die zukunft der katalysatortechnik für elektrifizierteantriebsstränge

auswiRKungen DeR eleKtRifizieRung

Im Rahmen der CO2- beziehungsweise Kraftstoffverbrauchsdiskussion werden Elektrofahrzeuge politisch als Lösung dar-gestellt [1, 2]. Allerdings ist die realisier-bare Reichweite dieser Fahrzeuge auf-grund der verfügbaren Energiekapazitä-ten, vor allem im realen Fahrbetrieb, nicht ausreichend [3]. Eine Alternative stellen elektrifizierte Antriebsstränge bis hin zum Elektrofahrzeug mit Range Extender dar. Der Verbrennungsmotor stellt im Verbund mit dem Elektromotor deutlich andere Anforderungen an das Katalysatorsystem [4]. Dies gilt insbesondere dann, wenn die

minimalen Restemissionen des Verbren-nungsmotors das „Zero-Emission“-Image des Elektrofahrzeugs nicht mindern soll.

Spricht man heute über Elektrifizierung des Antriebsstrangs, sind in der Regel die Antriebssysteme Mild-Hybrid, Full-Hyb-rid, E-Fahrzeug mit Range Extender und E-Fahrzeug gemeint. Entsprechend der Leistungsdichte und der Aufladegeschwin-digkeit heutiger Batterien gilt zumindest aktuell noch, dass mit Ausnahme von rei-nem Stadtbetrieb beziehungsweise einem ausschließlichen Einsatz als Kurzstrecken-fahrzeug die Verwendung eines zusätzli-chen Verbrennungsmotors im E-Fahrzeug sinnvoll erscheint. Neben den Personen-kraftwagen gilt dies insbesondere für

Transporter sowie für leichte und schwere Nutzfahrzeuge, da hier der Energiebedarf je gefahrenen Kilometer nochmals deut-lich höher liegt. So benötigt etwa ein schweres Nutzfahrzeug bei konstanter Fahrt auf der Autobahn eine Energie von circa 1 kWh/km und damit das Sieben-fache eines Pkw im NEFZ.

Als Vorteil von Elektrofahrzeugen wird oft angeführt, dass sie emissionsfrei fah-ren. Dies gilt allerdings nur lokal und be-rücksichtigt nicht die Emissionen, die bei der Energieerzeugung entstehen. Der Ver-brennungsmotor dagegen stößt, einmal auf Betriebstemperatur und mit entsprechend hochentwickeltem Abgasnachbehand-lungssystem ausgerüstet, teilweise weniger

entwicKlung KAtALySAtoREn

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DIE ZUKUNFT DER KATALYSATORTECHNIK FÜR ELEKTRIFIZIERTE ANTRIEBSSTRÄNGEVerbrennungsmotoren,diealsRangeExtenderinElektro-

fahrzeugeneingesetztwerden,stellendurchdievermehr-

tenKaltstartsneueAnforderungenandasAbgasnachbe-

handlungssystem.EmitechateinenRange-Extender-Kata-

lysatorentwickeltundoptimiert,derinsbesonderedurch

VorheizenundWärmeisolationdieKaltstartemissionenum

biszu90%senkenkann.

Dipl.-ing. wolfgang mausistVorsitzenderderGeschäfts-

führungderEmitecGmbHinLohmar.

Dipl.-ing. Rolf bRücKistGeschäftsführerForschung,

Entwicklung&ApplikationderEmitecGmbHinLohmar.

Dipl.-ing. Roman KoniecznYistLeiterApplikationLightDutybei

derEmitecGmbHinLohmar.

Dipl.-chem.-ing. peteR hiRthistLeiterForschung,

Entwicklung&VersuchbeiderEmitecGmbHinLohmar.

AUtoREn

Emissionen aus, als in der Um gebungsluft Immissionen enthalten sind. Die verblei-bende Herausforderung ist nun, speziell im hier betrachteten Hybridbetrieb mit häufigen Motorstarts, die Emissionen in der Kaltstartphase zu minimieren be zie-hungs weise komplett zu eliminieren. Hier-zu sind neue Katalysatorkonzepte und Be-triebsstrategien notwendig.

