x - Emitec

-1Rolf Brück, Thomas Cartus, Klaus Müller-Haas, Dr. Axel Schatz, Naroa Zaldua Moreno,
Marat Karibayev
Continental Emitec, Lohmar
„NOx freies Abgas“ – der Schlüssel liegt in der Adblue Dosierung
NOx free Exhaust Gas – Adblue Dosing is the Key
1. Kurzfassung
Die Abgasemissionen für Dieselmotoren in der automotiven Anwendung konnten im neuen
Jahrtausend drastisch gesenkt werden. Die von EURO 6 / VI Dieselmotoren emittierten
Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid – und Partikelkonzentrationen sind teilweise niedriger
als die in der Umgebungsluft. Die Motoren belasten damit, hinsichtlich der genannten
Emissionen, nicht die Umwelt. Leider ist das für die Stickstoffoxydemission NO x heute
noch nicht der Fall. Setzt man den Europäischen Air Qualitiy Immissions Grenzwert für
NO2 (40g/m3) ins Verhältnis zu den Euro 6 / VI NOx Grenzwerten, so wird deutlich, dass
das Abgas von EURO 6 / VI Motoren ca. 3 Größenordnungen höhere NO x
Konzentrationen enthalten darf. In den USA, bzw. Kalifornien geht man bereits durch eine
weitere 90 % Absenkung der NOx Grenzwerte durch die Einführung der SULEV
Gesetzgebung, bzw. der in Diskussion befindlichen NFZ Grenzwerte für Kalifornien ab
2020 einen Schritt weiter.
In Konsequenz verschiebt sich der Fokus für die Entwicklung zukünftiger
Emissionskonzepte auf die NOx Reduktion, natürlich verbunden mit der Forderung CO2
Emissionen, damit Kraftstoffverbrauch und Systemkosten weiter zu senken. Die SCR
Technologie wird als Schlüsseltechnologie zur NOx Verminderung so in zukünftige
Antriebssysteme zu integrieren sein, dass NOx Reduktionen ≥ 98% in weiten
Motorkennfeldbereichen darstellbar sind ohne den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen.
Voraussetzung hierfür ist neben einer weiter verbesserten SCR Katalysatortechnik die
präzise Zumessung des Reduktionsmittelträgers AdBlue, sowie dessen Verdampfung und
ablagerungsfreie Zersetzung zum eigentlichen Reduktanten Ammoniak bei kleinstem
Bauraumbedarf. Erschwerend kommt hinzu dass die Europäische Legislative durch die
Einführung der RDE (Real Driving Emissions) PKW Gesetzgebung bzw. der verschärften
In Use Compliance Regulierung für NFZ die Funktionalität der Abgasnachbehandlung
praktisch im gesamten Kennfeldbereich überprüft
Diese Veröffentlichung beschreibt, basierend auf dem Konzept der Gegenstromeindüsung
in Kombination mit einem Vorturboladerkonzept wie die oben beschriebenen
Herausforderungen zu meistern sind. Hierzu werden umfangreiche Berechnungs- und
Versuchsergebnisse incl. RDE zur Konzeptentwicklung vorgestellt und diskutiert.
2. Einführung
Während sich im PKW Bereich etwa jeder zweite Kunde für einen Diesel entscheidet, ist
im NFZ Bereich der Diesel die dominierende Antriebsquelle. Im Bereich kommerzieller
Antriebe sind Leistungsdichte und Drehmomentcharakteristik in der Kombination mit
niedrigsten Kraftstoffverbräuchen und damit CO2 Emissionen ohne Alternative. Für den
-2PKW ist der zusätzlich generierte Fahrspaß ein überzeugendes Argument für den
Markterfolg geworden.
Aktuelle Studien zeigen für den Diesel PKW in Deutschland unter Berücksichtigung der für
die Stromerzeugung emittierten CO2 Emissionen aus dem aktuellen Kraftwerksmix einen
deutlichen Vorteil gegenüber dem reinen Elektroantrieb [1]. Auch neue Erdgasfahrzeuge
erreichen nicht die CO2 Werte von vergleichbaren Diesel-PKW [2].
Zwar ist die Kombination mit einem elektrischen Antrieb zur Rückgewinnung von
Bremsenergie mit der Fokussierung des Betriebs auf den Kennfeldbereich optimalen
Kraftstoffverbrauchs der zukünftige Entwicklungsweg, dennoch bleibt der Dieselmotor eine
Komponente des Antriebsstrangs und die weltweite Anzahl der Dieselmotoren wird bis
2050 weiter ansteigen [3].
Neben seinen exzellenten Verbrauchseigenschaften hat sich der Dieselmotor seit der
marktübergreifenden Einführung des Dieselpartikelfilters zu einem umweltfreundlichen
Antriebsaggregat
entwickelt.
Die
Konzentrationen
von
Kohlenmonoxid,
Kohlenwasserstoffen und Feinstpartikel heutiger Euro 6 / VI Dieselmotoren sind nach der
Abgasnachbehandlung teilweise niedriger als die der Umgebungsluft in Europäischen
Großstädten.
Leider trifft dies für die NOx Emission, die im Abgas deutlich über der
Umgebungskonzentration liegt, nicht zu. Zusammen mit Ozon und Feinstaub gehört das
Reizgas NO2 zu den drei gefährlichsten Substanzen in der Luft, die nach Schätzungen der
EU allein in Europa für mehr als 400.000 vorzeitige Todesfälle verantwortlich sind. Rund
90 Prozent aller Stadtbewohner in der EU seien Abgaskonzentrationen ausgesetzt, die die
Weltgesundheitsorganisation als gefährlich einschätze, heißt es aus Brüssel [4]. Zwar geht
das deutsche Bundesministerium für Umwelt in seiner Studie [5] davon aus, dass die
eingeleiteten Maßnahmen die NO2 Immission bis 2030 ausreichend reduzieren und somit
keine weitere signifikante Absenkung der NOx Euro 6 / VI Grenzwerte nötig sind, allerdings
wird zukünftig die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte im realen Betrieb im Vordergrund
stehen. Die Real Driving Emission Gesetzgebung (RDE) für PKWs und die In Use
Compliance Regulierung (IUC) für NFZ stellen die Herausforderung für die aktuelle und
zukünftige Entwicklung dar.
In den USA bewertet man das NOx Gefahrenpotential nochmals deutlich kritischer, mit der
Konsequenz der USA SULEV 20 Gesetzgebung für den PKW und der aktuellen
Diskussion über eine weitere optionale Absenkung der NO x Grenzwerte für NFZ in
Kalifornien um bis zu 90 % [6].
Für die Fahrzeug- und Motorenindustrie ist die Herausforderung konsequenterweise
niedrigste NOx Emissionen synchron mit minimalen CO2 Emissionen darzustellen.
