Entwicklung von metallischen Katalysatorträgern für 2-Rad · Entwicklung von metallischen Katalysatorträgern für 2-Rad FH Joanneum Fahrzeugtechnik – 20. Januar 2010 Innovation

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Entwicklung von metallischen Katalysatorträgern

für 2-RadFH Joanneum Fahrzeugtechnik – 20. Januar 2010

Innovation in der Fahrzeugtechnik


Agenda

Einleitung zur Emitec GmbH

Motorradsituation

Katalysatoranforderungen

Turbulent Katalysatorträger

Emissionsergebnisse mit Turbulent KatalysatorträgernBeispiel bei einem Indischen 150CC Motorrad

Beispiel bei der Entwicklung einer Euro 4/5 Losung

Ausblick


Beispiel von Metalit Designs


Fountain Inn, USA, 1997

Stammsitz - Lohmar, 1986 gegründet

Emitec Stammsitz, Produktion Und F&E StandortePune, India, 2006Eisenach, 2001


Applikationsbeispiele- PKW

BugattiLS-Design

VW TiguanLS-Design

BMW M3


Applikationsbeispiele- Motorrad, Spezialanwendungen

Vor Turbo-Lader Katalysator

AGR Katalysatoren

Hochentwickelt DOC für Diesel PKW

Katalysator in Schaldampfer integriert


Beispiele für Truck Applikationen


Applikationsbeispiele - Non-Road

Marine SCR

Marine TWC

Baumaschinenund Gabelstapler

Generator Kleinen Motoren

Ammoniak Sperrkatalysator


Agenda


Motorradsituation





Ausblick


Weltweite Motorradverkauf 2008

Europe2,4US

0,9

Total 52 Million Vehicles in 2008

Source: Japan Automobile Manufacturers Association

Projection 2010: 51 Million

China 27,5

India8,1

Japan 0,57

Unit: Million Vehicles

Brazil2

Thai 1,59

Indonesia

4,71

Vietnam 2,7


2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014EU

USAJapanBrasilIndia

TaiwanChina

IndonesiaVietnamThailand

Weltweite Emissionsgesetzgebung

EU 3 oder entsprechend EU 2 oder entsprechend Post EU 3 oder entsprechend


Weltweite Motorradapplikationen (I)

Gesetzgebung:

Euro 3 Gesetzgebung oder entsprechend in Kraft (in Europe keine Dauerhaltbarkeitsanforderungen)

EU 4 oder EU 5 (~ PKW EU 5) Lösungen schon in Entwicklung. (Ein Dauerhaltbarkeitsanforderung wird in Kraft treten)

Applikationstypen

50 cm³ (Mofa, Scooter) bis > 1000 cm³ Sport oder Touring Motorräder,

Letzte entwickelte Technologie:

EMS (Kraftstoffeinspritzung, Lambdaregelung)

3-Wege Kat

Industriestaaten:


Gesetzgebung:

Euro 3 Gesetzgebung (oder entsprechend) nur Partiell in Kraft (ab 2010 India , China). (Ein Dauerhaltbarkeitsanforderung ist in Kraft)

General ab 2012 (+ Indonesia, Vietnam)

Applikationstypen

Meistens <150 cm³ Motoren

Letzte entwickelte Technologie für die Erfüllung der Euro 3 Gesetzgebung:

Vergaser,

Minimal 2 Oxi-Kat oder 3-Wege Kat / Fahrzeug

Sekundarluft

Weltweite Motorradapplikationen (II)

Drastisch Erhöhung des Katalysatorbedarf

(mehrere Millionen)

Entwicklungsländern:


Agenda


Motorradsituation





Ausblick


Anforderungen am Katalytischen Konverter

Begrenztes Bauraum für Effektivitätserweiterung des katalytischen KonvertersGewicht niedrig haltenNiedriger Gegendruck für hoch Leistung und niedrige KraftstoffverbrauchHoch effektive Edel Metal (EM) Nutzung wegen begrenzter EM QuelleDauerhaltbarer EmissionskontrolleNiedrige Kat-Kosten

Hoch Spezifischen Effektiven Katalysator

mit Niedriger GegendruckNotwendig


Zu einem Hoch Spezifischen Effektiven Katalysator mit Niedriger Gegendruck

Was könnte der Metal Träger beitragen?

