x - Emitec

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7 EMISSION CONTROL 2014
22nd / 23rd MAY IN DRESDEN
DIE VISION EINES MOTORNAHEN
NUTZFAHRZEUG KATALYSATORSYSTEMS;
EMISSIONSMINIMIERUNG UNTER ALLEN
BETRIEBSBEDINGUNGEN
R. BRÜCK, T. CARTUS, UND K. MÜLLER-HAAS
Die Vision eines motornahen Nutzfahrzeug Katalysatorsystems; Emissionsminimierung unter allen Betriebsbedingungen
R. Brück,a1, T. Cartus a2, und K. Müller-Haasa,3
a EMITEC Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH
Hauptstrasse 128, 53797 Lohmar, Deutschland
Kurzfassung: Aktuelle Studien belegen, dass selbst bei intensiver politischer Förderung von Alternativkonzepten der Verbrennungsmotor die dominante Antriebskomponente zukünftiger mobiler Anwendungen sein wird
[1]. Allerdings muss für diesen in Zukunft das Einhalten der Schadstoffgrenzwerte in den Zertifizierungstests und zusätzlich im realen Betrieb "Real Driving Emission" (RDE) - nachgewiesen werden.
Moderne Motoren, insbesondere Dieselmotoren, zeichnen sich aufgrund
ihres hohen thermodynamischen Wirkungsgrades, insbesondere im
schwachlastigen Stadtbetrieb, durch sehr niedrige Abgastemperaturen aus
[2]. Da sowohl die katalytische Umsetzung der Kohlenwasserstoffe (HC),
des Kohlendioxids (CO) und der Stickoxide (NOx), aber auch die Aufbereitung des ins Abgas eingedüsten Reduktionsmittels AdBlue einer Minimaltemperatur bedürfen, sind die Konfiguration des Abgasnachbehandlungssystems und ein innermotorisches Temperaturmanagement so zu kombinieren, dass die katalytische Effektivität möglichst ohne Verschlechterung
des Verbrauchs respektive der CO2-Emission dargestellt werden kann. So
lässt sich ableiten, dass zukünftige Abgasanlagen deutlich mehr in den Antriebstrangs integriert sein werden um Temperaturverluste zu minimieren.
Ein solch integrativer Ansatz fördert generell den Plattform-Ansatz, da so
Motor und Abgasnachbehandlung zu einem Modul zusammenfassbar sind.
Es werden, angefangen von PKW Anwendungen, neue motornahe Katalysatorkonzepte auch für den Nutzfahrzeugbereich vorgestellt. Dabei liegt
der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Stickoxidnachbehandlung
für Dieselmotoren.
Schlagworte: motornahe Abgasnachbehandlung; Katalysator; Real Driving Emission; SCR; Reduktionsmittel Eindüsung
1
E-mail: [email protected], www.emitec.com
E-mail: [email protected], www.emitec.com
3
E-mail: [email protected], www.emitec.com
2
Seite 2
1 Einleitung
Electric Vehicle
Hybrid Vehicles
98%
2200
2000
Szenario - durch Politik gelenkte Entwicklung
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
2200
Szenario - freie Marktwirtschaft
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
78%
Vor dem Entwickeln einer Vision bez. zukünftiger Abgasnachbehandlungssysteme muss die Frage der zukünftigen Bedeutung von Verbrennungsmotoren in der mobilen Anwendung beantwortet werden. Das World Energy Council hat 2011 eine Study zu Entwicklung des globalen Transports
bis 2050 veröffentlicht [1]. Hier werden für die globale PKW Population
zwei Szenarien betrachtet, einerseits eine Entwicklung den Gesetzen der
freien Marktwirtschaft folgend, anderseits gelenkt durch politische Randbedingungen und Maßnahmen.
Hydrogen / Hydrogen Hybrid vehicles
Gasoline / Diesel / Gas ICEV
Abbildung 1: Entwicklung des PKW Technologie-Mix (weltweit in Millionen) [1]
Seite 3
Das Ergebnis der Studie zeigt, dass im Jahr 2050 zwischen 78 und 98%
der globalen PKW Flotte mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sein
werden. Für den Bereich Nutzfahrzeuge wird der Verbrennungsmotor eher
noch dominanter sein.
Allerdings werden die Randbedingungen für den mobilen Einsatz von Verbrennungsmaschinen zukünftig deutlich schärfer.
Die Einführung der europäischen Abgasgesetzgebungsstufe 6/VI für PKW
und LKW bedeutet ein weiterer, signifikanter und positiver Schritt für die
Umwelt. Einen neuen Meilenstein werden die sogenannten Real Driving
Emissions darstellen, weil damit die Emissionssicherheit im gesamten
Kennfeldbereich nicht nur für LKW sondern insbesondere auch für PKW
sichergestellt wird [3].
Zusätzlich zu den klassischen Emissionen wie Kohlenwasserstoff (HC),
Kohlenmonoxid (CO), Stickoxid (NOx) und Partikel (Masse und Anzahl)
werden künftig auch die CO2 Emissionen limitiert werden.
