Nachbehandlung von Abgasen

Die neuen Cat Motoren mit EU-Stufe V Emissionstechnologie – ein Beitrag von Dr. Hubert Mariutti

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Mit der jährlich spürbar zunehmenden Verkehrsdichte, vor allem in den Ballungszentren, steigen zwangsläufig die Verkehrsemissionen und deren Folgen für Umwelt und Bewohner. Die Europäische Union fordert von ihren Mitgliedstaaten die Überwachung der Luftverschmutzung und die Einhaltung aller Grenzwerte für gasförmige Schadstoffe und luftverunreinigende Partikel. Aufgrund der permanenten Überschreitung der Grenzwerte, allen voran von Feinstaub und Stickoxiden in vielen europäischen Städten, sprechen immer mehr Gerichte Fahrverbote für alle Arten von Fahrzeugen mit Dieselmotoren, die nicht den neuesten Emissionsvorschriften entsprechen, aus. Fahrverbote betreffen in der Regel neben Kraftfahrzeugen auch mobile Maschinen genauso wie jegliche Art von Nutzfahrzeugen mit Dieselmotoren. Die Technologie zur Nachbehandlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren ist heutzutage vorhanden. Um den Schadstoffanteil im Abgas zu neutralisieren, muss diese nur konsequent zur Anwendung kommen. Als weiteren wichtigen Schritt in diese Richtung hat das Europäische Parlament als nächstes die „EU-Stufe V“ für mobile Maschinen beschlossen. Eine weitere Etappe zur Verringerung der Umweltbelastung und somit zur Verbesserung der Lebensqualität.

Die dieselmotorischen Abgase bestehen neben Wasser und Sauerstoff zum größten Teil mit über 72 Prozent aus Stickstoff. Der Anteil am klimaschädlichen Treibhausgas Kohlendioxid ist mit acht Prozent relativ gering. Betrachtet man den Dieselmotor bezüglich der Emission von Kohlendioxid, gehört er nicht zur Familie der Verbrennungsmotoren mit dem größten Anteil an klimaschädlichen Treibhausgasen. Dieser Aspekt spricht eher für den Dieselmotor. Der reine Schadstoffanteil im dieselmotorischen Abgas beträgt rund zwei Prozent. Dieser setzt sich wiederum zusammen aus: Stickoxiden NOX, Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffen HC, Partikel PM und Schwefeldioxid SO2. Den Schadstoffanteil gilt es mittels innermotorischer Maßnahmen oder außerhalb durch gezielte Nachbehandlungsmethoden bestmöglich zu neutralisieren. Die Herausforderung liegt dabei in der Neutralisierung der gasförmigen Schadstoffe und der Partikel in möglichst jedem Betriebszustand. Die Leistungsfähigkeit des Motors soll dabei zu keinem Betriebszeitpunkt beeinträchtigt werden. Zur weiteren Reduzierung der Partikel im verbrennungsmotorischen Abgas hat das Europäische Parlament die Verordnung 2016/1628 beschlossen, die seit dem 1. Januar 2017 anzuwenden ist. 

Die wichtigsten Neuerungen der EU-Stufe V

• Ausweitung des Anwendungsbereichs auf Motoren mit einer Leistung kleiner 19 kW sowie größer 560 kW, sowohl für Fremdzündungs- als auch Selbstzündungsmotoren

• Einführung eines Partikelanzahlgrenzwerts von 1x1012 pro kWh für Motorenkategorien NRE (19 kW – 560 kW), IWA/IWP (ab 300 kW) und RLR, erfordert den Einsatz eines Dieselpartikelfilters

• Gleichbehandlung von Motoren mit variabler und konstanter Drehzahl

• Emissionsgrenzwerte auch für Gasmotoren in allen Leistungsklassen

• Überwachung der Motoremissionen im Betrieb

• Das „Flexibility Scheme“ aus der 97/68/EG wird ersetzt durch eine Übergangsperiode von 24 Monaten. Die wichtigsten Motorenkategorien sind in § 4 der Verordnung definiert:

• NRE: Motoren für nicht für den Straßenverkehr bestimmte mobile Maschinen und Geräte

• NRG: Motoren mit einer Bezugsleistung über 560 kW, die ausschließlich zum Einsatz in Generatorsätzen bestimmt sind

• NRSh: handgehaltene Fremdzündungsmotoren mit einer Bezugsleistung kleiner 19 kW

• NRS: Fremdzündungsmotoren mit einer Bezugsleistung kleiner 56 kW, ohne NRSh-Motoren

• IWP/IWA: Motoren, die ausschließlich in Binnenschiffen zum Antrieb (IWP) oder als Hilfsaggregat (IWA) eingesetzt werden

• RLL/RLR: Motoren, die ausschließlich in Lokomotiven (RLL) oder Triebwagen (RLR) für den Antrieb eingesetzt werden.

Die Emissionsstufe V gibt eine maximal erlaubte Partikelanzahl von 1x1012 pro kWh abgegebene Motorleistung im Abgasstrom vor. Dadurch halbiert sich der Feinstaubanteil im Abgasstrom im Vergleich zur Emissionsstufe IV ein weiteres Mal. In Summe beträgt die Reduzierung der gesundheitsschädlichen Partikelemissionen seit Einführung der Emissionsstufe I bis heute über 97 Prozent. Eine weitere Reduzierung der schädlichen Stickoxide ist in der Emissionsstufe V nicht enthalten. Diese wurden aber schon mit Einführung der Emissionsstufe IV im Vergleich zur Stufe I um über 95 Prozent reduziert.

