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Dieselmotor Vorzugsbehandlung

| Redakteur: Jens Meiners

Die Abgasreinigung mit motorischer Nacheinspritzung und geschlossenem Partikelfilter ist beim Dieselmotor Standard. Es gibt aber noch andere Techniken, Schadstoffe zu eliminieren.

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Die Abgasreinigung mit motorischer Nacheinspritzung und geschlossenem Partikelfilter ist beim Dieselmotor Standard. Es gibt aber noch andere Techniken, Schadstoffe zu eliminieren. Emitec aus Lohmar setzt auf offene Metallkatalysatoren mit turbulenter Strömung und permanenter Regeneration. Emcon Technologies aus Augsburg hat einen Verdampfer entwickelt, der gasförmigen Dieselkraftstoff direkt in den Abgasstrang einsprüht und so die Regeneration des Partikelfilters unterstützt. Und HJS bringt das Abgas mit Hilfe von „Heizspiralen“ auf Temperatur.

Wolfgang Maus, Vorsitzender der Geschäftsführung der Emitec GmbH, sieht in der planvollen Entwicklungsarbeit den Schlüssel zum Erfolg: „Wir haben in unserer 20-jährigen Historie immer die Zukunft strukturiert, nach naturwissenschaftlichen Prinzipien gearbeitet, Trends identifiziert und dafür die passenden Produkte entwickelt.“

Da künftig auch immer mehr Ottomotoren im Zuge des Downsizings direkt einspritzen und aufgeladen sein werden, werden „magere“ Brennverfahren und die Behandlung von „magerem“ Abgas inklusive einer NOx-Reinigung bei Diesel und Otto gleichermaßen obligatorisch. Die hoch aufgeladenen Motoren emittieren dann vor allem Partikel kleiner als 400 Nanometer.

Als Reaktion darauf erwartet Maus, dass im Gesetzentwurf für EU6-Diesel-Abgasgrenzwerte erstmals eine Obergrenze für die Anzahl der Partikel festgeschrieben wird. Außerdem wird der Trend hin zu einer CO2-orientierten Besteuerung Fahrzeuge mit einem geringen Kraftstoffverbrauch begünstigen.

Unter diesen Rahmenbedingungen dürften sich die Automobilhersteller für die verbrauchsorientierte Alternative beim berühmten Partikel-NOx-Trade-Off entscheiden: Sprich, den Motor extrem verbrauchsgünstig und mit wenig Partikelemissionen auslegen. Die dabei in Kauf genommenen hohen NOx-Emissionen reduziert ein SCR-Katalysator.

Auf diesem Szenario baut das SCRi-System von Emitec auf. Es kombiniert einen Oxidationskatalysator, die Einspritzung des Harnstoffs, den Partikelfilter und einen SCR-Katalysator. Alle Monolithen sind aus Metallfolien und als offene Systeme mit turbulenter Strömung angelegt. Diese Nebenstrom-Tiefbettfilter garantieren laut Maus eine optimale Durchmischung aller Medien und entwickelten einen geringeren Abgasgegendruck, was dem Kraftstoffverbrauch zugute komme.

Der Oxidationskatalysator beseitigt die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid. Daneben nutzt ihn Emitec, um aus dem Abgasstrom möglichst viel NO2 zu erzeugen. Dieses NO2 regeneriert den Partikelfilter kontinuierlich. Dort haben sich die Rußpartikel an den feinen Metallvliesen angelagert, die den Filter zwischen den perforierten Metalllagen durchziehen. Insgesamt werden laut Emitec etwa 60 bis 90 Prozent der Feinstpartikel eliminiert.

Im Partikelfilter wird außerdem der eingespritzte Harnstoff zu Ammoniak, Wasserdampf und Kohlendioxid umgewandelt. Als Beschleuniger wirkt eine auf der Oberfläche aufgebrachte Hydrolyse-Beschichtung aus Titandioxid. Mit dem Ammoniak werden im folgenden SCR-Katalysator die Stickoxide in reinen Stickstoff und Wasserdampf zerlegt.

