Schadstoffminderung Ottomotor

Die Schadstoffminderung beim Ottomotor gehört zu den wichtigsten Prozessen bei Fahrzeugen. Den Ausstoß von Schadstoffen zu minimieren ist besonders relevant, um uns Menschen und die Umwelt zu schützen.

Welche Schadstoffe entstehen beim Verbrennungsvorgang und wie gefährlich sind diese? Durch welche Prozesse werden die Abgase überhaupt gereinigt?

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Schadstoffminderung Ottomotor einfach erklärt

Beim Verbrennungsprozess im Motor entstehen Schadstoffe, da der Kraftstoff nicht immer vollständig verbrannt wird. Diese haben gefährliche Auswirkungen auf den Menschen und die Umwelt.

Um die Schadstoffemissionen möglichst gering zu halten, werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Dadurch werden Verbrennungsprozess und Abgaszusammensetzung beeinflusst.

Die Hauptaufgabe beim Reinigen der Abgase übernimmt der Katalysator. In diesem werden die schädlichen Stoffe so umgewandelt, dass sie nach dem Austreten des Katalysators ungefährlich sind. Auch Systeme wie die Abgasrückführung helfen, um den Schadstoffausstoß zu mindern. Hierbei werden bereits verbrannte Abgase in den Ansaugbereich geleitet.

Schadstoffminderung Ottomotor Definition

Schadstoffminderung Ottomotor Abgaszusammensetzung

Die Luft wird auch durch die steigende Mobilität in den letzten Jahren mit Schadstoffen belastet. Dadurch müssen die Fahrzeuge bestimmte Abgaswerte einhalten. Diese werden von dem jeweiligen Gesetzgeber vorgeschrieben.

Die eingesetzten Kraftstoffe bestehen hauptsächlich aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Bei einer vollständigen Verbrennung entstehen:

• Kohlendioxid
• Wasserdampf
• Stickstoff
• Edelgase

Kohlendioxid gehört zu den Treibhausgasen und trägt somit zum Klimawandel bei. Da der Kraftstoff zur meisten Zeit unvollständig verbrannt wird, entstehen im Abgas außerdem:

• 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

In der Regel beträgt der Anteil von \text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$, \text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$ und \text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$ beim Ottomotor ungefähr 1 % des gesamten Abgases.

Schadstoffminderung Ottomotor Lufteinfluss

Die Leistungsentwicklung eines Ottomotors sowie der Verbrauch sind Abhängig von der Zusammensetzung des Luft-Benzin-Gemischs. Der optimale Betriebsbereich des Motors befindet sich bei λ (Lambda) 1.

Das bedeutet, dass bei diesem Wert 14,7 kg Luft benötigt werden, um 1 kg Kraftstoff vollständig verbrennen zu können.

In dem Diagramm ist dargestellt, wie sich Leistung und Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit des λ-Werts verhalten.

Fettes Gemisch (λ= 0,9):

• Größte Leistung des Motors durch genügend Kraftstoff.

• Der Kraftstoff wird aber nicht vollständig ausgenutzt, deshalb entsteht hier auch der höchste Verbrauch.

• Der Anteil an Kohlenmonoxid (\text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$) und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (\text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$) nimmt in diesem Bereich zu.

Mageres Gemisch (λ=1,1):

• Niedrigste Leistung durch leichten Kraftstoffmangel.

• Dadurch entsteht in diesem Bereich aber auch der niedrigste Kraftstoffverbrauch.

• Die Motortemperatur ist in diesem Bereich am höchsten. Das liegt daran, dass durch den fehlenden Kraftstoff auch ein gewisser Kühleffekt fehlt. Der Anteil an Stickoxiden (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$) ist hierbei sehr hoch.

Schadstoffminderung Ottomotor Eigenschaften der Abgase

Die schädlichen Abgase, die bei der unvollständigen Verbrennung entstehen, haben unterschiedliche Eigenschaften. Alle sind auf eine bestimmte Art gefährlich für den Mensch und die Umwelt.

