Dieselabgasnachbehandlung

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FH für Kraftfahrzeugtechnik

Dieselabgasnachbehandlung

Welche Systeme werden benutzt und warum?

Literaturuntersuch

Dennis Lunenborg 483075

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Literaturuntersuch

Von:

Dennis Lunenborg Grauhorststraße 26

38440 Wolfsburg

Prüfer: Dipl.-Ing B. van Breugel Betreuer: Dipl.-Ing. T. Schulenburg

Wolfsburg, Oktober 2012

Entsprechen der Geheimhaltungsvorschrift darf diese Arbeit nur mit Zustimmung

der Volkswagen AG und der Hogeschool van Arnhem en Nijmegen veröffentlicht,

vervielfältigt oder Dritten zugänglich gemacht werden. Die Arbeit bleibt Eigentum

der Volkswagen AG und der Hogeschool van Arnhem en Nijmegen.

(4)

Geheimhaltung

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Die Ergebnisse, Meinungen und Schlüsse dieser Arbeit sind nicht notwendigerweise die der Volkswagen AG.

Die vorliegende Arbeit ist nur den Mitarbeitern des Volkswagen Konzerns, den Korrektoren sowie den Mitgliedern des Prüfungsausschusses zugänglich zu machen.

(5)

Genehmigungsformular zur Aufnahme und Zurverfügungstellung

eines Berichts in einer digitalen Datenbank

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Die vom/von der Studierenden erteilte nicht-exklusive Genehmigung berechtigt die Fachhochschule dazu den Bericht Nutzern innerhalb und außerhalb der Fachhochschule zur Verfügung zu stellen.

Die Fachhochschule darf des Weiteren den Bericht für Nutzer innerhalb und außerhalb der

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Unterrichts- und Forschungszwecke dienen und unter Angabe des Namens des Studenten und den Fundort des Berichts.

Die Fachhochschule wird dafür sorgen, dass angegeben wird, wer der/die Verfasser des Berichts ist /sind, wobei sie zudem angibt, dass bei einer Nutzung des Berichts dessen Herkunft deutlich angegeben werden muss. Die Fachhochschule wird deutlich machen, dass für jede kommerzielle Nutzung des Berichts eine Genehmigung des Studenten erforderlich ist.

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Rechte und Pflichten des Nutzers

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Inhalt

Geheimhaltung ... 4

Genehmigungsformular zur Aufnahme und Zurverfügungstellung eines Berichts in einer digitalen Datenbank ... 5

Rechte und Pflichten der Fachhochschule ... 6

Kurzfassung ... 9

Abkürzungen ... 10

1. Einleitung ... 11

2. Abgasgesetzgebung ... 12

2.1 Die verschiedene Abgasgesetzgebungen ... 12

2.2 Erklärung Gesetzgebung durch Euro 5 & 6 ... 13

2.2.1 Aktuelle Gesetzgebung ... 13

2.2.2 Zukünftige Gesetzgebung ... 14

2.3 CO2 Gesetzgebung ... 14

3. Schädliche Abgasstoffen; wie werden diese geformt?... 16

3.1 Stickstoffoxide ... 16

3.2 Rußpartikel und PM ... 16

3.3 Kohlmonoxid ... 16

3.4 Kohlwasserstoffen ... 17

3.5 Abgaszusammensetzung von Dieselmotoren ... 17

4. Maßnahmen für Reduzierung von schädliche abgasstoffen ... 18

4.1 NOx Reduzierung ... 18

4.1.1 Aktuelle NOx-Reduzierungstechniken ... 18

Lean NOx Trap (LNT) oder NOx-Speicherkatalysator (NSC) ... 18

Selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden ... 20

4.1.2 Zukünftige NOx-Reduzierungstechniken ... 21 4.2 PM Reduzierung ... 21 4.2.1 Aktuelle PM Reduzierungstechniken ... 21 Geschlossene Partikelfilter ... 21 Offene Partikelfilter ... 22 4.2.2 Zukünftige PM Reduzierungstechniken ... 22 4.3 HC und CO Reduzierung ... 22

4.3.1 Aktuelle HC und CO Reduzierung ... 22

4.3.2 Zukünftige HC und CO Reduzierung ... 22

5. Zukünftig Abgassystem ... 23

6. Ergebnisse und Empfehlungen ... 24

Literaturverzeichnis ... 25

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Anlage 1: Euro 5-Emissiegrenswaarden ... 27 Anlage 2: Euro 6-Emissiegrenswaarden ... 28

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Kurzfassung

Abgasnachbehandlung ist bei Dieselmotoren schon seit Jahren ein wichtiges Thema. Fahrzeughersteller bauen immer avancierter Nachbehandlungssysteme. Warum diese Systeme angewendet werden en wie sie funktionieren ist sehr komplex.

