Bilanzierung der Sauerstoffbefüllung eines 3-Wege-Katalysators

Bearbeiter: M.Sc. J. Bickel

Motivation und Hintergrund des Projekts

Die Einhaltung gesetzlich vorgeschriebener Abgasgrenzwerte macht die Verwendung von effizienten 3-Wege-Katalysatoren (engl. Three-Way Catalyst, TWC) in von Otto-Motoren betriebenen Kraftfahrzeugen unabdingbar. Das Konvertierungsverhalten eines TWC hängt dabei in hohem Maße von der Zusammensetzung des Benzin-Luft-Gemisches ab. Eine optimale Konvertierung aller Schadstoffe im Abgas wird bei Zuführung eines stöchiometrischen Gemisches erzielt, wobei bereits eine geringe Abweichung von einer solchen Zusammensetzung dazu ausreichen kann, die Schadstoffumsetzung drastisch zu verschlechtern. Je nach Fahrsituation kommt es im instationären Betrieb des Verbrennungsmotors unausweichlich zur Bildung von über- und unterstöchiometrischen Benzin-Luft-Gemischen, was einem „mageren Gemisch“ mit Sauerstoffüberschuss im Abgas beziehungsweise einem „fetten Gemisch“ mit Sauerstoffmangel entspricht. Darüber hinaus ist auch die Zuführung eines stöchiometrischen Gemisches beziehungsweise die Kontrolle der Gemischzusammensetzung im Allgemeinen nur im Rahmen der Mess- und Regelgenauigkeit möglich. Diese Umstände haben zu der Einbringung einer Sauerstoffspeicherkomponente in den Katalysator geführt. In aktuell verwendeten Katalysatoren befindet sich Ceroxid auf dem porösen Trägermaterial des Katalysators, welches je nach Sauerstoffvorkommen in unterschiedlichen Oxidationsstufen vorliegen kann. Während es im mageren Betrieb des Motors zur Oxidation des Sauerstoffspeichermaterials kommt, wird dieses im fetten Betrieb wieder reduziert. So kann ein Sauerstoffüberschuss beziehungsweise ein Sauerstoffmangel im Abgasgemisch je nach Sauerstoffspeicherkapazität und aktueller Sauerstoffbeladung des Katalysators ganz oder teilweise ausgeglichen werden, was zu einer deutlich erhöhten Konvertierungsleistung des Katalysators bei nicht-stöchiometrischen Zulaufbedngungen führt. Die Schadstoffumsetzung korreliert also ersichtlicherweise mit der aktuellen Beladung des Sauerstoffspeichers, womit eine Regelung der Beladung zu einer insgesamt gesteigerten Effiziens moderner 3-Wege-Katalysatoren führen kann. Da die Sauerstoffbeladung des TWC mit der im Automobil verbauten Messtechnik jedoch nicht direkt erfasst, sondern nur durch einen Vergleich von Messsignalen vor und nach dem TWC abgeschätzt werden kann, ist es für die Regelung und das Verständnis der Vorgänge im TWC von großer Bedeutung ein Modell für die Sauerstoffbefüllung zu entwickeln, welches aus den im Automobil zur Verfügung stehenden Messsignalen die aktuelle Sauerstoffbeladung des TWC simulationsgestützt bestimmen kann.

Projektziele und Durchführung

Mit Hilfe geeigneter Messungen an einem isothermen Flachbettreaktor soll im Rahmen des Projektes der Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffbefüllungsgrad des Katalysators und dessen Konvertierungsverhalten untersucht werden. Dazu werden aus kommerziellen TWC in unterschiedlichen Alterungszuständen Katalysatorscheiben von einer Kanalhöhe herauspräpariert und im Flachbettreaktor bei wechselnden Zulauf- und Versuchsbedingungen von synthetischem Abgas durchströmt. Die sich einstellenden Konzentrationen der unterschiedlichen Komponenten werden mit Hilfe von einem Massenspektrometer aufgezeichnet. Parallel dazu zeichnet die üblicherweise in einem Automobil vorhandene Messtechnik Sondensignale vor und nach dem Katalysator auf, womit der Zusammenhang zwischen diesen Signalen und den vorliegenden Abgaskonzentrationen untersucht werden kann. Die aus den Messungen gewonnenen Erkenntnisse sollen genutzt werden, um ein detailliertes 1-D Modell des TWC zu implementieren, welches die aktuelle Sauerstoffbeladung des Katalysators als Zustandsvariable enthält, um dieses daraufhin mit Hilfe der Messdaten zu parametrieren. Zusätzlich soll das Modell dazu in der Lage sein, die von der im Automobil verbauten Messtechnik generierten Signale einschließlich ihrer Dynamik zu simulieren. Modell und Messungen sollen gemeinsam genutzt werden, um ein besseres Verständnis der Vorgänge im TWC zu erlangen, was schließlich zur Entwicklung eines vereinfachten Modells führen soll, welches zur Beurteilung des Katalysatorzustandes bei der On-Board-Diagnose des TWC im Fahrzeug verwendet werden kann.

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