Die SCR Technologie hat sich als hocheffiziente Maßnahme zur nachmotorischen NO x
Reduktion etabliert. Die Einführung in die automotive Großserie erfolgte 2005 mit dem
Inkrafttreten der EU IV Nutzfahrzeug Gesetzgebung in Europa, schon 2008 folgten erste
Non-Road Applikationen zur Erfüllung von Tier 3 / Stage III A Richtlinien und ab 2010 für
EU Stage III B in Europa, bzw. 2012 für Tier 4i in den USA [7]. Im Jahr 2008 wurde zur
Erfüllung der USA TIER II BIN 5 Grenzwerte und in 2010 mit der Zielsetzung EURO 6 die
SCR Technologie in Kombination mit dem Dieselpartikelfilter auch für den Diesel-Pkw in
den Markt gebracht. Die SCR Technologie ist heute die dominierende nachmotorische
NOx Reduktion, allerdings ist neben hochaktiven Katalysatoren die präzise Zumessung
des Reduktionsmittels, die anschließende Zersetzung der wässrigen Harnstofflösung und
die Gleichverteilung des eigentlichen Reduktionsmittels Ammoniak vor dem SCR
Katalysator Voraussetzung um die geforderten hohen NO x Reduktionsraten erfüllen zu
können. Herausforderungen, die vor dem Hintergrund der durch die steigende Effizienz
der Verbrennung sinkenden Abgastemperaturen und durch den knappen Bauraum immer
-3kompakter werdend Abgasnachbehandlungssystemen, technisch anspruchsvolle
Lösungen erfordern.
Zur Darstellung der benötigten hohen NOx Reduktion durch die Abgasnachbehandlung
sind verschiedene Maßnahmen möglich, die einzeln oder in Kombination angewendet
werden können.
- Die Integration einer Komponente in den Abgasstrang, die NO x bei niedrigen
Temperaturen speichern kann und im SCR Betriebsfenster wieder desorbiert
(Kombination NOx Speicherkatalysator und SCR).
- Die Anhebung der Abgastemperatur für den effizienten SCR Betrieb durch
innermotorische Maßnahmen (Temperaturmanagement), mit dem Nachteil des CO 2
Anstiegs oder durch den Einsatz eines elektrisch beheizten Katalysators
- Lokalisierung des Oxidationskatalysators, Eindosierung des Reduktionsmittels und
des SCR Katalysator dicht an der Verbrennung möglichst vor den Turbolader, der
zumindest im Niedriglastbetrieb eine große Temperatursenke darstellt
Unter der Berücksichtigung, dass die notwendige Temperatur für die Verdampfung und
Zersetzung des Reduktionsmittels höher liegt als der Beginn der SCR Katalysatoraktivität
ist es aus Sicht der Abgasnachbehandlung sinnvoll, die Reduktionsmitteleindüsung und
den Oxidationskatalysator (DOC) in Strömungsrichtung vor der Turbine anzuordnen, auch
wenn die thermodynamischen Nachteile für die Aufladung und insbesondere für den
transienten Motorbetrieb bekannt sind.
Die heute in Entwicklung befindlichen zukünftigen Aufladetechnologien, wie der elektrisch
unterstützte Turbolader oder elektrische Kompressoren, sowie die elektrische Maschine
des Hybridantriebs, haben das Potential die thermodynamischen Nachteile bezüglich der
Motordynamik zu kompensieren.
Im Folgenden werden die Optionen zur Einbringung von Katalysator und Eindosierung in
die Abgasstrecke betrachtet und anhand von Untersuchungs- und Simulationsergebnissen
erste Grundlagen für ein solches Vorgehen erarbeitet.
3. Stand der Technik
Die folgenden Unterpunkte beschreiben Konzepte wie sie bereits heute umgesetzt werden
bzw. in Planung sind, im Detail das Universal Decomposition Pipe – UDP für den
kommerziellen Antrieb und den CompactCat® mit Gegenstromeindüsung für die PKW
Applikation.
3.1. Universal Decomposition Pipe - UDP
Während in der PKW-Industrie heute motornahe Katalysatoren zur Standardkonfiguration
gehören, sind im NFZ-Bereich heute motorferne, rahmenmontierte Schalldämpfersysteme
mit integrierten Abgasnachbehandlungskomponenten, Stand der Technik. Für
Landmaschinen wurde die motornahe Katalysatortechnologie schon mit der Einführung
der Tier 4i / EU Stage IIIB Gesetzgebung, bedingt durch begrenzten Bauraum, erfolgreich
modular aufgebaut [8]. Unabhängig von der Bauform des Abgasnachbehandlungssystems
besteht die Forderung einer NOx Reduktion durch das Abgasnachbehandlungssystem
deutlich mehr als 90 %. Die Einführung neuer Technologien, wie etwa den SCR
beschichteten Dieselpartikelfilter, in Kombination mit der Forderung weiterhin
Systemkosten und -gewicht zu reduzieren, erfordern eine Steigerung des volumetrischen
Katalysator-Wirkungsgrades auch durch eine optimierte Aufbereitung des eingedüsten
Reduktionsmittels. Damit ist die Qualität der Reduktionsmittelzugabe für eine hoch
effiziente SCR-Technologie essentiell.
-4Der Prozess der Reduktionsmittelzugabe lässt sich in die folgenden Schritte unterteilen:




Eindüsung der wässrigen Harnstofflösung (HWL)
Verdampfung des Wassers
Die anschließende Zersetzung des Harnstoffes durch Thermolyse in Isocyansäure
und Ammoniak
Die Bildung von Ammoniak und Kohlendioxid aus Isocyansäure und Wasser
(Hydrolyse)
MX - Metalit
mit TiO2 Beschichtung
Konfusor
Abbildung 1:
Aufbau des Universal Decomposition Pipe – UDP
Dem Prozess der Verdampfung kommt eine besondere Bedeutung zu, denn solange
Flüssigbestandteile an kalten Flächen der Abgasanlage kondensieren können, besteht
hier ein erhöhtes Risiko für Wandfilmbildung und Schließlich einer Ablagerungsbildung.
Damit ergeben sich im Niedertemperaturbetrieb maximale Dosiermengen von wässriger
Harnstofflösung. Die Ablagerungen bestehen dabei im einfachen Fall aus festem
Harnstoff, welcher bei höheren Temperaturen wieder andampft, oft aber auch aus
komplexeren Verbindungen wie Biuret, Ammelin, Amelid und Cyanursäure, die im
normalen Fahrzeugbetrieb nicht mehr abgebaut werden können. Die temperaturabhängige
Dosierfreigabebedingung ist demnach ein Kompromiss zwischen NOx Reduktion bei
niedrigen Abgastemperaturen und der Vermeidung von Wandfilm- Ablagerungsbildungen
im Abgassystem.
