend bedeutsam werdenden, kundenrelevanten Kraftstoffverbrauchs, lassen sich nur durch den Einsatz innovativer Abgasnachbehandlungssysteme, d.h. Katalysatorlösungen, erschließen. So muss die thermische Masse eines Katalysators so weit gesenkt werden und Wärmemanagement Maßnahmen greifen, so dass selbst motorferne Einbaupositionen schärfste Abgasgesetzgebungen erfüllen können und damit verbrauchsintensive Maßnahmen wie eine Anfettung des Kraftstoff-Luft Gemischs weitgehend vermieden werden können. 5. Literatur [1] Draft report on type approval of motor vehicles with respect to emissions and on access to vehicle repair information, amending Directive 72/306/EEC: M. Groote; Committee on the Environment, Public Health and Food Safety, 9/2006 [2] Anforderungen an das Emissionsverhalten von Ottomotoren: G. Jain, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, 7. Symposium Entwicklungstendenzen bei Otto-motoren, TAE Esslingen. [3] Potentiale zukünftiger Verbrauchstechnologien: K. Fröhlich, K. Borgmann, J. Liebl; BMW Group, 24. Internationales Motorensymposium [4] Der Einfluss weltweiter Anforderungen auf die Technologie-Trends bei Ottomotoren: R. Hoffmann; BMW Group, 7. Symposium Entwicklungstendenzen bei Ottomotoren, TAE Esslingen. [5] Effiziente Dynamik Ein Schlüssel für den Markterfolg: J. Liebl; BMW Group, FAD Dresden. 3rd Emission Control [6] Das Auflade- und Motorsteuerungs-Konzept des neuen Porsche 911 Turbo: H. Dorsch, M. Kerkau, P. Zickwolf; Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG; 16. Internationales Motorensymposium, Wien 1995 [7] Die Zukunft der heterogenen Katalyse im Automobil; Turbulente Katalysatoren für Otto- und Dieselanwendungen; W. Maus, R. Brück; Emitec GmbH; 26. Internationales Motorensymposium, Wien 2005 [8] Innovatives Katalysatorsystem für den Audi RS6, 8 Zyl, 4,2ltr., 331 kw mit LEV Zertifizierung: M. Ganz, S. Hackmayer; quattro GmbH; C. Kruse, A. Reck; Emitec GmbH; 25. Internationales Motorensymposium, Wien 2004

19 18 [9] Backpressure Optimized Close Coupled PE Catalyst First Application on a Maserati Powertrain: C. Iotti, V. Rossi, L. Poggio; Ferrari S.p.A; M. Holzinger; ArvinMeritor; L. Pace, M. Presti; Emitec GmbH; SAE [10] Ergebnisse einer optimalen Auslegung von Hardware und Motorsteuerungsfunktion für den Metallkatalysator mit inneren Strömungsausgleich: G. Rösel, P- Rodatz, J. Neugärtner; Siemens VDO Automotive; R. Brück, K. Althöfer; Emitec GmbH 15. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2006 [11] Der,Lambdasondenkatalysator`; eine neues Konzept für kompakte Hochleistungs- Katalysatorsysteme: J. Dahlgreen, M. Laurell, N. Vollmer; Volvo Car Corp.; R. Brück, P- Hirth, W. Maus; Emitec GmbH, 14. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik [12] A Metal Substrate with Integrated Oxygen Sensor; Functionality and Influence on Air/Fuel ratio Control: M. Laurell, J. Dahlgren, M. Karlflo; Volvo Car. Corp.; K. Althöfer, R. Brück, Emitec GmbH, SAE [13] Innovative Abgasnachbehandlung als Wegbereiter fortschrittlicher, umweltfreundlicher Otto- und Dieselmotoren: R. Brück, W. Maus, P.Hirth, Emitec GmbH, Motor und Umwelt [14] Downsizing von zukünftigen Abgasnach-behandlungssystemen für Nutzfahrzeuge; A. Scheeder, R. Müller; Emitec GmbH; M. Paulus, J. Spengler; Südchemie AG; 4.FAD Konferenz `Abgasnachbehandlung für Dieselmotoren` 2006