Abgasnachbehandlung bei Kraftfahrzeugen

Abgasnachbehandlung bei Kraftfahrzeugen
Fachtagung
Luftqualität an Straßen
5. und 6. März 2008
Jost Gail
Bernd Bugsel
Bundesanstalt für Straßenwesen
Übersicht
• Entstehung und innermotorische Vermeidung von
schädlichen Abgaskomponenten
• Notwendigkeit der Abgasnachbehandlung
• Abgasnachbehandlungssysteme
– Minderung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid
Drei-Wege-Katalysator
Oxidationskatalysator
– Partikelminderung
Filter
– Entstickung
Abgasrückführung
Speicherkatalysatoren
Selektive katalytische Reduktion
Dr. Jost Gail
Dr. Bernd Bugsel
Folie Nr. 2
Entstehung und innermotorische Vermeidung
von schädlichen Abgaskomponenten
Hauptprodukt bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen: Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O)
H:
Benzin: Heptan
C7H16
1 g/mol
C: 12 g/mol
O: 16 g/mol
⇒ (7—12+16—1)g/mol = 100 g/mol für Heptan
⇒ (1—12+2—16)g/mol = 44 g/mol für CO2
1 mol Heptan verbrennt zu 7 mol CO2
⇒ aus 1 kg C7H16 entstehen 3,08 kg CO2
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Folie Nr. 3
Entstehung und innermotorische Vermeidung
von schädlichen Abgaskomponenten
Problem: unvollständige Verbrennung
• Zu wenig Luft (fettes Gemisch): Entstehung von
Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO)
• Zu viel Luft (mageres Gemisch): Entstehung von Stickoxiden
(NOx)
• Zu hohe Verbrennungstemperaturen:
Entstehung von NOx
• Zu geringe Verbrennungstemperaturen:
Entstehung von Partikeln (PM)
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Quelle:
google
Folie Nr. 4
Entstehung und innermotorische Vermeidung
von schädlichen Abgaskomponenten
Innermotorische Abhilfe:
• Stöchiometrisches Gemisch
(Luft-Kraftstoff-Verhältnis 14,7 : 1) λ = 1
• Hohe Einspritzdrücke
• Zündzeitpunkt
• Pilot- und Nacheinspritzungen
• Kühlung des Gemisches
Trotzdem: Abgasnachbehandlung auf Grund der hohen
Anforderungen der Grenzwertgesetzgebung erforderlich
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Folie Nr. 5
Abgasnachbehandlungssysteme
3-Wege Katalysator
• Umsetzung von HC, CO und NOx
Oxidation:
2 CO + O2 -> 2 CO2
2 C2H6 + 7 O2 -> 4 CO2 + 6 H2O
Reduktion:
2 NO + 2 CO -> N2 + 2 CO2
Voraussetzung:
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λ = 1 (14,7 kg Luft pro 1 kg Kraftstoff)
λ – Sonde
Luftmassenmesser
Folie Nr. 6
Oxidationskatalysator
• Analoger Aufbau zum 3-Wege-Katalysator
• Für λ > 1 (mageren Betrieb = Luftüberschuss) beim
Dieselmotor
⇒ NO-Reduktion nicht möglich
• Nur Umsetzung von HC und CO
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Folie Nr. 7
3-Wege Katalysator
Oxidationskatalysator
Quelle: www.kfztech.de
•
•
•
•
Träger: Keramik (z. B. AlMg-Silikat) oder Metallfolien
Zwischenschicht: Al2O3
Katalytisch aktive Schicht: Pt / Rh (5:1) oder Pd
Gehäuse mit Dämmaterial
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Folie Nr. 8
3-Wege Katalysator
Oxidationskatalysator
• Anspringtemperatur ca. 250 °C, deshalb:
– Motornahe Montage
– Elektrische Heizung
– Spätzündung
• Typische Schädigungen:
– Thermische Alterung
– Chemische Vergiftung
– Mechanische Vergiftung
– Mechanische Beschädigung
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Folie Nr. 9
HC-Emissionen des Straßenverkehrs
Quelle:
TREMOD
4.17
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Folie Nr. 10
Partikel- und Stickoxidminderung
Quelle:
TREMOD
4.17
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Folie Nr. 11
Partikel- und Stickoxidminderung
Quelle:
TREMOD
4.17
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Folie Nr. 12
Zielkonflikt zwischen Partikel- und Stickoxidemissionen
Partikel
NOx
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Folie Nr. 13
Partikelminderung
• Filterung
– offene / geschlossene Systeme
• Abbrand der Filterbeladung (Regeneration),
dafür Temperatur über 600 °C nötig
– Kontinuierliche (CRT) od. periodische Regeneration
– Regeneration durch Anhebung der Temperatur (z. B.
Nacheinspritzung)
– Regeneration mit Hilfe eines Katalysators, der die
Abbrandtemperatur herabsetzt
Mit Additiv (Katalysator im Kraftstoff)
Mit katalytisch beschichtetem Filter
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Folie Nr. 14
Partikelfilter
Offene und geschlossene Partikelfilter:
Quelle: www.kfz-tech.de / Daimler
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Folie Nr. 15
Wirkprinzip geschlossener und offener
Partikelfilter
wanddurchströmt
geschlossenes
System
Gasströmung
offenes
System
Gasströmung
⇒ geringerer
Abscheidegrad
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Folie Nr. 16
• Mehrverbrauch
durch:
− Abgasgegendruck
des Filters
− Druckanstieg wg.