Um den Prozess der Reduktionsmittelzugabe möglichst effizient durchzuführen,
entwickelte Continental-Emitec das Konzept einer „Universal Decomposition Pipe“ (UDP)
mit folgenden Zielen:

Kombination aller oben genannten Funktionen der Reduktionsmittelzugabe, sowie
einer ersten Vermischung Reduktionsmittel – Abgas in einem Modul
-5





Kompakte Bauweise und flexible Integration in unterschiedlichsten Applikationen
Funktion unabhängig von der Systembauform oberhalb der UDP, bzw. der
Anströmung
Sichere Tropfenverdampfung auf einer heißen Oberfläche
Maximierung der Verdampferoberfläche durch Einsatz eines Metallträgers
Verbesserung der Verdampfung und Zersetzung durch die Applikation einer
Hydrolysebeschichtung
Maximaler Gegendruckanstieg von 25 mbar
Abbildung 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der UDP. Der Injektor für die
Harnstoffwasserlösung ist in einer keilförmigen Ausweitung des Gehäuses (Cockpit)
senkrecht zur Gaseintrittsseite des mit Hydrolysebeschichtung versehenen MX
Metallträgers angeordnet. Die Kanäle des MX Metallträgers sind teilweise durch
Führungsschaufeln verschlossen, so dass die dosierten Flüssigkeitstropfen auf eine
heiße Oberfläche treffen. Die Glattlage wiederum ist gelocht, so dass das Gas von
einem Kanal in den Nachbarkanal überströmen kann und so die Mischung zwischen
Reduktionsmittel und Abgas unterstützt wird. Zusätzlich bleibt so der
Gegendruckanstieg durch die teilverschlossenen Kanäle gering. Ein zusätzliches
Bauteil ist der Konfusor, der einerseits die Strömung auf die MX Metallträger
Gaseintrittsseite ausrichtet und anderseits im „Cockpit“ eine Rückströmung unterstützt,
so dass Tropfen von der Injektorspitze wegtransportiert werden und keine
Ablagerungen an der Cockpit Rückseite entstehen können.
Ablagerungsfreie Adblue Menge/
NOx Reduktionspotential [g/kWh]
35
30
Konfusor
Ø127  Ø110
Konfusor
Ø127  Ø110
25
20
15
10
5
0
N
Md
SCR Kat Temperatur
SV (SCR Katalysator)
HWL @ Alpha =1
Abbildung 2:
Konfusor
Ø127  Ø110
UDP ohne
Einbauten
1/min
Nm
°C
1/h
g/h
1200
300
~205
~23000
880
UDP mit Hydrolyse UDP mit Hydrolyse UDP mit Hydrolyse
Kat (MX 90 mm) Kat (MX 74,5 mm) Kat (MX 74,5 mm)
+ EHC
+ EHC
(ohne Heizung)
(mit Heizung)
NOx Reduktionspotential
AdBlue Menge
Einfluss verschiedener UDP Konfigurationen auf die maximale
ablagerungsfreie HWL Dosiermenge und das NOx Reduktionspotential
-6Wesentliche Konstruktionsparameter sind der Abstand der Injektorspitze von der
Gaseintrittsfläche des MX-Metaliten, der Injektorspraywinkel und die Massenverteilung der
wässrigen Harnstofflösung auf der Auftrefffläche des MX-Metaliten. Diese Größen
bestimmen die lokale Wärmeübertragung, somit die Verdampfung und schließlich die
Tendenz Ablagerungen zu bilden.
Den Einfluss der UDP Konfiguration auf die maximale ablagerungsfreie HWL
Dosiermenge zeigt Abbildung 2. Hier wurde, ausgehend von einem Leerrohr für
verschiedene UDP Varianten, die HWL Dosiermenge in einem Niederlast-Betriebspunkt
(siehe Tabelle in Abbildung 3) auf dem Motorprüfstand jeweils bis zum Auftreten einer
erkennbaren Ablagerung gesteigert. Untersucht wurden eine Variante mit einem MXMetalit mit 90 mm Länge, sowie eine Variante mit MX-Metalit mit 74,5 mm Länge und
zusätzlich vorgeschaltetem elektrisch beheizbarem Katalysator (EHC). Der EHC wurde
unbeheizt und mit einer elektrischen Leistung von 1,7 kW betrieben.
Man erkennt, dass bereits die zusätzliche Anordnung des MX-Metaliten das NOx
Reduktionspotential um Faktoren ansteigen lässt. Die zusätzliche Beheizung ermöglicht
eine ablagerungsfreie NOx Reduktion von mehr als 15 g NOx/ kWh im geprüften Lastpunkt.
3.2. CompactCat® mit Gegenstrom Eindüsung
Auch für die PKW Anwendung ist mit der RDE Gesetzgebung die Forderung nach
höchster Emissionsreduktion, insbesondere die Reduktion von NO x, im gesamten
Kennfeld valide. Zusätzlich ist eine kompakte, modulare Bauform des Antriebsstrangs ein
Muss, um die heutige vom Kunden gewünschte Fahrzeug Modellvielfalt realisieren zu
können. Beispielsweise haben Volkswagen für seinen modularen Querbaukasten [9] und
Volvo Car für seine 4 Zylinder Otto- und Dieselmotoren [10] entsprechend sehr kompakte
Lösungen entwickelt.
Eine Voraussetzung für die Integration der SCR Technik in solch kompakte, motornahe
Abgassysteme war die Einführung des SCR beschichteten Dieselpartikelfilters. Allerdings
stellt die konzeptbedingte Bauraumknappheit höchste Anforderungen an die
Reduktionsmittelzugabe um die oben beschriebene Reduktionsmittelaufbereitung zu
realisieren. Ein möglicher Lösungsansatz ist der hier beschriebene CompactCat ® mit
Gegenstrom-Eindüsung.
Injektion von
Reduktionsmittel
Hydrolysebeschichtung
DOC
SDPF
Abbildung 3: Aufbau eines CompactCat® Systems mit Gegenstrom Einspritzung
-7Wie Abbildung 3 schematisch zeigt, ist ein erster Katalysator, entweder
Oxidationskatalysator oder NOx Speicherkatalysator, direkt nach Turbine angeordnet. Die
direkte Anströmung erzeugt eine exzellente Strömungsgleichverteilung vor der
Katalysatoreintrittsfläche. Das umschließende Gehäuse bewirkt eine Umströmung des
Katalysators mit entsprechend guter thermischer Isolierung der Komponente. Die
minimierten radialen Wärmeverluste in Kombination mit der guten Anströmung erhöhen
Effektivität und reduzieren Wärmeverluste im Schubbetrieb. Der konusfreie Übergang zum
SCR beschichteten Partikelfilter dient als Mischkammer und führt bedingt durch die
großen Strömungsquerschnitte trotz der 180° Strömungsumlenkung nur zu geringen
Anstiegen des Abgasgegendrucks.
Die Eindosierung des Reduktionmittels erfolgt über einen in Strömungsrichtung nach dem
ersten Katalysator angeordneten Injektor. Die Spritzrichtung ist entgegen der Strömung
auf die heiße Gasaustrittsseite des Katalysators gerichtet, an der das Reduktionsmittel
verdampft. Ca. 20 mm des hinteren Endes des Katalysators ist mit einer
Hydrolysebeschichtung versehen, so dass Verdampfung und Zersetzung effektiv erfolgen.
Diese Form der Eindosierung erfordert eine angepasste Spray- und Injektorcharakteristik.


Tropfenverteilung:
Alle Tropfen müssen die Katalysatoraustrittsfläche erreichen. Aufgrund der Neigung
der Injektorachse zur Katalysatoraustrittsfläche müssen die Tropfen unterschiedlich
lange Wege bis zur Gasaustrittsfläche zurücklegen. Der Impuls der einzelnen
Tropfen muss somit so groß sein, dass in allen Lastpunkten der Großteil der
eingespritzten Reduktionsmittelmenge die Katalysatoraustrittsfläche erreicht um die
vollständige
Verdampfung/Umsetzung
an
der
Hydrolysebeschichtung
sicherzustellen.
Homogene Verteilung der eindosierten Reduktionsmittelmenge auf der
Katalysatoraustrittsfläche.
