Schmitt, Andreas (2013)
Beitrag zur NOx Emissionsminderung für Niedrig-Emissions-Fahrzeuganwendungen mittels Selektiver-Katalytischer-Reduktion.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Technologie der Emissionsminderung von Stickoxiden (NOx) am Dieselmotor mittels selektiver katalytischer Reduktion (SCR) wurde im Jahre 2004 erstmals im Nutzfahrzeugsegment und 2007 im PKW-Segment für die Serie eingeführt. Die damaligen, wie auch die heutigen SCR Systeme basieren größtenteils auf der Dosierung des flüssigen Reagenzmittels AdBlue® in Verbindung mit einem im Unterbodenbereich positionierten SCR Katalysator. Die Effizienz der NOx Emissionsminderung, die in der Regel mit solchen Systemen erzielt wird, genügt zur Erfüllung der heute geltenden Abgasnormen. Mit Inkrafttreten einer jeden neuen Abgasnorm ist jedoch von einer weiteren Verschärfung des Grenzwertes für die NOx Emissionen auszugehen. So wird beispielsweise mit dem Wechsel von Euro 5 auf Euro 6 im Jahre 2014 der Grenzwert für den PKW-Dieselmotor von 180 mg/km auf 80 mg/km heruntergesetzt. Dies erfordert für zukünftige Niedrig-Emissions-Fahrzeuge einerseits die Weiterentwicklung von innermotorischen Maßnahmen zur Senkung der NOx Rohemissionen und andererseits die Weiterentwicklung von Abgasnachbehandlungssystemen, wie dem SCR System. Generell bieten aktuelle SCR Systeme noch großes Potential zu einer Effizienzsteigerung. Ein Aspekt hierbei, ist der Wechsel des Reagenzmediums von flüssigem AdBlue® hin zu gasförmigem Ammoniak. Dies hätte unter anderem folgende Vorteile: die Möglichkeit zur Dosierung des Reagenzmittels bei geringeren Abgastemperaturen durch Entfall der notwendigen Verdampfung und der anschließenden Hydro- und Thermolysereaktionen und damit die Möglichkeit zur Nutzung der Niedertemperaturaktivität und der erhöhten NH3 Speicherfähigkeit des SCR Katalysators. Zusätzlich kann die Bildung von Ablagerungen vermieden werden. Ein weiterer Aspekt ist die Funktionsintegration von SCR Beschichtungen auf Dieselpartikelfiltern (DPF). Diese sogenannten SCRF Katalysatoren haben den Vorteil, dass sie anstelle des Dieselpartikelfilters in motornaher Position verbaut werden können. Der Katalysator würde nach einem Motorkaltstart wesentlich schneller seine Light-Off Temperatur erreichen und könnte früher NOx konvertieren. Ein sekundärer Effekt wäre, dass die Heat-Up Phase zum Aufheizen des Katalysators verkürzt werden könnte und sich somit zusätzliche Kraftstoffeinsparungen und die Reduzierung von CO2 Emissionen erzielen lassen.

Die Motivation für diese Dissertation leitet sich aus den beschriebenen Nachteilen der aktuell im Feld befindlichen SCR Systemen und der Notwendigkeit mögliche Potentiale mit neuen Methoden nutzbar zu machen ab. Den Themenkomplex dieser Arbeit bilden daher die Entwicklungsmethodik und die detaillierte Systembetrachtung von innovativen Ansätzen für SCR Systeme der nächsten Generation basierend auf der gasförmigen Reagenzdosierung.

Im Einzelnen umfasst dies in der ersten Phase die Analyse eines industriellen Prototypen für die gasförmige Ammoniak (NH3) Dosierung im Vergleich zur flüssigen AdBlue® Dosierung am Dieselmotor. Das gasförmige NH3 ist hierbei in der kristallinen Struktur eines Salzes (Strontiumchlorid) eingespeichert. Durch Wärmezufuhr desorbiert das NH3 und steht so für die Dosierung in das Abgasrohr zur Verfügung. Parallel hierzu wird ein eigenes Dosiersystem für die gasförmige NH3 Dosierung entwickelt und in Betrieb genommen. Bedingt durch die Versorgung mittels einer NH3 Gasflasche dient das System primär zur stationären Anwendung am Motorprüfstand. Im nächsten Schritt werden unterschiedliche Düsenkonzepte zur gasförmigen NH3 Dosierung bei Verwendung von Unterboden SCR Katalysatoren entworfen. Diese werden in Bezug auf ihre Eigenschaften zur Gleichverteilung untersucht und bewertet. Für die Durchführung der Untersuchungen im stationären und transienten Motorbetrieb wird eine Systemanwendung entwickelt, die ein gasförmiges und ein flüssiges Dosiersystems integriert. Zusätzlich ist eine open-loop und eine closed-loop Dosierstrategie appliziert. Dies ermöglicht den direkten Vergleich zwischen der flüssigen und gasförmigen Dosierung zur Identifikation von Systemunterschieden.

