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Abgasnachbehandlung: Partikelfilter wird zum Muss

Mit Euro 6 wird neben dem SCR-Katalysator der Partikelfilter zum Muss für schwere Nutzfahrzeuge. Tenneco arbeitet bei beiden Bauteilen daran, Vorteile bei Gewicht und Reinigung zu erzielen.

Die wässrige Harnstofflösung mit dem Markennamen Adblue ist ein für Umwelt und Gesundheit unbedenklicher Stoff, aber er gebärdet sich je nach Temperatur recht launisch. Ist es zu kalt, gefriert Adblue. Ist es zu heiß, zerfällt es. Die Spanne dazwischen ist verhältnismäßig klein.

Der Umgang mit der heiklen Lösung will also gekonnt sein. Ohne das Reduktionsmittel funktioniert das Zusammenspiel von einem effizienten Antriebsstrang und möglichst geringen Abgasen nicht. Denn der Motor arbeitet am verbrauchsgünstigsten bei hohen Stickoxidemissionen (NOx) am Motorausgang und einer anschließenden Abgasnachbehandlung im SCR-Kat unter Zugabe von Adblue. Daher ist seit Euro 5 der Einsatz der SCR-Technologie in beinahe allen aktuellen Lkw-Modellen gesetzt. Und mit Einführung von Euro 6 ab 2013 wird kein europäischer Lkw-Hersteller mehr ausscheren und bei der Abgasreinigung allein auf die gekühlte Abgasrückführung (AGR) setzen. Zu groß wären dann die Verbrauchsnachteile.

Also müssen sich alle Fahrzeughersteller mit den Launen von Adblue arrangieren. Schon ein gemäßigter mitteleuropäischer Winter kann zu Problemen führen. Wenn die Temperaturen auf unter minus elf Grad fallen, gefriert das Reduktionsmittel und lässt sich nicht mehr in den Abgasstrom einspritzen. Ein beheizter Tank sowie isolierte und gleichermaßen beheizte Zu- und Abflussleitungen zwischen Adblue-Vorrat und Abgasstrang verhindern das.

Abgasspezialist Tenneco entwickelte XNOx-Injektor

Zum anderen sollte die Temperatur am Adblue-Injektor, der in den Abgasstrom hineinragt, aber 120 Grad Celsius auch nicht überschreiten, sonst droht die Adblue-Lösung zu zerfallen und der Injektor verstopft. Eine Lösung für ein geeignetes Thermomanagement bietet der von Abgasspezialist Tenneco entwickelte XNOx-Injektor mit sogenannter Zirkulationskühlung.

Und – als ob es nicht schon genug sei – es gibt noch eine weitere Temperaturgrenze. Das Abgassystem muss auf mindestens 180 Grad aufgeheizt sein, bevor die Adblue- Dosierung beginnt. Sonst drohen kristalline Ablagerungen. Die können zwar bei höheren Temperaturen wieder aufgelöst werden, beeinträchtigen aber durch die unerwünschte Zwischenspeicherung des Reduktionsmittels als Ablagerung die Stickoxidumsetzung. Im schlimmsten Fall entspricht das Emissionsverhalten dann nicht mehr den gesetzlich vorgeschriebenen Abgasgrenzwerten.

Sprayqualität ist für Abgasqualität entscheidend

Ist die Kühlung einmal sichergestellt, lässt sich der Injektor recht frei im Abgasstrang platzieren. Zu beachten ist, dass das eingespritzte Adblue möglichst nicht direkt auf die Rohrwände gespritzt wird. Und: "Die Sprayqualität ist für die Abgasqualität ganz entscheidend", erklärt Frank Terres, Entwicklungsleiter Abgasreinigung bei Tenneco. Dazu müsse die Adblue-Pumpe den Harnstoff konstant und in möglichst feinen Tröpfchen in den Abgasstrom injizieren. Die Adblue-Tröpfchen müssen nun oft auf kürzesten Wegen im Abgassystem in gasförmiges Ammoniak umgewandelt und möglichst gleichmäßig mit dem Abgasstrom vermischt werden. Hilfreich hierbei sind spezielle Abgasmischer, die im Abgassystem platziert werden.

Die Applikation, also den Einbau und die Ausführung, der Adblue-basierten SCR-Systeme haben die Entwickler im Griff. Heute treibt sie um, dass der für die Abgasreinigung nötige Harnstoff nur ein Drittel von Adblue ausmacht. Zwei Drittel des Vorrats im Adblue-Tank sind Wasser und damit Ballast. Mit Einführung von Euro 6 wird die damit einhergehende Chemiefabrik, die zusätzlich am Lkw Platz finden muss, die Gewichtsbilanz ohnehin belasten. Und wegen der nötigen höheren Umsetzungsraten wird der Adblue-Verbrauch von Euro-6-Lkw auf jeden Fall steigen – je nach Motorauslegung sich sogar teils verdoppeln.

