Simulation als Werkzeug für Systemverständnis und Designoptimierung in der Autoabgaskatalyse

Modellierung im Sinne der Schadstoffreduzierung

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Emissionsbeschränkungen, Kraftstoffoptimierung, neue Technologien und Senkung der System- kosten erschweren zunehmend die Entwicklung und Auslegung der Katalysatorsysteme. Die vorgestellten Simulationen ermög- lichen die Modellierung von chemischen Reaktionen für eine effiziente Systemanalyse.

Bedingt durch die gesetzliche Limitierung der Emissionen von Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden, Kohlenmonoxid und bei dieselmotorischem Antrieb auch von Partikeln konnte eine signifikante Reduktion der Schadstoffbelastung durch den Straßenverkehr erreicht werden. Neben Weiterentwicklungen in der motorischen Verbrennung, der Sensorik und der Motorsteuerung ist dies hauptsächlich durch die Einführung der katalytischen Abgasreinigung bedingt. Zunehmend werden jedoch nicht nur eine weitere Beschränkung der Fahrzeugemissionen, sondern darüber hinaus auch der Kraftstoffverbrauch und der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid diskutiert. In diesem Zusammenhang ist ebenfalls bereits jetzt ein positiver Trend zu verzeichnen, der neben einer gesteigerten Effektivität aller Verbrennungsmotoren insbesondere auf den steigenden Marktanteil der dieselmotorisch angetriebenen Pkw mit ihrem um etwa 10 bis 20 % geringeren Kraftstoffverbrauch zurückzuführen ist.

