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Rolf Brück, Thomas Cartus, Klaus Müller-Haas, Dr. Axel Schatz, Naroa Zaldua Moreno, Marat Karibayev

Continental Emitec, Lohmar

„NOx freies Abgas“ – der Schlüssel liegt in der Adblue Dosierung NOx free Exhaust Gas – Adblue Dosing is the Key

1. Kurzfassung Die Abgasemissionen für Dieselmotoren in der automotiven Anwendung konnten im neuen Jahrtausend drastisch gesenkt werden. Die von EURO 6 / VI Dieselmotoren emittierten Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid – und Partikelkonzentrationen sind teilweise niedriger als die in der Umgebungsluft. Die Motoren belasten damit, hinsichtlich der genannten Emissionen, nicht die Umwelt. Leider ist das für die Stickstoffoxydemission NOx heute noch nicht der Fall. Setzt man den Europäischen Air Qualitiy Immissions Grenzwert für NO2 (40g/m3) ins Verhältnis zu den Euro 6 / VI NOx Grenzwerten, so wird deutlich, dass das Abgas von EURO 6 / VI Motoren ca. 3 Größenordnungen höhere NOx Konzentrationen enthalten darf. In den USA, bzw. Kalifornien geht man bereits durch eine weitere 90 % Absenkung der NOx Grenzwerte durch die Einführung der SULEV Gesetzgebung, bzw. der in Diskussion befindlichen NFZ Grenzwerte für Kalifornien ab 2020 einen Schritt weiter. In Konsequenz verschiebt sich der Fokus für die Entwicklung zukünftiger Emissionskonzepte auf die NOx Reduktion, natürlich verbunden mit der Forderung CO2 Emissionen, damit Kraftstoffverbrauch und Systemkosten weiter zu senken. Die SCR Technologie wird als Schlüsseltechnologie zur NOx Verminderung so in zukünftige Antriebssysteme zu integrieren sein, dass NOx Reduktionen ≥ 98% in weiten Motorkennfeldbereichen darstellbar sind ohne den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen. Voraussetzung hierfür ist neben einer weiter verbesserten SCR Katalysatortechnik die präzise Zumessung des Reduktionsmittelträgers AdBlue, sowie dessen Verdampfung und ablagerungsfreie Zersetzung zum eigentlichen Reduktanten Ammoniak bei kleinstem Bauraumbedarf. Erschwerend kommt hinzu dass die Europäische Legislative durch die Einführung der RDE (Real Driving Emissions) PKW Gesetzgebung bzw. der verschärften In Use Compliance Regulierung für NFZ die Funktionalität der Abgasnachbehandlung praktisch im gesamten Kennfeldbereich überprüft Diese Veröffentlichung beschreibt, basierend auf dem Konzept der Gegenstromeindüsung in Kombination mit einem Vorturboladerkonzept wie die oben beschriebenen Herausforderungen zu meistern sind. Hierzu werden umfangreiche Berechnungs- und Versuchsergebnisse incl. RDE zur Konzeptentwicklung vorgestellt und diskutiert. 2. Einführung Während sich im PKW Bereich etwa jeder zweite Kunde für einen Diesel entscheidet, ist im NFZ Bereich der Diesel die dominierende Antriebsquelle. Im Bereich kommerzieller Antriebe sind Leistungsdichte und Drehmomentcharakteristik in der Kombination mit niedrigsten Kraftstoffverbräuchen und damit CO2 Emissionen ohne Alternative. Für den

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PKW ist der zusätzlich generierte Fahrspaß ein überzeugendes Argument für den Markterfolg geworden. Aktuelle Studien zeigen für den Diesel PKW in Deutschland unter Berücksichtigung der für die Stromerzeugung emittierten CO2 Emissionen aus dem aktuellen Kraftwerksmix einen deutlichen Vorteil gegenüber dem reinen Elektroantrieb [1]. Auch neue Erdgasfahrzeuge erreichen nicht die CO2 Werte von vergleichbaren Diesel-PKW [2]. Zwar ist die Kombination mit einem elektrischen Antrieb zur Rückgewinnung von Bremsenergie mit der Fokussierung des Betriebs auf den Kennfeldbereich optimalen Kraftstoffverbrauchs der zukünftige Entwicklungsweg, dennoch bleibt der Dieselmotor eine Komponente des Antriebsstrangs und die weltweite Anzahl der Dieselmotoren wird bis 2050 weiter ansteigen [3]. Neben seinen exzellenten Verbrauchseigenschaften hat sich der Dieselmotor seit der marktübergreifenden Einführung des Dieselpartikelfilters zu einem umweltfreundlichen Antriebsaggregat entwickelt. Die Konzentrationen von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Feinstpartikel heutiger Euro 6 / VI Dieselmotoren sind nach der Abgasnachbehandlung teilweise niedriger als die der Umgebungsluft in Europäischen Großstädten. Leider trifft dies für die NOx Emission, die im Abgas deutlich über der Umgebungskonzentration liegt, nicht zu. Zusammen mit Ozon und Feinstaub gehört das Reizgas NO2 zu den drei gefährlichsten Substanzen in der Luft, die nach Schätzungen der EU allein in Europa für mehr als 400.000 vorzeitige Todesfälle verantwortlich sind. Rund 90 Prozent aller Stadtbewohner in der EU seien Abgaskonzentrationen ausgesetzt, die die Weltgesundheitsorganisation als gefährlich einschätze, heißt es aus Brüssel [4]. Zwar geht das deutsche Bundesministerium für Umwelt in seiner Studie [5] davon aus, dass die eingeleiteten Maßnahmen die NO2 Immission bis 2030 ausreichend reduzieren und somit keine weitere signifikante Absenkung der NOx Euro 6 / VI Grenzwerte nötig sind, allerdings wird zukünftig die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte im realen Betrieb im Vordergrund stehen. Die Real Driving Emission Gesetzgebung (RDE) für PKWs und die In Use Compliance Regulierung (IUC) für NFZ stellen die Herausforderung für die aktuelle und zukünftige Entwicklung dar. In den USA bewertet man das NOx Gefahrenpotential nochmals deutlich kritischer, mit der Konsequenz der USA SULEV 20 Gesetzgebung für den PKW und der aktuellen Diskussion über eine weitere optionale Absenkung der NOx Grenzwerte für NFZ in Kalifornien um bis zu 90 % [6]. Für die Fahrzeug- und Motorenindustrie ist die Herausforderung konsequenterweise niedrigste NOx Emissionen synchron mit minimalen CO2 Emissionen darzustellen. Die SCR Technologie hat sich als hocheffiziente Maßnahme zur nachmotorischen NOx Reduktion etabliert. Die Einführung in die automotive Großserie erfolgte 2005 mit dem Inkrafttreten der EU IV Nutzfahrzeug Gesetzgebung in Europa, schon 2008 folgten erste Non-Road Applikationen zur Erfüllung von Tier 3 / Stage III A Richtlinien und ab 2010 für EU Stage III B in Europa, bzw. 2012 für Tier 4i in den USA [7]. Im Jahr 2008 wurde zur Erfüllung der USA TIER II BIN 5 Grenzwerte und in 2010 mit der Zielsetzung EURO 6 die SCR Technologie in Kombination mit dem Dieselpartikelfilter auch für den Diesel-Pkw in den Markt gebracht. Die SCR Technologie ist heute die dominierende nachmotorische NOx Reduktion, allerdings ist neben hochaktiven Katalysatoren die präzise Zumessung des Reduktionsmittels, die anschließende Zersetzung der wässrigen Harnstofflösung und die Gleichverteilung des eigentlichen Reduktionsmittels Ammoniak vor dem SCR Katalysator Voraussetzung um die geforderten hohen NOx Reduktionsraten erfüllen zu können. Herausforderungen, die vor dem Hintergrund der durch die steigende Effizienz der Verbrennung sinkenden Abgastemperaturen und durch den knappen Bauraum immer

