Keramische Katalysatoren in Nutzfahrzeugen - ein Beitrag zur Stickoxidminderung für das neu Jahrtausend
Erfahrungen und Ergebnisse; Teil 3

4. Erprobung des SINOx-Filtersystems

4.1 Prüfstandsergebnisse

Ausgehend von heutigen Motoren, die seit dem 1.10.96 den Abgasgrenzwerten der Stufe EURO 2 genügen, bedeutet die Realisierung des NOx-Grenzwertes von 2.0 g/kWh, der spätestens 2008 eingehalten werden muß, eine erforderliche NOx-Reduktion von rund 80%, weil diese Motoren im neuen ESC-Test (ab EURO 3) eine Rohemission von etwa 9 g/kWh NOx aufweisen. Um einen aus Gründen der NOx-Minderung erhöhten Kraftstoffverbrauch zu vermeiden, kann die Motorrohemission auf diesem Level bleiben, wenn ein leistungsfähiges Abgasnachbehandlungssystem zur Reduktion der Stickoxide eingesetzt wird.

Bild 9: NOx-Emmission im Stationärtest (ESC) am 12-l-Motor mit
294 kW vor und nach Katalysator (Vkat = 30 l)

Mit dem beschriebenen SINOx-Filtersystem wurden mit einem 12-Liter-Motor entsprechend EURO 2 mit 294 kW die in Abb. 9 dargestellten NOx-Minderungsraten im ESC-Test erreicht. Die Kohlenwasserstoffemission (HC) wird durch das SINOx-Filtersystem zusätzlich um rund 80% verringert.

Bild 10: NOx-Emmission im Transienttest (ETC) am 12-l-Motor mit
294 kW vor und nach Katalysator (Vkat = 30 l)

Auch im dynamischen Betrieb (ETC-Test) wird ein NOx-Umsatz von 80 % erreicht (s. Abb. 10). Hinsichtlich der Stickoxide sind damit bereits mit heutiger Motorentechnik die niedrigsten der bisher vorgeschlagenen Grenzwerte zu erfüllen. Der Kraftstoffverbrauch bleibt gegenüber demjenigen des Euro 2 Motors unverändert bzw. kann sogar weiter optimiert werden. Neben dieser drastischen Reduzierung der Stickoxide leistet der SINOx-Filter zusätzlich eine deutliche Verminderung der Partikelemissionen. Diese werden im ESC-Test bei Verwendung von Standardkraftstoff mit 350 ppm Schwefel um ca. 30%, bei Verwendung von schwefelarmem Kraftstoff (10 ppm Schwefel) um mehr als 40% reduziert. Addiert man die Verminderung der Partikelrohemission des Motors und die Partikelminderung durch den SINOx-Filter bei Verwendung von schwefelarmem Kraftstoff, so misst man im ESC-Test 55% weniger an Partikelemission. Diese Eigenschaft des SINOx-Filters ist v.a. im Hinblick auf die zukünftigen, strengeren Partikelwerte von besonderer Bedeutung.

4.2 Ergebnisse der Fahrversuche

Das SINOx-Filtersystem wurde bereits in zwei Fahrversuchen von MAN und DaimlerChrysler erprobt. Bei den ausgewählten Erprobungsträgern handelt es sich um Fahrzeuge des Typ Actros 2540 von DaimlerChrysler und den Typ F2000 von MAN Nutzfahrzeuge [6].

Alle 13 Fahrzeuge des zweiten, vom Bayerischen Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen (BayStMLU) geförderten Fahrversuchs haben derzeit (Stand 07/99) zusammen eine Fahrleistung von ca. 2.400.000 km erbracht. Die Fahrleistungen von einzelnen Fahrzeugen mit SINOx-System, die aus dem ersten Fahrversuch stammen und noch weiter betrieben werden, betragen bereits um 400 000 km. In Summe haben alle Lkw mit SINOx - Systemen in Fahrversuchen mehr als 4,8 Mio. km zurückgelegt (s. Abb. 11 und 12).

Bild 11: Lkw mit SINOx Filtersystemen im Fahrversuch (links); aktuelle Gesamtlauf-
leistungen der Lkw in den beiden Fahrversuchen (rechts, Stand 10.1199)

Bild 12: Liste der einzelnen an den Fahrversuchen beteiligten Lkw mit den
jeweiligen Laufleistugen (Stand 10.1199)

Die Aufzeichnung der Harnstoff- und Kraftstoffverbräuche erfolgt durch die Fahrer. Der Harnstoffverbrauch liegt im Mittel bei 1,4 l / 100 km, das sind 4,1 % des Dieselverbrauchs. Der Harnstoffverbrauch entspricht damit dem erwarteten Wert dieser Kombination aus EURO 2-Motor und SINOx-System bei ca. 70% NOx-Reduktion.

Die Daten der in Zusammenarbeit mit den Fahrzeugherstellern durchgeführten Fahrversuche ergeben wichtige Erkenntnisse für den Serieneinsatz des SINOx-Systems und die Systemauslegung hinsichtlich der genannten Anforderungen.

4.3 Untersuchungen zur Katalysatoralterung

Das verbaute Katalysatorvolumen muß, da sowohl chemische (durch Ablagerungen von z.B. Motorölbestandteilen) als auch thermische Alterungserscheinungen zu berücksichtigen sind, immer auch eine Reserve enthalten, die diese Alterung über die Laufzeit des Systems ausgleichen kann. Nur so ist über die gesamte Laufzeit ein geforderter Mindestumsatz zu erzielen (s. Abb. 13).

Bild 13: Schematische Darstellung der Katalysator-Alterung und deren
Einfluß auf das Umsatz-Potential des Katalysators im Neuzustand und
nach einer bestimmten Laufleistung

Die Ermittlung der "Alterungsreserve" ist aufgrund der dynamischen Bedingungen im Nfz-Einsatz einer Simulation nur schwer zugänglich. Auch die Übertragbarkeit von Alterungskurven aus stationär betriebenen SCR-Anlagen ist aus diesem Grund nicht zulässig.

Aufgrund der Erfahrungen aus dem mehrjährigen Fahrversuch [6] liegen die Werte für die Veränderung beim SINOx-Katalysator vor und dienen als Datenbasis für die Auslegung des SINOx-Katalysators und somit die exakte Anpassung des notwendigen Katalysator-Volumens an die geforderte Laufleistung. Untersuchungsergebnisse bis zu einer Laufleistung von 318 000 km sind in Tabelle 3 gezeigt.

Die Meßwerte belegen die hohe mechanische, chemische und thermische Stabilität und v.a. die Schwefelunempfindlichkeit des SINOx-Katalysators. Sowohl in stationären (Labor)-Untersuchungen als auch dynamischen Untersuchungen im Fahrzeug konnte nach einer Laufleistung von über 300 000 km nur eine geringe Abnahme beim Umsatz nachgewiesen werden.

03. Juli 2003