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R. Ratzberger:
"Investigation of Robust Close-Coupled Diesel Exhaust Aftertreatment for Passenger Cars with 12 V and 48 V Architecture";
Supervisor, Reviewer: H. Eichlseder, B. Geringer; TU Graz - Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik | TU Wien-IFA, 2018.

Diesel engines are a widespread propulsion technology of passenger cars in Europe and make a considerable contribution to the achievement of current C02 fleet targets. Nonetheless,future C02 limits cannot be achieved solely on the basis of conventional gasoline or diesel engines. Further significant reduction in carbon dioxide is only possible with either alternative fuels or the electrification of the power train. However, the feasibility of purely electric drives is limited, so that a mix of technologies can be expected over the next few decades. One main bridging technology is hybridisation; its market penetration is predicted to be high. In addition to the C02 issue, increased nitrogen oxide (NOx) emissions in the real operation of diesel-powered passenger cars were detected. These origin from exhausting the outdated type-approval procedure, but also unacceptably from fraud. Prior to the discovery of various illegal technology, this topic had already led to the drafting of new legislation - referred to as WLTP and RDE. Coming into force happens gradually starting in September 2017. A declared goal of these introductions is the realistic testing of C02 and emissions to ensure that air quality and the reduction of greenhouse gases is actually affected by the lowering of the emission limits.
In this context, exhaust aftertreatment concepts for conventional diesel engines were investigated here. Additionally, diesel cars with 48 V electrical system are examined. The latter, especially serves as a technology module for micro and mild hybrid drives, and opens new possibilities for exhaust aftertreatment. Here, close-coupled concepts are considered, as the fast and robust operation of the exhaust aftertreatment after cold start poses a major challenge.
Primarily, the investigations were carried out on the dynamic engine test bench. Hence, different driving scenarios, e.g. WLTC and RTS95, were reproducibly examined. A 1.61 passenger car diesel engine was used as the basis for the evaluation of different exhaust aftertreatment concepts. The experimental procedure was, however, adapted to account for the special challenges of each system.
In the conventional exhaust aftertreatment system (EAS), complying with Euro 6b, the lean-NOx-trap (LNT) represents the most common EAS component for hat-end Nitrogen oxide reduction. In aged state, it, however, shows a decrease in robustness in terms of emissions. Therefore, the combination with a passive SDPF was examined. Passive refers to the ammonia (NH3) supply which is not based on active AdBlue or ammonia dosage, but on internal NH3 production in an LNT during the rich phase. The results showed a contribution of the passive SCR to nitrogen oxide reduction of up to 50 mg/km in highly dynamic driving.
Significant limitations of the system in long-lasting highway operation was, however, found. As a result, such a concept can only be robustly applied in countries with stringent Speed limitation, e.g. India. Compliance with Euro 6d could not be achieved without the addition of a further active SCR system in the under-floor.
On the basis of a 48 V architecture, two further exhaust aftertreatment concepts were examined. Pre-turbine catalysts (PTC) and close-coupled SCR with electric heating. First, the use of an electric compressor or motor allows the implementation of pre-turbine catalysts, as the dynamic drawback induced by the PTC can be compensated. Under the thermal boundaries, however, only DOC substrates are feasible. The combination of the PTC with an LNT downstream of the turbine showed no significant emission improvements. These are only to be expected in combination with SCR, as far as AdBlue is dosed upstream of the turbine. The impact on the durability of the turbo charger is yet uncertain. Further flexibility in exhaust thermal management can be gained by electrically heated catalyst. By the separation of load point shift and electrical heating, NOx emissions below 80 mg/km could already be reached after 3.5 km in the WLTC. The necessary input for the purpose of electric heating is below the expected recuperative energy.