In der zweiten Phase wird das theoretische Potential für die Steigerung der DeNOx Performance eines SCRF Systems am Dieselmotor analysiert. Für ein motornahes SCRF System ändern sich die Randbedingungen gänzlich gegenüber einem Unterboden SCR System. Bedingt durch die extrem kurze Mischstrecke für die Reagenzdosierung und die Vermischung mit dem Abgas von weniger als 10 cm sind speziell hierauf ausgelegte Düsen- und Mischkonzepte erforderlich. Im Rahmen der Arbeit werden unterschiedliche Geometrien für Injektor-Mischer-Kombinationen zur gasförmigen NH3 Dosierung entworfen und in der Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation in Bezug auf die Qualität der Gleichverteilung und dem Gegendruckverhalten bewertet. Die vielversprechendste Variante wird gefertigt und sowohl am Strömungsprüfstand als auch am Motorprüfstand mit einem industriellen Prototyp einer AdBlue® Injektor-Mischer-Kombinationen verglichen. Anschließend erfolgt eine Parameterstudie zur Bewertung des Einflusses ausgewählter Größen, wie dem Volumen, der Washcoatbeladung und dem Substrat auf die DeNOx Performance von SCRF Katalysatoren.

Als besonderer Aspekt dieser Arbeit wird basierend auf den positiven Ergebnissen des SCR Systems am Dieselmotor die Entwicklungsmethodik auf ein weiteres überstöchiometrisches Verbrennungskonzept, dem magerbetriebenen Ottomotor, übertragen. Hierzu wird in der dritten Phase ein stöchiometrisch betriebener Serienottomotor mit Saugrohreinspritzung auf den Magerbetrieb rekalibriert. Dies erfolgt mittels Anpassung des Lambda- und Zündwinkelkennfeldes. Mit dem Ziel der größtmöglichen Kraftstoffeinsparung ist die Grenze der Rekalibrierung durch die Aufrechterhaltung einer stabilen Verbrennung bestimmt. Mit den neu applizierten Kennfeldern kann im NEDC ein absoluter Verbrauchsvorteil von bis zu 12 % herausgefahren werden. Nachteilig stellt sich hierbei die NOx Emission dar. Prinzip bedingt kann der Drei-Wege-Katalysator die Stickoxide bei hohen Sauerstoff-anteilen im Abgas nicht reduzieren. Aus diesem Grund kommt daher ein aktives Unterboden SCR System mit der eigens entwickelten gasförmigen NH3 Dosierung zum Einsatz. Die Ergebnisse der Messungen zeigen, dass für den effektiven Betrieb eines aktiven SCR Systems am untersuchten Mager-Ottomotor die sich einstellenden Nachteile überwiegen. Im Einzelnen können für den Prüfstandmotor folgende Effekte nachgewiesen werden: der eigentliche Temperaturvorteil des ottomotorischen Abgases fällt im Magerbetrieb geringer aus als erwartet, das NO2/NOx Verhältnis liegt weit unter dem Niveau des Dieselmotors und lässt sich durch Oxidationsreaktionen über den Drei-Wege-Katalysator nicht ausreichend steigern. Der erforderliche SCR Katalysator bedarf aufgrund der erhöhten NOx Konzentrationen im Abgas ein weitaus größeres Volumen als für vergleichbare Dieselanwendungen. Als alternativen Anwendungsfall, im Rahmen der Methodenentwicklung, wird das Anwendungsspektrum um die Funktionalität eines Passiv SCR Systems erweitert. Ziel ist es, die NH3 bildende Eigenschaft des Drei-Wege-Katalysators zu nutzen. Es werden die Einflussparameter auf die NH3 Formierung analysiert und basierend hierauf eine Betriebsstrategie entwickelt. Durch einen gesteuerten Wechsel zwischen Mager- und Fettbetrieb sollen die emittierten Stickoxide reduziert werden. Das Funktionsprinzip ist vergleichbar mit NOx Speicherkatalysator Systemen. Der Unterschied ist jedoch, dass beim Passiv SCR System NH3 im Fettbetrieb generiert und für die Magerphasen im SCR Katalysator eingespeichert wird. Im Stichversuch am Beispiel des NEDC kann nachgewiesen werden, dass auf diese Weise hinreichend viel Reagenz gebildet wird. Der sich einstellende relative Verbrauchsnachteil liegt bei ca. 2,5-3 % und liegt somit auf einem vergleichbaren Niveau zu Betriebsstrategien mit NOx Speicherkatalysatoren.

Die in dieser Dissertation entwickelte Methode ermöglichen die NOx Minderung mittels selektiver katalytischer Reduktion mit gasförmiger NH3 Dosierung sowohl am Dieselmotor mit Unterboden SCR Katalysator als auch mit motornahem SCRF Katalysator. Zudem kann die Methode auch als Basis für die Anwendung von aktiven und passiven SCR Systemen bei magerbetriebenen Ottomotoren genutzt werden.

Frage zum Eintrag

Redaktionelle Details anzeigen