FORSCHUNGSVEREINIGUNG AUTOMOBILTECHNIK E.V. Ρ ρ. Dieselmotortechnik und -emissionen mit dem Schwerpunkt auf Partikeln

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1 ρwechselwirkungen FORSCHUNGSVEREINIGUNG AUTOMOBILTECHNIK E.V. FAT-SCHRIFTENREIHE Ρ ρ 238 zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen mit dem Schwerpunkt auf Partikeln

2 Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen mit dem Schwerpunkt auf Partikeln Forschungsstelle: GmbH, Aachen Autoren: Dr.-Ing. Andreas Wiartalla Dr.-Ing. Christopher Severin Das Forschungsprojekt wurde mit Mitteln der Forschungsvereinigung Automobiltechnik e. V. (FAT) gefördert.

3 Inhaltsverzeichnis 2 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Einleitung 4 2 Grundlagen Dieselmotor Funktionsprinzip Dieselmotor Dieselmotoremissionen 9 3 Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität Emissionsgesetzgebung Kraftstoffqualität 24 4 Partikelmesstechnik Gravimetrie Trübungsverfahren Partikelzähler (Streulicht) Impaktion Differenzielle Mobilitätsanalyse Engine Exhaust Particle Sizer (EEPS) Gesetzliche Vorschriften zur Partikelmessung Partikelmassenmessung Partikelanzahlmessung Zusammenfassung 37 5 Fortschritt der Dieselmotortechnologie Innermotorische Maßnahmen zur Emissionsreduktion Einspritztechnik Ladungsbewegung Abgasrückführung Aufladung Brennverfahren Externe Maßnahmen zur Emissionsreduktion Dieseloxidationskatalysator (DOC) Partikelminderungssysteme DeNO x -Systeme Dieselkraftstoff Art und Qualität Übersicht typischer Dieselkraftstoffe Gas to Liquid (GtL) Hydriertes Pflanzenöl (HVO) Zusammenfassung 57 6 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen Auswirkungen innermotorischer Maßnahmen Auswirkungen externer Maßnahmen zur Emissionsreduktion Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) Dieselpartikelfilter (DPF) NO x -Nachbehandlungssysteme Auswirkungen von Kraftstoffqualität und -art Entwicklung Partikelemissionen Gesamtsystem 82

4 Inhaltsverzeichnis 3 7 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen Stickstoffoxid-Emissionen Sonstige Emissionen 91 8 Zusammenfassung und Ausblick 94 9 Literaturquellen Abkürzungsverzeichnis 105

5 Einleitung 4 1 Einleitung Der Dieselmotor steht aus technischer Sicht im Spannungsfeld unterschiedlichster Anforderungen, die sich aus maximalem Kundennutzen, minimalem Kraftstoffverbrauch und den damit einhergehenden CO 2 -Emissionen sowie minimalen Schadstoffemissionen ergeben. Während der CO 2 -Ausstoß erst seit Kurzem reglementiert ist, sind die Schadstoffemissionen seit den 1970er Jahren durch entsprechende Gesetzgebungen begrenzt. Anfang der 1990er Jahre wurde die Euro -Abgasnorm eingeführt, bei der sich die Grenzwerte über einzelne Euro - Emissionsstufen immer weiter verschärfen. Die aktuell gültige Euro-5-Norm wird 2014 durch die Euro-6 -Stufe abgelöst. Um die Gesetzgebung einzuhalten oder wie oftmals üblich vorzuerfüllen und gleichzeitig allen Kundenanforderungen genüge zu tun, ist eine konsequente Weiterentwicklung des Dieselmotors erforderlich. Während sich das Grundprinzip des Dieselmotors die qualitätsgeregelte Selbstzündung dabei nicht verändert hat, ist jedoch die Prozessführung heutiger moderner Motoren technisch erheblich anders realisiert. Neben der Weiterentwicklung des Motors selbst wurden Systeme zur Abgasnachbehandlung eingeführt, um die motorischen Emissionen weiter zu reduzieren. Eine zusammenfassende Darstellung der technischen Weiterentwicklungen und ihrer Auswirkungen auf die Reduktion der Schadstoffemissionen, insbesondere der Verringerung der Partikelemissionen sind nicht verfügbar. Diese Studie hat daher das Ziel, die vielfältigen Verbesserungen der Dieselmotortechnologie im Hinblick auf die Partikelemissionen zusammenzufassen. Dabei werden insbesondere folgende Punkte berücksichtigt: Emissionsgesetzgebung, Kraftstoffqualitäten, Diesel-Motor-Technologien, Diesel-Partikelfilter-Technologien, Stickoxid-Nachbehandlungs-Technologien, Partikelzusammensetzung/Partikelcharakteristika. Den Schwerpunkt der Studie bildet die Darstellung der Auswirkungen der dieselmotorischen Weiterentwicklung auf die massenbezogene Partikelemission. Darüber hinaus werden Auswirkungen auf Veränderungen der ausgestoßenen Partikel, z. B. ihre Morphologie, Zusammensetzung und das Partikelgrößenspektrum, betrachtet. NO x -Emissionen (dabei separate Betrachtung der NO 2 -Emissionen) werden insbesondere hinsichtlich Partikelwechselwirkungen oder Abgasnachbehandlungstechnik analysiert; eine detaillierte Betrachtung der NO x /NO 2 -Emissionen erfolgt im Rahmen der Studie nicht. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK bzw. PAH), Aldehyde und N 2 O (nicht limitierte Emissionen) werden, sofern aus den Quellen verfügbar, nur am Rande betrachtet. Der Fokus der Studie liegt auf Diesel- und On-Road-Anwendungen (schnell laufende Dieselmotoren für Fahrzeuganwendungen auf der Straße); Industriemotoren und Marineanwendungen werden im Rahmen der Studie nicht betrachtet. Die Darstellung erfolgt soweit sinnvoll getrennt für Pkw und Nutzfahrzeuge. Die Studie erfolgt auf Basis öffentlich zugänglicher Informationen sowie -internen Know-hows und gliedert sich in die folgenden Kapitel:

6 Einleitung 5 Grundlagen Dieselmotor Erläuterung der Grundlagen zum dieselmotorischen Funktionsprinzip sowie der Schadstoffentstehung beim Dieselmotor. Emissionsgesetzgebung In diesem Kapitel wird die Entwicklung der Emissionsgesetzgebung in Europa für Pkw- und Nutzfahrzeugmotoren sowie die Marktdurchdringung der neu eingeführten Emissionsstufen betrachtet. Partikelmesstechnik Beschreibung und Vergleich der wesentlichen Messtechniken zur Erfassung der Partikelemission hinsichtlich Masse, Partikelgröße und weiterer charakteristischer Eigenschaften, auf die im Rahmen dieser Studie Bezug genommen wird. Fortschritt der Dieselmotortechnologie In diesem Kapitel werden die vielfältigen technischen Verbesserungen in der Dieselmotortechnik von der Einführung der Emissionsgesetzgebung bis zum aktuellen Stand der Dieselmotorentechnik beschrieben. Neben innermotorischen Maßnahmen wie Aufladesystem, Abgasrückführung und Einspritzsystem wird dabei insbesondere auch auf die relevanten Abgasnachbehandlungstechnologien Oxidationskatalysator (DOC), Dieselpartikelfilter (DPF), SCR- Technologie und NO x -Speicherkatalysator (NSK) eingegangen. Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen Darstellung der Auswirkungen der zuvor beschriebenen Maßnahmen auf die Partikelemissionen. Über die rein massebezogenen Emissionen hinaus werden dabei auch weitere Veränderungen, z. B. hinsichtlich Morphologie, Zusammensetzung, Partikelanzahl und Partikelgrößenspektrum, betrachtet. Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen Betrachtung der Auswirkungen der zuvor beschriebenen Maßnahmen auf die Emissionen der Stickstoffoxide und die anderer, derzeit noch nicht limitierter Abgaskomponenten. Ziel der Studie ist eine möglichst umfassende Zusammenfassung der verfügbaren Literatur, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf vergleichende Untersuchungen über verschiedene Technologiestufen unter vergleichbaren Randbedingungen gelegt werden soll. Hierbei werden die üblichen frei zugänglichen Quellen und nur in Ausnahmefällen Daten aus eigenem, nicht öffentlich zugänglichem Bestand verwendet. Im Hinblick darauf, dass der Dieselmotor insbesondere im Pkw-Bereich vor allem in Europa und Deutschland auf eine lange und erfolgreiche Historie zurückblickt, stammt ein großer Teil der dargestellten Literatur aus dem deutschen und europäischen Raum. Die Studie erhebt ferner den Anspruch, die Dieselmotorentechnologie zu beleuchten, die repräsentativ für die tatsächlich im Straßenverkehr eingesetzten Antriebsaggregate ist. Daher sind insbesondere Veröffentlichungen relevant, die sich auf tatsächliche Serienmotoren beziehen. Derartige Quellen sind insbesondere in Vorträgen der renommierten Kolloquien und Symposien zu finden, welche die bevorzugte Publikationsplattform der Motorhersteller selbst sind. Demgegenüber sind veröffentlichte Grundlagenuntersuchungen an Forschungsmotoren von etwas geringerem Interesse, zumal hier in den meisten Fällen keine Entwicklungen über meh-

7 Einleitung 6 rere Motorengenerationen unter vergleichbaren Randbedingungen dargestellt sind. Als Hauptquellen dienen daher Motorenkolloquien und Fachveranstaltungen sowie die Veröffentlichungen der Society of Automotive Engineers (SAE).

8 Grundlagen Dieselmotor 7 2 Grundlagen Dieselmotor 2.1 Funktionsprinzip Dieselmotor Bei einer Verbrennungskraftmaschine handelt es sich um eine Kraftmaschine (Maschine, die mechanische Leistung abgibt), in der ein Wärmeprozess und ein Verbrennungsprozess gekoppelt ablaufen. Im Verlauf des Prozesses wird aus der chemisch gebundenen Energie eines Kraftstoffes (der Kraftstoffenergie) durch Verbrennung auf dem Wege über thermische Energie mechanische Arbeit gewonnen. Der Dieselmotor lässt sich innerhalb der Verbrennungsmotoren nach den folgenden Merkmalen einteilen. Offener Prozess Das Arbeitsfluid ist das verbrennende Brennstoff-Luft-Gemisch; es muss nach der Arbeitsleistung erneuert werden (daher offener Prozess ). Die Verbrennung erfolgt innerhalb des Arbeitsraums ( innere Verbrennung ). Intermittierende Verbrennung Ist typisch für offene Hubkolben-Prozesse. Wegen nur kurzzeitig auftretender hoher Temperaturen des Arbeitsmediums lässt sich die thermische Belastung der Bauteile in Grenzen halten. Zünd-, Verbrennungs- und Emissionsprobleme sind Merkmale dieser Verbrennung. 4-Takt-Verfahren Die Volumenänderung des Arbeitsraums wird abwechselnd zur Arbeitsleistung und zum Ladungswechsel herangezogen. Austausch des Arbeitsmediums findet durch Steuerung von Ein- und Auslassventilen statt. Ein vollständiges Arbeitsspiel umfasst die vier Takte: 1. Ansaugen Arbeitstakte 2. Verdichten Ladungswechseltakte 3. Expandieren 4. Ausschieben Abbildung 2.1 zeigt den Gasdruckverlauf im p-v-diagramm (sog. Indikatordiagramm) und im p-α-diagramm für einen 4-Takt-Hubkolbenmotor. Es gelten folgende Abkürzungen: α Kurbelwinkel (KW), gezählt vom Gaswechsel-OT aufwärts in KW, V Brennraumvolumen, V h Hubvolumen, V e Kompressionsvolumen, p u Umgebungsdruck, p z Zünddruck.

9 Grundlagen Dieselmotor 8 Abbildung 2.1: p-v- und p-α-diagramm (4-Takt-Verfahren) /1/ Luftverdichtung Luftfüllung beim Ladungswechsel, Verdichten der Zylinderluftmasse und anschließende Zumischung des Kraftstoffs gegen Ende der Verdichtung (mithilfe von Einspritzpumpe und Einspritzdüse) Innere Gemischbildung Befüllung des Zylinders mit Luft über die Einlasskanäle; separate Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (in den Saug- oder Kompressionshub) Qualitätsregelung (Lastregelung) Das Mischungsverhältnis aus Kraftstoff und Luft wird geändert. Die Masse des Arbeitsfluids pro Arbeitsspiel bleibt näherungsweise konstant. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet sich infolge der hohen Verdichtungstemperatur von selbst. Zusammenfassend lässt sich das Arbeitsverfahren eines Dieselmotors als eine Selbstzündung eines qualitätsgeregelten inhomogenen Gemischs definieren. Für die Bildung eines zündfähigen Gemischs wird beim direkt einspritzenden Dieselmotor der Brennstoff gegen Ende der Verdichtung durch eine Einspritzdüse in den Brennraum gespritzt. Mit der eingespritzten Menge wird die Last des Motors geregelt. Je nach Auslegung der Einspritzanlage und Last beträgt der Druck vor der Düse während der Einspritzung 150 bis 2000 bar und wird durch technologische Weiterentwicklung zukünftig noch weiter steigen.

10 Grundlagen Dieselmotor 9 Dem Einspritzsystem, bestehend aus Hochdruckpumpe, Zu- und Ableitungen und Einspritzdüse, kommen folgende Hauptaufgaben zu: Hochdruckerzeugung und Förderung, zeitliche Steuerung der Einspritzung, Regelung der Einspritzmenge (Dosierung), Gleichzuteilung (Mehrzylindermotor). Der Ablauf von Zündung und Verbrennung des im Brennraum in Bewegung befindlichen inhomogenen Gemischs ist sehr komplex. Aus neueren Untersuchungen und Analysen ergeben sich folgende Charakteristika während der Verbrennung im Dieselmotor: Zwischen Einspritzbeginn und Verbrennungsbeginn verstreicht eine bestimmte Zeit. Die Zündung erfolgt immer im verdampften Gemisch, das in der Regel von dem zuerst in den Brennraum gelangten Brennstoff herrührt. Nach der Zündung wird sehr schnell das übrige gebildete Gemisch von der Verbrennung erfasst. Die Mischungsvorgänge dauern während der Verbrennungsphase weiter an. Die Mischungsvorgänge im Brennraum beeinflussen den Verbrennungsablauf entscheidend. Es liegen im Brennraum zu gleichen Zeiten sowohl Bereiche mit sehr magerem als auch mit sehr fettem Gemisch vor. Der Zündverzug ist in der Praxis die Zeit, die zwischen dem Einspritzbeginn und dem ersten durch die Verbrennung bedingten messbaren Druckanstieg liegt. Während des Zündverzugs finden Gemischaufbereitungsvorgänge statt. Der Zeitpunkt der Zündung und damit der Zündverzug werden durch die Gemischzone bestimmt, in der die Gemischaufbereitung zuerst abgeschlossen ist /2/. 2.2 Dieselmotoremissionen Im Folgenden sind die für den Dieselmotor wesentlichen Emissionen und deren Entstehung beschrieben: CO, HC, NOx, Ruß und Partikel. Die Schadstoffkonzentrationen im Abgas sind abhängig vom Luftverhältnis. Diese Abhängigkeit der Schadstoffkonzentrationen vom Luftverhältnis für einen Dieselmotor mit direkter Einspritzung zeigt Abbildung 2.2.

11 Grundlagen Dieselmotor 10 Abbildung 2.2: Schadstoffemissionen eines DI-Dieselmotors (n = 3000 min -1, ohne AGR) /2/ Kohlenmonoxid (CO) Bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Kraftstoffe wird grundsätzlich zunächst CO gebildet, welches in einer nachfolgenden Reaktion zu CO 2 oxidiert werden kann. Da der Dieselmotor insgesamt mit mageren Verbrennungsluftverhältnissen betrieben wird, ist genügend Sauerstoff für die CO-Oxidation vorhanden. Wieweit jedoch die örtlichen hohen CO-Konzentrationen abgebaut werden, hängt entscheidend vom Gesamtluftverhältnis (Abbildung 2.2) sowie von der dieselmotorischen Prozessführung ab. Der Anstieg der CO-Emissionen bei Annäherung an die Rußgrenze (Volllast) ist auf eine örtlich zu späte Durchmischung des zunächst gebildeten CO mit Sauerstoff zurückzuführen, sodass die Temperaturen zur Nachoxidation nicht ausreichen. Durch die niedrigeren Temperaturen in Wandnähe kann der Effekt deutlich verstärkt werden. Kohlenwasserstoff (HC) Die Kohlenwasserstoff-Anteile können durch zu stark abgemagerte Bereiche verursacht werden, die bei niedrigen Temperaturen (Teillast) nicht rechtzeitig reagieren. Bei Annäherung an das Volllastluftverhältnis nimmt diese Ursache ab. Durch örtlich sehr fettes Gemisch, wie es sich beim Auftreffen von Brennstoffstrahlen an der Wand ergibt, können die HC-Emissionen ansteigen (Quench-Effekt). Rechtzeitige Durchmischung wirkt dem jedoch entgegen. Stickoxide (NO x ) Stickoxide werden bei hohen Temperaturen aus Luftstickstoff und Luftsauerstoff gebildet. Daher erfolgt bei leicht überstöchiometrischer Verbrennung eine maximale NOx- Bildung. Bei geringeren Luftverhältnissen nimmt die NOx-Produktion aufgrund des Sauerstoffmangels ab und bei höheren Luftverhältnissen verlangsamt sich die NOx- Bildung aufgrund sinkender Verbrennungstemperatur. Durch Gestaltung des Brennverfahrens, d.h. durch Einstellung des Verlaufs des lokalen Verbrennungsluftverhältnisses sowie der Temperatur, wird entscheidend Einfluss auf die die NOx-Bildung genommen. Bei Nebenkammermotoren wird durch die Verbrennung unter extremen Luftmangel in der Nebenkammer sowie dem hohen Luftüberschuss im Hauptbrennraum der λ-bereich

12 Grundlagen Dieselmotor 11 mit hoher örtlicher NO x -Bildung größtenteils umgangen. Bei Direkteinspritzer ist diese wirkungsvolle Unterdrückung der NOx-Bildung nicht möglich, was dazu führt, dass die NO x -Emissionen bei gleichen Randbedingungen höher sind als bei Nebenkammermotoren. Moderne Dieselmotoren verfügen jedoch über andere wirksame Maßnahmen, die NOx-Bildung zu verringern. Hierzu zählt insbesondere die unten erläuterte Abgasrückführung. Ruß und Partikel Bei der Verbrennung unter extremem Luftmangel tritt Ruß auf und ist aufgrund des örtlich sehr inhomogenen Gemischs typisch für die Verbrennung im Dieselmotor. Die Rußbildung wird in der Regel durch thermisches Cracken der Brennstoffmoleküle unter Sauerstoffmangel eingeleitet und führt unter Abspaltung von Wasserstoff über Acetylen und durch Polymerisation zu kohlenstoffreichen Makromolekülen, die dann zu den endgültigen Rußteilchen agglomerieren. Ein Großteil des gebildeten Rußes wird bei örtlich λ > 1 und T > 1300 K wieder oxidiert. Die Zunahme der Rußemission bei Annäherung an das stöchiometrische Luftverhältnis folgt aus der zunehmenden Ausdehnung fetter Gemischzonen infolge der erhöhten Einspritzmenge. Abbildung 2.3 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Abbildung 2.3: Rußbildung bei der dieselmotorischen Verbrennung /2/ Definitionsgemäß sind Partikel aus der dieselmotorischen Verbrennung Abgasbestandteile, die auf einem definierten Filter abgeschieden werden, wenn Dieselabgas, das mit reiner gefilterter Luft verdünnt wurde, durch das Filter gesaugt wird. Hierbei darf eine Temperatur von 52 C nicht überschritten werden. Hierzu zählen im wesentlichen Kohlenstoff, welcher auch als Ruß bezeichnet wird, höher siedende Kohlenwasserstoffe, die zum Teil am Ruß angelagert sind, und Sulfate. Einen geringen Anteil an der Partikelemission haben auch Korrosionsprodukte des Motors und Verbrennungsprodukte von Additiven aus dem Motorenöl /75/ (Abbildung 2.4).

13 Grundlagen Dieselmotor 12 Kohlenstoff ist meist der Hauptbestandteil der partikulären Emissionen eines Dieselmotors. Er setzt sich aus einem Anteil an elementarem Kohlenstoff (EC) und organischem Kohlenstoff (OC) zusammen. Rußpartikel bestehen i. A. überwiegend aus elementarem Kohlenstoff; der organische Kohlenstoff stammt überwiegend von nicht oder teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Dieselkraftstoff und dem Motorenöl. Die Sulfate im Dieselruß bilden sich aus organischen Schwefelverbindungen im Dieselkraftstoff und Motorenöl /75/. Der Anteil der einzelnen Komponenten kann u. a. in Abhängigkeit der Motorentechnologie, der Abgasnachbehandlung sowie des verwendeten Kraftstoffes stark variieren. Abbildung 2.4: Typische Zusammensetzung und Quellen von Dieselabgaspartikeln /75/ Die Abgasrückführung (AGR) ist ein geeignetes Mittel, die NO x des Dieselmotors zu senken. Durch die Rückführung von Abgas in den Zylinder ergeben sich folgende positive Aspekte /2/: Anhebung der Wärmekapazität, Absenkung der Sauerstoffkonzentration, Absenkung der Spitzentemperatur. Jedoch steigen im Allgemeinen die Partikelemissionen deutlich an, da die Rußbildung durch die Verringerung der Sauerstoffzufuhr erleichtert wird. Stickoxid- und Rußemissionen verhalten sich somit bei Verstellung der motorischen Betriebsparameter gegenläufig zueinander. Man spricht hierbei vom Partikel/NO x -Tradeoff. Ziel ist es daher, die gesamte Trade-off-Kurve zu verschieben, um sowohl Partikel- als auch NOx-Emission zu verringern. Eine Maßnahme hierzu ist der Einsatz eines AGR-Kühlers. Durch die Kühlung sinkt zum einen nochmals die Spitzentemperatur der Verbrennung, so dass die Abgasrückführung um so wirksamer wird, zum anderen erhöht sich die Saugrohrdichte und der Motor kann mehr Ladung aufnehmen. Dies führt zu einer Erhöhung des Verbrennungsluftverhältnisses, was wiederum die Partikeloxidation erleichtert und damit den Rußausstoß reduziert. Die Wirkungsweise der Abgasrückführung ist vereinfachend in nachstehender Abbildung 2.5 dargestellt.

