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„Innovative, maßgeschneiderte Katalysatorträgerkonzepte für leichte und

schwere Nutzfahrzeuge“ „Innovative, Custom-Designed Catalyst Concepts for Light-Duty and Heavy-Duty

Trucks“

K. Althöfer, R. Brück, W. Müllera,1 and V. Ulmetb,2

a Emitec GmbH Hauptstr. 128, 53797 Lohmar, Deutschland

b Southwest Research Institute 6220 Culebra Road, San Antonio, Texas

Kurzfassung: Zur Erfüllung der zukünftigen Anforderungen an die Katalysatortechnik von Nutzfahrzeugen wurde ein neues Katalysatorträger Design und ein neues Fertigungsverfahren entwickelt. Das flexible HF-Design und die Realisierung eines „kontinuierliches“ Fertigungsverfahrens für große Katalysatorträger bedeutet auch bei kleinen Stückzahlen eine deutliche Kostenreduktion im Vergleich zum heutigen Standard. Berechnungen und praktische Erprobung machten deutlich, dass die mechanische und thermodynamische Festigkeit im Vergleich zu bisher verwendeten Konstruktionen sogar noch verbessert werden konnte. Durch den Einsatz von „turbulenten“ Strukturen wird es möglich die volumenspezifische, katalytische Effektivität zu steigern. Hierdurch eröffnet sich, durch Reduktion des Katalysatorvolumens und damit verbunden der Edelmetalle, ein weiteres Kosteneinspar-potential. Vergleichskalkulationen zeigten die Wettbewerbsfähigkeit von metallischen Katalysator-trägern im Systemvergleich mit gleichen Volumen und deutliche Kostenvorteile bei Katalysatorsystemen mit „turbulenten“ Strukturen.

1E-mail: Kait.Althoefer@emitec.com, URL: www.emitec.com Rolf.Brueck@emitec.com Wilfried.Mueller@emitec.com 2E-mail: vulmet@swri.org, URL: www.swri.org

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1. Einleitung Aufgrund der steigenden Mobilität hinsichtlich Personen- und Frachtverkehr stieg in den vergangen Jahrzehnten die Anzahl der Automobile und der Nutzfahrzeuge. Um die Lebensqualität vor allen in den Städten zu erhalten, wurden weltweit Abgasgrenzwerte eingeführt, die in den letzten Jahren sukzessive verschärft wurden. Neben den Emissionsgesetzgebungen haben aber auch sogenannte Immissionsstandards einen erheblichen Einfluss auf die Anforderungen an die Kraftfahrzeuge. Jüngstes Beispiel war die Feinstaub (PM10) Richtlinie [1], die indirekt die kurzfristige Einführung der Partikelfilter bei PKW mit beeinflusst hat. Dies, obwohl die Fahrzeuge auch ohne Filter die Emissionsgrenzwerte bis zum Jahre 2010 erfüllt hätten. Ein weiteres Beispiel könnte die Verschärfung der NO2-Immissionsrichtlinie werde die im Jahr 2010 europaweit in Kraft tritt [1]. Messungen in Deutschland insbesondere in den Ballungsgebieten zeigen bei den NO2-Werten, im Gegensatz zu den anderen Immissionen (Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxid (NOx)), keine Absenkung über die letzten Jahre [2]. Dies führt zu Diskussionen innerhalb der europäischen Kommission und hat direkten Einfluss auf die Vorschläge für zukünftige Abgasgesetzgebungen. Abbildung 1 zeigt die heute gültige europäische Nutzfahrzeuggesetzgebung EUIV, die ab 2008 geltende EUV und die in Diskussion befindlichen Szenarien für EUVI (2012).

