7th 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

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Die Vision eines motornahen Nutzfahrzeug Katalysatorsystems; Emissi-onsminimierung 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 politi-scher Förderung von Alternativkonzepten der Verbrennungsmotor die do-minante Antriebskomponente zukünftiger mobiler Anwendungen sein wird [1]. Allerdings muss für diesen in Zukunft das Einhalten der Schadstoff-grenzwerte 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 Aufberei-tung des ins Abgas eingedüsten Reduktionsmittels AdBlue einer Minimal-temperatur bedürfen, sind die Konfiguration des Abgasnachbehandlungs-systems und ein innermotorisches Temperaturmanagement so zu kombi-nieren, 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 An-triebstrangs 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 Kataly-satorkonzepte auch für den Nutzfahrzeugbereich vorgestellt. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Stickoxidnachbehandlung für Dieselmotoren. Schlagworte: motornahe Abgasnachbehandlung; Katalysator; Real Dri-ving Emission; SCR; Reduktionsmittel Eindüsung

1 E-mail: rolf.brueck@emitec.com, www.emitec.com 2 E-mail: thomas.cartus@emitec.com, www.emitec.com 3 E-mail: klaus.mueller-haas@emitec.com, www.emitec.com

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1 Einleitung

Vor dem Entwickeln einer Vision bez. zukünftiger Abgasnachbehandlungs-systeme muss die Frage der zukünftigen Bedeutung von Verbrennungs-motoren in der mobilen Anwendung beantwortet werden. Das World Ener-gy 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 Rand-bedingungen und Maßnahmen.

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Szenario - durch Politik gelenkte Entwicklung

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2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

Szenario - freie Marktwirtschaft

Electric Vehicle Hydrogen / Hydrogen Hybrid vehicles

Hybrid Vehicles Gasoline / Diesel / Gas ICEV

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%9

8%

Abbildung 1: Entwicklung des PKW Technologie-Mix (weltweit in Millio-nen) [1]

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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 Ver-brennungsmaschinen 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: Polypropylen-glykolmonobutylether mit ca. 4% aschefreien Additiven [4]

Wesentlichen Einfluss auf die Höhe und Zusammensetzung zukünftigen Motorrohemission und damit auf die erforderliche Effektivität der Abgas-nachbehandlung wird die Art und Qualität des verwendeten Kraftstoffs ha-ben. Einerseits hat sich die Kraftstoffqualität im Verhältnis zur Entwicklung des Antriebsstrang wenig verbessert, anderseits führt das generell Bestre-ben CO2-neutrale Energiequellen zu erschließen zwangsläufig zur Nutzung von synthetisch herzustellenden Kraftstoffen [4]. Wie aus Abbildung 2 er-sichtlich ermöglichen solche Kraftstoffe eine nahezu partikelfreie Verbren-

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nung. Die Gegendruck und damit Mehrverbrauch erzeugende eine Parti-kelanzahl 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 Wir-kungsgrade und damit auch durch immer niedrigere Abgastemperaturen aus. Die Hybridisierung hat durch Ausschaltzeiten und Lastreduktion des Verbrennungsmotors einen zusätzlichen negativen Einfluss auf die Abgas-temperatur. Nicht nur diese aktuelle Entwicklung bei den Motoren wirkt sich auf das Design und die Konzepte moderner Nachbehandlungssysteme aus, son-dern insbesondere auch der beginnende Trend, zum Zwecke der Abgas-wärmerekuperation, einen gewissen Bauraum vorzuhalten. Beginnend mit den PKW-Katalysatoren setzen sich mehr und mehr motor-nahe, kompakte Katalysatorsysteme für Otto und Dieselantriebe durch [5,6]. Die Abgassysteme der Zukunft werden keine aufgepfropften „Nachbe-handlungskomponenten“ 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 mo-dernsten 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 mo-dernster 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 benö-tigt 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 ver-bessert wird.

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Die genannten hohen SCR- Umsatzraten erfordern jedoch eine sehr gute Strömungs- und Ammoniakverteilung stromaufwärts des SCR-Katalysators. 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 thermi-scher Verluste oder auch durch den Einsatz aktiv heizbarer Katalysatoren, wie zum Beispiel des elektrisch heizbaren Katalysators.