Doch während bei stöchiometrisch betriebenen Benzinfahrzeugen durch den gut etablierten Drei-Wege-Katalysator Schadstoffe stark reduziert werden können, ist für den Dieselmotor die Einhaltung der zukünftigen Emissionsgrenzwerte (Euro 5) nur durch ein additiv zusammengesetztes Abgasreinigungssystem leistbar. Dabei werden bereits heute Oxida- tionskatalysatoren zur Verringerung der gasförmigen Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen und Dieselpartikelfilter (Wall-Flow-Monolithen) zur Reduktion der Partikelemissionen eingesetzt. Die NOx-Speichertechnik und das SCR-Verfahren runden dieses Abgaskonzept ab.
Wirkungsweise der Wall-Flow-Monolithen
Bei den als Filtern verwendeten Wall-Flow-Monolithen sind dabei im Gegensatz zu den konventionellen Monolithen die Gaskanäle wechselseitig verschlossen, wodurch der Gasstrom durch die poröse Wand gezwungen wird, und sich Partikel abscheiden. Eine direkte Übertragung vom Phänomen des Stoff- und Wärmetransportes aus den bereits bekannten herkömmlichen Monolithen auf den Wall-Flow-Monolithen ist deshalb aus reaktionstechnischer Hinsicht nicht möglich, da durch den zusätzlichen konvektiven Stofftransport in der porösen Wand wesentlich kürzere Verweilzeiten vorliegen. Das Reaktionsgeschehen wird nun vom Konzentrationsgradienten in der Wand selbst und nicht, wie in konventionellen Autoabgaskatalysatoren, entlang der Gaskanäle dominiert.
Zur Verringerung der Bauteilanzahl werden nun Ansätze zur Integration der Oxidationsfunktion in den Dieselpartikelfilter verfolgt. In der Entwicklung der Katalysatoren ist die effektive Nutzung des inhomogen eingesetzten Edelmetalls zur Erzielung hoher Wirkungsgrade ein wesentlicher Aspekt. Der Partikelfilter benötigt aufgrund seines Volumens eine hohe Gesamtmetallbeladung. Experimentell haben sich diejenigen Wall-Flow-Monolithen als besonders effizient herausgestellt, die nicht homogen, sondern in Zonen mit unterschiedlicher Edelmetallkonzentration beschichtet wurden.
Am Beispiel dieser inhomogenen Partikelfilter soll nun gezeigt werden, wie der Einsatz von Simulationen zu einem besseren Systemverständnis führen kann. In dieser Studie wurde die kommerziell erhältliche Software „Comsol Multiphysics“ verwendet.
Navier-Stokes erfasst Strömungsprofile
Der Wärmetransport wird durch die Einbindung der Gleichungen für Wärmeleitung und Konvektion in die Energiebilanz gelöst. Analog dazu ergibt sich der Stofftransport als Lösung der Massenbilanz mit Diffusions- und Konvektionsvorgängen. Die für den konvektiven Anteil benötigten Strömungsprofile innerhalb der Gaskanäle werden durch Navier-Stokes beschrieben. Zusätzlich dazu wird ein Reaktionsterm eingebunden, der die ablaufende chemische Reaktion wiedergibt. In stationären Zuständen zeigt sich dabei bei einfachen Reaktionsmechanismen der prinzipiell negative Effekt der Zonierung auf den Umsatz, da die erhöhte Reaktionsrate in hochbeladenen Edelmetallbereichen die gering stattfindende Umsetzung in niedrig beladenen Bereichen nicht kompensiert. Eine starke Rückdiffusion mindert diesen Effekt durch den Kontakt des nicht umgesetzten Abgases mit katalytisch aktivem Material.
Dagegen zeigt sich im stationären Zustand bei inhibierten Kinetiken eine Umsatzsteigerung durch eine inhomogene Edelmetallverteilung. Die Geschwindigkeit des Ablaufs einer solchen chemischen Reaktion wird durch die Konkurrenz der unterschiedlichen Gasphasenspezies um freie Adsorptionsplätze an der Katalysatoroberfläche bestimmt, wodurch eine Erhöhung des Edelmetallgehaltes zu einer so deutlichen Steigerung der Reaktionsrate im Bereich dieser Zone führt, dass es teilweise zu Umsatzsteigerungen im Vergleich zu homogen beschichteten Filtern führt.
Eine verstärkte Rückdiffusion begünstigt auch hier das Reaktionsgeschehen positiv, insbesondere dann, wenn dadurch die Konzentration der nicht umgesetzten Gasphasenspezies signifikant verringert werden, so dass auch in derjenigen Zone mit geringerer Edelmetallbeladung ein günstigeres Verhältnis aus umzusetzendem Abgas und Katalysator gegeben ist.
Im nicht-stationären Betrieb einer gezonten Edelmetallverteilung zeigt sich während des Aufheizvorganges ein weiterer Vorteil. Der Filter erwärmt sich durch den einströmenden heißen Gasstrom axial, wodurch im Anfangsbereich die höchsten Temperaturen vorliegen. Entsprechend dem direkten Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur kommt es hier somit auch zu einer gesteigerten katalytischen Aktivität. Der zusätzliche Anteil des Edelmetalls führt hier zur Umsatzsteigerung während der Erwärmung und schwankt stark mit den Materialeigenschaften. Exotherme Reaktionen verstärken die Umsatzsteigerung durch Zonierung zusätzlich, indem die freigesetzte Wärme den Aufheizvorgang beschleunigt.
Basis: standardisierte Testzyklen
Um das tatsächliche Reaktionsgeschehen im Fahrzeug adäquat beschreiben zu können, müssen sowohl eine angepasste Kinetik, die Temperaturen sowie der Massenstrom und seine jeweilige Zusammensetzung während standardisierten Testzyklen zugrunde gelegt und in einer auf diese Fragestellung spezifisch zugeschnittenen Software analysiert werden. Eine Studie untersucht dann eine Zonenlänge im Bereichs von 2 bis 60 % der Gesamtfilterlänge. Dabei wird die Edelmetallkonzentration innerhalb eines Bereiches von 60 bis 99 % der gesamten Beladung abgetastet. Aus den erhaltenen Ergebnissen bestimmt sich der Parametersatz, der den maximalen Umsatz erzielt. Solche Studien ermöglichen für jedes neue System individuell gezielte Konfigurationen und damit eine effiziente Systemoptimierung.
Femlab
Telefon: 0551/99721-0

Software Comsol

547331

Das Comsol Reaction Engineering Lab bietet eine komplette Entwicklungsumgebung für virtuelle chemische Experimente und eignet sich zur Simulation und Modellierung von chemischen Reaktionen. Mit dem Reaction Engineering Lab lassen sich alle Typen von chemischen Reaktionen modellieren. Miteinander reagierende Systeme können schnell und leicht modifiziert und optimiert werden. Die Reaktionsformeln lassen sich direkt über die Benutzeroberfläche eingeben, die dazugehörigen kinetischen Gleichungen und Bilanzen von Masse, Energie und Impuls werden automatisch erstellt. Darüber hinaus können thermodynamische- und Transport-Eigenschaften von miteinander reagierenden Komponenten berechnet werden. Um zu untersuchen, wie sich ein reales Reaktormodell verhalten würde, können Reaktionsschritte extrahiert oder Reaktionsraten modifiziert werden. Will man ganze Produktionsabläufe simulieren, so koppelt man das Programm einfach mit Comsol Multiphysics und dem „Chemical Engineering“ Modul.
Eine kostenlose CD mit Modellbeispielen und Tutorials zur Simulation von chemischer Reaktionskinetik kann unter www.comsol.de und unter info@comsol.de angefordert werden.
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