Die Verdampfungsenthalpie der Tropfen führt lokal zu einer abnehmenden
Temperatur an der Oberfläche des Katalysators. Es muss sichergestellt werden,
dass die durch das Abgas hinzugefügte Energie diesen Temperaturabfall
ausgleichen kann um mögliche Ablagerungen zu vermeiden. Dies wird durch eine
Maximierung der benetzten Oberfläche in Kombination mit einer möglichst
homogenen Massenverteilung auf der benetzten Oberfläche erreicht.
Abbildung 4:
Darstellung der Stromlinien für einen festen Zeitpunkt
(Abgasmassenstrom 272 kg/h, Abgastemperatur 397 °C)
-8In den im Folgenden beschriebenen Versuchen wurde ein 8-Loch Entwicklungsinjektor mit
einem Austrittswinkel von 28° x 36° eingesetzt, der im gewählten Betriebspunkt einen
mittleren (SMD) Tropfendurchmesser von 130 µm erzeugt. So werden die oben
beschriebenen Randbedingungen für die geforderte Einspritzmenge realisiert.
Wie eine CFD Analyse (Abbildung 4) zeigt, wird das verdampfte Reduktionsmittel mit dem
Abgas um den Oxidationskatalysator geleitet. Dadurch vergrößert sich die nutzbare
Strömungslänge für die Zersetzung des Reduktionsmittels und die Vermischung mit dem
Abgas. Bei der Zusammenführung der Teilströme vor dem SDPF entsteht eine torodiale
Strömung, die für ein perfektes Mischverhalten sorgt.
Die Validierung der CFD Analyse erfolgte anhand von Untersuchungen auf dem
Motorprüfstand. Im Abgasstrang eines 1,5 l Serien Dieselmotors wurde ein CompactCat®
System mit Gegenstromdosierung integriert. Das System beinhaltet einen
Oxidationskatalysator mit Hydrolysebeschichtung (114 * 140 mm, 300/600 LS mit 50 µm)
sowie einen nachgeschalteten SCR Katalysator.
Für die NH3 Verteilungsmessungen wurde ein FTIR Messgerät eingesetzt, das, mit einem
Zweiachs-Verfahrsystem gekoppelt, die Konzentrationsverteilung nach SCR messen
konnte. Über eine Bilanzrechnung konnte dann auf die NH 3 Verteilung vor dem SCR
Katalysator rückgeschlossen werden.
Abbildung 5:
Verteilung der NH3 Konzentration [ppm] bei verschiedenen Lastpunkten
Die Ergebnisse für drei Lastpunkte sind in Abbildung 5 dargestellt. Uniformity Indizes
zwischen 0,943 und 0,967 bestätigen, dass die im CompactCat ® erzeugte Strömung eine
exzellente NH3 Gleichverteilung bewirkt und somit auf einen NH3 Mischer verzichtet
werden kann.
4. Konzept Oxidationskatalysator und Reduktionsmittelzugabe vor
Turbine
4.1. Stand des Wissens
Der konsequente nächste Schritt um der Herausforderung niedriger Abgastemperaturen
im Abgasstrang von Dieselmotoren zu begegnen, ist die Positionierung von Katalysatoren
vor der Turbine. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit sorgfältiger Auslegung und
-9Konstruktion eine solche Integration möglich ist. Ein Beispiel ist die Anordnung eines
konischen Oxidationskatalysators mit einem Volumen von einem Liter vor der Turbine
eines 2.0 l Euro 5 CR Dieselmotors, als Alternative zu dem nach Turbolader platzierten
Serienkatalysator [11] [12].
Abbildung 6:
Konischer Oxidationskatalysator (Vol. 0.5 bis 1l) als Pre Turbo Cat (PTC).
Abgaskrümmer, PTC und Turbine im kompakten Einbau.
Mit der Vorturbo-Anordnung ergab sich dabei ein entscheidender Temperaturvorteil im
NEFZ. Der Temperaturunterschied vor Katalysator betrug bei der vor Turbinen Position in
den ersten 800 s in den Beschleunigungsphasen bis zu 100 K, im Anschluss sogar bis zu
125 K.
Abbildung 7:
Temperatur vor Oxidationskatalysator und Emissionseffektivität im NEFZ.
Vergleich Serien- und Vorturbolader-Katalysator.
- 10 Diese positive Wirkung überkompensierte die 25 –30 K niedrigere Temperatur in den
Schubphasen bedingt durch das schnellere Abkühlen. Den positiven Einfluss dieser
Maßnahmen auf die Emission ist in Abbildung 7 dargestellt [11] [12].
Das Einbringen eines Katalysatorvolumens in der Größenordnung 0.5 l bis 1.0 l vor dem
Turbolader ändert natürlich die Druckverhältnisse vor der Turbine und fügt eine
zusätzliche Wärmekapazität ein und beeinflusst das dynamische Turbinenverhalten.
Hiermit stellt sich die Frage, ob und inwieweit diese negative Wirkung neutralisiert werden
kann.
Lösungsansätze wurden im Rahmen der zitierten Untersuchungen bereits erprobt. Bei
Lastaufschaltung (von Mitteldruck 2 bar auf Volllast) wurde die VTG-Regelung angepasst
(Begrenzung des maximalen VTG-Verstellweges bzw. Einschränkung der Verringerung
des Turbinenöffnungsquerschnitts bei Lastaufschaltung) und die Abgasanlage vor Turbine
aufgeheizt. Die Kombination dieser Maßnahmen, erprobt an einem 0.5 l konischen
Katalysator, konnte die negative Wirkung auf die Laderdynamik teilweise kompensieren
(siehe Abbildung 8) [12].
Abbildung 8:
Oben: Lastaufschaltung mit angepasster Ladersteuerung und variierter
Aufheizung (von pme = 2 bar auf Volllast bei n = 2000 min-1).
Unten: Beschleunigung von 70 km/h auf 120 km/h im 5. Gang mit
angepasster Ladersteuerung.
Die Anpassung der VTG-Regelung wurde bei einer Beschleunigung von 70 km/h auf
120 km/h mit ähnlichen Ergebnissen wiederholt.
Denkbar wäre es, die oben beschriebenen Dynamiknachteile in der Zukunft mit dem
Einsatz eines elektrisch unterstützten Turboladers oder eines elektrischen Kompressors
zu kompensieren.
Der Ansatz Abgasnachbehandlung vor Turbolader ist insbesondere für Hybridfahrzeuge
attraktiv. Der Verbrennungsmotor kann über weite Strecken quasi stationär betrieben
werden, während der Elektromotor die Fahrdynamik unterstützt. Hier wären dann für den
Fahrer Dynamiknachteile nicht wahrnehmbar.
- 11 4.2. SCR - Randbedingungen und Betriebsparameter
Die Kenntnis der Einflussparameter und der Randbedingungen, die die SCR Effizienz
beeinflussen, ist essenziell um die SCR-Funktion zu optimieren. Eine entscheidende Rolle
spielt das Temperaturfenster, in dem der SCR-Katalysator aktiv wird und wird neben der
verfügbaren Oberfläche durch die SCR-Beschichtung bestimmt. Cu-ZeolithBeschichtungen eignen sich besonders gut im Niedertemperaturbereich und führen zu
einem schnellen Erreichen des Light-Offs. Wie in Abbildung 9 zu erkennen ist, zeigen
moderne Beschichtungen bereits bei 140 °C eine NOx-Konvertierung von ca. 65 % und bei
165 °C von fast 90 %, wenn ein NO2 / NOx-Verhältnis von 50 % vorhanden ist [13].
