Rolf Brück, Friedrich-Wilhelm Kaiser, Simone Schaper und Peter Treiber

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1 Zukunftsweisende Metallträgerkonzepte für die Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren Verbesserte Effektivität durch intensivere Nutzung der motorbedingten Strömungs- und Temperaturverhältnisse Rolf Brück, Friedrich-Wilhelm Kaiser, Simone Schaper und Peter Treiber 1. Einleitung Standen in der Vergangenheit Grenzwerte für durch Ottomotoren angetriebene Fahrzeuge im Vordergrund der Abgasgesetzgebung, so hat sich in den letzten Jahren diese Situation nachdrücklich geändert. Die Bedeutung der durch Dieselmotoren verursachten Umweltbelastung ist stärker in das Bewusstsein der Öffentlichkeit gedrungen. Der Grund liegt zum einen in der Diskussion einer besonderen Gefährdung der Gesundheit durch die Partikelemission dieses Motortyps, zum anderen in den drastisch ansteigenden Zulassungszahlen der Dieselfahrzeuge in Europa, insbesondere in den Ländern Mittel- und Südeuropas. Ausschlaggebend für diese Entwicklung sind nicht ausschließlich ökonomische Gründe, sondern auch das Fahrverhalten von Fahrzeugen mit modernen Dieselmotoren, das von hohem Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen gekennzeichnet ist. In dem Maße, in dem der Anteil der Dieselfahrzeuge ansteigt, steigt aber auch der Anteil an den Gesamtemissionen. Es ist daher verständlich, dass für Fahrzeuge mit Dieselmotoren in Zukunft strengste Maßstäbe [1] zur Geltung kommen sollen (Tabelle 1). Anwendung Grenzwertstufe Bezug Einheit CO HC NOx PM Bemerkung Geltung Pkw </= 2,5 to zul. Ges.gew. Euro 3 alle g/km,64 (,6),5,5 in Kraft 2 Pkw </= 2,5 to zul. Ges.gew. Euro 4 alle g/km,5 (,5),25,25 geplant 25 Pkw </= 2,5 to zul. Ges.gew. Euro 5 alle g/km 1,,5,8,25 UBA Vorschlag 21 Nfz </= 3,5 to zul.ges.gew. Euro 3 RW </= 135 kg g/km,64 (,6),5,5 in Kraft 2 Nfz </= 3,5 to zul.ges.gew. Euro 3 RW </= 176 kg g/km,8 (,7),65,7 in Kraft 2 Nfz </= 3,5 to zul.ges.gew. Euro 3 RW > 176 kg g/km,95 (,8),78,1 in Kraft 2 Nfz </= 3,5 to zul.ges.gew. Euro 4 RW </= 135 kg g/km,5 (,5),25,25 geplant 25 Nfz </= 3,5 to zul.ges.gew. Euro 4 RW </= 176 kg g/km,63 (,6),33,4 geplant 25 Nfz </= 3,5 to zul.ges.gew. Euro 4 RW > 176 kg g/km,74 (,7),39,6 geplant 26 Nfz </= 3,5 to zul.ges.gew. Euro 5 RW </= 135 kg g/km 1,,5,8,25 UBA Vorschlag 21 Nfz </= 3,5 to zul.ges.gew. Euro 5 RW </= 176 kg g/km 1,,5,8,25 UBA Vorschlag 21 Nfz </= 3,5 to zul.ges.gew. Euro 5 RW > 176 kg g/km 1,25,63,1,32 UBA Vorschlag 21 Nfz-Motor, Fzg > 3,5 to Euro 3 ESC g/kwh 2,1,66 5,,1 in Kraft 2 Nfz-Motor, Fzg > 3,5 to Euro 3 ETC g/kwh 5,45,78 5,,16 in Kraft 2 Nfz-Motor, Fzg > 3,5 to Euro 4 ESC g/kwh 1,5,46 3,5,2 geplant 25 Nfz-Motor, Fzg > 3,5 to Euro 4 ETC g/kwh 4,,55 3,5,3 geplant 25 Nfz-Motor, Fzg > 3,5 to Euro 5 ESC g/kwh 1,5,46 2,,2 geplant 28 Nfz-Motor, Fzg > 3,5 to Euro 5 ETC g/kwh 4,,55 2,,3 geplant 28 Nfz-Motor, Fzg > 3,5 to Euro 5 ESC g/kwh 1,5,46 1,,2 UBA Vorschlag 28 Nfz-Motor, Fzg > 3,5 to Euro 5 ETC g/kwh 4,,55 1,,3 UBA Vorschlag 28 Nfz-Motor, Fzg > 3,5 to Euro 6 ESC g/kwh 1,5,46,5,2 UBA Vorschlag 21 Nfz-Motor, Fzg > 3,5 to Euro 6 ETC g/kwh 4,,55,5,3 UBA Vorschlag 21 RW = Referenzgewicht; ESC = europäischer 13-Stufentest; ETC = europäischer Transient Test Tabelle 1: Geltende, geplante und vorgeschlagene Grenzwerte für Fahrzeuge mit Dieselmotor in Europa

