Schadstoffminderung Dieselmotor

Auch durch die Abgasemissionen von Fahrzeugen werden die Umwelt und der Mensch belastet. Deshalb ist es sehr wichtig, dass der Schadstoffausstoß möglichst gering gehalten wird.

Doch welche Abgase entstehen beim Dieselmotor und in welchem Maße sind diese gefährlich? Was sind die besten Möglichkeiten, den Motor möglichst sauber zu halten?

simpleclub hilft dir dabei das Thema zu verstehen!

Schadstoffminderung Dieselmotor einfach erklärt

Die Schadstoffe beim Motor entstehen, weil der Kraftstoff nicht immer vollständig verbrannt werden kann. Im idealen Verbrennungsprozess würden kaum gefährliche Schadstoffe entstehen. Dies ist aber in der Praxis kaum möglich umzusetzen.

Die Schadstoffe dürfen ein gewisses Maß nicht überschreiten. Dafür werden Maßnahmen am Motor getroffen, sowie verschiedene Verfahren zur Abgasnachbehandlung eingesetzt.

Beim Dieselmotor geht es vor allem darum, den Ausstoß von Stickoxiden (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$) zu mindern, da diese in erhöhtem Maße entstehen. Dafür werden Verfahren wie die Abgasrückführung und der SCR-Katalysator verwendet. Aber auch andere Schadstoffe und Partikel werden mithilfe vom Oxidationskatalysator und dem Partikelfilter aufgefangen.

Schadstoffminderung Dieselmotor Definition

Schadstoffminderung Dieselmotor Abgaszusammensetzung

Grundsätzlich entstehen bei der vollständigen Verbrennung des Kraftstoffes Kohlendioxid und Wasser. Außerdem gehören Stickstoff und Sauerstoff zu den Produkten im Abgas eines Dieselmotors.

Ein großer Unterschied aber zum Ottomotor ist die Art des Gemisches, welches verbrannt wird. Während beim Ottomotor das Luftverhältnis mit λ=1 angestrebt wird, läuft der Dieselmotor mit deutlichem Luftüberschuss. Die λ-Werte beim Diesel liegen bei Volllast zwischen λ=1,15-2 und im Leerlauf und Teillastbereich sogar bei λ=10-18.

Dadurch entstehen beim Dieselmotor weniger unverbrannte Kohlenwasserstoffe (\text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$) als beim Ottomotor, jedoch ist der Anteil an Stickoxiden (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$) durch den Luftüberschuss deutlich größer.

Die Abgaszusammensetzung beim Diesel schwankt stark durch die vielen Veränderungen der Betriebsbedingungen und dem weit auseinander gehenden Luftverhältnis. Die gefährlichen Abgase die entstehen sind:

• Kohlenmonoxid (\text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$)
• Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (\text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$)
• Stickoxide (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$)
• Feststoffe (Partikel)

In der Grafik kann man erkennen, dass die Stickoxide \text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$ den größten Anteil der schädlichen Abgase ausmachen. Diese entstehen vermehrt im Leerlauf und Teillast Bereich, da hier der Luftüberschuss sehr hoch ist.

Aber auch Partikel entstehen beim Diesel, da der Kraftstoff an manchen Stellen im Brennraum nur teilweise verbrannt wird. Dabei entstehen Rußkerne, an denen sich Verunreinigungen anlagern.

Abgasgrenzwerte

Die Abgasgrenzwerte für Dieselfahrzeuge werden innerhalb der EU vorgeschrieben. Durch die steigende Mobilität werden Luft und Umwelt auch weiterhin mehr belastet. Deswegen müssen die Emissionswerte immer wieder angepasst und gesenkt werden.

Für die Zulassung eines Fahrzeugs ist das Einhalten der Grenzwerte eine wichtige Voraussetzung.

Die Abgasuntersuchung (AU) wird bei Dieselfahrzeugen in regelmäßigen Abständen durchgeführt, damit sichergestellt wird, dass keine Fahrzeuge mit defekter Abgasreinigung im Betrieb sind.

Schadstoffminderung Dieselmotor Verfahren

Um die aktuellsten Grenzwerte der Euro 6 Norm einhalten zu können, werden immer mehr und veränderte Maßnahmen am Motor und in der Abgasnachbehandlung entwickelt und umgesetzt.