Abbildung 9:
NOx-Konvertierung nach Alterung (64 h bei 750 °C) mit moderner CuZeolith-Beschichtung bei einem Verhältnis NO2 / NOx von 50 % [13].
Die Dosierstrategie muss diese Limitierungen berücksichtigen, denn eine Freigabe der
Dosierung ist nur dann sinnvoll, wenn die Temperatur vor Cu-Zeolith-Katalysator über ca.
140 °C - 160 °C liegt. Zusätzlich sollte das NO2 / NOx Verhältnis vor dem SCR-Katalysator
ausreichend hoch sein.
Ein weiterer Einflussparameter auf die NOx Konvertierung ist die AmmoniakSpeicherkapazität des SCR-Katalysators. Diese kann in Temperaturbereichen mit
limitierter Dosiermengenzugabe die NOx Konvertierung unterstützen, muss aber in der
Dosierstrategie berücksichtigt werden. Schließlich ist die Gleichverteilung des Ammoniaks
im Abgas vor Katalysator als Vorrausetzung für höchste Konvertierungsraten relevant. Die
Anwendung von statischen Mischern zur Vergleichmäßigung der Ammoniak Konzentration
ist eine Standardlösung, die allerdings einen zusätzlichen Druckanstieg erzeugt. Es stellt
sich die Frage, ob mittels einer geschickten Abgasanlagenkonstruktion auf solche
Komponenten verzichtet werden kann.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der SCR-Katalysator ab ca. 150 °C
nennenswerte NOx-Reduktionsraten erreichen kann, wenn das NO2 / NOx Verhältnis
ausreichend hoch ist und genügend Ammoniak (inklusive gespeicherte Mengen) homogen
im Abgas verteilt, vorhanden ist.
- 12 4.3. Systembeschreibung zur Untersuchung von Vorturbo-DOC/HWL Systemen
Die im Folgenden beschriebenen Untersuchungen auf dem Motorprüfstand wurden an
einem seriennahen 2.0 l Dieselmotor mit Euro 5 Emissionstand und einer Leistung von
110 kW durchgeführt.
Turbine
Reduktionsmittel
Reduktionsmittel
Turbine
Mischer
DOC
DOC
SDPF
SDPF
MX Struktur
Hydrolyse
Katalysator
Hydrolyse
Katalysator
Konfiguration: Standard
Konfiguration : Pre Turbo
Reduktionsmittel
Turbine
DOC
SCR
SDPF
MX Struktur
Hydrolyse
Katalysator
Konfiguration : Pre Turbo Plus
Abbildung 10: Die verschiedenen untersuchten Abgassystemkonfigurationen
Untersucht wurden insgesamt 3 Abgasnachbehandlungssysteme, wie sie in Abbildung 10
dargestellt sind:
- STANDARD: Diese Konfiguration entspricht bis auf die Reduktionsmitteleindüsung
einer typischen Euro 6 Applikation. Der DOC ist motornah direkt nach Turbine
angeordnet, die Reduktionsmitteleindüsung erfolgt im Gegenstrom auf die mit einer
Hydrolysebeschichtung
versehene
Gasaustrittsseite,
dann
folgt
eine
Mischerstruktur und schließlich der SDPF.
- PRE TURBO: Hier sind DOC und Reduktionsmitteleindüsung vor der Turbine
angeordnet, zusätzlich wurde ein MX-Metalit unmittelbar vor Turbineneintritt zum
Schutz der Turbine vor Tropfenschlag installiert. Der MX Metalit ist ebenfalls mit
einer Hydrolysebeschichtung versehen (Abbildung 11). Auf eine Mischerstruktur
nach Turbine wurde verzichtet. Die Position des SDPF ist unverändert zur
Konfiguration Standard.
- PRE TURBO PLUS: Hier wurde zusätzlich zur Pre Turbo Konfiguration ein SCR
Katalysatorvolumen unmittelbar nach Turbine installiert. Ziel ist es den Vorteil eines
direkt an die Turbine anschließenden SCR Katalysatorvolumens zu zeigen. Um ein
schnelles Ansprechen zu gewährleisten wurde eine LS/PE Struktur gewählt. Diese
Struktur zeichnet sich zwar durch eine reduzierte Oberflächenverfügbarkeit aus, hat
jedoch eine sehr niedrige spezifische Wärmekapazität und unterstütz das Aufheizen
nachgeschalteter Komponenten.
Die anschließende Tabelle enthält Informationen zu den eingesetzten Komponenten.
- 13 Komponente
DOC:
Hydrolysescheibe:
MX Metalit:
SCR Kat:
SDPF
Durchmesser x
Länge [mm]
114,4 x 95
118 x 10
60 x 50.8
114 x 74.5
159 x 140
Zellstruktur
[cpsi]
300/600 LS
300/600 LS
40 cpsi MX
300/600
LS/PE
Wandstärke
[µm]
40
40
65
40
Volume
n [l]
0,98
0,10
0,14
0,76
Beschichtung
2,78
Cu Zeolith,
Serie
Serie
TiO2
TiO2
Cu-Zeolith
Abbildung 11: Anordnung der Abgasnachbehandlungskomponenten vor Turbine
Zur Positionierung des Injektors der Gegenstrom Dosierung und zur ersten Auslegung der
Dosierstrategie wurden CFD Berechnungen durchgeführt. Hierbei wurde der Einfluss des
mit dem Kurbelwinkel variierenden Gegendrucks und Massenstroms auf die Güte des
Dosiervorgangs abgeschätzt. So konnten verschiedene Spraycharakteristika und
Einspritzzeiten bezüglich ihrer Eignung für die Pre Turbolader Dosierung bewertet werden.
In dieser Simulation wurde neben den Katalysatoren auch die Turboladergeometrie durch
ein poröses Medium mit einer Porosität von 95 % ersetzt. Dieses Medium erzeugt für
einen konstanten Lastpunkt einen zeitlichen Mittelwert für den Gegendruck vor Turbine.
Ein konstanter Lastpunkt (N = 2050 min-1, mittlerer eff. Druck 1,8 mbar) wurde gewählt;
der dabei entstehende Massenstrom am DOC-Austritt ist als Funktion des Kurbelwinkels
in Abbildung 12 oben dargestellt.
Der phasenweise zeitlich überlagerte Abgasausstoß zweier Zylinderauslässe führt in
einigen Kurbelwinkelbereichen zu einem um den Faktor 2 überhöhten Massenstrom am
Katalysatorausgang des DOCs. Eine Analyse der Geschwindigkeitsverteilungen am DOC-
- 14 Austritt zeigt eine entsprechende Abhängigkeit vom Kurbelwinkel. Erkennbar ist, dass in
einem Kurbelwinkelfenster (hier 750 °KW – 840 °KW) sehr gute lokale Geschwindigkeitsverhältnisse (geringer Massenstrom, gute Verteilung) herrschen und somit günstige
Randbedingungen für die Tropfeninjektion existieren. Ein anderer Kurbelwinkelbereich
(1210 °KW – 1300 °KW) zeigt das Gegenteil (Abbildung 12 unten). Ein größerer
Flächenanteil erfährt Geschwindigkeiten (z-Komponente) von über 10 m/s, so dass eine
erhöhte Einflussnahme auf die Flugbahn der eindosierten Tropfen zu erwarten ist.
