Projekt 23251/01

Entwicklung eines vanadiumfreien SCR-Katalysators und Implementierung in das SCRT-System zur gleichzeitigen Entfernung von Stickstoffoxiden und Ruß aus Diesel-Abgas (VF-Kat)

Projektträger

HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co. KG
Dieselweg 12
58706 Menden
Telefon: 02373/987-244

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Kraftfahrzeuge. Aus diesem Grund ist das Erreichen zukünftiger Ziele der Kraftstoffeinsparung und
Verminderung der CO2-Emission ohne den Dieselmotor nicht denkbar. Dabei ergeben sich jedoch
Konflikte mit den geltenden Normen der Emissionsgrenzwerte, insbesondere in Bezug auf die
Stickstoffoxide (NOX) und den Ruß. Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen SCRKatalysators zur Entfernung von NOX aus dem Abgas von Kraftfahrzeug-Dieselmotoren, um das
etablierte, jedoch toxikologisch bedenkliche V2O5-haltige Katalysatorsystem zu substituieren. Der
Katalysator kann prinzipiell sowohl als separates SCR-Modul als auch als Komponente des SCRT®-
Systems zur Anwendung kommen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAn der Universität Karlsruhe werden potentielle pulverförmige Katalysatormaterialien synthetisiert, in einem schnellen Vorscreening getestet und dann weiter entwickelt. Die effektivsten Muster werden eingehend physikalisch-chemisch charakterisiert und im Hinblick auf ihre Kinetik (Turnover-Frequenz) untersucht. Durch Kopplung der Kenntnis von Materialeigenschaften und SCR-Kinetik werden dann Design und Formulierung des optimalen SCR-Katalysators bestimmt und entwicklungstechnisch umgesetzt. Das optimale Muster wird schließlich mit Hilfe eines Washcoat-Slurries auf gängige Keramik-Wabenkörper aufgebracht und dann an einer Laborapparatur unter Verwendung eines realistischen Diesel-Modellabgases evaluiert. Nach einer weiteren Aufskalierung wird das Muster bei HJS auf einem Motorprüfstand im Realabgas untersucht und im Anschluss als SCRT-System ausgelegt und in den Motorprüfstand integriert. Bei den Messungen wird die Minderung aller limitierten Emissionen untersucht. Zusätzlich wird die Eindüs- und Regelstrategie der Harnstoffeindüsung optimiert, um eine Stickoxidminderung auch bei niedrigen Temperaturen (<240 °C) zu gewährleisten, diese Untersuchungen werden mit einem Standardkatalysator durchgeführt. Hierzu wird die Güte des Sprays verschiedener Düsen mittels PDA ermittelt. Die anschließende Optimierung der Regelstrategie wird am Prüfstand und im Fahrzeug überprüft.