Beschichtung Metal Träger


Agenda


Motorradsituation





Ausblick


Stofftransportkoeffizient ß entlang des Kanals in laminarerKatalysatorwaben

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Kat-Längenkoordinate [mm]

Stof

ftran

spor

t Bet

a [m

/s]

Laminare Strömung

TurbulenteEinströmung

ß= 1,0 m/s ß= 0,2 m/s

Relativ Strömungsgeschwindigkeit


Ziel der Entwicklung : Erhöhung des Stofftransportkoeffizients ß

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Kat-Längenkoordinate [mm]

Stof

ftran

spor

t Bet

a [m

/s]

LaminareStrömung

Turbulent Strömung


Katalystorträger Entwicklung bei Metaliten:von glatten zu strukturierten Kanälen

Transversal-Struktur „TS“Mit radialen Strömungsanteilen

Perforierte Folie „PE“offene radial Struktur

Longitudinal-Struktur „LS“zur Verkürzung der Diffusionswege


Film PE


PE – Prinzipe : Radial offene Struktur

PE-Design

Gas Inlet Gas Outlet

UI=0,906

Gas Outlet

Standard Cat

Gas Inlet

UI=0,830

PE-Design: improvement of internal flow distribution

PE-Design

Gas Inlet Gas Outlet

UI=0,906

Gas Outlet

Standard Cat

Gas Inlet

UI=0,830

PE-Design: improvement of internal flow distributionPE-Disign : Verbesserung der Strömungsverteilung

Standard Kat


Film LS


LS – Prinzipe: Struktur zur Verkürzung der Diffusionswege

Standard

LS Kanal

Rel. Konzentration [-]


Agenda


Motorradsituation





Ausblick


Beispiel bei einem Indischen 150CC Motorrad Katalysatormatrix

Träger Abmessungen[Ø x L] [mm]

CPSI[-] Beschichtung Beladung

[g/ft3]Unbeschichtet 40 x 60 100 Rohemissionen -

Standard 40 x 60 100 Standard 22 / 40 / 56Pt/Rh = 5 : 1

LS 40 x 60 100 Angepasst zur turbulent Struktur

22 / 40 / 56Pt/Rh = 5 : 1

PE 40 x 60 100 Angepasst zur turbulent Struktur

22 / 40 / 56Pt/Rh = 5 : 1

LS-Kurz 40 x 50,8 (-15 % ) 100 Angepasst zur turbulent Struktur

22 / 40 / 56Pt/Rh = 5 : 1

PE-Kurz 40 x 50,8 (-15 % ) 100 Angepasst zur turbulent Struktur

22 / 40 / 56Pt/Rh = 5 : 1

Beschichtung von der Firma W.C. Heraeus

Alterung 4 Std um 900°C in Luft +10% H2O

Quelle : Emitec, Symposium on International Automotive Technology SIAT 2009


Beispiel bei einem Indischen 150CC Motorrad Bilder von der beschichteten Turbulenten Katalysatoren

LS

PE



Beispiel bei einem Indischen 150CC Motorrad Druckverlust der turbulenten Katalysatoren

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50 60

Luftmassenstrom (kg/h)

Dru

ckve

rlust

(mba

r)

Standard

LS

LS-Kurz

PE

PE-Kurz

Katalysatoren mit 22 g/ft³

Kat-Länge ist 60 mm außer der kurzen Katalysatoren : 50,8 mm

T = 100°C



Motordaten

Indische Herkunft

4-Takten

1 Zylinder

150 cm³

9.8 kW @ 8000 rpm

Vergasser

Secondarluft ( mager )

Gesteuerten Kraftstoffeinspritzsystemund Drosselklappe (λ)

Beispiel bei einem Indischen 150CC MotorradVersuch

Serien Abgassystem

CO, HC und NOx Konzentration messungen

SerienKatalysatorposition

T -Krümmer 1

T -Krümmer 2

T nach Kat

T vor Kat

T-SchaldampferrLambda

Betrieb-punkten #

EntsprechendenPunkten in ECE

R47

Motor Geschw. /U

Leistung(kW/h)

1 Übergang1.Gang - 2. Gang 3800 0.9

2 Übergang2.Gang -3. Gang 5100 1

3 ~ 50 km/h - 3. Gang 5400 1.4



Beispiel bei einem Indischen 150CC Motorrad Bedingungen für den Betriebpunkten um λ =1.1

Betrieb-punkt

#

T vorKat (°C)

HC (ppm)

CO (%)

NOx(ppm)

1 370 520 0.16 596

2 463 196 0.13 406

3 516 226 0.12 641

IDC: Temperatures before and after Standard catalyst

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Time [s]

T_be

fore

, T_a

fter [

°C]

x

xx

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cyc

le S

peed

[km

/h]

x

xx

T after catalyst

T before catalyst

IDC Cycle

Homologation

IDC: Temperaturen vor und nach Standard Kat



Beispiel bei einem Indischen 150CC Motorrad HC Umsatzrates um λ = 1.1 für Betriebpunkten #1 and #3

01020304050607080

22 g/ft 40 g/ft³ 56 g/ft³

HC C

onve

rsio

n ra

te (%

)