Abbildung 12: Oben: Abgasmassenströme im Hydrolyse-Katalysator als Funktion des
Kurbelwinkels. Unten: 3D-Strömungslinien und Verteilung der senkrechten
Geschwindigkeit an der Austrittsfläche des Hydrolyse-Katalysators in der
günstigen (links) und ungünstigen Kurbelwinkelphase (rechts).
Ein direkter Vergleich zwischen den beiden Extremen zeigt jedoch, dass die Dosierung
des Reduktionsmittel eher unempfindlich auf die veränderliche Strömungsgeschwindigkeit
reagiert. Abbildung 13 stellt für beide Kurbelwinkelbereiche den Anteil der auf der DOC
Rückseite
angekommenen
flüssigen
Tropfenmasse
(bezogen
auf
die
Gesamteinspritzmenge) dar, abzüglich der bereits verdampften Tropfenmasse. Es zeigt
sich, dass mit dem gewählten Injektorspray die maximale Tropfenmasse in der günstigen
Einspritzphase mit 93,88 % nur gering oberhalb der aus der ungünstigen Phase (93,47 %)
liegt. Dies bedeutet dass in dem hier gezeigten Lastpunkt eine Eindüsung in Abhängigkeit
von den aktuellen Geschwindigkeitsverhältnissen nicht erforderlich ist. In beiden Fällen
- 15 erreicht der Großteil der Tropfen die hydrolysebeschichtete Rückseite des DOC Trägers.
In diesem Betriebspunkt scheint der zweite MX Hydrolyseträger nicht notwendig. Eine
Überprüfung, ob diese Aussage im gesamten Kennfeld gilt, ist noch zu erarbeiten.
Abbildung 13: Vergleich der nach der Injektion (ton = 3 ms) auf der Rückseite des DOCs
angekommenen Tropfenmassen (bezogen auf die eindosierte
Gesamtmasse) im günstigen (> 750 °KW) und ungünstigen (>1210 °KW)
Bereich.
Die anschließend auf dem Motorprüfstand durchgeführten Untersuchungen
berücksichtigten stationäre Motorbetriebspunkte sowie dynamisches Testen im Neuen
Europäischen Fahrzyklus (NEFZ). Hierzu wurde ein Fahrzeug mit einem
Fahrzeugleergewicht von 1354 kg simuliert. Es wurden sowohl NEFZ mit kaltem als auch
betriebswarmen Motor absolviert.
5. Ergebnisse
Es wurden stationäre Versuche durchgeführt, bei denen die HWL-Dosierung variiert
wurde. Die ausgewählten Lastpunkte sollten Bereiche der Niedrig- und Hochtemperatur
bzw. der unterschiedlichen Lasten abdecken. Bei LP1 wurde die Temperatur nach Turbine
auf 180 °C (n = 1170 rpm, pme = 2,14 bar), bei LP2 auf 392 °C (n = 1750 rpm, pme = 6,93
bar) eingestellt.
Bei 180 °C nach Turbine liegen die Temperaturen vor SDPF unterhalb 160 °C.
Exemplarisch wird hier die NOx Konvertierung für Alpha 1 und 1,2 dargestellt (siehe
Abbildung 14). Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem Standard Aufbau keine NO xKonvertierung möglich ist, während die Pre Turbo Variante ca. 10 % Konvertierung
erreicht. Auch wenn die Temperaturen vor SDPF in beiden Fällen gleich sind, hat die Pre
Turbo Variante mit der Eindosierung vor Turbolader die bessere Ammoniak-Aufbereitung
und Gleichverteilung.
- 16 -
Abbildung 14: NOx-Konvertierung in LP1 (TnachTurbine = 180 C, n = 1170 rpm, pme =
2,14 bar) mit Alpha = 1 und 1,2.
Das Pre Turbo Plus System nutzt den Temperaturvorteil noch besser: Die Möglichkeit,
einen zusätzlichen SCR-Kat direkt nach dem Turbolader einzubauen (Stelle ca. 20 K – 30
K heißer als vor SDPF), führt zu einem früheren Light-Off. Die Konvertierung dieser
Variante liegt für Alpha = 1 bei ca. 20 %.
Abbildung 15: Links NOx-Emissionen in LP2 (TnachTurbine = 392 °C, n = 1750 rpm, pme =
6,93 bar) in Abhängigkeit von Alpha mit CLD gemessen. Rechts
Ammoniak-Durchbruch mit NOx-Sensor gemessen.
Diese Ergebnisse zeigen das Potential des Vorturboladerkonzeptes. Höhere
Konvertierungen
wären
in
diesem
Niedrigtemperaturbereich
mit
folgenden
- 17 Verbesserungen denkbar: Optimale Auslegung des SCR-Katalysators direkt nach dem
Turbolader, Einsatz einer passenden Cu-Zeolith-Beschichtung wie in Kapitel 4.2
beschrieben, Bereitstellung von ausreichenden NO2 vor dem SCR-Katalysator.
In Abbildung 15 ist das Konvertierungsverhalten der Standard- im Vergleich zur Pre Turbo
Plus Variante im LP2 dargestellt. Hierzu werden die NO x Konzentrationen jeweils vor
Oxidationskatalysator und nach SDPF gezeigt.
Der linke Teil von Abbildung 15 beinhaltet die Ergebnisse der Chemilumineszenz Detektor
(CLD) Messung. Diese Messung wird vom Ammoniak Schlupf eher nicht beeinflusst,
während die Ergebnisse der Ammoniak querempfindlichen NO x-Sensormessung, auf der
rechten Seite der Abbildung, den steigenden Ammoniakschlupf erkennen lassen. Ab Alpha
= 1,4 kommt es bei der Pre Turbo Plus Variante zum Ammoniak-Durchbruch. Für das
Standard System wird schon ab 0,8 ein Durchbruch vermutet, denn trotz sinkender NOx
Konzentration nach SDPF, ist ein deutlicher Unterschied zwischen NO x-Sensor und CLD
Messung erkennbar. Dies deutet auf eine schlechtere Ammoniak-Gleichverteilung hin.
Deutlich erkennt man den Vorteil des Pre Turbo Plus Abgassystems. Die mit CLD
gemessenen NOx Werte nach SDPF liegen schon bei einem Alpha von ~ 1,1 nahezu bei 0
ppm. Ein Indiz für eine hervorragende Gleichverteilung des Ammoniaks durch die Turbine.
Für das Standard System ist bis Alpha = 2 eine Absenkung der NO x-Emissionen nach
SDPF zu sehen, ohne dabei das Niveau des Pre Turbo Plus Systems annähernd zu
erreichen. Vergleichsweise beträgt die NOx-Konvertierung der Pre Turbo Plus Variante bei
Alpha = 1 ca. 93 %, während sie für das Standard - Abgassystem bei ca. 63 % liegt.
Abbildung 16: NOx-Konzentrationen und -Konvertierung für Pre Turbo Plus und Standard
in LP2 (TnachTurbine = 392° C, n = 1750 rpm, pme = 6,93 bar) mit und ohne
AGR und in Abhängigkeit von Alpha.