14 Grundlagen Dieselmotor 13 Abbildung 2.5: Einfluss der Abgasrückführung Die folgenden Abbildungen geben einen Überblick über die Entwicklung der Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen in der Bundesrepublik seit 1980 sowie ihren Anteil an den Gesamtemissionen für das Jahr Der Kraftfahrzeugbestand hat in diesem Zeitraum um 50 % zugenommen und lag 1999 bei rund 45 Mio. Fahrzeugen. Trotz des steigenden Kraftfahrzeugbestands ist es in den letzten Jahren zu einem Rückgang der im Straßenverkehr emittierten gasförmigen Schadstoffe sowie der ausgestoßenen Partikelmasse gekommen.

15 Dieselpartikel /kt Stickoxid /kt Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Grundlagen Dieselmotor Euro I Euro III Euro V Euro II Euro IV Euro VI % Abbildung 2.6: Entwicklung der Schadstoffemissionen im Straßenverkehr in der Bundesrepublik Deutschland Stickoxidemissionen /112/ Euro I Euro III Euro V Euro II Euro IV Euro VI % Abbildung 2.7: Entwicklung der Schadstoffemissionen im Straßenverkehr in der Bundesrepublik Deutschland Partikelemissionen /112/

16 Grundlagen Dieselmotor 15 Abbildung 2.8: Entwicklung der Schadstoffemissionen im Straßenverkehr in der Bundesrepublik Deutschland Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid /113/ Durch die Ausbreitung der Emissionen in der Atmosphäre entstehen Immissionen, die auf Menschen, Tiere, Pflanzen oder Sachen einwirken. Das Feld der Immissionskonzentration wird wesentlich bestimmt durch den Emissionsort und die Höhe der Emissionen. Hinzu kommen klimatische Einflüsse wie Windstärke, Windrichtung, Temperatur und Sonneneinstrahlung. Für Städte ist die Bebauung ein weiterer wichtiger Einflussfaktor. Zu den reinen Ausbreitungsvorgängen kommen noch chemische Reaktionen hinzu, die bei stehender Luft über großen Städten und industriellen Ballungsgebieten zum sogenannten Smog führen können.

17 Grundlagen Dieselmotor 16 Durch die Vielzahl der Einflussgrößen ist die Berechnung der Immissionen aus den Emissionen heute nur in einfachen Fällen möglich. Der Abbau der Immissionen kann durch chemische Reaktionen in der Luft, durch Ausscheidung über Niederschläge oder durch Kontakte mit Boden und Vegetation erfolgen. Einen maßgeblichen Einfluss auf den Abbau haben sowohl das Klima als auch die geografische Lage. CO 2 weist mit 50 % den größten Anteil am derzeitigen anthropogenen Treibhauseffekt auf. Es entsteht bei jeglicher Art der Verbrennung fossiler Energieträger und ist damit das wesentliche Treibhausgas, das bei der motorischen Verbrennung anfällt. Der Verkehr ist derzeit mit 19 % am CO 2 -Ausstoß in Deutschland beteiligt (Abbildung 2.9). Abbildung 2.9: Kohlendioxid-Emissionen in Deutschland 2008 /2/ Die CO 2 -Emissionen eines Verbrennungsmotors bzw. Fahrzeugs sind direkt proportional zu seinem Kraftstoffverbrauch. Die Umrechnungsfaktoren basieren auf der Zusammensetzung des jeweiligen Kraftstoffs. Dabei spielt die Anzahl der C-Atome (Kohlenstoff) die entscheidende Rolle. Bei der vollständigen Verbrennung von einem Liter Diesel entstehen ca g CO 2. So muss der Kraftstoffverbrauch in l/100 km mit dem Faktor 26,5 multipliziert werden, um die CO 2 -Emissionen in g/km zu erhalten /2/.

18 PM-Emission [%] NOx-Emission [%] CO-Emission [%] EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 EURO 6 Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität 17 3 Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität 3.1 Emissionsgesetzgebung Durch die Emissionsgesetzgebung mit der Einführung von Euro 1 in Europa beim Pkw bzw. Nutzfahrzeug werden die Schadstoffe unverbrannte oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC); hier wird in der Gesetzgebung vielfach zwischen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffen (Non-Methane Hydrocarbons NMHC) und Methan (CH 4 ) unterschieden, Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO x ) und Dieselpartikel (PM) limitiert. Die Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Pkw ist in der Abbildung 3.1 in grafischer Form dargestellt (Anm.: Sofern spezifische Grenzwerte für Dieselfahrzeuge spezifiziert wurden, sind diese in der Abbildung dargestellt). Abbildung 3.2 zeigt ergänzend hierzu eine detailliertere Darstellung für Diesel- und Otto-Pkw in Tabellenform. Es wird deutlich, dass eine signifikante Reduzierung aller Emissionen seit Einführung der Emissionsgesetzgebung stattgefunden hat und die CO-, NO x - und PM-Emissionsgrenzwerte in dem Zeitraum von Euro 1 bis hin zu Euro 6 um rund 98 % abgesenkt wurden. Es ist anzumerken, dass mit der Emissionsstufe Euro 5b zusätzlich ein Grenzwert für die Partikelanzahl eingeführt wurde Year Year Year -98% -98% -98% Anmerkung: gesetzliche Testzyklen wurden über die Jahre verändert Ab EURO 5b zusätzlich Partikelanzahl-Grenzwert = 6x10 11 / km Abbildung 3.1: Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Diesel-Pkw

19 Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität 18 Stage Date CO HC HC+NOx NOx PM PN g/km #/km Compression Ignition (Diesel) Euro (3.16) (1.13) (0.18) - Euro 2, IDI Euro 2, DI a Euro Euro Euro 5a b f - Euro 5b c f Euro f Positive Ignition (Gasoline) Euro (3.16) (1.13) Euro Euro Euro Euro b d e,f - Euro d e,f t.b.d. * At the Euro 1..4 stages, passenger vehicles > 2,500 kg were type approved as Category N 1 vehicles Values in brackets are conformity of production (COP) limits a - until (after that date DI engines must meet the IDI limits) b for all models c for all models d - and NMHC = g/km e - applicable only to vehicles using DI engines f g/km using the PMP measurement procedure Abbildung 3.2: Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Diesel-Pkw und Otto-Pkw /4/ In Ergänzung zu der Entwicklung der Gesetzgebung sind in der folgenden Abbildung 3.3 die vom KBA veröffentlichten Abgastypprüfwerte /40/ in der Entwicklung von Euro 1 bis Euro 6 dargestellt. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass die Zulassungswerte zum Teil deutlich die Emissionsgrenzwerte unterschreiten (dies gilt insbesondere für die Partikelemissionen für Fahrzeuge mit Partikelfilter in den Emissionsstufen Euro 3 und Euro 4) und mit Euro 5 flächendeckend niedrigste Partikelwerte durch den Einsatz des Diesel-Partikelfilters erreicht werden. Es zeigt sich außerdem, dass bereits heute Euro-6-zertifizierte Pkw im Markt verfügbar sind. Mit der flächendeckenden Einführung des Partikelfilters wird im Pkw-Bereich heute generell eine drastische Verringerung der Partikelmassenemissionen erreicht; auch Euro 3- und Euro 4-Applikation waren zu einem erheblichen Anteil schon mit Partikelfilter im Markt verfügbar (Abbildung 3.4).

20 Partikel-Emissionen / mg/km Partikel-Emissionen / mg/km Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität EURO EURO EURO 3 EURO EURO 6 EURO 5 HC+NO X -Emissionen / mg/km Abbildung 3.3: Zulassungswerte KBA für Diesel-Pkw /40/ EURO 6 EURO 5 EURO 4 EURO 3 mit Partikelfilter NO X -Emissionen / mg/km Abbildung 3.4: Zulassungswerte KBA für Diesel-Pkw (Details Euro 3 bis Euro 6) /40/ Abbildung 3.5 belegt in Ergänzung hierzu, dass nach der Einführung neuer Emissionsstufen (hier beispielhaft dargestellt an den Emissionsstufen Euro 3 und Euro 4) eine schnelle Marktdurchdringung der neuen Emissionsstufen bei den Neuzulassungen erreicht wurde.

21 PM / g/kwh Partikelemission / (g/km) Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität EU1 EU2 Verzögerte Marktdurchdringung durch Altfahrzeugbestand Grenzwerte N1 Grenzwerte N2 Grenzwerte N3 Grenzwerte M1 alle PKW PKW mit DPF 50 EU3 0 EU4 EU5/ EU6 Jahr Abbildung 3.5: Marktdurchdringung neuer Emissionsstufen (Datenbasis /40/) Abbildung 3.6 zeigt die Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Nutzfahrzeugmotoren in grafischer Form; Abbildung 3.7 zeigt ergänzend hierzu eine detailliertere Darstellung der Emissionsgrenzwerte seit Euro 3 in Tabellenform. Es wird auch hier deutlich, dass eine signifikante Reduzierung aller Emissionen seit Einführung der Emissionsgesetzgebung stattgefunden hat. So wurden die Partikelgrenzwerte in dem Zeitraum von Euro 1 bis hin zu Euro 6 um mehr als 99 % und die NO x -Grenzwerte um rund 96 % abgesenkt. Es ist anzumerken, dass auch bei den Nutzfahrzeugmotoren mit der Emissionsstufe Euro VI zusätzlich ein Grenzwert für die Partikelanzahl eingeführt wird EURO Euro 1 I Anmerkung: gesetzliche Testzyklen wurden über die Jahre verändert EURO Euro 6 VI EURO Euro 2 II EURO Euro III 3 EURO Euro V 5 EURO Euro 4 IV NO / g/kwh x Ab EURO VI zusätzlich Partikelanzahl-Grenzwert Abbildung 3.6: Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Diesel-Nfz

22 Partikelemissionen / g/kwh Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität 21 Tier Date Test CO NMHC a CH 4 NOx PM b Euro III , EEVs only ETC ETC c Euro IV Euro V Euro VI d a - for gas engines only (Euro III-V: NG only; Euro VI: NG + LPG) b - not applicable for gas fueled engines at the Euro III-IV stages c - for engines with swept volume per cylinder < 0.75 dm 3 and rated power speed > 3000 min -1 d - THC for diesel engines Abbildung 3.7: Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Diesel-Nfz /4/ In Ergänzung zu der Entwicklung der Gesetzgebung sind auch für Nutzfahrzeugmotoren in der folgenden Abbildung 3.8 die KBA-Zulassungswerte /40/ in der Entwicklung von Euro 2 bis Euro 5 dargestellt. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass die Zulassungswerte insbesondere was die Partikelwerte angeht zum Teil deutlich die Emissionsgrenzwerte unterschreiten. Auch in den Zulassungswerten spiegelt sich die drastische Verringerung der Partikelmassenemissionen im Nfz-Bereich mit der Einführung der Emissionsstufe Euro 4 wieder. Dabei sind Euro-4- und Euro-5-Konzepte sowohl mit als auch ohne Partikelfilter dargestellt; in Abbildung 3.8 sind die Konzepte mit Partikelfilter durch offene Symbole gekennzeichnet. Hintergrund ist hier die Tatsache, dass für Euro 5 die Mehrzahl der Nutzfahrzeughersteller einen Ansatz zur Darstellung der Euro-5-Grenzwerte mit einer innermotorischen Partikelabsenkung und einer Reduzierung der NO x -Emissionen über die SCR-Technologie (siehe auch Kapitel ) wegen der damit verbundenen Verbrauchsvorteile verfolgt hat, während einige Hersteller auch einen Ansatz mit innermotorischer NO x -Reduzierung und Einsatz eines Partikelfiltersystems (siehe auch Kapitel 5.2.2) verfolgt haben. Ab Euro 6 ist die flächendeckende Einführung des Partikelfilters auch bei Nutzfahrzeugmotoren zu erwarten. Euro-6-zertifizierte Nutzfahrzeuge sind dabei erst seit kurzer Zeit im Markt verfügbar /41/, /42/, /43/ EURO II EURO III EURO VI EURO V EURO IV NO X -Emissionen / g/kwh mit Partikelfilter Abbildung 3.8: Zulassungswerte KBA für Nutzfahrzeugmotoren /40/ Die zuvor beschriebenen Emissionsgrenzwerte werden für die Zulassung in definierten Prüfzyklen abgeprüft, die bis heute im On-Road-Bereich weltweit nicht harmonisiert sind. Mit

23 Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität 22 der Einführung des World-Harmonized Test Cycle für Nutzfahrzeugmotoren ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer weltweiten Harmonisierung erfolgt; im Pkw-Bereich gibt es auch erste Vorschläge für eine Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure. Die Zertifizierung von Pkw bzw. Nutzfahrzeugen unterscheidet sich grundlegend dahin gehend, dass beim Pkw eine Zertifizierung des Fahrzeugs erfolgt und die Testzyklen auf einem Abgasrollenprüfstand gefahren werden, während im Nutzfahrzeugbereich ausschließlich der Motor auf einem Motorenprüfstand zertifiziert wird. Dies liegt in der großen Variantenvielfalt im Nutzfahrzeugbereich begründet, der eine Fahrzeugzertifizierung hier nicht sinnvoll macht. In den EU-Ländern wird für Pkw- und leichte Nutzfahrzeugmotoren der sogenannte Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ/NEDC) als Testzyklus verwendet. Das Fahrprofil des NEFZ teilt sich in zwei Phasen in einen Stadtfahrtzyklus (ECE) und in einen Überlandzyklus (EUDC) auf (Abbildung 3.9). Abbildung 3.9: Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ) Bis zur Emissionsstufe Euro 2 war in Europa ausschließlich ein stationärer Emissionstest (ECE R-49 ) erforderlich, der mit der Einführung von Euro 3 um einen transienten Test sowie einen Rauchtest ergänzt wurde. In den EU-Ländern ist für die Zertifizierung bis Euro 5 ein Emissionsnachweis in den folgenden Testzyklen erforderlich, die in der Abbildung 3.10 grafisch dargestellt sind: ELR (European Load Response Test): transienter Rauchtest, ESC (European Stationary Cycle): stationärer Prüfzyklus, ETC (European Transient Cycle): transienter Prüfzyklus. Mit der Einführung der Euro-6-Grenzwerte für Nutzfahrzeuge werden nicht nur die Abgasgrenzwerte reduziert und ein neuer Partikelanzahl-Grenzwert eingeführt, sondern es werden zwei neue Test-Zyklen WHSC (world harmonised stationary cycle) und WHTC (world harmonised transient cycle; dieser wird im Gegensatz zum ETC sowohl mit kaltem als auch warmem Motor getestet) angewandt. Diese Zyklen beruhen auf weltweiten Untersuchungen der Einsatzbedingungen von Nutzfahrzeugmotoren und berücksichtigen sowohl den wichtigen

24 Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität 23 Drehzahlbereich des maximalen Drehmoments als auch den unteren Drehzahl- und Teillastbereich. Sie stellen insbesondere wegen des kalt gestarteten transienten Zyklus zusätzliche Anforderungen an die Emissionsminderung. Die neuen Prüfzyklen (WHTC und WHSC) haben aufgrund des hinzukommenden Kaltstarttests sowie der Haltezeit (Soak-Phase) vor dem Warmtest niedrigere Abgastemperaturniveaus über den Gesamtzyklus zur Folge und stellen damit eine zusätzliche Anforderung an die Emissionsminderung. Neben den neuen Testzyklen existiert noch ein sogenannter NTE-Bereich (Not-to-Exceed-Bereich), in dem in einem weiten Kennfeldbereich in keinem Betriebspunkt der Grenzwert um mehr als 50 % überschritten werden darf. Abbildung 3.10: ESC-, ELR- und ETC-Testzyklen für Nfz, Euro 3 bis 5 Abbildung 3.11: WHSC- und WHTC-Testzyklen für Nfz, ab Euro 6 Seit der Einführung von Euro 3 im Pkw-Bereich bzw. Euro 4 beim Nutzfahrzeugmotor müssen die Emissionswerte nicht nur für ein neues Fahrzeug bzw. einen neuen Motor nachgewiesen werden, sondern es muss auch ein Nachweis über die Stabilität der Emissionen über die Laufzeit geführt werden. Hierzu ist entweder ein Verschlechterungsfaktor für die Emissionen über

25 Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität 24 einen entsprechenden Dauerlauf zu bestimmen oder ersatzweise ein für die verschiedenen Emissionskomponenten durch die Gesetzgebung vorgegebener Verschlechterungsfaktor heranzuziehen. Abbildung 3.12 (für Pkw) und Abbildung 3.13 (für Nutzfahrzeuge) zeigen die entsprechenden Nachweisdauern für die Emissionsstabilität abhängig von der Emissionsgesetzgebungsstufe. Darüber hinaus ist für die Zertifizierung auch ein Nachweis der Funktionalität der emissionsrelevanten Komponenten im regulären Betrieb ( In-Service Conformity ) erforderlich. Des Weiteren müssen seit Euro 3 beim Pkw-Motor bzw. Euro 4 beim Nutzfahrzeugmotor alle Fahrzeuge mit einem On-Board-Diagnose-System (OBD) ausgestattet sein, mit dem die Funktion der emissionsrelevanten Komponenten überwacht und das Überschreiten der Emissionswerte durch Ausfall oder Defekt eines emissionsrelevanten Bauteils detektiert werden kann. Stage Euro 3 Euro 4 Euro 5/ km or 5 years (whichever occurs first) km or 5 years (whichever occurs first) in-service conformity: km or 5 years (whichever occurs first) durability testing for type approval: km or 5 years (whichever occurs first) Abbildung 3.12: Nachweisdauern für Emissionsstabilität Pkw /4/ Vehicle Category Period* Euro IV-V Euro VI N1 and M km / 5 years km / 5 years N km / 6 years km / 6 years N3 16 ton M3 Class I, Class II, Class A, and Class B 7.5 ton N3 > 16 ton km / 7 years km / 7 years M3 Class III, and Class B > 7.5 ton Mass designations (in metric tons) are maximum technically permissible mass * km or year period, whichever is the sooner Abbildung 3.13: Nachweisdauern für Emissionsstabilität Nutzfahrzeuge /4/ Es lässt sich zusammenfassend festhalten, dass sowohl im Pkw- als auch im Nutzfahrzeug die Emissionsgrenzwerte in Europa seit Einführung der Emissionsgesetzgebung signifikant bis über 90 % reduziert wurden. Dies ging mit der Einführung verschärfter Testzyklen aber auch der zusätzlichen Einführung von Maßnahmen zur Überwachung der Emissionsstabilität einher. Im Hinblick auf die Partikelemission stellt die Einführung eines Partikelanzahlgrenzwerts mit Euro 5b beim Pkw bzw. Euro 6 beim Nutzfahrzeug eine zusätzliche Verschärfung dar, die wohl den Einsatz eines Diesel Partikelfilters (DPF) in Zukunft unabdingbar machen wird. 3.2 Kraftstoffqualität Die Emissionsgesetzgebung ist eng mit Bestimmungen zur Kraftstoffqualität verknüpft, da niedrigste Emissionsgrenzwerte und die damit verbundene Einführung einer Vielzahl neuer

26 Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität 25 Technologien (siehe Kapitel 5) nur in Kombination mit einer entsprechenden Kraftstoffqualität möglich ist. Die Dieselkraftstoffqualität wird europaweit seit 1993 in dem EN590-Standard spezifiziert. Mit der Einführung der Norm im Jahre 1993 wurde in Europa u. a. ein Schwefellimit von 0,2 % etabliert, das bis heute auf einen maximalen Schwefelgehalt von 10 ppm (0,001 %) reduziert wurde. Darüber hinaus wurde der Kraftstoff auch hinsichtlich weiterer Spezifikationen wie Dichte, Cetanzahl sowie Asche- und Wassergehalt reglementiert (Abbildung 3.1). Seit 1994 wird über die DIN EN590 auch der Anteil an Bio-Diesel (FAME) reglementiert, der maximal zulässige FAME-Anteil stieg dabei von 5 % seit 2004 auf 7 % ab 2009 an. Diese signifikanten Veränderungen der Kraftstoffqualität sind neben den signifikanten technologischen Veränderungen des Dieselmotors über die letzten Jahrzehnte bei der Beurteilung der Partikelemissionen eines Euro-1-Motors im Vergleich zu einem modernen Euro-6-Motor zu berücksichtigen. DIN /1986 DIN EN /1993 DIN EN /1999 DIN EN /2000 DIN EN /2004 DIN EN /2009 DIN EN /2010 Dichte [kg/m 3 ] Schwefelanteil [%] 0,30 0,05 0,035 0,005 / 0,001 0,001 0,001 PAH [%] < 11 < 11 < 11 < 8 Cetanzahl [-] > 45 > 49 > 49 > 51 > 51 > 51 > 51 Cetanindex [-] > 46 > 46 > 46 > 46 > 46 > 46 Siedeverlauf bis 250 C [%] bis 350 C [%] < 65 > 85 < 65 > 85 < 65 > 85 < 65 > 85 < 65 > 85 < 65 > 85 < 65 > 85 Asche [%] < 0,02 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 Wassergehalt [mg/kg] < 500 < 200 < 200 < 200 < 200 < 200 < 200 FAME-Anteil [%] < 5,0 < 7,0 < 7,0 Abbildung 3.14: Entwicklung der Kraftstoffqualität ausgewählte Kraftstoffeigenschaften Die signifikante Verbesserung der Kraftstoffqualität über die letzten Jahrzehnte wird insbesondere an der Entwicklung des maximalen Schwefelgehalts im Kraftstoff seit dem Jahr 1965 deutlich (Abbildung 3.15). In dem Zeitraum seit 1965 konnte der Schwefelgehalt im Diesel- Kraftstoff von 1 % auf unter 0,001 % und damit um mehr als 99,5 % bis zum Jahr 2005 und sogar mehr als 99,9 % im Vergleich zu heute reduziert werden. Dieser Reduktion des Schwefelgehalts kommt eine direkte Bedeutung hinsichtlich der Partikelemission von Dieselmotoren zu, da insbesondere mit dem Einsatz eines Oxidationskatalysators die aus dem Kraftstoffschwefel gebildete Schwefelsäure bedingt durch das gesetzlich vorgeschriebene Analyseverfahren (siehe Kapitel 4.1) zur Partikelmasse beiträgt und somit die Erreichung strenger PM- Grenzwerte mit hohen Schwefelgehalten im Kraftstoff nicht möglich ist (siehe auch Kapitel

