Continental am Motorensymposium : Innovativer Ringkatalysator macht NOx-Umwandlung wirkungsvoller
Mit Einführung der Real Driving Emission Gesetzgebung müssen Fahrzeuge mit dieser verbreiteten Motorisierung in allen Fahrsituationen strenge Stickoxidgrenzwerte (NOx) erfüllen. Die neue Herausforderung liegt darin, dass die NOx-Umwandlung dabei über einen sehr großen Kennfeldbereich des Motors sichergestellt werden muss, nicht „nur“ in den bisherigen Testzyklen. Heutige motornahe Katalysatoren stoßen dabei hinsichtlich Lambdaverteilungsmöglichkeiten an ihre Grenzen. Zusätzlich erfordert die SULEV 30 Norm, als Kategorie der LEV III Emissionseinstufung in den USA, bis 2025 eine Reduktion der Stickoxidemissionen von 70 %, bezogen auf den Flottendurchschnitt. Continental hat mit dem motornahe Ringkatalysator eine Lösung für Ottomotoren mit Turbolader entwickelt, die den möglichst vollständigen NOx-Abbau unterstützt „Um die RDE-Vorgaben und SULEV 30 Grenzwerte für NOx erfüllen zu können, muss ein 3-Wege-Katalysator fast 100 % Umwandlungsrate aufweisen. Das erreicht man nur über eine effiziente homogene NOx-Umsetzung in allen Betriebssituationen“, sagt Dr. Markus Distelhoff, Leiter der Business Unit Fuel & Exhaust Management in der Continental-Division Powertrain. „Der innovative Ringkatalysator in Verbindung mit unserer mikrostrukturierten LS-Metallfolie unterstützt diese Anforderungen erheblich.“ NOx-Umwandlung: Nichts dem Zufall überlassen Bereits heute erreichen leistungsfähige 3-Wege-Katalysatoren bei der NOx-Umwandlung Wirkungsrade um 99 %. Diese Quote muss abermals gesteigert werden. Hubraumreduzierte Ottomotoren mit Turbolader bringen hier zwei Herausforderungen mit. Zum einen kann die Abgaszusammensetzung von Zylinder zu Zylinder schwanken. So ist das Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft (das Lambda) nicht immer ideal, was die Konvertierung von NOx negativ beeinflusst. Solche Einzelzylinder-Lambdaeffekte im Abgasstrom gilt es möglichst zu vermeiden bzw. zu vermischen. Bei einem motornah-platzierten Katalysator fehlt dafür jedoch die nötige Rohrlänge. Deshalb haben viele neue Fahrzeuge inzwischen einen zweiten Katalysator am Unterboden, in dem die Umwandlung der verbleibenden Stickoxide erfolgt. Allerdings geht diese Lösung mit zusätzlichem Gewicht und einem höherem Abgasgegendruck einher. Strömungspfad Ringkatalysator Bilder: Continental Zum anderen erschwert der Turbolader in manchen Betriebssituationen eine dauerhaft homogene NOx-Konversion: Wenn ab einer bestimmten Drehzahl das „Turbinen-By-Pass-Ventil“ (Wastegate) des Turboladers öffnet, erzeugt das eine ungleichförmige Strömungsverteilung. Sie kann zu einer schnelleren lokalen Alterung im Katalysatorinneren und zu einer schlechteren NOx-Umsetzung führen. Vorteile des Ringkatalysators Continental hat mit dem Ringkatalysator eine innovative Lösung für beide Herausforderungen entwickelt: Im Kern des Ringkatalysators befindet sich ein Rohr, das die Komponente auf der gesamten Länge durchzieht. Auf dieser zusätzlichen Rohrstrecke vermischt sich der Abgasstrom besser. Erst am Ende des Rohres wird das Gas um 180° umgelenkt und durchströmt nun den katalytisch wirksamen Teil, der das Innenrohr wie eine Manschette umschließt. „Bedingt durch diese Konstruktion verlängert der Ringkatalysator den Strömungspfad, ohne die Baulänge der Komponente zu vergrößern. Damit ist eine motornahe Platzierung des Ringkatalysators möglich, und die Light-off-temperatur für die NOx -Umwandlung wird unverändert schnell erreicht“, so Rolf Brück, Leiter der Produktlinie Katalysatoren & Filter bei Fuel & Exhaust Management. „Das Waste-Gate-Gas aus dem Turbolader trägt bei dieser Konstruktion dank seines Dralls sogar zur besseren Abgasdurchmischung im Innenrohr bei.“
Der emissionstechnisch wirksame Teil des Ringkatalysators wird aus dem innovativen LS-Metallsubstrat von Continental gewickelt. Die Längsstrukturen (LS) in diesem Material erzeugen auf der Mikroebene Turbulenzen im Abgasstrom. Dadurch gelangen die Stickoxide besser zur katalytisch beschicheten Wand, wo sie umgewandelt werden.