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Dieselmotoren und Partikelfilter
Wenn wir über Autoabgase reden, müssen vor allem drei Arten von Emissionen betrachtet werden:
1) Kohlendioxid
2) Gase aus dem Treibstoff oder der Verbrennung
3) Partikel
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Kohlendioxid (CO2) ist das Treibhausgas, welches am meisten zur vom Menschen verursachten globalen Erwärmung beiträgt. Es bedeutet keine unmittelbare Gefahr für unsere Gesundheit, aber für das Klimasystem.
Die Menge des emittierten Kohlendioxids hängt von der Menge des Kraftstoffes ab, die das Fahrzeug benötigt und verbrennt. Diese Menge kann in keiner Weise durch Katalysatoren oder andere Reinigungstechnologien reduziert werden. Die einzigen Möglichkeiten zu einer Reduzierung sind ein effizienterer Motor, ein kleineres und leichteres Fahrzeug mit einem geringeren Luftwiderstand sowie die Vermeidung von einerseits unflüssigem Fahren (stop and go) und andererseits hohen Geschwindigkeiten auf der Autobahn.
Gasförmige Emissionen können von verdunstetem oder nicht vollständig verbranntem Treibstoff stammen. Wir nennen sie leichtflüchtige organische Verbindungen (VOC = volatile organic compounds). Sie bestehen aus Kohlenwasserstoffen und oxidierten Kohlenwasserstoffen. Andere Gase sind Produkte des Verbrennungsprozesses: Stickoxide (NO und NO2 = NOx) und Kohlenmonoxid (CO). Sie sind nicht gesund und erzeugen auch indirekte Probleme, denn Stickoxide erzeugen insbesondere im Sommer Ozonsmog.
Partikel werden in großen Mengen in Dieselmotoren gebildet, beispielsweise wenn der Wagen beschleunigt. Sie bestehen aus Ruß und nicht verbrannten Verbindungen im Treibstoff, die auf dem Ruß kondensieren, oder auch aus winzigen Sulfatteilchen. Partikel sind gerade in Dieselmotoren ein größeres Problem, da diese verschiedene Mengen an Treibstoff in immer die gleiche Menge an heißer Luft injezieren. Ist die Mischung übersättigt, so bilden sich leicht Partikel.
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1. Emissionen von Fahrzeugen haben Auswirkungen auf drei verschiedenen Ebenen: global (CO2), lokal (andere Gase) und unmittelbar an der Straße (Partikel). Schema: Elmar Uherek
Die Menge an gasförmigen Emissionen, VOC, CO und NOx wird stark reduziert, wenn in einem mit Benzin betriebenen Wagen ein Katalysator verwandt wird. Dies ist inzwischen Standard in den meisten Fahrzeugen in den Industrieländern. In Dieselfahrzeugen sind diese Emissionen generell niedrig.
Dieselmotoren sind auch effizienter und erzeugen daher weniger Kohlendioxid-Emissionen als ein vergleichbarer Benziner. Dies gilt besonders über längere Distanzen. Allerdings emittieren sie eine Menge Partikel. Daher könnten in der Zukunft Partikelfilter in vielen Staaten zur Verpflichtung werden. Es gibt verschiedene Arten von Diesel-Partikelfiltern (DPF), die auf unterschiedlichen Technologien basieren:
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Partikelfilter-Technologien
CRT-Filter (kontinuierliche Regenerierung) und DPX-Filter (mit einer Edelmetallbeschichtung) basieren auf dem Prinzip der sogenannten "Wandstromfilter". Bei diesem Verfahren strömt das Abgas in eine Reihe von Sackgassen in einer porösen Filterwand. Die Partikel bleiben dort durch Adhäsion haften, während der gasförmige Anteil durch die Wand mit definierter Porengröße nach außen gelangt.
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Alternativ können “Durchflussfilter” genutzt werden. Durchflussfilter bestehen aus Metallfasern oder - filmen, an denen das Gas entlangströmt und an der Wand haften bleibt. Zur Regeneration kann elektrischer Strom durch den Monolithen geleitet werden. Hierbei heizt er sich auf. Oder aber er wird entsprechend der kontinuierlichen Regenerierung mit heißem Gas gereinigt. Durchflussfilter haben gewöhnlich den Nachteil, dass die feinen Partikel das System leichter passieren. Aus diesem Grund sind sie weniger zu empfehlen.
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2. Diesel-Partikelfilter in ein Fahrzeug eingebaut. Quelle: Wikimedia
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Regenerationssysteme
Für die Regeneration (Reinigung) eines Wandstromfilters müssen abgeschiedener Ruß und Partikel bei hohen Temperaturen von mehr als 600°C verbrannt werden. Dies ist viel, wenn wir berücksichtigen, dass die Abgastemperatur im Stadtverkehr auf etwa 200°C sinken kann. Die zur Regeneration notwendige Temperatur kann mit Hilfe von Additiven auf 500 - 550°C gesenkt werden. Solche Temperaturen werden auf der Autobahn automatisch erreicht. Sie können auch durch Einspritzen zusätzlichen Treibstoffs künstlich erzeugt werden. Additive jedoch bedeuten kompliziertes Beimischen, sie sind in der Handhabung wenig komfortabel.
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3. Katalysator für ein Dieselfahrzeug. © BMW AG
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Eine Lösung für die fortwährende Entfernung der Ablagerungen ist die Partikelfalle mit kontinuierlicher Regeneration, englisch: “continuous regenerating trap” (CRT). Sie ist in Bussen schon weit verbreitet. In diesen Systemen durchfließt das Gas einen oxidierenden Katalysator. Hier werden Kohlenmonoxid und organische Verbindungen fast vollständig oxidiert. Diese Schadstoffe werden von Dieselfahrzeugen ohnehin in geringeren Mengen ausgestoßen als von Benzinern. Stickstoffverbindungen werden in erster Linie zu NO2 oxidiert, da das Stickstoffdioxid bei Temperaturen zwischen 200°C und 450°C mit dem Ruß reagieren und ihn zu CO2 oxidieren soll.
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Ein Nachteil des Systems ist, dass NO2 in der Regel im Überschuss erzeugt wird. Der Anteil von NO2 im Abgas mag im Bereich von 5% liegen, bevor dieses in das Katalysatorsystem eintritt und bei 20% wenn es austritt. Folglich werden von solchen Katalysator-Filter-Systemen die Partikel um den Preis höherer NO2 Emissionen reduziert. Dieses wiederum fördert die Bildung von Ozon.
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4. Diesel-Partikelfilter (DPF), © BMW AG
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So genannte selektive Reduktionskatalysatoren (SRC catalysts) könnten eine Lösung für das Problem bieten. SCR nutzen ein Reduktionsmittel, das dem Abgas vor dem Katalysator zugemischt wird. Üblicherweise handelt es sich hierbei um Ammoniak, das an Bord erzeugt wird, indem man Harnstoff in den heißen Abgasstrom einbringt. Auf diese Weise könnnen die Stickoxidemissionen deutlich reduziert werden. Aber auch diese Technologie ist kompliziert und die Reduktionsraten hängen von den Bedingungen ab. Diesel-Partikelfilter und SCR können kombiniert werden.
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