Benzin-Direkteinspritzer auf Gas?
Hi leute,
habe ja schon in vielen Artikeln gelesen, dass es nicht möglich ist Benzindirekteinspritzer (wie z.B. den GTI 😉 auf Gas umzurüsten.
Jetzt würde ich banalerweise gerne wissen:
1. Warum ist das so?
2. Wird das immer so bleiben, oder besteht Grund zur Hoffnung?
3.Trifft dies sowohl für CNG als auch für LPG zu?
Vielen Dank
64 Antworten
@Rotherbach
oder er braucht einen SCR Katalysator. Das steht für Selective Catalyric Reduction, meint das NOx und diese Katalysatoren gestatten die Reduktion von Stickoxiden in sauerstoffreichen Umgebungen. Meist über aktivierung der C-H Bindung an sehr sauren Zentren, während NOx über Edelmetalle wie Platin eingefangen wird.
Klingt toll, hat nur ein gewaltiges Problem. Um aus NOx N2 zu machen, müssen zwei Stickstoffatome rekombinieren. Damit die das können, müssen die dicht zusammenliegen. Was wiederum eine Frage der benötigten NOx Konzentration vor dem Katalysator bzw. der zulässigen NOx Restmenge nach Kat sowie der Lebensdauer der aktivierten Spezies auf dem Katalysator ist.
In der Kraftwerkstechnik behilft man sich mit einem Harnstoff/Wassergemisch als Hilfsmittel. Der Harnstoff bringt bereits Stickstoff mit, ist ungiftig, billig und das ganze geht dann viel einfacher. Vor allem braucht man keine teuren Edelmetalle. Auch DeNox Kats in Dieselmotoren (in der Entwicklung) arbeiten zur Zeit auf diesem klassischen Weg.
Lange Zeit stand auch ein platinpromotierter Zeolith wie der ZSM-5 in Verdacht, für die SCR Reaktion brauchbar zu sein. Ich hab in meiner Diplomarbeit auf diesem Thema gearbeitet. Nur ist der Katalysatortyp nie so richtig aus den Laborpuschen gekommen, was an diversen chemisch/technischen Problemen liegt.
Also so knapp gesagt, wer einen brauchbaren Katalysator für den Dieselmotor hat, wird auch einen für Magermixmotoren bzw. Schichtlademotoren haben. Und die Wahrscheinlichkeit, daß der technisch zumindest mit der Harnstoffroute klappt, liegt in den nächsten 5 Jahren nahe bei 100%. Je höher der Druck auf NOx Schleudern wie Diesel, desto eher geht das.
Moin,
Na ... Gary *fg* Erstens habe Ich mich mit diesen Kats selbst noch nicht eingehend beschäftigt (auch bei anderen Kats komme ich recht bald an meine Wissensgrenzen), hätte dazu also nur rudimentäre Sachen sagen können und andererseits ... hatten wir sie auch noch nicht vermerkt und es macht die Sache ja nochmals eine Stufe abstrakter *fg*
Klar ist, derjenige der den richtigen Kat hat, hat in jedem Fall eine kleine Goldgrube, sofern sein Kat langlebig genug ist. Spezielle Kats, die ganz spezielle Sachen können gibt es ja schon einige...nur ist deren Problem oftmals, das sie nicht mit Wasser, nicht mit Hitze etc.pp. zurecht kommen, was Ihre Anwendung dann doch auf spezielle Gebiete FESTSETZT.
Lassen wir uns überraschen was bei rumkommt. Der aktuelle Kat jedenfalls kommt bei solchen Problemen einfach an seine Grenzen.
MFG Kester
Zitat:
Original geschrieben von Rotherbach
die Größe des Kats steht in Relation zur Abgasmenge.
Hab ich doch gesagt...
Zitat:
Original geschrieben von Rotherbach
...Klar hört die Konvertierung bei Lambda >1 nicht schlagartig auf.
Sag ich auch...