Abbildung 1: Europäische und amerikanische Abgasgrenzwerte für Nutzfahrzeuge, und in Diskussion befindliche Szenarien für EUVI Grenzwerte. Zur Einhaltung dieser Grenzwerte werden 2 Entwicklungsrichtungen beschritten, die in der Zukunft wohl nur in Kombination zum Ziel führen dürften. Zum einen werden durch neue und verbesserte Motoren und Funktionen die Rohemissionen abgesenkt. Insbesondere handelt es sich hierbei neben der Optimierung des Brennverfahrens um die Erhöhung des Einspritzdrucks bis hin zu 2500 bar, eine 2-stufige Aufladung mit Zwischenkühlung und gekühlte, geregelte Abgasrückführung.

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Diese und andere Optimierungsmaßnahmen führen zu einer deutlichen Absenkung der kritischen Motorrohemissionen Partikel und Stickoxide [3]. Da diese Maßnahmen vermutlich nicht ausreichend sind, um z.B. die amerikanische US 2010 Gesetzgebung zu erfüllen, muss parallel die Katalysator- und Filtertechnik weiterentwickelt werden. So werden neben Oxidationskatalysatoren auch Reduktionskatalysatoren (SCR) oder alternativ Stickoxidadsorber benötigt werden. Die notwendigen Umsatzraten sind direkt von den Abgasgrenzwerten und den Rohemissionen abhängig. Tabelle 1 zeigt für zwei fiktive Motoren mit einer NOx-Rohemission / Partikelemission von 0,9 / 0,06 g/kWh und 1,2 / 0,04 g/kWh die benötigten Umsatzraten zur Einhaltung der zukünftigen Grenzwerte.

Tabelle 1: Erforderliche Umsatzraten in Abhängigkeit der Motorrohemission zur Einhaltung der US2010 Grenzwerte Wenn man aus Verbrauchsgründen den Motor in Richtung etwas höherer NOx-Werte einstellt und damit die Partikelrohemissionen abgesenkt werden, kann die erforderliche Partikelreduktion mit wartungsfreien Nebenstromfiltern erreicht werden. 2. NFZ Katalysatorträgern Aufgrund der Größe der Motoren bzw. Motorleistungen und den besonderen Anforderungen an geringen Gegendruck für bestmöglichen Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu den in PKW eingesetzten Systemen, sind die erforderlichen Katalysatorquerschnitte im NFZ deutlich größer. Ein zweiter wichtiger Aspekt ist die geringere Stückzahl. So kommen bei Nutzfahrzeuganwendungen je Motor bei unterschiedlichen Fahrzeugen anwendungs-

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spezifisch verschiedene Abgasanlagen zum Einsatz. Hierdurch kann die erforderliche Stückzahl auf wenige tausend Stück pro Jahr absinken. Eine Möglichkeit hierauf zu reagieren und die vorhandenen PKW-Fertigungskapazitäten zu nutzen, ist ein modularer Aufbau des Katalysatorsystems [4]. Hierdurch ist es möglich mit einer Trägergröße durch Parallelschaltung unterschiedliche Motor-Leistungsklassen und auch Abgasanlagendesigns zu versorgen. Im Vergleich zum sogenannten Monobrick bei dem die Katalyse in einen einzelnen Katalysator stattfindet, entsteht jedoch ein gewisser Mehraufwand durch Handling und auch Fertigungskosten bei der Trägerherstellung und Beschichtung. Das bedeutet, dass unter der Vorraussetzung des Vorhandenseins einer geeigneten Fertigungstechnologie für großvolumige Katalysatoren das Monokat-System kostengünstiger ist. Ein zweiter wichtiger Kostenfaktor ist das eingesetzte Material. Die Entwicklung neuartiger „turbulenter“ Katalysatorträger hilft den Materialeinsatz deutlich zu verringern. Zur Entwicklung eines angepassten Trägerdesigns und eines kontinuierlichen Fertigungsprozesses für großvolumige Träger, ist es zunächst notwendig das Belastungsprofil für diese Anwendungen zu ermitteln und geeignete Zeitraffer Dauerhaltbarkeitstest zu entwickeln. 2.1 NFZ Key Life Time (KLT) Test Katalysatorsysteme in Nutzfahrzeugen werden heute üblicherweise im Schalldämpfer eingebaut. Für zukünftige Anwendungen sind jedoch auch Katalysatoren in der Nähe des Motors denkbar, um die thermischen Randbedingungen für die Katalyse besser nutzen zu können. Entsprechende Schwingungs- und Temperaturmessergebnisse wurden zur Entwicklung eines NFZ KLT verwendet. Bei dem KLT [5] wird der Zeitraffereffekt nicht durch übermäßiges Erhöhen der einzelnen Belastungen erreicht, sondern durch kontinuierliches Überlagern der jeweils höchsten Belastung hinsichtlich Temperatur, Temperaturwechsel und Schwingung. Der Vorteil ist, dass der auftretende End-of-Life Schadensmechanismus im Komponententest mit dem im Fahrzeug vergleichbar ist. Tabelle 2 zeigt die Testparameter der KLT Tests für PKW mit Ottomotor, PKW mit Dieselmotor und Nutzfahrzeuge im Vergleich.