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kompakter werdend Abgasnachbehandlungssystemen, technisch anspruchsvolle Lösungen erfordern. Zur Darstellung der benötigten hohen NOx Reduktion durch die Abgasnachbehandlung sind verschiedene Maßnahmen möglich, die einzeln oder in Kombination angewendet werden können.

- Die Integration einer Komponente in den Abgasstrang, die NOx bei niedrigen Temperaturen speichern kann und im SCR Betriebsfenster wieder desorbiert (Kombination NOx Speicherkatalysator und SCR).

- Die Anhebung der Abgastemperatur für den effizienten SCR Betrieb durch innermotorische Maßnahmen (Temperaturmanagement), mit dem Nachteil des CO2 Anstiegs oder durch den Einsatz eines elektrisch beheizten Katalysators

- Lokalisierung des Oxidationskatalysators, Eindosierung des Reduktionsmittels und des SCR Katalysator dicht an der Verbrennung möglichst vor den Turbolader, der zumindest im Niedriglastbetrieb eine große Temperatursenke darstellt

Unter der Berücksichtigung, dass die notwendige Temperatur für die Verdampfung und Zersetzung des Reduktionsmittels höher liegt als der Beginn der SCR Katalysatoraktivität ist es aus Sicht der Abgasnachbehandlung sinnvoll, die Reduktionsmitteleindüsung und den Oxidationskatalysator (DOC) in Strömungsrichtung vor der Turbine anzuordnen, auch wenn die thermodynamischen Nachteile für die Aufladung und insbesondere für den transienten Motorbetrieb bekannt sind. Die heute in Entwicklung befindlichen zukünftigen Aufladetechnologien, wie der elektrisch unterstützte Turbolader oder elektrische Kompressoren, sowie die elektrische Maschine des Hybridantriebs, haben das Potential die thermodynamischen Nachteile bezüglich der Motordynamik zu kompensieren. Im Folgenden werden die Optionen zur Einbringung von Katalysator und Eindosierung in die Abgasstrecke betrachtet und anhand von Untersuchungs- und Simulationsergebnissen erste Grundlagen für ein solches Vorgehen erarbeitet. 3. Stand der Technik Die folgenden Unterpunkte beschreiben Konzepte wie sie bereits heute umgesetzt werden bzw. in Planung sind, im Detail das Universal Decomposition Pipe – UDP für den kommerziellen Antrieb und den CompactCat® mit Gegenstromeindüsung für die PKW Applikation.

3.1. Universal Decomposition Pipe - UDP Während in der PKW-Industrie heute motornahe Katalysatoren zur Standardkonfiguration gehören, sind im NFZ-Bereich heute motorferne, rahmenmontierte Schalldämpfersysteme mit integrierten Abgasnachbehandlungskomponenten, Stand der Technik. Für Landmaschinen wurde die motornahe Katalysatortechnologie schon mit der Einführung der Tier 4i / EU Stage IIIB Gesetzgebung, bedingt durch begrenzten Bauraum, erfolgreich modular aufgebaut [8]. Unabhängig von der Bauform des Abgasnachbehandlungssystems besteht die Forderung einer NOx Reduktion durch das Abgasnachbehandlungssystem deutlich mehr als 90 %. Die Einführung neuer Technologien, wie etwa den SCR beschichteten Dieselpartikelfilter, in Kombination mit der Forderung weiterhin Systemkosten und -gewicht zu reduzieren, erfordern eine Steigerung des volumetrischen Katalysator-Wirkungsgrades auch durch eine optimierte Aufbereitung des eingedüsten Reduktionsmittels. Damit ist die Qualität der Reduktionsmittelzugabe für eine hoch effiziente SCR-Technologie essentiell.

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Der Prozess der Reduktionsmittelzugabe lässt sich in die folgenden Schritte unterteilen:

Eindüsung der wässrigen Harnstofflösung (HWL) Verdampfung des Wassers Die anschließende Zersetzung des Harnstoffes durch Thermolyse in Isocyansäure

und Ammoniak Die Bildung von Ammoniak und Kohlendioxid aus Isocyansäure und Wasser

(Hydrolyse)

Abbildung 1: Aufbau des Universal Decomposition Pipe – UDP Dem Prozess der Verdampfung kommt eine besondere Bedeutung zu, denn solange Flüssigbestandteile an kalten Flächen der Abgasanlage kondensieren können, besteht hier ein erhöhtes Risiko für Wandfilmbildung und Schließlich einer Ablagerungsbildung. Damit ergeben sich im Niedertemperaturbetrieb maximale Dosiermengen von wässriger Harnstofflösung. Die Ablagerungen bestehen dabei im einfachen Fall aus festem Harnstoff, welcher bei höheren Temperaturen wieder andampft, oft aber auch aus komplexeren Verbindungen wie Biuret, Ammelin, Amelid und Cyanursäure, die im normalen Fahrzeugbetrieb nicht mehr abgebaut werden können. Die temperaturabhängige Dosierfreigabebedingung ist demnach ein Kompromiss zwischen NOx Reduktion bei niedrigen Abgastemperaturen und der Vermeidung von Wandfilm- Ablagerungsbildungen im Abgassystem. Um den Prozess der Reduktionsmittelzugabe möglichst effizient durchzuführen, entwickelte Continental-Emitec das Konzept einer „Universal Decomposition Pipe“ (UDP) mit folgenden Zielen:

Kombination aller oben genannten Funktionen der Reduktionsmittelzugabe, sowie einer ersten Vermischung Reduktionsmittel – Abgas in einem Modul

Konfusor

MX - Metalit mit TiO 2 Beschichtung

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Kompakte Bauweise und flexible Integration in unterschiedlichsten Applikationen Funktion unabhängig von der Systembauform oberhalb der UDP, bzw. der

Anströmung Sichere Tropfenverdampfung auf einer heißen Oberfläche Maximierung der Verdampferoberfläche durch Einsatz eines Metallträgers Verbesserung der Verdampfung und Zersetzung durch die Applikation einer

