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4.1 NOxEmissionsminderung (Pkw, Nutzfahrzeuge)

Abgesehen von den dieseltypischen Partikelemissionen stellen die aufgrund des Verbrennungsverfahrens relativ hohen Stickoxidemissionen der Dieselmotoren das groesste Problem dar, wärend die Kohlenwasserstoffemissionen prinzipbedingt auf einem niedrigen Niveau liegen und z.B. durch Oxidationskatalysatoren effektiv weiter gemindert werden können.
Einen Nachteil hat auch ein DieselPkw mit Partikelfilter noch im Vergleich zum „Benziner“: Er stoesst im Vergleich heutiger Neufahrzeuge acht bis zehnmal mehr Stickoxide aus, die zur Bildung des gesundheitsschaedlichen Sommersmogs beitragen (Abb. 26). Der NOxGrenzwert EURO 4 für Diesel Pkw ist etwa dreimal so hoch wie derjenige für Otto Pkw.
Im Gegensatz zu OttoPkw gibt es erst wenige Diesel Pkw, die die EURO 4Grenzwerte einhalten.

Abb. zeigt die kumulierten NOxEmissionen von zwei modernen Diesel Pkw (VW Lupo TDI, VW Passat 1.9 TDI) im Vergleich mit denjenigen eines Otto Pkw (Mercedes C 200) in einem AutobahnZyklus, der bis 160 km/h reicht. Auch hier wird deutlich, dass die NOxEmissionen der Diesel Pkw diejenigen des Otto Pkw um mehr als eine Gröoessenordnung ueberschreiten Sowohl für Diesel Pkw als auch für Nutzfahrzeugmotoren stehen prinzipiell folgende Massnahmen zur NOxMinderung mit den folgenden Minderungsraten gegenüber dem heutigen Stand zur Verfuegung:

Alle genannten Massnahmen sind weitgehend technisch fertig entwickelt und koennten, sofern die Motorenhersteller dies in der Vergangenheit rechtzeitig entschieden haetten, bereits heute in der Serienanwendung sein.
Die Beeinflussung der motorischen Verbrennung betrifft u.a. folgende Massnahmen: Hochdruckeinspritzung und gesteuerter Einspritzverlauf, ggf. Piloteinspritzung, gezielte Auslegung von Swirl und Tumble, VierVentilTechnik, Turbolader mit variabler Geometrie etc. Die Abgasrueckfuehrung ist eine seit langem in verschiedenen Varianten eingesetzte Technik, die zukuenftig mit elektronischer Steuerung und ggf. auch als gekuehlte Abgasrueckfuehrung optimiert wird. NOxSpeicherkatalysatoren sind bisher bei Dieselmotoren noch nicht im Serieneinsatz. Es gibt sie jedoch in Serienmodellen mit direkteinspritzenden OttoMotoren (VW FSI), deren mageres Verbrennungsverfahren dem Dieselmotor aehnlich ist. Ein Nachteil dieser Technik liegt in der regelmaessig erforderlichen Regeneration des Speicherkatalysators, wozu eine Anfettung des ansonsten mageren Gemisches bis in den Bereich von l = 1 notwendig ist. Dies führt im gesamten Betrieb zu einem Mehrverbrauch von einigen Prozent, der eher für die Betreiber von Diesel Pkw als für die Betreiber von Nutzfahrzeugen akzeptabel ist. Die fortschreitende Entwicklung der NOxSpeicherkatalysatoren und die inzwischen erreichten hohen Minderungsraten von über 90 % wurden für DieselNutzfahrzeugmotoren von der EPA nachgewiesen [10],Die Firma Toyota erprobt seit März 2002 die Kombination von NOxSpeicherkatalysator und Partikelfilter unter der Bezeichnung DPNR im Feldeinsatz in mehreren europaeischen Laendern und plant die Serieneinfuehrung in der zweiten Jahreshaelfte 2003. Abschliessende Ergebnisse zur Dauerhaltbarkeit des DPNRSystems aus der Felderprobung lagen im Mai 2003 noch nicht vor.