RanDbeDingungen füR Den einsatz unD betRieb von abgasKatalYsatoRen

Die gewählte Variante des elektrifizierten Antriebsstrangs beeinflusst natürlich die Betriebsbedingungen für das Katalysator-

system in extremer Weise. So muss zum Beispiel in Fahrzeugen mit Range Exten-der im Stadtbetrieb beziehungsweise Kurzstreckenbetrieb von längeren Pausen-zeiten mit realen Kaltstarts des Verbren-nungsmotors ausgegangen werden. Dage-gen sind im gleichen Konzept bei Über-land- beziehungsweise höherlastigem Betrieb keine oder nur kurze Pausenzeiten zu erwarten.

Um also passende Betriebskonzepte für die unterschiedlichen Antriebsvarianten zuschneidern zu können, muss zuerst eine detaillierte Übersicht der in Realität auftretenden Lastfälle vorliegen. Deren Analyse hinsichtlich Ein- und Ausschalt-zeiten des Verbrennungsmotors im rele-

vanten Zyklus, die dabei herrschenden Drehzahlen und Lasten sowie die korres-pondierenden Abgasmassenströme, Emis-sionen und Abgas- sowie Katalysatortem-peraturen bilden die Basisdaten für Strate-gien, die sich mit der Optimierung solcher Konzepte beschäftigen.

Range extenDeR

Geht man, in teilweiser Analogie zu [5], von einem typischen Range-Extender-Betrieb aus, bei dem die Batterie bis zu einer Grenzkapazität im elektrischen Betrieb entleert wird und dann der Ver-brennungsmotor zugeschaltet wird, der ab hier sowohl die Antriebsleistung als

3301I2012 73.Jahrgang

auch das Nachladen der Batterie überneh-men muss, ergeben sich die in 1 gezeig-ten Pausen- und Aufheizzeiten. Dabei wurden sowohl für das „Stadt“-Beispiel als auch für das Szenario „Land“ mehrere NEFZ-Zyklen aneinandergehängt, wobei die Fahrleistung für die Überlandfahrt mehr als verdoppelt wurde. Die Berech-nung wurde mit voller Batterie gestartet und unter den in ① angegebenen Randbe-dingungen durchgeführt. Es wurde darauf geachtet, dass die Batterieladung einen Wert von 27 % nicht unterschreiten soll; hier erfolgte das Einschalten des Verbren-nungsmotors. Bei einem Ladegrad von 32 % wurde der Verbrennungsmotor wie-der abgeschaltet. Je nach Lastprofil (Stadt-

fahrt oder Überlandfahrt) ist dann zum reinen Nachladen der Batterie nur noch wenig Leistung übrig, wodurch die Pau-senzeiten für den Verbrennungsmotor immer kürzer ausfallen: Im Beispiel erge-ben sich circa 7 min bei der Stadtfahrt, aber nur noch weniger als 3 min bei der Überlandfahrt. Analog erhält man im Stadtbetrieb eine Anzahl von etwa fünf Neustarts pro Stunde, bei Überlandfahrt entsprechend nur zwei Neustarts. Je nach dazwischenliegender Pausenzeit liegt dann entweder ein Warm- oder ein Kalt-start vor. Die längste Pausenzeit von circa 50 min bei Überlandbetrieb (circa 105 min bei Stadtbetrieb) ergibt sich durch die Fahrzeit, die verstreicht, bis die Batterie-

kapazität von 100 % erstmals auf den Grenzwert von 27 % abgesunken ist.

Das Range-extenDeR-Konzept

Die beschriebenen Randbedingungen in Kombination mit der Forderung nach einem „Null-Emissionskonzept“ führen zu den wesentlichen Anforderungen an einen Katalysator für Hybrid- beziehungsweise Range-Extender-Fahrzeuge: : Aufheizen des Katalysators bereits vor

Motorstart : Katalysator-interne Heizfunktion : Verzögerung des Auskühlens bei

langen Motorstillstandszeiten durch eine optimierte Isolation.

