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Von Fahrzeugen werden die Schadstoffe Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOX), sowie beim Dieselmotor oder Direkt eingespritzten Benzinmotor, zusätzlich auch Partikel (PM) emittiert.
Die Emission dieser Schadstoffe ist durch EU-weit verbindliche Richtlinien (Euro-Normen) begrenzt.
In diesem Kapitel werden die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Abgasreinigung aufgezeigt und an Hand von Beispielen erklärt.
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Wirkung der Schadstoffe
Kohlenmonoxid (CO)
Bei Luftmangel entsteht infolge unvollständiger Verbrennung Kohlenmonoxid (CO), ein farb- geruch- und geschmackloses Gas. Wenn CO eingeatmet wird, blockiert es die Sauerstoffaufnahme im Blut und führt, je nach Konzentration, zu Kopfschmerzen, Übelkeit oder sogar zum Tod. CO wird durch Oxidationsprozesse zu CO2 umgewandelt.
Kohlenwasserstoffe (HC)
Diesel- und Ottokraftstoffe bestehen aus einem Gemisch von Kohlenwasserstoffen (HC). Auch nach der Verbrennung bleiben HC im Abgas. Aromatische HC gelten als krebserregend. Sie entstehen sowohl bei unvollständiger Verbrennung als auch durch Verdunstung von Kraftstoff. Zusammen mit Stickoxid und Sonneneinstrahlung verwandelt sich HC in schleimhautreizende organische Verbindungen, die massgeblich am Entstehen von Sommersmog beteiligt sind.
Stickoxide (NOX)
NO ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das sich in der Umgebungsluft langsam zu Stickstoffdioxid NO2 umwandelt. Das allerdings ist giftig und riecht stechend. NO und NO2 werden in der Regel zusammengefasst und als NOX bezeichnet.
Kohlendioxid (CO2)
Der natürliche Treibhauseffekt ist für unser Klima mit verantwortlich. Ohne die schützende Hülle in der Stratosphäre wäre es mindestens 30°C kälter. Tiere und Menschen stossen CO2 aus, das sowohl von den Pflanzen durch Photosynthese in O2 umgewandelt als auch von den Meeren absorbiert wird.
Partikel (PM)
Diese stehen ebenso wie der Russkern im Verdacht, Krebs zu erregen. Die mikroskopisch kleinen Russteilchen können über die Atemwege in die Lunge gelangen.
Schwefeldioxid (SO2)
Ein farbloses Gas mit stechendem Geruch und starker Reizwirkung. In Verbindung mit Wasser und Sonnenlicht wird es zu schwefliger Säure, die als Hauptverursacher des sauren Regens für das Waldsterben verantwortlich ist.
Abgasrückführung
Die ersten externen Abgasrückführungssysteme (AGR) kamen in den achtziger Jahren auf dem Markt und sind heute mehr denn je gefragt, um die strengen Abgasnormen von Euro 4, 5 und 6 zu erfüllen.
Heute werden Abgasrückführungen elektronisch gesteuert und sind meist zusätzlich mit einem Abgaskühler versehen.
Um die NOX-Emissionen auf kleinere Restwerte zu bringen, gibt es verschiedene Möglichkeiten:
Verdichtungsverhältnis des Motors reduzieren, sowie heisse Stellen im Verbrennungsraum eliminieren.
Durch Zurücknehmen der Zündung kann man erreichen, dass die Verbrennungstemperaturen weniger hoch ansteigen, weil ein Teil der Verbrennung erst im Auspuffkollektor stattfindet.
Durch Restgase im oberen Leistungsbereich oder beim Beschleunigen. Die verbrannten Abgase nehmen dann im Zylinder einen Teil von jenem Raum ein, der sonst das Gemisch einnehmen würde. Das Füllungsgewicht an brennbarem Gemisch wird also kleiner, was einer Reduktion vom Verdichtungsverhältnis gleichkommt. Am häufigsten findet man die Abgasrückführung durch ein EGR-Ventil (Exhaust Gas Recirculation) oder auf Deutsch AGR-Ventil (Abgas Rückführungsventil).
Durch einen Katalysator, der die Stickoxide bei Luftmangel reduziert. Bei den heutigen Abgasvorschriften ist jedoch der Katalysator am Rande seiner Möglichkeit. Dies trifft speziell die Dieselmotoren seit 1992.
Hier werden oft AGR-Ventile eingebaut, was eine Reduktion von NOX um fast 40% vor dem Katalysator bewirkt.
Bild: Konventionelles Hochdruck-AGR-System.
Durch die Abgasrückführung werden NOX reduziert.
NOX-Bildung
Durch das Zumischen von Abgas wird der Sauerstoffanteil im Treibstoff-Luft-Gemisch verringert und so die Verbrennungstemperatur in den Zylindern abgesenkt.
Da schädliche Stickoxide (NOX) vorwiegend bei hoher Temperatur und Druck entsteht, können NOX mit einer Abgasrückführung um 50% reduziert werden.
Bild: AGR-Bereiche von konventionellen Otto- und Dieselmotoren, Pierburg
Grundsätzlich entstehen NOX auf drei Arten:
Promptes NOX Wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist und der Verbrennungsprozess nicht vollständig abläuft.
Brennstoff NOX Stickstoffverbindungen im Brennstoff werden auf oxidiert zu NOX (allein vom Brennstoff abhängig)
Thermisches NOX Bei sehr hohen Temperaturen über 1800 °C wird N2 aus der Luft mit O2 oxidiert. Durch Temperatursenkung und der bessere Durchlüftung im Brennraum vermeidbar.
NOX entstehen bei hohen Temperaturen (1800°C).
Art der Rückführung
Äussere Abgasrückführung
Das Abgas wird im Auspuffkollektor entnommen und in den Ansaugkanal geführt.
Hochdruck AGR
Im Hochdruck AGR (1) wird die Abgas-Rückführung nach der Aufladung eingebaut. Aktuell ist die HD-AGR mit Kühler, das am häufigsten verwendete System.
Es hat den Vorteil eines einfachen Aufbaus und kleiner Leitungsvolumina, was zu einer guten Regelbarkeit in transienten Betriebszuständen führt. Ausserdem ist es relativ unanfällig gegen Verschmutzung und Kondensat-Bildung.
Bild: Konventionelles Hochdruck-AGR (1)
Niederdruck AGR
Beim ND-AGR-System wird das rückzuführende Abgas nach der Turbine und entweder vor oder hinter dem Dreiwege-Katalysator abgezweigt. Beide Architekturen sind in dargestellt. Vor dem Katalysator entnommenes Abgas soll hier als rohes Abgas (2), nach dem Katalysator entnommenes Abgas als sauberes Abgas (3) bezeichnet werden.
Bild: Niederdruck-AGR, mit sauberem Abgas (2), mit rohem Abgas (3)
Mehrweg AGR
Das Mehrfach-AGR (Doppelte-AGR) ist eine Kombination aus Niederdruck-AGR und Hochdruck-AGR.
NOx entsteht durch den überschüssigen Sauerstoff im Brennraum. Eine weitere Erhöhung der Rückführrate mit HD-AGR, würde die Aufladung reduzieren und zu einer Leistungs-Drosselung führen. Es würden mehr Partikel entstehen und der Verbrauch steigt an. Durch die Umschaltung auf das ND-AGR wird der Turbolader nicht mehr abgebremst und der Motor weniger gedrosselt.
Bild: Mehrfache Abgasrückführung bei Mercedes, 200 CDI
Innere Abgasrückführung
Durch besondere Auslegung der Ventilsteuerzeiten kann im Ventilwechsel eine reduzierte Spülung des Brennraumes erreicht werden. Bei geringerer Motordrehzahl wird das zurückbleibende Abgas mit dem Frischgas vermischt. Mangels geeigneter Regelmöglichkeiten kommen diese Systeme nicht ohne eine Nockenwellensteuerung aus. Da zu hoher Restgasanteil durch übermässige Ventilüberschneidung bei tiefen Drehzahlen zu Motoraussetzern führt. Die Folge sind nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe.
AGR mit Unterdruck
Dieses Ventil wird mit Federkraft geschlossen und mittels einer Membrane durch Unterdruck geöffnet. Der Unterdruck kann durch Thermo- oder Elektroventile gesteuert werden.
Bild: Unterdruck betätigtes AGR-Ventil.
Das EGR-Ventil (Exhaust Gas Recirculation) deutsch AGR, ist in der Warmlaufphase, wo der Motor ohnehin schon wegen der Gemisch Aufbereitung ein schlechtes Laufverhalten aufweist, ausgeschaltet.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist ein Steuerelement vorgeschaltet. Dies lässt das Schalten vor ca. 60°C Kühlmitteltemperatur nicht zu. Die Steuerung kann über ein Thermoventil oder ein elektromagnetisches Ventil erfolgen.
