Möglichkeiten zur Verringerung von Partikel und NOx 

Reduktion des NOx

• Lesen Sie auch den Bericht zur Abgasrückführung 

Mit Hilfe der Abgasrückführung wird die Entstehung von NOx verringert. Über ein AGR-Ventil  wird aus dem Auslasskrümmer Abgas entnommen und der Ladeluft (Frischgas) beigemischt. Das Abgas nimmt an der Verbrennung nicht teil. Man muss sich das wie Verpackungsstyropor in einem Pappkarton vorstellen. Es dienst mehr zur Füllung des Raumes. Das Abgas muss mit aufgeheizt werden, wozu mehr Energie nötig ist, als für das Frischgas. Dadurch sinkt die Verbrennungstemperatur.

Die Senkung der Verbrennungstemperatur reduziert den NOx-Anteil des Abgases. 

Es fehlt dadurch aber auch etwas Sauerstoff - CO und HC steigen  dabei leicht (bei guter Auslegung) an, und werden mit einem Katalysator reduziert. Wird das Abgas vor der Beimengung gekühlt, kann eine weitere Stickoxidreduktion erreicht werden. (siehe System-Bild unten).  Damit der Sauerstoffmangel nicht zu groß wird, muss mit genau erprobten Abgasrückführraten gearbeitet werden. Die AGR arbeitet deshalb nur im Teillastbereich. Zur Bestimmung der Rückführrate verwendet das Steuergerät als Eingangsinformationen die Drehzahl und die Last sowie die Kühlmitteltemperatur. Im Steuergerät werden die Ist-Daten dann mit einem AGR-Kennfeld verglichen.

Man spricht bei diesen Systemen auch von äußerer AGR. 

Neben der äußeren Abgasrückführung, gibt es auch eine innere Abgasrückführung, die durch die Ventilüberschneidung entsteht. Eine verbesserte Füllung erreicht man im oberen Drehzahlbereich. Im unteren Drehzahlbereich bewirkt die Ventilüberschneidung ein Zurückströmen von Restgasen in das Saugrohr. Begünstigt wird dieser Effekt durch den lastabhängigen Saugrohrdruck, der bei Leerlauf und Teillast besonders hoch ist. In der Folge werden die Restgase wieder angesaugt und nehmen einen Teil des Brennraumvolumens ein. Daraus ergibt sich ein Absenken der Brennraumtemperatur, was wiederum eine Verringerung der Stickoxide bewirkt. Als Nachteil ergibt sich  jedoch ein unrunder Leerlauf und  ein Ansteigen der HC-Werte. Eine variable Ventilsteuerung kann hier Wunder bewirken. Unter Umständen kann sogar auf die äußere AGR verzichtet werden.

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NOx-Speicher-Kat (siehe Bild)

Die Stickoxide werden wie in einem Schwamm gespeichert, der Kat muss mit fettem Gemisch alle 10 km durch eine Nacheinspritzung "gereinigt" werden, da der Schwefel den NOx Kat sonst vergiftet.

Zur Erkennung des Regenerationsbedarfs und der Regelung sind zahlreiche Sensoren wie z.B. Temperatur- und Drucksensoren erforderlich

weitere Einzelheiten des Nox-Kats siehe Beispiele unten oder Speicher-Kat bei FSI Benzindirekteinspritzung

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Harnstoff-Kat - SCR-Kat (siehe Bilder unten)

System SCR (selektive katalytische Reduktion) reduziert NOx zu N₂ und H₂O bei einem Wirkungsgrad von ca. 60%!

- Harnstoff wird getrennt getankt und zerfällt im Abgas zu Ammoniak (NH₃), das mit NOx reagiert. 

Beispiel DaimlerChrysler:

Um aus Stickoxiden harmloses Wasser und Luftstickstoff zu machen, setzt DaimlerChrysler auf die SCR-Abgasreinigung bei Nutzfahrzeugen.  Damit soll die ab Oktober 2004 geltende Abgasnorm Euro 4 für alle Busse und Lkw erreicht werden können.

Das DeNOx-System besteht aus einem Keramik-Katalysator und einem vorgeschalteten Oxi-Kat. Während der Fahrt wird als Reduktionsmittel in den SCR-Kat per Dosierventil eine Harnstoff-Wasserlösung injiziert. Der Harnstoff ist in gelöster Form ungiftig und geruchlos. In der Agrar- und Textilbranche ist er seit langem bekannt. In den heißen Abgasen wandelt sich der Harnstoff in  Ammoniak (NH₃) um. Im SCR-Kat werden Stickoxide (NO und NO₂) in die unschädlichen Komponenten Wasser und Luftstickstoff umgewandelt. Das benötigte Reduktionsmittel wird in einem Zusatztank im Lkw mitgeführt. Die Dosiermenge liegt in etwa bei 6% des Kraftstoffverbrauchs und wird von der Elektronik genau berechnet. An einer logistischen Lösung zur Versorgung mit Harnstoff wird zusammen mit dem Verband der europäischen Autokonstrukteure (ACEA) gearbeitet.