Dieseltechnik: Die dieselmotorische Verbrennung ist ein komplexer Prozess, der durch viele innere als auch äußere Faktoren wesentlich beeinflusst werden kann. Die Herausforderung liegt in der richtigen Einstellung aller Stellgrößen, sodass bei einem möglichst hohen spezifischen Wirkungsgrad zeitgleich der entstehende Schadstoffanteil möglichst gering gehalten wird. Diese Zielvorgabe sollte wiederum in jedem Betriebszustand und Lastwechselverlauf erreicht werden. Durch eine gezielte Steuerung der Einflussparameter ist es heute möglich, den Brennverlauf so zu kontrollieren, dass Schadstoffe in einer kontrollierten Menge zur außermotorischen Nachbehandlung erzeugt werden. Diese wiederum können gezielt neutralisiert werden. Durch diese Herangehensweise kann zeitgleich der spezifische Wirkungsgrad der innermotorischen Verbrennung hoch gehalten werden.

Abgasnachbehandlung: Für die gezielte Abgasnachbehandlung haben sich je nach Schadstoffart unterschiedliche Methoden durchgesetzt. Die nachfolgende Übersicht zeigt die unterschiedlichen Abgasnachbehandlungs-Technologien, die heute üblicherweise zur Anwendung kommen.

Oxidationskatalysator (DOC): In der ersten Stufe werden Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) durch einen Oxidationskatalysator (DOC) in Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) umgewandelt.

Dieselpartikelfilter (DPF): In der zweiten Stufe werden Rußpartikel durch den Dieselpartikelfilter (DPF) herausgefiltert. Dieselpartikelfilter können aus keramischen Fasern, porösen Keramiken oder aus Sintermetallen hergestellt sein. Die strenge Emissionsstufe V ist in der Regel nur durch die sogenannte „Flow Through“-Technik erreichbar. Das Abgas muss durch die Keramikwände des DPF hindurchströmen. Diese Technik fordert aber auch eine regelmäßige Regenerierung der Dieselpartikelfilter durch thermische Umwandlung der eingelagerten Rußpartikel zu Asche. Ein langsames Füllen der sogenannten Taschen mit Ascherückständen ist die Folge. Daher ist nach Erreichen einer bestimmten Laufzeit der Dieselpartikelfilter in seiner Aufnahmekapazität erschöpft und muss erneuert werden.

SCR-Katalysator (SCR): In der dritten Stufe werden im SCR-Katalysator (selective catalytic reduction) die NOX-Bestandteile durch Zugabe des Reduktionsmittels AdBlue abgebaut. AdBlue ist eine ungiftige und geruchlose Harnstofflösung. Sie wird bedarfsgerecht in den Abgasstrom eingespritzt und wandelt im SCR-Katalysator die NOX-Bestandteile in Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) um. Die volle Funktionsfähigkeit des SCR-Katalysators ist erst ab einer Temperatur von circa 200 Grad gewährleistet. Sind Motor und Abgassystem auf Betriebstemperatur, wandelt der SCR-Katalysator einen hohen Anteil der NOX-Bestandteile zuverlässig um.

Cat Motoren mit EU-Stufe V: Die Entwicklungsziele für Cat Motoren der EU-Stufe V beinhalteten unter anderem die Schaffung von effizienteren und somit kompakteren Nachbehandlungssystemen. Im primären Fokus stand der vereinfachte Einbau in Maschinen von Erstausrüsterkunden sowie die Schaffung von Mehrwert für die Endverbraucher. Als Beispiel sei der neue Cat C9.3 genannt. Dessen Nachbehandlungstechnologie verfügt je nach Anwendung über deutlich kompaktere und leichtere Komponenten. Diese sind 39 Prozent kleiner und 55 Prozent leichter als die der Vorgängerversion für EU-Stufe IV/Tier 4 Final.

Mit der Emissionsnorm EU-Stufe V entwickelte Caterpillar seine bestehende und bewährte Motorenfamilie konsequent weiter. Das Ergebnis sind noch kraftstoffeffizientere Motoren mit hoher Leistungsdichte und einfacheren Abgasnachbehandlungssystemen. Angefangen vom Cat C0.5 mit zwei Zylindern bis hin zum Cat C32 mit zwölf Zylindern und 32 Liter Hubraum. Durch die in der EU-Stufe V geforderte Begrenzung der Partikelanzahl im Abgasstrom werden die Feinstaubemissionen ein weiteres Mal erheblich reduziert. Messungen haben gezeigt, dass die Partikelkonzentration im Abgas von EU-Stufe V Motoren geringer sein kann als die in der Umgebungsluft von Ballungszentren. Somit leistet Cat mit den neuen EU-Stufe-V-Motoren einen weiteren wichtigen Beitrag zur Reduzierung der Umweltbelastung. 

Der Autor des Beitrags ist Dr. Hubert Mariutti, Abteilungsleiter Service-Technik-Schulung bei Zeppelin.