2 Einen Eindruck von der Emissionsrealität auf der Straße zeigt die Darstellung der im MVEG-Test zertifizierten Fahrzeuge mit Dieselmotoren in Deutschland anhand der Partikelemissionen, die über den Stickoxidemissionen aufgetragen sind (Bild 1).,1,9 EURO 3 Nfz < 3,5 to,8,7 PM g/km,6,5,4 EURO 4 Nfz < 3,5 to EURO 3,3,2,1 EURO 4,,,1,2,3,4,5,6,7,8,9 NOx g/km Bild 1: Zertifizierung von Pkw und leichten Nfz < 3,5 to mit Dieselmotoren im Jahr 22 (Quelle KBA) Die Fahrzeuge der nächsten Generation von Dieselmotoren werden einen entscheidenden Schritt in Richtung des Euro 4 Fensters machen. Dazu werden verbesserte Einspritzsysteme (Common Rail-Systeme mit höheren Einspritzdrücken, Piezo-Effekt verwendende Injektoren usw.), weiterentwickelte Abgasturbolader- und Abgasrückführungstechnik genauso beitragen, wie modellbasierte Verbrennungsverfahrensteuerung bzw. -regelung. Es ist davon auszugehen, dass bei den kommenden Modelljahren bereits erste Motoren vertreten sind, die in bestimmten Betriebsbereichen, trotz der prinzipiell beibehaltenen Kompressionszündung, mehr oder weniger homogene Verbrennungsabläufe (HCCI) aufweisen. Solche Motoren weisen in dieser Betriebsart äußerst niedrige Stickoxidemissionen und so gut wie keine Rußemissionen auf. Allerdings steigen die Kohlenmonoxid- und die Kohlenwasserstoffemissionen [2]. Obwohl für die Beseitigung dieser Schadstoffe ja erprobte Techniken in Form von Oxidationskatalysatoren zur Verfügung stehen, bereiten die Höhe der Emissionen in Verbindung mit den dieseltypischen niedrigen Abgastemperaturen, erhebliche Schwierigkeiten. Es ist daher davon auszugehen, dass in Zukunft an die Leistungsfähigkeit der Oxidationskatalysatoren erhöhte Anforderungen gestellt werden. In der Regel führen solche Tendenzen zu voluminöseren Katalysatorsystemen, teilweise auch mit deutlich angehobenen Edelmetallgehalten in den katalytischen Beschichtungen. Es ist klar, dass mit einem solchen Trend eine Verteuerung der Abgasnachbehandlung verbunden ist. Mit den folgenden Ausführungen soll gezeigt werden, wie trotz erhöhter Anforderungen, neue für den Einsatz in Dieselfahrzeugen angepasste Katalysatorträger vor und/oder nach dem Abgasturbolader, kostenoptimierte Lösungen ermöglichen. Nfz Pkw 2. Randbedingungen für die heterogene Katalyse Wie bei allen chemischen Prozessen spielen auch bei der katalytisch unterstützten Oxidation der Schadstoffe im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen die Fragen, wie kommen die Reaktionspartner zusammen (Stofftransport) und wie schnell laufen dann die Reaktionen, die