2 Anforderungen für PKW und LKW-

Katalysatorsysteme

Seit der Einführung des Katalysators sind die Wirkungsgrade von anfäng-lich 50 - 70% bei der Einführung der ungeregelten Katalysatoren für Ot-tomotoren bei PKW auf Werte von größer 99% hinsichtlich der limitierten Emissionen angewachsen [9]. Diese Steigerung wurde zum einen motor-seitig durch die Verbesserung der Motorsteuerungen bzw. der Lambdare-gelung 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 moder-ne 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 be-trieben wird, machte die Einführung neuer NOx-Minderungssysteme not-wendig, denn 3-Wege-Katalysatoren können deshalb nicht eingesetzt wer-den. Zur Reduktion der Stickoxide stehen heute zwei Haupttechnologien zur Verfügung. Eine Möglichkeit ist es, im NOx-Adsorber Stickoxide che-misch 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 Am-moniak (NH3) erzeugt wird, welcher dazu benutzt wird, am SCR-Katalysator 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 durchge-setzt. 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 physi-kalische Hintergrund dieser Ablagerungsproblematik ist schlicht die zu-sätzlichen 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 komple-xeren 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 Mo-torstart und auch bei niedrigen Abgastemperaturen (Stadtfahrt) gewähr-leistet 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 Measure-ment 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 Platt-formen nicht vorgehalten, und es steht dort höchstens Platz für kleinere „Start“-Katalysatoren zur Verfügung. Langfristig wird bei diesen Fahrzeu-gen 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 ei-ne 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 voneinan-der 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 Nieder-druck-AGR-Anschluss mit einem AGR Filter beinhaltete.

Abbildung 3: VW MQB Motornahes Katalysatorsystem mit NOx-Adsorber und Niederdruck AGR Anschluss [11]

Im nächsten Schritt wurde ein praktisch identisch aufgebautes SCR-System für EU6 [12] vorgestellt, bei dem zusätzlich in das Canning noch eine AdBlue Eindüse- und Mischstrecke integriert wurde. Die SCR-Beschichtung 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 SCR-Katalysator [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 Turboladeraustritts-flansch 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 ei-ne 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 NOx-Adsorber.

Abbildung 6: Volvos modulares motornahes Katalysatorsystem für Ot-to- 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 Oxidationskataly-sator, Partikelfilter, AdBlue-Eindüsung und SCR-Katalysator. Die Verbin-dung zum Motor erfolgt über ein Abgasrohr mit integriertem Entkopp-lungselement. Durch diesen Aufbau wird der Light-Off des SCR-Katalysators durch die thermische Masse des Partikelfilters verzögert. Zu-sätzlich 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 ei-nen 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 Nutzfahr-

zeuge

Zur Erfüllung der genannten Anforderungen ist eine kompakte AdBlue- Eindüse- 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 sel-ber ab. Um beide Funktionen abzudecken, entwickelte Emitec das „Universal De-composition Pipe“ (UDP). Die Hauptanforderung war klar definiert: Möglichkeit zur ablagerungsfreien Eindüsung der benötigten AdBlue-Mengen unter allen Betriebsbedingungen.

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Abbildung 7: Universelle Decompositions-Einheit (UDP)

Da die UDP nicht für jede Applikation neu konstruiert werden sollte, muss-te sie auch unabhängig vom Verlauf der Vorrohrgeometrie funktionieren. Dazu wurde am Eingang der UDP ein Konfusor eingebaut, der die Strö-mung innerhalb der UDP unabhängig von der Einlaufströmung macht.

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Abbildung 8: UDP; Keine Beeinflussung der Funktion durch Vorrohr-geometrien, Anströmrichtungen

Die UDP kann alternativ mit einem Mischer, einem Hydrolysekatalysator oder einem elektrisch heizbaren Hydrolysekatalysator als Verdampfer auf-gebaut 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 Ausgleichsele-ment 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 Ein-düsemenge vor allem im niedrigen Temperaturbereich nochmals erhöht werden. Da beim elektrisch heizbaren Katalysator (Emicat) die Katalysa-torstruktur selbst als Heizfläche (Kontaktfläche für das eingedüste AdBlue) funktioniert, und nicht das Abgas aufheizen soll, ist der Vorteil dieses Kon-zepts im Vergleich mit einem unbeheizten Katalysator, im Prinzip unab-hängig 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 Abgastempe-ratur, 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 Hydrolysekataly-sators (≥ 180mm hinter der Eindüsestelle) sind die gängigen Spraymes-sungen von Kraftstoffdüsen im Abstand zur Düse von 50 mm nicht rele-vant. Simulationen haben gezeigt, dass sich die Spraybilder von Einspritz-düsen 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 ungleich-mäßige 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.