Tabelle 2: Key Life Time Test Parameter für unterschiedliche Applikationen

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Die Testdauer richtet sich nach den Anforderungen an die Laufzeit im Feld. In Abbildung 2 ist ein LKW Träger im KLT Prüfstand und die entsprechenden Temperaturen, Temperaturtransienten und Schwingungsbelastungen dargestellt.

Abbildung 2: KLT Prüfstand und zyklische Temperaturbelastungen 2.2 Hoch Flexible Matrix Verbindung durch „HF-Design“ Wie in 2.1 dargestellt, sind die Belastungen von Katalysatorträgern für Nutzfahrzeuge geringer, als die für Ottomotorkatalysatoren. Aufgrund der absoluten Größe (Durchmesser bis 450 mm) wirken sich jedoch die geringen Temperaturen in vergleichbar größeren absoluten thermischen Dehnungen aus. Diese Dehnungen müssen im Betrieb elastisch kompensiert werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Entwicklung war der Anspruch eine kontinuierliche Fertigung mit geringen Rüstzeiten darzustellen, um auch kleine Serien kostengünstig produzieren zu können. Emitec Metalit® Metallträger werden aus glatten und sinusförmig gewellten Folien hergestellt. Folienstücke werden abgelängt, abwechselnd aufeinander gestapelt und S-förmig gewickelt. Der sich so ergebende Wabenkörper wird anschließend in das Mantelrohr eingeschoben und gelötet. Die Lötung verbindet nicht nur die Matrixstruktur (einzelnen Folien) mit dem Mantel, sondern auch die Folien untereinander innerhalb der Struktur. Um Trägern mit großem Durchmesser eine höhere Flexibilität zu geben, wurden Untersuchungen mit reduzierten Anbindungshäufigkeit durchgeführt. 2.2.1 Berechnung der im Betrieb auftretenden Dehnungen Um das hochgradig komplexe Verformungsverhalten einer Katalysatorsstruktur unter Einwirkung zeitlich und räumlich stark variierender Temperaturfelder darstellen zu

