Verbrennungsmotoren: Lösungen zur Emissionsreduzierung, die nicht den Motor betreffen.

In den letzten Jahren wurde erwartet, dass Verbrennungsmotoren schnell an Bedeutung verlieren würden, da die Elektromobilität aufgrund von Umweltbedenken und technologischen Fortschritten an Fahrt aufnahm. Heute konzentrieren sich die Hersteller jedoch in erheblichem Maße auf die Weiterentwicklung der Verbrennungsmotorentechnologie, wobei die Zukunft dieser Motoren weitgehend von ihrer Fähigkeit abhängt, strenge Niedrigemissionsstandards zu erfüllen.

In diesem Artikel erfahren Sie:

• die Bedeutung von Verbrennungsmotoren
• wie Emissionsstandards entstanden sind
• kurz die wichtigsten internen Motortechnologien zur Emissionsreduzierung.
• die nicht motorbezogenen Reinigungsmethoden.
• die Bedeutung der Synergie zwischen primären und sekundären Lösungen.

Herausforderungen im Bereich Emissionen und regulatorische Fortschritte

Die zunehmende Verbreitung von Verbrennungsmotoren (ICE) in der Mitte des 20. Jahrhunderts führte zu einer erheblichen Umweltverschmutzung, insbesondere in den USA. Als Reaktion darauf wurden strengere Emissionsnormen wie CARB (1967) und EPA (1970) eingeführt, um schädliche Schadstoffe zu reduzieren. Diese frühen Vorschriften haben globale Standards beeinflusst, die sich nun nicht nur auf Abgase, sondern auch auf die Verschmutzung durch Reifen und Bremsen beziehen.

Trotz des Trends zu Elektrofahrzeugen sind Verbrennungsmotoren in Branchen wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und bei Off-Highway-Anwendungen nach wie vor unverzichtbar. Die laufenden Bemühungen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren konzentrieren sich auf die Weiterentwicklung von Motorentechnologien und die Einführung sauberer Kraftstoffoptionen.

Primäre Motorentechnologien zur Emissionsreduzierung

Die Reduzierung der Emissionen moderner Verbrennungsmotoren beginnt bereits in der Entwurfsphase, wobei der Schwerpunkt auf der Interaktion verschiedener Motorkomponenten liegt. Zu den Schlüsseltechnologien gehören die Abgasrückführung (AGR) zur Reduzierung von Stickoxiden (NOx) und Kohlenwasserstoffen, fortschrittliche Kraftstoffeinspritzsysteme für eine optimale Kraftstoff-Luft-Mischung und eine verbesserte Turbolader-Effizienz für eine bessere Verbrennung. Andere Methoden wie die geschlossene Kurbelgehäuseentlüftung (CCV) und die Optimierung der Ventilsteuerung tragen zur Reduzierung von Kohlenwasserstoffen und unverbranntem Kraftstoff bei, während Verbesserungen des Motorkühlsystems und hochwertige Kraftstoffe zur allgemeinen Emissionsreduzierung beitragen.

Wenn Sie mehr über interne Abgasreinigungsmethoden erfahren möchten, lesen Sie diesen Artikel: Verbrennungsmotoren: interne Lösungen für eine grünere Zukunft.

Integration sekundärer Reinigungsmethoden

Das moderne Motordesign reicht trotz zahlreicher innovativer Lösungen, die im vorherigen Artikel beschrieben wurden, derzeit nicht aus, um das von den Normen geforderte Niveau an Schadstoffemissionen nur durch Primärbehandlungen zu erreichen. Die Weiterentwicklung von Motormethoden zur Vermeidung von Schadstoffemissionen in Abgasen ist im Gange, erfordert jedoch hohe finanzielle Aufwendungen und kann zu einer Komplexität der gesamten Struktur führen, was sich negativ auf ihre Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Kosten auswirken kann. Aus diesem Grund wurde alles daran gesetzt, den Prozess der Reduzierung von Abgasemissionen nach außen zu verlagern und in separate Elemente zu integrieren, die in das Abgassystem integriert werden. Dies sind die sogenannten nicht motorischen (sekundären) Abgasreinigungsverfahren. Sie umfassen in der Regel die folgenden Komponenten:

