Untersuchung von reversiblen thermochemischen Reaktionen zur Wärmespeicherung für die Aufheizung des Katalysators mit gespeicherter Abgaswärme

Abstract

Konventionelle Abgaskatalysatoren benötigen für einen effizienten Betrieb zumindest 300 bis 400 °C. Unterhalb dieser Temperatur, der sogenannte "Light-Off-Temperatur", kommt es nahezu zu keiner Schadstoff- bzw. Emissionsreduzierung. Bis dato wird sie in deutlich weniger als einer Minute erreicht. Um in dieser kurzen Zeit solch hohe Temperaturen zu realisieren, ist beispielsweise eine Spätverstellung des Zündwinkels durch kurzfristigen Eingriff in das Motorenmanagement erforderlich. Diese Maßnahme führt allerdings zu einer erheblichen Verschlechterung des Kraftstoffverbrauches (Wirkungsgrad) und folglich der Effizienz des Kraftfahrzeuges. Ferner wäre beispielsweise noch eine elektrische Aufheizung des Katalysators eine Option. All diese Maßnahmen erfüllen in erster Linie zwar ihren Zweck einer raschen Temperaturerhöhung, aus energetischer Sicht sind sie jedoch extrem ineffizient. Als Idee dient der Ansatz zur Speicherung der sonst ungenutzten Wärme des Abgases, welche während des Betriebs ausreichend zu Verfügung steht. Mit Hilfe eines thermochemischen Materials bzw. Materialverbundes, soll es nach dem Start zu einer möglichst raschen Temperaturfreisetzung im Katalysator kommen. Dafür soll die Reaktion, mit dem im Abgas enthaltenen Stoffen wie H2O(g) und CO2, die erforderliche Wärme bereitstellen. Nach Erreichen der Light-Off-Temperatur sollen diese Stoffe, mit Hilfe der Abgaswärme, wieder abgespalten werden. Ziel der Arbeit ist somit die Suche nach einer geeigneten chemischen Reaktion, welche diese Wärme freisetzt und den Katalysator dadurch auf Betriebstemperatur bringt. Potentiell geeignete Stoffe sollen dafür auf einem Gasphasenprüfstand getestet werden. Kann schließlich ein geeignetes Material gefunden werden, dann soll dieses auf einem Monolithen beschichtet werden. Dafür potentiell geeignete Stoffe wären beispielsweise Magnesiumoxid, Calciumoxid und Legierungen derer aus Lithium,- Calcium- und/oder Natriumchlorid, aber auch Sorptionsprozesse mit diversen Zeolithen sollen in Betracht gezogen werden. Die Ergebnisse aller Versuche sollen im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden und ebenso als Basis für nachfolgende Projekte auf diesem Gebiet dienen.

Conventional catalytic converters for vehicles need a temperature of about 300 °C to work efficiently. Below this temperature - the so-called "light-off-temperature" - there is almost no reduction of pollutants or emissions. To date, this temperature can be reached in less than a minute. In order to achieve such high temperatures in such a short time, a retardation of the ignition-angle by intervention in the engine management is necessary. Unfortunately, however, this measure leads to a significant deterioration of system effectiveness, fuel economy and, consequently, the overall efficiency of the whole vehicle. For example, there could also be an electrical heating system inside the catalyst as an option. These examples will fulfil their primary purpose of a rapid increase in temperature but are also extremely undesirable in terms of energy efficiency. The idea is the storing of the otherwise unused head energy of the exhaust which is sufficiently available. The reaction and the substances such as H2O (steam) and CO2 should release heat. This substances should also cleaved again, after reaching the light-off-temperature, by using of the heat of the exhaust. It should also come to a rapid release of temperature in the catalyst by using a thermochemical material or a composite material after the start of the engine. The main goal of this thesis is to find a suitable chemical reaction which will release this energy and bring the catalyst to its operating temperature in a short time. Potentially suitable materials would be, for example, magnesium oxide, calcium oxide and alloys of those such as lithium-, calcium- and/or sodium chloride. Also, sorption with various zeolites (molecular sieves) should be considered. At least the potential material or material alloy will be tested on a gas-phase test bed and should also be impregnated onto a monolith. The results of all experiments shall be disclosed in the course of this work and should also be used as a basis for further research in this area.