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Abbildung 11: Einspritzbild der Einspritzdüse A nach 50, 200 und 260 mm

Die Spraycharakteristik wird durch den Spraywinkel, die Tropfengrößen-verteilung (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 MX-Trägerstruktur einen homogenen konvektiven Wärmeübergang ermög-licht, wird eine möglichst gleichverteilte Tropfenbeaufschlagung ange-strebt. Abbildung 12 zeigt mittels Infrarotstrahlung gemessene Abkühlung einer 25mm MX-Matrix-Scheibe mit einem Standard-Injektor. Aus der zentrisch konzentrierte Tropfenbeaufschlagung und –verdampfung resul-tiert 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 Ka-talysatorfrontfläche (MX-Struktur)

Für die Systemoptimierung wurden die maximalen Dosiermengen für un-terschiedliche Injektoren ermittelt. Dazu wurde insbesondere der Footprint an der Trägereintrittsfläche unter Berücksichtigung der Tropfengröße op-timiert. 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 ge-steigert werden.

Abbildung 13: Ohne Ablagerungen zu erzeugende maximale Dosier-menge 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 einzubau-en. Dies gilt insbesondere, wenn die UDP unmittelbar vor dem SCR-Katalysator angeordnet ist. Bei einer motornahen UDP-Anordnung und ei-nem SCR-Katalysator im Unterboden/am Rahmen ergibt sich üblicher-weise alleine durch die Rohrführung und Einströmung in den Schalldämp-fer 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 ausschlag-gebend. 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. Stufe: motornaher Oxidationskatalysator und AdBlue-Eindüsung 2. Stufe: motornahes Gesamtsystem inkl. SCR-Katalysator und Filter

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Schon für die erste Stufe ist der Einsatz von SCR-beschichteten Partikelfil-tern ähnlich den heutigen neuen PKW-Anwendungen notwendig. Abbildung 15 zeigt den Entwurf eines motornahen Oxidationskatalysators auf Basis eines Kompaktkatalysators mit angeschlossener UDP. Das Fle-xelement 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 Oxidati-onskatalysators die Möglichkeit, das Katvolumen des Oxikats zu verklei-nern. Im Folgenden werden noch einmal die Vorteile einer solchen Konstruktion zusammengefasst:

- Keine Veränderung des Rahmens notwendig

- Reduktion des Oxidations-Katalysatorvolumens aufgrund der höhe-

ren Temperatur

- frühere AdBlue-Dosierung bei niedrigeren Lastpunkten

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- 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 zukünfti-ger 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 ei-nem EURO 6 Nutzfahrzeugmotor der 2 Liter Hubraum pro Zylinder-Klasse

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Untersuchungen durchgeführt. Ziel war es war es, den Vorteil der motor-nahen 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 Volumen / Beschichtung

11,1 ltrBeschichtung: Pt-only

MX-Metalit: 40 cpsi 1,78 ltrMX-Metalit: 40 cpsi 1.92 ltrEmiCat 0.73 ltr

Beschichtung: TiO2

16,7 ltrBeschichtung: V-SCR

DOC Metalit, 300-600 LS

Hydrolysekatalysator

SCR Katalysator Metalit: 300-600 LS

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 entstehen-den Randbedingungen für die Abgasnachbehandlung fasst die Tabelle 2 zusammen. N 1/min 1200

Md Nm 300

T.v.DOC °C 237

T.n.DOC °C 234

T.v.UDP °C 228

T SCR °C 205

NOx ppm 542

SV (SCR Katalysator) 1/h ~23000

AdBlue @ Alpha =1 g/h 880

Tabelle 2: Motorbetriebspunkt für die Beurteilung unterschiedlicher UDP Varianten (Nutzfahrzeug Dieselmotor 2l/Zylinder)

Heute ist der Reduktionsmittel-Injektor standardmäßig in Strömungsrich-tung nach dem Entkopplungselement angeordnet. Dieses flexible Bauteil, das die Übertragungen der Motorschwingungen auf das Fahrzeug verhin-dern 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 innen

Ablagerungen innen - Detail

Ablagerungen außen

Abbildung 17: Ablagerungsbildung am flexiblen Element nach Über-schreiten 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 In-jektorposition, über einen Zeitraum von drei Stunden im oben beschriebe-nen 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 di-rekt 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 kön-nen innerhalb der Struktur verdampfen. Die Hydrolysebeschichtung

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fördert die Thermolyse und unterstützt die Umwandlung zu Ammo-niak.

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.

SCRUDP

UREA

water

solution

DOC

1

Fexibles

Element

UDP ohne Einbauten

UDP mit MX Trägerstruktur

UDP mit elektrisch

beheitzem Katalysator

und MX Trägerstruktur

Abbildung 18: Versuchsaufbau und untersuchte UDP Varianten

Zum Bestimmen der Grenzdosiermenge wurde ausgehend von einer abla-gerungsfreien Dosiermenge die Menge sukzessive erhöht und das Abgas-system 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 er-kennen 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 NOx-Konvertierung von 70% bei 10 ppm. Ein Hinweis, dass hier der Grenzbe-reich der nutzbaren SCR Katalysator-Reaktivität erreicht ist.

