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G. Kühberger:
"Ultrafast Catalyst Light-off Strategy for extended NOx Emission Control of CI-engines for 48V based Hybrid Electric Vehicles";
Supervisor, Reviewer: H. Eichlseder, B. Geringer; Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik | TU Graz / IFA. TU Wien, 2022.

The diesel engine as a propulsion system for passenger cars (PC) has travelled on a significant journey in Austria − beginning with its market penetration from 1980. As a "consumption miracle", demand has been very high over several decades. This has ultimately led to the
development of a larger PC-diesel than a PC-gasoline fleet in Austria for over 15 years. When illegal defeat devices in the engine control unit of PC-diesel vehicles were made public in 2015, this led to a decline in demand. Another global setback occurred in the context of
the COVID-19 pandemic, and this was further intensified by problems in the availability of the required semiconductor chips. At the same time, new registrations of battery electric cars (BEV) have rapidly increased across Europe. These registrations will help vehicle manufacturers meet the current carbon dioxide (CO2) target of 95 g/km from 2021 and on. The European Climate Law that entered into force in 2021 clearly defines a path for the European Union (EU) to follow. Both within the EU and globally, the diesel-powered propulsion
system in a hybridized, consumption- and emission-optimized form will still continue to exist for some time to come.

In this work, I describe how the potential of a diesel propulsion concept of heavy sport utility vehicles (SUVs) was investigated with respect to the expected future legislation. In particular, the use of an electrically heated catalyst (EHC) for rapid light-off and the hybridization
of the combustion engine played a decisive part in these studies. The topics of thermal management, low-carbon fuels and emission behavior during cold starts are also presented separately. The investigations were mainly carried out experimentally at the fullengine
test bench. A matrix of various catalysts was characterized as a primary focus, and a secondary focus was placed on overall system optimization. The different engine calibrations make it possible to switch between heating modes and operating modes to achieve the
lowest nitrogen oxide (NOx) emissions or lowest fuel consumption. Simulations to test the hybridization, energy balance and warm-up behavior of catalytic converters were carried out in parallel.

Based on the currently valid certification cycle "Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle" (WLTC), a cycle result of less than 20 mgNOx/km was achieved using an EHC and selective catalytic reduction (SCR) with dual reducing agent dosing at the same battery state of charge (SOC). In this context, the use of an EHC seems to be appropriate for future legislation of certain vehicle classes. In addition, a cold start below 0 °C is shown as representative of Real Driving Emissions (RDE) by using a refrigeration system. The results
of this investigation confirm the benefits of using an EHC and enabled us to achieve a NOx level similar to that achieved under standard conditions at 25 °C. Exhaust aftertreatment systems were also evaluated by performing various driving cycles with different lengths, driving dynamics and cycle times. A key issue that became apparent
during the surveys is the trade-off between CO2, NOx and nitrous oxide (N2O). This can be mitigated, particularly in hybrid drive concepts, by adding a further degree of freedom through the electric machine (EM). The hybridization also needs to be implemented on a fleet-wide basis to help meet the ambitious CO2 target.

Der Dieselmotor als Antriebsform bei Personenkraftwagen (Pkw) hat in Österreich eine bedeutende Reise hinter sich − beginnend mit seiner Marktdurchdringung ab 1980. Als "Verbrauchswunder" ist die Nachfrage über mehrere Dekaden sehr groß, was in Österreich schlussendlich seit über 15 Jahren zu einer höheren Pkw-Diesel als Pkw-Benzinflotte geführt hat. Mit Publik werden von illegalen Abschalteinrichtungen in der Motorsteuerung von Pkw-Diesel Fahrzeugen 2015, führte dies zu einem Rückgang der Nachfrage. Ein weiterer globaler Einbruch erfolgte im Rahmen der COVID-19 Pandemie und verschärfte sich weiter durch
Probleme in der Verfügbarkeit der benötigten Halbleiter-Chips. Gleichzeitig steigen quer durch Europa die Neuzulassungen von Elektroautos enorm stark an, was den Fahrzeugherstellern
bei der Einhaltung des aktuell gültigen Kohlenstoffdioxid (CO2)-Ziels von 95 g/km ab 2021 zugutekommt. Durch den Beschluss des Europäischen Klimagesetzes in 2021 ist auch der weitere Weg der Europäischen Union (EU) klar gesetzt. Sowohl innerhalb der EU, als auch global betrachtet wird das dieselmotorische Antriebskonzept in einer hybridisierten
verbrauchs- als auch emissionsoptimierten Form dennoch noch längere Zeit Bestand finden.

Innerhalb dieser Arbeit wird das Potential eines dieselmotorischen Antriebskonzeptes von schweren Sport Utility Vehicles (SUVs) in Hinblick auf zukünftig erwartete Gesetzgebungen
untersucht. Dabei spielen insbesondere die Verwendung eines elektrischen Heizkatalysators zur Darstellung eines raschen Light-off und die Hybridisierung des Verbrennungsmotors eine entscheidende Rolle. Zusätzlich werden auszugsweise die Themen Thermomanagement,
Kraftstoffe mit niedrigem Kohlenstoffanteil und Emissionensverhalten bei Kaltstart gesondert betrachtet. Die Untersuchungen erfolgen vorwiegend auf experimenteller Basis am Vollmotor-Prüfstand. Neben der Charakterisierung einer Matrix von diversen Katalysatoren
steht insbesondere die Gesamtsystemoptimierung im Vordergrund.

Auf Basis verschiedener Motorkalibrierungen kann zwischen Heizmodi, als auch Betriebsmodi mit niedrigsten Stickoxid - Emissionen (NOx) oder niedrigstem Kraftstoffverbrauch umgeschaltet werden. Begleitend
dazu finden Simulationen hinsichtlich Hybridisierung, der Energiebilanz und dem Aufwärmverhalten von Katalysatoren statt.
Auf Basis des aktuell gültigen Zertifizierungszyklus "Worldwide harmonized Light Vehicles Test Cycle" (WLTC) kann mit Hilfe eines elektrischen Heizkatalysators und einer selektiven
katalytischen Reduktion (SCR) mit zweifacher Reduktionsmitteleindosierung bei gleichem Batterieladestand ein Zyklusergebnis von unter 20 mgNOx/km erreicht werden.
Dabei scheint die Verwendung eines elektrischen Heizkatalysators für zukünftige Gesetzgebungen bei gewissen Fahrzeugklassen als gesetzt. Des Weiteren wird repräsentativ für Emissionen im praktischen Fahrbetrieb (RDE) mit Hilfe einer Kälteanlage ein Kaltstart unter
0 °C dargestellt, wobei sich die Vorzüge eines elektrischen Heizkatalysators bestätigen und sich ein ähnliches NOx-Niveau wie bei Standardbedingungen von 25 °C darstellen lässt.

Die Bewertung von Abgasnachbehandlungssystemen erfolgt vorwiegend auf Basis von diversen Fahrzyklen mit verschiedenen Längen, Fahrdynamiken und Zykluszeiten. Ein wesentlicher Punkt, welcher sich im Rahmen der Untersuchungen gezeigt hat, ist der Zielkonflikt zwischen CO2, NOx und Distickstoffmonoxid (N2O). Dieser kann insbesondere bei Hybridantriebskonzepten durch einen weiteren Freiheitsgrad in Form eines Elektromotors entschärft werden kann. Die Hybridisierung muss auch aufgrund des ambitionierten CO2-Ziels flottenweit umgesetzt werden.