Hydrolysebeschichtung Maximaler Gegendruckanstieg von 25 mbar Abbildung 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der UDP. Der Injektor für die Harnstoffwasserlösung ist in einer keilförmigen Ausweitung des Gehäuses (Cockpit) senkrecht zur Gaseintrittsseite des mit Hydrolysebeschichtung versehenen MX Metallträgers angeordnet. Die Kanäle des MX Metallträgers sind teilweise durch Führungsschaufeln verschlossen, so dass die dosierten Flüssigkeitstropfen auf eine heiße Oberfläche treffen. Die Glattlage wiederum ist gelocht, so dass das Gas von einem Kanal in den Nachbarkanal überströmen kann und so die Mischung zwischen Reduktionsmittel und Abgas unterstützt wird. Zusätzlich bleibt so der Gegendruckanstieg durch die teilverschlossenen Kanäle gering. Ein zusätzliches Bauteil ist der Konfusor, der einerseits die Strömung auf die MX Metallträger Gaseintrittsseite ausrichtet und anderseits im „Cockpit“ eine Rückströmung unterstützt, so dass Tropfen von der Injektorspitze wegtransportiert werden und keine Ablagerungen an der Cockpit Rückseite entstehen können.

Abbildung 2: Einfluss verschiedener UDP Konfigurationen auf die maximale

ablagerungsfreie HWL Dosiermenge und das NOx Reduktionspotential

0

5

10

15

20

25

30

35

UDP ohneEinbauten

UDP mit HydrolyseKat (MX 90 mm)

UDP mit HydrolyseKat (MX 74,5 mm)

+ EHC(ohne Heizung)

UDP mit HydrolyseKat (MX 74,5 mm)

+ EHC(mit Heizung)

Abla

geru

ngsf

reie

Adbl

ueM

enge

/N

Ox

Red

uktio

nspo

tent

ial[

g/kW

h]

NOx Reduktionspotential AdBlue Menge

N 1/min 1200

Md Nm 300

SCR Kat Temperatur °C ~205

SV (SCR Katalysator) 1/h ~23000

HWL @ Alpha =1 g/h 880

KonfusorØ127 Ø110

KonfusorØ127 Ø110

KonfusorØ127 Ø110

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Wesentliche Konstruktionsparameter sind der Abstand der Injektorspitze von der Gaseintrittsfläche des MX-Metaliten, der Injektorspraywinkel und die Massenverteilung der wässrigen Harnstofflösung auf der Auftrefffläche des MX-Metaliten. Diese Größen bestimmen die lokale Wärmeübertragung, somit die Verdampfung und schließlich die Tendenz Ablagerungen zu bilden. Den Einfluss der UDP Konfiguration auf die maximale ablagerungsfreie HWL Dosiermenge zeigt Abbildung 2. Hier wurde, ausgehend von einem Leerrohr für verschiedene UDP Varianten, die HWL Dosiermenge in einem Niederlast-Betriebspunkt (siehe Tabelle in Abbildung 3) auf dem Motorprüfstand jeweils bis zum Auftreten einer erkennbaren Ablagerung gesteigert. Untersucht wurden eine Variante mit einem MX-Metalit mit 90 mm Länge, sowie eine Variante mit MX-Metalit mit 74,5 mm Länge und zusätzlich vorgeschaltetem elektrisch beheizbarem Katalysator (EHC). Der EHC wurde unbeheizt und mit einer elektrischen Leistung von 1,7 kW betrieben. Man erkennt, dass bereits die zusätzliche Anordnung des MX-Metaliten das NOx Reduktionspotential um Faktoren ansteigen lässt. Die zusätzliche Beheizung ermöglicht eine ablagerungsfreie NOx Reduktion von mehr als 15 g NOx/ kWh im geprüften Lastpunkt.

3.2. CompactCat® mit Gegenstrom Eindüsung Auch für die PKW Anwendung ist mit der RDE Gesetzgebung die Forderung nach höchster Emissionsreduktion, insbesondere die Reduktion von NOx, im gesamten Kennfeld valide. Zusätzlich ist eine kompakte, modulare Bauform des Antriebsstrangs ein Muss, um die heutige vom Kunden gewünschte Fahrzeug Modellvielfalt realisieren zu können. Beispielsweise haben Volkswagen für seinen modularen Querbaukasten [9] und Volvo Car für seine 4 Zylinder Otto- und Dieselmotoren [10] entsprechend sehr kompakte Lösungen entwickelt. Eine Voraussetzung für die Integration der SCR Technik in solch kompakte, motornahe Abgassysteme war die Einführung des SCR beschichteten Dieselpartikelfilters. Allerdings stellt die konzeptbedingte Bauraumknappheit höchste Anforderungen an die Reduktionsmittelzugabe um die oben beschriebene Reduktionsmittelaufbereitung zu realisieren. Ein möglicher Lösungsansatz ist der hier beschriebene CompactCat® mit Gegenstrom-Eindüsung.

Abbildung 3: Aufbau eines CompactCat® Systems mit Gegenstrom Einspritzung

SDPF

DOC

Injektion von Reduktionsmittel

Hydrolyse-beschichtung

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Wie Abbildung 3 schematisch zeigt, ist ein erster Katalysator, entweder Oxidationskatalysator oder NOx Speicherkatalysator, direkt nach Turbine angeordnet. Die direkte Anströmung erzeugt eine exzellente Strömungsgleichverteilung vor der Katalysatoreintrittsfläche. Das umschließende Gehäuse bewirkt eine Umströmung des Katalysators mit entsprechend guter thermischer Isolierung der Komponente. Die minimierten radialen Wärmeverluste in Kombination mit der guten Anströmung erhöhen Effektivität und reduzieren Wärmeverluste im Schubbetrieb. Der konusfreie Übergang zum SCR beschichteten Partikelfilter dient als Mischkammer und führt bedingt durch die großen Strömungsquerschnitte trotz der 180° Strömungsumlenkung nur zu geringen Anstiegen des Abgasgegendrucks. Die Eindosierung des Reduktionmittels erfolgt über einen in Strömungsrichtung nach dem ersten Katalysator angeordneten Injektor. Die Spritzrichtung ist entgegen der Strömung auf die heiße Gasaustrittsseite des Katalysators gerichtet, an der das Reduktionsmittel verdampft. Ca. 20 mm des hinteren Endes des Katalysators ist mit einer Hydrolysebeschichtung versehen, so dass Verdampfung und Zersetzung effektiv erfolgen. Diese Form der Eindosierung erfordert eine angepasste Spray- und Injektorcharakteristik.

Tropfenverteilung: Alle Tropfen müssen die Katalysatoraustrittsfläche erreichen. Aufgrund der Neigung der Injektorachse zur Katalysatoraustrittsfläche müssen die Tropfen unterschiedlich lange Wege bis zur Gasaustrittsfläche zurücklegen. Der Impuls der einzelnen Tropfen muss somit so groß sein, dass in allen Lastpunkten der Großteil der eingespritzten Reduktionsmittelmenge die Katalysatoraustrittsfläche erreicht um die vollständige Verdampfung/Umsetzung an der Hydrolysebeschichtung sicherzustellen.