Motormaßnahmen:

• Brennraum optimieren (Verdichtungsverhältnis anpassen).

• Glühzeit steuern (intelligente Ansteuerung der Glühkerzen, optimale Glüh- und Brennraumtemperatur wird erreicht).

• Einspritzdruck anpassen.

• Ladedruck regeln.

• AGR (Abgasrückführung) zur Stickoxidsenkung.

Abgasnachbehandlung:

• Oxidationskatalysator

• SCR-Katalysator

• Partikelfilter

Abgasrückführung

Mit dem AGR-System werden die Stickoxidemissionen (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$) gesenkt. Hierbei werden Abgase, also das schon verbrannte Gemisch, in den Ansaugtrakt des Motors geleitet.

Die schon verbrannten Abgase nehmen nicht erneut am Verbrennungsprozess teil. Dadurch wird die Temperatur im Brennraum gesenkt. Dies führt dazu, dass bei erhöhter Abgasrückführungsrate weniger \text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$ entsteht. Die Rückführungsrate wird über das elektrisch gesteuerte Abgasrückführventil angepasst.

Einfluss AGR-Rate:

Mit steigender AGR-Rate in Vol.-% senkt sich auch der Ausstoß von \text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$.

Wird zu viel Abgasvolumen in den Ansaugtrakt geleitet, wird irgendwann der Kraftstoff nicht mehr vollständig verbrannt. Das führt dazu, dass die Anteile von \text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$ und \text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$ wieder ansteigen und somit auch der Verbrauch. Aus diesem Grund wird der maximale Wert für die AGR-Rate bei 40 Vol-% angesetzt.

Die Abgasrückführung ist beim Dieselmotor nur aktiviert, wenn dieser betriebswarm ist und im Leerlauf oder Teillastbetrieb läuft. Bei Vollast wird die Abgasrückführung nicht eingesetzt.

Oxidationskatalysator

Beim Dieselmotor spricht man von einem Oxidationskatalysator. Grundsätzlich ist es der gleiche Katalysator wie beim Ottomotor.

Er besteht aus:

• Gehäuse aus Stahl, schützt den Träger.

• Keramik- oder Metallträger, mit tausenden kleinen Kanälen.

• Poröse Zwischenschicht, diese sitzt in den kleinen Kanälen und erhöht somit die wirksame Fläche des Katalysators.

• Katalytisch aktive Schicht, wird auf der Zwischenschicht aufgetragen. Versehen mit Platin und Palladium.

Beim Ottomotor heißt der 3-Wege-Katalysator so, weil 3 Umwandlungsprozesse ablaufen. Der Oxidationskatalysator ist ein 2-Wege-Katalysator.

Das liegt daran, dass kein Reduktionsprozess stattfinden kann. Die Stickoxide (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$) können aufgrund des hohen Sauerstoffanteils im Dieselabgas nicht reduziert werden.

Die 2 Umwandlungen im Oxidationskatalysator sind:

• Kohlenmonoxid (\text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$) wird zu \text{CO}_\text{2}$\text{CO}_\text{2}$ oxidiert.

• Kohlenwasserstoffe (\text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$) werden zu \text{CO}_\text{2}$\text{CO}_\text{2}$ und \text{H}_\text{2}\text{O}$\text{H}_\text{2}\text{O}$ oxidiert.

Die Oxidationsprozesse im Katalysator können schon ab 170 °C bis 200 °C erfolgen. In diesem Temperaturbereich kann die Oxidationsrate schon auf 90% ansteigen.

Partikelfilter

Da beim Dieselmotor viele Partikel in Form von Ruß entstehen, müssen diese gefiltert werden. Um dies umzusetzen wird ein Partikelfilter in der Abgasanlage eingesetzt.

Dieser sieht grundsätzlich ähnlich aus wie ein Katalysator. Er besteht aus einem Metallgehäuse und innen sitzt ein wabenartiger Filter aus Keramik, meist ist dieser aus Siliziumcarbid.