Aktuelle EGR-Ventilesind mit einem Sensor ausgerüstet und melden dem Steuergerät die aktuelle Position zurück. So kann das abgasrelevante Bauteil überprüft und bei Fehlererkennung über OBD II angezeigt werden.
Bild: AGR-Ventil mit Stellungs-Sensor zu BMW E81 E87 E88 E82 E90 E93 E92 E91 E60 E61 X3.
Betriebszustand
EGR-Ventil
Abgasrückführung
Leerlauf, kleine Belastung
zu
nein
oberer Teillastbetrieb
offen
ja
Volllastbetrieb
zu
nein
Schiebebetrieb
zu
nein
Tabelle: Funktionsmatrix zum EGR mit Unterdruck
Funktionsprüfung
Über folgende Schritte kann das System einfach geprüft werden:
Motor bis Betriebstemperatur laufen lassen
Motor aus Leerlauf auf ca. 2500/min. bringen
EGR-Ventilmembrane muss sichtbar oder spürbar bewegen
Mit Unterdruckpumpe Membrane im Leerlauf betätigt (Drehzahldifferenz)
AGR mit Staudruck
Die Öffnung der Abgasrückführung hängt nicht allein vom Unterdruck ab, sondern wird vom Staudruck im Auspuff mitbestimmt. Zur Steuerung der Unterdruckseite werden Thermoventile oder elektromagnetische Ventile eingesetzt.
Bei geringem Abgasdruck wird die obere Kammer über die Bohrung (5) belüftet. Steigt der Abgasdruck, pflanzt sich der Druck durch die hohle Ventilstange bis unter die Membrane fort und verschliesst, ab einem gewissen Moment, die Entlüftungsbohrung.
Über folgende Schritte kann das System einfach geprüft werden:
Sichtprüfung unterhalb der Membrane
Motor aus Leerlauf auf ca. 3000-4000/min. bringen
Membranbewegung muss sichtbar oder spürbar sein
Auspuff verschliessen um Staudruck zu erzeugen, Leerlauf schlechter
Fehlerquellen
Wie jedes andere Gerät unterliegen EGR-Ventile einer normalen Abnützung und Verschmutzung.
der Ventilsitz kann verbrennen
das Führungsgestänge festklemmen
die Membrane, die Zuleitungen und Steuerventile können undicht werden
die Rohrleitungen zwischen Auspuff- und Ansaugkollektor und die Abgaskanäle im EGR-Ventil können durch Verbrennungsrückstände verstopfen.
Wenn das Ventil offen bleibt oder abgasseitig undicht ist, wird dadurch
der Startvorgang
der Leerlauf
das Beschleunigungsverhalten
die Leistung und
der Treibstoffverbrauch
beeinträchtigt.
Zeigen sich Mängel dieser Art und ist das Zünd- und Brennstoffsystem in Ordnung, so ist das EGR-Ventil einer näheren Prüfung zu unterziehen.
Undichtheiten auf der Unterdruckseite haben mit Ausnahme des Treibstoffverbrauchs ähnliche Folgen. Zusätzlich können Fehlzündungen entstehen.
AGR mit Stellmotor
Mit steigender Betriebszeit des Motors ist es möglich, dass sich durch die vorbeiströmenden Abgase Reststoffe am Ventilsitz des AGR-Ventils anlagern. Dadurch kann sich der mechanische Schliesspunkt des AGR-Ventils verschieben könnte. Aus diesem Grund wird der Schliesspunkt in regelmässigen Abständen neu adaptiert.
Bild: AGR Ventil Opel Corsa B X12XE 1,2i 16V mit Kühlwasser Anschluss.
Bei einigen Modellen wird nach jedem Abstellen, ein Reinigungsmodus über das Motorsteuergerät die aktiviert und das elektrische AGR-Ventil angesteuert. Dabei wird das AGR-Ventil mehrmals vollständig geöffnet und geschlossen.
Beim Austauschen elektrisch betätigter AGR-Ventile, muss das Ventil dem Motorsteuergerät meist neu angelernt werden. Dies erfolgt über den Markentester im Arbeitsmodus - Anpassungen oder in der Grundeinstellung.
Das digital Oszi zeigt den eingeleiteten Reinigungszyklus (DPFEGR) nach Abstellen des Motors (RPM = 0 1/min). Dies verhindert dass sich ein AGR-Ventil festsetzt und dient gleichzeitig der Adaptierung des Schliesspunktes.
Bild: Signalverlauf im Reinigungsmodus nach dem der Motor abgestellt wurde.
AGR mit Lagesensor
Seit Euro 3 wird oft die AGR-Funktion in einem geschlossenen Kreis von OBD überprüft. Dazu verwendet das Motorsteuergerät die Luftmasse und ein Weggeberpotentiometer. Die gemessene Luftmasse dient als Rückmeldung.
Bei geöffnetem AGR-Ventil wird ein Teil der normalerweise angesaugten Frischluft durch Abgase ersetzt, wodurch die zu messende Luftmasse absinkt.
Das AGR-Ventil wird so angesteuert, dass je nach Betriebszustand (Ladedruck, Drehzahl und Einspritzmenge) den Sollwert des Luftmassenmessers laut AGR-Kennfeld erreicht.
Für die genaue Positionsüberwachung ist der Lagesensor zuständig.
AGR mit Kühler
Der AGR-Wirkungsgrad kann vor der Rückführung in einem Abgasrückführungskühler ab gekühlt werden. Das Abgas wird vor dem Eintritt in das Ansaugrohr durch das Kühlmittel gekühlt. Seit Euro 4 ist der Kühler bei Dieselmotoren zum Standard geworden.
Mit gekühlter Abgasrückführung kann mehr Volumen rückgeführt werden.
Bild: AGR-Einheit mit Bypasskanal, BMW 2,0 Diesel.
Legende: 1 AGR-Kühler; 2 Stellungssensor; 3 AGR-Ventil; 4 Heisses Abgas; 5 Unterdruckdose der Umschaltklappe; 6 Einströmen der Kühlflüssigkeit; 7 Ausströmen der Kühlflüssigkeit; 8 gekühltes Abgas.
In der Warmlaufphase soll der Katalysator schnell aufgewärmt werden, um die CO- und HC-Werte schneller um zu wandeln. Dafür werden häufig geschaltete AGR-Kühler eingesetzt. Ein Bypass parallel zum AGR-Kühler wird dazu mit einer unterdruckgesteuerten Regelklappe geöffnet oder verschlossen.
Bild: AGR-Systemkreislauf mit Kühler, BMW 2,0 Diesel.
Abgasrückführung im Autolexikon - KfzNet Bei hohen Brennraumtemperaturen bilden sich bei einer Verbrennung mit Luftüberschuss in jedem Verbrennungsmotor unerwünschte Stickoxide. Ein grosser Teil von ihnen lässt sich indes mithilfe der Abgasrückführung vermeiden. (kein Ton!)
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AGR mit Druckwandler
Bei neueren Dieselmotoren wird die Abgasrückführung über einen elektrischen Druckwandler bedient.
Der Druckwandler (4) stabilisiert den Saugrohrdruck und wird vom Steuergerät mit einer Frequenz von ca. 10 Hz angesteuert. Je nach Tastverhältnis wird auch die Membrane des Abgasrückführventils (3) mit 80 bis 220 mbar beaufschlagt und öffnet dem entsprechend das Rückführventil. Der Öffnungsquerschnitt bestimmt das Volumen der rückgeführten Abgase.
Üblich ist eine Rückführungsrate von 5 bis 10%, teilweise sogar bis 20%.
Mit hohen Rückführungsraten ist eine Absenkung der Schadstoffe um ein Drittel realisierbar.
Niederdruck-AGR-Systeme leisten einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Emissionen von Verbrennungsmotoren. Sie reduzieren die NOX-Emissionen von Dieselmotoren und senken bei Ottomotoren den CO2-Ausstoss. Im Hinblick auf die zukünftige Abgasgesetzgebung werden diese Systeme immer mehr an Bedeutung gewinnen.
Bild: Systemübersicht von einem ND-AGR
AGR-Mischer
Der AGR-Mischeinheit leitet das zurückgeführte Abgas in das Ansaugrohr. Mithilfe einer abgeleiteten Entscheidungsmatrix ist es möglich, das bestmögliche AGR-Mischkonzept zu ermitteln.
Kondensatabscheider
Kondensattröpfchen, die beim Kühlen des Abgases im ND-AGR-Kühler entstehen können, werden abgeschieden und schützt damit den Turboladerverdichter vor Tropfenschlag.
AGR-Filter
Der AGR-Filter schützt den Turbolader vor Festpartikeln im Abgas, wie etwa Restschmutz oder Keramikteilchen aus dem Dieselpartikelfilter.
Integrierte Ansaugluftdrossel
Die Ansaugluftdrossel erzeugt ein partielles Druckgefälle, um die AGR-Raten unter Motorteillast zu erhöhen. Für den Volllastbetrieb ist die Ansaugluftdrossel druckverlustarm ausgelegt.
