Mikrowellen-beheizter Katalysator (Entwicklung von neuen mikrowellen-absorbierenden Strukturen für Automobil-Katalysatoren)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 511.14.15

Schlüsselwörter (Deutsch)

mikrowellen-beheizter, Katalysator, Emissionen, Kaltstart, Temperaturen, Automobil, Kaltstartemissionen, CO, Abgas, CO2, Benzinmotor

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Heutige Automobil-Katalysatoren arbeiten sehr effizient, sobald die erforderliche Betriebstemperatur erreicht ist. Ein Benzinmotor mit nachgeschaltetem Katalysator, welcher die Euro-6 Normen einhält, verursacht bei normaler Betriebstemperatur nahezu keine Emissionen. Dies ändert sich jedoch wenn man die Kaltstartphase – Zeit bis der Katalysator die erforderliche Betriebstemperatur erreicht hat – betrachtet.

Die Kaltstartemissionen von CO und weiteren unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) sind 2-3 Grössenordnungen höher als im normalen Betriebszustand. So tragen Kaltstartemissionen von PKWs mit Euro-5 bis zu 68% der CO und 88% der Kohlenwasserstoffe an den Emissionen bei, gemessen an ihrem Gesamtausstoss inkl. normalem Betrieb. Ein weiterer Aspekt dieses Umweltproblems ist, dass ein Grossteil der Kaltstartemissionen in bewohnten urbanen Zonen geschieht.

Bei der Entwicklung neuer Abgasbehandlungstechnologien wird aktuell bei Benzinmotoren eine Maximierung der Motoreneffizienz, eine Minimierung des Treibstoffverbrauches und eine Reduktion des CO₂-Ausstosses angestrebt. Daraus resultiert aber, dass die Abgastemperaturen in Zukunft weiter verringert werden müssen, so dass die Problematik der Kaltstartemissionen weiter verschärft wird.

Mit diesem Projekt soll nun ein neues Katalysator-Konzept entwickelt werden, welches beim Kaltstart weniger Emissionen erzeugt, aber genau so effizient wie ein handelsüblicher Katalysator bei hohen Temperaturen arbeitet. Hierfür soll ein   Katalysatorsubstrat entwickelt werden, dass eine hohe Turbulenz des Abgases erzeugt und mittels Mikrowellen auf die notwendige Betriebstemperatur vorgeheizt werden kann.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 22.05.2015 an der Sitzung der Koko UT vom 18.06.2015 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1    Der Prototyp des Katalysatorsubstrates ist hergestellt und steht als Keramikstruktur bereit um mit einer mikrowellen-absorbierenden Schicht beschichtet zu werden.

2    Das Material-Screeing für die mikrowellen-absorbierende Beschichtung des Katalysatorsubstrates ist abgeschlossen und die Keramikstruktur mit der bestmöglichen mikrowellen-absorbierenden Beschichtung versehen, so dass 50% weniger Edelmetall benötigt wird. Meilenstein 1.

3    Der Mikrowellen-Generator ist auf die mikrowellen-absorbierende beschichtete Keramikstruktur angepasst, so dass die bestmögliche Absorption der Energie auf der Beschichtung gewährleistet ist, um damit ein Vorheizen der Katalysator-Beschichtung zu ermöglichen.

4    Messreihen mit dem neuen mikrowellen-beheizten Katalysator zeigen, dass bis zu 50% weniger Emissionen beim Kaltstart erzeugt werden, aber dieser genau so effizient wie ein handelsüblicher Katalysator bei hohen Temperaturen arbeitet. Meilenstein 2.

5    Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4.

6    Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets.

7    Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung.

Projektziele (Deutsch)

Mit diesem Projekt soll ein neues mikrowellen-beheizbares Katalysatorsubstrat entwickelt werden, welches in einer turbulenten Strömung bis zu 50% weniger Emissionen beim Kaltstart erzeugt, aber genau so effizient wie ein handelsüblicher Katalysator bei hohen Temperaturen arbeitet. Zudem soll für die Herstellung des Katalysatorsubstrates 50% weniger Edelmetalle als bei handelsüblichen Waben-strukturen Katalysatoren benötigt werden.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Numerische Simulation von Strömung und chemischen Reaktionen wurde entwickelt um die polyedrische Struktur zu identifizieren, die zu Katalysatoren mit höchster Reaktivität und niedrigstem Druckverlust führen. Basierend auf die Resultate können solche Katalysatoren gleiche Emissionsreduktion für rund nur 1/5 der Oberfläche und somit auch 1/5 der Edelmetalle erzielen.  Produziert können solche polyedrischen Netze nur mit additiven Fertigungsverfahren (3D-Druck). Erste Exemplare mit kleinerer Dimensionen wurden direkt mit Stereolithographie hergestellt, für grössere Exemplare (für Fahrzeuge) musste eine hybride Herstellungsmethode entwickelt.