In der Regel werden bei den aktuelleren Fahrzeugen Vollstrompartikelfilter eingesetzt. Hier wird der gesamte Abgasstrom gefiltert. Zwar werden im Partikelfilter hauptsächlich die Partikelteilchen aufgefangen, aber auch der Rest der Abgase wird nochmals gereinigt. Dies geschieht durch den kleinen Katalysator, der in den Partikelfilter integriert ist. Dieser sitzt vor dem eigentlichen Partikelfilterstrang im Gehäuse.

Trotzdem wird dadurch nicht der Oxidationskatalysator ersetzt. Dieser sitzt in der Abgasanlage vor dem Partikelfilter.

Funktion:

• Die Kanäle des Partikelfilters sind immer auf einer Seite geschlossen, deswegen müssen die Abgase durch die porösen Filterwände. Die Partikel bleiben dabei hängen.

• Je mehr Partikel hängen bleiben, desto voller bzw. verstopfter wird der Filter. Dadurch steigt der Abgasgegendruck. Die Differenzdrucksensoren erkennen den Druckunterschied.

• Regeneration: Der Filter muss regeneriert werden, wenn er zu voll ist. Dafür werden die Kohlenstoffanteile der Partikel mit dem Sauerstoff im Abgas zu \text{CO}_\text{2}$\text{CO}_\text{2}$ oxidiert (verbrannt). Dies geschieht erst bei 600 °C.

Das Problem bei der Regeneration ist die hohe Temperatur, die dafür benötigt wird. Diese wird nur im Vollastbetrieb des Motors erreicht.

Aus diesem Grund gibt es einige Maßnahmen, die dabei helfen die Abbrenntemperatur für die Partikel zu senken. Es können Zusatzstoffe aus Eisenverbindungen mit in den Kraftstoff beigemischt werden, die die erforderliche Temperatur auf 450 °C absenken. Außerdem kann durch eine Nacheinspritzung die Abgastemperatur erhöht werden.

SCR-System

Das SCR-Verfahren (selective catalytic reduction) ist sehr wichtig bei Dieselfahrzeugen. Der Ausstoß von Stickoxiden (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$) kann damit um bis zu 80% gesenkt werden.

Die SCR Anlage ist ein relativ großes System. Der Oxidationskatalysator sitzt hierbei vor dem SCR-Katalysator. Für das Verfahren wird ein extra Tank für das Reduziermittel benötigt. Dieses ist bekannt als AdBlue und kann an den meisten Tankstellen wie normaler Kraftstoff getankt werden.

Außerdem wird eine Luftverdichtereinheit mit den zugehörigen Leitungen zum Dosierventil eingesetzt.

Das Dosierventil spritzt das Reduziermittel gemischt mit der Luft vor den SCR-Katalysator ein.

Funktion:

• Die Schicht im SCR-KAT ist mit Titan, Wolfram und Vanadium bezogen. Diese Metalle gepaart mit Ammoniak (\text{NH}_\text{3}$\text{NH}_\text{3}$) reduzieren die Stickoxide (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$) zu Stickstoff (\text{N}_\text{2}$\text{N}_\text{2}$) und Wasser (\text{H}_\text{2}\text{O}$\text{H}_\text{2}\text{O}$).

• Das AdBlue ist eine Mischung aus Harnstoff und Wasser. Im Grundzustand ist es ungefährlich. Sobald das Reduktionsmittel aber an die Katalysatorschicht trifft, wird es zu Ammoniak (\text{NH}_\text{3}$\text{NH}_\text{3}$). Dann kann es mit dem \text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$ reagieren.

• Die \text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$-Sonde überwacht den Prozess und erkennt, ob die Stickoxidreduktion fehlerfrei funktioniert.

Das SCR-System ist besonders wichtig, weil in den anderen Prozessen zur Schadstoffminderung beim Diesel die Abgase kaum von Stickoxiden befreit werden können.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Maßnahmen zur Verbrauchsreduzierung beim Dieselmotor oft dazu führen, dass mehr Stickoxide produziert werden. Durch das sichere Arbeiten der SCR Anlage kann also gleichzeitig Kraftstoff eingespart werden, da die dabei mehr entstehenden Stickoxide trotzdem gefiltert werden können.

