Dieselfahrzeuge

Wie Nickellegierungsschaum Abgasemissionen und Kraftstoffverbrauch verringern könnte
von Carroll McCormick

Nickel Magazine, Juni  2007 -- In einer Zeit, in der der Transportsektor weltweit für etwa 20 % der Kohlendioxidemissionen verantwortlich ist, richtet sich die Aufmerksamkeit immer mehr auf die für ihren sparsamen Kraftstoffverbrauch bekannten Dieselfahrzeuge.

In Europa werden viele Personenkraftwagen und die meisten Lastkraftwagen von Dieselmotoren angetrieben. In Nordamerika werden Dieselmotoren hauptsächlich in kleinen und großen Bussen sowie Lastwagen verwendet. Obwohl moderne Dieselabgasbehandlungssysteme so konstruiert sind, dass sie bestehende Emissionsrichtlinien erfüllen, erhöhen sie den Kraftstoffverbrauch um 5 - 10 % aufgrund des Gegendrucks, der durch die Rußbildung und die regelmäßige Einspritzung von Diesel in die Abgassysteme zum Verbrennen dieses Rußes verursacht wird. Mit einer aktuellen Erfindung könnte allerdings dieser Nachteil verringert werden, indem man mit einem Nickellegierungsschaum die Effizienz von Dieselabgassystemen erhöht.

Die zur Behandlung von Dieselabgasen eingesetzte Technologie, mit der Pkws und Lkws aktuelle und bald in Kraft tretende Emissionsbestimmungen erfüllen können, beruht auf einem dreistufigen Verfahren: Dieseloxidationskatalysatoren wandeln Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe in Kohlendioxid und Wasserdampf um, Dieselpartikelfilter halten Rußpartikel zurück und so genannte DeNOx-Anlagen verringern den Anteil der Stickstoffoxide, indem sie diese in gasförmige Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen umwandeln.

Inco Special Products (ISP), ein Geschäftsbereich von CVRD Inco Limited, wollte den Filter und die Katalysatormaterialien (Substrate) in den Abgasbehandlungssystemen, die aus Keramik, Metallfolien und Fasern bestehen, verbessern. ISP entwickelte ein für hohe Temperaturen geeignetes, korrosionsbeständiges Legierungsschaumsubstrat auf der Grundlage von reinem Nickelschaum, den ISP in China produziert und weltweit an Hersteller von wiederaufladbaren Nickelakkus verkauft.

ISP stellt spezielle Nickelprodukte für hochentwickelte Anwendungen her. Die Firma entwickelte 2003 ihre ersten Nickellegierungsschäume für hohe Temperaturen. Mit den Schäumen können Dieselabgasbehandlungssysteme konstruiert werden, die mehrere Vorteile gegenüber konventionellen Systemen aufweisen. Diese Systeme können zum Beispiel nicht nur in den gewöhnlichen Zylinderformen, sondern auch in zahlreichen anderen Formen gebaut werden. Sie werden außerdem leichter und kleiner sein, weniger Platin für den Katalysator erfordern, um denselben katalytischen Effekt zu erreichen, und möglicherweise den Kraftstoffverbrauch verringern.

Die Testphase ist schon in einem fortgeschrittenen Stadium und bestimmte Fahrzeughersteller werden schon Ende 2007 manche Modelle mit den neuen Systemen ausstatten. ISP richtet außerdem das Augenmerk auf den nordamerikanischen Lastwagenmarkt. Hier müssen Lastwagenhersteller nach neuen Dieselabgasrichtlinien Nachbehandlungssysteme in allen 2007 neu zugelassenen Fahrzeugen einbauen. Ein neuer Markt für Dieselabgasbehandlungssysteme könnte sich erschließen, da die US-amerikanische Umweltschutzagentur vor kurzem vorschlug, ab 2009 neue Emissionsrichtlinien für Lokomotiven festzulegen.

