Ottomotor mit Direkteinspritzung

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1 Ottomotor mit Direkteinspritzung Verfahren, Systeme, Entwicklung, Potenzial von Richard van Basshuysen 2., überarb., aktual. u. erw. Aufl. Ottomotor mit Direkteinspritzung Basshuysen schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Thematische Gliederung: Triebwerkstechnik, Energieübertragung Springer Vieweg Wiesbaden 2008 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Inhaltsverzeichnis: Ottomotor mit Direkteinspritzung Basshuysen

2 9.4 Neue Wege zur Schadstoffreduzierung Neue Wege zur Schadstoffreduzierung Im Gegensatz zu den laminar durchströmten Kanälen eines Standard Katalysatorträgers bei dem der Stofftransport zur Katalysatorwand (= katalytisch aktive Beschichtung) über die Trägerlänge kontinuierlich abnimmt ist es mit der Einführung der turbulenten Katalysatoren gelungen, den Träger über die Länge effektiver auszunutzen, Bild Dabei wird durch Strukturen im Kanal oder Perforation der Kanalwände eine Querströmung realisiert und so die volumenspezifische Effektivität erhöht. Durch den Einsatz von radial offenen Kanälen kann der Gegendruck minimiert (PE-Folie) und bei ungünstiger Anströmung die Katalysator-Ausnutzung zusätzlich gesteigert werden. Dies ermöglicht, die erforderliche Baugröße des Katalysatorsystems zu verringern, die Systemkosten und gegebenenfalls die Komplexität zu reduzieren. Mit der Reduktion des Gegendrucks sinkt im Allgemeinen auch der Kraftstoffverbrauch und somit auch die CO 2 -Emission [14]. Bild 9.34: Turbulente Metallträgerkatalysatoren, Aufbau der TS-, LS-, PE- und LS/PE- Struktur Mit der Homogenisierung der Strömung über den Katalysatorquerschnitt bei Einsatz der radial offenen PE-Struktur wird der Einbau einer Lambda-Sonde direkt in den Katalysator ermöglicht, Bild 9.35; ebenso können Temperatur oder NO x -Sensoren eingesetzt werden [15]. Das für die OBD-Überwachung notwendige Katalysatorvolumen kann praktisch frei vorgegeben werden. Bei den bislang aufgebauten Katalysatorkonzepten muss der Katalysator in zwei Teile aufgeteilt werden, was Mehrkosten und zusätzlichen Raum zwischen den beiden Trägern erfordert.

3 244 9 Abgasemissionen und Schadstoffreduzierung Eine in der Katalysatormatrix eingebrachte Lambda-Sonde ist vor Kondenswasser geschützt, da die Feuchtigkeit sofort von der Beschichtung aufgenommen wird und verdampft. Durch diesen Schutz vor Wasserschlag kann die Lambda-Sonde unmittelbar nach dem Motorstart beheizt werden und regelt so nach kürzester Zeit die optimale Gemischbildung. Dadurch lassen sich die Schadstoffemissionen im Kaltstart erheblich reduzieren. Bild 9.35: Lambdasondenkat TM mit PE- Struktur Die Bedingungen für die Abgasnachbehandlung beim Ottomotor mit Direkteinspritzung ist in einigen Betriebspunkten mit dem Dieselmotor vergleichbar. So sinkt die Temperatur im Teillast- und insbesondere im Schubbetrieb teilweise unter die Betriebstemperatur der eingesetzten Katalysatoren. Der Ottomotor mit Direkteinspritzung wird aus Effizienzgründen in Teilen des Kennfeldes ebenso wie der Dieselmotor mit Luftüberschuss betrieben (siehe auch Bild 14.14). Deshalb bietet es sich an, die an Dieselmotoren eingesetzten Konzepte auch für den Ottomotor mit Direkteinspritzung zu bewerten, insbesondere, da der moderne Dieselmotor mit SCR-Technologie im Hinblick auf Umweltverträglichkeit mittlerweile den Benchmark darstellt. Wie bereits dargestellt, hängt die Umsetzung der Abgaskomponenten am Katalysator von dessen Temperatur ab, Bild Bild 9.36: Prinzipdarstellung einer Katalysator- Anspringkurve

