Keramische Katalysatoren in Nutzfahrzeugen - ein Beitrag zur Stickoxidminderung für das neu Jahrtausend
Erfahrungen und Ergebnisse; Teil 4

5. Variante der SCR-Technik
    Kombination Oxidationskatalysator / SCR-Katalysator

Die Möglichkeit, die Kinetik der SCR-Reaktion am Katalysator durch Veränderung des NO / NO₂-Verhältnisses günstig zu beeinflussen, ist seit 1979 [7] bekannt und wurde auf dem Wiener Motorensymposium 1998 wieder aufgenommen [8,9] und eingehend diskutiert.

Das durch einen vorgeschalteten Oxidationskatalysator aus NO erzeugte NO₂ beschleunigt die SCR-Reaktion, wenn der NO₂-Anteil £  50% beträgt. Die daraus resultierende Umsatzzunahme ist beispielhaft in Abb. 13 gezeigt. Sie kann unter geeigneten Bedingungen zu mehr als einer Verdoppelung des NOx-Umsatzes führen. Bei höheren NO₂-Anteilen als 50% wird die Reaktion ungünstig beeinflußt. Reines NO₂ reagiert mit NH₃ am SCR-Katalysator wesentlich langsamer als NO. Somit kann die Kombination Oxidationskatalysator / SCR-Katalysator prinzipell zu deutlich höheren Reaktionsraten führen.

Diese Erkenntnisse sind das Ergebnis empirischer Untersuchungen. Der Mechanismus der SCR-Reaktion mit einem NO / NO₂-Gemisch und Ammoniak als Reduktionsmittel ist noch nicht geklärt. Prinzipiell ist natürlich dieser Effekt unabhängig von der Methode, wie das NO₂ im Abgas angereichert wird. Im mobilen Einsatz ist allerdings die Verwendung eines Oxidationskatalysators die zur Zeit pragmatischste Lösung, obgleich für die Zukunft schon alternative Möglichkeiten, wie z.B. die plasmainduzierte NO₂-Erzeugung diskutiert werden [10].

Beim gegenwärtigen Vorgehen treten in Abhängigkeit des Schwefelgehalts im Kraftstoff jedoch auch Nebenreaktionen auf, da am Oxidationskatalysator neben der NO-Oxidation mit vergleichbaren Umsatzraten auch SO₂ zu SO₃ oxidiert wird.

Unterhalb etwa 290°C bilden sich Ammoniumsulfate aus SO₃ und NH₃. Bei Temperaturen unterhalb 170°C ist die Bildung von Ammoniumnitrat aus NO₂ und NH₃ im feuchten Abgas möglich. Sowohl Ammoniumnitrat als auch -sulfat (bzw. -hydrogensulfat) läßt sich bei höheren Temperaturen wieder zersetzten, allerdings kann bei längerem Betrieb im unteren Temperaturbereich (< 290°C) der dem Oxidationskatalysator nachgeschaltete SCR-Katalysator durch die o.g. Ablagerungen in seiner Funktionsweise beeinträchtigt werden. Dies betrifft SCR-Katalysatoren verschiedener Typen in gleicher Weise. Die Problematik der Sulfatablagerungen wird in dem Maße gemindert, wie der Schwefelgehalt im Kraftstoff reduziert wird.

6. Fazit

SIEMENS setzt in seinem SCR-System für Nfz den SINOx -Vollkatalysator ein, da der SINOx-Katalysator seine chemische, mechanische und thermische Stabilität, sowie seine vollständige Schwefelunempfindlichkeit im Dauertest auf der Straße bewiesen hat.

SCR-Trägerkatalysatoren eine schlechtere Tieftemperaturaktivität zeigen und bisher ihre Dauerhaltbarkeit im Nfz-Einsatz nicht geklärt ist.

die Kombination mit einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator aufgrund der Sulfatisierungsproblematik aktuell zu große Risiken hinsichtlich der möglichen chemischen Ablagerungen birgt, aber auch die sulfat-bedingte Partikelemission deutlich erhöht.