27 Schwefelgehalt / Gew.% Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität ). Es ist in diesem Zusammenhang auch festzuhalten, dass mit der Einführung verbesserter Kraftstoffe und hier insbesondere Kraftstoffe mit deutlich reduziertem Schwefelanteil eine unmittelbare Verbesserung der (Partikel-)Emissionen für alle Fahrzeuge im Markt und damit insbesondere auch der älteren Fahrzeuge erreicht werden konnte. In diesem Zusammenhang sei auch auf die Anstrengungen zur weltweiten Harmonisierung der Kraftstoffqualitäten /92/ verwiesen Deutsche Norm: DIN EUROPA: DIN EN ,5% 0.4 0, < 0,001 % Quelle: Shell Freiwillige Markteinführung in Deutschland ab 2003 Jahr 0,200 0,050 Abbildung 3.15: Entwicklung des Kraftstoffschwefelgehalts 0,035 0,005

28 Partikelmesstechnik 27 4 Partikelmesstechnik Die im Abgas von Verbrennungsmotoren enthaltenen Partikel werden nach EG-Richtlinie von 1970 als Abgasbestandteile definiert, die bei einer Temperatur von max. 325 K (52 C) im verdünnten Abgas mit hydrophoben, gegen die Abgasbestandteile inerten Filtern abgeschieden werden /83/. Als Filtermaterial kommen dabei beispielsweise fluorcarbonbeschichtete Glasfaserfilter infrage. Die emittierten Partikel unterscheiden sich naturgemäß hinsichtlich ihres chemischen Aufbaus, ihrer Dichte, ihrer Form und ihrer elektrischen Aufladung. Eine einfache Klassifizierung wird dadurch erheblich erschwert, weshalb sich die Anwendung gewisser vereinheitlichter Äquivalentdurchmesser durchgesetzt hat (Abbildung 4.1). Der Äquivalentdurchmesser ist dabei derjenige Durchmesser eines kugelförmigen Partikels, der sich in einem bestimmten Experiment genauso verhält wie das zu beschreibende Partikel /82/. Als Stokes- Äquivalentkugel wird dabei eine Kugel mit gleicher Dichte und gleicher Sinkgeschwindigkeit bezeichnet. Die aerodynamische Äquivalentkugel verfügt ebenfalls über die gleiche Sinkgeschwindigkeit wie das betrachtete Partikel, jedoch über eine normierte Dichte von 1000 kg/m³. Abbildung 4.1: Beispiele für gebräuchliche Äquivalentdurchmesser /82/ In der bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren und Abgasnachbehandlungssystemen eingesetzten Partikelmesstechnik kommen sehr unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Die Partikel werden dabei durch stark voneinander verschiedene Mechanismen hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften klassifiziert, was die Vergleichbarkeit der so gewonnenen Ergebnisse deutlich erschwert. Gebräuchlich sind die in Tabelle 1 aufgeführten Verfahren, die sich hinsichtlich Messgröße und Messstoff wie gezeigt unterscheiden.

29 Partikelmesstechnik 28 Besonders problematisch bei der Partikelmessung ist die Unterscheidung zwischen festen und flüssigen Bestandteilen. Die oben erwähnte Definition der EG-Richtlinie führt zu einer unscharfen Trennung dieser beiden Bestandteile, weshalb eine eindeutige Zuordnung zwischen Partikeln nach dieser Definition und dem Begriff Ruß nicht möglich ist. Um nur feste Partikel zu messen, besteht allerdings die Möglichkeit, die flüchtigen Bestandteile zu entfernen. Dies geschieht beispielsweise durch Thermodesorption oder zweistufige Verdünnung. Bei der Thermodesorption wird die Abgasprobe zunächst auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der die flüchtigen Bestandteile gasförmig vorliegen, und anschließend auf einem geeigneten Material (beispielsweise Aktivkohle) adsorbiert. Bei der zweistufigen Verdünnung wird die Probe zunächst mit heißer, partikelfreier Luft verdünnt. Dies stellt sicher, dass die flüchtigen Bestandteile in gasförmiger Phase vorliegen. Im zweiten Schritt wird mit kalter Luft verdünnt, sodass die Konzentrationen der flüchtigen Bestandteile sicher unterhalb der für eine Kondensation in die flüssige Phase notwendigen Grenze liegen /84/. Tabelle 1: Partikelmessverfahren Verfahren Messgröße Messstoff Gravimetrie Partikelkonzentration Partikel nach Definition 1) Trübung Licht-Absorptionskoeffizient Ruß Streulicht Anzahl Feststoffpartikel mit geeigneter Konditionierung 2) Impaktion Anzahl und Verteilung bzgl. aerodynamischem Durchmesser Feststoffpartikel mit geeigneter Konditionierung 2) Differenzielle Mobilitätsanalyse Anzahl und Verteilung bzgl. Mobilitätsdurchmesser Feststoffpartikel mit geeigneter Konditionierung 2) 1) Abgasbestandteile, die bei einer Temperatur von höchstens 52 C nach Verdünnung der Abgase mit gefilterter Luft an einem hydrophoben, gegen die Abgasbestandteile inerten Filtermaterial abgeschieden werden, sind als Partikel definiert /83/. 2) Entfernung flüchtiger Bestandteile durch Thermodesorption oder zweistufige Verdünnung (beheizt/unbeheizt). 4.1 Gravimetrie Mit Gravimetrie bezeichnet man ein Verfahren zur Bestimmung der emittierten Partikelmasse. Zur Verringerung kondensierter Abgasbestandteile entsprechend des zuvor erwähnten Prinzips erfolgt dazu eine Verdünnung des Abgases. Man unterscheidet hierbei Vollstrom- und Teilstromverdünnungsverfahren. Im Vollstromverdünnungsverfahren wird das Abgas mit gereinigter Luft mit konstantem Volumenstrom (engl.: Constant Volume Sampling, CVS) verdünnt (Abbildung 4.2). Ein Teil des verdünnten Abgases wird über zwei Partikelprobenfilter geleitet, auf dem die Partikel abgeschieden werden und welche vor und nach Ende des Tests gewogen werden. Bei Fahrzeugen ergibt sich mit den auf der Rolle gefahrenen Kilometern das Testergebnis in der Einheit g/km. Bei Nutzfahrzeugmotoren, welche am Motorenprüfstand getestet werden, ergibt sich mit der vom Motor abgegebenen, über den Test gemittelten Energie am Schwungrad das Testergebnis in der Einheit g/kwh.

30 Partikelmesstechnik 29 Abbildung 4.2: Vollstromverdünnungsverfahren /2/ 4.2 Trübungsverfahren Ein besonders einfaches und weitläufig eingesetztes Verfahren zur schnellen Beurteilung des Partikelinhalts im Abgas ist die Trübungs- oder auch Opazitätsmessung (Abbildung 4.3). Hierbei wird die Abschwächung eines Lichtsignals über eine bestimmte Distanz bestimmt, aus welcher ein Absorptionskoeffizient bestimmt wird. Dieser ist für Nutzfahrzeuge gesetzlich limitiert. Abbildung 4.3: Trübungsmessverfahren /5/

31 Partikelmesstechnik Partikelzähler (Streulicht) Die Streulichtmessung ist das derzeitige Standardverfahren zur Bestimmung der Partikelanzahl im Abgas. In einem beheizten Sättigungsrohr befindet sich eine übersättigte Butanollösung, durch die das Probegas geleitet wird (Abbildung 4.4). Die enthaltenen Partikel fungieren im anschließenden Kondensationsrohr als Kondensationskerne, was durch die Anlagerung des Butanols eine deutliche Vergrößerung der Partikel zur Folge hat. Diese vergrößerten Partikel sind in der Lage, eine Ablenkung eines Laserstrahls so hervorzurufen, dass eine Empfangsoptik dieses Ereignis registriert. Von der Partikelvergrößerung durch Kondensation und der anschließenden Zählung leitet sich der Name für das System ab Condensation Particle Counter, kurz CPC. Eine Unterscheidung hinsichtlich der Partikelgröße ist mit dem CPC nicht möglich. Das Verfahren ist hinsichtlich der Messgeschwindigkeit geeignet, um instationäre Vorgänge zu beobachten. Abbildung 4.4: Kondensationskernzähler /82/ 4.4 Impaktion Eine Möglichkeit, die Abgaspartikel hinsichtlich Größe und Verteilung zu klassifizieren, bietet die Impaktion (Abbildung 4.5). Der Abgasstrom wird hierbei nach Durchtritt durch die Düsenplatte scharf umgelenkt, worauf die Partikel ab einem bestimmten aerodynamischen Durchmesser durch Trägheit an der Prallplatte abgeschieden werden. Durch die Verschaltung mehrerer Impaktionsstufen, bei denen der Durchmesser in den Düsenplatten abnimmt, ergibt sich ein sogenannter Kaskadenimpaktor. Die Prallplatten werden anschließend gewogen, woraus sich eine Massenverteilung ergibt. Eine Anzahlverteilung wird gewonnen, wenn die Prallplatten mit Elektrometern ausgestattet sind, welche beim Auftreffen eines Partikels einen elektrischen Impuls abgeben. Man spricht in diesem Fall von einem ELPI, einem Electrical Low Pressure Impactor. Dieses Verfahren bietet die Möglichkeit der kontinuierlichen Datenaufnahme und ge-

32 Partikelmesstechnik 31 währt einen schnellen Einblick in die Größenverteilung der Partikel. Nachteilig ist das begrenzte Auflösungsvermögen durch die Einteilung in Stufen. Abbildung 4.5: Kaskadenimpaktor /82/ 4.5 Differenzielle Mobilitätsanalyse Eine weitere Möglichkeit zur Klassierung der Partikelgrößen bietet die differenzielle Mobilitätsanalyse mittels elektrostatischen Klassierers (Abbildung 4.6). Dieser besteht im Wesentlichen aus einer radioaktiven Kryptonquelle und zwei koaxial angeordneten Hohlzylindern, zwischen denen eine elektrostatische Spannung angelegt wird. Die Kryptonquelle stellt ein bipolares Ladungsgleichgewicht auf den Partikeln her. Entlang des inneren, negativ geladenen Zylinders (Zentralelektrode) wird partikelfreie Luft geleitet; das partikelbehaftete Abgas wird entlang des äußeren Zylinders (Außenelektrode) durch einen Ringspalt zugeführt. Durch die angelegte Hochspannung wirkt eine radial nach innen wirkende Kraft auf die positiv geladenen Partikel, welche je nach Höhe der Spannung und ihrer elektrischen Mobilität in einer bestimmten Höhe auf die Zentralelektrode treffen. Durch einen Ringspalt in der Zentralelektrode wird auf einer definierten Höhe Luft abgesaugt, welche eine von der angelegten Spannung abhängige Mobilitätsfraktion der Partikel enthält /6/.

33 Partikelmesstechnik 32 Die enthaltenen Partikel können anschließend in einer Zählvorrichtung (beispielsweise einem Elektrometer oder einem CPC) gezählt werden. Durch Variation der elektrostatischen Hochspannung wird so eine Korrelation zwischen Partikelgröße und Anzahl, die sogenannte Anzahlverteilung, hergestellt. Man spricht dann von einem Scanning Mobility Particle Sizer Spectrometer (SMPS, Abbildung 4.7). Es handelt sich hierbei um ein nicht-online-fähiges Messverfahren; es ist also nur möglich, stationäre Motorbetriebspunkte zu vermessen. Es besteht allerdings die Möglichkeit, den Klassierer auf einen festen Größenklassenwert einzustellen, sodass dann auch nur diese Fraktion den Zähler passiert. Das Ergebnis ist dann ein zeitlich aufgelöstes Anzahl-Signal dieser einen Größenklasse. Abbildung 4.6: Elektrostatischer Klassierer /82/ Die differenzielle Mobilitätsanalyse bietet durch die stufenlos einstellbare Spannung an den Elektroden eine sehr hohe Auflösung. Der Zusammenhang zwischen dem realen Partikeldurchmesser und der elektrischen Mobilität ist allerdings nicht linear, sondern von mehreren Einflussfaktoren abhängig und somit nicht trivial. Die Ergebnisse sind deshalb auch nur bedingt vergleichbar mit denen des Kaskadenimpaktors.

34 Partikelmesstechnik 33 Abbildung 4.7: SMPS-Partikelanalysator von TSI Inc. /6/ 4.6 Engine Exhaust Particle Sizer (EEPS) Das Prinzip des Engine Exhaust Particle Sizer der Firma TSI beruht auf der elektrischen Mobilitätsklassifikation. Das EEPS gehört zu der Gruppe der schnell messenden Größenspektrometer und wurde speziell für Motorenabgase entwickelt. Das EEPS misst mit hoher Zeitauflösung Partikelgrößenverteilungen zwischen 5,6 und 560 nm. Beschreibungen des Systems finden sich u.a. in /111/, /114/, /115/ und /116/. Zur Minimierung von Diffusionsverlusten wird ein hoher Probeentnahmestrom von 10 l/min über eine im Messgerät eingebaute und von diesem überwachte Pumpe bei Umgebungsdruck angesaugt. In einem Zyklon am Einlass werden zunächst alle Partikel mit einem Durchmesser > 1,0 μm abgeschieden, um eine Beeinflussung der Messung durch Partikel außerhalb des Messbereichs zu vermeiden. In einem zweistufigen Corona-Auflader werden die Partikel abhängig von der Größe definiert elektrisch aufgeladen. Nach dem Passieren des Aufladers gelangt die Aerosolprobe in eine Elektrometersäule. Der Außenring der Säule besteht aus voneinander isolierten Elektrometern, die definierten Größenklassen zugeordnet sind. Zu den Elektrometern sind im Zentrum konzentrisch drei positiv aufgeladene Hochspannungselektroden angeordnet, an denen unterschiedliche Spannungen anliegen. Auf diese Weise werden in der Säule unterschiedlich starke elektrostatische Felder erzeugt.

35 Partikelmesstechnik 34 Abbildung 4.8: EEPS Funktionsprinzip Über die Elektrometerringe strömt ein partikelfreier Luftstrom, der ein Kräftegleichgewicht aus Strömungskraft und elektrostatischer Anziehung erzeugt. Die von der Innenelektrode abgestoßenen Partikel werden aufgrund unterschiedlicher Mobilitäten durch den Schleierluftstrom bewegt. Partikel mit einer hohen elektrischen Mobilität werden auf den oberen Elektrometer abgeschieden, während elektrisch weniger mobile Partikel bis an die unteren Elektrometer vordringen. Beim Auftreffen der definiert geladenen Partikel auf ein Elektrometer wird die Ladung an diesen abgegeben. Je mehr Partikel ihre Ladung an einem Elektrometer abgeben, desto stärker ist das Signal des Elektrometers der entsprechenden Größenklasse. Der erzeugte Strom wird durch ein hochempfindliches Elektrometer verstärkt. Die Elektrometersignale werden geräteintern in einem digitalen Signalprozessor verarbeitet und als Gesamtpartikelkonzentration sowie Partikelgrößenverteilung ausgegeben.

36 Partikelmesstechnik 35 Nachstehende Abbildung zeigt den Vergleich einer EEPS- mit einer SPMS-Messung am Beispiel eines Nutzfahrzeugmotors. Im Hinblick darauf, dass beide Messverfahren mit gewissen Ungenauigkeiten behaftet sind, wird eine hohe Übereinstimmung erreicht. Abbildung 4.9: Vergleich von SMPS- und EEPS-Partikelgrößen-Verteilung für einen Nutzfahrzeugmotor /111/ 4.7 Gesetzliche Vorschriften zur Partikelmessung Die Partikelmesstechnik ist nicht nur im Hinblick auf das Messprinzip selbst, sondern auch auf die Probenahme sehr komplex. Dem gegenüber stehen hohe Anforderungen an die Messtechnik, da die gesetzlich vorgeschriebenen sehr geringen Partikelemissionen verlässlich nachgewiesen werden müssen. Um die ermittelten Emissionswerte vergleichbar zu machen und Messfehler zu reduzieren, sind die Messungen daher in gesetzlichen Vorschriften detailliert geregelt Partikelmassenmessung Für die Zertifizierung von Fahrzeugen und Motoren hinsichtlich der emittierten Partikelmasse kommt das bereits beschriebene Gravimetrieverfahren zum Einsatz. Für Personenkraftwagen wird das dargestellte Vollstromverdünnungsverfahren eingesetzt und bei Nutzfahrzeugen ist zusätzlich der Einsatz eines Teilstromverfahrens geregelt. Das Verfahren ist für PKW im Anhang 4 der ECE-Richtlinie Nr. 83 gesetzlich geregelt /99/ Partikelanzahlmessung Die Partikelanzahlmessung ist für Pkw im Anhang 5 der ECE-Richtlinie Nr. 83 vorgeschrieben. Die Partikel werden ebenfalls aus dem vollstromverdünnten Abgas entnommen, durch eine Einheit zur Entfernung flüchtiger Bestandteile geleitet und einem Kondensationskernzähler (CPC: Condensation Particle Counter) zugeführt. Die Funktion des CPC ist bereits in Kapitel 4.3 beschrieben. In der nachfolgenden aus der EG-Richtlinie entnommenen Abbildung ist zusätzlich das Partikelentnahme- und Aufbereitungssystem dargestellt. Das Abgas wird über ein Entnahmeröhrchen (PSP: particulate sampling probe), einen Partikelvorabscheider zur Abscheidung nicht relevanter großer Partikel ab 2,5 µm (PCF: Particle pre-classifier) sowie ein

37 Partikelmesstechnik 36 Abgasleitungssystem (PTT: particle transfer system) der Apparatur zur Entfernung flüchtiger Bestandteile zugeführt (VPR: volatile particle remover). Hierbei kommen zwei Verdünnungsstufen (PND: particulate number diluters) zum Einsatz, die durch ein beheiztes Verdampferrohr (ET: heated evaporation tube) verbunden sind. Aufgabe dieser zweistufigen Verdünnung ist es, die im Abgas befindliche Partikelkonzentration auf den optimalen Messbereich des nachgeschalteten Partikelzählers zu reduzieren und andererseits eine Partikelagglomeration und die damit verbundene Reduktion der Partikelanzahl zu vermeiden. Abbildung 4.10: In EG-Richtlinie 83 empfohlenes Probenahmesystem zur Partikelanzahlmessung /100/ Für Nutzfahrzeuge ist in der EG-Regelung Nr. 49 ein ähnliches System zur Partikel-Probenahme aus dem Vollstrom beschrieben. Darüber hinaus ist in der Richtlinie die Probenahme aus einem Teilstrom geregelt. Nachfolgende Abbildung zeigt den hierzu in der Richtlinie empfohlenen Aufbau. Abbildung 4.11: In EG-Richtlinie 49 empfohlenes Teilstrom-Probenahmesystem zur Partikelanzahlmessung bei Nutzfahrzeugen /101/

38 Partikelmesstechnik Zusammenfassung Die Messung motorisch emittierter Partikel hinsichtlich Masse und Anzahl stellt eine große Herausforderung dar, da die gemessenen Werte nicht nur stark vom verwendeten Messprinzip, sondern auch von der eingesetzten Probenahmetechnik abhängig sind. Gleichzeitig sind die Partikelgrenzwerte heutiger und zukünftiger Emissionsvorschriften sehr gering, sodass entsprechend geringe Partikelkonzentrationen messtechnisch nachgewiesen werden müssen. Teilweise liegen die zu erfassenden Konzentrationen im Abgas deutlich unterhalb der Partikelbelastung der normalen Umgebungsluft. Aus beiden Faktoren resultieren hohe Ungenauigkeiten in den Messungen und es ist ein hoher technischer Aufwand notwendig, um verlässliche Messergebnisse zu erhalten. Dies spiegelt sich auch darin wider, dass die Messprinzipien und -apparaturen in den gesetzlichen Richtlinien detailliert vorgeschrieben sind.