Ziel dieses Berichts ist da zu stellen welche Abgasgesetzgebung es gibt, welche in Europa verwendet wird und welche Systeme Fahrzeughersteller benutzen um diese Gesetzgebung zu erfüllen und in die Zukunft erfüllen zu können.

Dazu ist ein Literaturuntersuch gestartet nach den verschiedenen Gesetzgebungen und Systemen benutzt von Fahrzeughersteller.

Es gibt im Westlichen Länder folgende Abgasgesetzgebungen:

 CARB-Gesetzgebung (California Air Resources Board), Kalifornien

 EPA-Gesetzgebung (Environmental Protection Agency), USA

 EU-Gesetzgebung (Europäische Union)

 Japan-Gesetzgebung

Emissionen die bei alle Abgasgesetzgebungen reduziert werden sollen sind:

 NOx (Stickstoffoxide)in mg/km

 Partikelmasse in mg/km

 CO (Kohlmonoxides) in mg/km

 HC’s (Kohlwasserstoffe) in mg/km

In Europa wird heute der Euro 5 Norm verwendet und ab 2014 wird der Euro 6 Norm verwendet. Für Dieselmotoren heißt das dass sie 55% weniger NOx produzieren dürfen und ± 32 % weniger NOx + THC’s, abhängig von das Gewicht.

Zu Reduzierung HC und CO wird ein DOC benutzt. Hier findet Oxidation statt und werden CO und HC umgewandelt in H2O und CO2. Der DOC ist auch wichtig für die Oxidation von NO nach NO2 sodass die richtigen Verhältnisses entsteht für den SCR. Welche durch mittel von NH3 NO und NO2 umwandelt in H2O und N2.

Ein andere weg NOx zu reduzieren ist mittels ein LNT. Partikelmasse wird mittels eines Partikelfilters reduziert.

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Abkürzungen

CARB California Air Resources Board

CO Kohlmonoxide

CO2 Kohldioxide

DPF Diesel Partikel Filter

EU Europäische Union

EPA Environmental Protection Agency

H2O Wasser

HC Kohlwasserstoff

MNEFZ Modifizierte Neuer Europäischer Fahrzyklus LNT Lean NOx Trap

N2 Stickstoff

NEDC New European Driving Cycle

NH3 Ammoniak Nkw Nutzkraftwagen NO Stickmonoxide NO2 Stickdioxide NOx Stickoxide NSC NOx-Speicherkatalysator O2 Sauerstoff Pb Blei Pkw Personenkraftwagen PM Rußpartikel

SCR Selective Catalytic Reduction/Selektive Katalytische Reduktion

SN Smoke Number

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1. Einleitung

Abgasnachbehandlung ist bei Dieselmotoren schon seit Jahren ein wichtiges Thema. Fahrzeughersteller bauen immer avancierter Nachbehandlungssysteme. Warum diese Systeme angewendet werden en wie sie funktionieren ist sehr komplex.

Ziel dieses Berichts ist da zu stellen welche Abgasgesetzgebung es gibt und welche Systeme

Fahrzeughersteller benutzen um diese Gesetzgebung zu erfüllen und in die Zukunft erfüllen zu können. Warum welche Systeme benutzt werden, wird weiter erklärt mittels Euro 5 & 6.

Um zu erklären warum Abgasnachbehandlung für Fahrzeughersteller ein wichtiges Thema ist wird in Kapitel 2 angeschaut welche verschiedene Abgasgesetzgebung es gibt. In diesem Bericht wird weiter eingegangen auf den Euro 5 & 6 Norm weil diese, hier, in Europa, jetzt und in die Zukunft, entscheidend sind.

Danach wird in Kapitel 3 verdeutlicht wie die schädlichen Stoffe aufgebaut sind und wie sie geformt werden.

In Kapitel 4 wird anschließend erklärt welche Maßnahmen es gibt um die schädlichen Abgasstoffen zu reduzieren.

In Kapitel 5 ist das zukünftige Abgassystem angezeignet.

Schließlich werden in Kapitel 6 die Empfehlungen dargestellt um in der Zukunft Gesetzgebungen erfüllen bleiben zu können.

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2. Abgasgesetzgebung

In dieses Kapitel wird erklärt warum ein neues Fahrzeug jetzt nicht mehr auf der Straße kommen darf ohne Abgasnachbehandlung. Dass hat zu tun mit die verschiedene Gesetzgebung die es über den Welt gibt. Hier wird erklärt welche verschiedene Gesetzgebungen wo beibehaltet werden.

2.1 Die verschiedene Abgasgesetzgebungen

Seit In-Kraft-Treten der ersten Abgasgesetzgebung in Mitte der Jahren ´60 in Kalifornien wurden die Grenzwerte immer weiter reduziert. Seit dann haben alle großen Industrieländern Abgasgesetzgebungen eingeführt. Diese legen nicht nur die Grenzwerte fest aber auch die Prüfmethoden womit die Ausstoß festgestellt wurden soll.