Abgasgrenzwerte

Damit ein Fahrzeug zugelassen werden darf, müssen die einzelnen Abgasgrenzwerte eingehalten werden. Diese werden auch nach der Zulassung im Rahmen der AU (Abgasuntersuchung) regelmäßig überprüft.

Dabei werden die Fahrzeuge wie beim TÜV in vorgeschriebenen Zeitabständen auf das Einhalten der Schadstoffemissionen geprüft.

Das Fahrzeug wird auf einen Prüfstand gefahren, wobei der Motor im Stand durch verschiedene Betriebspunkte läuft. Währenddessen können verschiedene Abgaswerte vom Messgerät abgelesen werden. Erst nach Einhalten der Grenzwerte darf das Fahrzeug weiterhin betrieben werden.

Ein weiterer Schritt zur Überprüfung der abgasrelevanten Teile ist die Diagnosefähigkeit in moderneren Fahrzeugen. Sollte es zu einem Problem oder zu Auffälligkeiten in einem System kommen, welches für die Einhaltung der Abgaswerte wichtig ist, wird der Fahrer über die Kontrollleuchte informiert und sollte somit sofort die Werkstatt aufsuchen.

Schadstoffminderung Ottomotor Verfahren

Es gibt verschiedene Arten die Schadstoffreduktion umzusetzen. Zum einen ist es wichtig, den richtigen Kraftstoff zu verwenden, zum anderen werden viele Maßnahmen im Bereich des Motors getroffen.

Der andere Weg Abgase zu minimieren ist die Nachbehandlung der ausgetretenen Schadstoffe in der Abgasanlage mithilfe des Katalysators.

Maßnahmen im Motorbereich

Grundsätzlich soll das Luft-Benzin-Gemisch so weit wie möglich vollständig verbrannt werden. Außerdem soll der Verbrauch gesenkt werden, damit generell weniger Schadstoffe produziert werden. Um dies umzusetzen werden folgende Methoden eingesetzt:

• Durchdachte Motorkonstruktion: Brennraum und Verdichtungsverhältnis verbessern. Ventile variabel steuern, also deren Öffnungszeiten und Hub beeinflussen.

• Gemischbildung: Optimieren entweder durch äußere oder innere Gemischbildung. Ziel ist es, ein homogenes Gemisch zu erzeugen für eine gute Verbrennung.

• Abgasrückführung: Innere Abgasrückführung entsteht durch Ventilüberschneidung, äußere durch das AGR-System.

• Motorsteuerung: Dazu gehört die kennfeldgesteuerte Zündung und Einspritzung. Teilweise Abschalten von Zylindern in Phasen, in denen nicht die gesamte Leistung benötigt wird. Abgasrelevante Bauteile werden kontrolliert.

• Ladeluftkühlung: Dadurch wird die Motorleistung gesteigert und durch die gekühlte Luft die Brennraumtemperatur gesenkt. Somit entstehen weniger Stickoxide (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$).

AGR-System

Die äußere Abgasrückführung ist ein wichtiger Bestandteil bei der Schadstoffminderung. Hierbei werden bereits verbrannte Abgase wieder in den Ansaugbereich des Motors geleitet.

Diese werden mit angesaugt, können aber nicht nochmals verbrennen. Dadurch sinkt die Brennraumtemperatur und es entstehen weniger Stickoxide (\text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$).

Auf der anderen Seite steigen mit erhöhter AGR-Rate, also Anteil an zurückgeführter Abgase, auch die Anzahl an unverbrannten Kraftstoffanteilen (\text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$) sowie der Verbrauch.

Die AGR-Rate kann mithilfe des Steuergeräts und dem elektrisch gesteuerten Abgasrückführventil angepasst werden. In der Regel geschieht die Abgasrückführung, wenn der Motor betriebswarm ist und im λ=1 Bereich läuft. Sobald der Motor im fetten Bereich läuft, bei Warmlaufphasen, Beschleunigung und Vollast wird die Abgasrückführung gestoppt.