Abbildung 2: PN/NOx-Trade-off nur bei OME1/Diesel-Mischungen und
Diesel, nicht bei OME1a (additiviert), Motorenöl: Polypropylenglykolmonobutylether mit ca. 4% aschefreien Additiven [4]
Wesentlichen Einfluss auf die Höhe und Zusammensetzung zukünftigen
Motorrohemission und damit auf die erforderliche Effektivität der Abgasnachbehandlung wird die Art und Qualität des verwendeten Kraftstoffs haben. Einerseits hat sich die Kraftstoffqualität im Verhältnis zur Entwicklung
des Antriebsstrang wenig verbessert, anderseits führt das generell Bestreben CO2-neutrale Energiequellen zu erschließen zwangsläufig zur Nutzung
von synthetisch herzustellenden Kraftstoffen [4]. Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ermöglichen solche Kraftstoffe eine nahezu partikelfreie VerbrenSeite 4
nung. Die Gegendruck und damit Mehrverbrauch erzeugende eine Partikelanzahl reduzierende Abgasnachbehandlung könnte somit entfallen.
Neben der Katalysatortechnik, bzw. deren Konzeption spielt natürlich der
Verbrennungsmotor selbst eine entscheidende Rolle für die Emissionen
des Fahrzeugs. Moderne Motoren zeichnen sich durch immer höhere Wirkungsgrade und damit auch durch immer niedrigere Abgastemperaturen
aus. Die Hybridisierung hat durch Ausschaltzeiten und Lastreduktion des
Verbrennungsmotors einen zusätzlichen negativen Einfluss auf die Abgastemperatur.
Nicht nur diese aktuelle Entwicklung bei den Motoren wirkt sich auf das
Design und die Konzepte moderner Nachbehandlungssysteme aus, sondern insbesondere auch der beginnende Trend, zum Zwecke der Abgaswärmerekuperation, einen gewissen Bauraum vorzuhalten.
Beginnend mit den PKW-Katalysatoren setzen sich mehr und mehr motornahe, kompakte Katalysatorsysteme für Otto und Dieselantriebe durch
[5,6].
Die Abgassysteme der Zukunft werden keine aufgepfropften „Nachbehandlungskomponenten“ sein, sondern sind integrativer Bestandteil des
Antriebstranges.
Dabei spielt die erreichbare Effektivität der Katalysatoren insoweit eine
Rolle, dass dadurch die möglichen Rohemissionen des Motors beeinflusst
werden. Ein gutes Beispiel dafür sind die NOX-Rohemissionen von modernsten LKW-Motoren. Vor 2-3 Jahren ging man noch von möglichen NOx
- Minderungsraten von maximal 80 – 85% aus [7]. Daraus ergaben sich
notwendige NOx-Rohemissionen von 1,5–2g/kWh. Bei der Auslegung modernster SCR-Katalysatorsysteme (Selective Catalytical Reduction) geht
man heute von 95–98% Umsatzraten aus, womit NOx-Rohemissionen von
größer 8g/kWh zur Erreichung des Grenzwertslimits von EU VI möglich
erscheinen [8].
Diese Auslegungsmöglichkeit wird genutzt, um den Kraftstoffverbrauch zu
senken. Gleichzeitig verringern sich dadurch auch die Partikelemissionen,
wodurch praktisch keine aktive HC-unterstützte Regeneration mehr benötigt wird und zusätzlich Kraftstoff eingespart werden kann.
Bei den Motoren selbst können die AGR-Raten gesenkt oder ggf. ganz auf
AGR verzichtet werden, wodurch der Bedarf an Kühlfläche reduziert und
damit der Luftwiderstand des Fahrzeugs und der Kraftstoffverbrauch verbessert wird.
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Die genannten hohen SCR- Umsatzraten erfordern jedoch eine sehr gute
Strömungsund
Ammoniakverteilung
stromaufwärts
des
SCRKatalysators. Gleichzeitig müssen die Katalysator-Systeme kompakt sein
und sollen einen möglichst geringen Druckverlust aufweisen. Zusätzliche
Anforderungen an die Nachbehandlung ergeben sich aus der Reduktion
der übrigen Emissionen und der Notwendigkeit, die hohen Effektivitäten
unabhängig vom Lastprofil und über Lebenszeit zu garantieren.
Das Schlüsselwort für eine hoch effektive Abgasnachbehandlung unter den
genannten Randbedingungen heißt somit Thermomanagement. Dabei
kann die erforderliche Temperaturerhöhung vom Motor selbst geleistet
werden, allerdings meist zu Lasten eines höheren Kraftstoffverbrauchs,
oder aber durch die Katalysatorlage in Form, von Verringerung thermischer Verluste oder auch durch den Einsatz aktiv heizbarer Katalysatoren,
wie zum Beispiel des elektrisch heizbaren Katalysators.