Der Verlauf der NOx Rohemission, d.h. vor Oxidationskatalysator ist in Abbildung 16
dargestellt. Die Verläufe sind unabhängig von der Messmethode und der
Systemkonfiguration nahezu identisch – ein Indiz für eine gute Reproduzierbarkeit der
Messungen. Allerdings nehmen die NOx Konzentrationen mit zunehmendem Alpha ab. Mit
der Absenkung der NOx Konzentration im zurückgeführten Abgas durch das Niederdruck
- 18 AGR System sinkt bei zunehmender Konvertierungsleistung die Rohemission ab.
Abbildung 16 zeigt im Vergleich die Ergebnisse mit und ohne Niederdruck AGR.
Der Motor verfügt zusätzlich über ein Hochdruck AGR, dieses ist aber in diesem
Betriebspunkt nicht aktiv. Während die NOx Rohemission ohne AGR zwar deutlich höher
aber unbeeinflusst vom Alpha ist, zeigt die NOx Emission mit AGR das bereits
beobachtete Verhalten. Außerdem ist die NOx Konvertierung für das Pre Turbo Plus
System auch ohne AGR mit deutlich höherer Dosiermenge extrem hoch.
Abbildung 17: Light-Off Verhalten als Funktion der DOC Position im Motor-Sweep-Test
(n=1500 U/min; pme von 0 bis 6 bar)
Zur Light-Off-Charakterisierung wurden die Systeme am Motorprüfstand bei konstanter
Drehzahl von 1400 U/min durch die Steigerung der Motorlast aufgeheizt. Der
Abgasmassenstrom stieg während des Tests nahezu kontinuierlich von 55 kg/h auf 80
kg/h an und die Abgastemperatur stieg von 120 °C mit 2,5 K/min auf über 300 °C. Durch
die Zunahme der Abgasmasse nahm die DOC-Raumgeschwindigkeiten von 44k 1/h auf
80k 1/h und die Raumgeschwindigkeit im SDPF von 15k 1/h auf 33k 1/h zu.
Abbildung 17 zeigt die ermittelten HC- und CO-Umsatzraten in Abhängigkeit der
Abgastemperatur nach der Turbine. Für die Anordnung des Oxidationskatalysators nach
der Turbine startet der CO-Light-Off bereits bei 120 °C und erreicht bei 180 °C nahezu 100
% Umsatz. Gleichzeitig werden zu Beginn, bei niedriger Katalysatortemperatur,
Kohlenwasserstoffe adsorbiert und die HC Umsatzrate sinkt zunächst ab und steigt ab
170 °C kontinuierlich auf nahezu 100 %.
Der dargestellte Temperaturabfall über die Turbine erklärt den Light-Off – Vorteil einer
Vorturbo-DOC-Konfiguration. Schon bei niedrigster Last liegt die HC- und CO-Umsatzrate
durch das um 35 K höhere Temperaturniveau auf über 85 %.
Weiterhin wurden die Systemvarianten im NEFZ geprüft. Vorab wurden die Abgassysteme
für einen ammoniakfreien Zustand bei höherer Last vorkonditioniert. Abbildung 18 zeigt die
Abgastemperaturen vor dem Oxidationskatalysator für die verschieden Varianten im
- 19 -
Abbildung 18: Vergleich der Abgastemperaturen am Eintritt des Oxidationskatalysators
für die Varianten im NEFZ
NEFZ. Die Gastemperaturen der Pre Turbo Varianten sind gleich und liegen um mehr als
120 K höher als beim Standardsystem. Vor der Turbine werden schon sehr früh
Gastemperaturen deutlich über 150 °C erreicht. Im Standardsystem wird das
Temperaturniveau von 150 °C erstmalig nach 800 s kurzfristig überschritten und steigt erst
ab 1050 s auf 200 °C an.
Abbildung 19: Abgastemperaturen und Dosierfreigabe der Varianten im NEFZ
- 20 Zur Bewertung einer maximal möglichen NOx-Konvertierungsleistung der Systeme wurde
die Dosierfreigabetemperatur auf 130 °C festgelegt. So war für die Pre Turbo Systeme
eine Reduktionsmittelzugabe schon 65 s nach Motorstart möglich und für das
Standardsystem erst 685 s später. Abbildung 19 zeigt den Temperaturverlauf an der
Injektorposition mit Dosierfreigabe und die jeweiligen Dosiermengen im NEFZ Testzyklus.
Mit Beginn der Dosierfreigabe wurde mit Alpha = 2,0 für 300 s überdosiert und danach die
Dosiermenge auf Alpha = 1,3 verringert. Nach der Durchfahrt des „kalten“ NEFZ wurde ein
zweiter Test gestartet und vorgesteuert mit Alpha = 1,3 dosiert. Abschließend wurde ein
dritter NEFZ mit deaktivierter Dosierung gestartet. Durch diese Testsequenz wurde der
SCR-Katalysator in den ersten beiden NEFZ-Tests mit Ammoniak angereichert und
konditioniert. Trotz der stöchiometrischen Überdosierung wurde bis zur Sekunde 850 des
zweiten Tests kein Ammoniak Schlupf für die Pre Turbo Systeme detektiert. Hingegen war
für das Standardsystem auch nach Ende des zweiten NEFZ Tests kein Ammoniakschlupf
messbar, was möglicherweise auch aufgrund des niedrigeren Temperaturniveaus des
SCR-Katalysators und damit durch eine höhere Ammoniakspeicherkapazität zu erklären
ist.
Abbildung 20: HC- CO- und NOx-Umsatzraten im NEFZ
Das höhere Temperaturniveau bei einer Preturbo-Eindosierung unterstützt die schnelle
Tropfenverdampfung und Thermolyse, wie schon in den stationären Tests beschrieben.
Zusätzlich wird durch den hohen Turbulenzgrad der Gasströmung in der Turbine die NH 3Gleichverteilung gesteigert. Die Emissionsminderungsraten während des „kalten“ NEFZ
Tests sind in Abbildung 20 gegenübergestellt. Mit der Pre Turbo-DOC Position werden im
Testzyklus sehr früh HC Umsatzraten deutlich über 90 % möglich. Im Standardsystem
bewirkt das Temperaturplateau von Sekunde ~ 875 bis 975 eine Absenkung der HCKonvertierung und erreicht erst zum Ende des Tests die volle Umsatzleistung. Die NOxMinderung bleibt trotz der frühen Dosiermittelzugabe bei den Vorturbo-Systemen wegen
der niedrigen SCR Katalysatortemperatur deutlich hinter den Erwartungen zurück.
Die ermittelten Umsatzraten für die NEFZ Testreihen sind in Abbildung 21
zusammengefasst. Ein zusätzlicher SCR-Katalysator direkt nach Turbine - Variante Pre
- 21 -
Abbildung 21: NOx-Umsatzraten im NEFZ für verschiedene Startbedingungen
Turbo Plus – zeigt die Potenziale für die Umsatzsteigerung deutlich. Im „kalten“ NEFZ
wurden 20 und 25 % NOx-Umsatz mit den Vorturbo-Systemen erreicht. Im StandardSystem hingegen kann aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus nahezu kein NO x
reduziert werden und auch im warmen NEFZ-Test liegen die NOx-Umsatzraten bei
maximal 27 Prozent.
