Sauberer Stan­dard

Ein Pumpen­an­trieb aus St. Georgen hilft, Stick­oxide in Diesel­ab­gasen zu verrin­gern

Die Euro-6-Norm redu­ziert den zuläs­sigen Schad­stoff­aus­stoß von Diesel­mo­toren deut­lich – von Rußpar­ti­keln ebenso wie von Stick­oxiden (NO X ). Die strengen Grenz­werte, die am 1. September 2014 in Kraft treten, lassen sich über eine Verbes­se­rung der Verbren­nung im Motor allein nicht einhalten. Daher setzen viele Hersteller von Nutz­fahr­zeugen und Pkw auf die soge­nannte Selec­tive Cata­lytic Reduc­tion (SCR). Bei dieser Form der Abgas­nach­be­hand­lung redu­ziert die Zugabe einer hoch­reinen Harn­stoff­lö­sung die Stick­oxid­emis­sion. Eine leis­tungs­starke wie zuver­läs­sige Pumpe mit einem ebm-papst Antrieb spritzt das Harn­stoff-Additiv ein.

„In Nutz­fahr­zeugen wird das Stan­dard werden“, ist sich Peter Metzger, Vertriebs­leiter Auto­mo­tive bei ebm-papst in St. Georgen, sicher. Denn bei Diesel­mo­toren von Lkw ab 3,5 Tonnen müssen die Abgase den Vorschriften gemäß weit­ge­hend von Stick­oxiden befreit werden. Im Vergleich zur Euro-5-Norm sinken die NO X -Grenz­werte um 80 Prozent auf 500 Milli­gramm pro Kilo­watt­stunde. „Bei Pkw hängt das stark von der Moto­ri­sie­rung und der zukünf­tigen Gesetz­ge­bung ab. Für klein­vo­lu­mige Diesel­mo­toren ist das System nicht unbe­dingt notwendig, da der Ausstoß ohnehin unter den momentan gültigen Grenz­werten liegt“, erläu­tert Metzger. „Eine weitere Verschär­fung ist aller­dings zu erwarten.“

Um Stick­oxid unschäd­lich zu machen, setzen Kraft­werke schon seit längerer Zeit auf die Zugabe von Ammo­niak in den Rauch­gas­strom. Ammo­niak ist jedoch ein stark reizendes, giftiges Gas – ein Gefahrgut, das nur unter Druck verflüs­sigt trans­por­tiert werden kann. Für den mobilen Einsatz im Kraft­fahr­zeug ist Ammo­niak daher unge­eignet. Mithilfe eines chemi­schen Kniffs lässt sich der Reini­gungs­pro­zess jedoch auch in Lkw und Pkw einsetzen: Das fahr­zeug­taug­liche SCR setzt in Wasser gelösten Harn­stoff als Additiv ein, das nur unter starker Hitze­ein­wir­kung in seine Ausgangs­be­stand­teile zerfällt. Eine inzwi­schen bewährte Lösung.

Das prak­tisch rußfreie Abgas tritt aus dem Motor in den Abgas­strang. hier wird nun dosiert in destil­liertem Wasser gelöster Harn­stoff zuge­setzt. Der Harn­stoff zerfällt bei den hohen Tempe­ra­turen sofort in Kohlen­di­oxid und Ammo­niak. Dieses reagiert am nach­ge­schal­teten Kata­ly­sa­tor­ein­satz mit den Stick­oxiden zu Wasser und Stick­stoff – und reinigt so das Abgas. Im Schnitt verbraucht dieses Verfahren rund sechs Prozent des Kraft­stoffs an gesät­tigter Harn­stoff­lö­sung. Ein 60-Liter-Tank Additiv reicht so für rund 4.000 Kilo­meter bei einem Diesel­ver­brauch eines Lkw von 25 Litern pro 100 Kilo­meter. Der Sprit­ver­brauch sinkt jedoch gleich­zeitig, da der Diesel­motor verbrauchs­op­ti­miert läuft.

Für diese Art, die Stick­oxid­emis­sion zu verrin­gern, entwi­ckelte Bosch ein Förder­modul und eine Dosier­ein­heit. Die Reduk­tion der Stick­oxide muss über einen weiten Volu­men­strom­be­reich zuver­lässig arbeiten. Harn­stoff­lö­sung wird bei Minus­graden fest, eine interne Heizung im Dosier­gerät muss daher nach Motor­start schnell die Leitungen auftauen. Die Menge des Addi­tivs, das die Pumpe direkt in den Abgas­strang spritzt, muss exakt an die Stick­oxid­menge im Abgas ange­passt werden. Ein geschlos­sener Regel­kreis mit Istwert-Vorgabe durch einen NO X-Sensor taktet dabei das Additiv per Düse mit 1 Hertz genau dosiert in den Abgas­strang. Unter einem System­druck von 9 bar gewähr­leistet die Dosier­ein­heit den nötigen Masse­durch­satz: von 36 Gramm in der Stunde bei Leer­lauf bis zu 7,2 Kilo­gramm unter Voll­last. Bricht der Druck ein, ist die Entsti­ckung unvoll­ständig – eine anspruchs­volle Aufgabe für den Pumpen­an­trieb.

