Technologie

Partikelfilter, Abgasrückführung und AdBlue: Diese Maßnahmen helfen, Schadstoffe zu minimieren

Automobil- und Nutzfahrzeughersteller befinden sich nicht selten auf Kriegsfuß mit neuer Abgas-Technologie, denn sie ist ein großer Kostentreiber. Dennoch leistet sie einen notwendigen Beitrag zur Verbesserung der Umweltbilanz zum Wohle aller. Aktuelle Verfahren zur Schadstoffminderung beim Dieselmotor sehen Sie hier im Überblick.

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Deutsche Lungenärzte haben erst kürzlich auf sich aufmerksam gemacht. In einem Positionspapier fordern sie eine kritische Überprüfung der Auswirkungen von Feinstaub (PM10) und Stickoxiden (NOx) auf die Gesundheit, denn die kausalen Zusammenhänge sind nicht immer klar.

Ein besonders strittiges Argument lieferte der Lungenfacharzt Dieter Köhler. Kern seiner Kritik ist die Verwechslung von Kausalität und Korrelation. Mit anderen Worten: In Gebieten mit hoher Feinstaub- und NOx-Belastung sterben die Menschen zwar im Durchschnitt etwas früher als anderswo, doch sterben sie auch an Feinstaub und Stickoxid in der Straßenluft?

Ein Faktor kommt selten allein

Es könne auch an ganz anderen Störfaktoren liegen: Rauchen, Alkoholkonsum, mangelnde körperliche Bewegung, fehlende medizinische Betreuung, unregelmäßige Einnahme von Medikamenten und vielem mehr, die zu einem frühzeitigen Tod, zum Beispiel durch eine Herz-Kreislauf-Erkrankung, beitragen. „All diese Faktoren wirken meist hundertfach stärker“ als das erhöhte Risiko durch Luftschadstoffe schreibt Köhler, wie das Nachrichtenmedium „Deutsche Welle“ berichtet.

Selbst wenn mehr als hundert Mediziner erhebliche Zweifel an der wissenschaftlichen Methodik bei der Festlegung der Feinstaub- und Sickoxid-Grenzwerte anmelden, werden Automobil- und Nutzfahrzeughersteller nicht drum herumkommen, die neuesten Verfahren zur Schadstoffminderung anzuwenden. Denn der Ausstoß von Stickoxiden ist reglementiert und die Technologie zur Reduzierung höherer Konzentration ist ohnehin bereits vorhanden. 

Minderungsmaßnahmen im Überblick

Vornehmlich ist der Dieselmotor durch die Abgasskandale ins Kreuzfeuer geraten, während der Benziner bis jetzt relativ glimpflich davongekommen ist. Durch eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches sowie durch Vorrichtungen zur selektiven katalytischen Reduktion oder Abgasrückführung (AGR System) können jedoch gute Werte bei der Verminderung der Schadstoffe beim Dieselmotor erzielt werden. Die folgenden Maßnahmen dienen der Verbesserung der Abgasqualität:

Einführung von Abgasnormen

Es beginnt schon bei den Normen für Abgase. Um die Luftschadstoffemissionen des Straßenverkehrs zu verringern, hat der Gesetzgeber im Jahr 1992 erste Abgasgrenzwerte - die so genannten Euro-Normen oder Schadstoffklassen - eingeführt. Mittlerweile sind neben Pkws auch Busse, Lkw und andere Nutzfahrzeuge erfasst. Die aktuelle, europaweite Abgasnorm lautet mittlerweile Euro 6 und ist auf eine moderne Abgasnachbehandlung ausgelegt.

Euro-Normen besitzen insbesondere für Fahrzeughalter oder Fuhrparkbetreiber große wirtschaftliche Relevanz, zum Beispiel bei der Einfahrt in Umweltzonen oder bei der Kraftfahrzeugsteuer. Zusätzlich zu den in der EU-Luftqualitätsrichtlinie festgelegten Luftqualitätsstandards wurden quellbezogene Emissionsvorschriften erlassen - auch für den Verkehrsbereich. Diese legen zum einen umweltbezogene Spezifikationen für Kraftstoffinhalte fest und begrenzen zum anderen die wichtigsten Luftschadstoffe in den Abgasemissionen.

Verbesserte Kraftstoffe

Die Schadstoffanteile in den Abgasen werden grundlegend durch schwefelarme und unverbleite Kraftstoffe verringert. Darüber hinaus erhöhen niedrige Schwefelgehalte die Dauerhaltbarkeit und Effizienz von Abgasnachbehandlungsystemen. Die technischen Grundlagen für die Festlegung umweltbezogener Kraftstoffqualitäten - und Abgasgrenzwerte für Pkw und Nutzfahrzeuge - wurden in den 1990er Jahren mit dem europäischen Autoöl-Programm der EU-Kommission gelegt.

Für Dieselkraftstoff sind neben der Verringerung der Dichte und der Definition des Siedeerhaltens die Reduktion polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe, des Schwefelgehaltes sowie der Verbesserung der Zündwilligkeit (Cetanzahl) zu nennen. Kraftstoffadditive können zudem helfen, die Temperatur, bei der Ruß in Dieselpartikelfiltern verbrennt, von etwa 550 Grad Celsius auf 400 senken.