Homogene Verteilung der eindosierten Reduktionsmittelmenge auf der Katalysatoraustrittsfläche. Die Verdampfungsenthalpie der Tropfen führt lokal zu einer abnehmenden Temperatur an der Oberfläche des Katalysators. Es muss sichergestellt werden, dass die durch das Abgas hinzugefügte Energie diesen Temperaturabfall ausgleichen kann um mögliche Ablagerungen zu vermeiden. Dies wird durch eine Maximierung der benetzten Oberfläche in Kombination mit einer möglichst homogenen Massenverteilung auf der benetzten Oberfläche erreicht.

Abbildung 4: Darstellung der Stromlinien für einen festen Zeitpunkt

(Abgasmassenstrom 272 kg/h, Abgastemperatur 397 °C)

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In den im Folgenden beschriebenen Versuchen wurde ein 8-Loch Entwicklungsinjektor mit einem Austrittswinkel von 28° x 36° eingesetzt, der im gewählten Betriebspunkt einen mittleren (SMD) Tropfendurchmesser von 130 µm erzeugt. So werden die oben beschriebenen Randbedingungen für die geforderte Einspritzmenge realisiert. Wie eine CFD Analyse (Abbildung 4) zeigt, wird das verdampfte Reduktionsmittel mit dem Abgas um den Oxidationskatalysator geleitet. Dadurch vergrößert sich die nutzbare Strömungslänge für die Zersetzung des Reduktionsmittels und die Vermischung mit dem Abgas. Bei der Zusammenführung der Teilströme vor dem SDPF entsteht eine torodiale Strömung, die für ein perfektes Mischverhalten sorgt. Die Validierung der CFD Analyse erfolgte anhand von Untersuchungen auf dem Motorprüfstand. Im Abgasstrang eines 1,5 l Serien Dieselmotors wurde ein CompactCat® System mit Gegenstromdosierung integriert. Das System beinhaltet einen Oxidationskatalysator mit Hydrolysebeschichtung (114 * 140 mm, 300/600 LS mit 50 µm) sowie einen nachgeschalteten SCR Katalysator. Für die NH3 Verteilungsmessungen wurde ein FTIR Messgerät eingesetzt, das, mit einem Zweiachs-Verfahrsystem gekoppelt, die Konzentrationsverteilung nach SCR messen konnte. Über eine Bilanzrechnung konnte dann auf die NH3 Verteilung vor dem SCR Katalysator rückgeschlossen werden.

Abbildung 5: Verteilung der NH3 Konzentration [ppm] bei verschiedenen Lastpunkten Die Ergebnisse für drei Lastpunkte sind in Abbildung 5 dargestellt. Uniformity Indizes zwischen 0,943 und 0,967 bestätigen, dass die im CompactCat® erzeugte Strömung eine exzellente NH3 Gleichverteilung bewirkt und somit auf einen NH3 Mischer verzichtet werden kann.

4. Konzept Oxidationskatalysator und Reduktionsmittelzugabe vor Turbine 4.1. Stand des Wissens

Der konsequente nächste Schritt um der Herausforderung niedriger Abgastemperaturen im Abgasstrang von Dieselmotoren zu begegnen, ist die Positionierung von Katalysatoren vor der Turbine. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit sorgfältiger Auslegung und

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Konstruktion eine solche Integration möglich ist. Ein Beispiel ist die Anordnung eines konischen Oxidationskatalysators mit einem Volumen von einem Liter vor der Turbine eines 2.0 l Euro 5 CR Dieselmotors, als Alternative zu dem nach Turbolader platzierten Serienkatalysator [11] [12].

Abbildung 6: Konischer Oxidationskatalysator (Vol. 0.5 bis 1l) als Pre Turbo Cat (PTC).

Abgaskrümmer, PTC und Turbine im kompakten Einbau. Mit der Vorturbo-Anordnung ergab sich dabei ein entscheidender Temperaturvorteil im NEFZ. Der Temperaturunterschied vor Katalysator betrug bei der vor Turbinen Position in den ersten 800 s in den Beschleunigungsphasen bis zu 100 K, im Anschluss sogar bis zu 125 K.

Abbildung 7: Temperatur vor Oxidationskatalysator und Emissionseffektivität im NEFZ.

Vergleich Serien- und Vorturbolader-Katalysator.

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Diese positive Wirkung überkompensierte die 25 –30 K niedrigere Temperatur in den Schubphasen bedingt durch das schnellere Abkühlen. Den positiven Einfluss dieser Maßnahmen auf die Emission ist in Abbildung 7 dargestellt [11] [12]. Das Einbringen eines Katalysatorvolumens in der Größenordnung 0.5 l bis 1.0 l vor dem Turbolader ändert natürlich die Druckverhältnisse vor der Turbine und fügt eine zusätzliche Wärmekapazität ein und beeinflusst das dynamische Turbinenverhalten. Hiermit stellt sich die Frage, ob und inwieweit diese negative Wirkung neutralisiert werden kann. Lösungsansätze wurden im Rahmen der zitierten Untersuchungen bereits erprobt. Bei Lastaufschaltung (von Mitteldruck 2 bar auf Volllast) wurde die VTG-Regelung angepasst (Begrenzung des maximalen VTG-Verstellweges bzw. Einschränkung der Verringerung des Turbinenöffnungsquerschnitts bei Lastaufschaltung) und die Abgasanlage vor Turbine aufgeheizt. Die Kombination dieser Maßnahmen, erprobt an einem 0.5 l konischen Katalysator, konnte die negative Wirkung auf die Laderdynamik teilweise kompensieren (siehe Abbildung 8) [12].

Abbildung 8: Oben: Lastaufschaltung mit angepasster Ladersteuerung und variierter

Aufheizung (von pme = 2 bar auf Volllast bei n = 2000 min-1). Unten: Beschleunigung von 70 km/h auf 120 km/h im 5. Gang mit angepasster Ladersteuerung.

Die Anpassung der VTG-Regelung wurde bei einer Beschleunigung von 70 km/h auf 120 km/h mit ähnlichen Ergebnissen wiederholt. Denkbar wäre es, die oben beschriebenen Dynamiknachteile in der Zukunft mit dem Einsatz eines elektrisch unterstützten Turboladers oder eines elektrischen Kompressors zu kompensieren. Der Ansatz Abgasnachbehandlung vor Turbolader ist insbesondere für Hybridfahrzeuge attraktiv. Der Verbrennungsmotor kann über weite Strecken quasi stationär betrieben werden, während der Elektromotor die Fahrdynamik unterstützt. Hier wären dann für den Fahrer Dynamiknachteile nicht wahrnehmbar.