Alternativen zu Adblue

Auch die flächendeckende Versorgung mit dem Reduktionsmittel ist eine Herausforderung. Adblue ist immer noch nicht überall dort verfügbar, wo Lkw von West- und Mitteleuropa aus unterwegs sind. "Wir arbeiten daher an Alternativen zu Adblue", berichtet Dr. Wolfgang Reuter, Geschäftsführer der Tenneco GmbH und Vice President Sales und Engineering von Tenneco Europe. Alternativen seien sogenannte HC-LNC-Systeme, die unterschiedliche Kohlenwasserstoff-Verbindungen (HC) zur Reduktion der Stickoxide verwenden. Diese zerfallen dann zu Stickstoff, Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser – alles harmlose Endprodukte. Selbst Diesel ließe sich also als Reduktionsmittel verwenden, ist ohnehin bei Lkw immer mit an Bord. Doch Diesel erreicht laut Reuter keine genügend hohen Umsetzungsraten. Maximal möglich sind – je nach Abgastemperatur – knapp 60 Prozent, sodass ein Einsatz für Euro 6 nicht möglich sei. Besser geeignet sei da schon Ethanol, entweder als E85 mit Benzin gemischt oder als E100 in reiner Form. In beiden Fällen erreichen die Umsetzungsraten wie bei Adblue bis zu 95 Prozent. Ethanol als Reduktionsmittel wäre damit geeignet für den Einsatz an Euro-6-Lkw. In manchen Regionen ist eine Versorgungsinfrastruktur bereits vorhanden. Im Gegensatz zu Adblue wird bei Ethanol kein Wasser zur Verflüssigung benötigt, woraus sich deutliche Gewichts- und Bauraumvorteile ergeben. Auch die Probleme mit Gefrierpunkten, Ablagerungen und Korrosion gehören hier der Vergangenheit an. Sogar die Systemkosten würden laut Reuter geringer ausfallen.

Eine weitere Alternative stammt aus dem Pkw-Bereich.Dort werden sogenannte Solid-SCR-Systeme entwickelt, die Ammoniak in Feststoffen, etwa als Ammoniumcarbamat, speichern. Durch Aufheizen des Feststoffes in einem Reaktor wird Ammoniak freigesetzt und direkt gasförmig in das Abgassystem dosiert. Für den Lkw-Bereich sind solche Systeme indes laut Reuter eher ungeeignet, weil auch hier kein Logistikkonzept vorhanden sei. Dennoch bietet das System gegenüber Adblue-Lösungen über das geringere Gewicht hinaus Vorteile. Gefrierpunkt und Ablagerungen würden kein Problem mehr darstellen. Anders als bei Adblue kann hier schon ab 140 Grad dosiert werden, was in den verschiedenen Abgastests zu deutlichen Vorteilen in der NOx-Umsetzung führt. Allerdings ist das Mehrgewicht des Reaktors zu veranschlagen, indem der Feststoff vergast wird. Und auch das genaue Dosieren von Gas bei niedrigen Drücken stellt eine Herausforderung für die Ingenieure dar, erläutert Entwickler Terres.

Solid-SCR-Systeme sind noch im Entwicklungsstadium

Doch noch befinden sich HC-LNC und Solid-SCR-Systeme für schwere Nutzfahrzeuge im Entwicklungsstadium. Die Tenneco-Mannen arbeiten an den Euro-6-Varianten der Adblue-Technologie. Das exakte Zusammenspiel aller Bauteile der Abgasnachbehandlung ist laut Terres entscheidend für die Funktion. Ebenso wichtig ist eine möglichst kompakte Verpackung, das sogenannte Packaging. Die Abgasnachbehandlungsmodule müssen in der Regel im Schalldämpfer platziert werden, wobei auch die Akustik nicht negativ beeinflusst werden darf. Die Katalysatorelemente müssen hierzu kompakt gestaltet und integriert werden. Euro 6 verschärft den Platzmangel zusätzlich. Dann muss die SCR-Anlage auch noch mit einem Dieselpartikelfilter (DPF) kombiniert werden. Daher ergebe es für die Fahrzeughersteller Sinn, alle Komponenten des SCR-Systems aus einer Hand zu beziehen. Tenneco etwa bietet vollintegrierte SCR-DPF-Systeme und mit XNOx-SCR auch ein komplettes Adblue-Dosiersystem an.