3 entscheidende Rolle. Während der Stofftransport durch die Temperatur, die Art der Strömung (laminar, turbulent) und die Geometrie des Reaktors bestimmt wird, ist die Reaktionsgeschwindigkeit primär abhängig von der Temperatur. 2.1 Einfluß der Temperatur Entsprechend der Arrheniusgleichung ist die Temperatur der entscheidende Faktor, der sich bei den chemischen Reaktionen sowohl bei den thermodynamischen als auch insbesondere bei den kinetischen Eigenschaften der Prozesse stark auswirkt. Unterhalb einer Mindesttemperatur laufen die chemischen Prozesse sehr langsam ab. Erst ab dem Erreichen der Light-Off Temperatur (bei Dieselabgas etwa 15 2 C) beschleunigt sich die Reaktionsgeschwindigkeit rapide [3]. In diesem Temperaturbereich bedeuten wenige Kelvin Temperaturerhöhung große Effektivitätsunterschiede Temperaturnutzung durch Einbaulage Da das Einsetzen der Oxidationsprozesse wie beschrieben von einer gewissen Mindesttemperatur abhängig ist, zeigen die Temperaturen am jeweiligen Ort des Geschehens entsprechende Auswirkungen. Im folgenden Beispiel [4] sind die Temperaturschriebe beim Durchfahren der Anfangsphase eines MVEG-Testzyklusses mit einem Mittelklassefahrzeug auf einem Rollenprüfstand gezeigt (Bild 2). Gemessen wurden die Temperaturen vor der Abgasturbine des Turboladers, direkt hinter der Turbine, wo in der Regel motornahe Katalysatoren (CCC) eingebaut werden, sowie vor Eintritt in den serienmäßig dort befindlichen Unterbodenkatalysator (UFC) Temparatur vor ATL Temperatur nach ATL T3 CCC Temperatur vor CCC Temperatur vor UFC T2 UFC T1 T5 Abgastemperatur [ C] Zeit [s] Bild 2: Abgastemperaturen eines Mittelklassefahrzeugs in der ersten Phase des MVEG-Testzyklus Die thermisch günstigere Position vor der Turbine wird klar deutlich. Gleichzeitig wird auch ersichtlich, dass auf dem Weg vom Austritt aus der Turbine bis zum Eintritt in den Unterflurkatalysator noch einmal Wärme verloren geht, was insbesondere auf den in diesem Falle nach der Turbine eingebauten 9 -Bogen und die Rohrleitungsverluste zurückzuführen ist. Betrachtet man nun die Temperaturen gemittelt, jeweils für 1 Sekunden, 2 und 3 (Bild 3), dann wird deutlich, welchen temperaturmäßigen Vorteil man insbesondere in den ersten 3

4 Sekunden des Testzyklusses nach dem Start durch einen Katalysator vor der Abgasturbine erhält. Gegenüber der Position direkt nach der Turbine ergibt sich ein Unterschied von 56,5 K (nach 1 s), 48,5 K (nach 2 s) und 41,1 K (nach 3 s). Im Vergleich zur Unterbodenposition erhöht sich die Temperaturdifferenz noch einmal zu 81,4 K (nach 1 s), 68,3 K (nach 2 s) und immer noch 58, K (nach 3 s). Das bedeutet, dass vor der Turbine bereits nach deutlich weniger als 1 Sekunden Light-off- Temperaturen erreicht werden. Der Wert von 15 C wird z. B. vor der Turbine bereits nach 12,2 s erreicht, nach der Turbine nach 59,2 s und vor dem Unterbodenkatalysator erst nach 149 sec Temparatur vor ATL Temperatur nach ATL Temperatur vor CCC Temperatur vor UFC Abgastemperatur [ C] Zeit [s] Bild 3: gemittelte Abgastemperaturen im MVEG Testzyklus eines Mittelklassefahrzeugs nach verschiedenen Zeitabschnitten Eine anschauliche Darstellung der Engieverluste der verschiedenen Katalysatorpositionen zeigt für einen Abgasmassenstrom von 87 kg/h (stadttypischer Betriebspunkt) das Flussbilddiagramm (Bild 4). Dabei ist anzumerken, dass die Pfeildicken nicht maßstäblich sind. 4,2 kw 1,8 kw Verlust: über ATL bis CCC bis UFC 1,7 kw,2 kw,5 kw T2 T3 CCC UFC T1 T5 Bild 4: Energieflussdiagramm für die gezeigte Abgasanlage bei einem gemittelten Massenstrom von 87 kg/h für 1 s im MVEG Testzyklus 4

