Untersuchung eines Harnstoff-SCR-Systems zur Stickoxidminderung im Diesel-PKW-Praxiseinsatz

Die zunehmende Leistungsfähigkeit moderner Dieselmotoren in Verbindung mit leistungsbezogen geringen Kraftstoffverbräuchen sorgte in den letzten Jahren für eine starke Zunahme der Diesel-PKW in Deutschland. Während beim konventionellen Ottomotor durch den 3-Wege-Katalysator die gesetzlich limitierten Schadstoffkomponenten in hohem Maße (> 98 %) umgesetzt werden können, beschränkte sich beim Dieselmotor die Abgasnachbehandlung bisher im wesentlichen auf den Einsatz eines Oxidationskatalysators zur Verringerung des CO- und HC-Ausstoßes. Stickoxide und Partikel wurden bisher weitgehend über innermotorische Maßnahmen auf das gesetzlich vorgeschriebene Niveau gebracht. Mittlerweile wurde der Partikelfilters als Serienstandard eingeführt. Damit ergeben sich zwar Möglichkeiten zur Stickoxid-optimierten Motorauslegung, ob dies aber ausreicht, um einer weiteren Verschärfung der Abgasgesetzgebung zu begegnen, kann in Frage gestellt werden. Weiterhin wird, um den in der Dieselmotorentwicklung führenden europäischen Herstellern den US-amerikanischen Markt weiter zu öffnen, die Einhaltung der kalifornischen SULEV Grenzwerte als Benchmark angesehen. Diese Grenzwerte können nach heutigem Stand der Technik zwar für CO, HC und Partikel-Emissionen realisiert werden, nicht aber in bezug auf Stickoxide. Aufgrund dieser Überlegungen werden zur Zeit verstärkt Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der DeNOx-Technologien durchgeführt. Besonders der SCR-Technologie wird eine hohe Serientauglichkeit zugetraut. Die Selektive Katalytische Reduktion bezieht sich hierbei auf die gezielte Umsetzung der Stickoxide am Katalysator mit Unterstützung eines Reduktionsmittels. Dabei können z.B. Kohlenwasserstoffe aber vor allem auch Ammoniak NH3 eingesetzt werden. Da Ammoniak als Gefahrstoff eingestuft ist und somit nur bedingt im Fahrzeug mitgeführt werden kann, befasst sich diese Arbeit mit der bereits bekannten und sowohl in stationären Anwendungen, als auch im Nutzfahrzeugbereich erprobten Harnstoff-SCR-Technologie. Dazu wurde ein Audi A8 2,5 TDI mit einer Flüssigharnstoff-SCR-Anlage ausgestattet. Es handelt sich dabei um ein druckluftunterstütztes System mit einem elektrischen Kompressor. Die Harnstofflösung wird über ein Taktventil in eine Mischkammer dosiert. Das Harnstoff- Luftgemisch wird im Zulauftrichter des Unterboden-SCR-Katalysators über ein Dosierrohr mit Radialdüse verteilt. Die Reduktionsmitteldosierung wird über einen NOx-Sensor und ein Thermoelement gesteuert. Ein weiterer NOx-Sensor dient zur online-Umsatzbestimmung im Fahrbetrieb. Um die Tieftemperaturaktivität des Systems zu steigern, wurden zwei Zusatzvorkatalysatoren verbaut. Damit konnte das im niedrigen Temperaturbereich umsatzentscheidende NO2-Verhältnis vor SCR-Katalysator deutlich gesteigert werden. Ohne Eingriffe in die Motorsteuerung konnten im MVEG_B-Kalttest Stickoxidkonvertierungsraten bis 63 % erreicht werden. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf dem Katalysatorsystem. Dazu wurden zwei Alterungsmessreihen durchgeführt. Die generelle Fahrzeugtauglichkeit des Systems konnte nachgewiesen werden. Auch im realen, transienten Fahrbetrieb lassen sich hohe Stickoxidkonvertierungsraten ohne messbaren Ammoniakschlupf erzielen. Zusätzliche Motorprüfstandsuntersuchungen lassen erkennen, dass durch Katalysatorheizmaßnahmen nicht nur eine weitere NOx-Umsatzsteigerung erzielt werden kann, sondern auch die Dosierstrategie einfacher zu realisieren ist, weil der NH3-Einspeicherungsbereich des Katalysators schneller durchlaufen wird. Zur Abschätzung des Verkleinerungspotentials von SCR-Katalysatoren wurde am Motorprüfstand eine Untersuchungsreihe mit besonderen Katalysatorträgerstrukturen im Vergleich zu Standardträgern durchgeführt. Die Trägerstrukturen erhöhen die Stoffaustauschrate im Katalysator und führen zu einer Verbesserung