Kombi-Ventil
Das Kombi-Ventil ist die Kombination von Ansaugluftdrossel und Niederdruck-AGR-Ventil. Es benötigt nur einen Aktuator für beide Ventilfunktionen.
Bild: ND-AGR Mischer von MANN+HUMMEL
Sekundär-Lufteinblasung
Besonders beim Kaltstart und während der Warmlaufphase des Motors enthalten die Auspuffgase kurzzeitig mehrfach höhere HC- und CO-Anteile als nach dem Erreichen der richtigen Betriebstemperatur.
Der Grund liegt einmal darin, dass bei kaltem Motor nur die leichtflüchtigen Anteile des Benzins so weit verdampfen, dass sie an der Verbrennung teilnehmen können. Die höher siedenden Anteile werden nur teilverbrannt oder sogar nicht verbrannt als HC-Dampf ausgestossen. Im Leerlauf muss das Gemisch reicher gewählt werden, weil dann nur ein fettes Gemisch entzündet werden kann. Dies ist auch beim Beschleunigen dasselbe.
Bild: Funktionsprinzip einer Sekundärlufteinblasung mit Elektropumpe, Pierburg
Technisch gesehen, gibt es mehrere Möglichkeiten, um in dieser kritischen Phase die Schadstoffe zu mindern:
Durch eine Ansaugluft Vorwärmung, die durch Fremdenergie (elektrischer Strom) oder die heissen Gase des Motors betrieben werden kann.
Durch einen Vorkatalysator (meist einen Metallkatalysator) der sich rascher aufheizt als der normale Katalysator
Durch eine thermische Nachverbrennung im Auspuffkollektor.
Durch Zylinderabschaltung im Leerlauf und bei Teillast.
Durch rasches aufwärmen des Motors (Schaltpunkterhöhung bei Automat).
Durch besondere Beeinflussung des Zündwinkels (spät) womit die Abgastemperatur ansteigt.
Durch variable Steuerzeiten mit frühem Auslass öffnen FAÖ.
Wir unterscheiden zwei Arten:
Sekundär-Lufteinblasung mit Luftpumpe (mechanisch / elektrisch)
Lufteinblasung über Pulsair-Ventile
mechanische Luftpumpe
Eine einfache Flügelrad- oder Drehschieberpumpe, die über einen Keilriemen angetrieben wird, saugt über einen eigenen Luftfilter die Luft an. Die Luft wird in das Auspuffsystem gefördert.
Von Keilriemen angetriebene Luftpumpen werden heute nicht mehr eingebaut, da diese dauernd angetrieben werden müssen, auch wenn keine Sekundärluft mehr benötigt wird.
Um ein Knallen im Auspuff und ein allfälliges Zurückblasen heisser Auspuffgase in die Luftpumpe zu vermeiden, sind in der Zuleitung von der Pumpe zum Auspuffsammelrohr meist verschiedene Ventile eingebaut.
Überdruckventil
Ein Überdruckventil begrenzt bei hohen Drehzahlen den Druck auf ca. 0,3 bis 0,5 bar und bläst den Überdruck ins Freie ab.
Bild: Überdruckventil einer Sekundärlufteinblasung mit mechanischem Pumpenantrieb.
Rückschlagventil
Ein Rückschlagventil, das direkt vor der Einblasleitung am Auspuffsammelrohr montiert ist, lässt die Luft nur von der Pumpe ins Auspuffsystem, nicht aber umgekehrt strömen. Es schützt so das ganze Einblassystem vor dem Eindringen heisser Abgase.
Luftumleitventil
Das Luftumleitventil kann bei gewissen Fahrzuständen, vor allem im Schiebebetrieb, das Einblasen von Luft unterbinden. Das Ventil wird über den Unterdruck im Ansaugrohr gesteuert und zwar über ein Verzögerungsventil.
Bei neueren Fahrzeugen mit Katalysator kommt die Sekundärluftpumpe wieder vermehrt zum Einsatz.
Diesmal sind es jedoch elektronische Steuergeräte, die aufgrund von Signalen der Lambdasonde, der Drosselklappenstellung (Last), der Motor- und Lufttemperatur und Motordrehzahl die Lufteinblasung zu- oder abschalten.
Die Luftpumpe ist meistens elektrisch angetrieben und läuft in folgenden Situationen.
Betriebszustand
Luftpumpe
Nachverbrennung
Leerlauf
ein / aus
ja / nein
Teillast
ein
ja
Volllast
ein
ja
Schiebebetrieb
aus
nein
Tabelle: Funktionsmatrix Sekundärlufteinblasung.
Funktionsprüfung
Luftpumpe
Keilriemenspannung prüfen
bei steigender Drehzahl muss die Luftförderung zunehmen
Luftumleitventil
Ventil mit Unterdruck betätigen
geförderte Luft muss gedämpft ausströmen
entfällt bei elektrischer Luftpumpe
Rückschlagventile
Luftzufuhr im Leerlauf abhängen
Geräusch (rocheln) ist hörbar
Elektrische Luftpumpe
Aufgrund der Überfettung des Gemisches in der Kaltstartphase tritt im Abgas ein erhöhter Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen auf.
Durch die Sekundärlufteinblasung wird die Nachoxidation im Katalysator verbessert und so die Schadstoffemission verringert. Die durch Nachoxidation freiwerdende Wärme verkürzt die Ansprechzeit des Katalysators, wodurch sich die Abgasqualität in der Kaltlauf-Phase wesentlich verbessert.
Bild: Schaltschema Sekundäre Lufteinblasung bei VW. Legende: 1 vom Luftfilter, 2 Sekundärluftpumpe, 3 Relais für Sekundärluftpumpe, 4 Motorsteuergerät, 5/8 Kombiventil, 6 Sekundärlufteinblasventil, 7 Rückschlagventil, 9 Unterdruck-Vorratsbehälter
Funktion
In der Kaltlauf-Phase steuert das Motorsteuergerät über das Relais die Sekundärluftpumpe an. Luft gelangt zu den Kombiventilen für Sekundärluft.
Parallel dazu wird das Sekundärlufteinblasventil angesteuert, das Unterdruck an die Kombiventile für Sekundärluft und gelangen lässt. Das jeweilige Kombiventil für Sekundärluft öffnet dadurch den Weg für die Sekundärluft zu den Auslasskanälen des entsprechenden Zylinderkopfs.
Bild: Sekundärluftpumpe (links) mit Kombiventil (rechts).
Pulsair-Ventile
Ein System mit Pulsair-Ventilen kommt mit bedeutend weniger Bauteilen aus und vermag trotzdem bei einem Grossteil der Motoren zu genügen. Das Pulsairventil ist ein Flatterventil, bei dem die Bohrungen durch eine leicht gespannte Stahlmembrane verschlossen oder freigegeben werden. Zum Ansprechen genügen schon kleine Drücke von 0,1 bis 0,2 bar.
Das Pulsair wird entweder direkt oder über eine kurze Zuleitung am Auslassstutzen jedes Zylinders eingesetzt und spricht auf die Druckwellen in den Auspuffleitungen an.
Bild: Funktion der Pulsair Ventile.
Wenn bei offenem Auslassventil Auspuffgase durch den Auspuffkanal ausströmen, schliesst die sensibel ansprechende Membrane des Pulsairventils den Lufteintritt ab.
Am Ende des Auspufftaktes entsteht hinter der Gassäule einen Unterdruck. Es kann somit die Membrane öffnen und Frischluft kann über das Pulsairventil einströmen. Auch hier besteht die Möglichkeit das System mit Zusatzventilen zu unterbrechen.
Bild: Funktion der Pulsair-Ventile.
Betriebszustand
Zusatzventil
Nachverbrennung
Leerlauf
zu
nein
Teillast
offen
ja
Volllast
offen
ja
Schiebebetrieb
zu
nein
Tabelle: Funktionsmatrix Sekundärlufteinblasung mit Pulsair.
Funktionsprüfung
Luftzufuhr abhängen
Geräusch (rocheln) ist hörbar
Anlassfarben an den Ventilen
verbrannte Gummischläuche
Fehlerquellen
Wenn die Lufteinblasung aussetzt, dann steigt der CO-Wert stark an. Dies hat jedoch auf den Motor keine Auswirkung. Wenn eine Undichtheit im Steuerkreis entsteht, ergeben sich die gleichen Symptome wie bei Falschluft.
Bei Störung am Luftabschaltventil kann es bei Gasrücknahme zum Knallen im Auspuff kommen. Die gleiche Wirkung zeigt eine Undichtheit zwischen den Pulsair und Auspuffkollektor.
Die Leitungen und Bohrungen können durch Russ- und Ölkohle verstopft sein.
Katalysator
Der Katalysator hat die Aufgabe durch eine chemische Reaktion drei Schadstoffe (CO, HC, NOX) zu verringern. Aufgrund seiner Eigenschaft wird die Bezeichnung Dreiweg-Katalysator verwendet.
