Abgasnachbehandlung von Wasserstoffmotoren - 2022

Seit dem Jahr 2021 betreiben wir am ITnA intensive Forschung zur Abgasnachbehandlung (AGN) von Wasserstoffmotoren. Da der H2-Motor grundsätzlich CO2-frei ist, macht ihn die Eliminierung der verbleibenden Schadstoffemissionen zu einem Zero-Impact-Antrieb. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Stickoxide, da der H2-Motor vorzugsweise mit magerer Verbrennung betrieben wird. Aus diesem Grund orientiert sich die AGN auch stark am Dieselmotor. Unsere Forschung betrieben wir schwerpunktmäßig am Prüfstand, an Pkw-und NFZ Motoren.

Es konnte gezeigt werden, dass die selektive katalytische Reduktion (SCR) mit Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel auch am Wasserstoffmotor ausgezeichnet funktioniert. Die Konvertierungsraten entsprechen denen, die vom Dieselmotor bekannt sind. Teilweise kann es durch den im Abgas vorhandenen unverbrannten Wasserstoff zu einer Inhibition der SCR-Reaktion kommen. Das zeigt sich allerdings nicht bei allen SCR-Technologien, abgesehen davon ist die Oxidation von H2 selbst sehr gut möglich. Bei Wasserstoff handelt es sich nämlich um ein sehr reaktionsfreudiges Element, das leicht über Platin oxidiert werden kann. Es zeigte sich, dass kleinere und geringer beladene Oxidationskatalysatoren (als beim Dieselmotor) ausreichen, um H2 bereits bei geringen Temperaturen zu konvertieren.

Seit Anfang 2022 konzentrieren wir unsere Untersuchungen auf transiente Zyklen. Dabei betrachten wir sowohl die gesetzlichen Zyklen WLTC, WLTP und NRTC (für Pkw, LKW und Non-Road) als auch aggressive und defensive RDE-Ersatzzyklen. Voraussetzung für die Untersuchungen war die erfolgreiche Entwicklung eines Steuergerätes für den transienten Betrieb qualitätsgeregelter H2-Motoren mit Direkteinblasung am ITnA.

Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass der H2-Motor im transienten Betrieb schon bei den Stickoxid-Rohemissionen auf ein geringeres Niveau als der Dieselmotor kommt. So können zum Beispiel im WLTC für eine übliche Motorisierung Roh-NOx von < 100 mg/km erreicht werden, was bereits im Bereich des aktuell gültigen EU6d Grenzwertes liegt. Durch die typische NOx-Charakteristik des H2-Motors kommt es zu einer stärkeren Abhängigkeit der Emissionen von der Dynamik des Fahrzyklus als beim Dieselmotor.

Mittels einer Abgasnachbehandlung bestehend aus Oxidationskatalysator und NH3-SCR können diese bereits geringen Rohemissionen auf sehr geringe Werte konvertiert werden. Im kalt gestarteten WLTC konnten Emissionen von unter 10 mg/km demonstriert werden (siehe HyDISI). Unter Einsatz eines elektrischen Heizkatalysators sind sogar Werte unter 2 mg/km realisierbar. Bei diesen Untersuchungen profitieren wir von unserer Erfahrung mit der AGN von Dieselmotoren zum Beispiel aus dem Projekt RC-LowCAP.

Veröffentlichungen

• Schutting, Eberhard ; Roiser, Sebastian Gerhard ; Eichlseder, Helmut et al. / Hydrogen Engine Exhaust Aftertreatment. 43rd International Vienna Motor Symposium 2022. Vol. 2 Österreichischer Verein für Kraftfahrzeugtechnik, 2022.
• Roiser, Sebastian Gerhard ; Christoforetti, Paul ; Schutting, Eberhard et al. / Emission Behavior and Aftertreatment of Stationary and Transient Operated Hydrogen Engines. Proceedings –Thiesel 2022 Conference on Thermo- and Fluid Dynamics of Clean Propulsion Powerplants. 2022. pp. 178-194