Katalysator

Die effektivste Art der Schadstoffminderung übernimmt der Katalysator. In diesem werden die Abgase nachbehandelt. Dies geschieht durch chemische Prozesse und Umwandlungen. Dabei werden die schädlichen Stoffe in ungefährliche Stoffe umgewandelt.

Der Katalysator besteht grundsätzlich 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.

Oft wird der Begriff Dreiwege-Katalysator im Bereich des Ottomotors verwendet. Das kommt, weil im Katalysator drei chemische Prozesse gleichzeitig stattfinden.

Die aktive Schicht besteht aus den Edelmetallen Platin, Palladium und Rhodium. Durch diese kann die chemische Umwandlung der Schadstoffe erreicht werden. Folgende Prozesse finden statt:

• \text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$ wird zu \text{CO}_\text{2}$\text{CO}_\text{2}$ oxidiert, hierbei wird Sauerstoff verbraucht.

• \text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$-Bestandteile werden zu \text{CO}_\text{2}$\text{CO}_\text{2}$ und \text{H}_\text{2}\text{O}$\text{H}_\text{2}\text{O}$ oxidiert, Sauerstoff wird ebenfalls verbraucht.

• \text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$ wird zu Stickstoff reduziert, dabei wird Sauerstoff freigesetzt.

Die Umwandlung von \text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$, \text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$ und \text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$ in \text{CO}_\text{2}$\text{CO}_\text{2}$, \text{H}_\text{2}\text{O}$\text{H}_\text{2}\text{O}$ und \text{N}_\text{2}$\text{N}_\text{2}$ findet im optimalen Lambdabereich von λ=0,995-1,005 statt. Dabei kann der Katalysator bei Betriebstemperatur fast 98% der schädlichen Abgase umwandeln.

Wird der Motor nicht in diesem Lambdafenster betrieben, erhöhen sich die schädlichen Bestandteile abhängig davon, ob ein fettes oder mageres Gemisch verbrannt wird.

Der Katalysator arbeitet am besten im Temperaturbereich von 400 °C bis 800 °C. Da dieser Bereich erst nach einiger Warmlaufzeit erreicht werden kann, stoßen Fahrzeuge kurz nach dem Starten des Motors die meisten Schadstoffe aus.

Erst ab 300 °C kann der Katalysator eine Umwandlungsrate von 50% erreichen. Wenn der Katalysator zu heiß wird, können Teile der Schicht schmelzen. Das geschieht, wenn unverbrannte Kraftstoffteile in den Katalysator gelangen und dort erst verbrennen.

Auch Motorölreste, die in den Katalysator gelangen greifen die Schicht an. Die Wirksamkeit des Katalysators wird somit über die Zeit immer geringer.

Schadstoffminderung Ottomotor Lambdaregelung

Um eine optimale Schadstoffregulierung zu erreichen werden Lambdasonden eingesetzt. Jeweils vor und nach dem Katalysator sitzt eine Sonde.

Die Sonde vor dem Katalysator dient als Überwachung für den Restsauerstoffgehalt im Abgas. Je nachdem wie viel Sauerstoff im Abgas enthalten ist, sendet die Sonde ein Signal an das Steuergerät. Erkennt die Sonde also, dass gerade ein zu fettes Gemisch verbrannt wird, kann das Steuergerät durch diese Information die Einspritzzeit verkürzen.

Durch diese Regelung kann das Lambdafenster von λ= 0,995-1,005 eingehalten werden.

Die Sonde hinter dem Katalysator überwacht dessen Funktion. Ähnlich wie beim Katalysator müssen die Lambdasonden eine Temperatur von 300 °C erreichen, um optimal arbeiten zu können.