❶LaufzeitenundPausenzeitendesVerbrennungsmotorsimRange-Extender-BetriebinzweiSzenarien

2KonstruktiverAufbaudeselektrischbeheiztenKatalysators


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aufheizveRhalten im KaltstaRt – e-Kat mit voRheizfunKtion

Trotz des Einsatzes motorischer Katalysa-tor-Heizmaßnahmen werden auch heute noch etwa 80 % der Gesamtemissionen im Kaltstart emittiert, wenn der Katalysa-tor noch nicht oder nicht vollständig auf-geheizt ist. Genau hier liegt auch die Her-ausforderung für Null-Emission-Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.

Eine effektive Maßnahme zur Verbes-serung der Kaltstarteffektivität ist die Ver-wendung eines elektrisch beheizbaren Ka-talysators, ❷. Dieser wurde bereits erfolg-reich in Serie eingesetzt [6, 7]. Für die be-schriebenen Hybrid-Anwendungen bietet er den zusätzlichen Vorteil, dass der Kata-lysator bereits vor Motorstart auf Betriebs-temperatur gebracht werden kann.

Da der Heizkatalysator beziehungs-weise die Heizscheibe nur einen kleinen Teil des katalytisch aktiven Volumens auf-heizt, ist es für seine Anwendung in Hyb-rid- und Range-Extender-Fahrzeugen not-wendig, die Wärme aus der nur wenige mm langen Heizscheibe in den stromab-wärts gelegenen Hauptkatalysator zu transportieren. Eine Möglichkeit dazu stellt die Übertragung über einen Luft-strom dar, der entweder mit Hilfe einer Sekundärluftpumpe oder durch den elekt-risch geschleppten Motor selbst einge-bracht wird. Hierbei bestimmt der Luft-massenstrom und die elektrische Heizleis-tung die erreichbare Temperatur (mit 1 kW Heizleistung kann ein Massenstrom von 36 kg/h um 100 K erwärmt werden) des Abgases stromabwärts der Heizscheibe und der Luftmassenstrom die Aufheizge-schwindigkeit des Katalysators, der der Heizscheibe nachgelagert ist, 3. Je niedri-ger der Luftmassenstrom eingestellt wird, umso höher ist die Temperatur im Kataly-sator, die mit gleicher Heizleistung erzielt werden kann, aber desto länger dauert es auch, den Katalysator über die komplette Länge durchzuheizen.

③ zeigt das Durchheizverhalten des Hauptkatalysators als Funktion des Luft-massenstroms bei einer Heizleistung von 2 kW. Durch Vorheizen des Heizkatalysa-tors vor Motorstart kann also mit einem Massenstrom oberhalb 5 bis 10 kg/h ein großes Teilvolumen (> 50 %) des Haupt-katalysators (140 mm axiale Länge) auf und über die Light-off-Temperatur aufge-heizt werden. Damit sollte nach Motor-

start der größte Teil der Emissionen um gesetzt werden können, wobei ein Optimum bezüglich des einzustellenden Luftmassenstroms erwartet wird.

Mittels einer nachfolgenden Emissions-berechnung am gleichen Katalysatorsys-tem wurde dies überprüft. Die Ergebnisse dieser Berechnungen sind in 4 gezeigt.

3AufheizverhaltendesHauptkatalysatorsalsFunktiondesAbgasmassenstromsbeieinerHeiz-leistungvon2kW(axialesZentrumdesKatalysatorsØ98,4x(8+140)mmLänge/600cpsi)

4BerechnetekumulierteHC-EmissionennachunterschiedlichenVorheizzeiten(zwischen10und60s)undweiteren90snachMotorstartimnEFZunterzusätzlicherVariationdesLuftmassenstromszwischen2und20kg/h

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Aufgetragen sind die berechneten kumu-lierten HC-Emissionen nach der jeweils angegebenen Vorheizzeit (zwischen 10 und 60 s) und weiteren 90 s im EU-Zyklus (ohne Heizen) unter zusätzlicher Varia-tion des Luftmassenstroms.