2 Anforderungen für PKW und LKWKatalysatorsysteme
Seit der Einführung des Katalysators sind die Wirkungsgrade von anfänglich 50 - 70% bei der Einführung der ungeregelten Katalysatoren für Ottomotoren bei PKW auf Werte von größer 99% hinsichtlich der limitierten
Emissionen angewachsen [9]. Diese Steigerung wurde zum einen motorseitig durch die Verbesserung der Motorsteuerungen bzw. der Lambdaregelung erreicht, und zum anderen katalysatorseitig durch eine deutliche
Verringerung der Light-Off-Zeiten, also der Zeit nach Motorstart, nach der
der Katalysator aktiv wird. Benötigte der Katalysator früher durchaus 60
bis 100 Sekunden bis zum Erreichen der Betriebstemperatur, sind moderne Katalysatoren bereits nach wenigen Sekunden aktiv [10].
Bei Dieselmotoren zeigen sich grundsätzlich ähnliche Schwierigkeiten, nur
sind zusätzlich die Abgastemperaturen noch niedriger und damit die
Randbedingungen für die Aktivität der Katalysatoren noch ungünstiger.
Auch die Tatsache, dass der Dieselmotor mit hohem Luftüberschuss betrieben wird, machte die Einführung neuer NOx-Minderungssysteme notwendig, denn 3-Wege-Katalysatoren können deshalb nicht eingesetzt werden. Zur Reduktion der Stickoxide stehen heute zwei Haupttechnologien
zur Verfügung. Eine Möglichkeit ist es, im NOx-Adsorber Stickoxide chemisch einzuspeichern. Dies erfordert eine periodische Regeneration im
Fettbetrieb. SCR ist eine weitere, bereits schon genannte Technologie, bei
der mit Hilfe einer in das Abgas eingedüsten Harnstoff/Wasserlösung Ammoniak (NH3) erzeugt wird, welcher dazu benutzt wird, am SCRKatalysator die Stickoxide selektiv zu reduzieren. Wohl hauptsächlich aus
Verbrauchs- und Kostengründen hat sich bei Nutzfahrzeugmotoren und
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bei größeren PKW-Dieselmotoren inzwischen das SCR-Verfahren durchgesetzt.
Die Temperatur-Problematik bei SCR-Systemen betrifft allerdings nicht
nur das Light-Off-Verhalten der Katalysatoren bzgl. des Erreichens einer
Grenztemperatur für die katalytische Reaktion, sondern sie bezieht sich
auch auf das Eindüsen der AdBlue-Lösung, bei der zur Vermeidung von
Ablagerungen gewisse Mindest-Temperaturen notwendig sind. Der physikalische Hintergrund dieser Ablagerungsproblematik ist schlicht die zusätzlichen Reduktion der Abgas- und/oder Katalysatortemperatur durch
die Verdampfungsenthalpie der Harnstoff-Wasserlösung. Die Ablagerungen
bestehen dabei im einfachen Fall aus festem Harnstoff, der bei höheren
Temperaturen wieder verdampft werden kann, oft aber auch aus komplexeren Verbindungen wie Biuret, Ammelin, Amelid und Cyanursäure, die im
normalen Fahrzeugbetrieb nicht mehr zurückgebildet werden können.
Voraussetzung für eine optimale katalytische Effektivität ist im Idealfall
eine (ablagerungsfreie) AdBlue Eindüsung, die bereits kurz nach Motorstart und auch bei niedrigen Abgastemperaturen (Stadtfahrt) gewährleistet ist, gleichzeitig mit dem Erreichen der Light-Off-Temperatur am
SCR-Katalysator.
Die Einführung von Kalttests, die RDE Grenzwerte und zusätzlich die
Überwachung der Grenzwerte mittels PEMS (Portable Emission Measurement System) im realen Betrieb auf der Straße bringen die geschilderten
Anforderungen an PKW- und LKW- Emissionsminderungssystemen immer
näher zusammen.
Daraus resultiert als Hypothese, dass motornahe Systeme in Zukunft auch
beim LKW-Motor sinnvoll und notwendig sein werden.
Aus Sicht der Nutzfahrzeughersteller stellt sich das Problem motornaher
Katalysator ähnlich dar, wie vor 15 Jahren beim PKW. Die für motornahe
Katsysteme notwendigen Bauräume wurden bei der Entwicklung der Plattformen nicht vorgehalten, und es steht dort höchstens Platz für kleinere
„Start“-Katalysatoren zur Verfügung. Langfristig wird bei diesen Fahrzeugen sicherlich der notwendige Bauraum geschaffen werden, um optimale
Gesamtsysteme zu ermöglichen, ähnlich wie es heute bei den PKW der
Fall ist.
Motornahen PKW-Systemen der neuesten Generation kommt hier also eine Vorreiterrolle für die Entwicklung auf der Nutzfahrzeugseite zu.
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3 . Motornahe Systeme für PKW
In den letzten Monaten wurden von VW und Volvo unabhängig voneinander neue Abgasnachbehandlungstechnologien in den Markt eingeführt, die
sich bezüglich der oben genannten Anforderungen sehr stark ähneln bzw.
sogar entsprechen, die sich aber in der Konstruktion deutlich voneinander
unterscheiden.
VW führte zunächst mit der MQB-Plattform ein NOx-Adsorbersystem [11]
in den Markt ein, ein überaus kompaktes Katalysatorsystem, das neben
dem NOx– Adsorberkatalysator auch einen Partikelfilter und einen Niederdruck-AGR-Anschluss mit einem AGR Filter beinhaltete.