Zitat:
Original geschrieben von Rotherbach
Aber wenn du NOx draufhaust, und zusätzlich noch O2 im Abgas vorhanden ist
und genau das wollte ich nicht, das machen z.B. die Schichtlader und die MagerMixe bei 1,1. Bei Lambda 1,3 ist aber NOx
kleinerals bei Lambda 1,0. Und damit ist zwar O2 höher, aber NOx schon von Hause aus kleiner, so das es möglich sein sollte, den Rest NOx mit der "Restkonvertierung" auf den Level eines Lambda 1,0 zu bringen. Deswegen habe ich auch Lambda 1,1..1,2 hier strikt abgelehnt... Lambda >1,3 könnte auch funzen, da ja die HC-Konzentration wieder ansteigt - aber das finde ich zu gewagt, denn die "Restkonvertierung" von NOx nimmt wohl zu stark ab...
Nochmal: Ich bezog mich auf Lambda=1,3 und homogenes Gemisch.
Bei SpeicherKats stört die "fette Phase", bei anderen der Harnstoff...
...um letzen Mal...
@Rotherbach
Danke für die Erklärung ;-)
@ Fubbel
'Bist ja wirklich hartnäckig...
Noch mal ganz einfach...ohne zuviel Technik:
Ein mager betriebener Otto-Motor, egal ob homogen-mager oder Schichtlader, kann nur mit einem 3-Wege-Kat ausgerüstet, die vorhandenen NOx-Rohemissionen nicht ausreichend konvertieren (genauere Erklärung: siehe Rotherbach).
Grob vereinfacht stimmt einfach nicht das Mischungsverhältnis der entscheidenden Abgas-Komponetnen HC, CO + NOx vor KAT...völlig egal, ob man Lambda 1.1 oder 1.3 oder 2.0 fährt!
Fazit: Sollten irgendwann einmal wieder mager betriebene Otto-Motoren in Serie sein, egal ob homogen-mager oder Schichtlader, wird das entsprechende Fzg. definitv mit einer zusätzlichen NOx-Abgasnachbehandlungstechnik ausgerüstet sein müssen, z.B. einem NOx-Speicherkat oder besagter SCR-Technik (siehe GarryK). Ein 3-Wege-Kat allein kann das NOx-Problem nicht lösen.
Hat alles nix mit dem eigentlichen Thread zu tun...aber ich dachte einen Versuch habe ich noch ;-)
Bzgl. Deiner EU3/4-Geschichte:
Interessant zu lesen. Scheinst Deiner Zeit voraus zu sein...zumindest für die Behörden ;-)
Gruß
M.
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@Fubbel
So dramatisch ist eine kurzfristige, fette Phase auch wieder nicht. mehr als ein paar dutzend Milligramm NOx gilt es nicht zu reduzieren und das geht bei typisch 300-350°C doch sehr zügig.
Über HC würde ich mir bei > 1.3 keinen Kopp machen. Viel Sauerstoff, heisses Abgas, etwas Platin - und gerade bei LPG ist alles an KW mit mehr als einem Kohlenstoffatom Geschichte. Nur Methan und einige Aromaten sind hartnäckiger. Wobei Aromaten bei LPG nicht wirklich vorhanden sind.
Moin,
Fubbel ... Ich schlage dir mal ein einfaches Experiment vor, das die Sache vielleicht etwas anschaulicher macht.
Du hast sicherlich irgendwo Lebensmittelfarbe rumliegen (ansonsten kann man die ja auch günstig kaufen).
Jetzt packst du z.B. Rot und Blau in zwei kleine Spritzfläschchen. Nimm einen Untersetzer mit etwas Wasser und tropfe 2 gleich große Tropfen zusammen hin. Der Logik zufolge sollte die Mischung irgendwo Lila werden (Es sei denn die Farbstoffe machen ne Reaktion miteinander, was ich aber in der Regel nicht erwarte). Das wäre z.B. die Konvertierung bei Lambda = 1, es gibt keine KONKURENZREAKTION.