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Rußfilterung und Filterregeneration für Ruß und Schwefel 

Allgemeines Prinzip

• Rußpartikel werden in einem Keramikfilter gesammelt und anschließend verbrannt

• dazu muss die Temperatur angehoben werden:

a) mit einem Additiv oder 

b) katalytisch (passiv) oder 

c) durch eine Nacheinspritzung

• Freibrennen in Intervallen (500 bis 1000 km) mit O₂ aus dem Abgas  bei Temperaturen über 500°C zu CO₂

• zum Erreichen dieser Temperaturen sind technische Tricks erforderlich (Erhöhen der Abgastemperatur oder Senken der Abbrenntemperatur)

• bedeutet aber kurzfristige Erhöhung von Abgas (Stickoxiden) und Verbrauch

• Es gibt Systeme mit Additiv (Peugeot, VW und HJS) und ohne Additiv

• Es gibt mittlerweile sehr gute  Nachrüstlösungen (HJS, Oberland und Twin-Tec). Bitte informieren Sie sich dort weiter 

• (Liste mit Nachrüstfiltern und Auto-Herstellern, die Filter anbieten )

• etwas Asche vom Öl, Kraftstoff und Additiv bleibt übrig

Generell kann man momentan feststellen, dass kleinere Pkw die EURO IV durch innere Motormaßnahmen und ohne Partikelfilter schaffen können, hubraumstärkere Motoren jedoch mit Partikelfilter ausgerüstet werden müssen.

B E I S P I E LE 

CRT-System (Continous Regeneration Trap) Nutzfahrzeuge/HJS (siehe Bild unten)

• Freibrennen ständig mit NO₂, Filter ist nur zu 30% voll, Temperatur bei 300°C, Nacheinspritzung oder elektr. Beheizung erfordert Druck- und Temperatursonden

• in Stadtbussen seit Jahren bewährt

(Kombiniertes System für Partikel und NOx von HJS) > Technik an Bosch verkauft!

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Rußfilter von Siemens für Nfz

FAP PSA-Konzern (Peugeot, Citroen)

• Partikelfilter aus Siliziumkarbid

• mit Kraftstoffadditiv zur Senkung der Regenerationstemperatur auf 450°C und Erhöhung der Abgastemperatur durch Dieselnacheinspritzung

• Verbrauch steigt um 5%, Additiv im Zusatztank, nach ca. 80000 km kostenloser Wechsel und Reinigung  des Filters

• System hat sich bereits bewährt. Ab 2004 mit EURO IV

Anmerkung: Ein moderner Common Rail Diesel produziert ohne Filter bei 80000 km rund 3 kg Ruß, mit Filter sind es weniger als 100 g!!

Näheres hier klicken (extra Bericht)

(Bild unten von Peugeot)

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DPNR = Diesel Particulate NOx-Reduction

ist ein kombinierter Keramik-Katalysator für NOx und Ruß

seit 2004 im Avensis auch wahlweise mit 

ist momentan die modernste und effektivste Art der Abgasbehandlung beim Diesel

arbeitet ohne Zusätze und ist wartungsfrei, 

Basis ist der D-4D Common Rail Motor der 3. Generation (1800 bar, Pilot-, Haupt- und Nacheinspritzungen) plus Turbolader mit variabler Turbinengeometrie, Ladeluftkühlung, elektronisch geregelter wassergekühlter Abgasrückführung und speziellem Einspritzsystem

Das System arbeitet mit Nacheinspritzung (EPI = Exhaust Port Injection) in den Abgaskrümmer, dadurch Erhöhung der Abgastemperatur durch die Anfettung und verbesserter Nachverbrennung (Konvertierung der Abgase) im DPNR-Kat

Außerdem hat das D-Cat eine so genannte Niedrig Temperatur Verbrennung (LTC = Low Temperature Combustion). Durch gezielte Steuerung von Einspritzzeit und -dauer sowie der elektronischen gekühlten Abgasrückführung gelingt der Spagat zwischen NOx- und Rußreduzierung. Es wird also durch die niedrigen Verbrennungstemperaturen bereits weniger Stickoxide emittiert. Die Temperatur ist so niedrig, dass nicht mehr sondern sogar weniger Ruß entsteht.