39 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 38 5 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 5.1 Innermotorische Maßnahmen zur Emissionsreduktion Einspritztechnik Das Prinzip des Dieselmotors beruht darauf, dass der in den mit verdichteter heißer Luft gefüllte Brennraum eingespritzte Kraftstoff durch Selbstentzündung verbrennt. Der Kraftstoff wird dabei gegen Ende der Verdichtung durch eine Einspritzdüse direkt bzw. indirekt in den Brennraum gespritzt. Mit der eingespritzten Menge wird die Last des Motors geregelt. Je nach Auslegung der Einspritzanlage und Last beträgt der Druck vor der Düse während der Einspritzung 150 bis über 2200 bar. Die Einspritzung erstreckt sich bei Volllast je nach Brennverfahren und Ansaugzustand (Saugmotor oder aufgeladener Motor) über ein Kurbelwinkelintervall von 15 bis 50 KW. Das ursprünglich eingesetzte Verfahren zur Gemischaufbereitung, die Einspritzung des Kraftstoffs in eine mit dem Hauptbrennraum verbundene Nebenkammer, wurde von der direkten Einspritzung in den Hauptbrennraum abgelöst (Abbildung 5.1). Die Direkteinspritzung erübrigt die sonst für den Kaltstart benötigte Glühkerze und ermöglicht zudem einen geringeren Kraftstoffverbrauch, insbesondere durch den Wegfall der Überströmverluste durch die stark drosselnden Vorkammerbohrungen. Die Vermischung des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft erfährt dabei eine starke Verbesserung durch die Verwendung mehrerer Einspritzlöcher. Hierdurch wird die Partikelemission bereits stark reduziert /2/. Abbildung 5.1: Direkte und indirekte Einspritzverfahren /80/

40 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 39 Bis ca. Mitte der 1990er Jahre waren hauptsächlich mechanisch geregelte Einspritzverfahren in Verwendung (Abbildung 5.2). Diese wurden durch elektronische Systeme verdrängt, welche einerseits höhere Einspritzdrücke und zudem eine voll flexible Formung des Einspritzverlaufs ermöglichen. So erlauben Common-Rail-Systeme mittlerweile die Aufteilung der Einspritzung in mehrere Einzeleinspritzungen mit variablem Spritzbeginn und variabler Spritzdauer mit konstanten Drücken bis über 2200 bar /79/. Dabei wird die Gesamteinspritzmenge unterteilt in Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen, welche beispielsweise den Druckverlauf (und somit u. a. die Geräuschentwicklung) beeinflussen oder gezielt Abgasnachbehandlungssysteme aufheizen. Abbildung 5.2: Entwicklung der Einspritztechnologie und -drücke /79/ Die Anhebung des Einspritzdrucks führt zu kleineren Kraftstofftröpfchen und wirkt sich somit positiv auf die Vermischung von Kraftstoff und Luft aus, was wiederum zu einer verbesserten Verbrennung mit weniger Rückständen (Ruß) führt. Dabei werden die Partikel sämtlicher Größenklassen deutlich vermindert. Auch die gezielte Beeinflussung des Einspritzbeginns wirkt sich erheblich auf die Partikelemissionen aus /81/ Ladungsbewegung Eine für den Verbrennungsablauf wichtige Kenngröße beim dieselmotorischen Verbrennungsprozess stellt die Ladungsbewegung dar. Durch eine gezielte Beeinflussung der Ladungsbewegung kann zum einen die Gemischaufbereitung verbessert und zum anderen die turbulente kinetische Energie im Zylinder erhöht und damit die Verbrennung beschleunigt werden. Die Strömungs- und Turbulenzstruktur im Hubkolbenmotor ist im Allgemeinen nur durch ein 3- dimensionales, instationäres Feld beschreibbar. Die einfachsten Hauptströmungsformen sind Wirbel um die Zylinderachse ( Drall ) und senkrecht zur Zylinderachse ( Tumble ) (Abbildung 5.3) /2/.

41 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 40 Abbildung 5.3: Drall- und Tumbleströmung /2/ Für die Generierung der Drallströmung sind in erster Linie die Geometrie und die Anordnung der Einlasskanäle entscheidend. Durch Variation der Steuerzeiten kann die Drallintensität zusätzlich verstärkt werden. Der Einfluss der Kolbengeometrie auf die Drallströmung ist abgesehen von der Beschleunigung in der Mulde gegen Ende der Verdichtung (Muldendrall) meist gering. Bei der Tumbleströmung wird die Strömung zusätzlich vom Kolben umgelenkt, sodass neben den Ladungswechselorganen auch die Geometrie der Kolbenkrone einen hohen Einfluss auf die Ausbildung der Tumbleströmung hat /2/ Abgasrückführung Zur Absenkung der Stickstoffoxide hat sich als verbrennungsbeeinflussende Maßnahme die Abgasrückführung (AGR) etabliert, bei der der frischen Verbrennungsluft Abgas zugeführt wird. Diese wird zunächst unterschieden zwischen innermotorischer und außermotorischer AGR. Beiden Varianten gemein ist die Absenkung der Verbrennungs-Spitzentemperatur. Die erhöhte spezifische Wärmekapazität des Frischgemischs führt bei gleicher freigesetzter Wärmemenge zu einem geringeren Temperaturanstieg. Des Weiteren befindet sich weniger Sauerstoff im Verbrennungsraum, wodurch die Stickstoffmoleküle weniger Reaktionspartner vorfinden und somit die Bildung von Stickstoffoxiden vermindert wird. Ebenso läuft die Verbrennung langsamer ab, was ebenfalls zu einer Absenkung der Verbrennungstemperatur führt. /77/ Bei der innermotorischen AGR wird der Ladungswechsel im Zylinder dahin gehend beeinflusst, dass Abgas beim Befüllen des Zylinders durch gleichzeitig geöffnete Einlass- und Auslassventile wieder in den Brennraum zurückgelangt. Diese Methode bedarf entweder einer angepassten Nockenwelle oder eines voll flexiblen Ventiltriebs mit Einzelansteuerung der Ventile. Eine angepasste Nockenwelle ist deutlich kostengünstiger als ein flexibler Ventiltrieb, hat jedoch auch den Nachteil, dass die Menge des zurückgeführten Abgases nur in Kombination

42 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 41 mit einer sehr aufwendigen Nockenwellenverstellung veränderbar ist. Der Nachteil der inneren AGR besteht darin, dass das zurückgeführte Abgas nicht kühlbar ist. Bei der externen AGR wird unterschieden zwischen Hochdruck- und Niederdruck-AGR. Bei der Hochdruck-AGR, welche derzeit Stand der Technik ist, wird Abgas vor Turbolader entnommen, in einem Wärmeübertrager abgekühlt und der verdichteten Verbrennungsluft beigemischt. Die Möglichkeit zur Kühlung ist der große Vorteil der externen AGR gegenüber der internen AGR, da die Verbrennungstemperatur hierdurch noch deutlich weiter abgesenkt werden kann. /2/ Bei der Niederdruck-AGR wird das Abgas nach Turbolader, Katalysator und DPF entnommen. Die Rückführung in die Verbrennungsluft erfolgt dementsprechend vor Verdichter auf niedrigem Druckniveau. Vorteilhaft ist eine sehr gute AGR-Gleichverteilung durch die gute Durchmischung durch den Verdichter sowie die effiziente Kühlung durch den Ladeluftkühler, was die Effektivität der AGR auf die NO x -Minderung verbessert. Bei gleichbleibenden NO x - Emissionen lässt sich somit die AGR reduzieren. Durch die im Vergleich zur Hochdruck-AGR erhöhten Massenströme über Verdichter und Turbine wird der Abgasturbolader bei besseren Wirkungsgraden betrieben, sodass sich Ladungswechselverluste reduzieren und der Ladedruck steigern lässt. Durch die Absenkung der AGR sowie die erhöhte Luftzufuhr erfolgt eine geringere Partikelbildung und eine verbesserte Partikelnachverbrennung. Somit kann die Niederdruck-AGR auch eine Maßnahme zur Partikelreduktion darstellen Aufladung Die Aufladung ist ein Verfahren zur Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors. Bei der Aufladung wird durch eine Arbeitsmaschine die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet, sodass pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse in den Zylinder gelangt. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. Die Aufladung ist deshalb ein gängiges Mittel zum sogenannten Downsizing der Verkleinerung des Motors bei gleichbleibender Leistung. Die Hauptvorteile der Aufladung liegen in der erzielbaren Leistungssteigerung, der Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigen Leistungsmasse. Außerdem können sich bei spezieller Auslegung noch Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen ergeben. Dem stehen als Nachteile komplexere Bauweise sowie eventuell schlechteres Drehmoment- und Beschleunigungsverhalten gegenüber. Bei den verschiedenen Aufladeverfahren hat sich heutzutage besonders die Abgas-Turboaufladung durchgesetzt, bei der dem Abgasstrom Energie entzogen und diese zum Antrieb eines Verdichters verwendet wird /2/.

43 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 42 Abbildung 5.4: Entwicklung Aufladeverfahren und Ladedrücke /79/ Brennverfahren Drall Je nach Lastpunkt, Brennverfahren und Einspritzsystem kann mehr oder weniger Drall günstig für die Partikelemission sein. Deshalb ist die Gestaltung eines darauf abgestimmten Drallniveaus wichtig für eine gute Gemischbildung und emissionsarme Verbrennung. Unter Umständen kann ein variabler Drall einen weiteren Optimierungsschritt darstellen. Bei Pkw- Drallbrennverfahren kann in der niedrigen Teillast ein höheres Drallniveau (teilweises Schließen des Füllkanals eines Vierventil-Zylinderkopfes) zu einem besserem NO x -Partikel-Trade- Off führen. Die NO x - und Partikelemissionen werden stark abgesenkt, Verbrauch sowie die CO-Emissionen steigen mit zunehmender Kanalversperrung durch eine Verschlechterung des Luftaufwands jedoch an /2/ Verdichtungsverhältnis Eine Absenkung des Verdichtungsverhältnisses hat aus thermodynamischer Sicht zwei positive Auswirkungen: Einmal eine Verbesserung der Motorleistung, da an der Volllast der gleiche Spitzendruck mit einem erhöhtem Ladedruck erreicht wird und somit bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis auch mehr Kraftstoff eingespritzt werden kann. Zum anderen wird in der Teillast durch den geringeren Zylinderdruck bei konstantem Ladedruck die Zylindertemperatur bei Kompression abgesenkt. Dies führt zu einem längeren Zündverzug und somit einer besseren Vormischung von Kraftstoff und Luft sowie zu einer geringeren Verbrennungsspitzentemperatur, was eine deutliche Verbesserung des NO x -Partikel-Trade-Offs zur Folge hat. Negativ wirkt sich bei einer Absenkung des Verdichtungsverhältnisse die verminderte Kaltstartfähigkeit aus /2/. 5.2 Externe Maßnahmen zur Emissionsreduktion Neben den zuvor beschriebenen innermotorischen Maßnahmen kommen zur Minderung der Abgasemissionen zunehmend auch dem Dieselmotor nachgeschaltete Abgasnachbehandlungs-

44 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 43 technologien zum Einsatz /103/, /104/, /105/, /106/, /107/. So wurde im Jahr 1989 der Diesel- Oxidationskatalysators (DOC) beim Pkw serienmäßig eingeführt /25/ und ab dem Jahr 2000 wurde nach der Serieneinführung durch die Firma PSA auch der Dieselpartikelfilter (DPF) in einem zunehmenden Anteil der Pkw-Anwendungen eingesetzt. Nachbehandlungssysteme für die Stickoxidreduzierung bei Dieselmotoren stellen sowohl der NO x -Speicherkatalysator (NSK, erste Serieneinführung durch Toyota im Jahre 2004) sowie die Selektive Katalytische Reduktion (SCR) dar (Abbildung 5.5). Diesel-Oxidationskatalysator und Dieselpartikelfilter werden für die Erreichung der Euro-6-Grenzwerte beim Pkw-Dieselmotor zwingend erforderlich sein und damit flächendeckend in Europa eingeführt werden; ein weiter Bereich der Anwendungen wird darüber hinaus auch ein System zur Stickoxidnachbehandlung erfordern. Beim Nutzfahrzeugmotor hat sich in Europa seit Einführung der Emissionsstufe Euro 4 im Wesentlichen die SCR-Technologie durchgesetzt. Der wesentliche Grund hierfür ist die Tatsache, dass sich der Motor bei Einsatz eines SCR-Systems in Richtung niedrigerer Stickoxidemissionen und damit im Allgemeinen auch niedrigeren Kraftstoffverbrauchs abstimmen lässt. Einige Hersteller haben bis zu Euro 5 aber auch alternative Konzepte mit Systemen zur Partikelminderung eingesetzt. Mit der Einführung von Euro 6 ist aber zu erwarten, dass alle Motoren einen Diesel-Oxidationskatalysator sowie einen Dieselpartikelfilter und auch ein SCR- System zur Stickoxidreduzierung einsetzen werden. Damit wird mit dem Dieselpartikelfilter sowohl beim Pkw als auch beim Nutzfahrzeug eine effiziente Technologie zur Reduzierung der Partikelemissionen im gesamten Kennfeld und Betriebsbereich des Motors bzw. Fahrzeugs flächendeckend in Europa zum Einsatz kommen. Abbildung 5.5: Einführung von Diesel-Abgasnachbehandlungstechnologien Die in der Abgasnachbehandlung eingesetzten Katalysatoren erfüllen heute vielfältige Aufgaben im Zusammenhang mit der unmittelbaren Schadstoffreduzierung sowie im Hinblick auf die

45 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 44 Funktionalität des komplexen Abgasnachbehandlungssystems (Abbildung 5.6). In diesem Zusammenhang sei exemplarisch auf den Diesel-Oxidationskatalysator hingewiesen, der zum einen die Verringerung der CO- und HC-Emissionen zur Aufgabe hat und gleichzeitig auch den SOF-Anteil der Partikelemission reduziert, darüber hinaus über die Exothermieerzeugung für eine aktive DPF-Regeneration sowie die NO 2 -Bildung für eine passive DPF-Regeneration sowie eine verbesserte Niedertemperaturaktivität eines nachgeschalteten SCR-Systems auch wichtige Aufgaben für das Gesamtsystem übernimmt. Die unterschiedlichen Abgasnachbehandlungssysteme werden mit ihren wesentlichen Eigenschaften im Folgenden kurz beschrieben. Diesel oxidation catalyst (DOC) Coated Diesel particulate filter (CDPF) SCR-catalyst NH 3 slip catalyst NO x -storage catalyst H 2 S slip catalyst EGR catalyst CO/HC conversion Reduction of PM SOF content NO 2 production Exothermic for DPF regeneration PM filtration CO/HC conversion (during regeneration) NO 2 production Exothermic during DPF regeneration NO x conversion by NH 3 NH 3 oxidation NO 2 production (with regard to NO x storage) Oxygen storage capacity NO x storage Reductant (HC) reforming for regeneration NO x reduction H 2 S oxidation HC conversion in EGR line Abbildung 5.6: Übersicht Diesel-Katalysatortechnologien Dieseloxidationskatalysator (DOC) Mithilfe von Oxidationskatalysatoren werden Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid bei ausreichender Abgastemperatur nach den Reaktionsgleichungen 5.1 und 5.2 oxidiert. 2CO O 2 (5.1) 2 CO 2 m 2CnHm 2n O2 m H2O 2n CO 2 (5.2) 2 Die Temperatur 50%igen Umsatzes wird dabei gebräuchlich als Light-Off-Temperatur bezeichnet und liegt zwischen 150 und 350 C, je nach Katalysatortyp, Emissionszusammensetzung und -bestandteilen und katalytisch wirksamer Beschichtung. Im Normalfall wird der CO- Light-Off bei geringeren Temperaturen als der der Kohlenwasserstoffe erreicht. Abbildung 5.7 zeigt beispielhaft ein Emissionsprofil im NEFZ. Bis zur Anspringtemperatur konvertiert der Oxidationskatalysator beim Beginn des Emissionstests mit kaltem Motor und

46 Temperatur, C Geschwindigkeit, km/h Partikel kumulierte Emissionen Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Fortschritt der Dieselmotortechnologie 45 somit niedriger Abgastemperatur kaum HC- und CO-Emissionen. Nach einer Zeit von ca. 100 Sekunden ist ein Anspringen des Katalysators zu erkennen. Eine Oxidation der Rußpartikel ist bei den im Dieselmotor auftretenden Temperaturen im DOC nicht möglich, jedoch nimmt die Partikelemission aufgrund der Nachverbrennung der an den Rußpartikeln angelagerten Kohlenwasserstoffe ab g/km ohne Oxi-Kat Temp. vor Kat Geschwindigkeit mit Oxi-Kat CO vor Kat CO nach Kat HC vor Kat HC nach Kat Zeit Abbildung 5.7: Einfluss des Oxidationskatalysators auf die Emissionen /2/ Dieseloxidationskatalysatoren werden üblicherweise als metallische oder keramische Wabenträger gefertigt. Bei den keramischen Varianten hat sich dabei Cordierit als Material durchgesetzt, das häufig in einem quadratischen Zelldesign ausgeführt wird. Metallische Substrate werden hingegen meist in einer sinusförmigen Struktur ausgeführt. Abbildung 5.8 zeigt die üblichen Bauformen solcher Katalysatoren. s g Metallträger Washcoat Keramikträger Abbildung 5.8: Metallisches und keramisches Katalysatorträgermaterial Gut sichtbar ist auch der auf dem Katalysatorträger aufgebrachte Washcoat. Er trägt die Edelmetalle Platin und Palladium, welche für die katalytische Oxidation der HC- und CO- Emissionen sorgen, und vergrößert zusätzlich die Oberfläche des Katalysators. Sowohl thermische als auch chemische Beanspruchungen (z. B. über den Schwefelgehalt im Kraftstoff und/oder Motoröl) können die Funktion des Katalysators verringern, wodurch sich der Light-

47 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 46 Off zu höheren Temperaturen verschieben kann oder der vollständige Umsatz der Emissionen verhindert werden kann. Neben den bislang beschriebenen Aufgaben kommen dem DOC noch weitere entscheidende Funktionen im Zusammenhang mit der Abgasnachbehandlung der Partikelemissionen zu. An den Ruß angelagerte Kohlenwasserstoffe (SOF) können bei ausreichender Temperatur oxidiert oder gecrackt werden, wodurch sich die Partikelmasse erheblich verringern kann. Darüber hinaus bildet der DOC durch eine Oxidation von Stickstoffmonoxid NO 2, welches zur passiven Rußfilterregeneration durch den CRT -Effekt genutzt werden kann. Auch kann der DOC als katalytischer Brenner eingesetzt werden, mit dem eine aktive Rußfilterregeneration durchgeführt wird Partikelminderungssysteme Abgasnachbehandlungssysteme zur Partikelminderung sind wie zuvor beschrieben vor mehr als einem Jahrzehnt serienmäßig beim Dieselmotor eingeführt worden und werden zukünftig sowohl beim Pkw als auch beim Nutzfahrzeug flächendeckend in Europa zum Einsatz kommen. Bei derartigen Systemen muss grundsätzlich zwischen zwei Vorgängen unterschieden werden: der Abscheidung der Partikel an dem Filtermedium mit einem gewissen Filtrationswirkungsgrad; hier stehen unterschiedliche Filtermedien mit zum Teil signifikant unterschiedlichen Funktionsprinzipien und Filtrationswirkungsgraden zur Verfügung, dem Abbrand (Regeneration) der Rußpartikel, der aufgrund der begrenzten Speicherfähigkeit der Filter zwingend erforderlich ist; die Regeneration kann dabei in kontinuierliche und diskontinuierliche Konzepte unterschieden werden. Im Folgenden soll ein Überblick über verschiedene Partikelminderungssysteme gegeben und das grundlegende Funktionsprinzip des Partikelfilters beschrieben werden Übersicht Partikelminderungssysteme Generell lassen sich Systeme zur Partikelminderung in geschlossene (Wandstromfilter, engl. Wall-Flow-Filter) und offene oder auch Teilstromsysteme (Partikelkatalysatoren, z. B. /7/, /8/, /9/) einteilen (Abbildung 5.9). Während bei den geschlossenen Systemen ein Durchtritt des Abgases durch ein poröses Filtermedium erzwungen wird, erfolgt bei den offenen Systemen nur eine Teilabscheidung der Partikel, während ein gewisser Teil des Abgases ungefiltert durch den Filter strömen kann. Nachteil der geschlossenen Systeme ist ein vergleichsweise hoher Abgasgegendruck mit entsprechenden negativen Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch. Eine zunehmende Beladung des Filters führt dabei ohne geeignete Regenerationsmaßnahmen zu einem exponenziellen Anstieg des Gegendrucks bis hin zur vollständigen Verblockung des Filters. Wall-Flow-Filter erfordern daher im Allgemeinen aktive Regenerationsmaßnahmen (siehe auch Kapitel ), die sofern keine externen Maßnahmen wie Brenner oder elektrische Beheizung eingesetzt werden unabdingbar eine Interaktion mit der Motorsteuerung erfordern. Mit Wall-Flow-Filtern können im Allgemeinen Filtrationswirkungsgrade von deutlich über 90 % erzielt werden. Diese Technologie wird aus heutiger Sicht flächendeckend für Pkw und Nfz eingesetzt. Auch mit Partikelkatalysatoren können Partikelabscheidegrade von deutlich über 50 % erreicht werden /11/. Die Abscheidegrade liegen dabei aber deutlich unter denen von Wall-Flow-

48 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 47 Filtern; für neue Systeme werden in Kombination mit einer Abscheidung der Nanopartikel durch elektrostatische Kräfte auch Abscheidegrade von über 90 % beschrieben /10/. Sie zeichnen sich jedoch durch erheblich geringere Abgasgegendrücke aus und können aufgrund ihres Funktionsprinzips nicht verblocken. Dies ist dadurch bedingt, dass der Abscheidegrad derartiger Systeme mit zunehmender Beladung abnimmt. Partikelkatalysatoren werden im Allgemeinen ausschließlich durch passive Maßnahmen (siehe Kapitel ) regeneriert, sodass keine Interaktion mit der Motorsteuerung erforderlich ist. Aus diesem Grund werden Partikelkatalysatoren vielfach als Nachrüstsysteme eingesetzt. Im Folgenden wird das Funktionsprinzip des Wall-Flow-Filters sowie des Partikelkatalysators näher erläutert. Geschlossene (Wallflow) Filter Partikel-Katalysator ( Offene Filter) Quelle: EMITEC Durch wechselseitiges Verschließen der Kanäle entstehen Einlass- und Auslasskanäle Unterschiedliche Filtermaterialien (z.b. SiC, Cordierit, Mullite, Aluminiumtitanat) Das Abgas wird gezwungen, eine poröse Wand zu passieren Abscheidung der Partikel zunächst durch Tiefenfiltration, anschließend Oberflächenfiltration und Aufbau eines Rußkuchens Sehr hohe Filtrationswirkungsgrade für Partikelmasse und Anzahl I.a. zusätzliche Maßnahmen / Betriebsmodus zur aktiven Regeneration erforderlich Konzepte mit integriertem Bypass zur Verhinderung einer Verblockung des Filters Unterschiedliche Konzepte verfügbar Wesentliche Technologie für den Pkw- Nachrüstmarkt Filtration stark von der aktuellen Rußbeladung abhängig Hohe Filtrationswirkungsgrade für Partikelmasse und Anzahl I.a. passive Regeneration ohne zuätzliche Maßnahmen / Betriebsmodus Abbildung 5.9: Einteilung der Partikelfilter Funktionsprinzip des Dieselpartikelfilters Bekanntester Vertreter der geschlossenen Partikelfilter ist der in Abbildung 5.10 dargestellte keramische Wabenfilter. Um die Rußschichtdicke und somit den Strömungswiderstand gering zu halten, ist eine große Filteroberfläche erforderlich, die hier durch einen wabenförmigen Aufbau des Filters mit im Schachbrettmuster wechselseitig verschlossenen Kanälen erreicht wird. Auch Partikelfiltersubstrate mit asymmetrischer Bauweise, bei der die Einlasskanäle größer als die Auslasskanäle gestaltet sind, werden heute eingesetzt. Dies dient der Erhöhung der Filterstandzeit durch Vergrößerung der Speicherkapazität der im Laufe des Filterlebens anfallenden Verbrennungsrückstände wie z. B. Aschen. Dabei kommen verschiedene Filtermaterialien wie z. B. Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumtitanat und Cordierit als Filtermaterial in der Serie zum Einsatz (u.a. /12/, /13/, /14/, /15/, /16/, /17/, /18/, /19/, /20/).