5 Die konsequente Nutzung der Trägerposition, d. h. die Nutzung der zur Verfügung stehenden Wärme, sowie die konstruktive Lösung für besseres Wärmemanagement, ermöglicht kleinere Gesamtkatalysatorvolumina bei gleichem oder höherem Wirkungsgrad Temperaturmanagement durch Trägerkonstruktion Der Kompaktkatalysator Die Verwendung eines sog. Kompaktkatalysators (Bild 5) bietet hier eindeutige Vorteile. Das Kompaktkatalysator-Konzept besteht aus einem inneren Oxidationskatalysator, der ummantelt wird von einem Luftspalt, durch den das Abgas zurückfließt. Bild 5: Schematischer Aufbau eines Kompaktkatalysators Diese Konstruktion bietet die Möglichkeit den Katalysator ohne Umlenkung direkt an die Turbine anzuflanschen. Ein besonderer Vorteil besteht in der Nutzung des ausströmenden Abgases, welches in der Kaltstartphase zu einem schnelleren Aufheizen auch des mantelnahen Bereichs führt. Im betriebswarmen Zustand werden durch die Umspülung Temperaturverluste vermieden und damit radial ein gleichmäßiges Temperaturprofil eingestellt. (Bild 6). 5

6 Standard Länge [mm] Radius [mm] m = 24 kg/h T = 35 C 16 Kompaktkat mit Gasumlenkung Länge [mm] Radius [mm] Bild 6: radiales Temperaturprofil im Kompaktkatalysator, Ø 135 x 174 mm / 6 cpsi / 3µm 6

7 Der Hybridkatalysator Neben dem bereits erwähnten Kompaktkatalysator ist ein weiterer speziell auf das Wärmemanagement abgestimmter Träger der sog. Hybridkatalysator. Hinter dieser Konstruktion verbirgt sich ein Katalysator, der in einem Mantel zwei kleinere Träger aufweist, die sich deutlich in ihrer thermischen Masse unterscheiden. Der strömungsseitig erste Träger ist konstruktiv auf eine kleine thermische Masse ausgelegt, so dass er bereits wenige Sekunden nach Start des Motors die Light-off-Temperatur erreicht. Dies wird entweder dadurch erreicht, dass dünne Folien zum Einsatz kommen (vorzugsweise 3 µm). Die niedrige thermische Masse bedingt allerdings, dass bei Schub- und Leerlaufbetrieb dieser Teil des Hybridkatalysators wieder abkühlt und somit wieder unter die Light-off-Temperatur abfallen kann. Um zu verhindern, dass dieses auch für den ganzen Katalysator gilt, ist dem ersten Träger ein zweiter mit höherer thermischer Masse nachgeschaltet. In der Regel wird dieses durch die Verwendung dickerer Folien (z. B. 8 µm) erreicht, sowie durch die Abstimmung der jeweiligen Trägerlängen, die häufig im Verhältnis 1:2 (kleine:große thermische Masse) gewählt werden. Verfolgt man die Abgastemperaturen während eines MVEG Testzyklusses, dann zeigen insbesondere die Werte nach den Trägern die wichtigen Unterschiede (Bild 7) vor Kat T vor Hybrid nach CCC T 1 T 2 T nach 3 nach Hybrid PTC Temperatur [ C] T vor CCC 5 PTC T nach Zeit [s] Bild 7: Abgastemperaturen bei motornahen Katalysatoren im MVEG-Testzyklus Vergleich eines Standardträgers mit einem Hybridkatalysator Die deutliche Wärmefreisetzung infolge weiterlaufender Oxidationsprozesse in den Phasen kälteren Motorbetriebs zeigen den ausgeprägten Vorteil des Hybridkatalysators. Dieses Verhalten ist dementsprechend natürlich auch in den Emissionsergebnissen eines solchen Tests wiederzufinden (Bild 8). 7