Dieselmotoren sind eine weit verbreitete Antriebsart von Pkw in Europa und leisten einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung aktueller C02 Flottenziele. Nichtsdestotrotz, sind künftige C02 Grenzwerte nicht allein auf Basis konventioneller Benzin- oder Dieselmotoren zu erreichen. Eine weitere signifikante Kohlendioxidreduktion ist nur mit alternativen Kraftstoffen oder der Elektrifizierung des Antriebes möglich. Die Umsetzbarkeit rein elektrischer Antriebe für die ganze Flotte ist jedoch beschränkt, sodass in den nächsten Jahrzehnten von einem Technologiemix auszugehen ist. Als wesentliche Brückentechnologie wird für Hybridantriebe eine hohe Marktdurchdringung prognostiziert. Neben der C02 Problematik, wurden erhöhte Stickoxidemissionen (NOx) im Realbetrieb von Pkw mit Dieselantrieb festgestellt. Grund dafür ist mitunter das Ausreizen eines veralteten Typprüfverfahrens, aber in inakzeptabler Weise auch Betrug. Bereits vor der Aufdeckung diverser illegaler Technik, führte dieser Sachverhalt zur Ausarbeitung neuer Gesetzgebungen - bezeichnet als WLTP und RDE - welche beginnend mit September 2017 schrittweise in Kraft treten. Ein deklariertes Ziel dieser Einführungen ist eine realistische Prüfung der C02- und Emissionsgrenzwerte, um eine gleichermaßen hohe Verbesserung der Luftgüte und Reduktion des Treibhauseffektes sicherzustellen, die der Absenkung der Emissionsgrenzwerte entsprechen.
In diesem Kontext wurden hier Abgasnachbehandlungskonzepte für konventionelle Dieselmotoren und für Diesel Pkw mit 48 V Bordnetz untersucht. Letzteres, ist vor allem für Micro- und Mildhybrid Antriebe ein Technologiebaustein, welcher auch für die Abgasnachbehandlung neue Möglichkeiten eröffnet. Da der schnelle und robuste Betrieb der Abgasnachbehandlung nach Kaltstart eine wesentliche Herausforderung darstellt, wurden hier motornahe (close-coupled) Konzepte betrachtet.
Die Untersuchungen wurden primär am dynamischen Motorprüfstand durchgeführt. Dazu wurden unterschiedliche Fahrszenarien, z.B. WLTC und RTS95, reproduzierbar untersucht. Ein 1.61Pkw Dieselmotor wurde als Basis verwendet, um unterschiedliche Abgasnachbehandlungskonzepte zu analysieren. Bei der Versuchsdurchführung wurde allerdings auf die jeweiligen Herausforderungen der einzelnen Systeme eingegangen. Im konventionellen Abgasnachbehandlungssystem, unter Euro 6b, ist der NOx-Speicherkatalysator die häufigste Komponente zur motornahen Stickoxidreduktion. Im gealterten Zustand zeigt sich aber eine Abnahme der Robustheit hinsichtlich Emissionen. Daher wurde die Kombination mit einem passiven SDPF untersucht. Passiv bedeutet hier, dass Ammoniak nicht durch aktive Dosierung von AdBlue oder NH3 bereitgestellt wird, sondern während der Fettphase des NOx-Speicherkatalysator intern produziert wird. Die Ergebnisse zeigten einen Beitrag der passiven SCR zur Stickoxidreduktion von bis zu 50 mg/km im hochdynamischen Fahrbetrieb, jedoch wurden deutliche Einschränkungen des Systems bei langandauernder Autobahnfahrt festgestellt. Somit kann ein derartiges Konzept nur in Ländern mit Geschwindigkeitsbegrenzungen, wie Indien, robust eingesetzt werden. Von einer Eignung für Euro 6d ist nicht auszugehen, sofern das System nicht um einen weiteren aktiv-betriebenen SCR- Katalysator im Unterboden erweitert wird. Auf der Basis einer 48V Architektur im Fahrzeug wurden zwei weitere Abgasnachbehandlungskonzepte bewertet. Pre-turbine Katalysatoren und motornahe SCR mit elektrischer Beheizung. Einerseits, ermöglicht der Einsatz eines elektrischen Kompressors oder eines Elektromotors die Umsetzung von pre-turbine Katalysatoren (PTC), da der ausgehend vom PTC hervorgerufene Dynamiknachteil kompensiert werden kann. Unter den thermischen Rahmenbedingungen sind allerdings nur DOC Substrate geeignet. Die Kombination des PTC mit einem NOx-Speicherkatalysator hinter der Turbine zeigte keine wesentlichen Emissionsverbesserungen. Diese sind nur in Kombination mit SCR zu erwarten, sofern auch die AdBlue Dosierung vor Turbine erfolgt. Die Auswirkungen auf die Dauerhaltbarkeit der Aufladegruppe sind aber ungewiss. Wesentlich flexibler ist das Abgasthermomanagement mit einem elektrisch beheizten Katalysator. Vor allem durch die Trennung von Lastpunktverschiebung und elektrischer Heizung konnte im WLTC bereits nach nur 3.5 km der Grenzwert von 80 mg/km NOx unterschritten werden. Die dazu notwendige Energie ist unter der zu erwartenden rekuperativ gewonnenen.