Abbildung 3: VW MQB Motornahes Katalysatorsystem mit NOxAdsorber und Niederdruck AGR Anschluss [11]
Im nächsten Schritt wurde ein praktisch identisch aufgebautes SCRSystem für EU6 [12] vorgestellt, bei dem zusätzlich in das Canning noch
eine AdBlue Eindüse- und Mischstrecke integriert wurde. Die SCRBeschichtung wurde nun auf den Partikelfilter aufgebracht, wodurch ein
separater SCR-Katalysator entfallen konnte. Diese Lösung sieht zusätzlich
einen in den Katalysator integrierten Temperatursensor vor, da dessen
ursprünglicher Einbauort nun für die AdBlue-Einspritzdüse benötigt wurde.
Beide Abgassysteme bilden mit dem Motor eine Baueinheit.
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Abbildung 4: VW MQB Motornahes Katalysatorsystem mit SCRKatalysator [11]
Volvo ging einen ähnlichen, jedoch im Detail sehr unterschiedlichen Weg.
Bei den Dieselmotoren wird ebenfalls ein NOx-Adsorber eingesetzt, der
unmittelbar am Turbolader angeflanscht wurde. Der Turboladeraustrittsflansch übernimmt hier einen Teil des Cannings.
Das verwendete Canning wird bei Volvo nicht nur im Dieselmotor, sondern
auch im Ottomotor in identischer Ausführung verwendet, wodurch sich eine bis heute einzigartige Gleichteile-Strategie zwischen Otto- und Diesel
ergibt. Eigens hierfür wurden die Turbolader für beide Antriebskonzepte
mit dem gleichen Austrittsflansch und gleicher Flanschlage entwickelt.
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Abbildung 5: Volvo Turboladerflansche der heutigen und zukünftigen
Otto- und Dieselmotoren [13]
Wie bei der VW-Lösung bildet auch das Volvo- Katalysatorsystem eine
Einheit mit dem Motor. Das neue Kompaktkat-Canning ermöglicht die
Montage des Partikelfilters in T-Form im rechten Winkel zum NOxAdsorber.
Abbildung 6: Volvos modulares motornahes Katalysatorsystem für Otto- und Dieselmotoren [13]
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4 . Stand der Technik LKW-Systeme
Heutige Katalysatorsysteme für schwere LKW sind meist in die rahmenfest
angebauten Schalldämpfer integriert und bestehen aus Oxidationskatalysator, Partikelfilter, AdBlue-Eindüsung und SCR-Katalysator. Die Verbindung zum Motor erfolgt über ein Abgasrohr mit integriertem Entkopplungselement. Durch diesen Aufbau wird der Light-Off des SCRKatalysators durch die thermische Masse des Partikelfilters verzögert. Zusätzlich kommt es dort zu einem Temperaturverlust, der nur aufwendig
durch Isolationsmaßnahmen am Vorrohr teilweise kompensiert werden
kann.
Um im ersten Schritt aufgrund des mangelnden Bauraums zumindest einen Teil des Katalysatorsystems näher am Motor platzieren zu können,
sind folgende Randbedingungen zu erfüllen:
- Der Oxidationskatalysator muss vollständig motornah angeordnet
werden
- Die AdBlue-Eindüsung und Verdampfung muss ebenfalls motornah
erfolgen, um zu verhindern, das AdBlue-Tropfen in das notwendige
Entkopplungs-Element gelangen und dort Ablagerungen bilden
-
Der Partikelfilter ist mit einer SCR-Beschichtung versehen
5 Kompakte Hydrolysestrecke für Nutzfahrzeuge
Zur Erfüllung der genannten Anforderungen ist eine kompakte AdBlueEindüse- und Verdampfungsstrecke zwingend erforderlich. Ein solcher
Aufbau ist dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen „Verdampfen“
und „Mischen“ an unterschiedlichen Orten / Bauteilen erfolgen. Der Vorteil
dieser Funktionstrennung ist der mögliche Einsatz eines Verdampfers, der
hinsichtlich Tropfenverdampfung und Ablagerungsverhinderung optimiert
ist und eines Gasmischers, der ohne Rücksicht auf Tropfen-verdampfung
ausschließlich auf die Mischung von Gasen optimiert ist. Ob in jedem Fall
ein Gasmischer notwendig ist, um eine ideale NH3-Verteilung zu erreichen,
hängt von der Geometrie der Rohrverbindung zwischen Eindüsestelle und
Schalldämpfer und natürlich der Einströmkammer des Schalldämpfers selber ab.
Um beide Funktionen abzudecken, entwickelte Emitec das „Universal Decomposition Pipe“ (UDP). Die Hauptanforderung war klar definiert:
Möglichkeit zur ablagerungsfreien Eindüsung der benötigten AdBlueMengen unter allen Betriebsbedingungen.
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Abbildung 7: Universelle Decompositions-Einheit (UDP)
Da die UDP nicht für jede Applikation neu konstruiert werden sollte, musste sie auch unabhängig vom Verlauf der Vorrohrgeometrie funktionieren.