Im Benzinmotor hat der Katalysator einen guten Wirkungsgrad und wird deshalb in allen Fahrzeugen zur Abgasreinigung eingesetzt.
Im Dieselmotor sieht es anders aus. Hier ist grundsätzlich Oxidationskatalysator eingebaut, der das CO, HC und ein Teil der Partikel vermindert.
Typisch für die Dieselabgase ist der grosse Sauerstoffanteil, die häufig hohe Schwefeldioxidkonzentration, die eher niedrigen Betriebstemperaturen, sowie zusätzlich die Nano-Partikel.
Wegen dem Sauerstoffüberschuss im Abgas lassen sich die Stickoxide mit herkömmlichen Dreiweg-Katalysatoren nicht reduzieren. Deshalb werden hier Abgasrückführungen eingesetzt. Diese haben jedoch den Nachteil, dass der Triebstoffverbrauch ansteigt.
Die Lösung beim Dieselmotor für die hohen Anforderungen, erfordert eine mehrschichtige Abgasnachbehandlung:
mit Diesel-Oxidationskatalysator (DOC)
mit Partikelfilter
mit CRT-System (Continiously Regeneration Trap)
mit NOX-Speicherkatalysator
mit SCR-System (Selective Catalytic Reduction)
Abgasnachbehandlung
Möglichkeiten der katalytischen Abgasnachbehandlung
HC, CO
NOX, HC, CO
Russ, HC, CO
Oxidation-Katalysator
Oxidation von:
Partikel
Kohlenwasserstoffe
Kohlenmonoxid
Konversionsrate < 80% Konvertierung ab 250°C
NOX-Katalysator
zwei chemische NOX-Reduktionsverfahren:
SCR-Katalysator (mit Ammoniak)
NSCR-Katalysator (unverbrannter Treibstoff)
Partikelfilter
Filterung von Partikelmittels:
Keramischen Fasern
Porösen Keramiken
Sintermetallen
Filterrate > 95%
Erfordert Abbrand des Russes (Regeneration)
Tabelle: Übersicht der Möglichkeiten von katalytischen Abgasnachbehandlungsverfahren.
Katalysator Bauarten
Keramische Monolithen
Er besteht aus Träger, Zwischenschicht und der katalytisch aktiven Schicht. Sein Zellenquerschnitt ist in den meisten Fällen quadratisch kann aber auch dreieckig sein. Heute werden hauptsächlich Katalysatoren mit 400 Zellkanälen pro Inch (2,5 x 2,5 cm) und einer Wandstärke von etwa 0,2 mm eingesetzt. Der Träger besteht aus einem sehr temperaturbeständigen Magnesium-Alu-Silikat.
Bild: Zweibett-Katalysator mit Keramik Monolith.
Metallische Monolithen
Der Monolith besteht aus wechselseitig glatten und gewellten Stahlblechen. Diese sind zu einem eigentlichen Trägergerüst verlötet. Die Wandstärken der Bleche bewegen sich zwischen 0,04 und 0,07 mm.
Meistens werden metallische Monolithen im motornahen Einbau, als sogenannte Start- oder Vorkatalysatoren zusätzlich zum Hauptkatalysator eingesetzt.
Bild: Metallische Katalysatoren.
Schüttgut Katalysator
Im Gegensatz zu den monolithischen Ausführungen enthalten sie Trägermaterial in Form von Kugeln aus Aluminiumoxid, Pellets genannt.
Je nach Bedarf unterscheiden sich diese in ihren mechanischen Eigenschaften, sowie in ihrer Oberflächenstruktur. Schüttgut Katalysatoren werden nur noch in grossvolumigen Nutzfahrzeugen (USA) eingesetzt.
Bild: Schüttgutkatalysator
Katalysatoranlage
Der Katalysator kann bis zu 95% der Schadstoffe konvertieren. Doch mit den zukünftigen Abgaswerten dürfen Kohlenwasserstoffe nur noch 2 bis 3% der Rohemissionen des Motors betragen (inkl. Start- und Warmlaufphase).
Um diese Vorschriften einzuhalten, muss der Katalysator schneller die Betriebstemperatur erreichen. Gerade mit der Mehrventiltechnik werden die Abgas immer kühler (Oberfläche der Auslasskanäle).
Dieses Problem wird auf verschiedene Arten angegangen:
später Zündzeitpunkt
nur noch ein Auslassventil
Keramikeinlage im Auslasskanal
Kat-Heizung
Isolierter Auspuffkrümmer
veränderliche Abgasführung in der Auspuffanlage
Zylinderkopf
Anzahl Ventile
Die Anspringzeit bei neuen Dreiventiler wird durch ein grosses Auslassventil mit fast gleichem Strömungsquerschnitt wie Motoren mit zwei Auslassventilen minimiert. Durch die reduzierte Oberfläche wird der Monolith schneller warm.
Keramik Einlagen
Um die Wärmeabfuhr an das Kühlwasser zu verhindern, wird im Abgaskanal eine Keramikauskleidung (Portliner) eingegossen.
Auspuffanlage
Isolierter Auspuffkrümmer
Zur besseren Wärmeisolation wird der Auspuffkrümmer aus zwei Schalen gefertigt.
Kat mit zwei Zuleitungen
Beim Start, im Leerlauf- und Teillastbereich gelangen die Abgase auf direktem Weg zum Kat und heizen in auf.
Bei Volllast öffnet eine Abgasklappe die zweite Zuleitung, bei der die Abgase über einen Schalldämpfer zum Kat geleitet werden. Durch den längeren Weg können die Abgase abkühlen, wodurch keine Überhitzung zustande kommt.
Konvertierungsrate
Die Konvertierungsrate ist das Mass für die Umwandlung von Schadstoffkomponenten im Abgas durch den Kat. Wird bei den nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen eine Konvertierungsrate von 100% erreicht, werden sämtliche noch vorhandenen Kohlenwasserstoffe mit dem Katalysator abgebaut. Bedingung ist, dass der Katalysator schnell anspringt.
Anspringverhalten
Das Anspringverhalten eines Katalysators gibt den Konvertierungsgrad in Abhängigkeit von der Abgastemperatur wieder. Als Anspringtemperatur (light-off Temperatur) wird diejenige bezeichnet, bei der eine 50% Umwandlung erfolgt. Moderne Katalysatoren wandeln 50% der Schadstoffe bei einer Temperatur von 250°C um und haben in 60…80 Sekunden ihre volle Wirksamkeit erreicht.
damit sie möglichst früh die für ihre effiziente Funktion notwendige Temperatur erlangen.
Benzinmotor
Oxidationskatalysator (OC)
Der Einbett Oxidationskatalysator (OC) für Benzinmotoren wird in Kleinmotoren oder Motorrädern eingebaut. Im Personenwagen ist der Einbett-Oxidations-KAT nicht mehr anzutreffen. Er ist eventuell noch in alten Fahrzeugen mit sekundärer Lufteinblasung oder in Motoren mit Magerbetrieb anzutreffen.
Es ist ein ungeregelter Katalysator.
Im Oxidations-Katalysator oxidieren Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu CO2 und H2O. Wirkungsgrade von > 80% werden dabei erreicht.
Zu den Kohlenwasserstoffen zählen nachfolgende Verbindungen:
polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
flüchtige organische Verbindungen
nicht Methan-Kohlenwasserstoffe
Aldehyde, z.B. Formaldehyd, auch Methanal (CH2O) genannt
Bei hohen Temperaturen besteht die Gefahr, dass im Abgas das Schwefeloxid neue Sulfate bildet. Bei der Partikelmessung (52 °C) führt dies zur Bildung von Säurekondensat.
Bild: Prinzipdarstellung für ein Einbett Katalysator.
Zweibett-Katalysator
Ein Reduktions- und Oxidations-Katalysator werden in Serie geschaltet und sind nicht geregelt. Deshalb werden sie heute nicht mehr verwendet.
Der Reduktionskatalysator wandelt Stickoxide NOX in Sauerstoff O2 und Stickstoff N2 um.
Der Oxidationskatalysator wandelt den Sauerstoff mit HC und CO in H2O und CO2 um.
Da der umgewandelte Sauerstoff zu gering ist, muss zusätzlich Sekundärluft eingeblasen werden.
Bild: Prinzip für ein Doppelbett oder Zweibett Katalysator.
Dreiweg-Katalysator (TWC)
Der Dreiwege-Katalysator (TWC) ist für den Einsatz mit λ-geregelten Ottomotoren vorgesehen.
Der Katalysator oxidiert Kohlenmonoxid CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC, gleichzeitig reduziert er die Stickoxide.
Die gewünschten Reaktionen finden optimal um λ = 1 statt. Hier spricht man von einem stöchiometrischen Gemisch. Im Falle von Benzin gilt ein Massenverhältnis (Luft/Benzin) von 14,7:1.