Nach Angaben von Toyota reduziert das DPNRSystem im Neuzustand die NOxund Partikelemissionen gleichermassen um über 80 %. Mit einem gealterten DPNRSystem wurden 0,13 g/km NOx und 0,005 g/km Partikel im Neuen Europaeischen Fahrzyklus mit einem Pkw der Bezugsmassenklasse 1400 kg erreicht [9]. Abb. 29 zeigt Messergebnisse der US EPA, die im FTP tendenziell ein niedrigeres Emissionsniveau für NOx und ein ebenfalls niedriges Emissionsniveau für Partikel ausweisen [10]. Welche Emissionswerte mit der endgueltigen Auslegung des DPNRSystems für den europaeischen Markt erreicht werden, stand im Juni 2003 noch nicht fest. Veroeffentlichungsfaehige Typpruefwerte waren seitens der Fa. Toyota noch nicht verfügbar. Das UBA geht davon aus, dass das DPNRSystem das technische Potential bietet, die im folgenden vorgeschlagenen Grenzwerte einzuhalten. Auch die Firma Peugeot hat den Serieneinsatz einer aehnlichen Technik für das Jahr 2003 angekuendigt. Die so ausgeruesteten DieselPkwModelle beider Hersteller werden die EURO 4– Grenzwerte voraussichtlich weit unterschreiten. Die interessanteste Technik ist nach Einschaetzung des UBA die Selektive Katalytische Reduktion (SCR), da sie in geregelter Ausführung mit über 95 % die hoechsten Minderungsraten ermöglicht und gleichzeitig gestattet, den Motor gegenüber der bisherigen Ausführung ohne SCR auf einen bis zu 10 % guenstigeren Kraftstoffverbrauch und damit eine entsprechend geringere CO 2 Emission abzustimmen. Damit amortisiert sich die SCR bei Nutzfahrzeugen nach ein bis zwei Jahren im Betrieb und führt anschliessend zu laufenden Kosteneinsparungen.
Aufgrund des Platzbedarfs und der notwendigen Versorgung mit einem Reduktionsmittel (z.B. Harnstoff in waessriger Lösung) wird diese seit Jahren in Feldversuchen erfolgreich erprobte Technik eher bei Nutzfahrzeugen als bei Pkw zum Einsatz kommen. Der hohe Wirkungsrad– auch im dynamischen Betrieb – wurde mehrfach nachgewiesen (Abb. 30).
Der Verband der europaeischen Hersteller von Abgasnachbehandlungssystemen AECC hat gemeinsam mit RICARDO Consulting Engineers die Dauerhaltbarkeit eines ungeregelten SCRSystems in Kombination mit einem Partikelfiltersystem an einem Nutzfahrzeugmotor der Stufe EURO III einer forcierten Dauerhaltbarkeitsuntersuchung über 1000 Stunden unterzogen. Im Ergebnis ist festzuhalten, dass ein NOxWert von 1,0 g/kWh zusammen mit einem Partikelwert unter 0,01 g/kWh im ESC und im ETC ohne wesentliche Verschlechterung problemlos eingehalten werden konnten, d.h. es wurden sowohl für NOx als auch für Partikel bezogen auf die Masse jeweils Minderungsraten von über 85 % auf Dauer realisiert [11].
Dieses Ergebnis bedeutet, dass ausgehend von einem EURO III – Motor mit einer dem Grenzwert knapp entsprechenden NOxEmission von etwa 5 g/kWh und einer ungeregelten SCRAnlage mit einer auf Dauer realisierbaren Minderungsrate von 85 % eine Emission von 0,75 g/kWh erreicht wird, d.h. ein Grenzwert von 1,0 g/kWh kann mit genuegendem Sicherheitsabstand eingehalten werden. Durch den Einsatz eines NOxSensors und einer Regelung der SCRAnlage kann die Umsatzrate auf über 95 % gesteigert werden.

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