Dazu wurde am Eingang der UDP ein Konfusor eingebaut, der die Strömung innerhalb der UDP unabhängig von der Einlaufströmung macht.
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Abbildung 8: UDP; Keine Beeinflussung der Funktion durch Vorrohrgeometrien, Anströmrichtungen
Die UDP kann alternativ mit einem Mischer, einem Hydrolysekatalysator
oder einem elektrisch heizbaren Hydrolysekatalysator als Verdampfer aufgebaut werden. Der Vorteil einer Katalysatorstruktur besteht in der
Hauptsache in einer vollständigen Ver-dampfung der AdBlue-Tropfen, und
damit in der Möglichkeit, die UDP auch vor einem flexiblen Ausgleichselement anzuordnen.
Abbildung 9 zeigt die Tropfenanzahl als Funktion der Trägerlänge einer 40
cpsi MX- Trägerstruktur. Die Beschichtung der Struktur mit Titandioxid
ermöglicht zusätzlich eine höhere AdBlue-Eindüsemenge bei niedrigen
Temperaturen.
Abbildung 9: Tropfenanzahl als Funktion der Trägerlänge einer 40 cpsi
MX-Trägerstruktur
Durch den Einsatz eines elektrisch beheizbaren Katalysators kann die Eindüsemenge vor allem im niedrigen Temperaturbereich nochmals erhöht
werden. Da beim elektrisch heizbaren Katalysator (Emicat) die Katalysatorstruktur selbst als Heizfläche (Kontaktfläche für das eingedüste AdBlue)
funktioniert, und nicht das Abgas aufheizen soll, ist der Vorteil dieses Konzepts im Vergleich mit einem unbeheizten Katalysator, im Prinzip unabhängig vom Massenstrom zu sein, mit Ausnahme der Abhängigkeit des
Wärmeübergangs. Abbildung 10 zeigt die eindüsbaren AdBlue-Mengen, die
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ablagerungsfrei dargestellt werden können, als Funktion von Abgastemperatur, Abgasmassenstrom und einer elektrischen Heizleistung von 1 kW.
Abbildung 10: Maximal eindüsbare AdBlue-Menge als Funktion von
Massenstrom, Temperatur und einer Heizleistung von 1 kW
Zusätzlich muss die AdBlue-Einspritzdüse bzgl. ihres Spraybilds an die
UDP angepasst werden. Aufgrund der Positionierung des Hydrolysekatalysators (≥ 180mm hinter der Eindüsestelle) sind die gängigen Spraymessungen von Kraftstoffdüsen im Abstand zur Düse von 50 mm nicht relevant. Simulationen haben gezeigt, dass sich die Spraybilder von Einspritzdüsen mit zunehmendem Abstand deutlich unterscheiden. Die Abbildung
11 zeigt den Vergleich der Spraybilder zweier unterschiedlicher Düsen in
mehreren Abstandsebenen.
Es wird deutlich, dass im Abstand von 200 mm und 260 mm zur Düse
wieder eine Vereinzelung der Einspritzstrahlen erfolgt, was eine ungleichmäßige Beaufschlagung des Hydrolysekatalysators zur Folge hat. Die
rechts dargestellte Tropfenverteilung ist deutlich homogener.
Aus diesem Grund ergibt sich für die UDP eine klare Spezifikation für eine
ideale Einspritzdüse.
Seite 14
Abbildung 11: Einspritzbild der Einspritzdüse A nach 50, 200 und 260
mm
Die Spraycharakteristik wird durch den Spraywinkel, die Tropfengrößenverteilung (Sauter-Mean-Diameter, SMD), die Tropfengeschwindigkeit und
die Massenverteilung auf einer Fläche, den Footprint, charakterisiert. Der
Spraywinkel und die Massenverteilung auf dem benetzten Objekt definiert
primär die örtliche Kühlung. Da die UDP-Konstruktion an der MXTrägerstruktur einen homogenen konvektiven Wärmeübergang ermöglicht, wird eine möglichst gleichverteilte Tropfenbeaufschlagung angestrebt. Abbildung 12 zeigt mittels Infrarotstrahlung gemessene Abkühlung
einer 25mm MX-Matrix-Scheibe mit einem Standard-Injektor. Aus der
zentrisch konzentrierte Tropfenbeaufschlagung und –verdampfung resultiert eine erhöhte Strukturkühlung von 40 Kelvin im Zentrum und weniger
als 10 Kelvin im Randbereich. Die Kühlung limitiert die (ablagerungsfrei)
dosierbare AdBlue-Menge.
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Abbildung 12: Infrarot-Wärmebild einer mit Adblue beaufschlagten Katalysatorfrontfläche (MX-Struktur)
Für die Systemoptimierung wurden die maximalen Dosiermengen für unterschiedliche Injektoren ermittelt. Dazu wurde insbesondere der Footprint
an der Trägereintrittsfläche unter Berücksichtigung der Tropfengröße optimiert. Abbildung 13 zeigt dazu die maximale möglichen Dosiermengen
für unterschiedliche Injektorabstände (220mm, 265mm und 305mm) und
den Einfluss des Injektorsprays. Die Dosiermenge konnte von 411 g/h auf
720 g/h bei einem Abstand zwischen Injektor und UDP von 265mm gesteigert werden.
