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Forschungsstelle
BAFU
Projektnummer
UTF 584.13.18
Projekttitel
EAS7+ Abgasbehandlung bei erdgasbetriebenen LDV (Exhaust Aftertreatment System for the lowest environmental impact, Natural Gas powered delivery vehicle, Euro 7 and beyond)

Texte zu diesem Projekt

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Schlüsselwörter
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Kurzbeschreibung
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Ergebnisse gemäss Vertrag
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Projektziele
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Beschreibung der Resultate
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Umsetzung und Anwendungen
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Weiteres Vorgehen
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Publikationen / Ergebnisse
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Deutsch)
Abgasbehandlung, LDV, CNG, Compressed Natural Gas, flüssiges Erdgas, LNG, Liquid Natural Gas, Abgasnachbehandlung, Verbrennungsmotor, Methan, CH4, Stickoxide, NOx, Partikelemissionen, Kaltstartemissionen, Katalysator
Kurzbeschreibung
(Deutsch)

Erdgas kann während der Übergangsphase hin zu ökologischeren Fahrzeugen ein möglicher und kostengünstiger Weg sein, um CO2 im Mobilitätssektor einzusparen.

Auf dem Markt haben sich zwei Arten von Fahrzeugmotorisierungen auf Basis von Erdgas als Treibstoff etabliert: komprimiertes Erdgas (CNG = Compressed Natural Gas) oder flüssiges Erdgas (LNG = Liquid Natural Gas). Diese unterscheiden sich hauptsächlich in der Art der Treibstoffspeicherung in den Fahrzeugen. Die Verbrennung und Abgasnachbehandlung ist bei beiden gleich. Das Abgas aus der Verbrennung von Erdgas in Verbrennungsmotoren weist im Vergleich mit klassischen Dieselmotoren tiefere NOx und Partikelemissionen auf. Wesentliche Nachteile der Erdgasverbrennung sind die Mengen an unverbranntem klimaschädlichem Methan (CH4) nach der Abgasnachbehandlung und die hohen Kaltstartemissionen.

Um diese wesentlichen Nachteile zu reduzieren, kann man die Abgasnachbehandlung dahingehend optimieren, dass man die Emissionen an nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen (THC) und Kohlenmonoxid (CO) oxidiert, sowie die Stickoxide (NOx), Partikelemissionen und Kaltstartemissionen auf ein Minimum reduziert.

Mit diesem Projekt soll ein neues Abgasnachbehandlungssystem für erdgasbetriebene Nutzfahrzeuge entwickelt und erprobt werden, welches die genannten Nachteile beseitig.

 

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 27.03.2018 an der Sitzung der Koko UT vom 29.05.2018 genehmigt
Ergebnisse gemäss Vertrag
(Deutsch)
1    Die chemischen Reaktionen der Abgase von Erdgasverbrennungsmotoren sind an gebrauchten und ungebrauchten Bienenwaben-Katalysatoren mit und ohne Zusatzstoffe unter Berücksichtigung verschiedener Erdgaszusammensetzungen evaluiert und gemessen.

2    Der Alterungsprozess und die Schadstoffumwandlung des Bienenwaben-Katalysators sind bestimmt und quantifiziert. Meilenstein 1

3    Aus den Ergebnissen 1 und 2 sind eine Reihe polyhedrische keramische Strukturen entwickelt und mit einer katalytischen Schicht zur Abgasbehandlung von Erdgasverbrennungsmotoren überzogen.

4    Ein Vergleich zwischen den Bienenwaben-Katalysatoren und derjenigen mit polyhedrischen keramischen Strukturen ist durchgeführt und die 3-5 besten Konfigurationen sind definiert. Die Emissionen unterschreiten dabei die Euro 6 Grenzwerte um mindestens 50% und ein Entscheid über die Fortführung des Projektes ist gefällt (Go/NoGo). Meilenstein 2

5    Die besten vorgeschlagenen Konfigurationen des Abgasnachbehandlungssystems aus Ergebnis 4 unter Berücksichtigung des gesamten Treibhausgaspotentials (CO2, CH4, N2O), der Ozon-Reaktivität (THC, NOx), sowie des Gefährdungspotentials für die Gesundheit (PN, CHOH, NO2, CO, NH3) sind hergestellt und bereit zum Einsatz an einem CNG IVECO Daily Nutzfahrzeug.