49 Filtrationseffizienz / % Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Fortschritt der Dieselmotortechnologie 48 Abbildung 5.10: Funktionsweise eines keramischen Wabenfilters /2/, /21/ Die erforderliche Filtergröße liegt im Allgemeinen zwischen etwa dem Ein- bis Zweifachen des Motorhubvolumens. Der Filterwirkungsgrad ist abhängig von der Porengröße der Keramik und von der Zusammensetzung der Partikel. Hochsiedende Kohlenwasserstoffe, die bei der Filterungstemperatur noch gasförmig vorliegen und sich erst bei weiterer Abkühlung und Vermischung mit Umgebungsluft an den Partikeln anlagern, können nicht ausgefiltert werden. Für den Kohlenstoffanteil der Partikel werden Wirkungsgrade von nahezu 100 % erreicht. Das poröse Filtermaterial wird von Abgas durchströmt, wobei die Partikel durch Diffusions-, Impaktions- (Trägheits-) und Interzeptionseffekte (Sperreffekte) zurückgehalten werden. Abbildung 5.11 zeigt die hierbei zugrunde liegenden Filtermechanismen. Impaktion: Abscheidung größerer Partikel durch deren Massenträgheit bei Strömungsumlenkung Abscheidekörper (z.b. Keramikkorn) Rußpartikel Stromlinie Strömungsgeschwindigkeit Interzeption: Partikelabscheidung bei Stromlinien, die in geringerem Abstand als dem Partikelradius am Abscheidekörper vorbeiführen Diffusion Impaktion / Interzeption Diffusion: Diffusion der Partikel durch Brownsche Molekülbewegung an die Oberfläche des Abscheidekörpers Partikeldurchmesser D p / nm Abbildung 5.11: Filtrationsmechanismen /3/

50 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 49 Es zeigt sich, dass bedingt durch Überlagerung der verschiedenen Abscheidemechanismen sowohl große als auch kleine Partikel zuverlässig durch den Partikelfilter zurückgehalten werden können und somit eine hohe Filtrationseffizienz über das gesamte Größenspektrum erzielt wird /3/. Hierbei ist zu bedenken, dass nahezu alle vom Motor emittierten Partikel kleiner sind als die Poren des Filtersubstrats. Die Vorstellung, dass die Partikel aufgrund ihrer Größe im Filter abgeschieden werden, ist somit grundlegend falsch. Der überwiegende Teil der Partikel liegt vom Größenspektrum im Abscheidungsbereich der Diffusion. Da die Diffusionsgeschwindigkeit mit sinkender Partikelgröße abnimmt, werden kleinere Partikel sogar effektiver abgeschieden. Die im realen Betrieb erzielten hohen Filtrationswirkungsgrade von bis nahezu 100 % resultieren aus der Tatsache, dass mit steigender Rußbeladung ein Übergang von der Tiefenfiltration in der Filterwand hin zur Oberflächenfiltration stattfindet. Das heißt, dass sowohl die in den Poren gespeicherte Rußschicht als auch der Rußkuchen auf der Filterwand selbst als Filtrationsmedium mit hoher Wirksamkeit agieren. Aufgrund der geringen Tiefenfilterkapazität der keramischen Wabenfilter wird der Bereich der Oberflächenfiltration bereits nach kurzen Beladungszeiten erreicht. Ein signifikanter Partikeldurchbruch kann aus diesem Grund bei einem intakten Filter nur nach Abschluss eines vollständigen Regenerationsvorgangs in der Startphase der Beladung detektiert werden. Wie in Abbildung 5.12 links dargestellt, steigt die Filtrationseffizienz über dem gesamten Partikelgrößenspektrum nahezu in gleichem Maße über der Beladungszeit an. Das Minimum befindet sich dabei unabhängig vom Beladungszustand in der gleichen Partikelgrößenklasse. Der Verlauf der Filtrationseffizienz kann mit dem Druckverlust des Partikelfilters korreliert werden (Abbildung 5.12 rechts). Bei Erreichen der Filterwandkapazität, welche durch den Beginn eines rein linearen Druckverlustgradienten gekennzeichnet ist, erreicht die Gesamtfiltrationseffizienz ein Maximum. Die Abscheiderate bleibt mit weiter steigender Beladung konstant /22/. Abbildung 5.12: Partikelfiltrationseffizienz in Abhängigkeit von der Beladung /21/, /23/ Regeneration des Dieselpartikelfilters Aufgrund der begrenzten Rußspeicherfähigkeit von Partikelfiltern muss der Ruß in regelmäßigen Abständen entfernt werden, um Überladungen und thermische Schädigungen des Materials

51 tc_indtrqvalue [Nm] page 3 TNK1 Torque [Nm] Level2_ ipw / / Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Fortschritt der Dieselmotortechnologie 50 zu unterbinden. Typische Intervalllängen, nach welchen eine Regeneration erfolgen muss, liegen abhängig von Fahrprofil und maximaler Rußspeicherfähigkeit im Bereich von 500 bis 1000 km /22/. Die Regeneration eines Dieselpartikelfilters kann sowohl kontinuierlich (passiv, i. A. über NO 2 ) als auch intermittierend (thermisch über O 2 ) erfolgen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die für eine sichere Regeneration eines Dieselpartikelfilters erforderlichen Temperaturen im normalen Betrieb eines Fahrzeugs in den meisten Anwendungen nicht erreicht werden. So sind für eine schnelle und vollständige thermische Regeneration Temperaturen von über 600 C erforderlich; für eine ausreichende passive Regeneration sind Temperaturen von über 300 C im Filter erforderlich. Daher ist im Allgemeinen eine zusätzliche Temperaturanhebung für die sichere Filterregeneration erforderlich. Eine Übersicht von Maßnahmen zur Partikelfilterregeneration zeigt Abbildung Für eine aktive Regeneration werden heute in der Serie oder in der Vorserienentwicklung folgende Maßnahmen eingesetzt: motorinterne Maßnahmen zur Temperaturerhöhung: o Drosselung der Ansaugluft, o Anpassung der AGR-Rate, o Veränderung des Einspritzmanagements von Vor- und Haupteinspritzung, o Einführung einer frühen Nacheinspritzung mit dem Ziel, die Abgastemperatur im Brennraum zu erhöhen, o Einführung einer späten Nacheinspritzung mit dem Ziel, die Abgastemperatur über exotherme Reaktionen auf einem nachfolgenden Oxidationskatalysator zu erhöhen (siehe auch Kapitel 5.2.1), Einsatz eines Kraftstoffdosiersystems im Abgas, mit dem zusätzlicher Kraftstoff in das Abgas eingebracht wird und über exotherme Reaktionen auf einem nachfolgenden Oxidationskatalysator eine Temperaturerhöhung erzeugt (siehe auch Kapitel 5.2.1), Brennersysteme zur Erhöhung der Abgastemperatur, Systeme zur Abgastemperaturerhöhung über elektrische Heizung. Electrical heating assistance Passive DPF regeneration Engine mapping comparison (Difference = VSR458 - VSR429) / Software platform: US10 VSR458 with indicated cylinder head and nominal injectors: Dataset: 3478E08D01_B7_BASE_EEV_E5_DPF_E_LV1V2 (Heat mode dataset for Level1) VSR429 with original cylinder head and injectors: Dataset: 3478E08D01_B7_BASE_EEV_E5_DPF_E (Referencedataset) Exhaust temperature downstream DOC [ C] Engine speed [rpm] Regeneration Level 2 (25 C) Engine internal measures Engine: DW12LR Calibration: E42A Temperature upstream DPF [ C] (EDC) PFlttPre Engine Speed [rpm] Exhaust Fuel Injector Burner technology Fuel vaporizer systems Abbildung 5.13: Maßnahmen zur Partikelfilterregeneration

52 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 51 Aktive Regenerationsmaßnahmen wirken sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch aus und insbesondere motorinterne späte Nacheinspritzungen führen darüber hinaus zu einer erhöhten Schmierölverdünnung. Darum werden vielfach zusätzliche Maßnahmen eingesetzt, um entweder die Regenerationstemperatur auf Niveaus deutlich unter 600 C herabzusetzen oder die Regenerationshäufigkeit zu verkürzen. Hierzu zählen insbesondere /24/, /25/: Zugabe von Kraftstoffadditiven zur Absenkung der Rußzündtemperatur, Beschichtung des Filters mit katalytischen Komponenten zur Unterstützung des Rußabbrands, Forcierung der passiven Regeneration über NO 2, soweit möglich. Die Regeneration von Dieselruß mittels NO 2 wird auch als passive Regeneration oder CRT - Effekt (CRT = Continuously Regenerating Trap) bezeichnet. Die Regeneration verläuft im Gegensatz zum aktiven, thermischen Abbrand mittels Sauerstoff kontinuierlich während des Akkumulationsbetriebs, sofern ausreichend hohe Temperaturen und NO 2 -Mengen im Abgas vorliegen. Aufgrund der niedrigen Aktivierungsenergie läuft die Oxidation von Dieselruß mit NO 2 bei deutlich niedrigeren Temperaturen ab als die Oxidation mit O 2. Bereits bei Abgastemperaturen ab ca. 250 C kann die kontinuierliche Regeneration genutzt werden; für hohe Regenerationseffizienzen sind jedoch deutlich höhere Temperaturen im Bereich um 350 C erforderlich. Damit ist diese Regenerationsart im Niedriglastbetrieb nur eingeschränkt nutzbar, bietet jedoch bei hochlastigen Zyklen die Möglichkeit, die Länge der Regenerationsintervalle für die aktive Regeneration deutlich auszudehnen. Grundvoraussetzung für die Nutzung des CRT -Effekts ist die Generierung von NO 2 in einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator und/oder auf einer katalytischen Beschichtung im Filter selbst. Des Weiteren müssen ein ausreichend hohes NO 2 /Ruß-Massenverhältnis im Abgas sowie eine Mindestrußmenge im DPF vorliegen, um signifikante Regenerationseffizienzen erreichen zu können /22/ DeNO x -Systeme Selektive katalytische Reduktion (SCR) Eine effiziente Methode zur Reduktion von Stickstoffoxiden (NO x ) ist die selektive, d. h. bei Sauerstoff-Überschuss vorrangig ablaufende Reaktion mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasser. Diese wird seit Jahren zuverlässig zur Rauchgasentstickung in Kraftwerken eingesetzt. Unter den dort herrschenden stationären Bedingungen werden in einem Temperaturbereich zwischen 300 und 500 C NO x -Konversionsraten von über 90 % erreicht. Optimierungen im Katalysatordesign haben zu einer Erweiterung des Temperaturbereichs bis 200 C geführt, sodass diese Technologie seit mehreren Jahren auch bei Pkw und Nutzfahrzeug eingesetzt wird /32/, /33/, /34/, /35/ und im Bereich Nutzfahrzeuge wohl auch zum Standard für die Emissionsgesetzgebung Euro 6 werden wird. Nutzfahrzeugmotoren erreichen im gesetzlichen Testzyklus heute Konvertierungraten bis in die Größenordnung von 90 %, bei Pkw-Motoren liegen die erreichbaren Wirkungsgrade aufgrund des geringeren Temperaturniveaus im Allgemeinen darunter. Der direkte Einsatz gasförmigen Ammoniaks im Fahrzeug ist aus Sicherheitsgründen sehr bedenklich. Daher arbeiten die in der Literatur bekannten Verfahren mit Verbindungen, in denen Ammoniak chemisch gebunden vorliegt, wie z. B. die toxisch unbedenkliche Harnstoff/Wasser-Lösung (HWL, Handelsname: AdBlue), die nach Eindüsung durch katalytische Hydrolyse Ammoniak im Abgasrohr freigibt. Die eigentliche Reduktion der Stickoxide verläuft dann im SCR-Katalysator durch direkte Reaktion mit Ammoniak. Die Reaktivität eines

53 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 52 NH 3 -SCR-Katalysators kann durch das Vorschalten eines Oxidationskatalysators erhöht werden. Durch Oxidation von NO zu NO 2 erreicht man ein günstigeres NO/NO 2 -Verhältnis, was die Kinetik der katalytischen Reduktion durch intermediäre Bildung von N 2 O 3 deutlich erhöht /31/. Besonders im Niedertemperaturbereich < 250 C lassen sich dadurch höhere NO x - Konversionsraten erzielen. SCR-Systeme bestehen aus den wesentlichen Komponenten Dosiersystem, Reduktionsmittelbevorratung und SCR-Katalysator. Je nach verwendetem Reduktionsmittel können zusätzlich Mischvorrichtungen für eine möglichst homogene Verteilung des Ammoniaks auf dem SCR-Katalysator eingesetzt werden. Zudem können Hydrolysekatalysatoren zur Unterstützung der Umwandlung von Harnstoff zu Ammoniak verwendet werden. Das Funktionsprinzip der SCR-Technologie ist am Beispiel eines Systems auf Basis einer Harnstoff/Wasser- Lösung in Abbildung 5.14 schematisch dargestellt. NO x conversion NO + NO 2 + 2NH 3 2N 2 + 3H 2 O Secondary emissions N 2 O, NH 3,... Sufficient temperature NO 2 formation Sufficient temperature Optimized catalyst CO 2 H 2 O N 2 HC CO NH 3 formation NO x Soot CO(NH 2 ) 2 + H 2 O 2NH 3 + CO 2 Secondary emissions Mixing Sufficient temperature Optimized mixing Abbildung 5.14: Funktionsprinzip SCR-Technologie NO x -Speicher-Katalysator (NSK) NO x -Speicherkatalysatoren werden seit Jahren für Magerottomotoren in Serie eingesetzt und seit einiger Zeit auch für Pkw-Dieselmotoren in Serie /29/, /35/, /36/, /37/, /38/ /39/. Das Funktionsprinzip beruht auf der Adsorption saurer Abgaskomponenten, z. B. Stickoxide, an alkalischen Speicherelementen (z. B. BaO). Der Speicherung der Stickoxide geht im mageren Abgas eine Oxidation des Stickstoffmonoxids NO in Stickstoffdioxid NO 2 an Edelmetall (z. B. Platin) voraus. Das gebildete NO 2 wird anschließend als Nitrat an der Katalysatoroberfläche gespeichert (Chemisorption). Die Desorption und Zersetzung der Nitrate erfolgt in kurzen Phasen mit unterstöchiometrischem (fettem) Verbrennungsluftverhältnis und damit reduzierender Atmosphäre im Abgas. Sauerstoffmangel und gleichzeitige Anwesenheit von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff ermöglichen die Reduktion der desorbierten Stickoxide unter der Bildung von Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser.

54 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 53 Die Regeneration der Stickoxide erfolgt im unterstöchiometrischen Betrieb mit reduzierender Abgasatmosphäre. Diese lässt sich im normalerweise überstöchiometrisch betriebenen Dieselmotor durch eine Kombination verschiedener Maßnahmen erreichen, wie z. B.: Reduktion der Luftmasse durch o Verringerung des Ladedrucks, o Erhöhung der AGR-Rate, o Ansaugluftdrosselung, Erhöhung der Einspritzmenge bei konstanter Motorleistung durch o Anpassung der Menge und des Beginns von Voreinspritzung und Haupteinspritzung, o Anpassung des Raildrucks, o Einführung einer zusätzlichen Nacheinspritzung. Das Funktionsprinzip der NSK-Technologie mit den Teilschritten Speicherung und Regeneration ist in Abbildung 5.15 schematisch dargestellt. NO x storage NO, O 2 NO 2 CO NO 2 2 CO 2 N 2 Pt Ce 2 O 3 BaCO 3 Pt Ce 2 O 3 Ba(NO 3 ) 2 H 2 O HC CO LNT#2 NO x Soot LNT#1 CDPF HC NO 2, CO, H 2 CO 2 N CO, H 2, CO 2 NO 2 2 O 2 Pt Ce 2 O 3 BaCO 3 Pt Ce 2 O 3 Ba(NO 3 ) 2 NO x regeneration Abbildung 5.15: Funktionsprinzip NO x -Speicher-Katalysator (NSK)

55 Fortschritt der Dieselmotortechnologie Dieselkraftstoff Art und Qualität Die Qualitätsanforderungen an Dieselkraftstoffe für den Kraftfahrzeugsektor haben sich mit Ausnahme der drastischen Reduzierung des Schwefelgehalts im Kraftstoff in der Vergangenheit kaum geändert. Einzige Vorraussetzung war die Einhaltung von Richtwerten für die Kraftstoffzusammensetzung. Der wachsende Anteil an dieselbetriebenen Fahrzeugen bei gleichzeitig strenger werdenden Emissionsrichtlinien und strenge Gesetzgebung bezüglich Emissionen setzen hohe Ansprüche an die Kraftstoffqualität. Bisher lag das Augenmerk bei Partikelemissionen lediglich auf der ausgestoßenen Menge, doch neue Gesetzgebungen wecken zunehmend das Interesse an weiteren Bewertungskriterien wie z. B. Größenverteilung, Anzahl und Oberfläche. Unterschiedliche Kraftstoffe führen zu Rußemissionen mit einem unterschiedlichen Graphitisierungsgrad, was Auswirkungen auf morphologische Eigenschaften sowie die Abgasnachbehandlung hat. Die Ziele zur Verminderung der Partikelemissionen setzen ein fundiertes Fachwissen über den Einfluss der Kraftstoffqualität und Kraftstoffart auf den Partikelausstoß und dessen Zusammensetzung voraus. Somit sind nicht nur technische Verbesserungen auf Fahrzeug- und Motorseite, sondern auch bei den Kraftstoffen notwendig Übersicht typischer Dieselkraftstoffe Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht unterschiedlicher Dieselkraftstoffe mit Eigenschaften hinsichtlich Partikelemissionen. Diesel Kraftstofftyp Erdölbasierter Dieselkraftstoff Biokraftstoff 1. Generation Biokraftstoff 2. Generation Typische Verfahren Erdöl-Destillation Gemisch von ca.200 Kohlenwasserstoffen (Alkane, Olefine, Cycloalkane, Aromate) Umesterung von Pflanzlichen Ölen FAME(Fatty Acid Methyl Ester) Fischer-Tropsch Process -Biomass to liquid (BtL) -Gas to liquid (GtL) Hydriertes Pflanzenöl (HVO) Typische Eigenschaften Schwefelgehalt Aromatengehalt Siedekurve Niedriges H/C-Verhältnis Kein Schwefelgehalt Kein Aromaten ~10% Sauerstoffgehalt Hoher Siedepunkt Kein oder sehr geringer Schwefel und Aromatengehalt Kein Sauerstoffgehalt Hohes H/C Verhältnis Hohe Cetan-Zahl Geringe spez. Dichte Abbildung 5.16: Übersicht typischer Dieselkraftstoffe Einfluss auf die Rußbildung Mit dem Schwefelgehalt steigt die Rußbildung Rußbildung steigt in dieser Folge: Alkane Cycloalkane Olefine Aromate O 2 Gehalt verursacht geringere Rußbildung Erhöhter SOF Anteil im Partikel Geringere Partikelbildung wegen geringem Schwefel und Aromatengehalt und hohem H/C Verhältnis Die Trends der Entwicklung und Aspekte der Qualität mineralölbasierter Dieselkraftstoffe bezüglich Partikelemission wurden bereits in Kapitel 1.3 vorgestellt. In den folgenden Abschnit-

56 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 55 ten wird näher auf die Qualität von Biokraftstoffen der zweiten Generation hinsichtlich ihres Verhaltens in Bezug auf Partikelemissionen eingegangen Gas to Liquid (GtL) Das in den 1920ern von Franz Fischer und Hans Tropsch entdeckte Verfahren, mit dem Kohlenwasserstoffe aus Synthesegas hergestellt werden können, wird unter anderem zur Produktion von dieselähnlichen Kraftstoffen verwendet. Folgende Schritte sind hierzu notwendig: Bildung/Herstellung des Synthesegases, Fischer-Tropsch-Katalyse, Post-processing. Synthesegas kann aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Kohle oder Biomasse hergestellt werden. Die durch die anschließende Synthese hergestellten GtL-Kraftstoffe setzen sich aus n- und iso-paraffinen zusammen und weisen einen sehr geringen oder nicht vorhandenem Aromaten- und Schwefelgehalt auf. Die paraffinen Kraftstoffe besitzen eine geringe Dichte sowie ein hohes H/C-Verhältnis. Die Cetanzahl, welche die Zündwilligkeit des Kraftstoffes beschreibt, ist bei GtL-Kraftstoffen höher als bei mineralölbasierten Dieselkraftstoffen. Untersuchungen an modernen, schnell laufenden DI-PKW-Dieselmotoren weisen bei Betrieb mit reinem GtL-Kraftstoff Vorteile im Hinblick auf die Partikelemission auf, wie in nachstehender Abbildung deutlich wird. Abbildung 5.17: Einfluss von verschiedenen GtL-Kraftstoffen auf Partikel-Emissionen und Partikel-Zusammensetzung an einem 2,0L-Common-Rail-Direkteinspritzer /85/

57 Fortschritt der Dieselmotortechnologie Hydriertes Pflanzenöl (HVO) Das Hydrieren von pflanzlichen Ölen oder tierischen Fetten stellt einen Alternativprozess zur in der Biodieselproduktion üblichen Veresterung dar. Chemisch hydrierte Pflanzenöle sind Mischungen aus paraffinischen Kohlenwasserstoffen und enthalten weder Schwefel noch Aromaten. HVO besitzt eine sehr hohe Cetanzahl und die übrigen Eigenschaften des Kraftstoffs ähneln ebenfalls denen von Gas-to-Liquid-Kraftstoffen (GtL) oder Biomass-to-Liquid- Kraftstoffen (BtL). HVO EN 590 GtL FAME (RME) Density at 15 C (kg/m3) Viscosity at 40 C (mm2/s) Cetane number Distillation range ( C) Cloud point ( C) Heating value, lower (MJ/kg) Heating value, lower (MJ/l) Total aromatics (wt-%) Polyaromatics (wt-%)(1) Oxygen content (wt-%) Sulfur content (mg/kg) < 10 < 10 < 10 < 10 Lubricity HFRR at 60 C < 460(2) < 460(2) < 460(2) (µm) < 460 Storage stability Good Good Good Very challenging Abbildung 5.18: Typische Eigenschaften von HVO, European EN 590:2004 Dieselkraftstoff, GtL und FAME /86/ Messergebnisse der Kraftstoffe mit einem Common-Rail-Heavy-Duty-Motor sind im Folgenden dargestellt. Auf konstantem Stickoxidemissionsniveau ermöglicht der Einsatz von reinem HVO (100%iges HVO) sowie EN (Diesel mit 30 Vol% HVO) eine Reduktion der Rußemissionen sowie des Kraftstoffverbrauchs. Die Verringerung des Emissionsniveaus kann hierbei auf den reduzierten Aromaten- und Schwefelgehalt zurückgeführt werden.

