Continental hat mit dem motornahe Ringkatalysator eine Lösung für Ottomotoren mit Turbolader entwickelt, die den möglichst vollständigen NOx-Abbau unterstützt.
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Continental stellt zum 37. Wiener Motorensymposium, das vom 28. bis 29. April 2016 im Kongresszentrum der Hofburg Wien stattfindet, eine Lösung für die Abgasnachbehandlung bei hubraumreduzierten Ottomotoren mit Turbolader vor. Denn mit Einführung der Real-Driving-Emission-Gesetzgebung müssen Fahrzeuge mit dieser verbreiteten Motorisierung in allen Fahrsituationen strenge Stickoxidgrenzwerte (NOx) erfüllen. Die neue Herausforderung liege laut Continental darin, dass die NOx-Umwandlung dabei über einen sehr großen Kennfeldbereich des Motors sichergestellt werden müsse, nicht "nur" in den bisherigen Testzyklen. Heutige motornahe Katalysatoren würden dabei hinsichtlich Lambdaverteilungsmöglichkeiten an ihre Grenzen stoßen. Zusätzlich erfordert die Sulev 30 Norm, als Kategorie der LEV III-Emissionseinstufung in den USA, bis 2025 eine Reduktion der Stickoxidemissionen von 70 Prozent, bezogen auf den Flottendurchschnitt.
"Um die RDE-Vorgaben und Sulev-30-Grenzwerte für NOx erfüllen zu können, muss ein 3-Wege-Katalysator fast 100-prozentige 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."
Zu kurzes Rohr
Bereits heute erreichen leistungsfähige 3-Wege-Katalysatoren bei der NOx-Umwandlung Wirkungsrade um 99 Prozent, wie Continental erklärt. Diese Quote müsse 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 beeinflusse. Solche Einzelzylinder-Lambdaeffekte im Abgasstrom gelte es möglichst zu vermeiden beziehungsweise zu vermischen. Bei einem motornah-platzierten Katalysator fehle dafür jedoch die nötige Rohrlänge. Deshalb haben viele neue Fahrzeuge inzwischen einen zweiten Katalysator am Unterboden, in dem die Umwandlung der verbleibenden Stickoxide erfolge. Allerdings gehe diese Lösung mit zusätzlichem Gewicht und einem höherem Abgasgegendruck einher.
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 könne zu einer schnelleren lokalen Alterung im Katalysatorinneren und zu einer schlechteren NOx-Umsetzung führen.
Längsstrukturen, die das Abgas stärker verwirbeln
Continental hat mit dem Ringkatalysator nun eine 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 LS-Metallsubstrat von Continental gewickelt. Die Längsstrukturen (LS) in diesem Material sollen auf der Mikroebene Turbulenzen im Abgasstrom erzeugen. Dadurch gelangen die Stickoxide besser zur katalytisch beschichteten Wand, wo sie umgewandelt werden.
Continental hat einen metallischen Folienwerkstoff weiterentwickelt, aus dem das Katalysatorinnere gewickelt wird. In die Metallfolie sind in Längsrichtung Strukturen geprägt, die das Abgas stärker verwirbeln. Durch solche Turbulenzen kommen die Stickoxide im Abgasstrom besser mit der katalytisch beschichteten Oberfläche des Substrates in Berührung, wo sie dann umgewandelt werden.
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