Man erkennt zum einen, dass längeres Vorheizen (in den betrachteten Zeiträumen) natürlich eine Verringerung der Emissionen mit sich bringt, und zum anderen, dass es zumindest bei Zeiten > 10 s ein Optimum des Luftmassenstroms im Bereich zwischen 10 und 15 kg/h zu geben scheint, bei dem die Emissionen minimal sind. Die in der Berechnung für den Gesamttest erreichte HC-Emission liegt dann in der Größenord-

nung von 1,6 mg HC/km unter der Annah-me, dass der Katalysator im weiteren Test-verlauf nicht auskühlen würde.

abKühlveRhalten wähRenD DeR pausenzeiten – minimieRung von wäRmeveRlusten

Hinsichtlich des Abkühlverhaltens gilt es, mehrere Faktoren zu berücksichtigen und ihnen durch entsprechende konstruktive Maßnahmen Rechnung zu tragen [8]. Geht man davon aus, dass der Motor prinzipiell unter Last betrieben und ansonsten abge-koppelt wird, handelt es sich dabei im Wesentlichen um die radiale und axiale

Wärmeleitung im Träger sowie die Konvek-tion und Strahlung an die Umgebung, 5.

Zur Reduzierung der Wärmeverluste sollte also zum einen die Wärmeleitung innerhalb des Trägers sowie insbesondere der Wärmetransport an die Grenzflächen (Mantel, Stirnflächen) auf ein Minimum reduziert werden. Weiterhin kann durch eine zusätzliche Isolation im äußeren Man-telbereich der Wärmeaustrag weiter redu-ziert werden. 6 zeigt sämtliche Maßnah-men, die bei der Entwicklung des Range-Extender-Designs umgesetzt wurden.

Hierbei handelt es sich folgerichtig mehrheitlich um Maßnahmen zur Behin-derung des konduktiven, also des Wärme-

5WärmetransportmechanismenamKatalysator,seinerIsolationundseinerAnbindungandasAbgassystem

6BeheizterRange-Extender-KatalysatormitinternenundexternenIsolationsmaßnahmen


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abflusses durch Wärmeleitung, sowohl in radialer als auch in axialer Richtung. Dazu gehören unterbrochene Bereiche im radial mantelnahen Bereich der Katalysatormatrix sowie nahe der axialen Stirnseiten, um die Wärmeleitung zu unterbrechen. Zusätzlich wurden Maßnahmen angewendet, die mit-tels schlecht wärmeleitender Beschichtun-gen und/oder Luftspalten den Mantel radial thermisch von der Matrix entkop-peln. Auch der Mantel selbst wurde mittels geeigneter Maßnahmen axial thermisch vom Abgassystem entkoppelt. Weiterhin wurde ein spezielles Isolationsmaterial zur radialen Isolation des Katalysatoraußen-mantels und der Konen eingesetzt.

7 zeigt den Einfluss der Maßnahmen als Messergebnisse in Form von Volumenantei-len der Katalysatormatrix, die, ausgehend von einer Kerntemperatur von 400 °C, noch oberhalb einer angenommenen Light-off-Temperatur von 230 °C liegen und somit noch katalytisch aktiv sind. Man erkennt, dass ausgehend von einem komplett uniso-lierten Träger das Einbringen einer radialen Isolation (Schichtdicke = 5 mm) bereits eine deutlich verzögerte Abkühlung bewirkt. Über eine Kombination mit der radialen und axialen Entkoppelung sowie der beschriebenen Isolationsmaßnahmen kann die Zeit bis zum Auskühlen des Trä-gers nahezu verdoppelt werden.

Legt man das oben gezeigte Szenario, ①, als Beispiel zugrunde, zeigt sich, dass die im Stadtbetrieb erhaltenen Pausenzei-ten schon zur emissionsrelevanten Aus-kühlung des Katalysators führen würden, die sich mittels der gezeigten Maßnahmen jedoch verhindern beziehungsweise abschwächen ließe.

optimieRte betRiebsstRategie – fahRzeugtests

Ziel der Untersuchungen am Fahrzeug war es, für unterschiedliche Randbedingungen einen emissionsarmen Motorstart demons-trieren zu können. Gleichzeitig sollten die Simulationsergebnisse validiert werden. Dazu wurde an einem Versuchsfahrzeug ein elektrisch beheizter Katalysator mit einer Heizleistung von 1,8 kW in motorna-her Position verbaut. Die Katalysatorab-messung war Ø 98,4 x (8 + 140) mm/ 600 cpsi. Die hier dargestellten Versuche wurden mit einer Sekundärluftpumpe gefahren, um den Einfluss unterschiedli-cher Massenströme zu untersuchen.