Reiner Nickelschaum wird hergestellt, indem man bis zu vier Millimeter dicken und einen Meter breiten Polyurethanschaum mit Nickel beschichtet. In einem speziellen Verfahren wird das Polyurethan verbrannt, wodurch reiner Nickelschaum übrig bleibt. „Dieses Nickelmaterial ist das Ausgangsmaterial für zahlreiche andere Produkte, wie zum Beispiel Legierungsschaum,“ meint Dr. Dirk Naumann, Direktor für neue Technologie und Marktentwicklung bei ISP. „Wir können dem Schaum andere metallische Elemente hinzufügen, damit er bestimmte Eigenschaften, wie beispielsweise Widerstandsfähigkeit bei hohen Temperaturen, hat.“

Der von ISP entwickelte Legierungsschaum besteht aus 50 % Nickel, 22 % Eisen, 22 % Chrom und 6 % Aluminium und verfügt über eine gute Oxidationswiderstandsfähigkeit bei Temperaturen von bis zu 1100 °C. Mit einem Metallpulververfahren wird der Nickelschaum mit einer Binderlösung und anschließend mit einem Legierungspulver beschichtet. Nach einer Sinterstufe, bei der das Legierungspulver und der Nickelschaum ineinander diffundieren, entsteht eine homogene Legierung der gewünschten Zusammensetzung und mit den erforderlichen physikalischen Eigenschaften. Zu diesen zählen mechanische Festigkeit, chemische Widerstandsfähigkeit und Porengrößen, die je nach Ausgangsmaterial des Nickelschaums von 450 Mikrometer bis zu 2 mm reichen können.

„Legierungsschaum ist ein ausgezeichnetes Mittel zum Auffangen von Ruß und arbeitet anders als konventionelle Wandströmungs-Filtertechnologien,“ meint Dr. Alexander Boehm, der das Verfahren mit Nickel und der Legierung erfand und die Entwicklung von Nickellegierungsschaumprodukten bei ISP leitet. „Dies ist ein Tiefbettfilter. Das Ganze beruht auf einer Kombination aus Diffusion, Trägheitseinflüssen und einem Flusslinieneingriff, um den Ruß aus dem Gas zu filtern. Diese Mechanismen wirken auf Teilchen verschiedener Größen, einschließlich Teilchen im kritischen Nanometerbereich.“

Der Legierungsschaum dient außerdem als Substrat, auf das ein Katalysator zum Ausführen von Dieseloxidationskatalysator- und DeNOx-Funktionen angewendet werden kann.

Ein Katalysatorprozess ist in Legierungsschaum aufgrund des Mischeffekts der Schaumstruktur viel effektiver als in konventionellen Durchströmungsanlagen. Dem Katalysator sind außerdem wegen seiner größeren Oberfläche viel mehr Dieselabgase auf ihrem längeren Weg durch das Bett ausgesetzt.

Das Ergebnis ist ein Abgasbehandlungssystem, das nur etwa halb so groß wie ein konventionelles System sein muss und einen halb so teuren Katalysator (gewöhnlich Platin) benötigt, um die Dieselabgase in einem durch die Emissionsrichtlinien festgelegten Umfang zu säubern.

Damit die Filter kontinuierlich ordnungsgemäß arbeiten, müssen sie regelmäßig durch Verbrennen des abgelagerten Rußes regeneriert werden. Eine passive Regeneration tritt bei Temperaturen über 250 °C durch die Reaktion von Ruß mit Stickstoffdioxid und die Bildung von Kohlendioxid auf. Wenn die Temperatur eines Abgassystems in einem Fahrzeug nicht hoch genug für eine passive Regeneration ist, wird bei den meisten Systemen Dieselkraftstoff in regelmäßigen Zeitabständen hinzugefügt, um den Ruß bei Temperaturen von bis zu 1000 °C zu verbrennen. Diesen Vorgang nennt man aktive Regeneration.

Da die kleineren Filter eine geringere thermische Masse aufweisen, erreichen sie schneller die Temperatur für die aktive Regeneration, was zu weniger Emissionen beim Kaltstart führt. Und da der Legierungsschaum eine höhere Rußbelastung als Keramikfilter tolerieren kann, muss er nicht so oft aktiv regeneriert werden. Dies bedeutet, dass zum Erreichen der erforderlichen Temperatur für die aktive Regeneration weniger Treibstoff benötigt wird, was möglicherweise zu Kraftstoffeinsparungen führt. Der Gesamtkraftstoffverbrauch und die Emissionen des Fahrzeugs könnten sich folglich verringern, was aber vom komplexen Zusammenhang mit dem Gegendruck abhängt.

Dies ist eine gute Nachricht für den Transportsektor, der in großem Ausmaß zu den Kohlendioxidemissionen an die Atmosphäre beiträgt und von den Aufsichtsbehörden genau beobachtet wird.

Carroll McCormick ist ein in Montreal ansässiger freier Mitarbeiter.

Fotos: CVRD Inco and iStock

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