Filterbeladung
− Temperaturanhebung zum
Freibrennen
Abgas
Abgasgegendruck
Filterbeladung
Fahrstrecke
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Folie Nr. 17
Gegendruck
Periodische Regeneration
(bei ca. 650 °C)
Filter voll
Druckanstieg wegen
Ascheablagerungen
Zeit
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Folie Nr. 18
CRT: Continuously Regenerating Trap
• Vorgeschalteter Oxikat:
NO + ½ O2 -> NO2
OxiKat
Filter
• Partikelfilter:
NO2 + C -> CO2 + ½ N2
(bei ca. 200 °C - 450 °C)
• Einsatz: große Dieselmotoren (Busse)
• Nachteil: NO2-Emissionen möglich
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Folie Nr. 19
Partikelfilter mit Kraftstoffadditiv
Quelle: www.kfztech.de
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Folie Nr. 20
Partikelfilter mit Kraftstoffadditiv
Additiv: Eolys®, Cer-Verbindung
Permanent im Kraftstoff enthalten
Regeneration nach ca. 700 km
Reichweite: 5 l für 80.000 km
• Vorteile:
− Niedrige Regenerationstemperatur
− Kurze Regenerationsdauer
• Nachteile:
− Zusatzkomponenten
− Additiv
− Aschebildung
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Regenerationsdauer
•
•
•
•
ohne
mit
Additiv
Temperatur
Folie Nr. 21
Entstickung
• Abgasrückführung
• NOx-Speicherkatalysator
• Selektive Katalytische Reduktion (SCR)
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Folie Nr. 22
Abgasrückführung (AGR)
AGR Kühler
Rückführventil
Motor
Luft
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Abgas
Folie Nr. 23
Abgasrückführung
• Verbrennungstemperatur sinkt, insbesondere bei AGRKühlung
• Angesaugte Luft wird durch Abgas ersetzt, dadurch
abgesenkte Sauerstoffkonzentration
⇒ Verminderung der Stickoxidemissionen
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Folie Nr. 24
NOx-Speicherkatalysator
Quelle:
www.kfztech.de
VW
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Folie Nr. 25
NOx-Speicherkatalysator
NO + O2 → NO2
Speicherung:
(λ > 1)
Regeneration:
(λ < 1)
NO2 + BaCO3 → Ba(NO3)2 + CO2
Katalysatoroberfläche (Pt, Rh)
CO + Ba(NO3)2 → NO + O2
NO + O2 + CO → CO2 + N2
Katalysatoroberfläche (Pt, Rh)
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Folie Nr. 26
NOx-Speicherkatalysator
• Arbeitet optimal im Temperaturfenster zwischen 250 °C und
450 °C
• Regeneration muss durch Motorsteuerung eingeleitet
werden:
Speicherung 30 – 60 s, Regeneration: 1 – 2 s
• Schwefel im Kraftstoff vergiftet den Katalysator ⇒
regelmäßige Entschwefelungen bei über 600 °C
(ca. alle 1000 km)
• Katalysator altert
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Folie Nr. 27
SCR-Technologie
• SCR = Selektive
Katalytische Reduktion
• Reagens:
32,5 %ige wässrige Harnstofflösung (AdBlue)
• Einsprühen in den Abgasstrang vor dem SCR-Kat
1. Umsetzung von Harnstoff zu Ammoniak:
CO(NH2)2 + H2O -> 2 NH3 + CO2
2. Reaktion der Stickoxide mit Ammoniak
4 NO + 4 NH3 + O2 -> 4 N2 + 6 H2O
2 NO + 2 NO2 + 4 NH3 -> 4 N2 + 6 H2O
• Ggf. Vorschalten eines Oxi-Kat zur Erzeugung von NO2 aus
NO zur Beschleunigung der zweiten Reaktion
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Folie Nr. 28
SCR-Technologie
Vorratsbehälter
für AdBlue
Stickstoff,
Wasser,
Kohlendioxid
Dosierung
Oxi-Kat
Katalysator zur
Umsetzung der
Stickoxide
Abgas
Oxi-Kat
Partikelfilter
Katalysator zur
Ammoniakerzeugung
Quelle: Spektrum der Wissenschaft,
August 2007
Dr. Jost Gail
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Folie Nr. 29
AdBlue
Quelle: gemmaoleje.pl / pipesystems.com
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•
32,5 %ige wässrige Harnstofflösung DIN 70070
Nicht entzündlich
Nicht brandfördernd
Korrosiv gegenüber Metallen und Beton
AdBlue ungleich BlueTec
Dr. Jost Gail
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Folie Nr. 30
SCR-Technologie
Partikel
Lösung des Zielkonfliktes NOx / Partikel / Kraftstoffmehrverbrauch
innermotorisch
SCR Katalysator
Partikelfilter
NOx
Dr. Jost Gail
Dr. Bernd Bugsel
Folie Nr. 31
SCR-Technologie
• Teurer und komplexer als Speicherkatalysatoren
• Zusätzliches Reagens, Behältnis und Dosiereinrichtung nötig
• AdBlue-Infrastruktur nötig
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•
Höhere NOx-Konversionsraten (90 %)
Größeres Temperaturfenster
Langzeitstabil
Entschärft den NOx-PM-Verbrauchs-Zielkonflikt
Dr. Jost Gail
Dr. Bernd Bugsel
Folie Nr. 32
Zusammenfassung
• Problem: Unvollständige Verbrennung sowie Trade-offs
zwischen den Abgaskomponenten
• Geeignete fahrzeugtechnische Maßnahmen zur Verminderung
der Abgasemissionen existieren
• Innermotorisch oder Abgasnachbehandlung
• Der 3-Wege-Kat setzte den Startpunkt
• Auch zur Partikel- und Stickoxidminderung sind Lösungen
vorhanden
• Die Grenzwertgesetzgebung trägt zur sukzessiven
Ausrüstung der Flotte mit Abgasnachbehandlungstechnologien bei
Dr. Jost Gail
Dr. Bernd Bugsel
Folie Nr. 33