Abgasrückführung

Abgasrückführung AGR

Die ab Oktober 2000 geltenden Euro 3 Richtlinien fordern eine Reduzierung der Stickoxide (No x) im Abgas auf weniger als 5 g/kwh. Die technischen Maßnahmen zur Erhaltung dieses Wertes führen zu Kraftstoffmehrverbrauch.

Um diesen Mehrverbrauch zu minimieren, sind Euro 3 Motoren mit einer gekühlten Abgasrückführung AGR ausgestattet. Mit der AGR wird der angesaugten Luftmenge ein Teil der Abgase beigemischt, um die Verbrennungstemperatur weiter zu senken. Durch diese Maßnahme wird die spezifische Wärme der Ansaugluft erhöht und der Sauerstoffgehalt vermindert.

Wärmetauscher zur Abgasrückführung

Von zwei Abnahmestellen vor dem Turbolader wird Abgas in getrennten Rohren durch Wärmetauscher geführt, der an den Kühlkreislauf angeschlossen ist.

Das abgekühlte Abgas wird über Druckspitzenventile, die den pulsierenden Druck des Abgasstromes ausnutzen, der angesaugten Luftmenge im Abgaskrümmer beigemischt. Der Sauerstoffüberschuss der Ladeluft wird damit vermindert und deren spezifische Wärmekapazität erhöht.

Gekühlte Abgasrückführung am MAN Motor

1 Abgasabnahmestellen 2 AGR- Wärmetauscher (Kühler)

3 Druckspitzenventil 4 AGR- Abschaltventil

5 Ansaugtrakt 6 Kühlwasseranschluss

Beide Einflüsse senken die Verbrennungstemperatur und damit die Stickoxidbildung im Abgas. Eine Verstellung des Einspritzzeitpunkts nach spät ist nicht notwendig, und eine übermäßige Belastung des Motoröls durch Verbrennungsruß (innere AGR) wird vermieden.

EDC- Steuerung

Abhängig vom Motorbetriebszustand steuert das EDC- Steuergerät eine elektronpneumatische Absperrklappe im Verbindungsrohr zwischen AGR- Wärmetauscher (Kühler) und dem Ansaugrohr. Damit wird bei Kaltstart und im Motorbremsbetrieb die Abgasrückführung abgeschaltet.

Grenzen innermotorischer Maßnahmen

Beim derzeitigen Stand der Technik sind die innermotorischen Maßnahmen zur Schadstoffreduzierung in Verbindung mit der externen gekühlten Abgasrückführung AGR noch nicht ausreichend, um die EURO 4 Grenzwerte einzuhalten.

Selektive katalytische Reduktion SCR

Selektive katalytische Reduktion SCR

Zur Verminderung des Nox- Gehaltes der Abgase bei Dieselmotoren werden Maßnahmen zur Motorgestaltung, die Abgasrückführung und in Zukunft der so genannte geregelte Dieselkatalysator GDK eingesetzt. Das hierbei angewandte SCR- Verfahren (Selective- Catalytic Reduction) ist in der Kraftwerkstechnik erprobt und bewährt.

Im Gegensatz zum Oxidationskatalysator entzieht die katalytische Reduktion den Sauerstoff aus schädlichen Abgasbestandteilen, um diese in unschädliche Stoffe umzuwandeln. Das Verfahren heißt selektiv, weil das Reduktionsmittel Ammoniak bevorzugt (selektiv) mit dem Sauerstoff der Stickoxide reagiert.

Der GD- Kat stellt eine MAN Entwicklung des GDK dar. Um zu einer kompakten Einheit zu gelangen, werden die Katalysator- Komponenten getrennt und minimiert. ZU seinem Betrieb ist praktisch schwefelfreier Dieselkraftstoff notwendig (seit 2003 Flächendeckend in Europa). Das zusätzlich erforderliche Betriebsmittel Harnstoff wird unter der Bezeichnung AdBlue über das Tankstellennetz und auf entsprechenden ausgerüsteten Betriebshöfen verfügbar sein. Der Serienmäßige Einsatz für den GD- Kat gibt es seit 2005.

Geregelter- Dieselkatalysator GDK

Der geregelte Dieselkatalysator GDK zur Nox- Reduktion des Abgases wurde ab 1992 von einem Konsortium der Führenden europäischen Nutzfahrzeugherstellern und Siemens entwickelt.

Das Verfahren der Nox- Reduktion mit Hilfe von Ammoniak an einem Katalysator ist aus der Kraftwerkstechnik unter dem Begriff “Entstickung” bekannt. Mit reinem Ammoniak erreicht man hier Stickoxidminderungsraten von über 90%.

Wie der Umgang mit reinem Ammoniak aber gefährlich ist, wird im Nfz nur harmloses Harnstoffwasser verwendet, aus dem erst im Katalysator- Ammoniak generiert wird. Mit der Verwendung von Harnstoffwasser wird die Reduktion des Not -Gehaltes im Abgas bis zu 60% erreicht. Auch der Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen sinkt durch die Umsetzung mit dem Restsauerstoff im Abgas. Zusätzliche Emissionen treten nicht auf.