Sollte nach dem SCR-Katalysator noch überschüssiger Ammoniak vorhanden sein, könnte ein optionaler kleiner Oxidationskatalysator in Scheibenform daraus wieder Stickstoff und Wasser erzeugen. Mit dieser Sicherung wäre ein Ammoniak-Durchbruch zu vermeiden und der SCR-Katalysator könnte sehr klein ausgelegt werden. Überhaupt ist das Volumen eines SCRi-Systems nach Angaben von Maus um 25 bis 30 Prozent geringer als das einer herkömmlichen SCR-Abgasreinigung.

Da Dieselabgas durch moderne Brennverfahren tendenziell immer kälter wird und vermehrt Pkw-Motoren mit Start-Stopp-Automatik angeboten werden, könnten eine schnelle Aufheizung der Katalysatoren und die kontinuierliche Regeneration der Rußpartikel gefährdet sein. Emitec setzt auf Monolithen aus Metall, die man gezielt elektrisch beheizen kann.

Als weiteren Vorteil der SCRi-Lösung führt Maus die unmittelbare Reaktion der kontinuierlichen Reaktionsmechanismen auf die Motor- und Abgasdynamik an. „Eine diskontinuierliche Partikelregeneration ist von dieser Dynamik entkoppelt, ihre Regelung entsprechend aufwändig. Nicht ohne Grund sind Partikelfilter in der Nachrüstung immer ungeregelte Systeme.“

Einzelne Bestandteile des SCRi-Systems wie den Metall-Partikelfilter liefert Emitec schon als Serien- und Nachrüstkomponenten. Seit kurzem rüstet Volkswagen seine Common-Rail-Dieselmotoren mit einem Emitec-Oxidationskatalysator mit turbulenter Strömung aus. „Das komplette SCRi-System wird bald als Nachrüstlösung angeboten und in einigen Jahren dann hoffentlich als Serientechnik bei Pkw“, blickt Maus in die Zukunft.

Emcon Technologies, hervorgegangen aus der Abgasdivision von Arvin Meritor (früher Zeuna Stärker), hat einen Verdampfer entwickelt, der die herkömmliche Regeneration des Partikelfilters unterstützt. Der Verdampfer ergänzt die motorische Nacheinspritzung in Betriebs- und Lastpunkten, bei denen die Gefahr einer Ölverdünnung besteht oder eine sehr große Temperaturerhöhung des Abgases gefordert ist. Das ist vor allem bei Kurzstreckenfahrten und im Stadtbetrieb erforderlich.

Dazu entnimmt das System mit einer kleinen Pumpe Diesel aus dem normalen Kraftstoffkreislauf. In unmittelbarer Nähe des Abgasstrangs wird der Kraftstoff mithilfe einer Glühkerze verdampft und noch vor dem Oxidationskatalysator in den Abgasstrang geleitet, um dort die Abgastemperatur zu erhöhen.

Bei einem Unterboden-Partikelfilter kann der Verdampfer laut Emcon im Vergleich zur innermotorisch ausgelösten Temperaturerhöhung bis zu 50 Prozent der für die Nacheinspritzung erforderlichen Kraftstoffmenge einsparen. Geregelt wird der Verdampfer mit dem Motorsteuergerät. Der erste Serieneinsatz ist ab 2008 beim Ford Transit. 2009 soll ein Pick-up-Truck in den USA folgen. 2010 und 2011 starten dann Serienanläufe bei Pkw-Modellen in Europa.

Die HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co. KG aus Menden setzt wie Emitec auf eine elektrisch unterstützte Regeneration des Partikelfilters, falls die Abgastemperaturen nicht ausreichen. Allerdings beheizen die Sauerländer ihre Sintermetallfilter nicht direkt. Vielmehr ist um den Monolithen eine Heizspirale gewickelt, die mit ihrer Strahlungswärme die benachbarten Rußpartikel entzündet und so den Abbrand durch den ganzen Filterquerschnitt einleitet. Bei Keramikfiltern ist dieses Prinzip nicht umsetzbar, da durch die Kanalstruktur keine zusammenhängende Rußschicht besteht.

Um den Abbrand des Rußes zu beschleunigen, setzt HJS dem Dieselkraftstoff ein Additiv zu, das die Zündtemperatur des Rußes von mehr als 600 auf weniger als 400 Grad Celsius senkt. Zusammen mit der elektrischen Beheizung soll so die Regeneration bei nahezu jedem Motorbetriebspunkt möglich sein.

Hartmut Hammer

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