Chemische Vorgänge im DPNR-Kat laienhaft ausgedrückt:

• NO reagiert zu NO₂ durch das Edelmetall im Kat
• Mit dem Speichermedium Bariumoxid reagiert NO₂ zu BA[NO₃]₂,  (Zwischenspeicherung)
• Sauerstoff wurde dabei frei, erhöht die Katalysatortemperatur und oxidiert einen Teil des Rußes zu CO₂
• Andere Rußpartikel werden zwischengespeichert
• Druck-, Temperarur- und Sauerstoff-Sensoren erkennen den Beladungszustand
• Gemisch wird angefettet (EPI oder Common Rail Nacheinspritzung)
• CO und HC Überschuss entsteht, diese reagieren mit dem  Edelmetall des Kats
• Bariumnitrat wird wieder zu Bariumoxid, gespeicherte Stickoxide werden wieder frei
• aktiver Sauerstoff wird fei, Stickoxide werden zu Stickstoff und Ruß zu CO₂
•  

hat einen Nachrüst-Partikelfilter mit Additiv entwickelt. 

Link Lieferprogramm:

Twin-Tec-Nachrüstlösung

Durch schaufelartige Einschnitte in einer gewellten Folie ist es möglich, einen Teilstrom des Abgases in ein Sintermetallvlies zu lenken.

bietet einen Nachrüst-Partikelfilter ohne Additive und ohne Motoreingriff an. Die Reduzierung liegt hier nur zwischen 40 und 50%. Der serienmäßige Katalysator wird gegen Oxi-Kat und Partikelfilter getauscht. 

Lesen sie auch den Bericht zum Dieselnachrüstfilter von Twin-Tec

Nachrüstlösung von Oberland-Mangold

Schematische Darstellung der Radial- und Tangentialströmung in der Trägerstruktur

Link-Lieferprogramm

Link-Lieferprogramm

ab Sept. 2003 mit Partikelfilter und EURO IV Limit, ohne Additive, mit Späteinspritzung (580 €), siehe Bild unten

Mercedes: "Die Filterregeneration erfolgt durch eine bedarfsgerechte Anpassung verschiedener Motorsteuerungsfunktionen wie Kraftstoffeinspritzung, Ansaugluftdrosselung, Abgasrückführung und Ladedruckregelung. So lässt sich die Abgastemperatur gezielt erhöhen, und die im Filter eingelagerten Partikel brennen ab. Testergebnisse zeigen, dass die Ascherückstände nach hoher Fahrleistung um bis zu 75 Prozent geringer sind als bei Filtersystemen, die auf Zusatzstoffe angewiesen sind."

DaimlerChrysler (Bild öffnet in neuem Fenster)

ab 2004 in Serie, ohne Additive

Sinter-Keramikfilter mit katalytisch aktiver Beschichtung 

(Bild öffnet in neuem Fenster)

Der Oxi-Vorkat sorgt für eine schnelle Umwandlung der Abgase fast unmittelbar nach dem Start.  Außerdem zu erkennen der Unterboden-Kat und der katalytisch beschichtete Partikelfilter. 

(Bild öffnet in neuem Fenster)

Die Umwandlung des eingelagerten Rußes zu CO₂ erfolgt im normalen Fahrbetrieb bei Temperaturen um 350 bis 500 °C. Man spricht von einer passiven Regeneration. Fährt der AUDI viel Kurzstrecke erfolgt die Abbrennung durch kurzzeitiges Anfetten und einer Temperatur von 600 °C. Laut AUDI geschieht dies nur alle 1000 km und führt kaum zu Mehrverbrauch. Zur Regelung der Regeneration benötigt das Steuergerät auch die Informationen des Temperatur- und des Differenzdrucksensors.

Ford arbeitet gemeinsam mit dem PSA-Konzern (Peugeot/Citroen).

Bei Filtersystemen soll deren Regeneration unter möglichst weiten Bereichen des Last- und Drehzahlbandes möglich sein. Das Filtersystem der ersten Generation, wie es PSA einsetzt (FAP), verwendet hierzu ein Cerium-Additiv als Katalysator, das durch eine automatische Dosiereinrichtung nach jedem Füllvorgang im Tank dem Kraftstoff beigemischt wird. Durch diese Maßnahme gelingt es, die im Filter angelagerten Partikel, nicht erst bei etwa 600 Grad Celsius abzubrennen, sondern bereits bei Temperaturen knapp über 450 Grad Celsius. Nachteil: Das Additiv ist für nahezu die Hälfte der im Filter verbleibenden Asche verantwortlich. Deshalb entwickeln Ford und PSA derzeit ein katalytisches Filtersystem, das ohne Additiv auskommt. (siehe auch andere Hersteller)