Erste Versuche wurden auf Basis eines NEFZ-Kaltstarts durchgeführt. Zur Tempe-raturerfassung wurde der E-Kat mit diver-sen Thermoelementen sowohl hinter der Heizscheibe als auch im nachfolgenden Stützkatalysator ausgerüstet. 8 zeigt den Temperaturverlauf einer Messstelle 15 mm tief im Stützkatalysator bei einem NEFZ-Kaltstart mit unterschiedlichen Vorheizzei-ten und unterschiedlichen Massenströmen in der Vor heizphase, 9 die entsprechen-den Temperaturen in 70 mm axialer Tiefe im Stützkat.

Wie ⑧ zeigt, gelingt es mit einem Mas-senstrom von 15 kg/h und einer Vorheiz-zeit von 30 s nicht ganz, dass die Tempera-tur in 15 mm axialer Tiefe den Light-off-

Bereich des Katalysators erreicht, sondern erst wenige Sekunden nach Motorstart, damit allerdings immerhin schon 13 s frü-her als ohne Beheizung. Durch eine Ver-dopplung des Massenstroms auf 30 kg/h ist es dann aber möglich, an der Messstelle bereits bei Motorstart eine Temperatur von circa 300 °C zu erzielen und somit Light-off zu ermöglichen. Eine weitere Erhöhung des Massenstroms zeigt an dieser Mess-stelle keinen signifikanten Einfluss mehr.

Deutlichere Auswirkung hat die Verlän-gerung der Vorheizzeit bei einem mittleren Massenstrom (30 kg/h) von 30 auf 45 s. Hierdurch kann die Temperatur an der genannten Position nochmals um 150 °C angehoben werden und liegt damit deutlich

7AnteilederKatalysatorstrukturoberhalbderLight-off-temperaturvon230°C,unterschiedlicheradialeundaxialeIsolationsvarianten

8temperaturenin15mmaxialertiefedesStützkatalysatorsbeiVerwendungunterschiedlicherKaltstartstrategienimnEFZ(Ø98,4x(8+140)mm/600cpsi)


oberhalb des Light-off-Bereichs. Betrachtet man jetzt die Temperaturen in der Mitte des Stützkatalysators, ⑨, so erkennt man, dass ein Durchheizen bis zu diesem Ort ohne aktive Beheizungsmaßnahmen erst nach dem ersten Beschleunigungshügel stattfin-det. Unter Anwendung von Vorheizmaß-nahmen kann je nach Szenario bereits vor oder während der ersten Beschleunigung die Hälfte des Katalysatorvolumens auf Light-off-Temperatur gebracht werden.

Die Auswirkung dieser Maßnahmen auf die Emission ist in ❿ dargestellt. Gegenüber dem normalen Kaltstart kann mit einer Vorheizzeit von 30 s und einem Massenstrom in der Vorheizphase von 15 kg/h die HC-Emission im Kaltstart um circa 80 % von 0,8 auf 0,15 g reduziert werden. Eine ähnliche Reduktion wird für die CO-Emission erreicht.

zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Ent-wicklung und die Optimierung eines neuen Katalysatorkonzepts, des Range-Extender-Katalysators, dessen Auslegungskritierien und Auswirkungen auf die Endrohremissi-onen, insbesondere beim Einsatz bei Otto-motoren. Typische, aus den denkbaren Betriebsarten eines als Range Extender arbeitenden Verbrennungsmotors abgelei-teten Anforderungen an das Nachbehand-lungssystem sind insbesondere das Aufhei-zen des Katalysators bereits vor Motorstart, welches zum Beispiel durch das Vorhan-densein einer Katalysator-internen elektri-schen Heizfunktion umgesetzt werden kann. Darüber hinaus ist es mindestens ebenso wichtig, das Auskühlen des Kataly-sators bei längeren Motorstillstandszeiten

durch eine optimierte Isolation so lange wie möglich zu verzögern.

