"Zero-Impact"

„Zero Impact“– Verbrennungsmotor

6. Mai 2020 | Engineering Service

Es ist damit zu rechnen, dass die gesetzlichen Vorgaben für Emissionen im Zuge von Euro 7 weiter verschärft werden. FEV geht davon aus, dass die nächste europäische Abgasnorm insbesondere die folgenden Herausforderungen mit sich bringen wird:

  • Allgemeine Senkung der Grenzwerte für gasförmige Emissionen CO: 500 mg/km . HC: 50 mg/km . NOX: 35 mg/km
  • Verbot von Betriebsstrategien, die hohe Emissionen verursachen können
  • Aufnahme von Grenzwerten für weitere Emissionskomponenten in die Messungen auf dem Abgasrollenprüfstand
  • Erweiterung der RDE-Vorschriften um weitere Emissionsbestandteile und kurze Fahrstrecken

FEV hat untersucht, wie letztlich sogar ein Verbrennungsmotor mit „Zero Impact“ erreicht werden könnte,
der weniger Emissionen verursacht, als in der Umgebungsluft vorhanden sind. Konkret wurden die folgenden Zielwerte festgelegt:

  • Emissionen im WLTC NOX: 40 µg/m³ (entspricht etwa 0,03 mg/km) Partikel (PM 2,5): 25 µg/m³ (entspricht etwa 0,02 mg/km)

Im Verhältnis zu den in der aktuellen Euronorm 6d vorgeschriebenen Werten entspricht dies einer Reduktion der NOX-Emissionen um 99,9 Prozent und der Feinstaubemissionen um 99,2 Prozent.

Entwicklungsmethodiken

FEV hat umfangreiche patentierte bzw. zum Patent angemeldete Entwicklungsmethoden für die Bereiche Simulation, Prüfung und Alterung emissionsrelevanter Komponenten ausgearbeitet, mit denen bereits in einer frühen Phase der Entwicklung eine hohe Robustheit und Vorhersagegenauigkeit erreicht werden kann.

Simulation der RDE-Emissionen und Bestimmung von Worst-Case-Zyklen

Die Emissionssimulation bildet bei FEV eine der tragenden Säulen des „Frontloading“ in der Entwicklung. Diese modulare Simulationsumgebung von FEV, die erstmals auf dem Wiener Motorensymposium 2016 vorgestellt und seither weiterentwickelt wurde, beruht auf der Softwareumgebung GT Suite und ist heute ein grundlegender Bestandteil der Entwicklungsaktivitäten von FEV. Die Rohemissionen des Motors werden auf der Grundlage stationärer und transienter Messdaten vom Motor- und Rollenprüfstand modelliert. Die Simulationsmodelle für die Abgasnachbehandlung beruhen auf einem kennfeldbasierten Ansatz. Eine Diskretisierung der Katalysatormonolithen erlaubt jedoch auch eine genaue Modellierung des Aufwärmverhaltens, bei dem es darum geht, individuelle temperaturabhängige Umsetzungsraten zu berücksichtigen. Abbildung 1 beschreibt alle relevanten Variablen, die in die Berechnung der Umsetzung mit einfließen.

Um alle Emissionsgrenzwerte unter RDE-Bedingungen zuverlässig einhalten zu können, ist es wichtig zu wissen, welche fahrzeug- und antriebsstrangspezifischen Zyklen die meisten Emissionen verursachen. FEV hat eine Abstraktion von solchen real auftretenden Fahrzuständen vorgenommen und daraus eine übersichtliche Anzahl von Parametern abgeleitet. Mithilfe dieser Parameterbildung können Techniken des maschinellen Lernens auf der Grundlage einer Analyse von einigen hundert simulierten Zyklen die Worst-Case-RDE-Zyklen herausfiltern. Diese Methodik wurde inzwischen in zahlreichen Entwicklungsprojekten erfolgreich angewendet.

Charakterisierung des Katalysators und des Benzinpartikelfilters

Im Zuge der Entwicklung der RDE-Emissionssimulationsmethodik von FEV wurde festgestellt, dass Katalysatoren anfänglich kaum mit der hinreichenden Genauigkeit modelliert werden konnten. Grund dafür sind die meist nicht ausreichenden Messdaten, die von den Katalysatorherstellern und OEMs zur Verfügung gestellt werden. Um jedoch die Emissionen unter den RDE-Randbedingungen präzise vorhersagen zu können, ist es wichtig, die Umsetzungsrate bei den höchsten Raumgeschwindigkeiten und über einen breiten Temperaturbereich zu kennen. FEV hat deshalb eigenes Equipment entwickelt, mit denen das Verhalten von Katalysatoren unter genau diesen Bedingungen charakterisiert werden kann. Das in Abbildung 2 dargestellte System wurde für Abgasmassenströme bis hin zu denen eines V12 Turbo-Motors konzipiert und geprüft. Es dient der Messung des Umsetzungswirkungsgrads im kompletten real auftretenden Betriebsbereich, also insbesondere auch bei großen Massenströmen und kalten Temperaturen, wie sie unter einer Volllastbeschleunigung kurz nach dem Motorstart auftreten.