Es gibt im Westlichen Länder folgende Abgasgesetzgebungen [1]:

In Abbildung 1 sieht man die Verteilung von obenstehenden Gesetzgebungen. Es gibt dazu noch Gebieten wo man Gesetzgebung beibehaltet die auf ein von obenstehende Gesetzgebungen basiert ist.

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2.2 Erklärung Gesetzgebung durch Euro 5 & 6

Mit dem in Paragraph 2.1 genannte Gesetzgebungen versuchen Regierungen den Ausstoß des

schädlichen Stoffe und Partikeln zu verringern. Um erklären zu können was so ein Gesetzgebung genau beinhaltet wird als Beispiel weiter auf der EU-Gesetzgebung eingegangen.

Bei alle oben genannte Gesetzgebungen müssen genau dieselbe Stoffen reduziert werden. 2.2.1 Aktuelle Gesetzgebung

Der seit September 2009 für neue Typen Fahrzeugen und seit Januar 2011 für alle neue Fahrzeugen geltende Abgasgesetzgebung in der EU heißt: Euro 5. Hierin steht genau beschrieben was ein Fahrzeug ausstoßen darf und wie das getestet werden soll. Die Ausstoßnormen für Euro 5 sind wiedergegeben in VERORDNUNG (EG) Nr. 715/2007 DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 20. Juni 2007. Anlage 1. [2].

In diese Anlage sieht man dass die wichtigsten Stoffe die durch Einsatz von Euro 5 reduziert werden sollen sind:

Die Ausstoß von ein neues type Fahrzeug wird getestet durch verwenden von sogenannte Modifizierte Neuer Europäischer Fahrzyklus (MNEFZ) oder auf English; New European Driving Cycle (NEDC),

dargestellt in Abbildung 2. Bei dem Entwurf diesem Fahrzyklus hat man versucht diese so repräsentativ wie möglich zu machen. Darum gibt es vier Stadt-Fahrzyklus und ein Außerorts-Fahrzyklus [3][11].

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Zur Bestimmung der ausgestoßenen Schadstoffmassen wird der durch den Testzyklus festgelegte

Geschwindigkeitsverlauf nachgefahren. Während der Fahrt wird das Abgas gesammelt und nach Ende des Fahrprogramms hinsichtlich der Schadstoffmassenanalysiert.

Bei diesem Test gibt es zwei Grundbedingungen; alle Zubehöre sind ausgeschaltet und die Test wird ausgeführt mit ein Motortemperatur von 20 – 30 °C [16].

2.2.2 Zukünftige Gesetzgebung

Ab 1. September 2014 müssen alle neuen Typen Fahrzeugen die neue Euro 6 erfüllen. Ab 1. September 2015 müssen alle neuen verkauften Fahrzeuge die neue Euro 6 erfüllen.

Der neue Euro 6 Norm wird in Anlage 2 dargestellt.

Wenn man diese vergleicht mit Euro 5 sieht man dass nur die NOx und das gesamte Gewicht von NOx und HC’s reduziert werden müssen. Übrigens gilt das nur für Dieselfahrzeugen.

In Tabelle 1 wird die prozentuale Reduzierung von NOx da gestellt. In Tabelle 2 wird die prozentuale Reduzierung von NOx + THC’s (Masse der Kohlenwasserstoffe insgesamt) dargestellt.

Tabelle 1 Änderung NOx

Fahrzeugklasse Gruppe

Masse der Nox Euro 5

(mg/km)

Masse der Nox Euro 6

(mg/km) Prozentuale Änderung M 180 80 -55,6% N1 I 180 80 -55,6% II 235 105 -55,3% III 280 125 -55,4% N2 280 125 -55,4%

Tabelle 2 Änderung NOx + THC's

2.3 CO2 Gesetzgebung

Außen den Euro 5 & 6 Normen gibt es Verordnung (EG) Nr. 443/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. April 2009 [2] zur Festsetzung von Emissionsnormen für neue Personenkraftwagen im Rahmen des Gesamtkonzepts der Gemeinschaft zur Verringerung der CO₂-Emissionen von

Fahrzeugklasse Gruppe

Summe der Massen der gesamten Kohlenwasserstoffe und der Stickstoffoxide (THC + NOx) Euro 5 (mg/km)

Summe der Massen der gesamten Kohlenwasserstoffe und der Stickstoffoxide

(THC + NOx) Euro 6 (mg/km) Prozentuale Änderung

M 230 170 -26,1%

N1 I 230 170 -26,1%

II 295 195 -33,9%

III 350 215 -38,6%

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Die Hersteller von Personenkraftwagen müssen Zielvorgaben für CO₂-Emissionen erreichen, die in Anhang I der Verordnung festgelegt sind.