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können wurde bei Emitec ein Katalysatormodell für das Finite-Elemente Programm ABAQUS entwickelt, bei dem die komplette Zellstruktur detailliert abgebildet wird. Neben der Zellgröße und -form (definiert durch die Zelldichte bzw. durch die eingebrachte Wellung) wird auch die Geometrie der Wicklung modelliert, so dass wichtige globale Effekte wie das Eindrehen der Matrix unter Temperaturlast sowie lokale Effekte wie das Verhalten der Matrix in der Mantelanbindungszone beschrieben werden können. In diesem Modell wird derzeit jede einzelne Zelle der Matrix durch 12 Knoten in Zellumfangsrichtung beschrieben. Die axiale Auflösung erfolgt positionsabhängig: in den mit hohen Gradienten belasteten Bereichen (Gaseintritt und -austritt) wird je nach Anforderung mit einer Auflösung kleiner als 1 mm gearbeitet, während der Kern entsprechend gröber diskretisiert wird. Abhängig von der Trägergeometrie und insbesondere von der Zelldichte resultieren hieraus sehr große Berechnungsmodelle von teilweise mehreren Millionen Freiheitsgraden. Diese können nur durch konsequente Ausnutzung vorhandener Rotationssymmetrien (beim S-Typ ist hierdurch z.B. eine Reduktion auf die halbe Modellgröße möglich) auf leistungsfähigen Mehrprozessor-Workstations berechnet werden. Das Katalysatormodell ist parametrisiert aufgebaut und kann innerhalb kürzester Zeit an beliebige Geometrien hinsichtlich Größe, Zellstruktur, Wicklung, etc. angepasst werden. Zusammen mit dem bei Emitec entwickelten Katalysatorkaltstartprogramm KatProg, aus dem die Temperaturfelder als Belastungen in das FEM-Berechnungsmodell eingekoppelt werden, steht im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung ein hocheffektives Tool zur Verfügung, um quasi jede beliebige Katalysatorkonfiguration unter jeder beliebigen (thermischen) Belastung simulieren zu können. Basierend auf dem heutigen Metalit® Design, mit einer 100%igen Verlötung der Matrix, wurden Spannungs- und Dehnungsberechnungen an Katalysatorträgern mit unterschiedlichen Lötanbindungen durchgeführt. Als Extrem wurde ein ungelöteter Träger berechnet. Abbildung 3 zeigt die drei verwendeten Modelle mit 100% Lötverbindung der Zellen untereinander, 10 % Lötverbindung und ohne Lötverbindung.

Abbildung 3: Verwendete Berechnungsmodelle mit 100%, 10%, 0% Lötanbindung der

Zellen untereinander

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Als Belastung wurde den drei Modellen ein extremer Thermoschockzyklus, wie er im Fahrbetrieb durch Beschleunigung und Verzögerung entsehen würde, aufgeprägt (Abbildung 4). Die entsprechenden Temperaturen dazu wurden mit dem Emitec Programm KatProg aus dem Abgasmassenstrom, der Abgastemperatur und der Abgaszusammensetzung berechnet und an das ABAQUS-Modell übertragen.

Abbildung 4: Für die Berechnung verwendete Thermoschockbelastung; Abgas-

temperatur und Abgasmassenstrom Die Auswertung der Belastung erfolgte auf Basis der auftretenden Dehnungen. In Abbildung 5 sind die elastischen und plastischen Dehnungen für diesen extremen Belastungsfall über die Katalysatorlänge dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden die Anzahl der axialen Maschen auf 8 reduziert. Es wird deutlich das die maximalen Dehnungen an der Gaseintritts- und Gasaustrittsseite auftreten. Dieses Ergebnis kann durch ein Modell erklärt werden bei dem man den Katalysator axial in Scheiben unterteilt. Im Falle des positiven Thermoschocks (Beschleunigung) heizt sich die 1. Scheibe sehr schnell auf und verformt sich, weil sie von der 2. Scheibe zurückgehalten wird, die kälter ist und somit eine höhere Festigkeit aufweist . Da der Thermoschock sich aber aufgrund der thermischen Masse des Trägers axial nach hinten abschwächt wird dieser Effekt bei der 2. und 3. Scheibe immer kleiner. Die rückwärtige Scheibe wird dann entsprechend beim negativen Thermoschock (Verzögerung) am stärksten belastet.

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Abbildung 5: Dehnungsverhalten von Katalysatorträgern mit unterschiedlichen

Lötdesigns im Thermoschock Vergleicht man die Träger untereinander, so treten bei dem Träger ohne Lötung die geringsten Dehnungen auf. Der Träger mit 10%iger flexibler Matrix Verbindung zeigt ein ähnliches Verhalten, wohingegen der Träger mit der 100% Lötung die größten Dehnungen zeigt. Das bedeutet, dass bei Thermoschockbelastung, die partiell gelötete Matrix nun die Möglichkeit hat thermische Dehnungen über eine große Folienlänge auszugleichen und damit die sonst hohen partielle Belastung zwischen zwei Lötstellen zu kompensieren (Abbildung 6).