Alterung des Katalysators und des Partikelfilters

FEV hat eine Methode zur schnellen Alterung von Katalysatoren und Partikelfiltern (Gasoline Particle Filter, GPF) entwickelt. Zur Alterung des GPF wurde der Brennerprüfstand so modifiziert, dass mittels Ölverbrennung Asche erzeugt wird. Verschiedene Methoden wurden evaluiert, die Wahl fiel schließlich auf die Öleinspritzung. FEV hat ein Zyklus- und Öldosierungsverfahren erarbeitet, das die Alterungsmerkmale nachbildet, die bei Fahrzeugdauerläufen zu beobachten sind.

Abgasnachbehandlungskonzept für Zero-Impact-Emissionen

Das Abgasnachbehandlungskonzept, mit dem das Ziel der Zero-Impact-Emissionen erreicht werden soll, setzt sich aus fünf Bausteinen zusammen:

  • Optimierung der NOX-Rohemissionen während des Katalysator-Heizens
  • Eine Abgasnachbehandlung, die direkt nach dem Motorstart einsatzbereit ist
  • Adsorption der HC-Emissionen
  • Vergrößerung des Gesamtvolumens der Katalysatoren
  • GPF mit verbessertem Wirkungsgrad

Die einzelnen Bausteine werden im Folgenden näher erläutert.

NOX-optimiertes Katalysator-Heizen

Die NOX-Rohemissionen können optimiert werden, indem die Kalibrierung des Katalysator-Heizens angepasst wird. Bei den üblichen stark nach spät verstellten Zündzeitpunkten wird viel Kraftstoff benötigt, um einen indizierten mittleren Druck (indicated mean effective pressure, IMEP) zu erzeugen, der dem mittleren Reibungsdruck (friction mean effective preassure, FMEP) entspricht. Dies hat eine Entdrosselung und eine niedrigere Rate der internen Abgasrückführung zur Folge. Die Spitzentemperatur im Zylinder steigt und behält über längere Zeit dieses hohe Niveau. In der Folge nehmen die NOX-Emissionen zu. Der Zündzeitpunkt wäre im Zuge der Optimierung der Kalibrierung des Katalysator-Heizens demnach nur leicht nach spät zu verstellen, um die NOX-Emissionen deutlich zu senken. Dies führt wiederum zu einem Anstieg der HC-Rohemissionen, dem durch zusätzliche Maßnahmen entgegengewirkt werden muss.

Elektrisch beheizte Katalysatoren

Stromaufwärts des Hauptkatalysators werden zwei elektrisch beheizte Katalysatoren angeordnet (4 kW je Scheibe, insgesamt 8 kW). Das metallische Substrat wird schnell heiß und erreicht binnen weniger Sekunden die Light-Off-Temperatur. Wenn nach dem Motorstart jedoch kaltes Abgas über die elektrisch beheizten Katalysatoren strömt, sinkt deren Temperatur unter das für einen hinreichenden Umsetzungswirkungsgrad benötigte Niveau. Deshalb wird vor dem Motorstart mit einer Sekundärluftpumpe Luft über die elektrisch beheizten Katalysatoren geführt, um auch den Hauptkatalysator zu beheizen. In Abbildung 4 ist der Erwärmungsvorgang des finalen Systems dargestellt. Die konvektive Wärmeübertragung ist in der unteren Hälfte des Diagramms deutlich zu erkennen. Sobald der Motor gestartet wird, führt der stärkere Abgasmassenstrom zu einer noch besseren konvektiven Wärmeübertragung, zugleich jedoch auch zu einem Abfall der Temperaturen.

Die Emissionswerte lassen sich noch weiter optimieren, indem sichergestellt wird, dass in dem Katalysatorsystem eine hohe Temperatur gehalten wird. In einem Hybridantriebsstrang kann hierfür neben der Reaktivierung der elektrisch beheizten Katalysatoren auch die Hybrid-Betriebsstrategie optimiert werden.

Adsorption der Emissionen vor dem Light-Off des Katalysators

Die Adsorption von Emissionen lässt sich unter anderem mit entsprechenden Beschichtungen realisieren. Um eine hohe Adsorptionseffizienz zu erreichen, sind niedrige Temperaturen erforderlich. Dem kommen die geringen Temperaturen des einströmenden Abgases infolge der früheren Zündzeitpunkte während des Katalysator-Heizens entgegen. Es wird ein Metallsubstrat verwendet, da sich mit diesem eine hohe Wärmeträgheit und somit ein geringer Temperaturanstieg in den ersten Sekunden des Motorbetriebs sowie eine gleichmäßige Verteilung des sekundären Luftmassenstroms auf der Eintrittsseite des elektrisch beheizten Katalysators erzielen lassen. Da die Grenztemperatur des Adsorptionskatalysators bei 850 °C liegt, kann das Abgasnachbehandlungssystem nicht motornah angeordnet werden, was im Hinblick auf die thermische Alterung durchaus vorteilhaft ist. In Abbildung 5 ist ein Vergleich der Katalysatorerwärmung mit und ohne HC-Adsorption dargestellt (hier stromabwärts des Katalysators). In Abgasnachbehandlungssystemen, in denen der Katalysator mit einem Brenner anstatt mit elektrisch beheizten Katalysatoren vorgewärmt werden soll, könnte es sinnvoll sein, die Emissionen des Brenners mithilfe eines kleinen Aktivkohlefilters stromabwärts des Katalysators zu adsorbieren.

