Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung der Veränderung der Eigenschaften von Partikelemissionen eines Ottomotors in einem 3-Wege-Katalysator

Die steigenden Anforderungen an die Reduktion der Partikel aus Ottomotoren werden in Zukunft zum verbreiteten Einsatz von Partikelfiltern führen. Für deren Auslegung ist jedoch ein deutlich detaillierteres Wissen über Partikeleigenschaften nötig als derzeit vorliegt. Ziel des Projektes ist es die Reaktionen von Partikeln auf der Oberfläche eines 3-Wege-Katalysators zu identifizieren. Auf einem Motorenprüfstand werden die Partikelemissionen eines Einzylinder Forschungsmotors mit aktuellem Brennverfahren in Abhängigkeit von den der Betriebs- und Randbedingungen detailliert analysiert. Ein 3-Wege-Katalysator wird folgend in diesen Testaufbau integriert um die Partikeleigenschaften nach einem Katalysator zu analysieren. Um flexibler in den Randbedingungen wie Temperatur, Raumgeschwindigkeit und Gaszusammensetzung variieren zu können wird der Synthesegasprüfstand an den Motoraufbau gekoppelt sodass kleine 3-Wege-Katalysator Proben analysiert werden können. Hierbei geht es im Wesentlichen darum die unterschiedlichen Effekte auf die Partikeleigenschaften, also chemische und physikalische, separieren zu können. Mittels neu entwickelter elektronenmikroskopischer Verfahren werden die Vorgänge im Katalysator sichtbar gemacht. Kleine und mittelständige Unternehmen als Entwicklungsdienstleister, Zulieferer von Systemkomponenten sowie Anbieter von Simulations- und Analysesoftware profitieren von den Forschungsergebnissen in besonderem Maße. Die gewonnen Erkenntnisse und zur Verfügung gestellten Daten können direkt als Grundlage für Modelle sowie für die Auslegung von Komponenten genutzt werden. Insbesondere der experimentelle Aufwand ist für KMU, welche zur Weiterentwicklung ihrer Produkte dringend auf das Wissen angewiesen nicht realisierbar. Als Transfermaßnahmen stellen zudem Veröffentlichungen, die Verwendung der Ergebnisse in der Lehre Vorträge und Präsentationen sowie ein möglicher Personaltransfer in die Industrie den langfristigen Nutzen der Projektergebnisse sicher.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war es, den Einfluss eines Dreiwegekatalysators auf die Rußpartikeleigenschaften zu analysieren. Dazu wurden mehrere Messkampagnen am Einzylinder-Forschungsmotor durchgeführt. Durch die Variation der Partikelmesstechnik zeigte sich, dass der Dreiwegekatalysator die kleinsten und flüchtigen Partikelemissionen sehr effektiv oxidiert. Als Schlussfolgerung daraus macht es einen Unterschied für die Akkumulation im Partikelfilter, ob dieser in erster Position des Abgasstrang oder wie üblich erst stromabwärts des Dreiwegekatalysators integriert wird. Wichtig zu beachten ist, dass dieser Unterschied mit dem üblichen Aufbau eines Kondensationspartikelzählers mit vorgeschalteter Entfernung der flüchtigen Partikelspezies nicht beobachtet werden kann.

Als neuartiger Aufbau wurde der Einzylinder-Forschungsmotor zusätzlich mit dem Laborgasprüfstand gekoppelt, um dem Abgas gezielt einzelne Emissionsspezies zuzuführen und so deren Einflüsse zu bestimmen. Basierend auf einer umfangreichen Literaturrecherche wurden Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Ammoniak für die Untersuchungen als Emissionsspezies im Abgas identifiziert, die das höchste Potential haben die Partikelcharakteristika zu beeinflussen. Im Rahmen der Untersuchungen wurde jedoch kein wesentlicher Einfluss durch die zusätzliche Dosierung von Wasserstoff oder Kohlenmonoxid festgestellt. Bei Ammoniakdosierung wurde hingegen ein Anstieg der Partikelemissionen stromabwärts des Katalysators im Vergleich zum Referenzversuch dargestellt. Dazu wurden verschiedene Thesen aufgestellt, wobei eine Konkurrenzreaktion um den vorhanden Wasserstoff als wahrscheinlichste gewertet wurde.

Mit den neuen Erkenntnissen können Abgasanlagen entsprechend optimiert werden. Weiterhin ermöglichen die Ergebnisse eine Weiterentwicklung der Partikelmesstechnik.