Bosch bezog daher die Antriebs­experten von ebm-papst St. Georgen mit in die Entwick­lung ein. „Bosch suchte einen Partner, mit dem die Entwick­lung von Motor und Elek­tronik möglich war“, erläu­tert Peter Metzger. Ein modu­lares Antriebs­kon­zept mit EC-Motor ist dabei heraus­ge­kommen. Die modu­lare Bauweise ermög­licht, immer dem aktu­ellsten Stand der sich verän­dernden gesetz­li­chen Vorgaben zu folgen. Pumpe, Hydraulik und Elek­tronik sind einzeln austauschbar.

Der Pumpen­an­trieb aus St. Georgen

Die Schwarz­wälder Antriebs­experten lösten diese Heraus­for­de­rung elegant: Die im Hause gefer­tigten Außen­läu­fer­mo­toren sind bekannt für sehr guten Gleich­lauf und hohes Dreh­mo­ment schon im Anlauf. Zudem bauen die Antriebe sehr kompakt. Diese Grund­ei­gen­schaften nutzten die Entwickler und verbes­serten den Antrieb für Kfz weiter. Sie opti­mierten die elek­tro­ma­gne­ti­sche Verträg­lich­keit für den mobilen Einsatz und legten die Lage­rung sowie alle anderen Kompo­nenten auf eine hohe Lebens­dauer im gefor­derten Tempe­ra­tur­be­reich aus. Die Last­pro­file sind auto­mo­ti­ve­ty­pisch und bean­spru­chen den Motor nicht nur wenn im Betrieb, sondern auch im nicht bewegten Zustand. „Im Dauer­be­trieb mit konstanter Belas­tung sind das über vier­ein­halb Jahre“, betont Metzger. „Bei einem Lkw entspricht das einer Lauf­leis­tung von mehr als einer Million Kilo­meter.“

Der hoch­polig aufge­baute Motor sitzt zusammen mit der elek­tro­ni­schen Kommu­tie­rung auf einer Platine und hat variable Baulängen. So reichen die acht Milli­meter Bauhöhe in der Leis­tung für den Pkw-Betrieb. Dem größeren Masse­durch­satz bei Nutz­fahr­zeugen entspricht die 13-Milli­meter-Version. Beide sind mit Weit­span­nungs­ein­gang ausge­rüstet und erlauben so den Einsatz am 12/24-Volt-Bord­netz. Die von der Auto­mo­bil­in­dus­trie gefor­derten hohen Ansprüche an Zulie­fer­kom­po­nenten erfüllt die 100-prozen­tige Quali­täts­kon­trolle der voll­au­to­ma­ti­schen Ferti­gung spie­lend.

Für die Kraft­fahr­zeug­in­dus­trie werde die Abgas­be­hand­lung mit SCR in den kommenden Jahren ein wich­tiger Wett­be­werbs­faktor, unter­streicht Peter Metzger. „Die Umwelt­an­for­de­rungen werden auch inter­na­tional erheb­lich steigen. Daher werden schnell Märkte dazu­stoßen, bei denen Abgas­be­hand­lung momentan kaum eine Rolle spielt.“

Das Verbrauch-Ruß-Stick­oxid-Dilemma

Im Zylinder eines modernen Diesels wird reine Luft kompri­miert, die allein durch die Kompres­si­ons­wärme eine Tempe­ratur von 800 bis 900 Grad Celsius erreicht. Über die Düse werden fein verteilte Kraft­stoff-Tröpf­chen einge­spritzt, sie verdampfen und verbrennen durch Selbst­ent­zün­dung in der heißen Umge­bung. Entstan­dene Rußpar­tikel können unter höchster Verdich­tung und durch eine ideale Wahl des Einspritz­be­ginns bei möglichst hoher Tempe­ratur verbrannt werden. Diese auf nied­rigen Verbrauch und geringe Rußent­wick­lung abzie­lende Verbren­nung begüns­tigt jedoch die Entste­hung von Stick­oxiden. Um dennoch gleich­zeitig Kraft­stoff­ver­brauch, Rußent­wick­lung und Stick­oxid­emis­sion niedrig zu halten, wird im Kraft­fahr­zeug­be­reich auch auf nach­ge­schal­tete Abgas­rei­ni­gung gesetzt: die kata­ly­ti­sche Abgas­be­hand­lung oder SCR-Tech­no­logie.