7. Zusammenfassung und Ausblick

Die zukünftig geforderte deutliche Minderung der Stickoxide läßt sich mittels der SCR-Technik realisieren. Die Erfahrungen mit dem SINOx-Filtersystem zeigen, daß ein SCR-System mit einem den Gegebenheiten im Nutzfahrzeug angepaßten Bauvolumen und Gewicht auch die künftigen Anforderungen ohne Einschränkung erfüllen kann.

In ausgedehnten Fahrversuchen mit Speditionsfahrzeugen konnte die Serienreife des SCR-Katalysators bestätigt werden. Dabei konnte gleichzeitig das Alterungsverhalten im realen Fahrbetrieb bestimmt und somit die Datenbasis für Serienauslegungen erheblich erweitert werden. Durch die erhöhte Systemintegration kann das SINOx-Filtersystem an die verschiedenen Einbausituationen und Kundenwünsche angepaßt werden und stellt in seiner heutigen Ausführung für den Endkunden dasjenige System dar, das bei hoher Wirtschaftlichkeit, d.h. bei niedrigem Kraftstoffverbrauch, die Forderungen nach niedrigen Stickoxidemissionen dauerhaft erfüllt. Bei DaimlerChrysler und MAN Nutzfahrzeuge ist das SINOx-Systems ab dem Jahr 2001 auf Kundenwunsch als Sonderausstattung für Serienfahrzeuge erhältlich.

Ab 2005 wird aber neben der Minderung der Stickoxide auch eine deutliche Reduzierung der Partikelemissionen realisiert werden müssen. Daraus ergeben sich für die Zukunft zwei besondere technische Herausforderungen. Zum einen müssen Partikelminderungsverfahren für den Nfz-Einsatz (weiter-) entwickelt und erprobt werden, wobei nicht die Abgasfilterung als solche sondern die zuverlässige Regeneration des Filters die besondere Schwiergigkeit darstellt. Zum anderen müssen die beiden Nachbehandlungssysteme zur Partikel- und Stickoxidminderung so aufeinander abgestimmt bzw. zu einem System integriert werden, daß im Verbund mit dem Motor die optimale Gesamtperformance der Abgasreinigungsanlage erreicht wird.

8. Literatur

[1] Quelle: TREMEOD, IFEU Heidelberg 1998.

[2] Interinstitutionelles Dossier des Rates der Europäischen Union Nr. 97/0350 (COD) vom 18. März 1999.

[3] M. Koebel, 3. Dresdner Motorenkolloquium 20.-21. März 1999 – Vor- und Nachteile stickstoffhaltiger Reduktionsmittel beim Einsatz in mobilen SCR-Systemen.

[4] Fränkle, G., Held, W., Hosp, W., Knecht, W., Hofmann, L., Mathes, W., Neufert, R., Zürbig, J.: SINOx - Ein Abgasreinigungssystem für Nutzfahrzeuge, 18. Wiener Motorensymposium 1997.

[5] Mathes, W., Zürbig, J., Hofmann, L., Dölling, W.: SINOx Catalyst for Commercial Vehicles, NOx Abatement for Heavy Duty Trucks in a Road Test, Agelfi 13th European Automotive Symposium, Sevilla, 1998.

[6] Dölling, W.,Mathes, W.: Pilotprojekt Diesel-DeNOx-Katalysator mit 8 mit GDK-Systemen der Fa. Siemens ausgerüsteten Lkw, Vom Bayerischen Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen gefördertes Vorhaben Nr. 8014-7/32A, Abschlußbericht, Nov. 1998.

[7] Patentschrift JP P86049-77 bzw. DE 2832002.

[8] Aust, M., Tost, R., Wißler, G., Fischer, S., Zürbig, J.: Abgasnachbehandlungssystem zur Erfüllung von EURO IV-Grenzwerten bei PKW-Dieselmotoren; 19. Wiener Motorensymposium 1998.

[9] Jacob, E., Emmerling, G., Döring, A., Graf, U., Harris, M., van den Tillaart, J., Hupfeld, B.: NOx-Verminderung für Nutzfahrzeugmotoren mit Harnstoff-SCR-Kompaktsystemen; 19. Wiener Motorensymposium 1998.

[10] Th. Hammer, S. Bröer, Plasma-Enhanced Selective Catalytic Reduction of NOx for Diesel Cars, SAE 982428 (1998).

03. Juli 2003