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Abgasnachbehandlung bei RME (Biodiesel)-Betrieb

Abgasnachbehandlung bei Diesel-PKW

Partikelfilter sind nach heutigem Kenntnisstand die einzige verfuegbare Massnahme, um die Partikelemission direkteinspritzender PKW-Dieselmotoren um mehr als 90 % und damit auf das Niveau von Ottomotoren zu senken. Dies gilt auch für die Kleinstpartikel unterhalb einer Groesse von 100 nm [1].
Die wesentliche Herausforderung in der Partikelfiltertechnologie besteht nicht in der Partikelfiltration sondern in der Regeneration des Filters durch die Verbrennung der angesammelten Partikelmasse im gesamten Motorkennfeld. Die Oxidation von Russ (graphitischer Kohlenstoff, auch mit angelagerten Kohlenwasserstoffverbindungen) erfolgt mit molekularem Sauerstoff oberhalb von 600 °C. Diese Temperaturen treten im Regelfall beim PKW-Fahrzyklus nicht auf. Deshalb sind zusaetzliche Massnahmen zur Regenerierung des Partikelfilters notwendig:

- Absenkung der Russoxidationstemperatur (Oxidationsbeschleunigung) einerseits und
- Anhebung der Abgastemperatur andererseits [2].

Die Oxidation kann beschleunigt werden mit Hilfe von:
- NO2 aus dem Dieselabgas, das an einem Oxidationskatalysator aus NO erzeugt wird,
- katalytischer Beschichtung des Partikelfilters und
- Additivzugabe zum Kraftstoff, wobei die Verbrennungsprodukte des Additivs im Filter
katalytisch wirksam werden. Dem positiven Effekt der Senkung der Russabbrandtemperaturen steht der Nachteil der Aschebildung im Partikelfilter gegenüber.
Es wird unterschieden zwischen einer vormotorischen Zugabe des Additivs in den Motorkraftstoff und einer nachmotorischen Zugabe zum Dosierkraftstoff für einen katalytischen Brenner. Bei Zugabe in den Motorkraftstoff ist der Filter nach deutlich kuerzerer Zeit als bei Zugabe zum Dosierkraftstoff vollstaendig regeneriert [2].
Die Anhebung der Abgastemperatur kann erzeugt werden durch:
- motorische Massnahmen (Motorbetrieb mit sehr „später“ Verbrennung) oder - direkte Beheizung des Abgases mit elektrischer Heizung oder durch Einsetzen vonBrennersystemen.
Es ist unumgaenglich, die Druckdifferenz über dem Partikelfilter zu ueberwachen. Beiueberschreitung eines kritischen Wertes muss die Filterregenerierung durch gezielte Abgastemperaturerwaermung eingeleitet werden.
Um ein Verstopfen des Filters durch Öl- und Additivaschen zu vermeiden, ist nach einer entsprechenden Fahrstrecke von zum Beispiel 80.000 km eine Reinigung unerlaesslich [1].
Ein in [2] beschriebenes Verfahren zur Bewertung von Partikelfiltersystemen ist die Bestimmung des sog. „Balance Point“. Bei einem derartigen Versuch werden der Abgasgegendruck oder die Druckdifferenz über dem Partikelfilter sowie die Abgastemperatur vor und nach dem Partikelfilter kontinuierlich gemessen, wobei zur Variation der Abgastemperatur bei konstanter Motordrehzahl das Motordrehmoment stufenweise erhöht wird.
Ein zeitlich konstanter Druckdifferenzwert weist darauf hin, dass sich der Partikelfilter hinsichtlich der Russbeladung und der parallel verlaufenden Russoxidation im Gleichgewicht befindet. Ein steigendes Druckniveau weist auf eine Russansammlung hin. Ein fallender Wert ist ein Indikator für die Verringerung der im Partikelfilter bereits angesammelte Russmasse. Die Regenerationsmassnahmen können sowohl in kontinuierlich und diskontinuierlich arbeitende Systeme als auch in aktive und passive Systeme unterteilt werden. Hierbei sind unter aktiven Systemen diejenigen zu verstehen, die eine zusaetzliche Waermezufuhr zur Regeneration benoetigen, wärend die passiven Systeme in der Regel katalytische Effekte nutzen. Aus heutiger Sicht sind nur Kombinationen wie zum Beispiel der Einsatz von Kraftstoffadditiven in Verbindung mit motorischen Massnahmen zur Gewaehrleistung einer Partikelfilterregeneration zielfuehrend.
Bei einem kontinuierlich regenerierenden Filtersystem verhindert eine staendige Russoxidation das Ansteigen der Druckdifferenz über dem Partikelfilter. Das bekannteste Regenerationsverfahren ist das von Johnson Matthey patentierte CRT-System (Continuously Regeneration Trap). Es basiert auf dem Effekt, dass der Kohlenstoffanteil der Partikelmasse mit Stickstoffdioxid bereits bei Temperaturen um 220 °C reagiert. Um die kontinuierliche Regenerierung sicherzustellen, ist ein NO2/C-Massenverhaeltnis von 12:1 erforderlich.
Die zur kontinuierlichen Oxidation erforderliche NO2-Menge wird über einen dem Partikelfiltervorgeschalteten Katalysator aus NO konvertiert. Grundgedanke der Technik ist es, dass ein Oxidationskatalysator ständig so viel NO2 erzeugt, dass der gleichzeitig anfallende Russ ebenfalls ständig oxidiert wird und es möglichst nicht zu einer unerwuenschten Russansammlung im Partikelfilter kommt. Im gesamten Motorkennfeld ist trotz Anpassungsmassnahmen (Anpassung der Einspritzparameter, der Abgasrueckfuehrrate und des Ladedrucks) eine wirksame kontinuierliche Regeneration mittels NO2 nicht darstellbar. Um auch bei unguenstigen Betriebsbedingungen, bei denen der CRT-Effekt nicht mehr nutzbar ist, eine diskontinuierliche Regeneration zu gewaehrleisten, verfügt das System über aktive Regenerationshilfen wie motorische Massnahmen und eine elektrische Heizung [1].

Die zu Grunde liegenden Reaktionsgleichungen zeigt die Abb. 2.

Abb. 2: Prinzipieller Aufbau und Funktionsprinzip eines CRT-Partikelfiltersystems [2]

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