Jetzt sagen wir, das die direkte oxidative Reaktion von HC und CO (z.B. die Blaue Flasche) 5 mal so schnell ist, wie die katalytische Reaktion von NOx (Rote Flasche) und HC/CO. Jetzt tropfst Du 5 Tropfen Blau und einen Tropfen Rot zusammen. Das Ergebnis sollte doch DEUTLICH blauer sein. Wenn du das Experiment jetzt abstrahierst, siehst du das sämtliches HC und CO mit O2 zu ihren Produkten reagieren die wir blau markiert haben und du vom lilanen Produkt, wenn auch die Rote Komponente abreagieren täte, kaum noch was sehen kannst.
Ich weiß das dieses Experiment sehr weit weg von der Natur ist ... aber ich denke du siehst worauf das hinausführt. Der normale Kat ist für diesen Betrieb nicht geeignet, da die Konkurenzreaktion einfach deutlich schneller und damit bevorzugt ist. Mit diesen Dingen spielen Chemiker nahezu täglich, indem sie z.B. kinetisch gehemte Reaktionen durch Wahl der Verhältnisse, Katalysatoren und Temperaturen ermöglichen. Solche Konkurenzkinetiken sind vergleichsweise gut erforscht, da muss man einfach einen anderen Trick verwenden, um das Problem zu lösen. Dieser Trick wird kommen, da kannst du dir sicher sein. Aber wir müssen da noch einen Schritt weiterdenken als bisher 😉
MFG Kester
@Gary:
Das mit der fetten Phase meinte ich auch eher von der anderen Seite... Wenn z.B. alle 300 Sekunden der Motor in "Fett" fährt, dann stört das schon die Laufruhe...
Über zuviel HC sollte man sich - gerade bei LPG - schon Gedanken machen, sonst ist mit dem viel Platin auf einmal zu heiss... Aber LPG und mehr HC, das ist noch viel weiter jenseits von Lambda >1 angesiedelt...
@fsi-entwickler und
@Rotherbach
Ich hab euch schon verstanden. Hatte mir nur mal haufenweise Datenblätter und Grafiken reingezogen und kam nach einigem rechnen auf den Trichter, dass Lambda=1,3 (homogen!) funzen müsste/sollte/könnte...
Das die Mischungsverhältnisse verschoben sind und die Reaktionsgeschwindigkeiten verschieden, ist schon klar. Für das Mischungsverhältnis habe ich ja Lambda 1,1 und anderes extra ausgeschlossen, denn die NOx-Menge muss für den Ansatz unbedingt kleiner sein, als bei 1,0. Daher sind normale Magermixe und fsi für die Überlegung keine Gegenargumente, sie erfüllen diese Vorraussetzung nicht.
@fsi-entwickler
Für noch höhere Lambda (>1,6) fand ich keine verlässlichen Daten, die NOx-Kurve würde ich nicht extrapolieren. Ich glaube auch nicht, dass man da noch von "Rundlauf" eines Motors reden könnte 😉
@Rotherbach
Schöne b u n t e Erklärung 😁
Du sprachst (Beitrag davor) von der O2-Sättigung des Kat. Das habe ich nirgendwo gefunden. Das würde aber tatsächlich in kurzer Zeit zur "Nichtfunktion" des KAT führen, denn O2 ist ja mengenmässig über die Zeit immer mehr und mehr und mehr da (aus dem Überschuss).
Wenn man also durch einen Kat reinen Sauerstoff jagt, dann ist er danach unbrauchbar?
Selbst das "gestörte" Gleichgewicht ist doch ein Gleichgewicht, oder? Vielleicht habe ich aber auch noch was anderes in diesem Gleichgewicht vergessen - bloss was? Denn alles, was Ihr bisher genannt habt, ist eigentlich drin....
Die Begründungen gegen Lambda=1,3, die ich immer wieder fand, waren "hoher" Leistungsverlust, also weniger kW/Liter Hubraum bzw. kW/kg Motormasse...