Abbildung 6: Fachwerkstruktur der Matrixlötverbindung im HF-Design

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Da der Katalysator im realen Fall jedoch auch Schwingungsbelastungen ertragen muss, kommt das ungelötete Bauteil für den realen Anwendungsfall nicht in Frage. In den Dauerhaltbarkeitsuntersuchungen wurden daher am Komponentenprüfstand das10%-Lötdesign mit dem Standardlötdesign verglichen. 2.3 Ergebnisse KLT Test Katalysatoren der Größe Ø 264 x 120 mm; 300 cpsi wurden unter den in 2.1 dargestellten NFZ KLT Bedingungen getestet. Unter diesen Testbedingungen konnte durch das flexible HF-Design die Haltbarkeit bis End-of-Life um 81% verbessert werden (Abbildung 7)

Abbildung 7: KLT Testergebnis eines 100% und eines 10% gelöteten Katalysatorträgers der Größe Ø 264 x 120 mm; 300 cpsi 2.4 Fertigung der flexiblen Matrixverbindung (HF-Design) Wie bereits erwähnt wurde bei der Entwicklung des Fertigungsprozesses der Schwerpunkt auf Kontinuität und kurze Rüstzeiten gelegt. Zur Realisierung der 10% Lötung war eine Neuentwicklung der sogenannten „Lötvorbereitung Matrix“ erforderlich. Zur Realisierung wird ein Haftvermittler auf die Spitze der Welllagen aufgebracht und zwar so, dass die Lötstellen auf der Oberseite des Wellbandes exakt versetzt zu den Lötstellen der Unterseite positioniert sind. Das aus Well- und Glattlagen bestehende und zum Träger gewickelte Lagenpaket bildet auf diese Weise eine Fachwerkstruktur (Abbildung 8), die sich über die gesamte Matrixfläche erstreckt.

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Abbildung 8: Fachwerkstruktur des HF-Design und Wellfolienstreifen mit markierten Lötstellen Durch den Einsatz von Industrie-Druckern, die den Haftvermittler – ähnlich wie die Tinte in Tintenstrahldruckern – auf die gewünschten Wellspitzen aufdrucken, konnte das gewünschte Design hergestellt werden. Die Position bezogen auf die Matrixstirnfläche kann damit ebenso exakt festgelegt werden, wie die axiale Tiefe der Lötung. Da dieser Prozessschritt direkt in den Wellprozess eingebunden werden kann und elektronisch gesteuert wird, konnte ein kontinuierlicher Prozess wie auch geringe Rüstzeiten realisiert werden. Da ein zweiter wichtiger Kostenfaktor die Menge an eingesetztem Material darstellt, wurden neue turbulente Strukturen untersucht die bei geringerem Einsatz von Material gleiche oder bessere katalytische Effektivitäten zeigen sollen. 3. Turbulente Strukturen sparen Material In einem geschlossen-zelligen Katalysatorträger (Standardkanal) stellt sich wenige Millimeter hinter dem Eintrittsquerschnitt, in dem ein Strömungszustand ähnlich einer turbulenten Strömung für den Aufbau der Grenzschicht sorgt, eine laminare Strömung ein [7].

Innerhalb der laminaren Strömung findet der äußere Stofftransport nur auf Basis von vergleichsweise langsamer Diffusion statt, diese bringt die Reaktanden von der Kanalmitte mit der höchsten Konzentration an die Kanalwand, wo die niedrigste Konzentration herrscht.