Um die durchschnittlichen spezifischen CO₂-Emissionen eines Herstellers zu bestimmen, werden folgende Prozentsätze der neuen Personenkraftwagen herangezogen:

 65 % im Jahr 2012;

 75 % im Jahr 2013;

 80 % im Jahr 2014;

 100 % ab 2015.

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3. Schädliche Abgasstoffen; wie werden diese geformt?

Abgas bei einem Dieselmotor ist eine Menge von Schädlichen und unschädlichen Stoffen. In dieses Kapitel werden am ersten die schädlichen Abgasstoffe erläutert. Danach wird erklärt wie diese sich verhalten in das Total.

3.1 Stickstoffoxide

Von alle Stickstoffoxiden (NO, NO2, NO3, N2O,N2O3, N2O4, N2O5) werden nur NO und NO2 (Abbildung 3), in große Menge in ein Motor produziert. Also wenn man bei Abgas spricht von NOx, ist das ein Menge von NO und NO2. Stickoxide entstehen durch hohen Druck, hohe Temperatur und Sauerstoffüberschuß während der Verbrennung im Motor [5].

3.2 Rußpartikel und PM

Diese werden größtenteils von Dieselmotoren verursacht. Alle Partikel welche abgefangen werden können mit ein Filter unter 51,7°C nennt man Partikel Matter [5]. Die Zusammensetzung von PM ist dargestellt in Abbildung 4. In Abbildung 4 seht man das dass größte Teil des PMs Ruß (Soot in Abbildung 4) ist. Wenn Große Kraftstofftröpfchen nicht ausreichend verdampfen können, werden mitten in, wo ein hohe druck herrscht, Kohlwasserstoffe geformt und diese werden durch die Verbrennungstemperatur ohne Sauerstoff verbrennt und Ruß wird geformt. Rußformung nehmt zu bei höhere Leistung (mehr Diesel Einspritzung) und hohe Drehzahlen (weniger Zeit für Verdampfung) [4].

Abbildung 4 Zusammensetzung PM [4]

3.3 Kohlmonoxid

Kohlmonoxid (Abbildung 5) entsteht bei der unvollständigen Verbrennung

kohlenstoffhaltiger Brennstoffe. Kohlmonoxid oxidiert einfach zu CO2 wenn ein gutes Luft/Brennstoff Mixtur anwesend ist und ein hohe Temperatur.

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3.4 Kohlwasserstoffen

Kohlwasserstoffen (Abbildung 6) sind unverbrannte Kraftstoffanteile, die nach einer unvollständigen Verbrennung im Abgas auftreten. Meistens ist das ein Erfolge von zu niedrigen Temperaturen oder ein zu reiches Mixtur.

Auch Brennstoff in Löcher in das Motor führt zu Steigerung HC’s in das Abgass [5].

3.5 Abgaszusammensetzung von Dieselmotoren

Wie in Abbildung 7 dargestellt repräsentieren die schädliche Stoffen nur ein klein Teil von das totale Abgas. Trotz des kleinen Anteils sind diese Stoffe einer Gefahr für die Volksgesundheit.

Abbildung 7 Abgaszusammensetzung von Dieselmotoren [3]

Man sieht dass das die Menge der Schädlichen Stoffe besteht aus NOx. Das ist ein Erflog von hohe Druck in ein Dieselmotor und ein Überschuss von Sauerstoff.

Auch produziert ein Dieselmotor viel PM. Diese entstehen bei niedrigen Temperaturen (800 – 1400 K) und lokal wenig Sauerstoff.

HC -und CO-anteil ist gering weil es ein Sauerstoffüberschuß gibt in einen Dieselmotor. Erfolg ist das diese einfach oxidieren nach CO2.

Weil der Thermischen Rendement von ein Dieselmotor höher ist als die von ein Benzinmotor gibt es hier weniger CO2 [5][12]

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4. Maßnahmen für Reduzierung von schädliche abgasstoffen

In Abbildung 8 sieht man die schädlichen Abgasstoffe in einer Grafik dargestellt. Man sieht welcher Abgasstoff bei welchem Lambda produziert wird. Hierin wird offensichtlich dass man nicht einfach alle schädliche Abgasstoffe reduzieren kann mit Anpassung von der Air/fuel Ratio. Darum gibt es mittlerweile viele erfolgreiche Lösungen um Emissionsminderung zu bewirken und geht die Entwicklung davon immer weiter. In dieses Kapitel werden verschiedene Systeme betrachtet, sowohl aktuelle als zukünftige

Systeme.