BTW, es gibt noch ein paar andere Möglichkeiten, NOx zu reduzieren, z.B. Abgasrückführung, Wassereinspritzung, ...
Gruß
Stefan
Zitat:
Original geschrieben von Fubbel
@fsi-entwickler
Für noch höhere Lambda (>1,6) fand ich keine verlässlichen Daten, die NOx-Kurve würde ich nicht extrapolieren. Ich glaube auch nicht, dass man da noch von "Rundlauf" eines Motors reden könnte 😉
Im sog. Schichtlade-Betrieb werden Lambdas } 2,0 erreicht. Laufruhe bzw. "Motor-Rundlauf" ist kein Problem. Das ist gerade das "Wesen" des sog. Schichtlade-Betriebs.
Zitat:
Original geschrieben von Fubbel
@
Die Begründungen gegen Lambda=1,3, die ich immer wieder fand, waren "hoher" Leistungsverlust, also weniger kW/Liter Hubraum bzw. kW/kg Motormasse...
Lambda = 1.3 oder sogar 1.4 in der Teilllast wäre ne' feine Sache: Verbrauchverbesserung Pi mal Daumen ~10%!!! ...wenn da eben die NOx'e nicht wären. An der Volllast zur Erreichung einer Ziel-Leistung kann man dann über die Motor-Elektronik problemlos wieder auf Lam=1.0 switchen. Bei aufgeladenen Motoren könnte man sogar an der VL mager fahren (...wie z.B. der Diesel)...wenn da eben nicht die verdammten NOx'e wären!
M.
Zitat:
Original geschrieben von fsi-entwickler
Im sog. Schichtlade-Betrieb werden Lambdas } 2,0 erreicht. ...
Wie gesagt, Schichtlader sind nicht homogen und u.a. waren sie deshalb aussen vor...
Und Lambda >2 ist nur in gewissen Zonen...
Zitat:
Original geschrieben von fsi-entwickler
Lambda = 1.3 oder sogar 1.4 in der Teilllast wäre ne' feine Sache: Verbrauchverbesserung Pi mal Daumen ~10%!!!
Das war ja der Ursprung der Überlegungen - Energie sparen. Der Kehrwert von 1,3 sind 0,77, d.h. bei 1,3 hat man nur 77% Kraftstoff pro Füllung - das sind weit mehr als 10% Ersparnis... (bitte wieder homogen...)
Zitat:
Original geschrieben von fsi-entwickler
An der Volllast ... kann man dann ... auf Lam=1.0 switchen.
Hatte ich ja auch schon erwähnt. Sprunghaft von 1,3 auf 1,0 und zurück, je nach Last... Einfache Technik und hohes Sparpotential...
Zitat:
Original geschrieben von kat2
BTW, es gibt noch ein paar andere Möglichkeiten, NOx zu reduzieren, z.B. Abgasrückführung,
Eigentlich selbstredend, dass das genutzt wird...
Zitat:
Original geschrieben von kat2
Wassereinspritzung, ...
Nicht ganz unproblematisch...
@Fubbel
Das Problem bei O2 und NOx ist, daß beide an Platin absorbieren. Angenommen, beide Absorptionsgleichgewichte sind gleich hoch (also gleiche Affinität), dann hättest du bei NOx zu Rest-O2 ein 1:1 Verhältnis auf der Oberfläche. Wenn du nun 100x mehr Sauerstoff als NOx im Abgas hast (also ein paar Promille NOx gegen Prozent O2) so wird nur noch 1/100stel des NOx absorbiert und die Katalyse bricht zusammen. Zudem sorgt O2 auf dem Kat dafür, daß NOx nicht mehr "zersetzt" wird und verschiebt das Zersetzungsgleichgewicht zusätzlich Richtung des Ausgangsmaterials. Ergo haste den Zonk gezogen.