• Katalysatoren (TWC/DOC) – Katalysatoren werden hauptsächlich zur Reduzierung der Emissionen von Stickoxiden (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) eingesetzt. Am häufigsten werden Drei-Wege-Katalysatoren (TWC) in Benzinmotoren eingesetzt, die gleichzeitig NOx, CO und HC reduzieren. In Dieselmotoren werden Zwei-Wege-Oxidationskatalysatoren (DOC) eingesetzt, die CO und HC reduzieren. Derzeit müssen gebrauchte Katalysereaktoren in kürzester Zeit eine sehr hohe Effizienz erreichen. Ihre Bauweise erfordert eine große Kontaktfläche des Katalysereaktormaterials mit der Abgasphase, um schnell die optimale Betriebstemperatur, einen geringen Strömungswiderstand und eine hohe mechanische und thermische Leistung zu erreichen.
• Diesel-/Benzinpartikelfilter (DPF/GPF) – der Filter fängt Partikel (PM) ein, die dann während des Filterregenerationsprozesses verbrannt werden. Die bei unvollständiger Verbrennung entstehenden Feststoffpartikel bestehen hauptsächlich aus Ruß-Kohlenstoff-Partikeln mit einer adsorbierten Kohlenwasserstoffschicht. In der Praxis gibt es zwei Arten von Partikelfiltern: offene und geschlossene. Offene Filter ermöglichen einen freien Durchfluss und haben eine ähnliche Struktur wie ein katalytischer Oxidationsreaktor. Durch den Kontakt der Feststoffpartikel mit dem katalytischen Material werden diese oxidiert. Sie begrenzen nur den PM-Wert (Partikelgröße), und der PN-Wert (Partikelmenge) bleibt unverändert. Geschlossene Partikelfilter sind beliebter. Sie bestehen aus einer großen Anzahl von Filterkanälen, in die die Abgase strömen. Die Kanäle sind jedoch am Ende blockiert, sodass sich dort feste Partikel ansammeln können. Die horizontalen Wände der Kanäle sind hochporös, sodass die von festen Partikeln gereinigten Abgase in den weiteren Teil des Abgassystems entweichen können. Der Filter kann aus Metall oder Keramik mit einer katalytischen Beschichtung bestehen, um den Oxidationsprozess zu verbessern. Geschlossene Filter können die Emission von Feinstaub und Stickstoffoxiden um weit über 95 % reduzieren. Die gesammelten Feststoffpartikel können sich selbst entzünden, wenn die Temperatur im Abgassystem bei 500–550 °C liegt. Der Selbstreinigungsprozess des Filters wird als Regeneration bezeichnet und gilt für wiederverwendbare Filter. In einigen Fällen von Motoranwendungen, insbesondere bei weniger belasteten Motoren, bei denen keine hohe Temperatur des Abgassystems erreicht wird, werden Einwegfilter verwendet. Bei niedrigeren Temperaturen findet der Regenerationsprozess statt, jedoch mit viel geringerer Intensität, und die Menge an Feststoffpartikeln steigt viel schneller an als bei der Selbstreinigung. Es ist auch möglich, die Selbstentzündungstemperatur von Partikeln durch katalytische Zusätze zu Kraftstoffen zu senken – nasser DPF-Filter. Die Regenerierung von Partikelfiltern wird in einen passiven und einen aktiven Prozess unterteilt. Bei einem passiven Prozess erfolgt die Reinigung der Partikel automatisch durch die hohe Temperatur, die das Abgassystem auf natürliche Weise erreichen kann. Bei Temperaturen von 300–500 °C werden die Partikel mithilfe von Stickstoffdioxid oxidiert, das sich auf der katalytischen Schicht des Partikelfilters bildet. Oberhalb dieser Temperatur werden feste Partikel verbrannt. Der aktive Prozess erfordert eine künstliche Erhöhung der Temperatur des Partikelfilters auf etwa 550 °C. Dies kann durch verschiedene Methoden erreicht werden – durch Änderung der Eigenschaften der Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder, durch Kraftstoffeinspritzung in das Abgassystem oder durch Verwendung einer elektrischen Heizung. Die Strategie zur Steuerung der Regenerationsprozesse des Partikelfilters ist sehr wichtig.
• Lean Nox Trap (LNT) – auch als NOx-Speicherkatalysator bekannt, der insbesondere in Magermixmotoren wie Dieselmotoren eingesetzt wird. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Stickoxidemissionen (NOx) zu reduzieren. Während des normalen Betriebs speichert der LNT NOx auf der Katalysatoroberfläche. Um diese in Stickstoff und Wasser umzuwandeln, schaltet der Motor in den Modus der fetten Verbrennung, wodurch das gespeicherte NOx freigesetzt und reduziert werden kann.
• Selektive katalytische Reduktion (SCR) – SCR-Systeme werden zur Reduzierung von NO_x-Emissionen eingesetzt und kommen vor allem bei Dieselmotoren zum Einsatz. Bei diesem Verfahren wird eine Harnstofflösung (AdBlue) in den Abgasstrom eingespritzt, wodurch NOx in Stickstoff und Wasser umgewandelt wird. AdBlue-Flüssigkeit ist farb- und geruchlos und besteht aus einer 32,5-prozentigen Harnstofflösung in Wasser. Durch die Thermolyse- und Hydrolysereaktionen entsteht bei der Einspritzung in den Abgasstrom vor dem SCR-Katalysator Ammoniak aus Harnstoff. Die Katalysatorschicht, die den Reaktorkern bedeckt, bewirkt die Adsorption des aus dem AdBlue erzeugten Ammoniaks an der Oberfläche des Reaktors. Die durch den SCR-Katalysator strömenden Abgase gehen eine chemische Reaktion mit Ammoniak ein, wodurch Stickstoff und Wasser entstehen und die Gesamtmenge an giftigem NO_x reduziert wird. Das Vorhandensein von Ammoniak in der Abgasumgebung ist für die Wirksamkeit des SCR-Systems erforderlich, aber eine hohe Konzentration von nicht umgesetztem Ammoniak, das das Abgassystem verlässt, ist nicht zulässig – Ammoniakschlupf. Zu viel Ammoniak kann zu Systemausfällen führen, wie z. B. AdBlue-Leckagen aus dem Injektor, zu niedrige Temperaturen oder der Systemreinigungsprozess bei abgestelltem Motor. Um das freigesetzte Ammoniak zu begrenzen, kann ASC (Ammonia Slip Catalyst) verwendet werden, um Ammoniak zu Stickstoff und Wasser zu oxidieren.