Geeignete Motorkonstruktion

Die Effizienz eines Motors fällt oder steht mit seiner Bauweise. So lässt sich das Verdichtungsverhältnis des Brennraums mittels variabler Saugrohre und Ventilsteuerungen optimieren. Viele Automobilhersteller folgen dem Trend zum „Motor-Downsizing“, wodurch nicht nur Bauraum eingespart, sondern auch der Kraftstoffverbrauch bedeutend gesenkt werden soll.  

Intelligentes Motormanagementsystem

Hierzu zählt etwa die kennfeldgesteuerte Zündung und Einspritzung von Kraftstoff oder die selektive Zylinderabschaltung des Motors.

Lader mit Ladeluftkühlung

Dient der Steigerung der Hubraumleistung bei gleichzeitiger Verminderung der Brennraumspitzentemperatur. Dadurch wird ebenfalls die Bildung von NOx vermindert.

Dieselpartikelfilter

Während Dieselpartikelfilter extrem effektiv sein können und bis zu 95 Prozent der schädlichen Feinstaubemissionen entfernen können, sind sie leider recht anfällig und funktionieren nur unter den richtigen Bedingungen. So können niedrige Temperaturen dazu führen, dass mehr Feinstaubemissionen ausgestoßen werden als erlaubt. Dieselpartikelfilter funktionieren auf zwei Art und Weisen. Bei passiver Regenerierung fangen sie Rußpartikel und verbrennen diese während des Regenerierungsprozesses, bei dem Temperaturen von mehr als 550 Grad Celsius erreicht werden.

Dies ist jedoch nur möglich, wenn das Fahrzeug die optimale Temperatur erreicht - typischerweise bei längeren Fahrten und höheren Geschwindigkeiten. „Der Partikelfilter hat maßgeblich dazu beigetragen, die Situation zu verbessern und es wird noch besser“, prognostiziert Bernhard Geringer, Vorstand des Instituts für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik an der TU Wien.

„Ich sehe das Thema Stickoxid-Emissionen in den nächsten Jahren als lösbar an. Dafür wäre es jedoch wichtig, so schnell wie möglich neue Fahrzeuge auf den Markt zu bringen.“ Schlüsseltechnologien sind die Abgasrückführung (AGR) als innermotorische Maßnahme sowie die Abgasnachbehandlung mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR) und dem Einsatz von AdBlue (Harnstoff).

Abgasrückführung (ACR)

Mit Einführung der Euro-5-Norm im Jahr 2009 wurden Vorrichtungen zur selektiven katalytischen Reduktion sowie Abgasrückführung für alle neuen Dieselfahrzeuge zu einem gesetzlichen Erfordernis. Die Abgasrückführung hat den Sinn, die NOx-Emissionen zu senken. Das geschieht durch die Beimengung von Abgas in die Ansaugluft, wodurch der zugeführte Sauerstoffanteil verkleinert wird.

In weiterer Folge sinkt nicht nur die Verbrennungstemperatur, sondern es kann auch eine Reduzierung des Stickoxid-Ausstoßes um rund die Hälfte erzielt werden. Die ACR wird abgeschaltet, wenn fette Kraftstoff-Luft-Gemische verbrannt werden, bei denen wenig NOx entsteht, zum Beispiel: Kaltstart, Warmlauf, Beschleunigung und Volllast.

Unterschieden wird zudem die interne Abgasrückführung (innermotorisch) von der externen (außermotorisch). Die interne Abgasrückführung hat bei Dieselmotoren aber keine Bedeutung, da diese Verbrennungsmotoren in der Regel wenig Ventilüberschneidung haben und aufgeladen sind.

Selektive Katalytische Reduktion (SCR)

Der Einsatz von SCR Katalysatoren reduziert Stickoxide außermotorisch zu Stickstoff und Wasser. Bei diesem Prozess wird das zur Reduktion notwendige Ammoniak im Abgasstrom dadurch gebildet, dass eine Harnstofflösung (zum Beispiel AdBlue) in den Abgasstrom eigespritzt wird. SCR reduziert die Stickoxide im Abgas um bis zu 90 Prozent, wodurch der Motor auf eine heiße, partikelarme und effiziente Verbrennung ausgelegt werden kann.

Der Verbrauch an Harnstofflösung liegt bei bis zu fünf Prozent des Dieselverbrauches, wobei nach ersten Erfahrungen eine Verringerung des Kraftstoffverbrauches um fünf bis acht Prozent bei ähnlich ausgelegten Sattelzugmaschinen zu verzeichnen war.

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Durch menschlichen Urin lässt sich der Harnstoff in AdBlue übrigens nicht ersetzen. Während menschlicher Urin nur drei bis vier Prozent Harnstoff - und daneben allerlei Störstoffe von Eiweiß bis Restalkohol - enhält, liegt der Anteil in AdBlue bei 32,5 Prozent.

AdBlue 

Hierbei handelt es sich um nichts anderes als eine wässrige Harnstofflösung, die dem SCR-System zugeführt wird. Da AdBlue zu 32,5 aus Harnstoff und zu 67,5 Prozent aus demineralisiertem Wasser besteht wird die menschliche Gesundheit in keiner Weise beeinträchtigt. Die Lösung reagiert mit den Stickoxiden im heißen Abgas und verwandelt diese in die umweltfreundlicheren Bestandteile Stickstoff und Wasser.

Seit der Einführung der Abgasnorm Euro 6 (ab 2014), werden immer mehr Pkw mit einem SCR-System ausgestattet, bei Lastwagen ist AdBlue schon etablierter. Einziger Nachteil: Es muss regelmäßig in einen separaten Zusatztank nachgefüllt werden.

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