Manche mögen‘s heiß

Weltweit rückt neben anderen Umweltschutzthemen das Thema „Global Warming“ in den Vordergrund. Fachleute diskutieren den Einfluss unterschiedlichster Emissionen auf das Klima. Neben Ruß, Methan und Stickoxiden wird in der Öffentlichkeit vor allem der Einfluss von CO2 kontrovers diskutiert. Das durch den Menschen, vor allem als Produkt eines jeden Verbrennungsprozesses, erzeugte CO2 gilt in der Politik als Hauptverursacher der Klimaerwärmung. Entsprechend diskutiert der europäische Gesetzgeber Höchstgrenzen für die CO2 Emissionen, verbunden mit „Strafsteuern“ oder finanzieller Förderung für gering emittierende Fahrzeuge. Diese möglichen Zusatzkosten müssen in der Entwicklungsphase bei der Auswahl der in Frage kommenden Motor- und Katalysatortechnologien in die Entwicklungskosten mit eingerechnet werden. Die bereits heute diskutierten Grenzwerte für das Jahr 2020 bedeuten eine fast 30 %ige Reduzierung der CO2-Emissionen im Vergleich zur heutigen Situation. Ob eine solche Reduzierung im Sinne der Erhaltung der Mobilität überhaupt sinnvoll beziehungsweise technisch umsetzbar ist, muss ernsthaft durch Kosten-/Nutzenanalysen sämtlicher CO2-Emittenten ermittelt werden. Auch der Einfluss der erneuerbaren Energien auf die CO2-Emissionen ist extrem stark von der eingesetzten Technologie abhängig.

Zur Zeit werden die „Toxic Emissions“ (Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickoxid) in den Gesetzgebungen unabhängig vom Klimapotenzial behandelt. Betrachtet man die Trends in den Abgasgesetzgebungen der letzten Jahrzehnte so wird deutlich, dass beginnend mit der Limitierung der Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxide (CO), gefolgt von den Stickoxiden (NOx), nun die Partikelmassenemissionen im Vordergrund stehen. Schon heute ist erkennbar, dass in naher Zukunft die Partikelanzahl und damit primär die Partikel mit einer Größe kleiner 100 nm und Stickstoffdioxid (NO2) limitiert werden. Inwieweit es in Zukunft einen NO2-Grenzwert geben wird oder die NOx-Emissionen (NO + NO2) insgesamt weiter verschärft werden (in der Atmosphäre wird NO grundsätzlich zu NO2), ist offen.

Das führt vor allem bei der Motorentwicklung zu einem Zielkonflikt zwischen optimalem Kraftstoffverbrauch und niedrigstmöglichen NOx Motorrohemissionen. Die Alternative, die Motoremissionen mit einer umfassenden schadstoffreduzierende Abgasnachbehandlung zu reduzieren, ist grundsätzlich gegeben, verursacht aber hohe Kosten und gegebenenfalls uch einen höheren Kraftstoffverbrauch aufgrund von erhöhtem Abgasgegendruck und notwendigen motoraktiven Maßnahmen zur Regeneration des Systems zur Abgasnachbehandlung. Schließlich, aber doch von entscheidender Bedeutung, ist die Frage des besten Kunden- und Umweltnutzens. Fahrzeuge, die diesen doppelten Wettbewerbsvorteil bieten und zusätzlich eine unkomplizierte, dauerhaltbare Abgasnachbehandlung aufweisen, werden sich im Markt durchsetzen.

Die Erhöhung der Wirkungsgrade neuer Motoren führt in der Folge zu niedrigeren Abgastemperaturen. Da die Abgastemperatur jedoch von großer Bedeutung für die Effektivität der Katalysatorsysteme ist, wird ein möglichst CO2-neutrales Temperaturmanagement künftig eine wesentliche Rolle in der Entwicklung der Abgasnachbehandlung spielen.

Für alle Katalysatoren gelten zunächst dieselben physikalisch/chemischen Grundgesetze. Nach Motorstart ist ein Katalysator zunächst eine Wärmesenke, da die Temperaturen für eine katalytische Umsetzung der Schadstoffe noch zu niedrig sind. Das bedeutet, der Katalysator wird durch das Abgas aufgeheizt. Dieser Vorgang erfolgt umso schneller, je besser der Wärmeübergang zwischen Gas und Katalysatorstruktur und je geringer die thermische Masse des Katalysators ist. Zur Vermeidung von Katalysatorheizmaßnahmen und dem damit erhöhten Kraftstoffverbrauch müssen neue Technologien, beispielsweise integrierte Krümmer, entwickelt werden, um den Temperaturverlust zu minimieren. Auch die Katalysatorposition, heute noch hinter den Turboladern, muss zumindest teilweise in Frage gestellt werden. Jeder Katalysator und Filter muss der Anforderung nach höchster Effektivität bei niedrigstem Druckverlust und kleinstem Bauraumbedarf folgen. Dabei darf auch das Gewicht nicht vernachlässigt werden. Aufgrund dieser Anforderungen werden neue innovative Katalysatortechnologien wie zum Beispiel der Vorturboladerkatalysator benötigt.