Mittels einer CFD-Berechnung bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Kanal von 5 m/s, einer Temperatur von 400°C und bei einer Trägerzelldichte von 200 cpsi

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wurden hierzu die radialen Schadstoffkonzentrationen im Zellquerschnitt ermittelt. Es wurden zwei unterschiedliche Kanalstrukturen miteinander vergleichen: zum einen ein glatter, unstrukturierter Standardkanal, und zum anderen ein sogenannter LS-Kanal (Longitudinal-strukturierter Kanal [8]), der über schaufelförmige Einprägungen verfügt. Es wurden jeweils die Konzentrationsprofile an verschiedenen axialen Positionen ermittelt.

In Abbildung 9 sind die radialen Konzentrationsprofile beider Strukturvarianten (LS-Kanal und Standard-Kanal) an identischen axialen Längenkoordinaten des Katalysators miteinander vergleichen. Im Falle der LS-Struktur an Positionen kurz nach Beginn und kurz vor Ende der ersten Schaufel, sowie kurz vor der zweiten Schaufel.

Die Limitation durch den äußeren Stofftransport ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn bereits ein Großteil der Emissionen abreagiert ist (Schnitt 3 in Abb. 9). Emissionen, die an die katalytisch aktive Wand transportiert werden, werden augenblicklich an den reaktiven Zentren der äußeren Oberfläche des Washcoat umgesetzt. Für diesen Fall ist die Edelmetallbeladung nicht mehr der ausschlaggebende Faktor. Aus Kostengründen werden deshalb häufig bei 2-Träger-Varianten auf dem 2. Träger niedrigere Edelmetallbeladungen, bzw. auf 1-Träger Varianten sogenannte Zone-Coatings mit axialen Abstufungen der Edelmetalle ähnlich den 2-Träger-Varianten verwendet.

Abbildung 9: Radiale Schadstoffkonzentrationen im Zellquerschnitt an verschiedenen axialen Positionen, LS im Vergleich mit Standard

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Der äußere Stofftransport kann durch strukturierte Träger deutlich verbessert werden, die entweder die Diffusionswege verkürzen und / oder Turbulenzen bzw. Querströmungen in den Kanälen erzeugen. Das LS-Design stellt eine Struktur dar, die durch die in der Kanalmitte positionierten Schaufeln der LS-Struktur sowohl die Diffusionswege verkürzt als auch Querströmungen erzeugt [7]. In Abbildung 10 sind die radialen Strömungsanteile entlang der LS-Struktur dargestellt.

Abbildung 10: Radiale Strömungsanteile entlang der LS-Struktur in einem Zellkanal (Anteile senkrecht zur Kat-Längsachse)

Man erkennt die radialen Strömungskomponenten im Zellkanal, die insbesondere an den Kanten der LS-Schaufeln erzeugt werden. Beide Effekte verbessern den äußeren Stofftransport und steigern die spezifische katalytische Effektivität [8].

3. 1. Versuchsergebnisse an LS-strukturierten Trägern in Konstantlastpunkten am Motorprüfstand

Um den Einfluss von Strukturen in Zellkanälen auf den Stofftransport bzw. die Katalysatoreffektivität quantitativ bestimmen zu können, wurden Untersuchungen in drei unterschiedlichen Konstantpunkten am Motorprüfstand durchgeführt. Es wurden Katalysatoren und Lastpunkte entsprechend Tabelle 1 ausgewählt:

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Tabelle 3: Randbedingungen der Emissionsmessungen bei Konstantlast am Motorprüfstand, Katalysatoren Ø 98,4 x 101,5 mm / 300/600 cpsi LS, 50 g/ft³ Pt:Rh:Pd = 5:0:1

Es wurden möglichst hohe Temperaturen eingestellt, um in den Bereich der Limitierung durch den äußeren Stofftransport zu gelangen. Dies eröffnete zusammen mit der Untersuchung von gleichartigen Trägern mit glattem Kanal, aber sonst exakt gleichen Designs und identischer Beschichtung, die Möglichkeit der rechnerischen Abschätzung des Stofftransportkoeffizienten im Kanal relativ zum glatten Kanal [10].