Auch der Dieselpartikelfilter (DPF) erfordert sorgfältige Entwicklung und Abstimmung auf das jeweilige Fahrzeug. Die Tenneco-Mannen sind dabei, DPF für schwere Nutzfahrzeuge möglichst so zu gestalten, dass der Fahrzeugverbrauch etwa durch den Abgasgegendruck nicht steigt. "Neben der Partikel- und Stickoxidreduktion steht zunehmend die CO2-Reduktion im Fokus der Gesetzgebung", erläutert Terres. „Ziel ist es also, auch Euro 6 möglichst ohne Verbrauchsnachteil einzuhalten", erklärt Terres.

Wallflow-Systeme mit einem Wirkungsgrad bis zu 99,9 Prozent

Euro 6 limitiert indes nicht nur die Masse der Partikelemissionen, sondern auch deren Anzahl. Somit führt an geschlossenen Filtersystemen kein Weg vorbei. Derzeit bietet Tenneco dazu sogenannte Wallflow-Systeme an mit einem Wirkungsgrad bis zu 99,9 Prozent (offene Systeme: 30 bis 50 Prozent) und einer kontinuierlichen Regeneration des Filters, auch bekannt als Continuous Regenerating Trap (CRT). Dabei wird der Ruß bei Temperaturen von 250 bis 450 Grad mithilfe von Stickstoffdioxid verbrannt. Das wird in einem vorgeschalteten Oxi-Kat aus Stickstoffmonoxid und Sauerstoff gebildet. Ein laut Terres einfaches und kostengünstiges System, das in etwa 95 Prozent aller Fahrzeuganwendungen funktioniert.

In den übrigen fünf Prozent der Fälle lassen sich solche Temperaturen aber nicht sicher erreichen. Bei einigen Einsätzen, etwa im Verteilerverkehr oder beim Müllsammeln, werden die Fahrzeuge nicht warm genug. Dann setzt sich der DPF unweigerlich mit Ruß zu. Um das zu verhindern, sind aktive Regenerationsverfahren nötig. Hier registrieren Sensoren den Beladungszustand des Filters. Ist er voll, leitet die Motorsteuerung die Regeneration ein. Die Steuerung sorgt durch späte Kraftstoffeinspritzung oder durch Lastaufschaltung für mindestens 270 Grad im Oxi-Kat. Dann lässt sich Diesel in den Katalysator einspritzen. Die Kohlenwasserstoffe werden dort oxidiert, dabei entsteht Wärme – genügend, um Temperaturen von mehr als 600 Grad am DPF zu erreichen. Solche Systeme bezeichnet man auch als katalytische Brenner – sie arbeiten nicht mit offener Flamme. Entscheidend ist die gleichmäßige Verteilung des eingespritzten Diesels durch den Zerstäuber. Die Dieseltröpfchen sollen im Oxi-Kat möglichst schnell zerfallen. Kraftstoffsträhnen dagegen sind unerwünscht. Auf Dauer können sie dazu führen, dass der Oxi-Kat durchbrennt.

Zwei Varianten für thermische Brenner

Zudem bietet Tenneco neben den katalytischen Brennern auch thermische Brenner in zwei Varianten an. True-Clean-Max, ein Fullsize-Brenner, erzeugt die gesamte Wärme zur DPF-Regeneration in einer Flamme. In den Zwei-Kammer-Brenner werden Diesel und Luft über einen Luftdrallzerstäuber zugeführt und durch Zündkerzen entzündet. Die Flamme wird mittels Ionenstrommessung überwacht. Sollte sie durch das Abgas unbeabsichtigt gelöscht werden, ermöglicht die Überwachung einen Neustart innerhalb von Millisekunden. So werden sekundäre Emissionen wirksam vermieden. Der wesentliche Vorteil des True-Clean ist die sichere Regeneration des DPF völlig unabhängig vom Betrieb des Fahrzeugs. Als thermischer Brenner benötigt er keinen Oxi-Kat und ist daher auch geeignet für Länder mit höherem Schwefelgehalt im Kraftstoff.

"Eine tolle Sache!", sagt Terres. Aufwendige Abstimmungen der Motorsteuerung auf die Filterregeneration sind nicht erforderlich, was besonders bei den unzähligen Anwendungsvarianten im Offroad-Bereich zu deutlichen Einsparungen bei den Entwicklungskosten führen soll. Nachteilig im Vergleich zu konventionellen CRT-Systemen ist der etwas höhere Preis und ein geringer Verbrauchsaufschlag. Zurzeit kommen Brenner nur in Nischenanwendungen zum Einsatz – dort, wo die konventionellen CRT- Systeme nicht funktionieren.

Thomas Rosenberger lastauto omnibus Chefredakteur

Autor

Foto

Thomas Rosenberger

Datum

9. März 2012
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