Abbildung 8 Abgasstoffe in ein Dieselmotor [4]

4.1 NOx Reduzierung

Weil Dieselmotoren mit einem Luftüberschoss funktionieren ist es nicht möglich NOx einfach zu reduzieren. Dafür ist zu viel Sauerstoff in den Abgas womit den NOx reduzierenden Stoffen (CO & HC) reagieren. [5] Deswegen müssen in Dieselmotoren andere Lösungen angewendet werden. In dieses Kapitel ist dargestellt welche Lösungen es gibt zur Reduzierung des NOxs.

4.1.1 Aktuelle NOx-Reduzierungstechniken

Lean NOx Trap (LNT) oder NOx-Speicherkatalysator (NSC) Der LNT oder NSC reduziert NOx in zwei Phasen ab:

 Phase 1 (Beladungsphase): Während Luftüberschuss wird NOx in die Speicherkomponenten des Katalysators eingespeichert.

 Phase 2 (Regeneration): Während einer kurzen Periode mit reicher Mixtur wird NOx konvertiert. Der NOx Speicherkatalysator ist aufgebaut mit Edelmetallen die die Neigung haben mit NO2 ein feste Verbindung einzugehen (Abbildung 9).

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2NO + O2 → 2NO2

Im NSC reagiert NO2 mit den Verbindungen der Katalysatoroberfläche und Sauerstoff zu Nitraten. Folgendes ist ein Beispiel vom möglichen Speichermaterial Bariumcarbonat (BaCO3):

BaCO3 + 2 NO2 + ½ O2 = Ba(NO3)2 + CO2. [6]

Neben Stickoxiden wird auch eine Menge an Sauerstoff an der Oberfläche angelagert. Speicher hierfür ist Cer:

2Ce2O3 + O2 → 4CeO2

Diese Reaktionen verlaufen am besten bei einer Temperatur von 250 – 450 °C. Bei niedrigeren

Temperaturen ist die Oxidation von NO sehr schwer und bei hohen Temperaturen ist NO2 nicht stabil. Darum ist nur ein LNT/NSC für Euro 6 Maßstäben nicht genug [6]. Hierüber mehr in 3.1.2 Zukünftige NOx -Reduziertechniken.

Ausspeicherung und Konvertierung (abbildung 10) von NO2 aus Barium findet statt während ein Periode mit fettes Abgas (λ < 1). Als Reduktionsmittel dienen CO, H2 und HC’s die in im fettes Abgas vorhanden sind.

Erst wird NO ausgespeichert mittels CO, z.b. [6]: Ba(NO3)2+3 CO → BaCO3+2 NO + 2 CO2

Danach finden unterstehende Reaktionen durch einander statt[7]: NO + CO → N2 + CO2

(2x + y/2 )NO + CxHy → (x + y/4) N2 + xCO2 +y/2 H2O NO + H → 0.5N + H O

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Fettes Abgas kann bei Dieselmotoren eingestellt werden durch Späteinspritzung oder drosseln des Einlasslufts. Der Wirkungsgrad von der Motor ist in diesem Bereich sehr schlecht, deswegen muss der Regenerationphase kürz sein in Verhältnis zur Einspeicherphase.

Selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden SCR arbeitet kontinuierlich und greift nicht in den Motorbetrieb in. Das in Gegensatz zu LNT/NSC. Dadurch spart man einfach Kraftstoff. Serienmäßig wird diese Technik nur noch bei Nutzfahrzeugen angewendet.

Bei diese Technik wird durch Einsatz von ein Reduktionsmittel selektiv Stickoxide reduziert. Selektiv bedeutet hierbei, dass die Oxidation des Reduktionsmittels bevorzugt (selektiv) mit dem Sauerstoff der Stickoxide und nicht mit dem im Abgas wesentlich reichlicher vorhandenen molekularen Sauerstoff erfolgt. Hierbei ist Ammoniak (NH3) die meist erfolgreiche Stoff. Weil pure Ammoniak in große Menge giftig ist wird dies durch ein Trägersubstanz in ein Fahrzeug gespeichert. Dies ist Harnstoff, (NH2)2CO. Wenn man dazu Wasser zufügt kriegt man NH3.

Die Ausbildung von (NH2)2CO zu NH3 geschieht in folgenden zwei Reaktionsschritten: (NH2)2CO → NH3 + HNCO (Thermolyse)

HNCO + H2O → NH3 + CO2 (Hydrolyse)

Darauf reagiert das geformte NH3 nach folgenden Gleichungen mit NOx: 4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6H2O

NO + NO2 + 2 NH3 → 2 N2 + 3 H2O 6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O

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Temeraturen das NO2:NO-Verhältnis durch Einstellen des thermodynamischen Gleichgewichts zu erhöhen.