0

250

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0,5

1

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2

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3

Ad

Blu

e M

en

ge

[g

/h]

ALF

A [

-]ALFA AdBlue Menge

0

100

200

300

400

500

0

20

40

60

80

100

ohne Einbauten MX 90 mm EHC

+ MX 74,5 mm

(ohne Heitzen)

EHC

+ MX 74,5

(mit Heitzen)

NH

3 S

chlu

pf

[pp

m]

NO

x K

on

ve

rtie

run

g [

%]

NOx Konvertierung NH3 Schlupf

Grenzdosiermenge

zusätzliches Ammoniak

bei Grenzdosiermenge

Abbildung 19: Einfluss der UDP Konfiguration auf die maximale ablage-rungsfreie AdBlue Dosiermenge (Grenzdosiermenge) und die erreichba-re NOx Konvertierung

Die UDP Konfiguration mit elektrisch beheizbarem Katalysator und Hydro-lysekatalysator erlaubt eine weitere Steigerung der eindosierten Adblue-menge. Dies ist in der größeren Oberfläche begründet, die durch die Ein-bauten für die Verdampfung des eingedüsten Reduktionsmittels zur Verfü-gung 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 Am-moniakschlupf 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 Ammoniak-schlupf 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 (Ammoniakdurch-bruch = 300 ppm), aber das Potential bietet die NOx Rohemission in die-sem Lastpunkt deutlich zu erhöhen, um so den Kraftstoffverbrauch zu mi-nimieren. Der aktive Heizkatalysator erhöht nicht nur die mögliche Grenz-dosiermenge, 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 Kompaktsyste-me bei PKWs bereits mit Erfolg eingesetzt werden. Bauraum-, Tempera-tur- und System-Kostenvorteile haben hierzu den Ausschlag gegeben. Da mit den zukünftigen Gesetzgebungen (Kaltstart, RDE) für die Nutzfahr-zeuge 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 Randbedingun-gen für die Abgasnachbehandlung auch auf der Nutzfahrzeugseite maß-geblich beeinflussen und weitere Optionen schaffen. So wird die Positio-nierung der Abgasnachbehandlung vor der Turbine möglich, da durch die E-Maschine des Hybridantriebsstrangs oder durch die elektrisch unter-stützte Aufladung die Nachteile im Ansprechverhalten der Turbine kom-pensiert 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.

%

Conversion RateS

V x

10

6 h

-1[1

/h]

Catalyst Temperature [°C]

Abbildung 20: HC- Konvertierung eines Vorturboladerkatalysators mit 200 cpsi [15]

Literatur

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[9] J. Dahlgren, M. Laurell, N. Vollmer; Volvo Car Corporation, Göte-borg; R. Brück, P. Hirth, W. Maus; Emitec GmbH, Lohmar; „Der „Lambdasondenkatalysator“; ein neues Konzept für kompakte Hoch-leistungs-Katalysatorsysteme“; 14. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2005

[10] G. Holy; AVL List GmbH, Graz; R. Brück, P. Hirth; Emitec GmbH Lohmar: “Improved Catalyst Systems for SULEV Legislation: First Practical Experience”; SAE 2000-01-0500

[11] H.-J. Neusser, J. Kahrstedt, R. Dorenkamp, H. Jelden; VW AG: „Die Euro-6-Motoren des modularen Dieselbaukastens von Volkswagen“; MTZ 06/2013, 74. Jahrgang

[12] R. Dorenkamp, VW AG: „Schadstoffarme Antriebskonzepte heute und morgen“; FAD-Konferenz Dresden, 10. November 2013

[13] M. Laurell, J. Sjörs, S. Ovesson, M. Lundgren; Volvo Car Cooporati-on, 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 Au-tomobile and Engine Technology 2013

[14] G. Faltermeier, B. Pfalzgraf, AUDI AG, Ingolstadt; R. Brück, C. Kruse, W. Maus, Emitec GmbH, Lohmar; A. Donnerstag, Volkswagen AG, Wolfsburg: „Katalysatorkonzepte für zukünftige Abgasgesetzge-bungen am Beispiel eines 1,8 l 5V-Motors“; 17. Internationales Wie-ner Motorensymposium

[15] E. Jacob, A. Döring; MAN Nutzfahrzeuge AG Nürnberg „GD-Kat: Ab-gasnachbehandlungssystem zur simultanen Kohlenstoffpartikel-Oxidation und NOx-Reduktion für Euro 4/5-Nfz-Dieselmotoren“; 21.Internationales Wiener Motorensymposium, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12,Nr. 420,2000