Zur Mikrowellenabsortion wurde SiC als das geeignetste Material identifiziert. Erste Versuche mit Fahrzeugkatalysatoren zeigten, dass SiC Beschichtungen eine zu geringe Absorptionsmasse bereitstellen um genügende Energie speichern zu können. Somit wurden ganze Katalysatorteile direkt aus SiC eingesetzt.

Messungen mit synthetischem Abgas bei 20°C zeigten Schadstoffreduktion bis zu 80%. Dies wurde mit 100s Aufheizzeit erzielt. Ein Fahrzeugkatalysatorsystem wurde aufgebaut und am Auspuffausgang (stromab vom Fahrzeugkatalysator und den Abgasleitungen) eines Benzin-fahrzeugs ausgemessen. In dieser "kältesten" Position wurde eine Reduktion der Emissionen der ersten 600s nach dem Kaltstart von 15% festgestellt. Bei einer motornahen Positionierung des kann eine Reduktion der Kaltstartemissionen von 30% erwartet werden.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Ein Folgeprojekt mit einem OEM (Audi AG) hat als Ziel die Untersuchung der Eigenschaften der neuen polyedrischen Katalysatoren an einem Fahrzeug (ohne Mikrowellen Heizung). Dabei hat der polyedrische Katalysator den Technologie Reifegrad (trl) von 6 (Prototyp in der realen Betriebsumgebung). Die nächsten Schritte in diesem Projekt zielen auf trl von 7-8. Detaillierte Messungen mehrerer Systeme sowie auch die Charakterisierung gealterter Katalysatoren sind eingeplant.

Die Mikrowellenheizung hat aktuell eine trl von 5. d.h. Untersuchung eines experimentellen Systems in der Betriebsumgebung. Es gibt noch einige offene Punkte. Für weitere Optimierung ist die vertiefte Kenntnis der Wechselwirkung der Mikrowellen mit den Katalysatorstrukturen erforderlich. Zudem ist die Verbindung der Mikrowellenquelle zum Waveguide auszulegen (sollte die Quelle nicht direkt am Waveguide positioniert werden können) sowie auch die Abdichtung des Waveguide von den Abgasen.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Die hergestellten Katalysatoren (von SUPSI und EngiCer SA) wurden von Umicore beschichtet. Ein Versuchsfahrzeug wurde Empa von Audi AG zur Verfügung gestellt. Die ersten Messungen bestätigen die Erwartungen. Der polyedrische Katalysator hatte die gleiche Schadstoffkonversion wie ein herkömmlicher Wabenkatalysator, obwohl letzterer mit 5 mal mehr Edelmetallen versehen ist. 

Für die Heizung des Katalysators mit Mikrowellen hat die Firma Huber+Suhner als Mikrowellen-quellenzulieferer Interesse gemeldet. Neueste Mikrowellengeneratoren basieren auf Dioden (erwartet wird, dass in den nächsten Jahren keine Magnetrons mehr eingesetzt werden) mit höheren Wirkungsgraden und bessere Wellenfokussierung. Geplant ist die Eingabe eines Innosuisse Projektes.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

O. Santoliquido, G. Bianchi, P. Dimopoulos Eggenschwiler, A: Ortona: Additive manufacturing of periodic ceramic substrates for automotive catalysts, International Journal of Applied Ceramic Technology, doi:10.1111/ijac.12745, 14, 1164-1173, 2017

P. Dimopoulos Eggenschwiler, V. Papetti, F. Lucci, A. Ortona
Additive manufactured open cell structures: Promising substrates for automotive catalysts
Proceedings of the 18th Stuttgart International Symposium, Automotive and Engine Technology, 2018

V. Papetti, P. Dimopoulos Eggenschwiler, A. Della Torre, F. Lucci, A. Ortona, G. Montenegro
Additive Manufactured open cell polyhedral structures as substrates for automotive catalysts
International Journal of Heat and Mass Transfer 126, 1035-1047,
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.61, 2018