4.1.2 Zukünftige NOx-Reduzierungstechniken

In der Zukunft würd für Pkws SCR notwendig sein. `Das SCR-system ist zwar technisch deutlich aufwändiger, applikationsintensiver, teurer und benötigt Harnstoff. Es reicht aber aus, um die NOx -Anforderungen auch jenseits der Abgasstufen Euro 6 zu erfüllen [8].

Volkswagen hat schon seit 2009 der Passat Blue TDI mit SCR Technik und diese erfüllte dann schon den Norm Euro 6 [9][12]. Auch in der neue Passat ist ein Blue TDI lieferbar mit SCR Technik [17].

Es ist auch möglich LNT und SCR zusammen zu benutzen. Der SCR wird nach den LNT geplatzt sodass das NH3 produziert in den LNT während fettbetrieb gespeichert werden kann in den SCR. Dieses NH3 wird später benutzt für reduzieren von NOx welche nicht durch den LNT umgesetzt werden könnte.

Damit das Anteil NOx in das Abgas noch weiter reduziert [14]. 4.2 PM Reduzierung

Die von einem Dieselmotor emittierten Rußpartikel können durch Dieselpartikelfilter (DPF) effizient aus dem Abgas entfernt werden. Die bisher bei Pkw eingesetzten Partikelfilter bestehen aus porösen

Keramiken.

4.2.1 Aktuelle PM Reduzierungstechniken Geschlossene Partikelfilter

Keramische Partikelfilter bestehen im Wesentlichen aus einem Wabenkörper aus Siliziumkarbid oder Cordierit, der eine große Anzahl von parallelen, meist quadratischen Kanälen aufweist.

Benachbarte Kanäle sind an den gegenüberliegenden Seiten durch Keramikstopfen verschlossen. Daher muss alle Abgas durch die Wände um herausströmen zu können. Beim Durchströmen der Wände werden die Rußpartikel zunächst durch Diffusion zu den Porenwänden (im Innern der Keramikwände)

transportiert, wo sie haften bleiben (Tiefenfilterung).

Außen Tiefenfiltern gibt es noch Wall-Flow-Filter wobei die Partikel im Wesentlichen auf den Oberflachen der der Keramikwände gespeichert werden (Oberflächenfilterung).

Diese Filters werden durch mittel Regeneration gereinigt weil durch die anwachsende Rußbeladung des Filters der Abgasgegendruck steigt. Folge davon ist; der Motor wendet 2-4 % mehr Kraftstoff an und CO2 Emissionen steigern [4].

Die Regeneration des Filters erfolgt durch Abbrennen des gesammelten Rußes im Filter unter einer Temperatur von circa 600 °C.

Solche hohen Temperaturen liegen nur bei Nennleistungsbetrieb des Motors vor und stellen sich im normalen Fahrbetrieb sehr selten ein. Daher müssen Lösungen gefunden werden um den Abgas-Temperatur zu erhöhen oder die Rußabbrand-Abgas-Temperatur zu senken.

Lösungen sind [1]:

 Additivsystem: Zugabe eines Additivs in den Kraftstoff. Abbrennungstemperatur senkt nach circa 450 – 500 °C.

 Katalztisch beschichteter Filter (CDPF): Filter mit Edelmetallen verbessert der Abbrand der Rußpartikel.

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 Continuously Regenerating Trap-System (CRT): Ruß oxidiert mit NO2 bei Temperaturen von 300 – 450 °C.

 Hydro-Carbon Injection (HCI)-system: Dieselkraftstoff vor einem Katalysator einspritzen um die Temperatur zu erhöhen.

Offene Partikelfilter

Bei offenen Partikelfiltern wird nicht die ganze Menge Abgas durch den Filterwand geleitet. Nur ein Teil wird gefiltert. Offene Filter erreichen je nach Anwendung einen Abscheidegrad von 30 – 80 %.

Nachteil dieses System ist dass mit zunehmender Partikelbeladung, der Anteil des ungefiltertes Abgases großer wird. Regeneration findet statt durch den CRT effect.

Diese Filters werden für neue Fahrzeugen fast nicht mehr angewendet [1]. 4.2.2 Zukünftige PM Reduzierungstechniken

Heute erreichen die Keramischen Filter einen Ruckhaltegrad von mehr als 95 % fur Partikel des gesamten relevanten Großenspektrums.

Also erfüllen die aktuellen geschlossene Partikelfilters schon den Euro 6 Gesetzgebung. Deswegen brauchen Fahrzeughersteller keines anderen Partikelfilters benützen. Trotzdem können andere Filters angewendet worden wobei den Einlasskanäle ein größere oberflache haben sodass regenerieren weniger stattfinden kann. Dass ist günstiger für Brennstoffverbrauch und CO2 Emissionen, auch weil diese Filters weniger schnell verstopfen mit Ruß und Asch [1].