Spannungssprungsonde

Die Spannungssprungsonde gehört zu den wichtigsten Arten von Lambdasonden. Die Sonde besteht aus einem Keramikkörper, der innen und außen mit Platin überzogen ist.

Die äußere Schicht befindet sich im Abgasstrom und bildet den Minuspol, die innere ist mit der Außenluft verbunden und bildet den Pluspol. Damit die Sonde schnell ihre Temperatur erreicht wird sie beheizt.

Funktion:

• Die Keramikwand der Sonde wird ab 300 °C für Sauerstoffionen leitend.

• Durch den Unterschied der Sauerstoffkonzentrationen an der Luftseite und der Abgasseite entsteht ein Spannungsfeld, da die Sauerstoffionen durch die leitende Schicht einen chemischen Ausgleich schaffen wollen.

• Bei fettem Gemisch entsteht eine höhere Spannung als bei einem mageren Gemisch, da beim fetten Gemisch weniger Sauerstoff im Abgas ist und somit der Ionenfluss größer ist.

Schadstoffminderung Ottomotor Anwendung

Da in der Praxis nicht alles so perfekt läuft, wie in der Theorie gibt es einige Dinge, die immer wieder und während des ganzen Prozesses der Schadstoffregulierung angepasst werden müssen. Außerdem ist in vielen Situationen die perfekte Abgasreinigung nicht möglich:

• Der Motor startet und ist kalt, die Schadstoffemissionen sind dort sowieso höher.

• Nach dem Starten sind der Katalysator und die Lambdasonden nicht auf Betriebstemperatur, die optimale Abgasreinigung kann nicht durchgeführt werden.

Wie wichtig die Lambdaregelung jedoch ist, kommt während der gesamten Lebensdauer eines Fahrzeugs zum Tragen.

Gibt es nämlich Mängel am Motor oder an den Systemen durch Alterung oder weil ein Defekt vorliegt, können durch die ständige Überprüfung der Sauerstoffwerte Anpassungen im Motormanagement durchgeführt werden.

Somit können manche Drehzahlbereiche oder Lastbereiche mit mehr oder weniger Kraftstoffeinspritzung gefahren werden, je nachdem wie sich die Werte über die Zeit geändert haben.

Dadurch kann über einen längeren Zeitraum die Abgasreinigung immer wieder angepasst und auf hohem Niveau betrieben werden.

Schadstoffminderung Ottomotor Zusammenfassung

Die Schadstoffminderung gehört zu den wichtigsten Prozessen bei Fahrzeugen, auch weil die Betriebserlaubnis stark davon abhängt. Beim unvollständigen Verbrennen entstehen die schädlichen Abgase:

• 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)

Bei Luftmangel entsteht mehr \text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$ und \text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$, bei Luftüberschuss entsteht mehr \text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$. Die Schadstoffe haben vor allem in hohen Mengen giftige und schädigende Wirkungen auf den Mensch und die Umwelt. Der Gesetzgeber schreibt bestimmte Abgasgrenzwerte vor.

Um die Abgasemissionen zu verringern werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Einerseits werden Maßnahmen am Motor vorgenommen, andererseits werden die Abgase nachbehandelt.

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}$\text{NO}_\text{x}$).

• Katalysator: Hier werden die Schadstoffe \text{C}\text{O}$\text{C}\text{O}$, \text{H}\text{C}$\text{H}\text{C}$ und \text{NO}_\text{x}$\text{NO}_\text{x}$ durch Oxidation und Reduktion in \text{CO}_\text{2}$\text{CO}_\text{2}$, \text{H}_\text{2}\text{O}$\text{H}_\text{2}\text{O}$ und \text{N}_\text{2}$\text{N}_\text{2}$ umgewandelt.

• Lambdaregelung: Mithilfe von Lambdasonden wird der optimale λ-Bereich um den Wert 1 herum eingehalten. Anpassung an Alterungs- sowie Mängelzustand der Abgasreinigung ist möglich durch ständiges Überprüfen des Systems.