Abbildung 13: Ohne Ablagerungen zu erzeugende maximale Dosiermenge als Einfluss von Injektorposition und -typ
Die Dosiergrenze wurde bei einer Abgastemperatur von 200°C und
500kg/h Abgasmassenstrom im stationären Dauerbetrieb ermittelt.
Um eine ideale NH3-Verteilung am SCR-Katalysator zu gewährleisten, ist
es ggf. notwendig einen zusätzlichen Gasmischer nach der UDP einzubauen. Dies gilt insbesondere, wenn die UDP unmittelbar vor dem SCRKatalysator angeordnet ist. Bei einer motornahen UDP-Anordnung und einem SCR-Katalysator im Unterboden/am Rahmen ergibt sich üblicherweise alleine durch die Rohrführung und Einströmung in den Schalldämpfer eine sehr gute Vermischung, so dass auf den Gasmischer verzichtet
werden kann.
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6 Motornahes Katalysatorkonzept für LKW und
NRMM
Vor etwa 15 Jahren begann beim PKW die Entwicklung der motornahen
Katalysatorsysteme.
Eines der ersten motornahen Vollkatalysatorsysteme wurde im Audi 1,8l
Turbo verbaut [14]. Schon damals war das Bauraumproblem ausschlaggebend.
Ähnlich stellt sich die Problematik heute bei den Nutzfahrzeugen dar. Die
Geometrien der Fahrzeugrahmen sind festgelegt und es gibt dort kaum
Bauraum für motornahe Applikationen. Abbildung 13 zeigt eine typische
Bauraumsituation eines schweren Nutzfahrzeugs als Beispiel.
Abbildung 14: Heutige typische Bauraumsituation eines Nutzfahrzeugs
für motornahe Katalysatoren
Aufgrund der vorgegebenen Entwicklungszeiten für neue Fahrzeugrahmen
ergibt sich die Notwendigkeit einer 2-stufigen Einführung von motornahen
Katalysatoren:
1.
2.
Stufe: motornaher Oxidationskatalysator und AdBlue-Eindüsung
Stufe: motornahes Gesamtsystem inkl. SCR-Katalysator und Filter
Seite 17
Schon für die erste Stufe ist der Einsatz von SCR-beschichteten Partikelfiltern ähnlich den heutigen neuen PKW-Anwendungen notwendig.
Abbildung 15 zeigt den Entwurf eines motornahen Oxidationskatalysators
auf Basis eines Kompaktkatalysators mit angeschlossener UDP. Das Flexelement ist hinter der UDP angeordnet.
Abbildung 15: Nutzfahrzeug Katalysatorsystem mit motornahem Oxikat
und UDP
Bei diesem System muss lediglich noch der SCR-beschichtete Partikelfilter
in den Schalldämpfer integriert werden. Dort sind auch ggf. eine 2. SCR
Stufe und ein Sperrkat angeordnet. Durch den Entfall des Oxikats und der
Mischstrecke im Schalldämpfer kann der Schalldämpfer kleiner gebaut
werden. Zusätzlich ergibt sich durch die motornahe Position des Oxidationskatalysators die Möglichkeit, das Katvolumen des Oxikats zu verkleinern.
Im Folgenden werden noch einmal die Vorteile einer solchen Konstruktion
zusammengefasst:
-
Keine Veränderung des Rahmens notwendig
-
Reduktion des Oxidations-Katalysatorvolumens aufgrund der höheren Temperatur
-
frühere AdBlue-Dosierung bei niedrigeren Lastpunkten
Seite 18
-
geringerer Druckverlust durch Einsatz der Kompaktkatgeometrie
-
sehr
gute
NH3-Verteilung
an
rahmenfest
montierten
SCR-
Katalysatoren
Wie oben bereits ausgeführt, ist der Einbau des kompletten Katalysators
und Filtersystems motornah in naher Zukunft aus Bauraumgründen nicht
möglich. Weitere Vorteile wie:
-
geringstmögliches Katalysatorvolumen
-
zusätzlicher Bauraum am Rahmen z.B. für Tanks
-
Kosten und Gewichtsreduktion
lassen es auf jeden Fall sinnvoll erscheinen, bei der Konstruktion zukünftiger Rahmengeometrien den Bauraum für motornahe Katalysator-Systeme
(wie z.B. in Abbildung 16 dargestellt) von vornherein einzuplanen.
Abbildung 16: Motornahes Vollkatalysator und Filtersystem
Um das Potential der Kombination motornahes Katalysatorsystems mit
Adblue Aufbereitung darzustellen, wurden auf dem Motorprüfstand mit einem EURO 6 Nutzfahrzeugmotor der 2 Liter Hubraum pro Zylinder-Klasse
Seite 19
Untersuchungen durchgeführt. Ziel war es war es, den Vorteil der motornahen Abgasnachbehandlung für die SCR NOx Reduktion bei niedrigsten
Temperaturen darzustellen. Zu diesem Zweck war in ein SCR Katalysator
entsprechend heutiger Fahrzeuganordnungen nachgeschaltete. In Tabelle
1 sind die Hauptmerkmale der verwendeten Katalysatoren gelistet.