Schadstoffminderung Dieselmotor Anwendung

Ähnlich wie auch bei Fahrzeugen mit Ottomotoren ist es so, dass die ganzen Reinigungssysteme in der Praxis nicht perfekt funktionieren.

Ein wichtiger Faktor ist die Warmlaufphase des Motors. Wenn das Fahrzeug startet, sind die Komponenten der Abgasanlage alle kalt. Jedoch wird für jeden Reinigungsprozess eine bestimmte Temperatur benötigt, deswegen kann die Schadstoffminderung nach dem Starten nicht perfekt funktionieren.

Systeme wie die Abgasrückführung sowie die Partikelreinigung werden hierbei gar nicht aktiviert.

Ein gutes Beispiel für den Verlauf in der Praxis ist der Partikelfilter. Viele Dieselfahrzeuge werden nur im Stadtverkehr betrieben und fahren oft Strecken von unter 25 km.

Wird dieser Zustand über einen längeren Zeitraum kontinuierlich weiter betrieben, kommt es dazu, dass der Partikelfilter voll stopft. Denn in diesem Zustand kann die Regeneration nicht einsetzen.

Oft kommt es dazu, dass die Kontrollleuchte im Cockpit aufleuchtet. In diesem Fall sollte man die Werkstatt aufsuchen. Man kann aber auch eine Regenerationsfahrt machen. Das bedeutet, dass man das Fahrzeug auf einer Strecke ohne Unterbrechungen, also am besten auf der Landstraße oder Autobahn im Drehzahlbereich zwischen 2500 und 3000 Umdrehungen pro Minute bewegt.

Hierbei können die nötigen Abgastemperaturen erreicht werden, und auch das Motorsteuergerät erkennt die Situation und leitet Maßnahmen zum Freibrennen des Partikelfilters ein.

Am besten ist natürlich, man lässt das Fahrzeug nie in diese Situation kommen. Dann sollte man längere Fahrten einstreuen. Denn Dieselfahrzeuge sind nicht für den dauerhaften Stadtbetrieb ausgelegt.

Schadstoffminderung Dieselmotor Zusammenfassung

Das Mindern der Schadstoffe bei Dieselmotoren ist sehr wichtig. Ob ein Fahrzeug überhaupt zugelassen werden darf und ob es über Jahre hinweg betrieben werden kann hängt stark davon ab. Die schädlichen Abgase, die entstehen sind grundsätzlich die gleichen wie beim Ottomotor:

• Kohlenmonoxid (\text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$)

• Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (\text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$)

• Stickoxide (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$)

• Feststoffe (Partikel)

Wichtig zu wissen ist, dass bei Dieselmotoren deutlich mehr Stickoxide (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$) entstehen. Das liegt daran, dass die Motoren mit großem Luftüberschuss betrieben werden. Auf der anderen Seite stoßen sie nicht so viele unverbrannte Kohlenwasserstoffe (\text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$) aus.

Um die Abgasemissionen zu senken, werden verschiedenste Systeme eingesetzt und Maßnahmen im Motorbereich getroffen.

Zu den wichtigsten Verfahren gehören:

• AGR-System: Schon verbrannte Abgase werden dem Ansaugbereich zugeführt. Dadurch wird die Verbrennungstemperatur herabgesetzt und es entstehen weniger Stickoxide (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$).

• Oxidationsatalysator: Hier werden die Schadstoffe \text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$ und \text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$ durch Oxidation in \text{CO}_\text{2}$\text{CO}_\text{2}$ und \text{H}_\text{2}\text{O}$\text{H}_\text{2}\text{O}$ umgewandelt.

• Partikelfilter: Die Partikel werden hier aufgefangen und im Regenerationsprozess bei 600 °C zu \text{CO}_\text{2}$\text{CO}_\text{2}$ oxidiert.

• SCR-System: Das wichtigste Verfahren zur Stickoxidreduktion, hierbei werden mithilfe des Reduziermittels AdBlue die Stickoxide (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$) zu Stickstoff (\text{N}_\text{2}$\text{N}_\text{2}$) und Wasser (\text{H}_\text{2}\text{O}$\text{H}_\text{2}\text{O}$) reduziert.