Als Annäherung an eine Lösung dieser Aufgaben wurde das Range-Exten-der-Katalysatorkonzept vorgestellt, das sowohl eine elektrische Vorheizfunktion umfasst als auch seitens des Designs dahingehend optimiert ist, nur minimale Wärmeabflüsse an die Umgebung zuzu-lassen und somit das Katalysatorsystem fast doppelt so lange wie ein nicht isolier-tes System auf Betriebstemperatur zu halten.

Es konnte sowohl rechnerisch simuliert als auch durch korrelierende Messungen nachgewiesen werden, dass es Optima bezüglich der beim Vorheizen des Kata-lysatorsystems herrschenden Randbedin-gungen Luftmassenstrom und Heizdauer gibt, die dann jeweils zu minimalen Emissionsergebnissen führen. Sowohl in der Messung als auch in der Simulation konnte die Kaltstartemission mittels eines vorgeheizten E-Katsystems um 80 bis 90 % reduziert werden.

liteRatuRhinweise[1]Zetsche,D.:AufdemWegzuremissionsfreienMobilität?MöglichkeitenundGrenzendeselektri-schenFahrens.AachenerMotorenkolloquium2009[2]Hadler,J.:GegenwärtigeundzukünftigeAntriebstechnologienimSpannungsfeldglobalerAnforderungen.AachenerMotorenkolloquium2009[3]Forst,R.:Elektromobilitätbeiopel–DieZukunftdesVerkehrs.AachenerMotoren-kolloquium2010[4]Zikoridse,G.:KonzeptstudiezurRealisierungeinerAbgasnachbehandlungbeimBetriebeinesRange-Extenders.InnovationsforumFeinstaubar-mesFahrzeug,Klettwitz2011[5]Hartmann,B.;Renner,C.:Autark,Plug-inoderRange-Extender?EinsimulationsgestützterVergleichaktuellerHybridfahrzeugkonzepte.18.AachenerKolloquiumFahrzeug-undMotoren-technik,2009[6]Küper;P.-F.;Maus,W.;Swars,H.;Brück,R.;Kaiser;F.-W.:Ultra-LowPowerElectricallyHeatedCatalystSystem.SAE940465;1994[7]Hanel,F.-J.;otto,E.;Brück,R.:ElectricallyHeatedCatalyticConverter(EHC)intheBMWAl-pinaB125,7Switchtronic.SAE960349,1996[8]Breuer,J.;Brück,R.;Diewald,R.;Hirth,P.:temperatureExaminationsonaMetalCatalystSystem.SAE971028,1997

9temperaturenin70mmaxialertiefedesStützkatalysatorsbeiVerwendungunterschiedlicherKaltstartstrategienimnEFZ(Ø98,4x(8+140)mm/600cpsi)

❿EinflussderVorheizstrategieaufdieHC-EmissionimKaltstartdesnEFZ

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2011. XII, 236 S. mit 109 Abb. und 49 Tab. Br. EUR 24,95ISBN 978-3-8348-1279-7

Dieses etwas andere Lehrbuch führt in die Berechnung von Verbrennungsmotoren ein, indem es von aktuellen Fragestellungen z. B. der Fahrzeugdynamik oder Motorthermodynamik aus-geht und bei der Lösung die notwendige Theorie herleitet. Wird das Buch komplett durchgear-beitet, lernt man ebenfalls die Grundlagen der Verbrennungsmotoren. Damit man in das Buch auch quer einsteigen kann, ist in einem eigenen Verzeichnis aufgeführt, welche theoretischen Kenntnisse man für die Lösung der jeweiligen Aufgabe benötigt und in welchem Abschnitt des Buches diese hergeleitet wurden. Alle Berechnungen werden in Excel durchgeführt, das heut-zutage auf fast jedem Rechner installiert ist. Der Leser lernt somit auch einige Grundlagen und Möglichkeiten des Excel-Tools.

Die AutorenDr.-Ing. Klaus Schreiner ist Professor an der HTWG Konstanz und Leiter des Labors für Verbrennungsmotoren im Fachbereich Maschinenbau. 2008 erhielt er den Lehrpreis des Landes Baden-Württemberg.

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Geschäftsführer: Dr. Ralf Birkelbach (Vors.), Armin Gross, Albrecht F. Schirmacher. AG Wiesbaden HRB 9754

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