Reduzierung der Motor- und Fahrzeug-Emissionen
Der Integrierte Ansatz
Katalysatoren und Filter sind Teil eines ganzen Systems, in dem alle Elemente zusammenwirken müssen, um eine größtmögliche Emissionsreduktion zu erreichen. Kraftstoffe und Kraftstoffsystem, Motor und Verbrennungssystem, Sonden sowie Konstruktion und Lage von Katalysator und Filter sind mit dem elektronischen Kontrollsystem kombiniert, um eine maximale Abgasreinigung zu erzielen. Dazu arbeiten die AECC-Mitgliedsunternehmen eng mit den Autoherstellern und ihren Systemlieferanten zusammen.
Der Integrierte Ansatz
Die Schadstoffquellen
Wenn Benzin- oder Dieselkraftstoffe vollständig zu reinem Sauerstoff verbrennen könnten, würde dieser nur Kohlendioxid (CO2), Wasserdampf (H2O) und Energie produzieren. Tatsächlich ist es nicht möglich, Kraftstoffe vollständig zu verbrennen. Somit verbleiben immer einige Emissionen unverbrannter und teilweise verbrannter Kraftstoffe zusammen mit Stickoxiden (NOx) von dem in der Luft vorhandenen Stickstoff.
Alle Kraftstoffe - Benzin, Diesel, Erdgas (CNG) oder Flüssiggas (LPG) - bestehen aus Kohlenwasserstoffen. Diese können kleine, einfache Moleküle wie Methan (Hauptbestanteil von Erdgas) oder auch große komplexe Moleküle sein. Während des Verbrennungsprozesses lösen sich diese Moleküle auf. Im Idealfall lösen sie sich vollständig in CO2 und Wasserdampf auf; es kommt jedoch vor, dass einige unverändert bleiben und teilweise als Kohlenwasserstoffe (HC) oder Kohlenmonoxid (CO) abgebaut werden. Insbesondere bei Dieselmotoren wird ein Teil des Kraftstoffs in Partikel (PM) umgewandelt. PM sind hauptsächlich Rußpartikel mit flüchtigen Kohlenwasserstoffen sowie Schwefel- und Metallrückständen von Kraftstoffen und Motorschmierstoffen. Ein weiterer Hauptschadstoff im Abgas entsteht dadurch, dass die Kraftstoffe in der Luft verbrennen, die zu fast 80% aus Stickstoff und nicht aus reinem Sauerstoff besteht. Bei hohen Temperaturen bildet der Stickstoff in der Verbrennungskammer Stickoxide (NOx). Je effizienter der Verbrennungsprozess verläuft, desto höher sind die Temperaturen und damit auch die NOx-Emissionen.
Die Bedeutung von Katalysatoren, Filtern und Adsorbern
Die Kontrolle des Kraftstoffeinspritz- und Verbrennungsprozesses ist eine Möglichkeit, die Emissionen am Motoraustritt zu reduzieren. Auch mit mechanischen Systemen wie der Abgasrückführung (EGR) können bestimmte Emissionen bei geeigneten Betriebsbedingungen verringert werden. So verwendet beispielsweise EGR einen Teil der Abgase, um die Verbrennungstemperatur und die NOx-Emissionen am Motoraustritt zu senken. Katalysatoren, Adsorber und Filter als Teil eines richtig konstruierten Motorsystems können die Schadstoffe praktisch für die meisten Fahrzustände beseitigen. Katalysatoren müssen in der Regel eine bestimmte Betriebstemperatur erreichen, was jedoch mit modernen Systemen innerhalb kürzester Zeit möglich ist.
Katalysatoren, Filter und Adsorber sind Teil des Motor-Managements und optimieren damit die Abgasreinigung.
Kraftstoffqualität bestimmt die Katalysator- und Filterleistung
Die Qualität des verwendeten Kraftstoffs kann die Leistung des Abgasreinigungssystems erhöhen oder senken. Da man schon lange erkannt hat, dass Blei Gift für jeden Katalysator und auch gesundheitsschädlich ist, darf es in europäischen Kraftstoffen nicht mehr verwendet werden. Auch andere metallische Zusatzstoffe erscheinen bedenklich, wobei man vermutet, dass sie sich bei bestimmten Fahrzuständen an bestimmten Komponenten des Abgassystems absetzen, z. B. an der Sauerstoffsonde und am Katalysator. Metallische oder andere aschebildende Ersatzstoffe im Dieselkraftstoff erhöhen die vom Partikelfilter aufgefangene Aschemenge und können es erforderlich machen, dass das ganze System so konstruiert wird, dass es trotz dieser zusätzlich entstehenden Asche funktioniert. Vorteilhaft indessen erweisen sich Detergentien-Zusätze. Sie halten das Kraftstoffeinspritzsystem und das Verbrennungssystem sauber und tragen dazu bei, dass das Abgasreinigungssystem möglichst lange optimal funktionieren kann.
Schwefel in Benzin und Diesel senkt die Leistungsfähigkeit des Katalysators deutlich ab und erhöht in Dieselkraftstoffen die Partikelmenge (PM). Dieser negative Effekt wird um so sichtbarer, je geringer der angestrebte Schadstoffausstoß liegt. Die kommenden strengen Schadstoff-Vorschriften bedeuten dabei eine besondere Herausforderung auch für die Kraftstoff-Industrie sowie für die Motoren-Entwicklung. Schwefel konkurriert gewissermaßen mit anderen Schadstoffen um Platz auf der katalytisch beschichteten Fläche, was deren Wirksamkeit bei der Reduktion dieser Schadstoffe erheblich absenkt. Zwar ist diese schädliche Wirkung des Schwefels wieder weitgehend rückgängig zu machen, kann aber auch irreversible Folgen für die Beschichtung des Katalysators und einige Metallsubstanzen haben. Zudem kann die Umwandlung von Schwefel in Sulfat die Nettorate des Partikel-Ausstoßes erhöhen. Bereits eine einzige Tankfüllung mit stark schwefelhaltigem Kraftstoff senkt sofort die Katalysator-Leistung, die sich aber normalerweise nach Rückkehr zu schwach schwefelhaltigem Benzin wieder erholt. Die Höhe des Schwefel-Anteils im Kraftstoff übt einen bedeutenden Einfluss auf die Leistung der meisten NOx-Katalysatoren und -Adsorber aus: je weniger Schwefel, desto besser die Reinigungsleistung des Katalysators.
Aus diesem Grund wurde der Schwefelgehalt für Straßenfahrzeuge in den europäischen Emissionsvorschriften bereits auf 50 ppm gesenkt, wobei seit 2005 Kraftstoffe mit einem maximalen Schwefelgehalt von 10 ppm erhältlich sein müssen. Ab 2009 erfolgt die verbindliche Einführung schwefelarmer Kraftstoffe.
