FVV-Projekt Katalysatorsimulation - FVV-Nr. 609532
Bearbeiter: Dipl.-Ing. K. Hauff
Hintergrund
Herkömmlicherweise werden Otto-Motoren zusammen mit einem Drei-Wege-Katalysator (TWC) zur Abgasnachbehandlung betrieben. Dies erfordert ein stöchiometrisches Verhältnis von Kraftstoff und Sauerstoff, d.h. der Lambda-Wert muss in einem kleinen Fenster um 1 herum gehalten werden.
Verbrauchsarme Diesel- und Otto-Magermotoren werden bei einem Lambda-Wert sehr viel größer 1 betrieben. Dann ist jedoch keine Reduzierung der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NO x) an einem TWC mehr möglich. Um dennoch die Abgasgrenzwerte einhalten zu können, stehen zur Zeit folgende Verfahren zur Diskussion: die selektive katalytische Reduktion (SCR, selective catalytic reduction), bei der zusätzlich Ammoniak als Reduktionsmittel zugegeben wird, sowie der NOx-Speicherkatalysator (NSC, NOx storage-reduction catalyst).
Der NOx-Speicherkatalysator enthält neben den katalytisch aktiven Edelmetallen auch Barium und besitzt damit die Fähigkeit, während der Motor mager betrieben wird, NOx in Form von Bariumnitrat einzuspeichern. Nach einigen Minuten Einspeicherung wird der Speicher innerhalb weniger Sekunden regeneriert, indem der Motor kurz fett betrieben wird. Das gespeicherte NOx wird dabei in Form von NO freigesetzt und zu N2 reduziert. Am ICVT wurde ein globalkinetisches Modell für den NSC entwickelt ([1], [2]), das die Vorgänge der NOx Speicherung an Bariumcarbonat wiedergibt. Dabei werden die Besonderheiten des NOx Speichers (langsame Speicherung und sehr schnelle Regeneration) durch eine detaillierte Betrachtung der Vorgänge in den Bariumpartikeln wiedergegeben.
Ziel des Projekts
Aktuelle Katalysatorsimulationsmodelle erfordern bei Änderung charakteristischer Kenngrößen wie z.B. der Edelmetallbeladung und –dispersion, der Sauerstoffspeicherkapazität oder des NOx-Speichers eine aufwändige Reparametrierung der Reaktionskinetik. Eine Bewertung des Einflusses von Edelmetallreduktion, Variation der Speicherkomponenten und Änderung des Alterungszustandes auf das Testzyklus-Ergebnis ist mit Hilfe der Simulation derzeit nur sehr eingeschränkt möglich.
Ziel des Projekts ist es daher, die vorhandenen Katalysatormodelle sowohl in Hinblick auf eine Variation des Edelmetallgehalts als auch auf eine qualitative Beschreibung des Alterungszustandes zu erweitern und zu verifizieren. In einem ersten Schritt soll geprüft werden, welche charakteristischen Modellparameter dazu geeignet sind das Aktivitätsverhalten von Abgaskatalysatoren abzubilden und wie sich die Alterung auf die verschiedenen Reaktionsteilschritte auswirkt.
Durchführung des Projekts
Im experimentellen Teil werden Katalysatoren unterschiedlicher Edelmetallbeladung in gezielt hergestellten Alterungszuständen in einem sog. Flachbettreaktor unter isothermen Bedingungen kinetisch untersucht. (Bild Flachbettreaktor) Dabei ist auch eine Bestimmung des Umsatzverhaltens längs des Reaktors möglich, da zwischen den einzelnen Katalysatorscheibchen seitlich Gas für die Analyse abgezogen werden kann.
Für die Modellierung dient das am ICVT entwickelte globalkinetische Modell als Grundlage. Darauf aufbauend soll untersucht werden, wie die reaktionskinetischen Parameter mit den Katalysatorkenngrößen korreliert werden müssen, um den Einfluss der Variation von Edelmetallbeladung bzw. –dispersion und der Speicherkomponenten auf das Katalysatorverhalten wiederzugeben. Durch Vergleich der verschiedenen NSC-Systeme sollen Alterungseffekte identifiziert und darauf basierende Korrelationen erfasst und überprüft werden.
Die Modellierung und Parameteranpassung erfolgt in dem Simulationstool PREDICI (CIT GmbH) sowie dem Tool BOOST (AVL List GmbH).
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V. Schmeisser, J. Koop
Modellierung und Simulation der NOx-Minderung an Speicherkatalysatoren in sauerstoffreichen Abgasen
FVV-Abschlussbericht über das Vorhaben Nr. 608332, 2006 -
U. Tuttlies
Experimentelle Untersuchung und Modellbildung von NOx-Speicherkatalysatoren
Universität Stuttgart, ICVT, Diss. 2006