Für Regeneration wird in zukünftige PKWs Additivsystemen, CDPF und CRT alle benutz. Welchen benutz wird ist abhängig von die Platzierung des Partikelfilters. [10]

HCI wird nur benutzt wenn die Partikelfilter sehr weit von den Motor entfernt ist. 4.3 HC und CO Reduzierung

Umwandelung von HC und CO findet statt durch Oxidation. Hier ist dargestellt wie die Umwandlung von HC und CO in einem Dieselmotor stattfindet.

4.3.1 Aktuelle HC und CO Reduzierung

Aktuell findet Umwandlung von HC und CO statt in sogenannte Diesel-Oxidationskatalysator (DOC). Am DOC werden Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) oxidiert. Die Oxidation am DOC erfolgt ab einer gewissen Grenztemperatur, der Light-off-Temperatur, fast vollständig weil ein Diesel motor immer mit Sauerstoffüberschoss arbeitet. Die Light-off-Temperatur liegt je nach Abgaszusammensetzung, Strömungsgeschwindigkeiten und Katalysatorzusammensetzung bei 170…200 °C. Ab dieser Temperatur steigt der Umsatz innerhalb eines Temperaturintervalls von 20…30 °C auf über 90 %.

4.3.2 Zukünftige HC und CO Reduzierung

Wie schon erklärt ist der Light-Off Temperatur sehr wichtig. Darum probieren Fahrzeughersteller den DOC schneller auf zu heizen. Das ist ein Problem bei Fahrzeugen mit großen Hubvolumen und deswegen

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gebracht [15].

Diese Technik wurde schon von Alpina und BMW benutzt.

Der heutige Aufbau des DOC erfüllt für kleine Dieselmotorn schon den Euro 6. Darum brauchen

Fahrzeughersteller keines anderen Filters benutzen. Euro 6 hat sich gegenüber Euro 5 im Bereich von HC und CO nicht geändert. Nur für das Gesamtgewicht des NOx und THC muss eine Verringerung umgesetzt werden.

5. Zukünftig Abgassystem

Wenn alle bevor genannte Maßnahmen eingeführt werden sieht das Abgassystem für ein Dieselfahrzeug in der Zukünft aus wie hier unten, in Abbildung 11, dargestellt.

Das Abgas fängt an bei dem Turbolader, danach passiert es der Emicat DOC, welche elektrisch aufgeheizt wird. Danach kommt das Dieselpartikelfilter und danach den SCR.

Möglichkeit ist noch zufügen eines LNT um NOx weiter reduzieren zu können. Mit dieses System ist es möglich Euro 6 Norm zu erfüllen.

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6. Ergebnisse und Empfehlungen

Ziel dieses untersuch war fest zu stellen warum Fahrzeughersteller sind durch Abgasgesetzgebung verpflichtet Abgas nach zu behandeln.

Es gibt vier verschiedene Abgasgesetzgebungen:

Schädliche Agabsstoffen die reduziert werden müssen sind:

Dazu wird ein SCR mit oder ohne LNT eingesetzt zur Reduktion des NOx. SCR wird in die Zukunft unentbehrlich und muss installiert werden. LNT wird nur angewendet um NOx Emissionen weiter zu verringern. Ein Partikelfilter wird benutzt zum Entfernung der Partikelmasse. Schließlich wird für

Reduzierung des CO und HC ein DOC verwendet. Diese kann man ausrüsten mit einem Emicat sodass der DOC schneller der Light-off Temperatur erreicht. Auch muss der DOC dazu beitragen das die

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Literaturverzeichnis

[1] Reif, K. (2010). Dieselmotor-Management im Überblick. 1. Auflage. Robert Bosch GmbH, Plochingen.

[2] Europäische Union (2012). www.europa.eu . Beratet 24.10.2012.

[3] Audi/Volkswagen (2000). Selbststudienprogramm 230, KFZ-Abgasemissionen, Zusammensetzung,

Verminderung, Normen.

[4] Mollenhauer, K., Tschoeke, H,. (2010). Handbook of Diesel Engines. Springer.

[5] Basshuysen van, R., Schäfer, F. (2004). Internal Combustion Engine Handbook. SAE International. [6] Werquet, W. (2008). Modellgesteuerte Regelung der Regenerationseinleitung in einem Abgassystem

mit NOx-Speicherkatalysator, Technischen Universität Clausthal.

[7] Nauta, K.M. (2008). Model Reduction of a Lean NOx Trap Catalyst Model. Technische Universiteit

Eindhoven

[8] Eifler, G. (2008). Pkw-Abgasnachbehandlung SCR oder Speicherkatalysator? MTZ, 69, 375.