58 Fortschritt der Dieselmotortechnologie 57 Abbildung 5.19: Vergleich der Partikelemission (Schwarzrauch) von reinem HVO sowie Diesel mit 30 % HVO-Zumischung gegenüber den Emissionen handelsüblichen Diesels bei konstanten NO x -Emissionen /86/ Zusammenfassung Alternative aromatenfreie Kraftstoffe wie HVO oder GtL zeigen ein deutliches Potenzial zur Reduzierung der relevanten Abgasemissionen. Das gesetzliche Mindestmaß für die Beimischung von Alternativkraftstoffen sieht derzeit allerdings nur geringe Beimischraten von 3 % bis maximal 10 % vor. In diesem Bereichen ergibt sich nur ein geringer Einfluss der angehobenen Cetan-Zahl auf den Zündverzug und somit das Brennverhalten /87/.

59 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 58 6 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen In diesem Kapitel erfolgt eine Darstellung der Emissionsverbesserungen durch die zuvor in Kapitel 5 beschriebene Einführung/Weiterentwicklung von Technologien mit Schwerpunkt auf den Partikel-Emissionen. Die signifikante Reduzierung der Partikelmassenemission durch die Einführung immer weiter verschärfter Emissionsstufen und insbesondere auch die Einführung des Partikelfilters wurde schon in Kapitel 3.1 (siehe u. a. Abbildung 3.3 sowie Abbildung 3.8) aufgezeigt. Daher sollen hier insbesondere auch über die reinen Emissionswerte hinaus weitere Veränderungen wie z. B. Partikelgrößenspektrum, Morphologie und Zusammensetzung betrachtet werden. Hinsichtlich der Partikelgrößenverteilung wurden dabei nur Literaturquellen berücksichtigt, bei denen eine Messung von Artefakten durch eine entsprechend angepasste Messtechnik ausgeschlossen werden konnte. Die Betrachtung ist dabei in folgende Abschnitte unterteilt: Auswirkungen innermotorischer Maßnahmen Kapitel 6.1, Auswirkungen externer Maßnahmen zur Emissionsreduktion Kapitel 6.2, Auswirkungen von Kraftstoffqualität und -art Kapitel 6.3, Entwicklung Partikelemissionen Gesamtsystem Kapitel Auswirkungen innermotorischer Maßnahmen Im Folgenden sind repräsentative Ergebnisse hinsichtlich der Auswirkungen innermotorischer Maßnahmen auf die Partikelemissionen (Partikelgrößenspektrum, Morphologie und Zusammensetzung) dargestellt. Abbildung 6.1 zeigt den Einfluss bei der Variation des Einspritzdrucks sowie des Einspritzzeitpunkts auf die Partikelgrößenverteilung. Die Untersuchungen wurden an einem Nutzfahrzeug-Dieselmotor in dem Betriebspunkt 1250 min -1 und einem effektiven Mitteldruck von 14.9 bar durchgeführt. Es zeigt sich eine deutliche Verringerung der Partikelanzahlemissionen über das gesamte Größenspektrum sowohl durch Erhöhung des Einspritzdrucks als auch durch eine Verstellung der Einspritzung nach früh, wobei sich tendenziell für beide Maßnahmen eine leichte Verschiebung des Maximums der Größenverteilung zu kleineren Partikeln ergibt. Insgesamt kann jedoch festgehalten werden, dass beide Maßnahmen die generell zu einer Absenkung der Partikelmassenemission führen auch eine Absenkung der Partikelanzahlemission über das gesamte Größenspektrum zur Folge haben.

60 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 59 dn/dlog dp / cm Einspritzdruck 800 bar Einspritzdruck 1400 bar Erhöhung Einspritzdruck Betriebspunkt: n = 1250 min -1 p me = 14.9 bar Partikelgrößenklasse / nm dn/dlog dp / cm Spritzbeginn 3 KW nach OT Spritzbeginn 4 KW vor OT Verstellung nach früh Partikelgrößenklasse / nm Abbildung 6.1: Einfluss der Einspritzung auf die Partikelgrößenverteilung am Nfz-Motor /50/ In Abbildung 6.2 bis Abbildung 6.5 ist der Einfluss von Abgasrückführung und Einspritzdruck auf die Partikel- und NO x -Emissionen an einem Nutzfahrzeug-Dieselmotor dargestellt mit dem Ziel, die NO x -Emissionen innermotorisch bei unveränderten oder sogar verringerten Partikelemissionen abzusenken. In einem ersten Schritt (Abbildung 6.2) wurde hierbei der Einspritzdruck zunächst von einem Basisniveau von 400 bar auf einen Druck von 1200 bar jeweils ohne Abgasrückführung angehoben. Dies hat eine Erhöhung der NO x -Emissionen von 8,0 g/kwh auf 12,8 g/kwh zur Folge, wobei bedingt durch die verbesserte Gemischaufbereitung die Partikelmassenemission (hier nicht dargstellt) und damit auch die Partikelanzahl über das gesamte Größenspektrum (mit leichter Verschiebung des Maximums zu kleineren Durchmessern; analog zu Abbildung 6.1) deutlich vermindert werden. Die Einführung von Abgasrückführung (hier eine AGR-Rate von 22 %) hat eine signifikante Abnahme der Stickoxidemissionen bei allerdings deutlich erhöhter Partikelanzahlemission (und auch Partikelmasse) zur Folge (Abbildung 6.3). Durch weitere Erhöhung des Einspritzdrucks von 1200 bar auf 1600 bar mit konstanter Abgasrückführrate von 22 % ist wieder eine signifikante Reduzierung der Partikelanzahl über das gesamte Größenspektrum (mit leichter Verschiebung des Maximums zu kleineren Durchmessern) bei nur moderat erhöhter Stickoxidemission möglich (Abbildung 6.4). Als Kombination der zuvor beschriebenen Maßnahmen kann damit durch die Einführung einer Abgasrückführung bei gleichzeitiger Erhöhung des Einspritzdrucks eine gleichzeitige deutliche Absenkung der NO x - sowie der Partikelanzahlemissionen erreicht werden (Abbildung 6.5)

61 Partikelanzahl normiert / % Partikelanzahl normiert / % Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen bar, ohne AGR, 8.0 g/kwh NO X 600 bar, ohne AGR, 8.5 g/kwh NO X 1200 bar, ohne AGR, 12.8 g/kwh NO X 1200 bar, 22 % AGR, 2.7 g/kwh NO X 1600 bar, 22 % AGR, 3.6 g/kwh NO X Partikeldurchmesser / nm Abbildung 6.2: Einfluss von Einspritzdruck und AGR auf die Partikelgrößenverteilung /51/ bar, ohne AGR, 8.0 g/kwh NO X 600 bar, ohne AGR, 8.5 g/kwh NO X 1200 bar, ohne AGR, 12.8 g/kwh NO X 1200 bar, 22 % AGR, 2.7 g/kwh NO X 1600 bar, 22 % AGR, 3.6 g/kwh NO X Partikeldurchmesser / nm Abbildung 6.3: Einfluss von Einspritzdruck und AGR auf die Partikelgrößenverteilung /51/

62 Partikelanzahl normiert / % Partikelanzahl normiert / % Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen bar, ohne AGR, 8.0 g/kwh NO X 600 bar, ohne AGR, 8.5 g/kwh NO X 1200 bar, ohne AGR, 12.8 g/kwh NO X 1200 bar, 22 % AGR, 2.7 g/kwh NO X 1600 bar, 22 % AGR, 3.6 g/kwh NO X Partikeldurchmesser / nm Abbildung 6.4: Einfluss von Einspritzdruck und AGR auf die Partikelgrößenverteilung /51/ bar, ohne AGR, 8.0 g/kwh NO X 600 bar, ohne AGR, 8.5 g/kwh NO X 1200 bar, ohne AGR, 12.8 g/kwh NO X 1200 bar, 22 % AGR, 2.7 g/kwh NO X 1600 bar, 22 % AGR, 3.6 g/kwh NO X % geringere Partikelanzahl 55 % geringere NOx-Emission von nach Partikeldurchmesser / nm Abbildung 6.5: Einfluss von Einspritzdruck und AGR auf die Partikelgrößenverteilung /51/ In Abbildung 6.6 ist der Einfluss des Einspritzdrucks auf die Partikelgrößenverteilung anhand dreier Entwicklungsstufen (Übergang von Wirbelkammermotor auf Direkteinspritzer; drei Generationen von Einspritzsystemen) von BMW-Pkw-Dieselmotoren dargestellt. Es wird hierbei ein Wirbelkammer-Brennverfahren mit einer Niederdruckeinspritzung mit einem direkteinspritzenden Motor mit Hochdruck-Verteilereinspritzpumpe sowie einem direkteinspritzenden Motor mit Hochdruck-Common-Rail-Einspritzsystem verglichen. Es zeigt sich für die beiden

63 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 62 untersuchten Konstantfahrtpunkte 50 km/h und 120 km/h jeweils eine deutliche Verringerung der Partikelanzahlemissionen mehr oder weniger über das gesamte Größenspektrum. Analog zu den vorherigen Beispielen ist für den 120-km/h-Punkt auch hier eine tendenzielle Verschiebung in Richtung etwas kleinerer Partikel zu erkennen, wohingegen der Trend für den 50- km/h-punkt genau gegensätzlich ausfällt. Es ist hierbei allerdings zu beachten, dass im Gegensatz zu den beiden vorherigen Beispielen hier der reine Einfluss des Einspritzdrucks durch eine signifikante Änderung des Brennverfahrens sowie auch eine signifikant unterschiedliche Einspritzcharakteristik der drei Einspritzsysteme überlagert ist. Zusammenfassend ist aus den drei dargestellten Beispielen (Abbildung 6.1 bis Abbildung 6.6) kein Trend in Richtung vermehrter Emission kleinerer Partikel für moderne Brennverfahren mit hohem Einspritzdruck auch in Kombination mit weiteren Maßnahmen wie der Einführung von Abgasrückführung und/oder Veränderung des Brennverfahrens erkennbar. 525tds: 320d: 530d: 2,5 l Wirbelkammer-Motor mit Niederdruckeinspritzung 2,0 l Direkt-Einspritzmotor mit Hochdruck-Verteilereinspritzpumpe 3,0 l Direkt-Einspritzmotor mit Hochdruck-Common-Rail-Einspritzsystem Abbildung 6.6: Einfluss von Einspritzsystem/-druck auf die Partikelgrößenverteilung /52/ Abbildung 6.7 zeigt in Ergänzung zu den Partikelgrößenverteilungen für die genannten Konzepte Aufnahmen der Partikelstruktur. Es bestätigen sich hier die Aussagen aus der Betrachtung der Partikelgrößenverteilungen, dass für die unterschiedlichen Motorkonzepte und insbesondere auch Einspritzdrücke keine signifikanten Veränderungen bezüglich der grundlegenden Struktur und Form der Rußpartikel sowie ihrer Primärpartikeldurchmesser erkennbar sind.

64 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 63 Abbildung 6.7: Einfluss von Einspritzsystem und -druck auf die Partikelstruktur /52/ Weitere Untersuchungen zum Einfluss von Motorparametern und hier insbesondere auch des Einspritzdrucks auf die Partikelemission sind in /119/ dargestellt. Auch hier wird eine tendenzielle Verschiebung des Maximums der Partikelgrößenverteilung hin zu kleineren Durchmessern für einen erhöhten Einspritzdruck bei allerdings deutlich verminderter Gesamtpartikelanzahl und keiner Erhöhung der Emission kleiner Partikel - beschrieben. Es wird auch darauf eingegangen, dass die Partikelemission eines Dieselmotors wie zuvor beschrieben nicht isoliert betrachtet werden darf, da der Partikelmassenausstoß sich meist gegenläufig zur Stickoxidemission als Funktion der meisten luft- und kraftstoffseitigen Parameter verhält. Abbildung 6.8: Zusammenhang zwischen Gesamtpartikelanzahl und Stickoxidemission für 24 Motorbetriebspunkte /119/ Abbildung 6.8 zeigt, dass dieser Zusammenhang nicht nur für die Partikelmasse, sondern auch für die Partikelanzahl gilt. Dargestellt ist die Gesamtpartikelzahl integriert über die mit einem Kondensationspartikelzähler (SMPS) gemessene Verteilung von 15 nm bis 630 nm gegen die NOx-Emission für 24 untersuchte Betriebsbedingungen eines Pkw-Dieselmotors mit Common-

65 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 64 Rail Einspritzung /119/. Man erkennt deutlich die hyperbelartige Abhängigkeit der Partikelanzahl von der NO x -Emission, wobei sich kein signifikanter Einfluss des Einspritzdruckes auf die Partikelanzahlemission zeigt. Die beiden besonders gekennzeichneten Punkte werden dabei in /119/ über eine Neubildung von Partikel aus Kondensaten erklärt. In /53/ wurden Untersuchungen hinsichtlich der Möglichkeit zur Beeinflussung der Rußreaktivität durch Variation motorischer Parameter mit dem Ziel durchgeführt, hierdurch verbesserte Rußeigenschaften für die Partikelfilterregeneration darzustellen. Es konnte gezeigt werden, dass sich durch die Variation innermotorischer Parameter Rußreaktivitäten hier bestimmt durch Abbrandversuche in der thermogravimetrischen Analyse (TGA) in einem weiten Streubereich variieren lassen (Abbildung 6.9). Die Grenzkurven stellen dabei Gfg-Ruß (der aufgrund seiner amorphen Struktur hoch reaktiv ist) sowie Graphitpulver (welches aufgrund hoher struktureller Ordnung eine niedrige Reaktivität aufweist) dar. Pkw-Dieselmotor, Basis: EU4 Abstimmung Abbildung 6.9: Rußreaktivität in der TGA bei Variation motorischer Parameter /53/ 6.2 Auswirkungen externer Maßnahmen zur Emissionsreduktion Im Hinblick auf Auswirkungen von Maßnahmen zur Emissionsverbesserung auf die Partikelemissionen kommt der Abgasnachbehandlung eine entscheidende Bedeutung zu, da insbesondere der Diesel-Oxidationskatalysator und der Partikelfilter einen direkten und signifikanten Einfluss auf die Partikelemissionen haben. Beim SCR-Verfahren stellt sich die Frage, inwieweit durch die Einbringung des Reduktionsmittels die Partikelemissionen beeinflusst werden, während sich beim NO x -Speicherkatalysator insbesondere die Frage stellt, wie sich der unterstöchiometrische Regenerationsbetrieb auf die Partikelemission auswirkt Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) Wie in Kapitel beschrieben übernimmt der Oxidationskatalysator neben der Oxidation von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas auch die Aufgabe, an den Ruß angelagerte Kohlenwasserstoffe (SOF) bei ausreichender Temperatur zu oxidieren oder zu cracken, wodurch die Partikelmasse erheblich vermindert werden kann. Dies ist in Ab-

66 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 65 bildung 6.10 beispielhaft für einen Nutzfahrzeugmotor Mercedes-Benz OM 906 LA dargestellt, der mit unterschiedlichen Kraftstoffen (Diesel nach DIN EN590 = DF ref, RME, B5Ult und V- Power) betrieben wurde. Über den DOC wird die Partikelmasse durch die Oxidation von angelagerten Kohlenwasserstoffen für alle untersuchten Kraftstoffe deutlich reduziert. Dabei werden gleichermaßen sowohl die kraftstoffstämmigen als auch die ölstämmigen SOF-Anteile vermindert. Mit der Reduktion der SOF-Anteile ändert sich dabei aber auch die Partikelzusammensetzung signifikant: da der Feststoffanteil (Rußanteil) durch den Einsatz eines DOC nur unwesentlich verändert wird, nimmt der prozentuale Anteil der SOF-Anteile an der Gesamtpartikelemission über einen DOC deutlich ab. Abbildung 6.10: Änderung der Partikelzusammensetzung durch einen Diesel- Oxidationskatalysator /117/ Die Bedeutung von schwefelarmen Kraftstoffen im Hinblick auf die Partikelemission wird auch aus Abbildung 6.11 deutlich. Dargestellt ist die Partikelemission (Total Particulate Matter, TPM) bei Verwendung eines Platin-basierten DOC für drei unterschiedliche Schwefelgehalte des Kraftstoffs als Funktion der Temperatur. Der Kohlenstoffanteil der Partikel liegt in allen Fällen unter 0,01 g/kwh. Sowohl mit 500 ppm und noch ausgeprägter mit 1500 ppm Schwefel im Kraftstoff zeigt sich ein signifikanter Anstieg der Partikelemission bedingt durch Sulfatbildung am DOC mit einem ausgeprägten Maximum bei etwa 450 bis 500 C, welches durch das thermodynamische Gleichgewicht der SO 2 -Oxidation zu SO 3 begründet ist /55/. Abbildung 6.11: Partikelbildung über Sulfate am Diesel-Oxidationskatalysator /55/

67 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen Dieselpartikelfilter (DPF) Der Dieselpartikelfilter stellt eine wirksame Maßnahme zur Reduktion der Partikelmassenemission im gesamten Kennfeldbereich dar, wie u. a. in Abbildung 3.3 und Abbildung 3.8 gezeigt wurde, und wird für Euro 6 beim Pkw bzw. Euro 6 im Nutzfahrzeug flächendeckend in Europa eingesetzt werden. In Abbildung 6.12 bis Abbildung 6.16 wird ergänzend hierzu anhand mehrerer Beispiele an Pkw- sowie Nutzfahrzeugmotoren aufgezeigt, dass hierbei gleichzeitig auch die Partikelanzahl über das gesamte Größenspektrum von sehr kleinen bis hin zu großen Partikeln um mehrere Größenordungen reduziert wird. Abbildung 6.12 zeigt für zwei unterschiedliche im Serieneinsatz befindliche DPF- Substrate (Siliciumcarbid und Cordierite), dass durch den Einsatz eines geschlossenen Partikelfilters die emittierte Partikelanzahl über das gesamte Größenspektrum um mehrere Größenordnungen reduziert werden kann und die Partikelanzahlkonzentration nach DPF im Bereich der Raumluftkonzentration liegt. Abbildung 6.13 zeigt für einen Diesel-Pkw mit DPF, dass sowohl die Partikelanzahl als auch die Partikelmasse über das gesamte Größenspektrum um mehrere Größenordnungen reduziert werden, wobei die Partikelanzahlkonzentration auch hier im Bereich der Hintergrundbelastung liegt. Abbildung 6.14 zeigt für verschiedene gesetzliche Testzyklen sowie weitere Fahrzustände, dass die Partikelanzahl für ein Fahrzeug mit Diesel-Partikelfilter (Peugeot 607 HDI) unabhängig vom Zyklus um mehrere Größenordnungen unter der eines Fahrzeugs ohne Partikelfilter (Mercedes E220 CDI) liegt. Abbildung 6.15 zeigt für eine Konstantfahrt bei 80 km/h, dass ein Fahrzeug mit Partikelfilter (Peugeot 607 HDI + FAP) durchschnittlich eine um rund Mal geringere Partikelanzahl als ein Fahrzeug ohne Partikelfilter über das gesamte Größenspektrum ausstößt. Die Partikelanzahlkonzentration liegt auch hier im Bereich der Hintergrundbelastung. Abbildung 6.16 zeigt für einen Nutzfahrzeugmotor, dass durch Einsatz eines geschlossenen Partikelfilters (EGR CRT Euro-4) die Partikelmasse in allen Größenbereichen um mindestens zwei Größenordnungen reduziert wird. Durch Einsatz eines Partikel- Katalysators (EGR PM-Cat Euro-4) kann die emittierte Partikelanzahl ebenfalls über das gesamte Größenspektrum deutlich reduziert werden.

