Abgasnachbehandlung bei Kraftfahrzeugen
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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 ⇒ (712+161)g/mol = 100 g/mol für Heptan ⇒ (112+216)g/mol = 44 g/mol für CO2 1 mol Heptan verbrennt zu 7 mol CO2 ⇒ aus 1 kg C7H16 entstehen 3,08 kg CO2 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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) Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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: Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 9 HC-Emissionen des Straßenverkehrs Quelle: TREMOD 4.17 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 10 Partikel- und Stickoxidminderung Quelle: TREMOD 4.17 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 11 Partikel- und Stickoxidminderung Quelle: TREMOD 4.17 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 12 Zielkonflikt zwischen Partikel- und Stickoxidemissionen Partikel NOx Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 14 Partikelfilter Offene und geschlossene Partikelfilter: Quelle: www.kfz-tech.de / Daimler Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 15 Wirkprinzip geschlossener und offener Partikelfilter wanddurchströmt geschlossenes System Gasströmung offenes System Gasströmung ⇒ geringerer Abscheidegrad Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 16 • Mehrverbrauch durch: − Abgasgegendruck des Filters − Druckanstieg wg. Filterbeladung − Temperaturanhebung zum Freibrennen Abgas Abgasgegendruck Filterbeladung Fahrstrecke Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 17 Gegendruck Periodische Regeneration (bei ca. 650 °C) Filter voll Druckanstieg wegen Ascheablagerungen Zeit Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 19 Partikelfilter mit Kraftstoffadditiv Quelle: www.kfztech.de Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Regenerationsdauer • • • • ohne mit Additiv Temperatur Folie Nr. 21 Entstickung • Abgasrückführung • NOx-Speicherkatalysator • Selektive Katalytische Reduktion (SCR) Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 22 Abgasrückführung (AGR) AGR Kühler Rückführventil Motor Luft Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Abgas Folie Nr. 23 Abgasrückführung • Verbrennungstemperatur sinkt, insbesondere bei AGRKühlung • Angesaugte Luft wird durch Abgas ersetzt, dadurch abgesenkte Sauerstoffkonzentration ⇒ Verminderung der Stickoxidemissionen Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 24 NOx-Speicherkatalysator Quelle: www.kfztech.de VW Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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) Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 Dr. Bernd Bugsel Folie Nr. 29 AdBlue Quelle: gemmaoleje.pl / pipesystems.com • • • • • 32,5 %ige wässrige Harnstofflösung DIN 70070 Nicht entzündlich Nicht brandfördernd Korrosiv gegenüber Metallen und Beton AdBlue ungleich BlueTec Dr. Jost Gail Dr. Bernd Bugsel 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 • • • • 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