[9] Automobile.de.

http://www.automobile.de/cgi-bin/deeplink.pl/test/vw/passat/VW-Passat-Variant-BlueTDI-im-Test-Euro-6-per-SCR-schon-heute-23922.html Beratet 25.10.2012

[10] Volkswagen AG (2012).

http://www.volkswagen.de/de/Volkswagen/nachhaltigkeit/service/glossar_nachhaltigkeit/dieselpa rtikelfilter.html). Beratet 25.10.2012

[11] Dockhorn, M. (2012). Regelungskonzept zur energieeffizienten Abgasnachbehandlung von

Dieselmotoren, Volkswagen Aktiengesellschaft

[12] Harder, H.D., Brugger, M., Brück, R. Future SCR NOx Aftertreatment Systems for Euro 6.

[13] Lumpp, B.C. (2011). Echtzeitfähige Stickoxidmodellierung zur Integration im Steuergerät eines

Nutzfahrzeug-Dieselmotors. Technische Universität München.

[14] Merker, G.P., Schwarz, C. (2012). Grundlagen Verbrennungsmotoren. Springer [15] Emitec (2012). http://www.emitec.com/technik/emicat.html. Beratet: 25.10.2012 [16] Wikipedia (2012). http://de.wikipedia.org/wiki/Fahrzyklus Beratet: 20.10.2012 [17] http://www.cartype.com/pages/5532/volkswagen_passat__2012 Beratet: 01.11.2012

(26)

(27)

Referentiemassa (RM) (kg) Grenswaarden Massa koolmonoxide (CO)

Massa totale koolwaterstoffen (THC) Massa niet-methaan koolwaterstoffen (NMHC) Massa stikstofoxiden (NO ) Gecombineerde massa totale koolwaterstoffen en stikstofoxiden (THC + NOx) Deeltjesmassa (PM) Aantal deeltjes (1₎ (P) L1 (mg/km) L2 (mg/km) L3 (mg/km) L4 (mg/km) L2 + L4 (mg/km) L5 (mg/km) L6 (#/km) Categorie Klasse PI CI PI CI PI CI PI CI PI CI PI (2₎ _CI _PI _CI M — Alle 1 000 500 100 — 68 — 60 180 — 230 5,0 5,0 N1 I RM ≤ 1 305 1 000 500 100 — 68 — 60 180 — 230 5,0 5,0 II 1 305 < RM ≤ 1 760 1 810 630 130 — 90 — 75 235 — 295 5,0 5,0 III 1 760 < RM 2 270 740 160 — 108 — 82 280 — 350 5,0 5,0 N2 2 270 740 160 — 108 — 82 280 — 350 5,0 5,0 1 2 P ubl ica tiebl ad v an de E u ro p ese Un ie 2 9 .6 .2 0 0 7 NL

Anlage 1: Euro 5-Emissiegrenswaarden

BIJLAGE I

EMISSIEGRENSWAARDEN

Tabel 1

Euro 5-emissiegrenswaarden

x

Legende: PI = elektrische ontsteking, CI = compressieontsteking.

(1_{) De norm voor het deeltjesaantal zal zo spoedig mogelijk en uiterlijk bij de inwerkingtreding van Euro 6 worden vastgesteld.}

(28)

FH für Kraftfahrzeugtechnik Referentiemassa (RM) (kg) Grenswaarden Massa koolmonoxide (CO)

Massa totale koolwaterstoffen (THC) Massa niet-methaan koolwaterstoffen (NMHC) Massa stikstofoxiden (NO ) Gecombineerde massa totale koolwaterstoffen en stikstofoxiden (THC + NOx) Deeltjesmassa (PM) Aantal deeltjes (1₎ (P) L1 (mg/km) L2 (mg/km) L3 (mg/km) L4 (mg/km) L2 + L4 (mg/km) L5 (mg/km) L6 (#/km) Categorie Klasse PI CI PI CI PI CI PI CI PI CI PI (2₎ _CI _PI _CI M — Alle 1 000 500 100 — 68 — 60 80 — 170 5,0 5,0 N1 I RM ≤ 1 305 1 000 500 100 — 68 — 60 80 — 170 5,0 5,0 II 1 305 < RM ≤ 1 760 1 810 630 130 — 90 — 75 105 — 195 5,0 5,0 III 1 760 < RM 2 270 740 160 — 108 — 82 125 — 215 5,0 5,0 N2 2 270 740 160 — 108 — 82 125 — 215 5,0 5,0 2 9 .6 .2 0 0 7 P ubl ica tiebl ad v an de E u ro p ese Un ie NL

Anlage 2: Euro 6-Emissiegrenswaarden

Tabel 2

Euro 6-emissiegrenswaarden

x

Legende: PI = elektrische ontsteking, CI = compressieontsteking.

(1_{) De norm voor het deeltjesaantal zal in een later stadium worden vastgesteld.}

(29)