Abgesehen von den dieseltypischen Partikelemissionen stellen die aufgrund des
Verbrennungsverfahrens relativ hohen Stickoxidemissionen der Dieselmotoren das groesste
Problem dar, waehrend die Kohlenwasserstoffemissionen prinzipbedingt auf einem niedrigen
Niveau liegen und z.B. durch Oxidationskatalysatoren effektiv weiter gemindert werden koennen.
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
fuer Diesel Pkw
ist etwa dreimal so hoch wie derjenige fuer 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 Groessenordnung ueberschreiten
Sowohl fuer Diesel Pkw
als auch fuer Nutzfahrzeugmotoren stehen prinzipiell folgende
Massnahmen zur NOxMinderung
mit den folgenden Minderungsraten gegenueber dem heutigen
Stand zur Verfuegung:
| Beeinflussung der motorischen Verbrennung |
20 – 30 % |
(bereits teilweise eingesetzt) |
| Abgasrueckfuehrung, elektronisch gesteuert, |
20 – 50 % |
(bereits teilweise eingesetzt) |
| NOxSpeicherkatalysatoren |
70 – 90 % |
(bei GDIMotoren eingesetzt) |
| Selektive Katalytische Reduktion |
(SCR) 70 – 95 % |
|
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 fuehrt im
gesamten Betrieb zu einem Mehrverbrauch von einigen Prozent, der eher fuer die Betreiber von
Diesel Pkw
als fuer die Betreiber von Nutzfahrzeugen akzeptabel ist. Die fortschreitende
Entwicklung der NOxSpeicherkatalysatoren
und die inzwischen erreichten hohen
Minderungsraten von ueber 90 % wurden fuer DieselNutzfahrzeugmotoren
von der EPA
nachgewiesen [10],Die Firma Toyota erprobt seit Maerz 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 ueber 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 fuer NOx und ein ebenfalls niedriges
Emissionsniveau fuer Partikel ausweisen [10]. Welche Emissionswerte mit der endgueltigen
Auslegung des DPNRSystems
fuer den europaeischen Markt erreicht werden, stand im Juni 2003
noch nicht fest. Veroeffentlichungsfaehige Typpruefwerte waren seitens der Fa. Toyota noch nicht
verfuegbar. 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 fuer 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 Ausfuehrung mit ueber 95 % die hoechsten Minderungsraten
ermoeglicht und gleichzeitig gestattet, den Motor gegenueber der bisherigen Ausfuehrung 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 fuehrt anschliessend zu laufenden Kosteneinsparungen.
Aufgrund des Platzbedarfs und der notwendigen Versorgung mit einem Reduktionsmittel
(z.B. Harnstoff in waessriger Loesung) 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 ueber 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 fuer NOx als auch fuer Partikel bezogen auf
die Masse jeweils Minderungsraten von ueber 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 ueber 95 % gesteigert werden.
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