Komponente
Katalysatorsubstrat
DOC
Metalit, 300-600 LS
Hydrolysekatalysator
SCR Katalysator
MX-Metalit: 40 cpsi
MX-Metalit: 40 cpsi
EmiCat
Metalit: 300-600 LS
Volumen / Beschichtung
11,1 ltr
Beschichtung: Pt-only
1,78 ltr
1.92 ltr
0.73 ltr
Beschichtung: TiO2
16,7 ltr
Beschichtung: V-SCR
Tabelle 1: Hauptmerkmale der verwendeten Katalysatoren
Für die hier beschriebenen Untersuchungen wurde ein Niedriglastpunkt
gewählt, dessen mittlere SCR Katalysatortemperatur von 205 °C deutlich
unter der heute verwendeten Grenztemperatur für den Beginn der AdBlue
Eindüsung liegt. Die Betriebspunkt des Motors und die daraus entstehenden Randbedingungen für die Abgasnachbehandlung fasst die Tabelle 2
zusammen.
N
Md
T.v.DOC
T.n.DOC
T.v.UDP
T SCR
NOx
SV (SCR Katalysator)
AdBlue @ Alpha =1
1/min
Nm
°C
°C
°C
°C
ppm
1/h
g/h
1200
300
237
234
228
205
542
~23000
880
Tabelle 2: Motorbetriebspunkt für die Beurteilung unterschiedlicher UDP
Varianten (Nutzfahrzeug Dieselmotor 2l/Zylinder)
Heute ist der Reduktionsmittel-Injektor standardmäßig in Strömungsrichtung nach dem Entkopplungselement angeordnet. Dieses flexible Bauteil,
das die Übertragungen der Motorschwingungen auf das Fahrzeug verhindern soll, hat sich in der Vergangenheit als sehr ablagerungsempfindlich
erwiesen. Begründet in seiner Bauform spezifisch großen Oberfläche ist
der Wärmeverlust und die Wandanlagerung hoch. Daher führen bereits
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leichte Überdosierungen zu dramatischen Ablagerungen und in Folge zur
Schädigung des Bauteils (siehe Abbildung 17).
Ablagerungen außen
Ablagerungen innen
Ablagerungen innen - Detail
Abbildung 17: Ablagerungsbildung am flexiblen Element nach Überschreiten der Dosiergrenze
Natürlich wäre es vorteilhaft könnte man die Länge des Flexelementes für
die Aufbereitung des eindosierten Reduktionsmittels nutzen. Daher stand
im Fokus dieser Untersuchung die Ermittlung einer Grenzdosiermenge für
verschiedene UDP Konfigurationen. Hier ist die Grenzdosiermenge als die
Dosiermenge definiert, die ohne erkennbare Ablagerung stromab der Injektorposition, über einen Zeitraum von drei Stunden im oben beschriebenen Betriebspunkt konstant eindosiert werden kann.
Die Abbildung 18 zeigt die verwendeten UDP Konfigurationen. Diese sind
wie folgt aufgebaut:
1. UDP ohne Einbauten: Der AdBlue Injektor dosiert das feine Spray direkt in den Abgasstrom. Die Verdampfung erfolgt in der Gasphase
2. UDP mit MX-Metalit (90 mm Länge): Der AdBlue-Injektor besprüht
die Eintrittsfläche des beschichteten MX-Metalits und Tropfen können innerhalb der Struktur verdampfen. Die Hydrolysebeschichtung
Seite 21
fördert die Thermolyse und unterstützt die Umwandlung zu Ammoniak.
3. UDP – Einheit mit beheiztem Katalysator und einem MX-Metaliten
(74,5 mm Länge): In der Untersuchungsstudie wurde das System
mit und ohne Bestromung (1,7 kW) geprüft.
UDP mit elektrisch
beheitzem Katalysator
und MX Trägerstruktur
UDP mit MX Trägerstruktur
UDP ohne Einbauten
UDP
DOC
Fexibles
Element
SCR
UREA
water
solution
1
Abbildung 18: Versuchsaufbau und untersuchte UDP Varianten
Zum Bestimmen der Grenzdosiermenge wurde ausgehend von einer ablagerungsfreien Dosiermenge die Menge sukzessive erhöht und das Abgassystem regelmäßig auf Ablagerungen kontrolliert respektive dokumentiert.
Synchron wurde die NOx Reduktion durch den SCR Katalysator, sowie der
Ammoniak Schlupf nach SCR ermittelt.
Abbildung 19 zeigt die zusammengefassten Ergebnisse. Deutlich zu erkennen ist, dass mit der UDP ohne unterstützende Einbauten quasi keine
Eindosierung möglich ist. Dementsprechend liegt die NOx Reduktion bei
nur etwa 10%. Die Limitierung ist hier die Ablagerungsbildung, nicht die
Reaktivität des Katalysators, was sich in dem vollständigen Fehlen eines
Ammoniakschlupfes zeigt.