8 Referenzsystem mit Unterbodenkatalysator Hybridkatalysator + Referenz Unterbodenkatalysator Relative Beutelemissionen % % - 35 % HC CO Bild 8: relative Emissionsergebnisse im MVEG-Testzyklus Vergleich eines Referenzsystem (Serie) mit einem Hybridkatalysator [5] An anderen Versuchsträgern konnten mit Hybridkatalysatoren Emissionsminderungen bis zu 6 % realisiert werden. Entscheidenden Einfluß auf die Höhe der Vorteile hat dabei das Verhältnis von Motorleistung zu Fahrzeuggewicht. Wird im Normalbetrieb wenig mehr als der untere Teillastbereich angefahren, d. h. die Light-off-Temperatur wird häufig leicht über- und dann aber auch wieder unterschritten, dann sind die besten Voraussetzungen gegeben, maximale Emissionsvorteile mit dieser Technik zu erzielen. 2.2 Einfluß des Stofftransports Beim Dieselmotor mit seinen relativ niedrigen CO- und HC-Konzentrationen sind die Oxidationsprozesse in der Regel durch den Stofftransport limitiert, d. h. durch den Aufwand, das Schadstoffmolekül zum Katalysator (Platin Edelmetall) zu bringen. Das Zusammenkommen der Reaktionspartner wird einerseits von rein geometrischen Aspekten bestimmt, z. B. von der Zelldichte und dem damit verbundenen hydraulischem Durchmesser, der die Wegstrecke charakterisiert, die ein Schadstoffmolekül zurücklegen muß, um an den Ort der Reaktion (Platin) zu gelangen, andererseits von den Strömungsbedingungen, die es dem Schadstoffmolekül je nach Art der Strömung, laminar oder turbulent, entweder erschweren oder erleichtern, zu dem Ort der Reaktion vorzudringen. Betrachtet man als Maß für die Güte des Stofftransports den Koeffizienten b, dann ergibt sich in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit ein deutlicher Unterschied für laminare und turbulente Strömungsbedingungen (Bild 9). 8

9 1,2 Stofftransport ß [m/s] 1,,8,6,4,2, Strömungsgeschwindigkeit [m/s] Bild 9: Stofftransportkoeffizient b abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit bei konstanten geometrischen Randbedingungen Der Sprung der b-werte in den höheren Bereich verdeutlicht eine drastische Verbesserung des Stofftransports, was gleichbedeutend mit einer entsprechenden Effizienzsteigerung der Oxidationsvorgänge ist Katalysatoren vor dem Abgasturbolader mit optimiertem Stofftransport Die Gründe für die Vorteile eines kleinen Katalysators, der in einer Position vor der Abgasturbine eines Turboladers eingebaut wird, wurden bereits im Bereich des Temperatur- und des Strömungseinflusses angesprochen. Die Kenngröße, der Stofftransportkoeffizient b, ist, wie bereits erwähnt, abhängig von dem hydraulischen Durchmesser der Zellen (damit von der Zelldichte) und der Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen. Letztere wird insbesondere durch den Durchmesser der Katalysatoren bestimmt. Bewertet man gängige Trägerabmessungen ( 15 mm bis etwa 9 mm) bei üblichen Abgasmassenstromwerten, so wird deutlich, dass die Strömung fast ausschließlich im laminaren Bereich liegt. Die Situation ändert sich schlagartig, wenn man zu Trägern übergeht, die vor der Turbine eines Abgasturboladers eingesetzt werden. Hier zwingt die räumliche Beschränkung in der Regel zu Trägerdurchmessern im Bereich 4mm bis hinab zu 25 mm. Die sich in diesen Trägern einstellende Strömung ist turbulent (Bild 9). Trotz der geradezu winzigen Volumina im Vergleich zu bisher üblichen Katalysatorauslegungen können mit Vorturbolader-Katalysatoren vergleichsweise große Wirkungsgrade erzielt werden. Das Volumen der Vorturboladerkatalysatoren hat jedoch auch hier einen deutlichen Einfluß (Bild 1). 9

10 12 Wirkungsgrad % Volumen l 1,2 Wirkungsgrad HC 1 Wirkungsgrad CO Volumen 1, 8,8 6,6 4,4 2,2, Serien CCC Vol.: 1, l PTC Vol.:,2 l PTC Vol.:,4 l PTC Vol.:,55 Bild 1: Volumenabhängiger Wirkungsgrad von PTC-Varianten im Vergleich zu einem standardmäßigen motornahen Katalysator Es ist naheliegend, dass mit der Möglichkeit, Katalysatorvolumen einzusparen, natürlich auch Kostenreduktionen verbunden sind. Allein der Blick auf die Beschichtungskosten, betrachtet anhand der erforderlichen Edelmetallmengen (Platin), macht deutlich, dass hier ein wesentliches Argument für den Einsatz dieser kleinen Katalysatoren liegt (Bild 11). Edelmetallkosten % 12 1 Edelmetall Serien CCC Vol.: 1, l PTC Vol.:,2 l PTC Vol.:,4 l PTC Vol.:,55 Bild 11: Edelmetallkosten (Platin) für Vor-Turboladerkatalysatoren im Vergleich zu einem standardmäßig ausgelegten motornahen Katalysator 1