Bild: Abgaskennlinien vor und nach Katalysator.
Aufbau
Eine gasundurchlässige Keramik aus Zirconiumdioxid und Yttriumoxid ist der Feststoffelektrolyt. Im Kristallgitter dieses Mischoxids sind stellen mit Sauerstoffionen nicht besetzt, so dass über diese Leerstellen eine O2--Ionenleitung erfolgen kann. Im Dreiweg-Katalysator wirkt Platin als Oxidationsmittel und Rhodium als Reduktionsmittel.
Umwandlung
Für die Schadstoffumwandlung wird über die Lambdasonde abwechselnd ein oxidierendes (λ>1) und ein reduzierendes (λ<1) Milieu erzeugt. Bei λ>1 werden Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe oxidiert, bei λ<1 entsteht ein höherer Teil Kohlenstoffmonoxid der die Stickstoffoxide reduziert.
Durch Oxidation werden
CO + O2 → CO2 HC + O2 → CO2 + H2O
und durch Reduktion
NO2 + CO → N2 + CO2
Ein Katalysator kann durch Fremdstoffe im Abgas zerstört werden. Vor allem durch Bleiverbindungen, unverbranntes Benzin oder Öl verliert der Katalysator seine Wirkung.
Bild: Chemische Umwandlung im Einbett 3-Wege-Katalysator.
Diagnose
Die zweite Lambdasonde, die Diagnosesonde (nach Kat) erkennt, ob die Regelsonde (vor Kat) und der Katalysator optimal arbeiten.
Die Nach-Kat-Sonde misst die Sauerstoff-Speicherfähigkeit des Katalysators. Somit ergibt sich ein relativ konstantes Spannungssignal. Bei defekten Katalysatoren nimmt die Sauerstoff-Speicherfähigkeit stark ab. Dann wird durch die Nach-Kat-Sonde statt einem geradlinigen Spannungssignal wie bei der Vor-Kat-Sonde ein periodisches Signal gemessen.
Die Ausgangsspannung und Regelfrequenz der Lambdasonden wird vom Steuergerät überwacht. Defekte Sonden haben eine zu kleine Regelfrequenz (im Leerlauf weniger als ein Regelzyklus in 2 bis 8 Sekunden). Ausserdem sind defekte Sonden so träge, dass ihre Ausgangsspannung die Minimalwerte von 0,05…0,2 V und Maximalwerte 0,7…0,9 V nicht mehr erreicht.
Bild: Signalbilder der vor Kat- und nach Kat-Sonden mit Fehler.
Wie funktioniert ein Katalysator / Drei-Wege-Katalysator - BASF Durch die Einführung von Katalysatorensystemen in Nordamerika (1976) und Europa (1986) nahm die Belastung der Innenstädte durch schädliche Autoabgase trotz steigender Autozahlen deutlich ab.
Spielzeit: 8:30
Fahrzeugtechnik # 4 - Wie funktioniert ein Katalysator / Drei-Wege-Katalysator - MrYouMath In diesem Video erkläre ich die Funktionsweise eines Katalysator. Dabei wird auch der Aufbau des Katalysators erklärt.
Spielzeit: 8:30
NOX Speicherkatalysator
Die Schichtladung bei direkteingespritzten Benzinmotoren stellt hohe Anforderungen an die Abgasnachbehandlung. Speziell die kleinen Abgastemperaturen im tiefen Teillastbetrieb stellen ein Problem dar.
Bei dauerndem Luftüberschuss im Schichtbetrieb, verliert der 3-Wege-Katalysator seine Wirkung für NOX.
Bild: Systemübersicht der Abgasnachbehandlung am direkt eingespritzten Benzinmotor.
Im Schichtbetrieb ist ein mageres Gemisch, deshalb befindet sich viel Restsauerstoff im Abgas. Der 3-Wege-Katalysator erzielt deshalb hohe Umwandlungsraten für CO und HC, jedoch beim NOX nimmt die Umwandlungsrate stark ab.
Direkt eingespritzte Benzinmotoren mit Schichtladung benötigt ein NOX-Speicherkatalysator.
Mit Homogenbetrieb kann der 3-Wege-Katalysator wieder vollumfänglich eingesetzt werden und macht den NOX-Speicherkatalysator überflüssig.
Mit zunehmendem Einspritzdruck im Benzin-Direkteinspritzer entstehen im Benzinmotor auch Partikel. Deshalb sind ab EURO6 Otto-Partikelfilter (OPF) zu erwarten.
Systemfunktion
Die Zweipunkt-Lambdasonde LSF (Führungssonde) wird im stöchiometrischen Betrieb zur Steuerung des NOX-Katalysators und Diagnose der NOX- und O2-Speicherfähigkeit des Hauptkatalysators eingesetzt.
Der Temperaturfühler ermöglicht die Diagnose vom Vorkatalysator und dient der Temperaturbestimmung im NOX-Katalysator.
Die im Magerbetrieb geforderte Luftzahl wird über die Breitband-Sonde LSU gemessen. Zudem wird sie als Diagnose der NOX-Speicherfähigkeit eingesetzt.
Bild: Abgaskonzept für die Otto-Direkteinspritzung, VW FSI-Motor mit Schichtladung.
Im Magerbetrieb wird am Platin-Kontakt NO zu NO2 oxidiert und in Form von Nitrat (NO3) durch die in den Washcoat des Katalysatorsystems eingebrachte basische Speicherkomponente (Barium) absorbiert. Spätestens wenn die NOX-Speicherkraft erschöpft
ist, muss eine Regenerationsphase erfolgen, die durch einen kurzen Betrieb bei λ < 1 eingeleitet wird.
Über ein fettes Gemisch kann die Entleerung des NOX-Katalysators gesteuert werden.
Chemischer Prozess
Speicherung
Regeneration
BaCO3 + 2 NO2 + 1/2 O2
Ba(NO3)2 + CO2
Tabelle: Chemischer Vorgang im NOX-Speicherkatalysator beim speichern und Regenerieren.
Im NOX-Speicher ist zusätzlich BACO3 im Washcoat enthalten.
Das Temperaturfenster liegt bei 250°C…450°C.
SOX zeigt ein ähnliches Verhalten wie NOX. Die Schwefelverbindung ist im BaCO3 jedoch thermisch stabiler und belegt somit den Speicher dauerhaft. Diese führt zu der sogenannten Katalysatorvergiftung.
4-Wege-Katalysator
In einem 4-Wege-Katalysator ist ein 3-Wege-Katalysator mit integriertem Partikelfilter. Die Waben sind wechselseitig verschlossen und wirken als Filter. Die Russpartikel verglühen zu Kohlendioxid.
Vier Wege zum sauberen Benzinmotor - BASF Vier Wege zum sauberen Benzinmotor – Kompaktes Katalysatorsystem der BASF entfernt gasförmige Schadstoffe und zusätzlich Russpartikel
Spielzeit: 8:30
Dieselmotor
Diesel-Oxidationskatalysator (DOC)
Der Diesel-Oxidationskatalysator ist motornahe im Abgasstrang montiert, um schnell seine Betriebstemperatur zu erreichen.
Der Katalysatorkörper besteht aus einer keramischen oder metallischen Wabenstruktur die mit einer edelmetallhaltigen (Platin oder Palladium) Katalysatorschicht (Washcoat) überzogen ist.
Er verringert die HC und CO Emissionen, und teilweise auch NOX und die flüchtigen Bestandteile der Partikelemission. Diese Abgasbestandteile wandelt er in Wasser H2O und CO2 um.
Durch besondere Katalysatorausführungen ist es gleichzeitig möglich NOX mit HC und CO zu reduzieren, wobei der NOX-Umsatz auf 5…10% beschränkt ist.
Bild: Chemischer Umwandlungsprozess im Diesel Oxidationskatalysator.
NOX-Speicherkatalysator (NSC)
Grundsätzlich funktionieren die Speicher Katalysatoren gleich wie beim Mager-Benzinmotor. Der Hauptunterschied liegt beim Diesel im mangelnden HC-Anteil zur Regeneration. Der Dieselmotor arbeitet immer mit Luftüberschuss. Deshalb kann ein Dreiwegekatalysator für die Reduktion der Stickoxide NOX nicht eingesetzt werden.
Bei Luftüberschuss reagieren CO und HC mit dem Restsauerstoff aus dem Abgas zu CO2 und H2O und stehen dann für die NOX-Reduktion nicht mehr zur Verfügung.
Bild: NOx-Speicherkatalysator, BMW 530d
Der Dieselmotor NOX-Speicherkatalysator baut die Stickoxide NOX auf eine andere Weise ab. Er ist in der Lage Stickoxide NOX zu speichern und dann zu konvertieren.
NOX- Speicherung im mageren Abgas (Dauer: 30 s bis zu mehreren Minuten).
NOX- Ausspeicherung und Konvertierung im fetten Abgas (2…10 s).