Der Trick mit denm Speicherkats ist, daß die ganz kurzzeitig mal fett werden. Normal merkst du das gar nicht, weil sehr viel Material brauchst du nicht um ab und zu mal NOx zu N2 zu reduzieren.
@Gary:
Das mit dem NOx und O2 Gleichgewicht und der besseren Affinität des O2 zum HC sehe ich ja genauso, es blieb bei meiner Rechnung nur immer noch "genug" übrig, dass NOx (von Hause aus schon weniger) ausreichend reduziert wird - wobei ausreichend halt erstmal die E4 war...
Das waren auch bei mir die zwei Faktoren zur Reduktionsminderung, nur habe ich nicht den Faktor 100 als Ergebnis gehabt. Ich rechne nochmal nach. Diesmal von "deiner" Seite her, vielleicht hatte ich da irgendwo eine Kommastelle verrutscht...
Ich hatte nicht mit CxH(2x+2) bzw. CxHy gerechnet, sondern mit CH2 vereinfacht, vielleicht war das auch der Fehler. Ich ging von einer im Sinne des Ergebnisses negativen Vereinfachung aus...
Wie ich dich verstanden habe, ist weiterhin ein(!) Gleichgewicht vorhanden und es gibt keine vollständige(!) Sättigung - auch über einen langen Zeitraum - mit O2 durch (mehr oder minder) O2-Überschuss, richtig? Davon bin ich nämlich auch ausgegangen...
Das mit den Speicherkats ist schon klar, wie lang (Zeit in Sekunden) ist die notwendige "Fettphase". Meines Wissens st die Speicherzeit (mager) im Bereich von 100..500 Sekunden.
PS: In deinem Link http://www.icvt.uni-stuttgart.de/RESEARCH/EXHAUST/autoabgas_engl.html ist die 3. Gleichung falsch...
Zitat:
Original geschrieben von Fubbel
Sprunghaft von 1,3 auf 1,0 und zurück, je nach Last... Einfache Technik und hohes Sparpotential...
Ja, das hatte ich auch so verstanden.
Wobei Deine Rechnung mit } 10% eher theoretischer Natur ist, da im realen Motorprozess bei mageren Gemischen noch der ein oder andere Nachteil, wie. z.B. verminderte Brenngeschwindighkeiten hingenommen werden müssen. Kannst es ruhig glauben, dass ~10%...15%-Vorteil die Sache bei lambda=1.3 ganz gut treffen. Stehen reale Messungen dahinter :-)
Wobei ich die ganze Sache halt, wie bereits mehrfach gesagt, mit einem konventionellen 3-Wege-Kat nicht funktioniert. Irgendwie habe ich den Eindruck, dass Du aber hier immer noch nicht 100% überzeugt bist...aber egal.
M.
@Fubbel
Ich kann für den IVT Link nichts, aber die Autoren sind für Korrekturwünsche sicher offen.
Deine Rechnungen "wieviel bleibt bei Lamba 1.3 übrig" sind sicher nett, nur leider kinetisch / mechanistisch nicht haltbar. Ohne einen externen Stickstoffspender muss NOx erst in Konkurrenz zum O2 absorbieren, einen freien Platz auf dem Katalysator neben sich haben um zu dissoziieren und danach müssen zwei absorbierte Stickstoffatome auch noch durch Oberflächendiffusion zu N2 rekombinierten. Das ganze ohne dazwischen auf O2 zu treffen - weil dann N-ads + O-ads auch zu NO wieder rekombinieren kann und du hast nichts gewonnen. Das setzt leider leidlich ungesättigte Oberflächen voraus und eine einfache lineare Extrapolation haut nicht hin.
Glaub einfach den Katalysatorentwicklern, die machen beim Dieselkat nicht ohne Not Tests mit der NOx Reduktion via Harnstoff. Der Mensch ist faul, Wissenschaftler keine Ausnahme, Produktentwickler erst recht und wenn die sich um ein Dosiersystem für Harnstoff drücken könnten, die würden es mit Freude machen.