Abbildung 22: Akkumulierte NOx-Emissionen im NEFZ über die SCR –
Katalysatortemperatur für die Standard und Pre-Turbo Plus Variante und
NOx-Light-Off-Kurven zur Bewertung des Potenzials
- 22 In Abbildung 22 sind die akkumulierten NOx-Rohemissionen im NEFZ Test für die
Standard- und Pre Turbo Plus Variante und die SCR-Light-Off Kurven dargestellt.
Die mittlere Abgastemperatur am SCR-Katalysator befand sich für die Standard Variante
bei 112 °C und bei der Vortubo-Variante bei 145°C. Der schraffierte Bereich kennzeichnet
den eigentlichen NOx-Emissionsanteil im Light-Off Fenster des SCR-Katalysators und
erklärt die Limitierung der NOx-Minderung durch das Abgastemperaturniveau. Weiterhin
wurde die Light-Off-Kurve von Abbildung 9 im Diagramm aufgenommen. Damit würde sich
insbesondere durch das höhere Temperaturniveau an der Pre Turbo Plus Variante der
Konvertierungsbereich erweitern. Mit einer weiterentwickelten SCR-Beschichtung, wie z.B.
in Abbildung 9 gezeigt, wäre dann eine höhere NOx-Konvertierung insbesondere zwischen
150 °C und 190 °C möglich.
6. Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Die Zusammenfassung der Ergebnisse in Abbildung 23 zeigt, dass die EU 6c HC- und
CO-Grenzwerte mit den Vorturbo-Varianten deutlich unterschritten werden. Durch die
frühe Reduktionsmittelzugabe, die schnelle Thermolyse und die sehr gute Vermischung
durch die Turbine wird die Grundvoraussetzung für eine effiziente NOx-Umsetzung
geschaffen. Allerdings sind hier die Abgastemperaturen im NEFZ zu niedrig bzw. ist die
Niedertemperaturaktivität der untersuchten SCR Katalysatoren zu gering um zumindest
die Euro 6 Grenzwerte zu unterschreiten.
Abbildung 23: Zusammenfassung NEFZ Ergebnisse und Potenzial für Pre-Turbo
Systeme
Dennoch ist das Potential der Anordnung von DOC und Reduktionsmittel Eindosierung
klar erkennbar auch im Hinblick auf das Erreichen der RDE Grenzwerte und sicherlich
wert weiter untersucht zu werden. Zumal die Verbrauchsverschlechterung respektive die
- 23 Zunahme der CO2 Emission gemessen im NEFZ nur 1,5 bis 2% beträgt (siehe Abbildung
24).
Abbildung 24: Vergleich des Kraftstoffverbrauchs und CO2-Emissionen für das
Abgassystem Pre Turbo Plus im Vergleich zum Standardsystem im NEFZ
Für die Fortsetzung der hier beschriebenen Untersuchungen bieten sich einige technische
Optionen an. So ist die Kombination mit einem geeigneten Temperaturmanagement
sicherlich zielführend. Auch hier ist die vor-Turbolader Position des DOC von Vorteil, kann
doch die exotherme Umsetzung von unverbranntem Kraftstoff das verzögerte
Ansprechverhalten der Turbine zumindest teilkompensieren. Das setzt wiederum eine bez.
thermischer Masse und Strömungswiderstand optimierte Turbinenauslegung inklusive
eines entsprechenden Regelalgorithmus voraus.
Auch wird ein großes Potential in der Kombination mit einer elektrisch angetriebenen
Aufladeunterstützung gesehen.
Des Weiteren ist die Einbringung des Reduktionsmittels hinsichtlich Einspritzzeitpunkts,
Einspritzintervall und Einspritzdruck zu untersuchen und eine entsprechende
Dosierstrategie zu entwickeln.
Schließlich kann das Abgasnachbehandlungssystem nach Turbine noch entsprechend
dem CompactCat® Konzept arrangiert werden um niedrigere Wärmeverluste und
Gegendruckanstiege zu erreichen. Dieses Konzept erlaubt auch die Integration eines
elektrisch beheizbaren Katalysators um in Niederlast-, bzw. Schubphasen ein Auskühlen
der Katalysatoren zu verhindern.
Den Einfluss all dieser Maßnahmen zu quantifizieren und darauf aufbauend ein
realisierbares Gesamtsystem zu definieren ist Inhalt zukünftiger Untersuchungen, von
deren Ergebnisse wir zukünftig berichten werden.
- 24 -
7. Danksagung
Die Autoren bedanken sich bei Prof. Hans Zellbeck von der Technischen Universität
Dresden und seinen Mitarbeitern Dr. Robert Walter und Dr. Ronny Werner für die
Durchführung der Motorprüfstands Untersuchungen.
8. Quellenverzeichnis
[1]
Wie umweltfreundlich sind Elektroautos wirklich?, Handelsblatt vom 22.12.2014,
S.19
[2]
Martin Woldt, Sagen Sie mal Frau Wöber ..., Berliner Zeitung vom 20.12.2014
[3]
Global Transport Scenarios, Study, World Energy Council, 2011
[4]
Jens Meyer-Wellmann, Gift in Luft: Stadt wehrt sich gegen EU-Verfahren, Die Welt,
22.12.2014
[5]
Luftqualität 2020/2030: Weiterentwicklung von Prognosen für Luftschadstoffe unter
Berücksichtigung von Klimastrategien, TEXTE 35/2014, Forschungskennzahl 3710
43 219, UBA-FB 001945, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und
Reaktorsicherheit
[6]
Erik White, California’s comprehensive Program for reducing Heavy-Duty Diesel
Emissions, SAE 2014 Heavy-Duty Diesel Emissions Control Symposium,
Gothemburg
[7]
Korneel de Rudder, Close Coupled DOC-Mixer-SCR for Tier 4 final, ICPC
2013-3.6
[8]
Declan Hayden, IAgrE Landwards Conference Cranfield University UK, 2011
[9]
H.-J. Neusser, J. Kahrstedt, R. Dorenkamp, H. Jelden; VW AG: „Die Euro-6Motoren des modularen Dieselbaukastens von Volkswagen“; MTZ 06/2013, 74.
Jahrgang
[10]
M. Laurell, J. Sjörs, S. Ovesson, M. Lundgren, Volvo Car Cooporation,
Gothenburgh, Sweden; R.Brück, M. Presti; Emitec Gmbh; „The Innovative Ex-haust
Gas Aftertreatment System for the New Volvo 4 Cylinder Engines; a Unit Catalyst
System for Gasoline and Diesel Cars”; 22nd Aachen Colloquium Automobile and
Engine Technology 2013
[11]
R. Werner, H. Zellbeck, K. Augsburg, R. Horn, R. Brück, S. Kröger, N. Zaldua; Ein
Vollkatalysatorsystem vor Abgasturbolader; 14. Aufladetechnische Konferenz 2009.
M. Thiel, R. Werner, H. Zellbeck, R. Brück, N. Zaldua Moreno; Der Vollkatalysator
vor dem Turbolader - Effektive Abgasnachbehandlung vs. Fahrdynamik; 5. Emission
Control 2010.
G. Cavataio et al., 23rd North America Catalysis Society meeting, 2013, Louisville,
Kentucky
[12]
[13]