OnBoard NH3-Generierung zur NOx-Minimierung am Dieselmotor

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Leistungsfähigkeit eines kombinierten Systems aus NOx-Speicherkatalysator (NSK) und SCR-Katalysator zur Minimierung der NOx-Emissionen am PKW-Dieselmotor untersucht. Dabei wird auf dem NOx-Speicherkatalysator NH3 aus gespeicherten NOx erzeugt, welches auf dem nachfolgenden SCR-Katalysator zur weiteren NOx-Minimierung beiträgt. Wie Experimente mit synthetischem und realem Abgas zeigen, ist die NH3-Generierung über NOx-Speicherkatalysator stark von der Temperatur abhängig. Als weitere Einflussgrößen werden das Luftverhältnis während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators und die NOx-Beladung identifiziert. In den Experimenten mit realem Abgas an einem Motorprüfstand erfolgt die Reduktionsmittelerstellung für die Regeneration mittels im Abgasteilstrom betriebenen Kraftstoffreformers. Zur Minimierung des Mehrverbrauchs wird während Regeneration der andere Teil des motorischen Abgasstroms in einem Bypass um den NOx-Speicherkatalysator geleitet, bevor dieser mit dem durch Reformer und durch NOx-Speicherkatalysator geleiteten Teilstrom vor dem SCR-Katalysator zusammentreffen. In einem Temperaturbereich von 200°C bis 350°C kann durch die NH3-Erzeugung eine signifikante zusätzliche NOx-Minimierung am SCR-Katalysator erzielt werden. Weiters, konnten mittels Simulation die Auswirkungen unterschiedlicher Betriebsweisen abgeschätzt und Strategien zur Vermeidung von NH3-Schlupf am SCR-Katalysator überprüft werden.

In the presented doctoral thesis a combined system of a NOx-storage catalyst (NSC) and a SCR-catalyst is examined for it`s potential of reducing the NOx-emissions from a passenger car Diesel engine. Therefore the NOx-storage catalyst is used to generate ammonia (NH3) from stored NOx, which is then used on the SCR-catalyst for additional NOx reduction. The generation of NH3 is strongly dependent on the temperature as experiments on the gas test bench and the engine test bed showed. Other influencing factors are the air-fuel-ratio during regeneration of the NOx-storage catalyst and the amount of NOx stored. On the engine test bed a reformer, which is operated with diesel fuel and a small fraction of the engine exhaust, is used to create the reducing agent necessary for regenerating the NOx-storage catalyst and producing NH3 in the process. For better fuel efficiency the main engine exhaust stream is bypassed around the NOx-storage catalyst during regeneration and mixed in front of the SCR-catalyst with the small fraction of the exhaust which is passing through reformer and NOx-storage catalyst. Significant additional NOx reduction can be achieved on the SCR-catalyst in a temperature range of 200 to 350°C. Furthermore, modeling and simulation enabled the assessment of different operation modes as well as strategies to minimize NH3 slip after the SCR-catalyst.