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4.2. SCR - Randbedingungen und Betriebsparameter Die Kenntnis der Einflussparameter und der Randbedingungen, die die SCR Effizienz beeinflussen, ist essenziell um die SCR-Funktion zu optimieren. Eine entscheidende Rolle spielt das Temperaturfenster, in dem der SCR-Katalysator aktiv wird und wird neben der verfügbaren Oberfläche durch die SCR-Beschichtung bestimmt. Cu-Zeolith-Beschichtungen eignen sich besonders gut im Niedertemperaturbereich und führen zu einem schnellen Erreichen des Light-Offs. Wie in Abbildung 9 zu erkennen ist, zeigen moderne Beschichtungen bereits bei 140 °C eine NOx-Konvertierung von ca. 65 % und bei 165 °C von fast 90 %, wenn ein NO2 / NOx-Verhältnis von 50 % vorhanden ist [13].

Abbildung 9: NOx-Konvertierung nach Alterung (64 h bei 750 °C) mit moderner Cu-

Zeolith-Beschichtung bei einem Verhältnis NO2 / NOx von 50 % [13]. Die Dosierstrategie muss diese Limitierungen berücksichtigen, denn eine Freigabe der Dosierung ist nur dann sinnvoll, wenn die Temperatur vor Cu-Zeolith-Katalysator über ca. 140 °C - 160 °C liegt. Zusätzlich sollte das NO2 / NOx Verhältnis vor dem SCR-Katalysator ausreichend hoch sein. Ein weiterer Einflussparameter auf die NOx Konvertierung ist die Ammoniak-Speicherkapazität des SCR-Katalysators. Diese kann in Temperaturbereichen mit limitierter Dosiermengenzugabe die NOx Konvertierung unterstützen, muss aber in der Dosierstrategie berücksichtigt werden. Schließlich ist die Gleichverteilung des Ammoniaks im Abgas vor Katalysator als Vorrausetzung für höchste Konvertierungsraten relevant. Die Anwendung von statischen Mischern zur Vergleichmäßigung der Ammoniak Konzentration ist eine Standardlösung, die allerdings einen zusätzlichen Druckanstieg erzeugt. Es stellt sich die Frage, ob mittels einer geschickten Abgasanlagenkonstruktion auf solche Komponenten verzichtet werden kann. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der SCR-Katalysator ab ca. 150 °C nennenswerte NOx-Reduktionsraten erreichen kann, wenn das NO2 / NOx Verhältnis ausreichend hoch ist und genügend Ammoniak (inklusive gespeicherte Mengen) homogen im Abgas verteilt, vorhanden ist.

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4.3. Systembeschreibung zur Untersuchung von Vorturbo-DOC/HWL Systemen Die im Folgenden beschriebenen Untersuchungen auf dem Motorprüfstand wurden an einem seriennahen 2.0 l Dieselmotor mit Euro 5 Emissionstand und einer Leistung von 110 kW durchgeführt.

Abbildung 10: Die verschiedenen untersuchten Abgassystemkonfigurationen Untersucht wurden insgesamt 3 Abgasnachbehandlungssysteme, wie sie in Abbildung 10

dargestellt sind: - STANDARD: Diese Konfiguration entspricht bis auf die Reduktionsmitteleindüsung

einer typischen Euro 6 Applikation. Der DOC ist motornah direkt nach Turbine angeordnet, die Reduktionsmitteleindüsung erfolgt im Gegenstrom auf die mit einer Hydrolysebeschichtung versehene Gasaustrittsseite, dann folgt eine Mischerstruktur und schließlich der SDPF.

- PRE TURBO: Hier sind DOC und Reduktionsmitteleindüsung vor der Turbine angeordnet, zusätzlich wurde ein MX-Metalit unmittelbar vor Turbineneintritt zum Schutz der Turbine vor Tropfenschlag installiert. Der MX Metalit ist ebenfalls mit einer Hydrolysebeschichtung versehen (Abbildung 11). Auf eine Mischerstruktur nach Turbine wurde verzichtet. Die Position des SDPF ist unverändert zur Konfiguration Standard.

- PRE TURBO PLUS: Hier wurde zusätzlich zur Pre Turbo Konfiguration ein SCR Katalysatorvolumen unmittelbar nach Turbine installiert. Ziel ist es den Vorteil eines direkt an die Turbine anschließenden SCR Katalysatorvolumens zu zeigen. Um ein schnelles Ansprechen zu gewährleisten wurde eine LS/PE Struktur gewählt. Diese Struktur zeichnet sich zwar durch eine reduzierte Oberflächenverfügbarkeit aus, hat jedoch eine sehr niedrige spezifische Wärmekapazität und unterstütz das Aufheizen nachgeschalteter Komponenten.

Die anschließende Tabelle enthält Informationen zu den eingesetzten Komponenten.

DOC SDPF

Reduktions-mittel

HydrolyseKatalysator

Mischer

Turbine

DOC SDPF

Reduktions-mittel

HydrolyseKatalysator

Turbine

MX Struktur

DOC SDPF

Reduktions-mittel

HydrolyseKatalysator

Turbine

MX Struktur

SCR

Konfiguration: Standard Konfiguration : Pre Turbo

Konfiguration : Pre Turbo Plus

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Komponente Durchmesser x

Länge [mm] Zellstruktur

[cpsi] Wandstärke

[µm] Volume

n [l] Beschichtung

DOC: 114,4 x 95 300/600 LS 40 0,98 Serie Hydrolysescheibe: 118 x 10 300/600 LS 40 0,10 TiO2 MX Metalit: 60 x 50.8 40 cpsi MX 65 0,14 TiO2 SCR Kat: 114 x 74.5 300/600

LS/PE 40 0,76 Cu-Zeolith

SDPF 159 x 140 2,78 Cu Zeolith, Serie

Abbildung 11: Anordnung der Abgasnachbehandlungskomponenten vor Turbine Zur Positionierung des Injektors der Gegenstrom Dosierung und zur ersten Auslegung der Dosierstrategie wurden CFD Berechnungen durchgeführt. Hierbei wurde der Einfluss des mit dem Kurbelwinkel variierenden Gegendrucks und Massenstroms auf die Güte des Dosiervorgangs abgeschätzt. So konnten verschiedene Spraycharakteristika und Einspritzzeiten bezüglich ihrer Eignung für die Pre Turbolader Dosierung bewertet werden. In dieser Simulation wurde neben den Katalysatoren auch die Turboladergeometrie durch ein poröses Medium mit einer Porosität von 95 % ersetzt. Dieses Medium erzeugt für einen konstanten Lastpunkt einen zeitlichen Mittelwert für den Gegendruck vor Turbine. Ein konstanter Lastpunkt (N = 2050 min-1, mittlerer eff. Druck 1,8 mbar) wurde gewählt; der dabei entstehende Massenstrom am DOC-Austritt ist als Funktion des Kurbelwinkels in Abbildung 12 oben dargestellt. Der phasenweise zeitlich überlagerte Abgasausstoß zweier Zylinderauslässe führt in einigen Kurbelwinkelbereichen zu einem um den Faktor 2 überhöhten Massenstrom am Katalysatorausgang des DOCs. Eine Analyse der Geschwindigkeitsverteilungen am DOC-

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Austritt zeigt eine entsprechende Abhängigkeit vom Kurbelwinkel. Erkennbar ist, dass in einem Kurbelwinkelfenster (hier 750 °KW – 840 °KW) sehr gute lokale Geschwindigkeits-verhältnisse (geringer Massenstrom, gute Verteilung) herrschen und somit günstige Randbedingungen für die Tropfeninjektion existieren. Ein anderer Kurbelwinkelbereich (1210 °KW – 1300 °KW) zeigt das Gegenteil (Abbildung 12 unten). Ein größerer Flächenanteil erfährt Geschwindigkeiten (z-Komponente) von über 10 m/s, so dass eine erhöhte Einflussnahme auf die Flugbahn der eindosierten Tropfen zu erwarten ist.