6    Die gewählten Prototypen zur Abgasbehandlungssysteme für Erdgasverbrennungsmotoren sind erstellt und Messwerte belegen deren Wirksamkeit an einem CNG IVECO Daily Nutzfahrzeug auf dem Prüfstand und dem realen Betrieb. Die Emissionen unterschreiten dabei ein Zehntel der Euro 6 Grenzwerte auf dem Prüfstand.

7    Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 6 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.

8    Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.

9    Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.
Projektziele
(Deutsch)

Es soll ein neuartiges Abgasnachbehandlungssystem für erdgasbetriebene Nutzfahrzeuge entwickelt und auf einem CNG IVECO Daily Nutzfahrzeug unter Berücksichtigung des gesamten Treibhausgaspotentials (CO2, CH4, N2O), der Ozon-Reaktivität (THC, NOx), sowie des Gefährdungspotentials für die Gesundheit (PN, CHOH, NO2, CO, NH3) erprobt werden. Die Emissionen sollen dabei auf ein Zehntel der Euro 6 Grenzwerte für Erdgasmotoren reduziert werden.

Beschreibung der Resultate
(Deutsch)

Das vorhandene Projekt hat vertiefte Kenntnisse in der katalytischen Reduktion von Methan und weiteren Schadstoffen im Abgas von Motoren betrieben mit synthetischem und fossilem Methan erarbeitet. Mehrere Ziele waren im Fokus der Arbeiten: Analyse der Reaktionswege der Methanreduktion, Erarbeiten von operativen Strategien zur Maximierung der Katalysatoraktivität, Erforschung der Bildung und Reduktion von Ammoniak, Analyse der Einflüsse der verschiedenen Charakteristiken der Edelmetalle und Formulierung der optimalen Katalysatorzusammensetzung.

Dazu wurden verschiedene Experimente am Motorenprüfstand sowie auch am Modellgasreaktor mit gut vergleichbaren Resultaten durchgeführt. Für dessen Analyse wurden Simulations-rechnungen erstellt.

Es konnte nachgewiesen werden, dass die Methanreduktion entweder über schwache, direkte Oxidation oder über starke, aber kurzlebige, Dampfreformierung abläuft. So wurden gezielte, kleine Schwingungen im Verbrennungsluftverhältnis eingeleitet, die den Katalysator neutralisieren und somit die Dampfreformierung stets neuentfachen. In Kombination dazu wurden die Rollen der Edelmetalle Pt, Pd und Rh untersucht und daraus optimale Kombinationen abgeleitet. Schliesslich wurde das Potential von neuartigen 3-d gedruckten Katalysatorgeometrien untersucht.

Resultate konnten in einer Reihe von hochgeschätzten, wissenschaftlichen Journalen publiziert werden.

Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)

Die Resultate sind von grosser Bedeutung für die Entwicklung der neuen Katalysatorgeneration für Methanmotoren. Die gefundene Wirkung der Schwingungen des Verbrennungsluftverhältnisses kann auch auf bestehende Katalysatorsystemen angepasst werden, vorausgesetzt die wichtigen Katalysatorkenngrössen sind bekannt. Erste Prototypenkatalysatoren, erstellt nach den Resultaten dieses Projektes, wiesen 6-mal höhere Methankonversion