Nahezu alle Dieselmotoren und zunehmend auch die Ottomotoren sind mit Abgasturboladern ausgerüstet. Durch den Turbolader kann der Motorwirkungsgrad verbessert werden, allerdings auf Kosten der Abgastemperatur. Im Durchschnitt verringert sich die Abgastemperatur durch die Wirkungsweise des Turboladers um 60° bis 100 °C. Unmittelbar nach Motorstart ist aufgrund der thermischen Masse die Temperaturabsenkung noch größer.

Der Vorturbolader ist ein in den Krümmer integrierter Metallkatalysator. Er besteht aus glatten und gewellten dünnen Stahlfolien, die abwechselnd aufeinander geschichtet und sowohl miteinander als auch mit dem Mantel verlötet sind. Da im Betrieb durch Druckpulsationen des Abgases die Stirnflächen besonders mechanisch belastet sind, wird in diesen Bereichen die Folienstärke erhöht und dann wieder verringert, um die thermische Masse des Katalysators so gering wie möglich zu halten. Aufgrund der Einbaulage im herkömmlichen Krümmer ist das Katalysatorvolumen limitiert auf 0,04 bis 0,1 l. Die HC- und CO-Emissionen können dadurch jedoch um 40 bis 80 % reduziert werden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Oxidationskatalysator hinter der Turbine kann damit der Wirkungsgrad aufgrund der höheren Temperatur um einen Faktor 5 bis 10 verbessert werden. Zur Vermeidung von Motorleistungsverlusten ist jedoch eine Neukonstruktion des Krümmers notwendig, um den Katalysator optimal in den Krümmer zu integrieren. Dann werden in der Zukunft auch größere Katalysatorvolumina möglich.

Um eine möglichst vollständige Umsetzung der Schadstoffe zu gewährleisten, ist es notwendig, zusätzlich auch Katalysatoren hinter der Turbine zu platzieren. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten stellt der Kompaktkatalysator eine ideale Lösung dar. Beim Kompaktkatalysator wird der Metalit unmittelbar hinter dem Turbolader angeflanscht. Aufgrund der Lage und unter Ausnutzung des Dralls des aus der Turbine ausströmenden Abgases kann eine sehr gute Strömungsverteilung und damit Ausnutzung des Katalysatorvolumens gewährleistet werden. Bei Verwendung von strukturierten Stahlfolien, wie zum Beispiel der LS-Struktur, verbessert ein zusätzlicher radialer Ausgleich der Strömung den Stofftransport und damit die Katalysatoreffektivität. Trotz dieser neuen Katalysatorlösungen kann es notwendig werden, die Abgastemperatur anzuheben. Dies lässt sich durch so genannte Katalysatorheizmaßnahmen motortechnisch erzielen. Allerdings steigt dadurch der Kraftstoffverbrauch und ein Teil der Energie geht auf dem Weg vom Motor zum Katalysator durch Wärmeverluste verloren.

Der elektrisch heizbare Katalysator bietet hier eine alternative Lösung. Er besteht aus einer kurzen Heizscheibe, die mechanisch und doch elektrisch isoliert an einem Metallkatalysator befestigt ist. Die Folien innerhalb der Heizscheibe bilden den Heizleiter und werden als Widerstandsheizung betrieben. Die elektrische Heizleistung lässt sich durch die Anzahl der parallel geschalteten Folien im S-förmig verschlungenen Lagenpaket einstellen. Je die Hälfte des Mantels bildet den Plus- und Minuspol. Da die Heizscheibe katalystisch beschichtet ist, wird der Katalysator durch die elektrische Energie direkt aufgeheizt, wodurch er äußerst effektiv ist. Neben den niedrigen Temperaturen im Kaltstart ist vor allem das Auskühlen des Katalysators durch kaltes Abgas in den Schub und Leerlaufphasen von besonderer Bedeutung, da bei anschließender Weiterfahrt der Katalysator nicht mehr voll aktiv ist.

Der E-Kat bietet die Möglichkeit, während der Schubphasen zur Verfügung stehende Energie der Lichtmaschine CO2-neutral in nutzbare Wärme umzuwandeln. Besonders vorteilhaft ist die Kombination des beheizbaren Katalysators mit einer Start/Stop-Strategie, da hierdurch das Abkühlen des Kats und so das Heizen in Leerlaufphasen vermieden werden kann.

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