Das Konzept des GDK wurde vor allem wegen der geringen Partikelverminderung nicht zur Serienreife entwickelt. Es wäre keine Erfüllung der EURO 4- Norm möglich gewesen.

GD- Kat

Der GD- Kat kombiniert Oxikat und SCR- Kat mit entsprechender Harnstoffversorgung. Die Reinigung und Nox- Reduktion des Abgases läuft in vier Stufen ab. Man könnte von einem Vier- Wege- Kat sprechen:

Schema des GD- Kat.

a Abgaseintritt b Luftzufuhr c Auspuff (gereinigtes Abgas)

1 AdBlUE Tank 2 Temperatursensor

3 Füllstandssensor 4 Fördermodul

5 Luftspeicher 6 Luftverdichter

7 Abgassensor (Nox- Sensor) 8 Abgastemperatursensor

9 Dosiermodul 10 Steuergerät

1. Stufe: Oxidationskatalysator

Reaktion von CO (Kohlenmonoxid), HC (Kohlenwasserstoff), NO (Stickstoffmonoxid) und der Russpartikel C mit O2 (Sauerstoff) zu CO2 (Kohlendioxid) H2O (Wasserdampf) und NO2 (Stickstoffdioxid), die als Ausgangsprodukte für den SCR- Kat benötigt werden (Bild 3).

C = Russpartikel CO = Kohlenmonoxid

HC = Kohlenwasserstoff NO = Stickstoffmonoxid

2. Stufe: Harnstoffkatalysator

Bildung von NH2 (Ammoniak) aus dem eingespritzten Harnstoffwasser (Bild 4)

NH2 2CO = Harnstoff H2O = Wasser

3. Stufe: Reduktionskatalysator

Nox- Reduktion, d. h. zur Reaktion von NH3 mit NO und NO2 zu H2O und N2. (Bild 5)

NO = Stickstoffmonoxid NO2 = Stickstoffdioxid

NH3 = Ammoniak

4. Stufe: Ammoniak- Sperrkatalysator

Oxidation des überflüssigen Ammoniaks.

Der Gd- Kat wird Nox- Reduktionsraten von über 80% ermöglichen. Die Regelung mit Hilfe eines Nox- Sensors ist vorgesehen. Mit Hilfe von GD- Kat und der Kombination mit einem geeigneten Motor können auch die partikelgrenzwerte der Abgasnorm EURO 4 und EURO 5 ohne zusätzlichen Filter erreicht werden (Bild 6).

NH3 = Ammoniak

Auspuffanlage

Im Zuge der immer strenger werdenden Abgas- und Lärmschutzverordnungen kommt der Auspuffanlage moderner Nfz eine wichtige Bedeutung zu. Ihre Hauptaufgaben sind:

1 Reduzieren der bei der Verbrennung entstehenden starken Schallwellen

1 Gefahrloses Abführen der warmen Abgase ohne Eindringen in den Innenraum

1 Ungehindertes Ableiten der Abgase ohne Leistungseinbußen.

Die Auspuffanlage besteht aus zwei Töpfen und Rohren. In den Töpfen befinden sich die Schalldämpfer. Meist sind Haupt- und Nebenschalldämpfer kombiniert. Der Schalldämpfer ist das wichtigste Bauteil der Auspuffanlage. Man unter-scheidet je nach Arbeitsprinzip Reflexions- und Absorptionsschalldämpfer.

Reflexionsschalldämpfer

Ein Reflexionsschalldämpfer besteht aus Kammern unterschiedlicher Länge, die miteinander verbunden sind. Durch die unterschiedlichen Querschnitte und die Umlenkungen entsteht eine besonders für tiefe Frequenzen wirksame Dämpfung. Durch die Koppelung der einzelnen Kammern entstehen Resonatoren. Sie sorgen für ein gegenseitiges Auslöschen von Schallwellen (Interferenzprinzip). Je größer die Anzahl der vorhandenen Kammern, desto effizienter wird die Dämpfung.

Reflexionsschalldämpfer verursachen einen relativ hohen Abgasgegendruck und sind schwer. Der sehr effizienten Schalldämpfung steht also ein relativ hoher Leistungsverlust gegenüber. Sie werden häufig als Hauptschalldämpfer eingesetzt.

Absorptionsschalldämpfer

Der Absorptionsschalldämpfer hat nur eine Kammer, in der ein perforiertes Rohr verläuft. Die Kammer ist mit Schallschluckstoff gefüllt. Dieses Absorptionsmaterial besteht aus langfaseriger Mineralwolle auf Siliciumbasis mit einer Stopfdichte von 120 bis 150 g/l.