Synergie von internen und nicht motorbezogenen Lösungen für sauberere Emissionen

Um sauberere Emissionen von Verbrennungsmotoren zu erreichen, ist ein vielschichtiger Ansatz erforderlich, der sowohl primäre als auch sekundäre Methoden zur Reduzierung schädlicher Schadstoffe umfasst. Während interne Motortechnologien wie die Abgasrückführung (AGR) und fortschrittliche Kraftstoffeinspritzsysteme erheblich zur Reduzierung der Emissionen direkt auf Motorebene beitragen, sind nicht motorbezogene Lösungen, die in das Abgassystem integriert sind, ebenso wichtig. Technologien wie Katalysatoren, Partikelfilter, Lean Nox Traps (LNT) und Systeme zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) spielen eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung von Stickoxiden (NOx), Kohlenmonoxid (CO), Feinstaub (PM) und anderen schädlichen Emissionen. Diese Innovationen tragen dazu bei, dass Motoren immer strengere Emissionsnormen erfüllen.

Da die Emissionsvorschriften jedoch immer strenger werden, ist die Integration dieser Systeme notwendig, um die erforderlichen Emissionssenkungen zu erreichen, insbesondere bei Dieselmotoren. Trotz der Komplexität und der höheren Kosten, die diese Lösungen mit sich bringen, zeigt ihre mögliche Wirksamkeit bei der Reinigung von Abgasen, die sauberer sind als die in den Motor einströmende Luft, das Potenzial von Verbrennungsmotoren, zu künftigen Bemühungen zur Reduzierung der Umweltverschmutzung beizutragen, insbesondere in stark urbanisierten Gebieten. Die kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Technologien bietet vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung der Luftqualität und zur Förderung einer nachhaltigeren Zukunft im Automobilbereich.

Jakub Szylar

Project Leader, Antriebssysteme

Ich habe mich schon immer für Autos begeistert. Manche sagen, ich sei in der Garage geboren worden, aber es war mein Vater, ein Automechaniker, der mich in die Welt der Automobile einführte. Als Projektleiter bei Endego fühle ich mich kreativ und verantwortlich für Arbeitsergebnisse, die unsere Kunden zufriedenstellen. Da ich sowohl Design- als auch Managementtätigkeiten ausführe, kann ich Teil jedes Teams auf dem Weg zum Erfolg sein.