Als NOX-Speicherkomponenten werden Alkali- oder Erdalkali-Metalle, wie Bariumverbindungen und ein Edelmetall eingesetzt.
An den Edelmetallkontakten des NOX-Speicherkatalysators oxidiert NO mit Sauerstoff zu NO2 und kann durch den unmittelbaren Kontakt mit der Speicherkomponente Bariumoxid BaO zu Bariumnitrat Ba(NO3)2 weiter reagieren.
Diese Reaktion läuft so lange ab, bis die Speicherkomponente gesättigt sind und wieder regeneriert werden müssen. Durch kurzzeitiges Anfetten der Abgase auf λ < 1 im Dieselmotor kommt es während der Regeneration des NOX-Speicherkatalysators zu einem Zerfall von Ba(NO3)2 zu BaO. Hierbei wird NOX durch die fetten Komponenten an den Platinkontakten zu elementarem Stickstoff reduziert.
Der NOX–Speicherkatalysator benötigt einen zyklischen Wechsel zwischen oxidierenden und reduzierenden. Ein erfolgreicher Einsatz setzt die Verwendung eines schwefelarmen Treibstoffes voraus. Der Schwefelanteil setzt die NOX-Speicherfähigkeit herab.
SO2 reagiert am Edelmetall zum Bariumsulfat BaSO2. Der Speicherkatalysator wird vergiftet und die Speicherfähigkeit sinkt. Deshalb ist eine regelmässige Entschwefelung durch Freibrennen notwendig.
HC-SCR-Katalysator
Im HC-SCR-Katalysator (HC-selective catalytic reduction) oder auch NCR (non catalytic reduction) bezeichnet, werden Kohlenwasserstoffe (Diesel) als Reduktionsmittel für NOX verwendet.
Der Treibstoff kann über ein separates Einspritzventil in das Abgassystem oder über eine Nacheinspritzung während dem Expansionshub in den Zylinder eingebracht werden.
Die Wirkung ist eher gering, da die Kohlenwasserstoffe durch den im Abgas im Überschuss vorhandenen Sauerstoff bereits oxidiert. Durch die zusätzliche Einspritzung wird ein Mehrverbrauch von ca. 3% erzeugt. Ein weiteres Problem dieser Katalysatoren sind die entstehenden N2O- oder NO2-Bildungen.
Da die Katalysatoren nur in einem sehr engen Temperaturfenster NOX konvertieren, sind strukturierte Systeme, bestehend aus mehreren Katalysatoren, erforderlich. Die Technik ist für die zukünftigen Grenzwerte nicht mehr geeignet.
Denox-Katalysator
Da die beiden Verfahren NSCR und SCR primär auf die Reduktion von NOX im mageren Bereich ausgelegt sind, werden die Katalysatoren auch als Denox-Katalysator oder Mager-Katalysator bezeichnet.
NSCR-Katalysator
Mit der nicht selektiven katalytischen Reduktion (non selectiv catalytic reduction) wird der NOX-Anteil reduziert. Der Wirkungsgrad ist deutlich kleiner als beim SCR-Katalysator.
Das System nutzt die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) im Abgas als reduzierendes Mittel.
4 NO + 2 CH2 + O2 → 2 N2 + 2 H2O +CO2
Bild: NSCR-Katalysatoren für Stationäre Motoren.
Das NOX wird im katalytischen Material (Zeolithen) eingelagert und durch kurzzeitiges fettes Gemisch abgebaut. Als Beschichtung wird Platin oder Kupfer verwendet.
Die Bezeichnung NSCR beschreibt den Nachbehandlungsprozess, bei welchen viele unterschiedliche Reaktionen stattfinden. Wegen des nicht selektiven Charakters der Reaktionen im NSCR-Katalysator, ist es schwierig, hohe Umwandlungsraten für NOx zu erreichen. Der Wirkungsgrad bewegt sich zwischen 15 und 65%.
Als weiterer Nachteil ist das enge Temperaturfenster (200 bis 250°C) der Katalysatoren. Deshalb sind diese Verfahren nur für Stationär-Motoren interessant.
Die Sicherung der Funktionsfähigkeit des NSCR-Systems mit relativ grossen erforderlichen HC-Mengen im Abgas (durch die Nacheinspritzung in den Zylinder oder in das Abgasrohr) erhöht erheblich, bis zu 15 %, den Kraftstoffverbrauch. Für Fahrzeug-Dieselmotoren sind solche Systeme nicht interessant.
SCR-Katalysator
Mit dem SCR-Katalysator (Selective catalytic reduction) können tiefe NOX-Werte erreichen werden. Das SCR-Verfahren ist heute ein wesentlicher Bestandteil in der NOX-Reduktion.
Ein Katalysator aus Titaniumoxid, erreicht bei Temperaturen von 180°C…450°C das gleiche wie das SNCR-Verfahren jedoch mit besserem Wirkungsgrad.
Das SCR-System besteht aus SCR-Katalysator, Dosiersystem und der Sensorik.
Bild: Systemübersicht mit SCR-Katalysator und AdBlue Einspritzung.
Mit Ammoniak in Form von AdBlue, wird vor dem SCR-Katalysator eingespritzt. Dabei wandeln sich Stickoxide selektiv zu elementaren Stickstoff um. Es werden Konvertierungsraten von 90% und höher erreicht.
Nach der Einspritzung des Harnstoffs wird ab 70°C zunächst Ammoniak NH3 gebildet. Danach folgen zwei Reaktionen:
1. Thermolyse
(NH2)2 CO → NH3 + HNCO
2. Hydrolyse
HNCO + H2O → NH3 + CO2
Das Ammoniak reagiert im Katalysator mit den Stickoxiden zu den unschädlichen Produkten Wasser H2O und elementarem Stickstoff N2.
Bosch Denoxtronic-System - AdBlue®-Dosierung und SCR-Katalysator - Bosch Mobility Solutions
Die Umwandlung von Stickoxiden im Abgas in harmlose Substanzen geschieht auch in Verbindung des Denoxtronic-Systems von Bosch mit einem SCR-Katalysator.
Spielzeit: 2:09
AdBlue®
Der Harnstoff AdBlue ist ein geschütztes Markenzeichen und wird von BASF nach ISO22241/DIN70070 synthetisch hergestellt.
Es ist eine 32,5% haltige Lösung von reinem Harnstoff und destilliertem Wasser. So wird Ammoniak in einer ungiftigen und platzsparenden Form gespeichert.
Da AdBlue bei -11°C gefriert, benötigen alle Leitungen eine Heizung. Die Pumpe ist nicht nur für den Einspritzdruck verantwortlich, sondern muss nach dem Abstellen des Motors die Leitungen entleeren.
Die Einspritzmenge wird vom Motorsteuergerät auf Grund der Messwerte von der NOX-Sonde reguliert.
Bild: AdBlue Einspritzung, Audi
Vorsichtsmassnahmen
Vorsichtsmassnahmen beim Umgang mit AdBlue®:
Reduktionsmitteltank mit den vom Hersteller zugelassenen Behältern und Adaptern befüllen.
Reduktionsmittel nicht einatmen oder schlucken.
Kontakt des Reduktionsmittels mit der Haut, den Augen oder den Atemwegen aufgrund möglicher Reizungen vermeiden. In diesem Fall sofort mit reichlich Wasser abwaschen, und wenn nötig einen Arzt aufsuchen.
Reduktionsmittel nicht mit anderen Additiven oder Wasser mischen.
Auslaufendes Reduktionsmittel mit einem feuchten Lappen und reichlich kaltem Wasser entfernen. Ist es bereits kristallisiert, mit einem Schwamm und heissem Wasser entfernen.
Bild: AdBlue Einfüllstutzen Mercedes Bluetec
AdBlue® Betankung eines PKW - KRUSE Automotive KRUSE Automotive ist der Spezialist für Systemlösungen rund um das markengeschützte AdBlue® bzw. Diesel Exhaust Fluid (DEF) und bedient den nationalen und internationalen AdBlue®-Markt. Bei uns erhalten Sie AdBlue® in unterschiedlichen Gebinden.
Spielzeit: 1:03
Ammoniak-Schlupfkatalysator (ASC)
Der Ammoniak-Schlupfkatalysator (ASC) oder auch als Sperrkatalysator bekannt, hat die Aufgabe überschüssiges Ammoniak wieder in Stickstoff und Wasser umzuwandeln.
Dies ist erforderlich, weil gasförmiges NH3 schon in sehr kleinen Mengen von 15 ppm zu einer Geruchsbelästigung führt. NH3 ist giftig und führt bei höheren Konzentrationen zu Verätzungen von Augen, Atemwegen und Haut.
Bild: Umwandlungsprozess im Ammoniak-Schlupfkatalysator.
Partikelfilter DPF
Der Partikelfilter DPF hat die Aufgabe, Russ und Asche aus dem Abgas herauszufiltern und gleichzeitig die Partikelanzahl als auch die Partikelmasse zu reduzieren. Dabei gibt es Filter mit und ohne katalytische Beschichtung.
