Autarke, wärmeintegrierte Abgasnachbehandlungseinheiten für mager betriebene Verbrennungskraftmaschinen in Pkw

Bearbeiter: Dipl.-Ing. J. Bernnat

Hintergrund

Die Anforderungen, die in Zukunft an die Abgasnachbehandlung von Personenkraftwägen gestellt werden sind hoch. Um die immer strengeren Grenzwerte für die Schadstoffe Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) sowie Rußpartikel (PM) beim Diesel einzuhalten (Abb. 1), wird in Zukunft eine komplexe, mehrstufige Abgasnachbehandlung in Verbindung mit innermotorischen Maßnahmen zur Schadstoffreduzierung erforderlich sein.

Abb. 1: Entwicklung der europäischen Abgasgrenzwerte für Pkw mit direkteinspritzendem Dieselmotor bis 3,5 t Gesamtgewicht

Die größte Schwierigkeit stellt bei solchen „add-on“-Lösungen (Abb. 2) das Temperaturmanagement dar, da die aufeinander folgenden Stufen nur in definierten Temperaturfenstern optimal betrieben werden können. Dabei sollen die unterschiedlichen Temperaturen möglichst ausschließlich über die Temperatur sowie die Zusammensetzung des Abgases eingestellt werden. Zusätzlich sind einige Reinigungsstufen vor Übertemperaturen zu schützen. Dies schließt eine Vielzahl von Kombinationen wie z.B. die Anordnung des NOx-Speicherkatalysators hinter dem Partikelfilter aus.

Abb. 2: Vorschlag für eine Abgasnachbehandlung ("add-on"-Lösung zur Erfüllung der Euro5-Norm bei Diesel-Pkw (Robert Bosch GmbH)

Projektbeschreibung

In diesem Projekt wird eine autonome, d.h. im Wesentlichen von der Motorsteuerung unabhängige Abgasnachbehandlungseinheit (Abb. 3) untersucht [1]. Diese besteht im Wesentlichen aus

• Abgaswärmetauscher
• Katalytischem Kraftstoffbrenner
• Oxidationskatalysator
• Partikelfilter
• NOx-Speicherkatalysator

Abb. 3: Prinzpskizze einer autonomen, wärmeintegrierten Abgasnachbehandlungseinheit

Mit diesem Aufbau kann bei niedrigen Abgastemperaturen über den Brenner im Kopf die Temperatur im System angehoben werden. Der Energiebedarf wird dabei durch die Wärmerückgewinnung im Abgaswärmetauscher minimiert.

Das periodische „Anfetten“ des Abgases zur Regeneration des Speicherkatalysators kann ebenfalls über den Brenner oder über die Motorsteuerung erfolgen.

Die Katalysatoren werden direkt auf die Kanalwände im Wärmetauscher oder im Kopf der Einheit platziert. Dabei kann der ideale Temperaturbereich durch die Lage der Katalysatoren festgelegt werden. Bei hohen Abgastemperaturen können optional effiziente Kühlstrategien eingesetzt werden, die sich eine Verstärkung der Kühlwirkung durch den Wärmetauscher zunutze machen.

Dieses Konzept [2] soll im Rahmen eines Projekts durch detaillierte Simulationsstudien untersucht und optimiert werden. Zur Validierung werden Prototypen von keramischen und metallischen Wärmetauschern mit und ohne katalytischen Beschichtungen aufgebaut und an einem Kleindiesel getestet. Für die Integration eines Dieselpartikelfilters bietet sich die Strukturierung von keramischen Monolithen in Bereiche mit porösen und gasundurchlässigen Wandabschnitten an (Abb. 4). Die Voruntersuchungen wurden hier am Institut weitestgehend angeschlossen. Zudem ist der technische Stand der Beschichter und Katalysatorhersteller was die Aufbringung von katalytisch aktiven Komponenten auf solche Trägerstrukturen angeht sehr hoch.

Abb. 4: Prinzipskizze einer autonomen Abgasnachbehandlungseinheit mit integriertem Partikelfilterkopf in keramischer Ausführung

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Literatur

• G. Friedrich, G. Gaiser, G. Eigenberger, F. Opferkuch, G. Kolios
  Kompakter Reaktor für katalytische Reaktionen mit integriertem Wärmerücktauscher
  Europapatent EP 0 885 653 B1 (2003)

• C. Brinkmeier, G. Eigenberger, J. Bernnat, U. Tuttlies, V. Schmeißer, F. Opferkuch
  Autoabgasreinigung – eine Herausforderung für die Verfahrenstechnik
  Chemie Ingenieur Technik (2005)

• G. Kolios, A. Gritsch, A. Morillo, U. Tuttlies, J. Bernnat, F. Opferkuch, G. Eigenberger
  Heat-integrated concepts for catalytic reforming and automotive exhaust purification
  Submitted to Jl. of Applied Catalysis B: Environmental (2005)