4 9.4 Neue Wege zur Schadstoffreduzierung 245 Daraus ergibt sich die Forderung für ein schnelles Aufheizen des Katalysators. Dies kann in unterschiedlicher Weise erfolgen: Aktive Heizmaßnahmen wie im Abschnitt 9.3 beschrieben, die aber im allgemeinen zu einem Kraftstoff-Mehrverbrauch führen, Reduzierung der Wärmekapazitäten des Katalysators (Träger und Beschichtung), Positionierung des Katalysators im Abgasstrang näher am Motor: unter Umständen sogar vor einer größeren Wärmesenke wie zum Beispiel vor einem Turbolader. Einerseits ist es wichtig, im Kaltstart den Katalysator schnell auf Betriebstemperatur zu bringen (hier hilft eine geringe Wärmekapazität des Katalysatorsystems) und andererseits muss bei den immer niedriger werdenden Temperaturen im Teillastbetrieb das Auskühlen unter die Betriebstemperatur des Katalysators verhindert werden. Dies kann durch Variation der Wärmekapazität der Katalysator-Komponenten erfolgen: zum Beispiel durch Kombination unterschiedlicher Foliendicken von Metallträgern; durch Einsatz von strukturierten und/oder perforierten Metallfolien ergeben sich hier zusätzliche Freiheitsgrade. Eine spezielle Einbauform stellt das in Bild 9.37 gezeigte Kompakt-Design dar, um in engen Bauräumen größere Katalysatorvolumina unterzubringen bzw. den Katalysator näher an den Motor und damit in den Bereich der schnelleren Aufheizung heranzurücken. Bild 9.37: Motornaher KompactCat [Quelle: Emitec] Bild 9.37: zeigt einen Kompaktkatalysator, der direkt am Turbolader angeflanscht wird. Durch die Umströmung des Katalysators mit dem heißen Abgas wird die entstehende Reaktionswärme effektiv für das Aufheizen des Katalysators ausgenutzt. Gleichzeitig werden die aufzuheizenden und Wärme abstrahlenden Massen reduziert. Zusätzlich verschärft wird das Temperaturproblem durch den Einsatz von Turboladern als Wärmesenke vor dem (Haupt-)Katalysator. Hier bietet sich die Möglichkeit hocheffiziente turbulent durchströmte Zylinderkopf/Vorturbolader-Katalysatoren (PT-Metalit ) einzusetzen [16].

5 246 9 Abgasemissionen und Schadstoffreduzierung Für den Kaltstart und die Betriebspunkte mit niedrigen Temperaturen scheint durch optimiertes Wärmemanagement und den Einsatz von extrem motornaher Katalysatoren (z.b. vor Turbolader) eine Verbesserung der Emissionen bei gleichzeitiger Kraftstoffverbrauchssenkung durch Reduzieren der Heizmaßnahmen erreichbar. Auch die bereits im Abschnitt 9.3 vorgestellten NO x -Adsorber werden kontinuerlich weiterentwickelt. So bietet der Einsatz von Metallkatalysatorträgern die Möglichkeit, auch Beschichtungen einzusetzen, die Kalium als Speicherkomponente verwenden. Der Vorteil bei Kalium ist die Möglichkeit, auch bei höheren Temperaturen Stickoxide einzuspeichern, Bild 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 [14, 19]. Bild 9.38: NO x -Umsatz in Abhängigkeit von der Temperatur bei Verwendung von unterschiedlichen Speicherkomponenten: Cordierite cat. mit bariumhaltigen Metallträger mit kaliumhaltigen Speicherkomponenten [19] Der Einsatz von Kalium als Speicherkomponente erfordert eine höhere Temperatur für die Desulfatisierung als für die Barium-Variante, was es wiederum als Anforderung an die Temperaturstabilität der Beschichtung umzusetzen gilt. Im Bild 9.39 ist beispielhaft das Alterungsverhalten eines NO x -Adsorbers mit bariumhaltigen Speicherkomponenten dargestellt [18]. Dies muss bei der Auslegung des Systems berücksichtigt werden, um die gesetzlichen Vorgaben über die Lebensdauer einzuhalten. Bild 9.39: Beispiel für Alterung einer bariumhaltigen Adsorber Beschichtung [18]

6 9.4 Neue Wege zur Schadstoffreduzierung 247 Die in [19] vorgestellten Ergebnisse zeigen einen positiven Trend für die Weiterentwicklung von NO x -Adsorbern unter Verwendung von Kalium als Speicherkomponente. 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 Dieselmotoren 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. Die Lösung wird vor dem SCR Katalysator in das Abgas eingedüst und hydrolisiert ab ca. 180 C zu Ammoniak. Bei der SCR Reaktion unterscheidet man zwischen der Standard -SCR-Reaktion: 4 NH NO + O 2 4 N H 2 O und der der schnellen SCR-Reaktion: 2 NH 3 + NO + NO 2 2 N H 2 O Für Diesel-Pkw-Systeme und auch zukünftige Nfz-Systeme werden Zeolith-Katalysatoren eingesetzt, bei denen die Standardreaktion unterhalb von 300 C nochmals deutlich langsamer abläuft. Da die Pkw-Testzyklen bezüglich der Abgastemperaturen relativ kalt sind, kommt der Auslegung des Oxidationskatalysators für die NO 2 -Bildung um die schnelle SCR-Reaktion auszunutzen hier eine besondere Bedeutung zu [17]. Die SCR Technologie im Dieselabgas bei Nutzfahrzeugen ist im Serieneinsatz. Das Abgas eines Ottomotors mit Direkteinspritzung bringt jedoch bezüglich Abgastemperatur, Abgaszusammensetzung 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 [14]. Eine Kombination der im Dieselbereich bewährten Technologien, kontinuierliche Rußminderung mit dem Nebenstrom-Tiefbettfilter (PM-Metalit ) und NO x -Minderung mit dem SCR-System zeigt eine Möglichkeit auf, die Wirksamkeit des Abgasreinigungssystems weiter zu steigern (Bild 9.40 [17]), um die im Abschnitt 9.3 angesprochene Verschärfung der Abgasgesetzgebung mit Einführung eines Grenzwertes für die Partikelanzahl sicher zu beherrschen.