Vergrößerung des Katalysatorvolumens

Das Katalysatorvolumen wird vergrößert, und zwar um 30 Prozent im Verhältnis zur Euro 6d TEMP Ausgangsbasis, in der bereits ein größeres Katalysatorvolumen angesetzt wird als in Euro 6b/c Systemen. Das Volumen der elektrisch beheizten Katalysatoren ist in diesem Volumen enthalten. In der Folge wird die Raumgeschwindigkeit (RG) bei Nennleistung auf Werte abgesenkt, bei denen auch im gealterten Zustand ein hoher Umsetzungswirkungsgrad aufrechterhalten werden kann.

GPF mit verbessertem Abscheidegrad

Sehr gute Euro-6c- und Euro-6d-TEMP-Motoren ohne GPF erreichen bereits jetzt im WLTC Partikelemissionswerte von nur 0,12?–?0,28 mg/km. Im Hinblick auf den Zero-Impact-Zielwert von 25 µg/m³ (ca. 0,02 mg/km) bedeutet dies, dass die Partikelemissionen um weitere 83?–?93 Prozent gesenkt werden müssen. Dies lässt sich mit einem GPF der zweiten Generation erreichen.

Endergebnisse und Ausblick

Das vorgestellte Abgasnachbehandlungssystem wird mit einem 2,0-l-4-Zyl.-GDI-Motor in einer Plug-In-Hybrid-Konfiguration abschließend evaluiert. Der finale Aufbau des Abgasnachbehandlungssystems ist in Abbildung 6 dargestellt.

Es wurden umfangreiche DoE(Design of Experiment)-Untersuchungen durchgeführt, um das Ziel eines Zero-Impact-Emissionspegels zu erreichen und die Auswirkungen des elektrischen Vorheizens des Katalysators auf den Kraftstoffverbrauch dabei so gering wie möglich zu halten. Abbildung 7 beschreibt den Zusammenhang zwischen der für das elektrische Heizen genutzten Energie und den resultierenden gasförmigen Emissionen. Die gültigen Punkte erreichen das Zero-Impact-Ziel von weniger als 40 µg/m³ NOX-Emissionen sowie einen ausgeglichenen Batterieladezustand am Ende des Zyklus. Das Optimum zum Erreichen des Zero-Impact-Ziels bei bestmöglichem Kraftstoffverbrauch liegt knapp unterhalb von 0,4 kWh. Die HC- und CO-Emissionen bleiben deutlich unter den von FEV erwarteten Euro-7-Grenzwerten, sinken jedoch konzeptbedingt nicht so drastisch wie die NOX-Emissionen.

Die Gesamtergebnisse der optimalen Betriebsstrategie sind in Abbildung 8 dargestellt. Die kaum noch zu erkennenden, verbleibenden NOX-Emissionen entfallen zum größten Teil auf die ersten Sekunden nach dem Motorstart. Der Sauerstoffspeicher des Katalysators ist zu diesem Zeitpunkt vollständig gefüllt und der Katalysator muss zunächst mittels unterstöchiometrischem Motorbetrieb gespült werden, bevor der komplette NOX-Umsetzungswirkungsgrad erreicht werden kann. Im weiteren Verlauf des WLTC tritt nur minimaler NOX-Emissionsschlupf auf. Die elektrisch beheizten Katalysatoren werden während des Zyklus für kurze Zeitabschnitte reaktiviert, um sicherzustellen, dass die Temperaturen durchgängig auf einem ausreichend hohen Niveau verbleiben. Der Kraftstoffverbrauch liegt 4,3 Prozent über dem Euro-6d-TEMP-Grundwert.

Das hier vorgestellte Konzept für Zero-Impact-Emissionen ist speziell darauf ausgerichtet, möglichst geringe NOX-Emissionen zu erzielen. Wenn „nur“ der Euro-7-Emissionsgrenzwert eingehalten werden soll, kann das Konzept auf verschiedene Art und Weise angepasst werden. Beispielsweise wäre denkbar, nur einen anstelle von zwei elektrisch beheizten Katalysatoren zu verwenden. Ebenso könnte der Adsorptionskatalysator weggelassen werden, so dass das gesamte Katalysatorsystem wieder motornah angeordnet werden kann.

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