Sämtliche Abgase und Russteilchen durchfliessen die aus Siliziumcarbid bestehenden porösen Zwischenwände. Je mehr Russ sich ansammeln, desto stärker wird die Filterwirkung der Wände. Die Temperatur und der Differenzdruck steigen dadurch an.
Bild: Beschichteter Dieselpartikelfilter im Audi A8 3.0 TDI.
Bei der Regeneration wird zwischen passiver und aktiver Regeneration unterschieden.
Die passive Regeneration erfolgt ohne Eingriff des Motormanagements überwiegend bei Autobahnbetrieb. Bei katalytischer Beschichtung wirkt das Platin, dass Stickstoffdioxid (NO2) am Filterelement entsteht. NO2 sorgt für die langsame und schonende Russoxidation bei Temperaturen über 350°C.
Die aktive Regeneration wird durch die Motorsteuerung eingeleitet, wenn die Grenzwerte (Differenzdruck oder Staudruck) erreicht.
Dabei wird die Abgasrückführung ausgeschaltet, die Nacheinspritzung (35°KW n. OT) aktiv, die Drosselklappe geöffnet und der Ladedruck erhöht. Mit all den Massnahmen wird die Abgastemperatur auf 600…650°C erhöht.
Regeneration
HCI-System
Durch Zugabe eines Additivs – meist Cer oder Eisenverbindungen – in den Dieselkraftstoff kann die Russ-Oxidationstemperatur von 600 °C auf ca. 450…500 °C abgesenkt werden.
Durch die Additive bleibt nach einer Regeneration ein Rückstand (Asche) im Filter zurück. Diese Asche, wie auch Asche aus Motoröl- oder
Kraftstoffrückständen, setzt den Filter allmählich zu und erhöht den Abgasgegendruck.
Um Partikelfilter aktiv zu regenerieren, muss die Temperatur im Filter auf über 600 °C erhöht werden. Dies kann durch motorinterne Einstellungen erreicht werden. Bei ungünstigen Applikationen – z.B. bei sehr grossem Abstand zwischen Partikelfilter und Motor – werden die motorinternen Massnahmen sehr aufwändig.
Hier wird dann ein HCI-System (hydro carbon injection) verwendet, bei dem Dieselkraftstoff vor einem Katalysator (8) eingespritzt bzw. verdampft wird und dann in diesem katalytisch verbrennt. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme wird zur Regeneration des nachgeschalteten Partikelfilters (9) genutzt.
Leichte Fahrzeuge benötigen etwa einen Liter Harnstoff pro 1000 km.
Der Peugeot 607 HDi war im Jahr 1999 weltweit der erste, der serienmässig mit einem Russpartikelfilter ausgestattet wurde. Das von PSA entwickelte System verbrennt die Russpartikel bereits im Dieselabgas.
Um die EURO IV zu erreichen setzte Peugeot auf den Russpartikelfilter FAP (Filtre à particules) und das Cer-Additiv welches im Dieseltank beigemischt wird.
Regeneration
Die Regeneration wird durch die Common-Rail-Einspritzung mit Nacheinspritzungen eingeleitet. Den Füllzustand des Partikelfilters meldet der Drucksensor am Filter. Eine vollständige Regeneration dauert rund zwei bis drei Minuten.
Dabei wird die Abgastemperatur in 2 Schritten erhöht:
durch die Nacheinspritzung um 200…250°C.
durch die Nachverbrennung im Oxidationskatalysator um weitere 100°C.
Eolys®
Das Cer-Additiv (Eolys®) auf Cerinbasis verursacht, dass die Partikel so optimiert werden, dass diese bereits bei 450°C statt 600°C verbrennen. Eine regelmässige Regeneratrion erfolgt ca. alle 700 km.
Bild: Cer-Additiv (Eolys®) Produktepalette.
Auf 60 l Dieseltreibstoff verbraucht das FAP-System ca. 37,5 ml oder 1,9 g Cer und reduziert dabei die Partikel um 60%.
1 l Cer-Additiv reicht etwa für 10'000 l Diesel.
Eolys-Additive gibt es in drei Ausführungen:
Eolys DPX42, Baujahr 10/2002, weisse Markierung
Eolys 176 ab Baujahr 11/2002, grüne Markierung wird durch INFINEUM F7995 ersetzt.
Eolys Powerflex ab Baujahr 2010, blaue Markierung
Die Additive DPX42, EOLYS POWERFLEX und INFINEUM F7995 sind untereinander nicht mischbar.
Über kreisförmig angeordnete Heizelemente leitet die Steuereinheit die (aktive) Regeneration ein. Durch die Energie der Heizelemente wird der angesammelte Russ gezündet und der Regenerationsprozess läuft nach der Initialzündung der Russschicht selbstständig zu Ende.
Bild: Thermoelektrisch beheizte Katalysation für die Regeneration oder schnelles Ansprechen.
SMF-AR - Sintermetallfilter mit autarker thermoelektrischer Regeneration - HJSEmissionTechnol Wegen stark abweichenden Anwendungsprofilen mit häufig zu geringen Abgastemperaturen kommen bei mobilen Maschinen und stationären Anwendungen meist aktive Systeme wie das SMF-AR (Sintermetallfilter mit autarker thermoelektrischer Regeneration) zum Einsatz. Damit kann der Partikelfilter temperaturunabhängig in nahezu jedem Motorbetriebspunkt regeneriert werden.
Spielzeit: 0:50
CRT-System
Das CRT- System (Continuously Regenerating Trap) ist ein effizientes Abgasreinigungssystem zur Reduzierung der Russpartikel. Es vermindert sowohl die Partikelmasse, als auch den Anteil der Feinst Partikel (<1 µm).
Mit dem CRT-System wird der Russ zurückgehalten und kontinuierlich verbrannt.
CRT kombiniert die Wirkung des Partikelfilters mit der des Oxidations-Katalysators. Das Stickstoffdioxid (NO2), das sich im Katalysator bildet, ermöglicht die kontinuierliche Verbrennung der Russrückstände im Filter im Temperaturbereich von 250…450°C.
Bild: Übersicht CRT-System
Kurbelgehäuseentlüftung
Wegen Undichtheit der Kolbenringe gelangt ein Teil des Arbeitsgases als Blowby-Gas (Durchblase- bzw. Leckgasstrom) aus dem Brennraum in das Kurbelgehäuse.
Andere Leckagen sind an den Ventilführungen oder Wellenlagerungen von Turboladern anzutreffen. Diese Gase müssen dem Verbrennungsprozess zugeführt werden. VTS Art. 52.5 Anhang 5 / 23
Um die Anreicherung von Wasser und Treibstoffkondensaten im Kurbelgehäuse zu vermeiden, wird bei Ottomotoren häufig ein kleiner Teil der Ansaugluft als Spülluft durch das Kurbelgehäuse geführt (PCV-Systeme).
Die rückgeführten Dämpfe sollen möglichst wenig Öl enthalten und werden deshalb durch Labyrinthe oder Zyklonabscheider geführt.
Grundsätzlich werden 3 Systeme unterschieden:
Konventionelle Entlüftung
PVC-System
Unterdruckgeregelte Kurbelgehäuseentlüftung KGE
Bild: konventionelle Kurbelgehäuseentlüftung.
PCV-System
Das PCV-System (Positive Crankcase Ventilation) ist eine gesteuerte, kontinuierliche oder lastabhängige Zufuhr von gereinigter Frischluft, in dem Blow-by-Gase und Motoröl zugemischt werden.
Die Systemsteuerung erfolgt über kalibrierte Drosseln und Ventile. Die Ölabscheidung erfolgt prinzipiell gleich wie beim konventionellen oder unterdruckgeregelten System.
Die im Blow-by-Gas enthaltenen Wasser- und Treibstoffdämpfe werden durch die zugemischte Frischluft aufgenommen und kontinuierlich aus dem Kurbelgehäuse herausgeführt.
Als Nachteil ist die Motorölalterung durch Oxidation und Schwarzschlammbildung zu erwähnen.
Bild: PCV System 22R-TE Motor, Toyota
Unterdruckgeregelt
Das Blow-by-Gas wird aus dem Ölabscheider über ein Differenzdruckventil nach der Drosselklappe in das Saugrohr, eingeleitet.
Im Vergleich zum herkömmlichen System entfallen die Verbindung zwischen Ölabscheider und Ansaugsystem vor Drosselklappe sowie die Unterdruckleitung
mit integrierter Drossel zwischen Motor und Ansaugsystem nach der Drosselklappe. Das Differenzdruckventil ist ein federbelastetes Membranventil
mit abgestimmtem Bypass. Es regelt bei nahezu allen Lastzuständen des Motors den Unterdruck im Motorinneren auf einen zulässigen Maximalwert.
