Abgasnachbehandlung bei Kraftfahrzeugen

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1 Abgasnachbehandlung bei Kraftfahrzeugen Fachtagung Luftqualität an Straßen 5. und 6. März 2008 Jost Gail Bernd Bugsel Bundesanstalt für Straßenwesen

2 Übersicht Entstehung und innermotorische Vermeidung von schädlichen Abgaskomponenten Notwendigkeit der Abgasnachbehandlung Abgasnachbehandlungssysteme Minderung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid Drei-Wege-Katalysator Oxidationskatalysator Partikelminderung Filter Entstickung Abgasrückführung Speicherkatalysatoren Selektive katalytische Reduktion Folie Nr. 2

3 Entstehung und innermotorische Vermeidung von schädlichen Abgaskomponenten Hauptprodukt bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen: Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O) Benzin: Heptan C 7 H 16 H: 1 g/mol C: 12 g/mol O: 16 g/mol ( )g/mol = 100 g/mol für Heptan ( )g/mol = 44 g/mol für CO 2 1 mol Heptan verbrennt zu 7 mol CO 2 aus 1 kg C 7 H 16 entstehen 3,08 kg CO 2 Folie Nr. 3

4 Entstehung und innermotorische Vermeidung von schädlichen Abgaskomponenten Problem: unvollständige Verbrennung Zu wenig Luft (fettes Gemisch): Entstehung von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) Zu viel Luft (mageres Gemisch): Entstehung von Stickoxiden (NO x ) Zu hohe Verbrennungstemperaturen: Entstehung von NO x Zu geringe Verbrennungstemperaturen: Entstehung von Partikeln (PM) Quelle: google Folie Nr. 4

5 Entstehung und innermotorische Vermeidung von schädlichen Abgaskomponenten Innermotorische Abhilfe: Stöchiometrisches Gemisch (Luft-Kraftstoff-Verhältnis 14,7 : 1) λ = 1 Hohe Einspritzdrücke Zündzeitpunkt Pilot- und Nacheinspritzungen Kühlung des Gemisches Trotzdem: Abgasnachbehandlung auf Grund der hohen Anforderungen der Grenzwertgesetzgebung erforderlich Folie Nr. 5

6 Abgasnachbehandlungssysteme 3-Wege Katalysator Umsetzung von HC, CO und NO x Oxidation: 2 CO + O 2 -> 2 CO 2 2 C 2 H O 2 -> 4 CO H 2 O Reduktion: 2 NO + 2 CO -> N CO 2 Voraussetzung: λ = 1 (14,7 kg Luft pro 1 kg Kraftstoff) λ Sonde Luftmassenmesser Folie Nr. 6

7 Oxidationskatalysator Analoger Aufbau zum 3-Wege-Katalysator Für λ > 1 (mageren Betrieb = Luftüberschuss) beim Dieselmotor NO-Reduktion nicht möglich Nur Umsetzung von HC und CO Folie Nr. 7

8 3-Wege Katalysator Oxidationskatalysator Träger: Keramik (z. B. AlMg-Silikat) oder Metallfolien Zwischenschicht: Al 2 O 3 Katalytisch aktive Schicht: Pt / Rh (5:1) oder Pd Gehäuse mit Dämmaterial Quelle: Folie Nr. 8

9 3-Wege Katalysator Oxidationskatalysator Anspringtemperatur ca. 250 C, deshalb: Motornahe Montage Elektrische Heizung Spätzündung Typische Schädigungen: Thermische Alterung Chemische Vergiftung Mechanische Vergiftung Mechanische Beschädigung Folie Nr. 9

10 HC-Emissionen des Straßenverkehrs Quelle: TREMOD 4.17 Folie Nr. 10

11 Partikel- und Stickoxidminderung Quelle: TREMOD 4.17 Folie Nr. 11

12 Partikel- und Stickoxidminderung Quelle: TREMOD 4.17 Folie Nr. 12

13 Zielkonflikt zwischen Partikel- und Stickoxidemissionen Partikel NO x Folie Nr. 13

14 Partikelminderung Filterung offene / geschlossene Systeme Abbrand der Filterbeladung (Regeneration), dafür Temperatur über 600 C nötig Kontinuierliche (CRT) od. periodische Regeneration Regeneration durch Anhebung der Temperatur (z. B. Nacheinspritzung) Regeneration mit Hilfe eines Katalysators, der die Abbrandtemperatur herabsetzt Mit Additiv (Katalysator im Kraftstoff) Mit katalytisch beschichtetem Filter Folie Nr. 14

15 Partikelfilter Offene und geschlossene Partikelfilter: Quelle: / Daimler Folie Nr. 15

16 Wirkprinzip geschlossener und offener Partikelfilter wanddurchströmt Gasströmung geschlossenes System Gasströmung offenes System geringerer Abscheidegrad Folie Nr. 16

17 Filterbeladung Mehrverbrauch durch: Abgasgegendruck des Filters Druckanstieg wg. Filterbeladung Abgas- geg gendruck Temperaturanhebung zum Freibrennen Fahrstrecke Folie Nr. 17