Die Abbildungen 11 und 12 zeigen die gemessenen Umsatzraten über die Testkatalysatoren sowie das berechnete Verhältnis der Stofftransportkoeffizienten β eines LS-Trägers im Vergleich zum Standardträger.

Abbildung 11: Gemessene THC- und NOx- Umsatzraten in drei unterschiedlichen Konstantlastpunkten (vgl. Tabelle 2)

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Aufgrund der verkürzten Diffusionswege und der radialen Strömungsanteile im LS- strukturierten Träger steigt der Stofftransportwert β in Abhängigkeit des Lastpunkts für HC um 27 - 55% und für NOx um etwa 20% an. Hieraus resultiert eine erhöhte volumenspezifische Effektivität der LS-strukturierten Träger.

Abbildung 12: Aus Emissionsergebnissen berechnete Verhältnisse der Stofftransportzahlen eines LS-Trägers relativ zum Standardträger

3.2. Versuchsergebnisse an LS strukturierten Trägern im Abgastest

Bei SWRI in den USA wurden an einem 6-Zylinder Light-Duty-Truck Dieselmotor Emissionsuntersuchungen durchgeführt. Vor dem Test wurden die Katalysatoren in einem Wechselbetrieb vorkonditioniert. Tabelle 4 zeigt die technischen Daten der Testkatalysatoren.

Tabelle 4: Daten der Testkatalysatoren zum Einfluss der LS-Struktur im Light-Duty Anwendungen

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Die Katalysatoren wurden im ESC- und FTP-Test getestet. Die Ergebnisse sind in Abbildung 13 dargestellt.

Abbildung 13: Emissionsergebnisse im ESC- und FTP-Test eines Serienkatalysators im Vergleich zu einem LS-Katalysator. Entsprechend den Berechnungen und den Ergebnissen in den Konstantlastpunkten konnte auch in der Realapplikation die Vorteile der LS-Struktur gefunden werden. Trotz eines um 45% verkleinerten Volumens und der damit verbundenen 45% geringeren Edelmetallkosten waren die HC- und CO- Ergebnisse des LS-Katalysators im ESC-Test voll vergleichbar zum Serienkatalysator. Im FTP-Test waren die CO-Emissionen des LS-Katalysators um 25% höher, die HC- Emissionen jedoch um 20% geringer. Anhand dieser Ergebnisse wird das Kosteneinsparpotential und auch die mögliche Bauraumverkleinerung von LS-strukturierten Katalysatoren deutlich. 4. Metallisches Katalysatorsystem Bei einem typischen NFZ Abgasnachbehandlungssystem ist der Katalysator in den Schalldämpfer eingebaut. Der Einbau erfolgt entweder als eigenständiges Röhrensystem (Abbildung 14a) oder in einen Zwischenboden (Abbildung 14b). In beiden Fällen ist es jedoch erforderlich, dass der Träger einen Außenmantel besitzt. Bei keramischen Katalysatorsysteme bedeutet dies einen Mehraufwand, da der Träger noch über eine keramische Matte oder ein Drahtgestrick in einen Mantel eingebracht werden muss.

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Abbildung 14 a: Katalysator als Röhrensystem in den Schalldämpfer eingebaut [10]

Abbildung 14 b: Katalysator in den Zwischenboden des Schalldämpfers eingebaut [11]

Abbildung 15 zeigt die benötigten Bauteile und Kostenblöcke für Metallkatalysatoren mit Mantel und Keramikkatalysatoren. Ein Systemkostenvergleich kann nur unter Betrachtung aller Katalysatorkosten durchgeführt werden.