11 Die Dauerhaltbarkeit und die Einsatzfähigkeit der Vorturbolader Katalysatoren für die Serie wurde in den vergangenen 2 Jahren durch umfangreiche Tests sichergestellt. Ein weiteres Spezifikum des Vortubolader-Katalysators (PTC) ist die Möglichkeit, durch gezielt erzeugte Exothermie (z. B. durch Nacheinspritzung), den Volumenstrom im niedrigen Drehzahlbereich zu erhöhen und damit das Drehmoment positiv zu beeinflussen. Abbildung 12 zeigt den Drehmomentverlauf eines 4 Zylindermotors mit und ohne PTC. Bei dem hier durchgeführten Versuch wurde die Einspritzstrategie nicht verändert. 33 Drehmoment [Nm] Serie PTC 2 +Serie Drehzahl [1/min] Bild 12: Drehmomentverlauf eines 4 Zylindermotors mit und ohne Vorturbolader Katalysator [6] Technik zur Verbesserung des Stofftransports Eine weitere Möglichkeit, den Stofftransport deutlich zu verbessern, liegt in der Verwendung von strukturierten Folien für die Trägerherstellung. Durch Variation der gewellten Folien z. B. durch Aufprägen einer tunnelartigen Struktur (LS) (Bild 13), oder von schaufelförmigen Ausbildungen (Mischer-Struktur), lassen sich deutliche Vorteile erzielen. Bild 13: Prinzip der LS-Struktur 11

12 Die LS Struktur erzeugt einen turbulenzartigen Effekt, indem in den Kanälen mehrfach die Katalysatoreinlaufströmung wiederholt wird. Durch diese Konstruktion wird in das Zentrum des Kanals und damit in den Bereich der höchsten Emissionskonzentrationen eine katalytisch aktive Wand eingeschoben. Durch diesen Effekt werden die Diffusionswege deutlich verringert. Man bringt sozusagen die katalytisch aktive Wand zu den Emissionen. Damit wird es möglich, bei gleicher Effektivität die Primärzelldichte um einen Faktor 2 zu verringern, oder das Katalysatorvolumen bei gleicher Zelldichte zu verkleinern. Beide Möglichkeiten führen bei gleicher Effektivität zu einer Kostenreduktion. Abbildung 14 zeigt den Effektivitätsvergleich eines Standard -Katalysators mit 2 cpsi im Vergleich zu einem PE- und einem LS-Katalysator mit 2 Primärzelldichte und gleichem Volumen. Die Effektivitätsmessungen wurden an einem Reaktor mit synthetischem Gas durchgeführt, um den Einfluß der Strukturen ohne Nebeneffekte bewerten zu können. 1 HC Umsatzrate [%] 2 cpsi Standard 95 2 cpsi PE 2 cpsi LS cpsi Standard 2 cpsi PE 2 cpsi LS Bild 14: Vergleich der Effektivität eines Standard 2 cpsi Katalysators zu einem PE- und einem 2 cpsi LS Katalysator Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Stofftransports und des Ausnutzungsgrades eines Katalysators stellt die PE-Struktur dar. Bei der PE-Struktur werden sowohl die glatten als auch die gewellten Lagen des Metallträgers gelocht. Der Lochdurchmesser beträgt 8 mm. Der Verlust an geometrischer Oberfläche wird durch einen verbesserten Stofftransport kompensiert. Im Falle einer ungünstigen Katalysatoranströmung ist die PE-Struktur in der Lage, die Strömung innerhalb des Trägers radial zu verteilen und so das gesamte Katalysatorvolumen gleichmäßig zu nutzen (Bild 15). Willkommener Nebeneffekt ist der niedrigere Strömungswiderstand im Vergleich zu Strukturen mit nicht gelochten Folien. 12