Der Schall dringt durch das perforierte Rohr in das Absorptionsmaterial ein und wird durch Reibung in Wärme umgewandelt. Die erzielte Dämpfung hängt von dem verwendeten Material, der Stopfdichte, der Länge und der Schichtdicke der Kammer ab. Der Strömungswiderstand eines Absorptionsschalldämpfers ist im Vergleich zum Reflexionsschalldämpfer geringer. Der Absorptionsschalldämpfer wird meistens als Nachschalldämpfer mit einem Reflexionsschalldämpfer kombiniert.

Reflexions- und Absorptionsschalldämpfer

A = Reflexionsschalldämpfer B = Absorptionsschalldämpfer

1 = Kammer 2 = Perforation 3 = Rohr 4 = Schluckstoff

Abgasnachbehandlung

Bei Dieselmotoren von Nfz kommen Katalysatoren und Partikelfilter zur Verringerung der unerwünschten Abgasbestandteile zum Einsatz. Dabei handelt es sich hauptsächlich um folgende Stoffe:

4 Kohlenmonoxid CO

4 Kohlenwasserstoffe HC

4 Stickoxide NOx

4 Rußpartikel C

Oxidationskatalysatoren setzen- vereinfacht ausgedrückt- schädliche Abgas-bestandteile durch die Verbindung mit Sauerstoff (O2) zu unschädlichen Stoffen um, und zwar CO zu CO2 (Kohlendioxid). Sie benötigen für einwandfreies funktionieren schwefelarmen Dieselkraftstoff mit maximal 0,05 Vol. % Schwefel.

Eine Kombination von Oxidationskatalysator und Partikelfilter ist das selbstregenerierende Filtersystem CRT bzw. CRTec (mit elektronischer Regelung).

Oxidationskatalysator

Der wartungsfreie Oxidationskatalysator (Oxikat) besteht aus wabenförmigen Modulen mit großer Oberfläche, die in den Schalldämpfer der Auspuffanlage integriert sind.

Beim Durchströmen der Abgase bewirkt die katalytische Beschichtung der Oxikat Module chemische Reaktionen der schädlichen Abgasbestandteile mit Sauerstoff. Der Anteil der unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in den Angasen kann so um 80 - 90% verringert werden. Der typische Diesel Abgasgeruch wird dabei größtenteils unterdrückt. Zudem verringern sich auch die Abgastrübung und der Ausstoß von Partikeln um etwa 15%. Der Nox- Anteil wird nicht vermindert.

Oxidationskatalysator

1 Schalldämpfer mit integriertem Diesel- Oxikat

2 Oxikat- Module

Filtersystem CRT

Die Buchstaben CRT stehen für Continuosly Regenerating Trap und bezeichnen ein kontinuierlich selbstregenerierendes Filtersystem. Dabei handelt es sich um eine Kombination von Oxidationskatalysator und Partikelfilter.

Die so genannte passive Regeneration bewirkt eine weitgehend selbsttätige Reinigung des Filterelements von den Russpartikel. Man nutzt dazu die Tatsache, dass sich der Kohlenstoff C bereits bei niedrigen Temperaturen mit Stickstoffoxid NO2 umsetzen lässt. Dabei läuft folgende grundlegende Reaktion ab:

2 NO2 + C = CO2 + 2NO

Im ESC- Testprogramm, das für die Abgas- Einstufung des Motors maßgebend ist, erreicht das CRT eine Senkung des Partikelausstoßes um etwa 80%, die Anteile von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen werden um über 90% vermindert.

Bei niedrigen Abgastemperaturen (in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen) kann das System an seine Funktionsgrenze gelangen.

Filtersystem CRTec

Zur Sicherung der Funktionsfähigkeit muss sich die Arbeitstemperatur des CRT innerhalb bestimmter Grenzen bewegen.

Beim CRTec (electronically controlled) wurde deshalb in der elektronischen Motorsteuerung ein zusätzlicher Regelkreis realisiert, welcher über das Zusammenspiel von AGR- Abschaltventil und Motor- Stauklappe in der Lage ist, dem CRT- Filter die erforderliche Abgastemperatur bereitzustellen.

Funktionsschema des MAN PM- Kat

System MAN PM- Kat

Das System PM- Kat ist eine MAN eigene Weiterentwicklung des CRT- Filtersystems. Die Bezeichnung PM- Kat ist ein eingetragenes Warenzeichen und als solches von MAN geschützt. Im Vergleich zum CRT- Filtersystem der Russpartikelabscheiderteil des MAN PM- Kat als offenes, nicht zusetzendes System ausgelegt.

Das System PM- Kat benötigt keinen zusätzlichen Bauraum, welcher über die bestehenden Ausmaße des Schalldämpfers hinausreicht. Es wird bei MAN im Zusammenspiel mit der gekühlten externen Abgasrückführung als technische Lösung zur Unterschreitung der EURO 4 Grenzwerte für Kommunal- Verteiler- und Nahverkehrsfahrzeuge eingesetzt werden.

Durchströmung des MAN PM- Kat

V = Voroxidations- Platinkatalysator

P = Russpartikelabscheider