Abbildung 12: Oben: Abgasmassenströme im Hydrolyse-Katalysator als Funktion des

Kurbelwinkels. Unten: 3D-Strömungslinien und Verteilung der senkrechten Geschwindigkeit an der Austrittsfläche des Hydrolyse-Katalysators in der günstigen (links) und ungünstigen Kurbelwinkelphase (rechts).

Ein direkter Vergleich zwischen den beiden Extremen zeigt jedoch, dass die Dosierung des Reduktionsmittel eher unempfindlich auf die veränderliche Strömungsgeschwindigkeit reagiert. Abbildung 13 stellt für beide Kurbelwinkelbereiche den Anteil der auf der DOC Rückseite angekommenen flüssigen Tropfenmasse (bezogen auf die Gesamteinspritzmenge) dar, abzüglich der bereits verdampften Tropfenmasse. Es zeigt sich, dass mit dem gewählten Injektorspray die maximale Tropfenmasse in der günstigen Einspritzphase mit 93,88 % nur gering oberhalb der aus der ungünstigen Phase (93,47 %) liegt. Dies bedeutet dass in dem hier gezeigten Lastpunkt eine Eindüsung in Abhängigkeit von den aktuellen Geschwindigkeitsverhältnissen nicht erforderlich ist. In beiden Fällen

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erreicht der Großteil der Tropfen die hydrolysebeschichtete Rückseite des DOC Trägers. In diesem Betriebspunkt scheint der zweite MX Hydrolyseträger nicht notwendig. Eine Überprüfung, ob diese Aussage im gesamten Kennfeld gilt, ist noch zu erarbeiten.

Abbildung 13: Vergleich der nach der Injektion (ton = 3 ms) auf der Rückseite des DOCs

angekommenen Tropfenmassen (bezogen auf die eindosierte Gesamtmasse) im günstigen (> 750 °KW) und ungünstigen (>1210 °KW) Bereich.

Die anschließend auf dem Motorprüfstand durchgeführten Untersuchungen berücksichtigten stationäre Motorbetriebspunkte sowie dynamisches Testen im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ). Hierzu wurde ein Fahrzeug mit einem Fahrzeugleergewicht von 1354 kg simuliert. Es wurden sowohl NEFZ mit kaltem als auch betriebswarmen Motor absolviert.

5. Ergebnisse Es wurden stationäre Versuche durchgeführt, bei denen die HWL-Dosierung variiert wurde. Die ausgewählten Lastpunkte sollten Bereiche der Niedrig- und Hochtemperatur bzw. der unterschiedlichen Lasten abdecken. Bei LP1 wurde die Temperatur nach Turbine auf 180 °C (n = 1170 rpm, pme = 2,14 bar), bei LP2 auf 392 °C (n = 1750 rpm, pme = 6,93 bar) eingestellt. Bei 180 °C nach Turbine liegen die Temperaturen vor SDPF unterhalb 160 °C. Exemplarisch wird hier die NOx Konvertierung für Alpha 1 und 1,2 dargestellt (siehe Abbildung 14). Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem Standard Aufbau keine NOx-Konvertierung möglich ist, während die Pre Turbo Variante ca. 10 % Konvertierung erreicht. Auch wenn die Temperaturen vor SDPF in beiden Fällen gleich sind, hat die Pre Turbo Variante mit der Eindosierung vor Turbolader die bessere Ammoniak-Aufbereitung und Gleichverteilung.

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Abbildung 14: NOx-Konvertierung in LP1 (TnachTurbine = 180 C, n = 1170 rpm, pme = 2,14 bar) mit Alpha = 1 und 1,2.

Das Pre Turbo Plus System nutzt den Temperaturvorteil noch besser: Die Möglichkeit, einen zusätzlichen SCR-Kat direkt nach dem Turbolader einzubauen (Stelle ca. 20 K – 30 K heißer als vor SDPF), führt zu einem früheren Light-Off. Die Konvertierung dieser Variante liegt für Alpha = 1 bei ca. 20 %.

Abbildung 15: Links NOx-Emissionen in LP2 (TnachTurbine = 392 °C, n = 1750 rpm, pme = 6,93 bar) in Abhängigkeit von Alpha mit CLD gemessen. Rechts Ammoniak-Durchbruch mit NOx-Sensor gemessen.

Diese Ergebnisse zeigen das Potential des Vorturboladerkonzeptes. Höhere Konvertierungen wären in diesem Niedrigtemperaturbereich mit folgenden

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Verbesserungen denkbar: Optimale Auslegung des SCR-Katalysators direkt nach dem Turbolader, Einsatz einer passenden Cu-Zeolith-Beschichtung wie in Kapitel 4.2 beschrieben, Bereitstellung von ausreichenden NO2 vor dem SCR-Katalysator. In Abbildung 15 ist das Konvertierungsverhalten der Standard- im Vergleich zur Pre Turbo Plus Variante im LP2 dargestellt. Hierzu werden die NOx Konzentrationen jeweils vor Oxidationskatalysator und nach SDPF gezeigt. Der linke Teil von Abbildung 15 beinhaltet die Ergebnisse der Chemilumineszenz Detektor (CLD) Messung. Diese Messung wird vom Ammoniak Schlupf eher nicht beeinflusst, während die Ergebnisse der Ammoniak querempfindlichen NOx-Sensormessung, auf der rechten Seite der Abbildung, den steigenden Ammoniakschlupf erkennen lassen. Ab Alpha = 1,4 kommt es bei der Pre Turbo Plus Variante zum Ammoniak-Durchbruch. Für das Standard System wird schon ab 0,8 ein Durchbruch vermutet, denn trotz sinkender NOx Konzentration nach SDPF, ist ein deutlicher Unterschied zwischen NOx-Sensor und CLD Messung erkennbar. Dies deutet auf eine schlechtere Ammoniak-Gleichverteilung hin. Deutlich erkennt man den Vorteil des Pre Turbo Plus Abgassystems. Die mit CLD gemessenen NOx Werte nach SDPF liegen schon bei einem Alpha von ~ 1,1 nahezu bei 0 ppm. Ein Indiz für eine hervorragende Gleichverteilung des Ammoniaks durch die Turbine. Für das Standard System ist bis Alpha = 2 eine Absenkung der NOx-Emissionen nach SDPF zu sehen, ohne dabei das Niveau des Pre Turbo Plus Systems annähernd zu erreichen. Vergleichsweise beträgt die NOx-Konvertierung der Pre Turbo Plus Variante bei Alpha = 1 ca. 93 %, während sie für das Standard - Abgassystem bei ca. 63 % liegt.