13 Standard UI=,83 PE UI=,96 Bild 15: Vergleich des Strömungsprofils eines Standardträgers im Vergleich zu einem Metallträger mit PE-Struktur. Träger Ø118 x15mm; 4cpsi,4µ; Massenstrom= 167 kg/h 3. Zusammenfassung In den vorangegangenen Abschnitten wurden wesentliche Einflußgrößen auf die für die Minimierung des Schadstoffausstoßes von Dieselmotoren bedeutenden Prozesse beschrieben. Daraus abgeleitete Neuentwicklungen, die speziell den Anforderungen zur Nutzung der Abgastemperatur und des Stofftransports Rechnung tragen, wurden vorgestellt. Alle diese Ansätze bieten grundsätzlich zwei Auslegungsmöglichkeiten. Erstens kann das Ziel sein, die Schadstoffemissionen weiter abzusenken, auch unter die Grenzen geltender oder zukünftiger Gesetzgebung. Zweitens kann eine Auslegung unter reinen Kostengesichtspunkten optimiert werden, natürlich bei Einhaltung der jeweils gültigen Gesetzgebung. Ideal sind allerdings die Ansätze, bei denen sich beide genannte Zielsetzungen miteinander verbinden lassen. Daß dieses möglich ist, haben die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Entwicklungen deutlich gemacht. Je nach Motortyp, Rohemissionen, Fahrzeug und fahrzeugspezifischen Randbedingungen lassen sich die einzelnen Technologien miteinander verknüpfen. Die Kombination eines Vorturboladerkatalysators mit einem nachgeschalteten kleinen Kompaktkatalysators in Hybrid und/oder PE Bauweise stellt eine der möglichen Optimierungen dar. Der Einsatz unterschiedlichster Metallträger, charakterisiert durch die gewünschte Position für den Einbau in das Abgassystem sowie durch die Konstruktion bzw. die innere Struktur, ermöglicht effiziente und kostengünstige Abgasnachbehandlungssysteme für Dieselmotoren. Bild 16 zeigt prinzipiell die Möglichkeiten der Katalysatorvolumenreduktion anhand der in den vergangenen Kapiteln dargestellten Technologien. Praktische Ergebnisse haben gezeigt (Bild 17), dass dieses kein Wunschdenken ist, sondern bereits realisiert wurde. Das ist um so bemerkenswerter, als bei dem hier dargestellten Fall noch keine strukturierten Folien verwendeten wurden, die durch die Verbesserung des Stofftransports noch günstigere Perspektiven eröffnen würden. 13

14 12 Katalysatorvolumen [%] Temperaturmanagement Turbulente Strömung + Temperaturmanagement Unterboden Kat Motornaher Kat Kompaktkat Hybridkat LS Hybridkat PTC + LS Hybridkat Bild 16: Mögliche Katalysatorvarianten zur Darstellung eines konstanten Emissionsminderungspotentials als Funktion der verfügbaren Abgastemperatur (= Einbauposition) Vol.=,6 l 1 Vol.=2.7 l Katalyt. Effektivität [%] Emissions Vorteil Seriensystem Motornaher + Unterboden Katalysator Vorturbo Katalysator + Hybrid Katalysator Bild 17: Volumenreduktion und Effektivitätssteigerung beim Einsatz der Kombination neuer Metallträger Technologien [7] 14

15 Danksagung Die Autoren möchten allen jenen herzlich danken, die das Zustandekommen dieser Arbeit ermöglicht haben. Dabei soll insbesondere das Team des Emitec-Testzentrums in Eisenach hervorgehoben werden. Literaturverzeichnis [1] St. Rodt/UBA: Future Diesel, Publikation des UBA vom 15. Juli 23 [2] R.H.Stanglmaier and Ch. E. Roberts: Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI): Benefits, Compromises, and Future Engine Applications, SAE [3] C.C. Webb, A. Anderson, R. Brück et al.: Study of Modern Application Strategies for Catalytic Aftertreatment demonstrated on a Production V6 Engine, SAE [4] F. Diefke, M. Lundgren, P. Nilsson et al.: New Diesel Catalyst Systems to Achieve European 25 Legislation Tested on a Volvo S 6 Passenger Car, 24. Intern. Wiener Motorensymposium, VDI Reihe 12, Nr. 539 [5] S. Hosogai, K. Komatsu, Y. Unno: The Hybrid Catalyst, a New Catalyst Concept to Improve Utilization of Exhaust Gas Energy and Increase the Efficiency of Diesel Catalyst Systems, 24. Intern. Wiener Motorensymposium, VDI Reihe 12, Nr. 539 [6] F.-W. Kaiser, P. Treiber et al. : Der Katalysator vor der Abgasturbine als Bauteil zur Optimierung von schadstoffmindernden Einrichtungen bei Pkw- und Nfz-Dieselmotoren, Emission Control 22, Dresden [7] G. Saroglia, G. Basso et al.: Application of New Diesel Aftertreatment Strategies on a Production 1.9 l Common-Rail Turbocharged Engine, SAE