Ergebnisse und Diskussion

Die im Rahmen dieses Projekts verfolgte Entwicklung eines vanadiumfreien SCR-Katalysators führt zu einem hocheffizienten eisenhaltigen Zeolith vom Typ BEA. Dieses Muster zählt zu den derzeit effektivsten SCR-Katalysatormaterialien und weist sowohl eine bessere Performance als auch eine höhere thermische Beständigkeit auf als das seit langem etablierte V2O5-System. Besonders erwähnenswert ist insbesondere auch die hohe Tieftemperaturaktivität (< 250°C), di e in Anwesenheit von NO2 noch erheblich verstärkt wird. Die Aktivierung des Zeoliths durch Eisenoxid ist aus präparativer Sicht denkbar einfach und ist ohne grundsätzliche Probleme auf den technischen Maßstab übertragbar. Durch die systematische Kopplung von physikalisch-chemischer Materialanalyse und spezifischer SCR-Kinetik ist die wissensbasierte Optimierung des Eisengehalts (0,25%) gelungen. Es wurde gefunden, dass die SCR-Performance auf die Anwesenheit isolierter und geclusterter FexOy-Strukturen zurückzuführen ist, wobei die katalytische Aktivität auf einem komplexen Zusammenspiel zwischen Fe-Komponente und Zeolithträger beruht. Hinsichtlich der Übertragung des pulverförmigen Zeolith-Katalysators auf Wabensysteme zeigen die unter
realitätsnahen Testbedingungen evaluierten Prototypen sehr aussichtsreiche Ergebnisse. So besitzen die als Beschichtungssysteme gefertigten Muster ähnlich hohe Aktivitäten wie die kommerziellen V2O5-haltigen Vollkatalysatoren (Vollmaterialien besitzen in der Regel höhere NOx-Umsätze als Beschichtungssysteme). Ein weiteres wichtiges Merkmal des entwickelten Katalysators ist dessen hohe hydrothermale Beständigkeit nach Alterung bei 550°C (wichtig für Nfz und Busse) sowie die verbli ebene Grundaktivität nach Exposition bei 800°C (relevant für Pkw), die durch anwesendes NO2 deutlich angehoben wird.
Zur Bestimmung der Aktivität im Realabgas wurde ein Wabenträger mit der aktiven Eisenzeolith-Beschichtung imprägniert. Die Untersuchungen wurden im Teilstrom durchgeführt, um die Raumgeschwindigkeit realitätsnah einzustellen. Die Untersuchungen zeigen im Tieftemperaturbereich eine ähnlich hohe Aktivität wie die kommerziell erhältlichen Vanadiumhaltigen Trägerkatalysatoren. Die im Realabgas ermittelten Ergebnisse werden in die Optimierung der Beschichtung mit eingebracht. Die aus dem Projekt gewonnen Ergebnisse, werden derzeit für die Anpassung der Beschichtung an verschiedene
Trägermaterialien verwendet.
Die Untersuchungen zur Optimierung der Regelstrategie für die Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung haben gezeigt, dass bei schlechter Dosierung (z.B. zu große Tropfen, Totvolumen, Spülstrategie) es zu Ablagerungen von Harnstoff in der Abgasanlage kommen kann. Im Rahmen des Projektes konnte die Dosierstrategie soweit optimiert werden, dass die minimale Starttemperatur für die HWL-Eindüsung von 240 °C auf 200 °C herabgesetzt werden konnte. Dies führt zu einer deutlich verbesserten Stickoxidminderung in realen Niedertemperaturzyklen. Bei Untersuchungen auf dem Motorprüfstand konnte gezeigt werden, dass die Stickoxidemissionen von 2,7 g/kWh auf 1,3 g/kWh minimiert werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Posterpräsentationen und Beiträge in Tagungsbänden:
- 39. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker, Weimar, 15.-17.03.2006.
- 7. international congress on catalysis and automotive pollution control (CAPOC), Brussels, Belgium,
30.08.-01.09.2006.
- 40. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker, Weimar, 14.-16.03.2007.
- 41. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker, Weimar, 27.-29.02.2008.
- 4. International conference on environmental catalysis (ICEC), Belfast, Northern Ireland, 31.08.-
03.09.2008


Fazit

Das vorliegende Projekt erfüllt die Projektziele hinsichtlich der Entwicklung eines toxikologisch
unbedenklichen Katalysatormaterials zur NOx-Minderung in Kfz-Dieselabgas mit Hilfe des SCRVerfahrens. Der gefundene eisenhaltige Zeolith-Katalysator ist aktiver und hydrothermal beständiger als das kommerzielle, jedoch giftige V2O5-System. Die Übertragung von der Pulverebene auf reale Beschichtungssysteme ergibt auch unter sehr realitätsnahen Testbedingungen sehr aussichtsreiche Resultate, insbesondere auch im wichtigen Tieftemperaturbereich. In einer an das Projekt nahtlos angeschlossenen Fortsetzung der Entwicklungsarbeiten treiben die beteiligten Partner die Umsetzung des Katalysatorsystems in die Praxis weiter voran.

Übersicht

Fördersumme

250.000,00 €

Förderzeitraum

16.03.2005 - 16.09.2007

Internet

www.hjs.com

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Umwelttechnik