der Katalysatorausnutzung. Gerade im Bereich höherer Raumgeschwindigkeiten konnten zum Teil deutliche Steigerungsraten der Stickoxidkonvertierung im Vergleich zum Standardträger realisiert werden.The increasing popularity of diesel-engine passenger cars throughout europe will help to lower the CO2-Emissions to the self-imposed level of the european automotive industry. On the other hand the diesel-exhaust gas can not be purified by the use of three-way-catalysts, which have been the state-of-the-art technology by gasoline driven vehicles for years. Unlike the hydrocarbons (HC) and carbonic-monoxide (CO) the nitrous oxides (NOx) can not be reduced by the use of a three way catalyst because of the lean working method of diesel engines. Inner-engine measures help to reduce the particle and NOx-emissions to some extend, but upcoming stricter emission-laws will lead to the necessarity of exhaust gas aftertreatment systems. Actually the particle-filter is going to be part of the standard fittings for powerful diesel passenger cars. The next step will be to lower the nitrous oxides emission. One way to reach this goal has already been successfully used for stationary plants and heavy duty vehicles: the SCR-technology. The selective catalytic reduction uses a reductant that is added to the exhaust gas in front of a suitable catalyst. The most common way for the SCR-reaction is the use of ammonia that can be generated onboard by bringing urea into the hot exhaust gas stream. By this means NOx-conversions up to 99 % can be reached in certain operating conditions. The principal ability of the SCR-technology for passenger cars has been proved on test stands. Now it had to show its advantages and problems during the every day use in a Audi A8 2,5 TDI sedan. The test car is equipped with a SCR-system that consists of three preoxidation catalysts close to the engine to generate the important NO2-quota for low temperature NOx-reduction and an underfloor SCR-catalyst. The water-urea-solution is brought into the exhaust stream by a tact valve in front of the SCR-catalyst. The urea storage including the urea-pump is placed in the trunk. Furthermore an air compressor is placed in the trunk to improve the distribution of urea into the exhaust gas by a small tube that leads to a nozzle. By using a data-recording system temperatures can be measured in front of the preoxidation catalysts and before and after the SCR-catalyst. The urea dosage is regulated by a NOx-Sensor which is mounted upstream the SCR-catalyst. A second sensor is used to monitor the NOx-conversion rate during on-road tests. Two series of aging tests could be run with the test car. The focus of the examinations was put on the catalyst systems. A total NOx-reduction of 63 % could be realized. Every day test drives (city, highway) proofed the basic suitability of the SCRtechnology for mobile applications. High DeNOx-rates could be realized without causing undesirable ammonia-slip. Examinations on a transient test bench considering the urea dosage strategy allow the forecast that means to rise the catalyst temperature after the cold engine start will lead to further improvements of the NOx-reduction. Also the strategy can be simplified when the SCR-catalyst leaves the ammonia-storage range of temperature. To get a valuation of the size reducing potential of SCR-catalysts a series of tests has been run on the test stand. At three different space velocities catalysts with special carrier structures have been compared to an extruded catalyst. The structure influences the laminar exhaust gas flow within the channels. The tests showed that better conversion rates can be reached at high space velocities. This effect is more distinct at high temperatures. Smaller SCR-catalysts will not only lower the costs, they also allow a mounting position close to the engine. This leads to a higher temperature level which helps to improve the NOx-reduction