7 248 9 Abgasemissionen und Schadstoffreduzierung Bild 9.40: Aufbau eines SCRi TM -Systems für gleichzeitige Ruß- und NO x Minderung bei Dieselmotoren [17] Literatur [1] Robert Bosch GmbH: Ottomotor-Management, 3. Auflage. Vieweg Verlag, 2005 [2] Spicher, U.; Kubach, H.; Häntsche, J. P.: Die strahlgeführte Direkteinspritzung als Zukunftskonzept für Ottomotoren. MTZ-Konferenz Motor Stuttgart, 2006 [3] Warnatz, J.; Maas, U.; Dibble, R. W.: Verbrennung Physikalisch-Chemische Grundlagen, Modellierung und Simulation, Experimente, Schadstoffentstehung, 3. Auflage. Springer-Verlag, 2001 [4] Li, J.; Matthews, R. D.; Stanglmaier, R. H.; Roberts, C. E.; Anderson, R. W.: Further Experiments on the Effects of In-Cylinder Wall Wetting on HC Emissions from Direct Injection Gasoline Engines. SAE Technical Paper , 1999 [5] Kleinschmidt, W.: Untersuchung des Arbeitsprozesses und der NO-, NO 2 - und CO-Bildung in Ottomotoren. Dissertation RWTH Aachen, 1974 [6] Bick, W.: Einflüsse geometrischer Grunddaten auf den Arbeitsprozeß des Ottomotors bei verschiedenen Hub-Bohrungs-Verhältnissen. Dissertation RWTH Aachen, 1990 [7] Krebs, R.; Spiegel, L.; Stiebels, B.: Ottomotoren mit Direkteinspritzung von Volkswagen. 8. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 1999 [8] Moser, W.; Küssell, M.; Mentgen, D.: Bosch Motronic MED7 Motorsteuerung für Benzin- Direkteinspritzung. 19. Internationales Wiener Motorensymposium, 1998 [9] Waltner, A.; Lückert, P.; Schaupp, U.; Rau, E.; Kemmler, R.; Weller, R.: Die Zukunftstechnologie des Ottomotors: strahlgeführte Direkteinspritzung mit Piezo-Injektor. 27. Internationales Wiener Motorensymposium, 2006 [10] Prevedel, K.; Piock, W. F.: Aufladung beim Direkteinspritz-Ottomotor. VDI-Tagung, Innovative Fahrzeugantriebe, Dresden, 2004 [11] Königstedt, J.; Müller, R.; Jablonski, J.; Dirschnabel, T.; Uhrich, J.; Hatz, W.: Der neue V10- FSI-Motor von Audi. 27. Internationales Wiener Motorensymposium, 2006 [12] Brück, R.; Hirth, P. Konieczny, R.: Der PM-Metalit TM ; Erfahrungen mit dem Nebenstrom Partikelsystem hinsichtlich Reduzierung von Partikelanzahl und -masse bei PKW- und LKW- Anwendungen, 4. AVL-Forum, 14./15. März 2006 [13] Maus, W.; Brück, R.; Kaiser, F. W.: Fortschrittliche PKW Dieselabgasnachbehandlung: Potential für niedrigste Emissionsgrenzwerte? 23. Internationales Wiener Motorensymposium, Wien, 2002

8 [14] Maus, W.; Diringer, J.; Schatz, A.: Turbulente Abgasnachbehandlungssysteme Innovationen für fortschrittliche Motoren, TAE 8. Symposium 7. und. 8. Dezember 2006 in Leipzig [15] Dahlgren, J.; Laurell, M.; Vollmer, N.; Brück, R.; Hirth, P.; Maus, W.: Der Lambdasondenkatalysator ; ein neues Konzept für kompakte Hochleistungs-Katalysatorsysteme, Aachener Kolloquium; Oktober 2005 [16] Jayatn F.; Pace, L.; Konieczny, R.: Vorturboladerkatalysatoren Anforderungen aus aufladetechnischer Sicht sowie zukünftiger, innovativer Abgasnachbehandlungskonzepte, Aufladetechnische Konferenz Dresden, [17] Brück, R.; Kaiser, F.-W.; Konieczny, R.: Hocheffektive, turbulente metallische Wabenkörper für die Stickoxyd-Katalyse eine neue Herausforderung, MinNOx-Konferenz, HDT- Berlin, 2007 [18] Rohr, F.; Grißtede, I.; Göbel, U.; Müller, W.; Kreuzer, Th.: Untersuchungen zur Dauerhaltbarkeit von NOx-Nachbehandlungssystemen für Dieselmotoren, 16. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2007 [19] Kaneeda et al.: Verbesserung der thermischen Dauerhaltbarkeit von Lean NOx-Katalysatoren durch Einsatz neuartiger Metallträger, 16. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik