Keramische Katalysatoren in Nutzfahrzeugen - ein Beitrag zur Stickoxidminderung für das neu Jahrtausend

Grundlagen und Systembeschreibung Teil 2

3. Das SINOx-Filtersystem zur Abgasnachbehandlung beim Nfz

Das SINOx- Filtersystem als Abgasnachbehandlungssystem zur Beseitigung der Stickoxide im Dieselabgas arbeitet auf der Basis der selektiven katalytischen Reduktion und wurde im Detail bereits mehrfach vorgestellt [4,5]. Die wesentlichen Systemkomponenten sowie deren funktionale Zusammenhänge sind in Abb. 4 veranschaulicht.

3.1 Anforderungen an das System

Bei der Entwicklung des SINOx-Filters für Nutzfahrzeuge wurden schon frühzeitig Tests am Fahrzeug durchgeführt, um die Einbauverhältnisse und die Handhabbarkeit des Systems zu verbessern.

Die Anforderungen der Gesetzgebung wurden bereits angesprochen. Für den Fahrzeugeinbau werden vom Fahrzeughersteller niedrige Werte für Gewicht, Volumen und Abgasgegendruck bei gleichzeitig hohen NOx-Umsatzraten gefordert.

Legt man einen heutigen EURO-2 Motor zur Erfüllung des EURO-5 Grenzwertes für NOx im ESC-Test zugrunde, so muß ein NOx-Umsatz von über 70% realisiert werden. Ein Motor, der durch ein nachgeschaltetes SINOx- Filtersystem die EURO 5 NOx-Grenzwerte erfüllt, hat keinen Mehrverbrauch durch motorseitige Maßnahmen zur Stickoxidemissionsbegrenzung. Die wesentlichen Anforderungen für die Serien-einführung des SINOx- Filtersystems lassen sich in folgender Tabelle zusammenfassen:

Neben den Bedingungen der Funktionalität ist die Serienanwendung von zahlreichen weiteren Anforderungen geprägt, die sich aus Kunden-, Fahrzeug-, Dauerhaltbarkeits-, Umwelt-, Produktions- und gesetzlichen Anforderungen ergeben.

3.2 Systemkomponenten

Das SINOx- Filtersystem besteht beim Einbau aus den Komponenten Katalysator mit Katalysatorgehäuse, Dosierung mit Dosiersteuerung und Reduktionsmitteltank, die gegebenenfalls kombiniert am Rahmen des Fahrzeuges angebracht sind.

3.2.1 Katalysator

 Die Festlegung des Katalysatortyps für den Einsatz im Nfz erfolgt entsprechend den Randbedingungen, bei denen das Gesamtsystem aus Motor und Abgasnachbe-handlungseinrichtung die beste Performance zeigt. Wesentliche Parameter sind dabei der geforderte NOx-Umsatz, der Abgastemperaturbereich und der zulässige Abgasgegendruck. Auf der Basis dieser Parameter wird die Katalysatorrezeptur und die optimale Zelldichte des Katalysators festgelegt, woraus sich die Auswahl des Katalysatortyps ergibt.

Beim SINOx-Katalysator für Nfz-Anwendungen handelt es sich um einen keramischen Vollkatalysator auf TiO₂-Basis mit V₂O₅-Dotierung. Dieses Katalysator-prinzip hat sich bei der Entstickung von Rauchgasen in Kraftwerken über mehr als 15 Jahre bewährt. Um diesen Katalysatortyp allerdings für den Nfz-Einsatz zu ertüchtigen, mußten sowohl die geometrischen Eigenschaften als auch die Kataly-satorrezeptur den besonderen Bedingungen angepaßt werden. Besonders zu erwähnen sind hier der begrenzte Bauraum sowie die hochdynamischen Betriebs-bedingungen hinsichtlich der Abgaszusammensetzung und der Temperatur. Die Geometrie des Katalysators wurde dahingehend verändert, daß über die Erhöhung der Zelldichte eine wesentlich größere Katalysatoroberfläche pro Volumeneinheit (AP-Wert) zur Verfügung steht (s. Abb. 5).

Auf dem Weg zur Serienreife wurde im Zuge der Anpassung des Katalysators an die geforderte Kompaktbauweise die Zelldichte von zunächst 100 cpsi bei der ersten Generation auf 200 cpsi bei der aktuellen Generation erhöht und ein Potential für eine deutliche Verkleinerung des Systemvolumens geschaffen. Zusätzlich konnte die Aktivität weiter gesteigert werden, so daß bei der aktuellen SINOx-Generation mit einem Katalysatorvolumen von 30 Litern ein Basisumsatz von 70% im ESC-Test an einem 400 PS-Nfz-Motor erreicht werden kann. Als Ergebnis dieser Entwicklung stellt die neue Generation des SINOx-Katalysators ein den aktuellen Einbauverhältnissen angepaßtes Katalysatorvolumen dar.

Das Potential für eine weitere Erhöhung der Zelldichte und somit eine noch größere Katalysatoroberfläche pro Volumeneinheit ist jedoch auch beim SINOx-Vollkataly-sator nicht ausgeschöpft (vgl. Abb. 6). Allerdings muß für zukünftige Anwendungen mit potentiell höheren Zelldichten immer ein ausgewogenes Verhältnis von NO_x-Umsatz und Abgasgegendruck gefunden werden.

Beschichtete Katalysatoren auf TiO₂/V₂O₅-Basis, mit denen sich prinzipiell höhere Zelldichten realisieren lassen, die aber immer ein gewisses Volumen an katalytisch inaktivem Material enthalten, nämlich den Träger selbst (vgl. Abb. 7), werden in ihrem AP-Wert (Katalysatoroberfläche / Volumeneinheit) dadurch begrenzt, daß die SCR-Aktivität, vor allem im unteren Temperaturbereich, mit der Beschichtungsdicke der aktiven Schicht korreliert (s. Abb. 8).

Trägerkatalysatoren auf TiO₂/V₂O₅-Basis benötigen für den unteren Temperatur-bereich (< 300°C) also eine Mindestschichtdicke, wenn bei identischer Zelldichte ein dem Vollkatalysator vergleichbarer Umsatz erzielt werden soll. Umgekehrt bedeutet dies, daß die Erhöhung der Zelldichte und des AP-Wertes unter Beibehaltung eines möglichst hohen "Freien Querschnitts" (Anteil der offenen Fläche der Anströmseite des Katalysators) und somit eines geringen Abgasgegendruckes nur durch Verringerung der aktiven Schichtdicke erzielt werden kann. Das wiederum führt zu Umsatzverlust im unteren Temperaturbereich.

Es muß folglich auch beim Trägerkatalysator eine auf den Einsatzbereich abgestimmte Katalysatorzelldichte gewählt werden, die vor allem den in einem bestimmten Temperaturbereich benötigten Umsatz und den erlaubten Abgasgegen-druck berücksichtigt.

3.2.2 Katalysatorgehäuse, Steuerung und Dosierung

Der SINOx-Katalysator befindet sich zusammen mit Einrichtungen zur Verteilung des Reduktionsmittels und zur gleichmäßigen Abgasverteilung auf den Katalysator in einem Metallgehäuse. Die beschriebene Weiterentwicklung des SINOx-Katalysators ermöglichte eine nennenswerte Volumenreduktion des Katalysators, so daß der serienmäßig zur Verfügung stehende Schalldämpfer als als Einbauort genutzt werden kann.

Die Systemsteuerung verarbeitet Motorbetriebs-, Katalysator- und Sensordaten und steuert die Systemaktuatoren. Das SINOx-Steuergerät ist dazu mit der Motorelektronik über CAN-Bus verbunden und über diesen auch in der Lage, entsprechende Meß- oder Rechenwerte an die Motorelektronik bzw. den Fahrzeugrechner zu übergeben. Das aktuelle Steuergerät wurde im Hinblick auf eine weitere Systemintegration und die Anforderungen hinsichtlich Dauerhaltbarkeit, Rechenleistung und OBD-Fähigkeit ausgelegt. Steuerung und Dosierkomponenten bilden die sogenannte Dosing Control Unit (DCU), die in jedem Betriebspunkt für die Bereitstellung der exakten Menge des benötigten Reduktionsmittels (im Fahrversuch 32,5 %ige wässrige Harnstofflösung) sorgt.

03. Juli 2003