68 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 67 Abbildung 6.12: Partikelanzahlreduktion am Dieselpartikelfilter /57/ Abbildung 6.13: Partikelanzahlreduktion am Dieselpartikelfilter (Pkw) /58/

69 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 68 Abbildung 6.14: Partikelanzahlreduktion am Dieselpartikelfilter (Pkw) /59/ Abbildung 6.15: Partikelanzahlreduktion am Dieselpartikelfilter (Pkw) /59/

70 Number based filtration efficiency / % Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 69 Abbildung 6.16: Partikelanzahlreduktion am Dieselpartikelfilter (Nfz) /60/ Der Filtrationswirkungsgrad von Partikelfiltern hängt stark von der Beladung des Filters mit Ruß ab und steigt i. A. mit zunehmender Rußbeladung an (siehe auch Abbildung 5.12). Dies ist in Abbildung 6.17 für mehrere unterschiedliche Filtersubstrate dargestellt. Hierzu wurden die Filter zunächst im Regenerationsbetrieb vollständig geleert und dann nach Beendigung der Regeneration und Umschalten in den Normalbetrieb die Partikelanzahl kontinuierlich gemessen und daraus ein Abscheidewirkungsgrad für die Partikelanzahl berechnet. Es wird deutlich, dass der anzahlbezogene Filterwirkungsgrad im unbeladenen Zustand zunächst zwischen 70 und 90 % liegt und danach mit zunehmender Rußbeladung schnell auf Werte nahe 100 % ansteigt. Dabei beträgt die Zeitdauer bis zum Erreichen der maximalen Filtrationseffizienz nur rund 1 bis 2 % der Zeitdauer zwischen zwei Regenerationsintervallen, sodass über die gesamte Betriebsdauer ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird Regeneration mode normal mode Unmittelbar nach der aktiven DPF-Regeneration (vollkommen entleerter DPF) werden i. a. anzahlbezogene Filtrationswirkungsgrade von % erreicht Schon mit vergleichsweise geringen Filterbeladungen steigt der anzahlbezogene Filtrationswirkunsggrad schnell auf Werte nahe 100 % an Reihe Specific soot loading / g/l Anteil Betriebsdauer: 1-2% 98-99% Abbildung 6.17: Partikelanzahlreduktion als Funktion der Filterbeladung //

71 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 70 Die schnelle Zunahme der Filtrationseffizienz mit zunehmender Filterbeladung wird auch aus Abbildung 6.18 deutlich: Es zeigt sich, dass die Rußmasse sowie die Partikelanzahl nach ungefähr 200 s im europäischen Fahrzyklus (NEFZ) nach Partikelfilter stärker abnehmen als die Rohemission, was auf einen Anstieg der Filtrationseffizienz zurückzuführen ist. Schon zu Beginn des Zyklus weist der DPF einen hohen Wirkungsgrad von rund 99,7 % auf, der über den Test mit zunehmender Beladung auf > 99,9 % ansteigt. Abbildung 6.18: Rußmasse sowie die Partikelanzahl nach Partikelfilter /44/ Der Einfluss des Partikelfilters auf die Partikelanzahlemission beim Nutzfahrzeugmotor ist auch in Abbildung 6.19 /90/ dargestellt, wobei hier auch der Einfluss einer aktiven DPF- Regeneration aufgezeigt wird. Verglichen werden die Partikelanzahlemissionen einer Motorentechnologie des Modelljahres 2004 ohne Partikelfilter und DOC mit einer Technologie des Jahres 2007 mit aktiv regeneriertem Partikelfilter in verschiedenen Testzyklen. Es zeigt sich, dass auch mit einer aktiven Partikelfilterregeneration die Reduktion der Partikelanzahl für die Technologie des Jahres 2007 bei rund 90 % gegenüber der Technologie des Jahres 2004 liegt und ohne Regeneration sogar mehr als 99 % beträgt.

72 PM / [mg/m³] PM / [mg/m³] Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 71 Abbildung 6.19: Einfluss eines Partikelfilters auf die Partikelanzahlemission bei einem Nutzfahrzeugmotor mit und ohne aktive Regeneration /90/ Speed = 3000 rpm BMEP = 2 bar Speed = 3000 rpm BMEP = 8 bar Engine Out 54 Engine Out % % % % Engine Out % % Engine Out % % Engine Out % % Engine Out % % Total PM NSOF SOF 0 Total PM NSOF SOF SiC DPF 1 SiC DPF 2 Abbildung 6.20: Filtrationseffizienz am Dieselpartikelfilter für verschiedene Partikelfraktionen // Eine detaillierte Analyse der Partikelzusammensetzung an einem Pkw-Dieselmotor vor und nach Partikelfilter für zwei stationäre Motorbetriebspunkte zeigt, dass mit einem Wallflow- Partikelfilter hohe massebezogene Filtrationswirkungsgrade sowohl für den nichtlöslichen Anteil (im wesentlichen Ruß) als auch die löslichen Anteile erzielt werden (Abbildung 6.21). Der

73 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 72 Abscheidegrad für den Feststoffanteil ist dabei höher als für den (vom Betriebspunkt abhängigen) löslichen Anteil. Gefilterter Anteil SOF = 11.9 mg/m³ SOF-Anteil in der Rohemission = 22% Anteil nach Filter = mg/m³ (0.6% der Rohemission 99.4% Filterwirkungsgrad) Emission nach Filter NSOF = 210 µg/m³ Emission nach Filter SOF = 108 µg/m³ Gefilterter Anteil NSOF = 41.8 mg/m³ SOF-Anteil in der Emission nach Filter = 34 % Betriebspunkt: n = /min, p me = 2 bar Filtertyp: Siliziumkarbid, Pt-beschichtet NSOF: non-soluble organic fraction (organisch unlösliche Bestandteile) SOF: soluble organic fraction (organisch lösliche Bestandteile) Abbildung 6.21: Einfluss Dieselpartikelfilter auf Partikelzusammensetzung // Abbildung 6.22 zeigt anhand eines Beispiels aus /44/, /46/, welche Streuungen bei der Betrachtung der Partikelanzahlmessung berücksichtigt werden müssen. Dargestellt sind Ergebnisse der Partikelanzahlmessung im NEFZ von neuen konditionierten Fahrzeugen über der Testanzahl. Es zeigt sich, dass für verschiedene Fahrzeuge des gleichen Typs und Modells große Streuungen auftreten können und selbst für die wiederholte Vermessung des gleichen Fahrzeugs Unterschiede in der Größenordnung von rund 100 % berücksichtigt werden müssen. Der Vergleich von drei unterschiedlichen Methoden zur Partikelmessung (zwei Methoden zur Partikelanzahlmessung, eine Methode zur Messung der Partikelmasse) zeigt, dass die Unterschiede im Wesentlichen auf Streuungen der Fahrzeugemissionen und nicht auf Ungenauigkeiten der Messtechnik zurückzuführen sind /44/, /46/. Die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit sowohl der Partikelmassen- als auch der Partikelanzahlmessung an einem Euro-6-Nutzfahrzeugmotor wird auch in /94/ für unterschiedliche Zyklen und Verdünnungssysteme (Vollstrom- sowie Teilstromverdünnung) detailliert aufgezeigt. Auch hier zeigt sich ein großer Einfluss der Variabilitäten von Motor bzw. Partikelfilter auf die Partikelanzahlemissionen. Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Streuungen bei der Partikelanzahlmessung sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass diese bei der Interpretation von Ergebnissen insbesondere bei geringen Unterschieden bzgl. Partikelanzahl oder -größenverteilung in der Literatur und damit auch in dieser Studie zu berücksichtigen sind.

74 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 73 Abbildung 6.22: Teststreuung bei Partikelanzahlmessung /44/, /46/ Abbildung 6.23: Vergleich von drei Methoden zur Partikelmessung /44/, /46/ Neben den geschlossenen oder Wall-Flow-Partikelfiltern werden von einigen Herstellern beim Nutzfahrzeug und im Pkw-Bereich im Wesentlichen bei der Nachrüstung auch Teilstromsysteme (Partikelkatalysatoren) beim Dieselmotor eingesetzt. Mit derartigen Systemen können auch hohe massebezogene Abscheidegrade erzielt werden, die jedoch deutlich unter denen der geschlossenen Systeme liegen. In Abbildung 6.24 ist die Partikelmassenreduktion am Partikel- Katalysator für einen Nutzfahrzeugmotor für den stationären ESC und transienten ETC- Testzyklus dargestellt, welche bei 70 % bzw. 64 % liegt und für das dargestellte Konzept das Erreichen der Euro-4-Partikelgrenzwerte sicherstellt. Der Filtrationswirkungsgrad kann u. a.

75 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 74 über die Auslegung des Systems beeinflusst und auch über die dargestellten Werte hinaus erhöht werden, jedoch ergibt sich hier im Allgemeinen ein Konflikt zwischen dem Abscheidegrad und dem Abgasgegendruck des Filters /75/. Abbildung 6.24: Partikelmassenreduktion am Partikel-Katalysator /61/ Abbildung 6.25 zeigt ebenfalls an einem Nutzfahrzeugmotor, dass neben der Reduktion der Partikelmasse durch Einsatz eines Partikel-Katalysators ebenfalls die emittierte Partikelanzahl über das gesamte Größenspektrum deutlich reduziert werden kann (siehe auch /75/). Im vorliegenden Beispiel ergibt sich eine nahezu konstante Abscheideeffizienz von etwa 70 % über das gesamte Größenspektrum. Somit stellen auch die Teilstromsysteme eine wirksame Maßnahme zur Reduktion sowohl der Partikelmasse als auch der Partikelanzahl dar. Abbildung 6.25: Partikelanzahlreduktion am Partikel-Katalysator /62/

76 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen NO x -Nachbehandlungssysteme Bei dem in Kapitel beschriebenen SCR-Verfahren wird mit der Harnstoff-Wasser- Lösung ein zusätzlicher Betriebsstoff in das Abgas eingebracht, sodass sich hier grundsätzlich die Frage nach einem möglichen Einfluss auf die Partikelemission stellt. In Abbildung 6.26 sind vor diesem Hintergrund Ergebnisse von Untersuchungen an einem Euro-5- Nutzfahrzeugmotor mit SCR im Vergleich zu einem Euro-3-Konzept mit Partikelfilter dargestellt. Vor dem SCR-Katalysator zeigt sich beim Euro-5-Motor eine deutliche Erhöhung von Feststoff-Feinstpartikeln, die mit zunehmender Last steigt und bei Volllast die Partikelkonzentration unterhalb von 30 nm um mehr als eine Größenordnung erhöht. Mögliche Ursachen hierfür sind die Bildung von Sulfaten, Mineralpartikel aus dem Reduktionsmittel oder Reaktionsprodukte aus dem Reduktionsmittel /63/. Die Partikelanzahl wird über den SCR-Katalysator jedoch wieder deutlich auf ein vergleichbares Niveau zu Euro 3 ohne DPF (Volllast) bzw. darunter (Teillast und Leerlauf) reduziert. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass für ein zukünftiges Euro-6-Konzept zusätzlich zu der SCR-Technologie auch ein Partikelfilter eingesetzt werden wird, sodass sich hierüber eine deutliche weitere Absenkung der Partikelemissionen über das gesamte Größenspektrum bis auf oder sogar unter das Niveau des Euro-3-Motors mit DPF ergeben wird. Die Ergebnisse zeigen damit, dass durch ein SCR-System bei einem modernen Euro-6-Motor mit SCR und Partikelfilter die Partikelemissionen gegenüber einem Konzept nur mit Partikelfilter nicht erhöht werden. Abbildung 6.26: Einfluss SCR auf Partikelanzahl (Nfz-Motor) /63/ In Abbildung 6.27 ist die Korrelation zwischen der Festpartikelanzahl (CPC mit Verdampfungsstrecke) und Rußmasse (AVL483 MSS) für einen LKW-Motor mit SCR-System für verschiedene Fahrzyklen und Messungen mit/ohne SCR Katalysator sowie mit/ohne Harnstoffeinspritzung untersucht worden /121/. Zum einen zeigt sich, dass Partikelanzahl und Russkonzentration unter vergleichbaren Motorlasten und bei gleicher Verbrennungsstrategie gute Korrelationen aufweisen. Darüber hinaus zeigt sich auch, dass sich durch den Einsatz der SCR- Technologie keine negativen Auswirkungen auf die Partikelanzahlemission ergeben; es zeigt sich für keinen der untersuchten Zyklen eine Tendenz zur Verschiebung der Korrelation in Richtung einer erhöhten Partikelanzahl.

77 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 76 Abbildung 6.27: Korrelation zwischen Partikelmasse und anzahl mit und ohne SCR-System und mit/ohne Harnstoffdosierung /121/ Beim NO x -Speicherkatalysator ist intermittierend zur Regeneration der eingespeicherten Stickoxide ein unterstöchiometrischer (fetter) Betrieb des Dieselmotors erforderlich. Der Motorbetrieb unterscheidet sich dabei grundlegend vom charakteristischen überstöchiometrischen (mageren) Betrieb des Dieselmotors, sodass im Folgenden die Partikelemission aus dem Fettbetrieb eines Dieselmotors näher betrachtet werden soll. Abbildung 6.28 zeigt in diesem Zusammenhang die Partikelmassenemission eines Pkw- Dieselmotors im Rohabgas (d. h. vor der Abgasnachbehandlung) im Vergleich zwischen Mager- und Fettbetrieb für vier Motorbetriebspunkte. Es wird deutlich, dass sich abhängig vom Motorbetriebspunkt der Fettbetrieb hinsichtlich Partikelmasse und -zusammensetzung signifikant vom Magerbetrieb unterscheiden kann. Im Niedriglastbetrieb bei 1395 min -1 /1.9 bar steigt die Gesamtpartikelemission im Fettbetrieb deutlich an, wobei die Partikelmasse hier im Wesentlichen über angelagerte Kohlenwasserstoffe aus einer Nacheinspritzung begründet ist. Im Gegensatz dazu steigt im Betriebspunkt 1500 min -1 /3.2 bar die Gesamtpartikelemission im Wesentlichen über einen höheren Feststoffanteil an und im Betriebspunkt 3000 min -1 /2 bar nimmt die Partikelemission im Fettbetrieb sogar ab. Im Vergleich zum Magerbetrieb wird für die meisten Betriebspunkte in der Partikelgesamtmasse bei Fettbetrieb ein höherer Anteil eines unlöslichen organischen Pyrolysats, welches sich bei einer Temperatur von 500 bis 600 C zersetzt, beobachtet. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Auswirkungen des Fettbetriebs auf die Partikelemission und -zusammensetzung stark von der gewählten Strategie zur Darstellung des Fettbetriebs über die in Kapitel beschriebenen Maßnahmen abhängt und sich über das Katalysatorsystem DOC/NSK noch signifikant verändert.

78 Partikelanzahl dn/dlndp [1/m³] Partikelanzahl dn/dlndp [1/m³] 3 Partikelemission [mg/m ] Partikelemission [mg/m 3 ] Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen Gesamtpartikel 0 Gesamtpartikel Magerbetrieb n = /min Fettbetrieb p me = 1.9 bar 150 n = /min 125 p me = 2 bar NSOF Ruß Pyrolysat n. TGA n. TGA n = /min p me = 5 bar n = /min p me = 3.2 bar 1 NSOF 2 Ruß 3 4 n. TGA Abdampfung des Pyrolysats zwischen C Pyrolysat n. TGA Probennnahme vor DOC/NSK Abbildung 6.28: Partikelrohemission im Fettbetrieb für NSK (Pkw-Motor) /64/ Abbildung 6.29 zeigt ergänzend hierzu die Partikelgrößenverteilung für die vier Betriebspunkte im Vergleich zwischen Mager- und Fettbetrieb. Die Partikelgrößenverteilungen dieser Untersuchungen zeigen, dass eine höherer Rußemission beim Fettbetrieb im Vergleich zum Magerbetrieb nicht auf eine Erhöhung der Partikelanzahl zurückzuführen ist, sondern vielmehr auf einer Verschiebung der Partikelgrößenverteilung zu größeren Durchmessern beruht n = /min; p me = 1.3 bar n = /min; p me = 5 bar Magerbetrieb 10 9 Fettbetrieb n = /min; p 10 8 me = 2 bar n = /min; p 10 8 me = 3.2 bar Durchmesser [nm] Durchmesser [nm] Abbildung 6.29: Partikelrohemission im Fettbetrieb für NSK (Pkw-Motor) /64/

79 PM-Emissions [g/kw h] Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen Auswirkungen von Kraftstoffqualität und -art Wie in Kapitel 3.2 beschrieben hat sich mit der Emissionsgesetzgebung auch die Kraftstoffqualität entscheidend verbessert bzw. verändert. Im Folgenden sollen in diesem Zusammenhang die Auswirkungen der Kraftstoffeigenschaften auf die Partikelemission näher betrachtet werden. Der Schwefelgehalt des Kraftstoffs hat insbesondere beim Einsatz von Oxidationskatalysatoren über die Sulfatbildung einen großen Einfluss auf die Partikelemission, wie schon in Abbildung 6.10 und Abbildung 6.11 gezeigt wurde. In Ergänzung hierzu zeigt Abbildung 6.30 den Einfluss des Kraftstoff-Schwefelgehalts auf die Partikelemission für einen Nutzfahrzeugmotor mit einem für die Emissionsstufen Euro 4 bzw. Euro 5 relevanten Partikelemissionsniveau. Mit hohen Schwefelgehalten im Kraftstoff ist die Erreichung strenger PM- Grenzwerte gemäß dieser Darstellung nicht möglich, da die Sulfatbildung in einem so hohen Maße zur Partikelmasse beiträgt, dass die Grenzwerte überschritten werden. Dieser Anteil wird auch durch einen Partikelfilter nicht gemindert. Effect of Fuel Sulphur Level on PM Emissions In Europa ist mit der Einführung nahezu schwefelfreier Kraftstoffe heute der Sulfatanteil an den Partikeln downstream deutlich reduziert a CRT und damit -System hat sich die Partikelzusammensetzung hinsichtlich dieses Aspekts über die letzten Jahrzehnte signifikant verändert Industrial Engines Stage IIIb Limit HD EURO IV/V (ESC) PM Limit Source: Johnson Matthey (SAE TOPTEC 2000) Fuel Sulphur Level [ppm] Abbildung 6.30: Einfluss des Kraftstoff-Schwefelgehalts auf die Partikelemission /56/ In den letzten Jahren wird dem Dieselkraftstoff gemäß der gesetzlichen Bestimmungen vermehrt Bio-Diesel beigemischt. Ein erhöhter Bio-Diesel-Anteil hat im Allgemeinen eine leicht

80 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 79 erhöhte Stickoxidemission bei gleichzeitig deutlich reduzierter Partikelmassenemission zur Folge, was u. a. durch den höheren Sauerstoffanteil im Kraftstoff erklärt werden kann. Diese Aussage wird durch die Ergebnisse in Abbildung 6.31 für Rapsmethylester (RME) und Rapsöl- Kraftstoff (ROR) bestätigt (Anm.: neben RME und ROR sind auch Ergebnisse für einen Gasto-Liquid Kraftstoff (GTL) dargestellt), die an einem 7l Industriemotor ermittelt wurden. Insbesondere bei höherer Motorlast wird sowohl mit RME als auch ROR die Partikelmassenemission deutlich vermindert. Auch für die mit SMPS bestimmte Partikelanzahlkonzentration zeigt sich keine Erhöhung der Partikelanzahl für RME; für ROR nimmt dises sogar deutlich ab. Die spezifische Oberfläche LQ-DC ist für die beiden Biokraftstoff im Vergleich zu den anderen Kraftstoffen deutlich reduziert /118/. Abbildung 6.31: Einfluss Biokraftstoff (und anderen Kraftstoffen) auf Partikelemission /118/ Diese Ergebnisse werden durch Daten aus /74/, /117/ bestätigt und hinsichtlich Informationen zu Partikelgrößenverteilung und -struktur ergänzt. Hierzu wurden Untersuchungen an einem Euro-3-Nutzfahrzeugmotor im ESC-Test mit vier unterschiedlichen Kraftstoffen (konventioneller mineralischer Dieselkraftstoff, Rapsölmethylester, Aral Ultimate Diesel mit 5 % RME- Beimischung und Shell V-Power Dieselkraftstoff) durchgeführt. Die Partikelgrößenverteilung wurde mit SMPS (mit beheizter Verdünnung) sowie mit einem ELPI gemessen. RME weist im Vergleich zu allen anderen Kraftstoffen die geringste Partikelemission sowohl vor als auch nach Oxidationskatalysator (DOC) auf, was im Wesentlichen auf einen deutlich geringeren Feststoffanteil (ISF) zurückzuführen ist (Abbildung 6.32). In den Untersuchungen der Partikelzusammensetzung konnte für RME ein im Vergleich zu den anderen untersuchten Kraftstoffen erhöhter Anteil an unverbranntem Kraftstoff an den Partikeln nachgewiesen werden. Durch den Einsatz des Oxidationskatalysators ist es jedoch möglich, eine deutliche Reduktion des organisch löslichen Anteils (SOF) zu erzielen /74/.