Std PE-KPELS-KLS

Betriebpunkt # 3 – 1.4 kW

01020304050607080

22 g/ft 40 g/ft³ 56 g/ft³

HC

Con

vers

ion

rate

(%)

Std PE-KPELS-KLS

Betriebpunkt # 1- 0.9 kW

Turbulent Träger zeigen Vorteilen Besonders PE mit niedriger EM Beladung, niedrige Motorlast und Kurze Länge

PGM ratio :Pt/Rh = 5/1

Kat : Ø40 x 60 mm (oder x 50.8mm [-S]), 100cpsi



Beispiel bei einem Indischen 150CC Motorrad Umsatzrates um λ = 1 für den Betriebpunkt #3

Betrieb-punkt #

T vor Kat(°C)

HC (ppm) CO (%) NOx

(ppm)

1 363 592 0.68 564

2 454 317 0.54 399

3 500 330 0.55 653

0

10

20

30

40

50

60

70

22 g/ft 40 g/ft³ 56 g/ft³

CO C

onve

rsio

n ra

te (%

)

Std PE-SPELS-SLS

01020304050607080

22 g/ft 40 g/ft³ 56 g/ft³

NOx

Conv

ersi

on ra

te (%

)

Std PE-KPELS-KLS

0

10

20

30

40

50

60

70

22 g/ft 40 g/ft³ 56 g/ft³

HC

Con

vers

ion

rate

(%)

Std PE-KPELS-KLS

0

10

20

30

40

50

60

70

22 g/ft 40 g/ft³ 56 g/ft³C

O C

onve

rsio

n ra

te (%

)

Std PE-KPELS-KLS

Cat : Ø40 x 60 mm (or x 50.8mm [-S]), 100cpsi



Agenda


Motorradsituation





Ausblick


Beispiel bei der Entwicklung einer Euro 4/5 LosungBerechneten Druckverluste

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

400PE 400Std 600Std 200-400LS

Bac

kpre

ssur

e [m

bar]

um 190kg/h, 850°C, Ø70X101,5mm, unbeschichteten Trägern

-51%

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Quelle :SAE 2009-32-0102 / SETC 20097102


Beispiel bei der Entwicklung einer Euro 4/5 LosungTrägergewicht

Unbeschichteten Trägern, Ø70X101,5mm

0

100

200

300

400

500

600

400PE 400Std 600Std 200-400LS

Wei

ght [

g]

150g

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Quelle :SAE 2009-32-0102 / SETC 20097102


Beispiel bei der Entwicklung einer Euro 4/5 LosungAlle Katalysatoren: 50µm foiliendicke, 70mm durchmesser, 101,5mm länge, 50g/ft³ EM Beladung.

KTM 690 Enduro

1 Cyl. 46,3kW, EFI with λ-Sensor

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

1

HC

Em

issi

onen

[g/k

m]

400PE L=74,5 400PE 600Std 200-400LS0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

1

NO

x Em

issi

onen

[g/k

m]

400PE L=74,5 400PE 600Std 200-400LS

Serien Kat-Ref

Serien Kat-Ref

0

20

40

60

80

100

120

140

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Time [s]

Ges

chw

indi

gkei

t [km

/h]

WMTCBeutel 1

Quelle :SAE 2009-32-0102 / SETC 20097102


Beispiel bei der Entwicklung einer Euro 4/5 LosungKompromiss Effektivität/Druckverlust für die HC Behandlung

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

HC Emissionen [g/km]

Dru

ckve

rlust

[mba

r]

400PE L=74,5

400PE

200-400LS

600St

Quelle :SAE 2009-32-0102 / SETC 20097102


Beispiel bei der Entwicklung einer Euro 4/5 LosungKompromiss Effektivität/Druckverlust für die HC Behandlung

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

NOx Emissionen [g/km]

druc

kver

lust

[mba

r]

400PE

200-400LS

600St

400PE L=74,5

Quelle :SAE 2009-32-0102 / SETC 20097102


Agenda


Motorradsituation





Ausblick


Ausblick

Die neuen Turbulenten Trägern PE und LS haben in dieser 2 Arbeiten ihren Vorteil demonstriert:

- Verbesserte Effektivität mit niedrigerem Kat-Volumen

- Verbesserte Effektivität mit niedrigerer Edel Metal Beladungen

und

- Verbesserte Effektivität mit niedrigerem Kat-Druckverlust

- Verbesserte Effektivität mit niedrigerem Kat-Gewicht

Turbulent Träger TS und PE sind schon von mehrerer Motorradherstellern eingesetzt


Vielen Dank für Ihre AufmerksamkeitFH Joanneum Fahrzeugtechnik – 20. Januar 2010

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