18 Periodische Regeneration (bei ca. 650 C) Ge egendruck Filter voll Druckanstieg wegen Ascheablagerungen Zeit Folie Nr. 18

19 CRT: Continuously Regenerating Trap Vorgeschalteter Oxikat: NO + ½ O 2 -> NO 2 Partikelfilter: NO 2 + C -> CO 2 + ½ N 2 (bei ca. 200 C C) Oxi- Kat Filter Einsatz: große Dieselmotoren (Busse) Nachteil: NO 2 -Emissionen möglich Folie Nr. 19

20 Partikelfilter mit Kraftstoffadditiv Quelle: Folie Nr. 20

21 Partikelfilter mit Kraftstoffadditiv Additiv: Eolys, Cer-Verbindung Permanent im Kraftstoff enthalten Regeneration nach ca. 700 km Reichweite: 5 l für km Vorteile: Niedrige Regenerationstemperatur Kurze Regenerationsdauer Nachteile: Zusatzkomponenten Additiv Aschebildung Regenerationsd dauer mit Additiv ohne Temperatur Folie Nr. 21

22 Entstickung Abgasrückführung NO x -Speicherkatalysator Selektive Katalytische Reduktion (SCR) Folie Nr. 22

23 Abgasrückführung (AGR) AGR Kühler Rückführventil Luft Motor Abgas Folie Nr. 23

24 Abgasrückführung Verbrennungstemperatur sinkt, insbesondere bei AGR- Kühlung Angesaugte Luft wird durch Abgas ersetzt, dadurch abgesenkte Sauerstoffkonzentration Verminderung der Stickoxidemissionen Folie Nr. 24

25 NO x -Speicherkatalysator Quelle: VW Folie Nr. 25

26 NO x -Speicherkatalysator Speicherung: (λ > 1) NO + O 2 NO 2 NO 2 + BaCO 3 Ba(NO 3 ) 2 + CO 2 Katalysatoroberfläche (Pt, Rh) Regeneration: (λ < 1) CO + Ba(NO 3 ) 2 NO + O 2 Katalysatoroberfläche (Pt, Rh) NO + O 2 + CO CO 2 + N 2 Folie Nr. 26

27 NO x -Speicherkatalysator Arbeitet optimal im Temperaturfenster zwischen 250 C und 450 C Regeneration muss durch Motorsteuerung eingeleitet werden: Speicherung s, Regeneration: 1 2 s Schwefel im Kraftstoff vergiftet den Katalysator regelmäßige Entschwefelungen bei über 600 C (ca. alle 1000 km) Katalysator altert Folie Nr. 27

28 SCR-Technologie SCR = Selektive Katalytische Reduktion Reagens: 32,5 %ige wässrige Harnstofflösung (AdBlue) Einsprühen in den Abgasstrang vor dem SCR-Kat 1. Umsetzung von Harnstoff zu Ammoniak: CO(NH 2 ) 2 + H 2 O -> 2 NH 3 + CO 2 2. Reaktion der Stickoxide mit Ammoniak 4 NO + 4 NH 3 + O 2 -> 4 N H 2 O 2 NO + 2 NO NH 3 -> 4 N H 2 O Ggf. Vorschalten eines Oxi-Kat zur Erzeugung von NO 2 aus NO zur Beschleunigung der zweiten Reaktion Folie Nr. 28

29 SCR-Technologie Vorratsbehälter für AdBlue Dosierung Oxi-Kat Abgas Katalysator zur Umsetzung der Stickoxide Oxi-Kat Stickstoff, Wasser, Kohlendioxid Partikelfilter Katalysator zur Ammoniakerzeugung Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2007 Folie Nr. 29

30 AdBlue Quelle: gemmaoleje.pl / pipesystems.com 32,5 %ige wässrige Harnstofflösung DIN Nicht entzündlich Nicht brandfördernd Korrosiv gegenüber Metallen und Beton AdBlue ungleich BlueTec Folie Nr. 30

31 SCR-Technologie Lösung des Zielkonfliktes NO x / Partikel / Kraftstoffmehrverbrauch Partikel innermotorisch SCR Katalysator Partikelfilter NO x Folie Nr. 31

32 SCR-Technologie Teurer und komplexer als Speicherkatalysatoren Zusätzliches Reagens, Behältnis und Dosiereinrichtung nötig AdBlue-Infrastruktur nötig Höhere NO x -Konversionsraten (90 %) Größeres Temperaturfenster Langzeitstabil Entschärft den NO x -PM-Verbrauchs-Zielkonflikt Folie Nr. 32

33 Zusammenfassung Problem: Unvollständige Verbrennung sowie Trade-offs zwischen den Abgaskomponenten Geeignete fahrzeugtechnische Maßnahmen zur Verminderung der Abgasemissionen existieren Innermotorisch oder Abgasnachbehandlung Der 3-Wege-Kat setzte den Startpunkt Auch zur Partikel- und Stickoxidminderung sind Lösungen vorhanden Die Grenzwertgesetzgebung trägt zur sukzessiven Ausrüstung der Flotte mit Abgasnachbehandlungstechnologien bei Folie Nr. 33