81 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 80 Abbildung 6.32: Partikelzusammensetzung im ESC-Test ohne und mit DOC /74/ In den Messungen der Partikelanzahl wurden für RME analog zu den Ergebnissen der Partikelmassenemission die niedrigsten Emissionen nachgewiesen, die drei anderen Kraftstoffe zeigten untereinander ein ähnliches Emissionsverhalten hinsichtlich der Partikelanzahl /74/ (Abbildung 6.33 und Abbildung 6.34). Die Messungen mit SMPS wurden dabei ohne (20 C) und mit (250 C) beheizter Verdünnung durchgeführt. Zusätzliche Untersuchungen mit REM hinsichtlich der Partikelstruktur ließen keine Abhängigkeit vom verwendeten Kraftstoff erkennen /74/. Abbildung 6.33: Partikelgrößenverteilung mit SMPS nach DOC /74/

82 dn/dlog dp (normiert) / % Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 81 Abbildung 6.34: Partikelgrößenverteilung mit ELPI mit und ohne DOC /74/ Auch in Abbildung 6.35 ist mit zunehmendem Anteil an FAME (Biokraftstoff) analog zur Partikelmassenreduktion eine deutliche Reduktion der Partikelanzahlemission erkennbar. Die Partikelanzahl nimmt dabei hier für kleine Partikel mit steigendem FAME-Anteil zu. Hier ist ggf. ein Einfluss hochsiedender Kraftstoffanteile aus dem Biokraftstoff auf die Partikelanzahlmessung nicht auszuschließen Diesel 60 % Diesel, 40 % FAME FAME 60 n = 1500 min -1 Teillast Partikeldurchmesser dp / nm Abbildung 6.35: Einfluss Biokraftstoff auf Partikelanzahlemission /70/ Ein signifikanter Einfluss von Biodiesel (hier: FAME) auf die Partikelstruktur konnte auch in /70/ an einem Einzylinder Dieselmotor nicht gefunden werden. Die Ergebnisse zeigen hier vergleichbare Primärpartikelgrößen und Agglomeratgrößen im direkten Vergleich zwischen FA- ME-Ruß und Diesel-Ruß (Abbildung 6.36).

83 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 82 FAME-Ruß Diesel-Ruß Primärpartikelgröße: 28 nm Agglomeratgröße: nm Primärpartikelgröße: 32 nm Agglomeratgröße: nm Abbildung 6.36: Einfluss Biokraftstoff auf Partikelmorphologie (Diesel-Einzylinder) /70/ In /71/ gezeigte Untersuchungen zur Struktur von Rußpartikeln für ULSD zeigen (Ultra-lowsulfur-Diesel) mit 20 % Biodiesel-Anteil (B20) eine signifikant weniger geordnete Struktur (amorphe Strukturen) im Vergleich zum konventionellen Dieselkraftstoff (ULSD). Als mögliche Ursachen für die unterschiedlichen Strukturen werden eine unterschiedliche Zeit- Temperaturhistorie im Brennraum sowie die unterschiedliche Kraftstoffzusammensetzung und damit unterschiedliche Kraftstoffzersetzung und Rußbildungsprozesse genannt. Abbildung 6.37: Einfluss von Biodiesel auf Rußstruktur /71/ 6.4 Entwicklung Partikelemissionen Gesamtsystem In diesem Kapitel sollen Ergebnisse von Untersuchungen dargestellt werden, die einen direkten Vergleich von Motoren bzw. Fahrzeugen über mehrere Emissionsstufen zum Inhalt haben, um

84 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 83 die Auswirkungen der veränderten Motor- und Abgasnachbehandlungstechnologien auf die Partikelemissionen im unmittelbaren Vergleich aufzeigen zu können. Abbildung 6.38 zeigt vor diesem Hintergrund einen Vergleich der Partikelmassenemission für unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten für je ein Euro-3- (ohne DPF), Euro-4- (mit DPF) und Euro-5-Fahrzeug (mit DPF). Die Messwerte bis 100 km/h sind dabei aus einem NEFZ- Test (inkl. Kaltstart) entnommen, die Messwerte über 100 km/h aus stationären Messungen. Es zeigt sich beim Übergang von Euro 3 zu Euro 4/5 eine deutliche Reduzierung der Partikelmassenemission durch Einsatz des Partikelfilters über den gesamten Geschwindigkeitsbereich. Mit dem Einsatz des Diesel-Partikelfilters erfolgt somit eine zuverlässige Reduktion der Partikel im gesamten Betriebsbereich und unter allen Betriebszuständen des Motors. Abbildung 6.38: Entwicklung der Partikel-Emissionen Euro 3 bis Euro 5 /73/ Abbildung 6.39 und Abbildung 6.40 zeigen am Beispiel des VW Golf die Entwicklung der Partikelmassen- und -anzahlemission sowie der Partikelgrößenverteilung in der Rohemission (d. h. vor DPF) von der Emissionsstufe Euro 1 bis hin zur Emissionsstufe Euro 4. Eine weitere mögliche Reduktion der Partikelanzahl ab Euro 4 durch den Einsatz eines Partikelfilters ist in diesem Vergleich nicht berücksichtigt. Die Darstellungen zeigen deutlich, dass über die Emissionsstufen die Partikelmassenemission durch eine Kombination verschiedenster motorischer Maßnahmen deutlich reduziert wurde und dabei in nahezu direkter Korrelation auch die Partikelanzahl reduziert werden konnte. Die Partikelanzahl kann dabei gleichmäßig über das gesamte Größenspektrum abgesenkt werden. Ein negativer Einfluss der technologischen Maßnahmen zur Emissionsreduzierung (z. B. erhöhter Einspritzdruck) auf die Partikelanzahlemission kann somit nicht nachgewiesen werden.

85 Partikelanzahl / #/km Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 84 Abbildung 6.39: Entwicklung der Partikel-Emissionen (ohne DPF); Beispiel: Diesel-PKW (VW Golf) im NEFZ /65/ Euro 4 Euro 3 Euro 2 Euro Partikeldurchmesser / nm Abbildung 6.40: Entwicklung der Partikel-Emissionen; Beispiel: Diesel-PKW (VW Golf) im NEFZ /65/ In /66/ wurden Untersuchungen an einem weiten Bereich von Diesel-Motortechnologien und unterschiedlichen Herstellern hinsichtlich der Partikelmassen- und -anzahlemission durchgeführt (Abbildung 6.41). Sowohl für Pkw- (gemessen mit SMPS bei 100 km/h) als auch für Nutzfahrzeug-Motoren (gemessen mit SMPS bei konstanter Last) konnte dabei innerhalb eines gewissen Streubereichs eine Abnahme der Partikelanzahl in Korrelation zu der Abnahme der Partikelmasse gefunden werden. Auch die Partikelgrößenverteilung (Abbildung 6.42) zeigt für die modernen Dieselverfahren keinen Trend in Richtung kleinerer Partikel im Vergleich zu konventionellen Motoren. Eine Tendenz zu erhöhter Partikelanzahlemissionen durch die technologischen Maßnahmen zur Emissionsreduzierung kann somit auch hier nicht abgeleitet werden.

86 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 85 Abbildung 6.41: Entwicklung der Partikel-Emissionen Diesel-PKW und -Nutzfahrzeuge /66/ Abbildung 6.42: Entwicklung der Partikelanzahl-Emissionen für Diesel-Pkw /65/ In /44/, /46/ wurde die Korrelation zwischen Partikel- bzw. Rußmasse und Partikelanzahl durch Vermessung verschiedener Fahrzeuge ohne und mit Partikelfilter untersucht (Abbildung 6.43). Es zeigt sich eine annähernd lineare Korrelation zwischen Partikelmassen- und -anzahlemission für Fahrzeuge ohne DPF, welche in etwa 2 * Partikel je mg beträgt. Die Korrelation lässt sich bzgl. der Anzahl von Feststoffpartikeln und der Rußmasse auch auf Fahrzeuge mit Partikelfilter übertragen, was durch die Tatsache, dass in modernen, mit einem Oxidationskatalysator ausgestatteten Dieselmotoren Ruß die wesentliche Komponente der Partikel darstellt, sowie den gleichmäßig hohen Filtrationswirkungsgrad über das Partikelgrößenspektrum zu erklären ist. Aus dieser Korrelation ergibt sich für das Euro-6-Limit für die Partikelanzahl von 6 * Partikel/km eine Rußmasse von nur 0,3 mg/km, die um eine Faktor größer 10 unter dem Grenzwert liegt. Gemäß dieser Betrachtung wird für die Euro-6-Gesetzgebung beim Pkw zukünftig die Partikelanzahl die entscheidende Größe darstellen.

87 Partikelanzahl [1/km] Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 86 Abbildung 6.43: Korrelation zwischen Partikelmasse und Partikelanzahl /44/, /46/ In Abbildung 6.44 sind die Ergebnisse von Untersuchungen an mehreren Pkw mit den Emissionsstufen Euro 2 bis Euro 4 (alle ohne Partikelfilter) im NEFZ-Testzyklus auf dem Rollenprüfstand dargestellt. Bei der Betrachtung der Rußemissionen ist zu berücksichtigen, dass bei den Untersuchungen Fahrzeuge aus dem Feld mit zum Teil erheblichen Laufleistungen verwendet wurden. Auch aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen ergeben sich keine Indizien für eine erhöhte Partikelanzahlkorrelation von Motorkonzepten mit niedrigen Partikelmassenemissionen. 8E+13 7E+13 6E+13 EU5 / EU6: 6.0 x [1/km] EU 2 EU 2 5E+13 4E+13 EU 3 EU 3 EU 4 EU 3 3E+13 EU 3 EU 3 EU 4 2E+13 EU 4 EU 3 EU 4 1E+13 Untersuchungen an Fahrzeugen aus dem 0 Feld mit z. T. erheblicher Laufleistung PM [g/km] Abbildung 6.44: Korrelation zwischen Massen- und Anzahlemission // In /68/ und /79/ sind Vergleiche zur Rußstruktur zwischen einem Euro-3-Ruß und einem Euro- 4-Ruß dargestellt. Die Untersuchungen wurden an einem MAN-D0836-Motor durchgeführt, der für die Erreichung der Euro-4-Emissionswerte über Anpassung der Einspritz- und Aufladeparameter sowie AGR-Rate eingestellt wurde. Um die Euro-4-Partikelgrenzwerte zu erreichen, wurde zusätzlich ein Partikelkatalysator eingesetzt. Während der Euro-3-Ruß einen Zwiebelschalen-ähnlichen Aufbau zeigt, sind für den Euro-4-Ruß in der Mehrheit neben in geringerer Anzahl vorliegenden rundlichen Primärpartikeln mit Schalenstruktur fullerenartige Strukturen erkennbar. Als mögliche Ursache hierfür wird eine erhöhte AGR-Rate mit entsprechenden

88 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 87 Auswirkungen auf die Randbedingungen während der Rußbildung genannt /68/. Die fullerenartigen Primärpartikel besitzen eine ausgeprägte Koagulationsneigung und sind damit stets Bausteine eines größeren Rußagglomerats /79/. In ähnlicher Weise wurde in /69/ die Struktur von Euro-4-Ruß mit der von Euro-6-Ruß verglichen. Die Sammlung von Euro-4-Ruß erfolgte dabei während zweier aufeinanderfolgender WHTC-Zyklen (world harmonized transient cycle) aus dem unverdünnten Rohabgas eines MAN-D20-Motors, der die Euro-4-Abgasnorm erfüllt. Der als Euro-6 bezeichnete Ruß wurde während zweier aufeinanderfolgender ESC-Zyklen (european stationary cycle) an einem MAN-D26-Motorenprüfstand gesammelt, welcher für die Erfüllung der Euro-6-Norm für Nutzfahrzeuge ausgelegt ist. Zwischen Euro-4- und Euro-6-Ruß wurden hier keine ausgeprägten morphologischen Unterschiede festgestellt. Es existiert eine ähnliche Anordnung der Graphenschichten, welche durch einen analogen Rußbildungsprozess unter sauerstoffarmen Bedingungen und hohen Temperaturen erklärt werden kann. Eine mögliche Erklärung könnte darin liegen, dass Euro-4- und Euro-6-Motor ähnliche Brennverfahren u. a. auch mit vergleichbaren AGR-Raten nutzen und die Euro-6-Stickoxidgrenzwerte bei vergleichbarer Rohemission über ein nachgeschaltetes SCR-System erreicht werden. Dies kann aus der Literaturquelle aber nicht belegt werden. Euro III -Ruß Euro IV -Ruß Core-Shell-Aufbau: ungeordneter Kern stapelförmig aufgebaute (A), zwiebelartige Schale fullerenartiger Aufbau: kein erkennbarer Kern zu geringer Energieeintrag für Bildung von geordnetem zwiebelartig aufgebautem Ruß Aufbau aus verdrehten Bandstrukturen (B) mögliche Ursache: erhöhter AGR-Anteil Abbildung 6.45: Vergleich Diesel-Nfz, Euro-3- vs. Euro-4-Ruß /68/ Euro IV -Ruß Euro VI -Ruß Euro IV & Euro VI Ruß zeigen ähnliche Struktur mögliche Ursache: analoger Rußbildungsprozess Abbildung 6.46: Vergleich Diesel-Nfz, Euro-4- vs. Euro-6-Ruß /69/

89 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen 88 7 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen Im Rahmen der vorliegenden Studie soll eine Darstellung der Emissionsverbesserungen durch die Einführung/Weiterentwicklung von Technologien mit Schwerpunkt auf den Partikelemissionen erfolgen. Weitere Emissionen (z. B. NO x /NO 2 -Emissionen, PAH, Aldehyde, N 2 O) sollen im Rahmen der Studie nur betrachtet werden, sofern aus den Quellen verfügbar; eine detaillierte Betrachtung erfolgte im Rahmen der Studie nicht. Aus diesem Grund stellen die folgenden Daten nur einen Auszug dar und erheben keinen Anspruch auf eine umfassende Darstellung der Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen. 7.1 Stickstoffoxid-Emissionen Stickstoffdioxid (NO 2 ) kommt im Zusammenhang mit modernen Abgasnachbehandlungssystemen wie schon in Kapitel 5.2 beschrieben eine wichtige Bedeutung zu: Im Diesel-Oxidationskatalysator erfolgt neben der Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen auch eine Oxidation von NO zu NO 2. Im Dieselpartikelfilter kann das NO 2 unter günstigen Betriebsbedingungen (insbesondere ausreichende Abgastemperatur) für eine passive Regeneration des Filters genutzt werden. Bei der SCR-Technologie wird insbesondere die Niedertemperaturaktivität durch einen NO 2 -Anteil von 50 % im Abgas deutlich verbessert. Beim NO x -Speicherkatalysator erfolgt die Einlagerung der Stickstoffoxide über NO 2. Abbildung 7.1 zeigt beispielhaft die NO 2 -Emissionen am Motoraustritt nach Oxidationskatalysator und nach einem nicht mit Ruß beladenen beschichteten Partikelfilter (CDPF) am Beispiel eines Euro-4-Pkw-Dieselmotors. Es wird deutlich, dass schon vor dem Abgasnachbehandlungssystem insbesondere im Niedriglastbereich (d. h. bei geringen Abgastemperaturen) signifikante NO 2 -Anteile im Rohabgas enthalten sein können. Nach Oxidationskatalysator werden für Abgastemperaturen > 350 C NO 2 -Anteile nahe dem chemischen Gleichgewicht erreicht, während für Temperaturen < 350 C die NO 2 -Bildung durch Konkurrenzreaktionen mit der CO- und HC-Oxidation behindert wird und für niedrige Temperaturen sogar ein Abbau von NO 2 über den DOC erfolgen kann. Ein beschichteter, in diesem Beispiel nicht mit Ruß beladener Partikelfilter kann die NO 2 -Bildung insbesondere im Niedertemperaturbereich noch einmal deutlich verbessern, sodass auch hier NO 2 -Anteile nahe dem chemischen Gleichgewicht erreicht werden können. Bei der passiven Partikelfilterregeneration (siehe auch Abschnitt ) wird bei einer ausreichenden Abgastemperatur Ruß über eine Reaktion mit NO 2 abgebaut. Aus den möglichen Reaktionsgleichungen lässt sich hierfür ein Massenverhältnis von benötigtem NO 2 zu Ruß zwischen etwa 4 und 8 ableiten; in realen Rußabbrandtests wird typischerweise ein Massenverhältnis von rund 8 gefunden, was auf ein Überwiegen des Rußabbaus über die zweite Reaktionsgleichung nach Abbildung 7.1 schließen lässt.

90 Verhältnis verbrauchtes NO2 über Filter/ abgebaute Russmasse [-] ratio used NO2 / converted soot mass [-] NO2/NOx-Ratio[-] Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen upstream catalyst downstream catalyst downstream (unloaded) CDPF Temperature [ C] Abbildung 7.1: NO 2 -Emissionen nach Motor, nach DOC und nach CDPF // Possible reactions: NO 2 + C CO + NO 2 NO 2 + C CO NO 20 Theoretical mass ratio for consideration of both reactions: 4 < m NO2 / m C < Actual required mass ratio m NO2 / m C ~ kumulierte CumulatedPartikelrohemission PM raw emission [g] [g] Abbildung 7.2: Massenverhältnis NO 2 zu Ruß für passive Partikelfilterregeneration // Abbildung 7.3 zeigt beispielhaft die NO 2 -Emissionen vor und nach einem Partikelfilter während der passiven Regeneration über der Rußbeladung des Filters. Es zeigt sich, dass mit zunehmender Beladung des Filters ein signifikanter Anteil des NO 2 für die Rußoxidation verbraucht wird und die NO 2 -Emissionen nach DPF damit unter der Eingangskonzentration liegen. Damit wird bei der passiven Partikelfilterregeneration, die in weiten Kennfeldbereichen bei jedem Partikelfiltersystem auftritt, unmittelbar ein signifikanter Anteil des auf dem DOC gebildeten NO 2 zum Rußabbrand wieder verbraucht. Es sei in diesem Zusammenhang jedoch darauf hingewiesen, dass Partikelfilter heute vielfach auch katalytisch beschichtet sind und

91 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen 90 über die katalytische Beschichtung im Allgemeinen wieder eine Erhöhung der NO 2 - Konzentration u. a. im Hinblick auf ein nachgeschaltetes SCR-System erfolgt NO2 [g/km] upstream filter NO2 [g/km] downstream filter NO 2 used for soot oxidation DPF Loading [g] Abbildung 7.3: NO 2 -Emission vor und nach Partikelfilter bei passiver Regeneration (schematisch) // War der Übergang von Euro 2 zu Euro 3 trotz verminderter NO x -Emissionen vielfach durch den Einsatz eines Oxidationskatalysators noch mit einem Anstieg der NO 2 -Emissionen verbunden, so können mit aktuellen Euro-5-/Euro-6-Emissionskonzepten unter Nutzung von Abgasnachbehandlungssystemen parallel zu den NO x -Emissionen auch die NO 2 -Emissionen im Vergleich zu Euro-3-Konzepten deutlich verringert werden. Somit leisten Konzepte zur Verminderung der NO x -Emissionen auch einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung der NO 2 -Emissionen. Abbildung 7.4: NO 2 -Emission vor und nach Partikelfilter bei passiver Regeneration (schematisch) /47/ Ein SCR-System kann dabei sogar überproportional zur Reduktion der NO 2 -Emissionen beitragen, da gemäß der Reaktionsmechanismen bis zu einem Anteil von 50 % NO 2 im Abgas zunächst bevorzugt NO 2 über die SCR-Reaktion abgebaut wird. Dies ist in Abbildung 7.5 beispielhaft für einen Pkw mit Partikelfilter und nachgeschaltetem SCR-System im europäischen

92 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen 91 Testzyklus (NEFZ) gezeigt. Während nach DPF und damit vor SCR (oberes Teildiagramm) der NO 2 -Anteil an den gesamten Stickoxidemissionen noch bei rund 50 % liegt, nimmt der NO 2 - Anteil nach SCR-System bei gleichzeitig von 110 auf 45 mg/km reduzierter Gesamt- Stickoxidemission deutlich ab (unteres Teildiagramm). Abbildung 7.5: NO x -/NO 2 -Emissionen vor und nach SCR-System /47/ 7.2 Sonstige Emissionen In /49/ wurde der Einfluss verschiedener Abgasnachbehandlungssysteme (unbeschichteter Partikelfilter, beschichteter Partikelfilter, kombinierte Partikelfilter-und SCR-Konzepte) auf die PAH (Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) sowie Nitro-PAH-Emissionen untersucht. Wie in Abbildung 7.6 dargestellt ist, wurde dabei eine Reduktion der gesamten PAH- Emissionen von über 90 % für die untersuchten Abgasnachbehandlungssysteme gemessen. Die Reduktion der partikelförmigen PAH liegt dabei über 95 % und ist unabhängig von der kataly-

93 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen 92 tischen Beschichtung, während die Reduktion der gasförmigen PAH von der katalytischen Beschichtung sowie der Abgastemperatur beeinflusst wird. In Abbildung 7.7 ist dargestellt, dass auch für die Nitro-PAH ohne Abgasnachbehandlung um Größenordnungen höhere Emissionen von 1-Nitro-Pyrenen (das dominante Nitro-PAH) im Vergleich zu Motoren mit beschichtetem und unbeschichtetem DPF gemessen werden. Nicht beschichtete DPF zeigen dabei höhere Emissionen von 3-Nitrophenanthrene im Vergleich zur Basis. Die beiden untersuchten SCR-Systeme führen nicht zu einer Erhöhung der Nitro-PAH Bildung /49/. Es kann also festgehalten werden, dass auch für diese Emissionen ein positiver Einfluss des DPF gegeben ist. Abbildung 7.6: PAH-Emissionen mit Abgasnachbehandlung /49/ Abbildung 7.7: Nitro-PAH-Emissionen mit Abgasnachbehandlung /49/