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Abbildung 15: Bauteile für canningfertige Metall- und Keramikkatalysatoren In Abbildung 16 wurden die prozentualen Kosten der einzelnen Bauteile auf Basis eines Katalysatorträgers mit einem Durchmesser von 350 mm und einer Länge von 150 mm mit 400 cpsi für ein Metallkatalysator- und ein Keramikkatalysatorsystem gleichen Volumens dargestellt. Es wird deutlich, dass der Metallträger inkl. Mantel zwar teurer ist als der Keramikträger, aber die Kosten für den einbaufertigen Keramikträger aufgrund des zusätzlichen Aufwands für das Canning des Trägers (Keramikmatte, Katalysatormantel, Canningprozess, Werkzeuge) vergleichbar sind.

Abbildung 16: Prozentuale Kosten für „canningfertige“ Metall- und Keramikkatalysatorträgern

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Wird der Metallträger mit Standardkanälen durch „turbulente“ Strukturen ersetzt ergeben sich 2 Möglichkeiten. Zum einen kann bei gleichem Katalysatorvolumen Folienmaterial eingespart werden, was zu einer Verringerung der Trägerkosten führt, zum andern kann durch den Einsatz von diesen Strukturen bei gleicher Zelldichte das Katalysatorvolumen reduziert (Kapitel 3.2) und damit Edelmetalle eingespart werden.

Abbildung 17: Systemkosten eines Metallträgers mit Standardkanälen, mit reduzierter Zelldichte und strukturierten Kanälen und mit gleicher Zelldichte und reduziertem Volumen Durch den Einsatz von strukturierten Trägern kann bei gleichem Volumen und reduzierter Basiszelldichte der Preis um 2% und bei reduziertem Volumen und gleicher Zelldichte der Preis aufgrund der Edelmetallersparnis um 7% reduziert werden.

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[1] Richtlinie 1999/30/EG, April 1999, Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und Stickstoffoxide, Partikel und Blei in der Luft [2] Friedrich, A., Umweltbundesamt (UBA), The future diesel emission standards in

Europe: The German approach, 2005 [3] Jacob, E., MAN Nutzfahrzeuge Gruppe, Geschäftseinheit Motoren,

Emissionslimits zukünftiger Nfz-Motoren: Balanceakt zwischen Möglichkeit und Nutzen, 26. Internat. Wiener Motorensymposium April 2005

[4] MAN / RTA Patent EP 1 096 116 A2 [5] Nagel, T., Kramer, J., Presti, M., Schatz, A., Breuer, J., Emitec GmbH, Salzman,

R., Scaparo, J. A., Montalbano, A. J.Ford Motor Company, A new approach of accelerated life testing for metallic catalytic converters, SAE 2004-01-0595

[6] Nonnemann, M., Süddeutsche Kühlerfabrik, New High Performance Gas Flow Equalizing Metal Supports for Automotive Exhaust Gas Catalysts, SAE 900270

[7] Bollig, M., Liebl, J., Zimmer, R., BMW Group, Kraum, M., Seel, O., Siemund, S., Engelhard Technologies GmbH; Brück, R., Diringer, J., Maus, W., Emitec GmbH; Next generation catalysts are turbulent, SAE 2004-01-1488

[8] Maus, W., Brück, R. Emitec GmbH, „Die Zukunft der heterogenen Katalyse im Automobil; Turbulente Katalysatoren für Otto- und Dieselanwendungen“; 26. Internationales Motorensymposium, Wien, 2005

[9] Brück, R., Hirth, P., Maus, W., Emitec GmbH, Dr. Deutschmann, O., Mladenov,

N. Universität Karlsruhe (TH), Grundlagen der „laminaren“ und „turbulenten“ Katalyse;

[10] Jacob, E., Lämmermann, R., Pappenheimer, R., Rothe, D. MAN Nutzfahrzeuge

Gruppe, Geschäftseinheit Motoren, Ein Abgasnachbehandlungssystem für Euro 4 bei Nutzfahrzeugmotoren, MTZ 6/2005

[11] Jacob, E., MAN Nutzfahrzeuge Gruppe, Geschäftseinheit Motoren, Zukünftige

Konzepte im Nutzfahrzeug, IIR-Konferenz Stuttgart, 2003