, und 3-mal tiefere Ammoniakemissionen im Vergleich zu den aktuell eingesetzten Katalysatoren. NOx und CO Emissionen waren sehr gering, unterhalb der Euro 6d Grenzwerte. Partikel waren im Bereich der Detektionsgrenzen von aktuellen Messsystemen. Dazu haben die neuen Katalysatoren mit der neuen Betriebsstrategie die Kaltstartemissionen stark gesenkt. Letztlich wurde das Verhalten von ofengealterten Katalysatoren analysiert und eine Erweiterung der Betriebsstrategie vorgeschlagen um der nachlassenden Konversion eines alternden Katalysators entgegenzuwirken.
Weiteres Vorgehen
(Deutsch)

Basierend auf diesem Projekt ist eine neue Katalysatorformulierung und Auslegung für Methanmotoren zu erwarten. Entsprechende Verhandlungen zwischen dem beteiligten OEM und einem Katalysatorhersteller sind am Laufen. Die Einführung in die Produktion ist erst möglich, wenn die erste Generation von Prototypen getestet wird und im Anschluss die Dauerlaufeigenschaften ermittelt werden.

Weitere Forschung ist im Bereich der NH3 Entstehung und Reduktion im Katalysator für die Zukunft notwendig.

Wichtig ist die Übertragung der gefundenen Resultate auf Katalysatoren für grosse Lastwagen. Grosse Lastwagen für hohe Lasten und grosse Distanzen werden auch längerfristig mit Methanmotoren, am besten mit synthetischem Methan, betrieben.

Zudem konnte das Potential von 3-d gedruckten, optimierten Katalysatorstrukturen gezeigt werden. Weitere Entwicklung der Verfahren ist notwendig um diese Strukturen in fahrzeugspezifischen Dimensionen und in angemessener Zeit zu produzieren.
Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)

Veröffentlichte Beiträge:

  1. Wang, M.; Dimopoulos Eggenschwiler, P.; Franken, T.; Ferri, D.; Kröcher, O. Reaction pathways of methane abatement in Pd-Rh three-way catalyst in heavy duty applications: A combined approach based on exhaust analysis, model gas reactor and DRIFTS measurements. Chem. Eng. J. 2021, 422, 129932, doi:10.1016/j.cej.2021.129932.
  2. Wang, M.; Dimopoulos Eggenschwiler, P.; Ferri, D.; Kröcher, O. Experimental and modeling-based analysis of reaction pathways on catalysts for natural gas engines under periodic lean/rich oscillations. Chem. Eng. J. 2022, 430, 132848, doi:10.1016/j.cej.2021.132848.
  3. Wang, M.; Dimopoulos Eggenschwiler, P. Modeling of Three Way Catalyst Behavior Under Steady and Transient Operations in a Stoichiometric Natural Gas Fueled Engine. In Proceedings of the SAE Technical Paper Series; 2021; Vol. 1, pp. 1–10.
  4. Santoliquido, O.; Camerota, F.; Pelanconi, M.; Ferri, D.; Elsener, M.; Eggenschwiler, P.D.; Ortona, A. Structured alumina substrates for environmental catalysis produced by stereolithography. Appl. Sci. 2021, 11, doi:10.3390/app11178239.
  5. Wang, M.; Dimopoulos Eggenschwiler, P.; Franken, T.; Agote-Arán, M.; Ferri, D.; Kröcher, O. Investigation on the Role of Pd, Pt, Rh in Methane Abatement for Heavy Duty Applications. Catalysts 2022, 12, 373, doi:10.3390/catal12040373.

     

    Beiträge in Vorbereitung:

  6. M. Agote, Maneka Roger, O. Kröcher, M. Wang P. Dimopoulos Eggenschwiler, D. Ferri. The effect of OSC on TWC working under lean-rich pulsing operation
  7. M. Agote, Maneka Roger, O. Kröcher, D. Ferri. The effect of Rh content on lean-rich pulsing operation of model Pd-Rh/Al2O3 catalysts
  8. T. Franken, M. Elsener, M. Wang, M. Agote, P. Dimopoulos Eggenschwiler, O. Kröcher, D. Ferri. Towards increased emission control of exhaust of stoichiometric engines by intentional oxygen dithering