Abbildung 16: NOx-Konzentrationen und -Konvertierung für Pre Turbo Plus und Standard

in LP2 (TnachTurbine = 392° C, n = 1750 rpm, pme = 6,93 bar) mit und ohne AGR und in Abhängigkeit von Alpha.

Der Verlauf der NOx Rohemission, d.h. vor Oxidationskatalysator ist in Abbildung 16 dargestellt. Die Verläufe sind unabhängig von der Messmethode und der Systemkonfiguration nahezu identisch – ein Indiz für eine gute Reproduzierbarkeit der Messungen. Allerdings nehmen die NOx Konzentrationen mit zunehmendem Alpha ab. Mit der Absenkung der NOx Konzentration im zurückgeführten Abgas durch das Niederdruck

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AGR System sinkt bei zunehmender Konvertierungsleistung die Rohemission ab. Abbildung 16 zeigt im Vergleich die Ergebnisse mit und ohne Niederdruck AGR. Der Motor verfügt zusätzlich über ein Hochdruck AGR, dieses ist aber in diesem Betriebspunkt nicht aktiv. Während die NOx Rohemission ohne AGR zwar deutlich höher aber unbeeinflusst vom Alpha ist, zeigt die NOx Emission mit AGR das bereits beobachtete Verhalten. Außerdem ist die NOx Konvertierung für das Pre Turbo Plus System auch ohne AGR mit deutlich höherer Dosiermenge extrem hoch.

Abbildung 17: Light-Off Verhalten als Funktion der DOC Position im Motor-Sweep-Test

(n=1500 U/min; pme von 0 bis 6 bar) Zur Light-Off-Charakterisierung wurden die Systeme am Motorprüfstand bei konstanter Drehzahl von 1400 U/min durch die Steigerung der Motorlast aufgeheizt. Der Abgasmassenstrom stieg während des Tests nahezu kontinuierlich von 55 kg/h auf 80 kg/h an und die Abgastemperatur stieg von 120 °C mit 2,5 K/min auf über 300 °C. Durch die Zunahme der Abgasmasse nahm die DOC-Raumgeschwindigkeiten von 44k 1/h auf 80k 1/h und die Raumgeschwindigkeit im SDPF von 15k 1/h auf 33k 1/h zu. Abbildung 17 zeigt die ermittelten HC- und CO-Umsatzraten in Abhängigkeit der Abgastemperatur nach der Turbine. Für die Anordnung des Oxidationskatalysators nach der Turbine startet der CO-Light-Off bereits bei 120 °C und erreicht bei 180 °C nahezu 100 % Umsatz. Gleichzeitig werden zu Beginn, bei niedriger Katalysatortemperatur, Kohlenwasserstoffe adsorbiert und die HC Umsatzrate sinkt zunächst ab und steigt ab 170 °C kontinuierlich auf nahezu 100 %. Der dargestellte Temperaturabfall über die Turbine erklärt den Light-Off – Vorteil einer Vorturbo-DOC-Konfiguration. Schon bei niedrigster Last liegt die HC- und CO-Umsatzrate durch das um 35 K höhere Temperaturniveau auf über 85 %. Weiterhin wurden die Systemvarianten im NEFZ geprüft. Vorab wurden die Abgassysteme für einen ammoniakfreien Zustand bei höherer Last vorkonditioniert. Abbildung 18 zeigt die Abgastemperaturen vor dem Oxidationskatalysator für die verschieden Varianten im

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Abbildung 18: Vergleich der Abgastemperaturen am Eintritt des Oxidationskatalysators

für die Varianten im NEFZ NEFZ. Die Gastemperaturen der Pre Turbo Varianten sind gleich und liegen um mehr als 120 K höher als beim Standardsystem. Vor der Turbine werden schon sehr früh Gastemperaturen deutlich über 150 °C erreicht. Im Standardsystem wird das Temperaturniveau von 150 °C erstmalig nach 800 s kurzfristig überschritten und steigt erst ab 1050 s auf 200 °C an.

Abbildung 19: Abgastemperaturen und Dosierfreigabe der Varianten im NEFZ

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Zur Bewertung einer maximal möglichen NOx-Konvertierungsleistung der Systeme wurde die Dosierfreigabetemperatur auf 130 °C festgelegt. So war für die Pre Turbo Systeme eine Reduktionsmittelzugabe schon 65 s nach Motorstart möglich und für das Standardsystem erst 685 s später. Abbildung 19 zeigt den Temperaturverlauf an der Injektorposition mit Dosierfreigabe und die jeweiligen Dosiermengen im NEFZ Testzyklus. Mit Beginn der Dosierfreigabe wurde mit Alpha = 2,0 für 300 s überdosiert und danach die Dosiermenge auf Alpha = 1,3 verringert. Nach der Durchfahrt des „kalten“ NEFZ wurde ein zweiter Test gestartet und vorgesteuert mit Alpha = 1,3 dosiert. Abschließend wurde ein dritter NEFZ mit deaktivierter Dosierung gestartet. Durch diese Testsequenz wurde der SCR-Katalysator in den ersten beiden NEFZ-Tests mit Ammoniak angereichert und konditioniert. Trotz der stöchiometrischen Überdosierung wurde bis zur Sekunde 850 des zweiten Tests kein Ammoniak Schlupf für die Pre Turbo Systeme detektiert. Hingegen war für das Standardsystem auch nach Ende des zweiten NEFZ Tests kein Ammoniakschlupf messbar, was möglicherweise auch aufgrund des niedrigeren Temperaturniveaus des SCR-Katalysators und damit durch eine höhere Ammoniakspeicherkapazität zu erklären ist.

Abbildung 20: HC- CO- und NOx-Umsatzraten im NEFZ Das höhere Temperaturniveau bei einer Preturbo-Eindosierung unterstützt die schnelle Tropfenverdampfung und Thermolyse, wie schon in den stationären Tests beschrieben. Zusätzlich wird durch den hohen Turbulenzgrad der Gasströmung in der Turbine die NH3-Gleichverteilung gesteigert. Die Emissionsminderungsraten während des „kalten“ NEFZ Tests sind in Abbildung 20 gegenübergestellt. Mit der Pre Turbo-DOC Position werden im Testzyklus sehr früh HC Umsatzraten deutlich über 90 % möglich. Im Standardsystem bewirkt das Temperaturplateau von Sekunde ~ 875 bis 975 eine Absenkung der HC-Konvertierung und erreicht erst zum Ende des Tests die volle Umsatzleistung. Die NOx-Minderung bleibt trotz der frühen Dosiermittelzugabe bei den Vorturbo-Systemen wegen der niedrigen SCR Katalysatortemperatur deutlich hinter den Erwartungen zurück. Die ermittelten Umsatzraten für die NEFZ Testreihen sind in Abbildung 21 zusammengefasst. Ein zusätzlicher SCR-Katalysator direkt nach Turbine - Variante Pre

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Abbildung 21: NOx-Umsatzraten im NEFZ für verschiedene Startbedingungen Turbo Plus – zeigt die Potenziale für die Umsatzsteigerung deutlich. Im „kalten“ NEFZ wurden 20 und 25 % NOx-Umsatz mit den Vorturbo-Systemen erreicht. Im Standard-System hingegen kann aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus nahezu kein NOx reduziert werden und auch im warmen NEFZ-Test liegen die NOx-Umsatzraten bei maximal 27 Prozent.