Bild: Kurbelgehäuseentlüftung im VW
Systemübersicht
Version
Bemerkung
Einleitungs-Druckventil mit geregelter KGH-Durchlüftung und 2 Rückschlagventilen. Einleitung gesteuerte vor ATL oder nach Drosselklappe. Belüftung vor Verdichter.
Aufgeladener Benzinmotor, eignet sich im Teillast und Kaltstartbetrieb.
Einleitungs-Druckventil mit geregelter KG-Durchlüftung und 2 Rückschlagventilen. Einleitung gesteuerte vor ATL oder nach Drosselklappe. Belüftung nach Luftkühler.
Aufgeladener Benzinmotor, eignet sich für Volllast und bei Volllastanreicherung.
Einleitungs Doppel-Drosselrückschlagventil und gedrosselte KG-Durchlüftung. Zuleitung vor ATL oder nach Drosselklappe.
Aufgeladener Dieselmotor, einfach, nur kleine Druckdifferenz im Ölabscheider möglich. Ansaugwiderstand muss klein sein.
Geregeltes KG-Entlüftung mit Einleitung vor ATL.
Aufgeladener Dieselmotor, gute Druckregelung, nur kleine Druckdifferenz im Ölabscheider möglich
Geregelte KG-Entlüftung mit 2 Rückschlagventilen. Einleitung vor und nach ATL.
Aufgeladener Dieselmotor, maximal möglicher Unterdruck kann genutzt werden.
Tabelle: Kurbelgehäuseentlüftung für aufgeladene Benzin- und Dieselmotoren.
Im Ottomotor werden im Hinblick auf die ausreichende Ölnebelabscheidung, vorwiegend Entlüftungskonzepte mit Druckregelventilen verwendet. Bei aufgeladenen Dieselmotoren erfolgt die Einleitung der Entlüftungsgase vor dem Turbolader.
Aktiv Kohlebehälter
Benzin ist ein Gemisch von leicht- bis mittelschwerflüchtigen Kohlenwasserstoffen. Bei warmem und heissem Wetter verdunstet ein beträchtlicher Anteil der leichtsiedenden Substanzen, der je nach Jahreszeit 12-15% des Treibstoffes ausmacht.
Die Abgasnormen verlangen ein kontrolliertes Dampfrückhaltesystem und verlangen das die Dämpfe über ein Rückführungssystem wieder der Verbrennung zugeführt wird. VTS Art. 50, Anhang 5 / 21
VW Golf 5 GTi oder Edition 30, mit 2,0l TFSi-Motor.
Ein wichtiger Bestandteil dieses Systems ist der Aktivkohlebehälter.
Aktivkohle
Aktivkohle hat eine sehr grosse Porenoberfläche. So ergibt ein einziges Gramm Aktivkohle eine Micro-Porenoberfläche von 1600 m2. Die Poren sind unvorstellbar klein, d.h. zwischen 2 und 50 nm (Nanometer) oder 0,000002…0,000050 mm.
An der Oberfläche der Poren lagern sich die Benzindämpfe ab. Ein Aktivkohlebehälter kann so 0,5-2 Liter Benzin einlagern. Die Dämpfe werden mit Unterdruck der Aktivkohle wieder entzogen.
Regenerierventil
Das Regenerierventil schliesst und öffnet die Verbindung zwischen Aktivkohlebehälter und Saugrohr. Die Steuerung erfolgt über das Motor-Steuergerät.
Die Regenerierung der Benzingase darf nur in bestimmten Betriebszuständen (60°C) erfolgen. Andernfalls könnte die Laufruhe durch eine Überfettung gestört werden. Im Leerlauf erfolgt keine Regenerierung. Die ideale Drehzahl zur Regenerierung liegt zwischen 2500…4500/min., eher im oberen Teillastbereich. Dies ist für den Verbrennungsablauf unbemerkbar.
Belüftungsventil
Das Belüftungsventil ist ein Zweiwegventil mit der Aufgabe, den Tank bei einem Überdruck von 30-50 mbar zu entlüften, oder bei einem Unterdruck von 1-16 mbar zu belüften.
entlüften
belüften
Entsteht im Tank (B) ein Überdruck, so öffnet das Entlüftungsventil (4). Die Treibstoffdämpfe strömen zum Aktivkohlebehälter (A) und werden dort gespeichert, bzw. bei gleichzeitiger Regenerierung in das Saugrohr gesaugt.
Das Belüftungsventil (6) öffnet bei einem Unterdruck im Kraftstoffbehälter. Dadurch werden aus dem Aktivkohlebehälter Treibstoffdämpfe abgesaugt.
Tabelle: Schaltzustände vom Lüftungsventil
Regeneration im Turbomotor
Sobald ein Ladedruck wirkt, ist eine Umschaltung zur Regeneration notwendig.
Das Motorsteuergerät regelt mit Hilfe des Magnetventils (N80) die Rückführrate aus dem Aktivkohle-Behälter. Rückschlagventile steuern die Rückführung der Treibstoffdämpfe je nach Betriebszustand.
Unterdruck im Saugrohr Rückschlagventil 1 geöffnet. Rückführung in das Saugrohr.
Ladedruck im Saugrohr Rückschlagventil 2 geöffnet. Rückführung vor die Abgasturbolader.
Bild: Aktivkohle-System im Audi 2,7 l-V6-Biturbo, SSP 198
Fehlerquellen
Das System ist anfällig auf undichte Schläuche, defekte Ventile oder Unterbrüche in elektrischen Leitungen.
Erkennungsmerkmale sind:
abgespeicherter Fehlercode
Warmstartschwierigkeiten
unregelmässiger Motorlauf, sägen
Zündaussetzer, rupfen
Benzingeruch durch austretende Kraftstoffdämpfe
Funktionsprüfung
Das Benzindampfrückführsystem einfach überprüfen:
am Aktivkohlebehälter (1) den Frischluftschlauch (8) abziehen und ein Unterdruckmanometer anschliessen und Benzintank öffnen.
beim Motorstart (Kühlwasser < 60°C) darf am Manometer keine Veränderung entstehen.
Ab Motortemperatur > 60°C und erhöhter Drehzahl (2500…3000/min.) muss das Manometer 75…150 mbar anzeigen.
In diesem Fall ist das Belüftungssystem mit 95% Sicherheit in Ordnung.
Die ersten externen Abgasrückführungssysteme (AGR) kamen in den achtziger Jahren auf dem Markt und sind heute mehr denn je notwendig um die strengen Abgasnormen Euro 4, 5 und 6 zu erfüllen. Die neusten Abgasrückführungen werden elektronisch gesteuert und sind meist zusätzlich mit einem Abgaskühler versehen.
Ottomotoren verwenden einen Dreiwege-Katalysator, dieser geeignet sich im Dieselmotor nicht.
Der Dieselmotor arbeitet mit Luftüberschuss. Deshalb ist eine nennenswerte katalytische NOX-Reduktion kaum mehr vorhanden.
Deshalb wird ein Oxidationskatalysator zur HC- und CO-Umwandlung eingesetzt, gefolgt von einem NOX-Speicherkatalysator oder einem SCR-Katalysator. Durch die innere Gemischbildung entstehen Russpartikel, welche im dem Partikelfilter nachbehandelt werden.
Die Kurbelgehäuseentlüftung soll die Blow-by-Gase wieder der Verbrennung zuführen. Dabei ist es wichtig, dass die Öldämpfe vorgängig in einem Labyrinth oder Zyklonabscheider ausgeschieden sind.
Der aktive Kohlebehälter nimmt die im Tank entstehenden HC-Dämpfe auf und führt diese über das Regenerierventil wieder der Verbrennung zu.
Quellen
Literatur
Robert Bosch GmbH (Hrsg.), Ottomotor-Management, 3. Aufl. Vieweg Verlag, ISBN 3-83348-0037-6
Robert Bosch GmbH Dieselmotor-Management im Überblick, 2. Aufl. Vieweg Verlag, ISBN 978-3-658-06554-6
Robert Bosch GmbH Ottomotor mit Direkteinspritzung, 3. Aufl. Vieweg Verlag, ISBN 978-3-658-01407-0
Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, Hans-Hermann Braess, 7. Aufl. Vieweg-Verlag, ISBN 978-3-658-01690-6
Basiswissen Verbrennungsmotor, Klaus Schreiner, 1. Aufl. Vieweg-Verlag, ISBN 978-3-8348-1279-7
Handbuch Verbrennungsmotor, Basshuysen, Schäfer, 7. Aufl. Springer Verlag, ISBN 978-3-658-04677-4
Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik, 30. Aufl. Europa Verlag, ISBN 978-3-8085-2240-0
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Ausfall der Sekundärluftpumpe durch klemmendes Relais
Pierburg
Abgasrückführung und -Steuerung mit Pierburg Komponenten (2013)
Perburg
Service Info Pierburg, Si0100 Fehlersuche am AGR-System
Perburg
Service Info Pierburg, Si0047 Elektrisches AGR-Ventil Opel