Bereits die Ergänzung des UDP mit einem Hydrolysekatalysator erlaubt die
ablagerungsfreie Eindosierung von 685 g/h AdBlue, was einem Alfa von
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0,77 entspricht. Der Ammoniakdurchbruch liegt bei einer NOxKonvertierung von 70% bei 10 ppm. Ein Hinweis, dass hier der Grenzbereich der nutzbaren SCR Katalysator-Reaktivität erreicht ist.
ALFA
AdBlue Menge
1500
3
1000
ALFA [-]
2
1,5
750
1
500
0,5
250
0
NOx Konvertierung [%]
0
100
500
80
400
60
300
40
AdBlue Menge [g/h]
1250
Grenzdosiermenge
zusätzliches Ammoniak
bei Grenzdosiermenge
200
100
20
NH3 Schlupf [ppm]
2,5
0
0
ohne Einbauten MX 90 mm
EHC
EHC
+ MX 74,5 mm + MX 74,5
(ohne Heitzen) (mit Heitzen)
NOx Konvertierung
NH3 Schlupf
Abbildung 19: Einfluss der UDP Konfiguration auf die maximale ablagerungsfreie AdBlue Dosiermenge (Grenzdosiermenge) und die erreichbare NOx Konvertierung
Die UDP Konfiguration mit elektrisch beheizbarem Katalysator und Hydrolysekatalysator erlaubt eine weitere Steigerung der eindosierten Adbluemenge. Dies ist in der größeren Oberfläche begründet, die durch die Einbauten für die Verdampfung des eingedüsten Reduktionsmittels zur Verfügung steht. Die Grenzdosiermenge (siehe gestrichelten Kurven) erreicht
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800 g/h (Alfa = 0,9), bei einer NOx Reduktion von 75% und einem Ammoniakschlupf von 60 ppm. Hier ist die SCR Katalysator Reaktivität die
Begrenzung. Die eingedüste AdBlue-Menge kann bis auf 720 g/h reduziert
werden ohne dass sich die NOx Reduktion verringert. Der Ammoniakschlupf kann so auf 10 ppm begrenzt werden.
Wird in dieser UDP Konfiguration der elektrische Heizkatalysator bestromt
(elektrische Leistung 1,7 kW) erhöht sich die Grenzdosiermenge um ca.
50% auf 1200 g/h (Alfa = 1,34). Eine Reduktionsmittelmenge, die mit
dieser Motorabstimmung nicht umgesetzt werden kann (Ammoniakdurchbruch = 300 ppm), aber das Potential bietet die NOx Rohemission in diesem Lastpunkt deutlich zu erhöhen, um so den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Der aktive Heizkatalysator erhöht nicht nur die mögliche Grenzdosiermenge, sondern beeinflusst die Ammoniakgleichverteilung vor dem
SCR Katalysator positiv. So steigert sich die NOx Reduktion auf 78%,
wohlgemerkt bei einer SCR Katalysatortemperatur von 205°C. Diese hohe
Konvertierung kann bis zu einer Reduktionsmittelmenge von 747 g/h (Alfa
= 0,83) gehalten werden und so der Ammoniakdurchbruch auf 10 ppm
begrenzt werden.
7 Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass motornahe Kompaktsysteme bei PKWs bereits mit Erfolg eingesetzt werden. Bauraum-, Temperatur- und System-Kostenvorteile haben hierzu den Ausschlag gegeben.
Da mit den zukünftigen Gesetzgebungen (Kaltstart, RDE) für die Nutzfahrzeuge vergleichbare Anforderungen entstanden sind, ist eine Übertragung
dieser Technologie aus der PKW-Welt in die der Nutzfahrzeuge sinnvoll.
Erste Ergebnisse an einem Nutzfahrzeugmotor zeigen das Potential auf, so
das zu erwarten ist, dass mittelfristig Plattform-Konzepte mit motornaher
Abgasnachbehandlung auch in der Nutzfahrzeugwelt Stand der Technik
werden.
Langfristig werden neue Antriebsstrangtechnologien wie Hybridisierung,
elektrische Nebenantriebe und Energierückgewinnung die Randbedingungen für die Abgasnachbehandlung auch auf der Nutzfahrzeugseite maßgeblich beeinflussen und weitere Optionen schaffen. So wird die Positionierung der Abgasnachbehandlung vor der Turbine möglich, da durch die
E-Maschine des Hybridantriebsstrangs oder durch die elektrisch unterstützte Aufladung die Nachteile im Ansprechverhalten der Turbine kompensiert werden können.
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Aber das ist aus Sicht der Abgasnachbehandlung eigentlich bereits keine
Vision mehr, wie die abschließende Abbildung aus dem Jahr 2000 zeigt.
SV x 106 h-1 [1/h]
Conversion Rate
%
Catalyst Temperature [°C]
Abbildung 20: HC- Konvertierung eines Vorturboladerkatalysators mit
200 cpsi [15]
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