Abbildung 22: Akkumulierte NOx-Emissionen im NEFZ über die SCR –

Katalysatortemperatur für die Standard und Pre-Turbo Plus Variante und NOx-Light-Off-Kurven zur Bewertung des Potenzials

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In Abbildung 22 sind die akkumulierten NOx-Rohemissionen im NEFZ Test für die Standard- und Pre Turbo Plus Variante und die SCR-Light-Off Kurven dargestellt. Die mittlere Abgastemperatur am SCR-Katalysator befand sich für die Standard Variante bei 112 °C und bei der Vortubo-Variante bei 145°C. Der schraffierte Bereich kennzeichnet den eigentlichen NOx-Emissionsanteil im Light-Off Fenster des SCR-Katalysators und erklärt die Limitierung der NOx-Minderung durch das Abgastemperaturniveau. Weiterhin wurde die Light-Off-Kurve von Abbildung 9 im Diagramm aufgenommen. Damit würde sich insbesondere durch das höhere Temperaturniveau an der Pre Turbo Plus Variante der Konvertierungsbereich erweitern. Mit einer weiterentwickelten SCR-Beschichtung, wie z.B. in Abbildung 9 gezeigt, wäre dann eine höhere NOx-Konvertierung insbesondere zwischen 150 °C und 190 °C möglich. 6. Zusammenfassung und Schlussfolgerung Die Zusammenfassung der Ergebnisse in Abbildung 23 zeigt, dass die EU 6c HC- und CO-Grenzwerte mit den Vorturbo-Varianten deutlich unterschritten werden. Durch die frühe Reduktionsmittelzugabe, die schnelle Thermolyse und die sehr gute Vermischung durch die Turbine wird die Grundvoraussetzung für eine effiziente NOx-Umsetzung geschaffen. Allerdings sind hier die Abgastemperaturen im NEFZ zu niedrig bzw. ist die Niedertemperaturaktivität der untersuchten SCR Katalysatoren zu gering um zumindest die Euro 6 Grenzwerte zu unterschreiten.

Abbildung 23: Zusammenfassung NEFZ Ergebnisse und Potenzial für Pre-Turbo

Systeme Dennoch ist das Potential der Anordnung von DOC und Reduktionsmittel Eindosierung klar erkennbar auch im Hinblick auf das Erreichen der RDE Grenzwerte und sicherlich wert weiter untersucht zu werden. Zumal die Verbrauchsverschlechterung respektive die

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Zunahme der CO2 Emission gemessen im NEFZ nur 1,5 bis 2% beträgt (siehe Abbildung 24).

Abbildung 24: Vergleich des Kraftstoffverbrauchs und CO2-Emissionen für das

Abgassystem Pre Turbo Plus im Vergleich zum Standardsystem im NEFZ Für die Fortsetzung der hier beschriebenen Untersuchungen bieten sich einige technische Optionen an. So ist die Kombination mit einem geeigneten Temperaturmanagement sicherlich zielführend. Auch hier ist die vor-Turbolader Position des DOC von Vorteil, kann doch die exotherme Umsetzung von unverbranntem Kraftstoff das verzögerte Ansprechverhalten der Turbine zumindest teilkompensieren. Das setzt wiederum eine bez. thermischer Masse und Strömungswiderstand optimierte Turbinenauslegung inklusive eines entsprechenden Regelalgorithmus voraus. Auch wird ein großes Potential in der Kombination mit einer elektrisch angetriebenen Aufladeunterstützung gesehen. Des Weiteren ist die Einbringung des Reduktionsmittels hinsichtlich Einspritzzeitpunkts, Einspritzintervall und Einspritzdruck zu untersuchen und eine entsprechende Dosierstrategie zu entwickeln. Schließlich kann das Abgasnachbehandlungssystem nach Turbine noch entsprechend dem CompactCat® Konzept arrangiert werden um niedrigere Wärmeverluste und Gegendruckanstiege zu erreichen. Dieses Konzept erlaubt auch die Integration eines elektrisch beheizbaren Katalysators um in Niederlast-, bzw. Schubphasen ein Auskühlen der Katalysatoren zu verhindern. Den Einfluss all dieser Maßnahmen zu quantifizieren und darauf aufbauend ein realisierbares Gesamtsystem zu definieren ist Inhalt zukünftiger Untersuchungen, von deren Ergebnisse wir zukünftig berichten werden.

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7. Danksagung Die Autoren bedanken sich bei Prof. Hans Zellbeck von der Technischen Universität Dresden und seinen Mitarbeitern Dr. Robert Walter und Dr. Ronny Werner für die Durchführung der Motorprüfstands Untersuchungen. 8. Quellenverzeichnis [1] Wie umweltfreundlich sind Elektroautos wirklich?, Handelsblatt vom 22.12.2014,

S.19 [2] Martin Woldt, Sagen Sie mal Frau Wöber ..., Berliner Zeitung vom 20.12.2014 [3] Global Transport Scenarios, Study, World Energy Council, 2011 [4] Jens Meyer-Wellmann, Gift in Luft: Stadt wehrt sich gegen EU-Verfahren, Die Welt,

22.12.2014 [5] Luftqualität 2020/2030: Weiterentwicklung von Prognosen für Luftschadstoffe unter

Berücksichtigung von Klimastrategien, TEXTE 35/2014, Forschungskennzahl 3710 43 219, UBA-FB 001945, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit

[6] Erik White, California’s comprehensive Program for reducing Heavy-Duty Diesel Emissions, SAE 2014 Heavy-Duty Diesel Emissions Control Symposium, Gothemburg

[7] Korneel de Rudder, Close Coupled DOC-Mixer-SCR for Tier 4 final, ICPC

2013-3.6 [8] Declan Hayden, IAgrE Landwards Conference Cranfield University UK, 2011 [9] 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

[10] M. Laurell, J. Sjörs, S. Ovesson, M. Lundgren, Volvo Car Cooporation, 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 Automobile and Engine Technology 2013

[11] R. Werner, H. Zellbeck, K. Augsburg, R. Horn, R. Brück, S. Kröger, N. Zaldua; Ein Vollkatalysatorsystem vor Abgasturbolader; 14. Aufladetechnische Konferenz 2009.

[12] M. Thiel, R. Werner, H. Zellbeck, R. Brück, N. Zaldua Moreno; Der Vollkatalysator vor dem Turbolader - Effektive Abgasnachbehandlung vs. Fahrdynamik; 5. Emission Control 2010.

[13] G. Cavataio et al., 23rd North America Catalysis Society meeting, 2013, Louisville, Kentucky