Mikrobølger mod koldstart-emissioner

Ved koldstart, en bilmotor udleder langt mere partikler og andre forurenende stoffer end under varme forhold. Dette skyldes, at en kold katalysator er meget mindre effektiv ved lave udstødningsgastemperaturer. Så hvad er svaret? Forvarm katten med mikrobølger. Empa-forskere har udviklet den første opvarmning af mikrobølgekonverter til personbilsapplikationer.

Forbrændingsmotorer er i øjeblikket under beskydning - igen og igen. Det første problem var dieselsod, men det kunne løses med partikelfiltre. Derefter, igen med diesel, skadelige nitrogenoxider kom i fokus, som (angiveligt) blev tacklet med komplicerede udstødningsefterbehandlingssystemer. Hvad plejer at blive overvåget i dieseldebatten:benzinmotorer bidrager til partikelemissioner i byerne, også, især på steder, hvor mange motorer laver en koldstart. 90 procent af alle forurenende stoffer produceres i det første minut efter en moderne benzinmotor koldstart.

Eller sagt på en anden måde:De første 500 meter på vejen forurener luften lige så meget som de næste 5, 000 kilometer forudsat at køretøjet ville blive kørt nonstop. Katalysatorer, der varmer op så hurtigt som muligt eller – endnu bedre – allerede renser udstødningsgassen effektivt under de første motoromdrejninger, er derfor afgørende for yderligere væsentlig forbedring af luftkvaliteten. Potis Dimopoulos Eggenschwiler, en specialist i udstødningsgasbehandling ved Empa's Automotive Powertrain Technologies Laboratory og hans team, har i de sidste to år arbejdet på en løsning på koldstartsproblemet. Med det udviklede system forventes en betydelig reduktion af luftforurening i byområder, givet den høje frekvens af koldstarter og de lave tilbagelagte distancer. Projektet er finansieret af Swiss National Science Foundation (SNSF) og Federal Office for the Environment (FOEN).

En katalysators varmeoverførselsegenskaber skal skræddersyes for at tillade hurtig opvarmning til 300 grader Celsius ved brug af så lav energi som muligt. Trods alt, denne energi skal leveres af køretøjets strømforsyningssystem. Dimopoulos Eggenschwiler foreslår en åben-poret struktur med en speciel belægning, som kan varmes op af en lille mikrobølgesender inden for ti sekunder – ligesom mikroovnen derhjemme. Tilbage i 2012, Empa-teamet har allerede udviklet en særlig effektiv katalysator:en keramisk støbning af polyurethanskum, der hvirvler udstødningsgasserne mere effektivt og genererer mindre modtryk end en katalysator med dens konventionelle bikagestruktur.

Keramik fra 3-D printeren

Den skumbaserede katalysator udløste derefter den næste idé:en polyedrisk retikulær struktur lavet af tynde keramiske stivere, der kun kræver en lille mængde ædelmetal for at opnå høj forureningskonvertering. "Først og fremmest, vi ledte efter en ideel struktur på computeren, " siger Dimopoulos Eggenschwiler. "En struktur, der opvarmes hurtigt, accelererer kemiske reaktioner og hæmmer gasstrømmen så lidt som muligt. Så gik vi i gang med at genskabe strukturen i keramik." Specialister ved Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana (SUPSI) i Lugano konstruerede gitteret designet på computeren ved hjælp af stereolitografi, en slags 3-D print fra væsker og UV-lys. Eksperter hos Empa coated derefter keramikken med siliciumcarbid, zirconiumoxid og aluminiumoxid – og de aktive katalysatorstoffer bestående af platin, rhodium og palladium. EngiCer SA, et firma fra Ticino, antog fremstilling af den første lille serie og erklærede sin interesse i at øge kapaciteten, hvis markedsefterspørgslen skulle være høj nok. Om bord er også den schweiziske katalysatorproducent HUG Engineering AG.

Forventningerne indfriet

Hvad der formentlig er verdens første 3-D-printede katalytiske udstødningskonverter levede op til forventningerne i felttest:I udstødningen fra Empas modelgasreaktor rensede den polyederformede kat faktisk forureningerne endnu mere effektivt end den skumbaserede katalysator fra 2012. I kølvandet på deres vellykkede indledende laboratorietest med små modelkatte, forskerne taler nu med industrielle partnere om at integrere en af ​​disse katalysatorer i fuld størrelse i et testkøretøj. Den første applikation til at teste disse nye udviklinger på dynamometeret såvel som på vejen i et rigtigt køretøj er i øjeblikket projekteret.

Det næste skridt for Dimopoulos Eggenschwiler vil være at inkorporere mikrobølgeopvarmning. "Det er vigtigt, at vi ikke opvarmer hele den keramiske struktur, " siger han. "Vi vil gerne opvarme nogle dele af katalysatoren ved hjælp af mikrobølgerne, der genereres ved at bruge dyrebar batteristrøm. Så snart de kemiske reaktioner starter, alle de andre dele vil selv varme op." Ifølge udstødningsgasspecialisten, en til to kilowatt kan nemt afledes fra et køretøjs batteri i ti til 20 sekunder. "Det burde være nok." Så snart motoren kører, udstødningsgassen og de kemiske reaktioner i katalysatoren genererer tilstrækkelig varme til at holde temperaturen høj, på hvilket tidspunkt mikroovnen kan slukkes. Koldstartsemissioner kan derfor snart være fortid.