Abgasnachbehandlung

Ein Dieseloxidationskatalysator unterstützt die Oxidation unter anderem von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Ein Wandstrom-Partikelfilter hält Partikel in seiner porösen Filterstruktur zurück. Damit die Durchströmung möglich bleibt, muss angesammelter Ruß regelmäßig oxidiert werden. Nicht brennbare Asche verschwindet bei dieser Regeneration nicht.

Die Reihenfolge und Zusammenfassung einzelner Funktionen ist konstruktionsabhängig. Cummins beschreibt für sein modulares System die Kopplung von DOC und DPF sowie eine nachgeschaltete SCR-Funktion. Die hier gezeigte Baugruppenansicht ist ein generisches Anschauungsmodell und kein verbindlicher Strömungsplan für alle Lkw.

Quellenhinweis: Cummins · Modulare Abgasnachbehandlung

Ein Wandstrom-Partikelfilter besitzt Kanäle, die wechselseitig an unterschiedlichen Enden verschlossen sind. Das Abgas muss dadurch die poröse Kanalwand durchströmen. Partikel werden an der Wand und in ihren Poren zurückgehalten; der Gasstrom gelangt über einen benachbarten Kanal weiter. Der Filter ist deshalb weder ein einfacher Siebeinsatz noch ein bloßer Durchströmungskatalysator.

Mit der Beladung wächst der Strömungswiderstand. Bei der Regeneration wird der brennbare Ruß oxidiert. Nichtbrennbare Rückstände bleiben als Asche zurück und benötigen die vom Motorhersteller vorgesehene Reinigung beziehungsweise den vorgesehenen Austausch. Cummins unterscheidet diese Vorgänge ausdrücklich in seiner Systembeschreibung. Ein erfolgreich beendeter Regenerationslauf bedeutet daher nicht, dass ein langjährig betriebener Filter wieder denselben Zustand wie ein neuer besitzt.

Der Differenzdrucksensor erfasst den Druckabfall zwischen zwei Entnahmestellen. Bosch nutzt diese Größe unter anderem zur Überwachung des Filterbeladungszustands und als Grundlage für eine bedarfsgerechte Regeneration. Der Messwert ist jedoch im Zusammenhang mit dem Abgasstrom zu lesen: Ein höherer Durchsatz erzeugt auch an einem unveränderten Filter einen anderen Druckverlust. Aus einem einzelnen Druckwert ohne Betriebszustand lässt sich deshalb keine belastbare Rußmasse und erst recht keine eindeutige Aschemenge ableiten.

Der Partikelsensor hinter dem Filter beantwortet eine andere Frage. Bosch beschreibt ein resistives Messprinzip: Abgelagerte Rußpartikel bilden leitfähige Verbindungen zwischen Elektroden; die Auswerteelektronik beurteilt damit die Filterfunktion. Differenzdruck und Partikelsignal sind somit keine doppelten Messungen derselben Größe. Ein geringer Gegendruck kann bei einem beschädigten Filter sogar mit schlechter Partikelabscheidung zusammenfallen. Für die Diagnose gehören Druckleitungen, Sensordaten, Temperaturverlauf und Filterintegrität zusammen.

• Merksatz: Regeneration beseitigt brennbaren Ruß, keine beliebige Aschebeladung. Druckverlust und Partikelabscheidung sind zwei unterschiedliche Eigenschaften des Filters.

Quellenhinweis: Cummins · Wandstromfilter, Rußregeneration und Aschereinigung · Bosch Mobility · Druckverlustmessung und Beladungsüberwachung · Bosch Mobility · Partikelsensor hinter dem DPF und resistives Messprinzip

Die eingespritzte Harnstofflösung ist noch nicht das unmittelbar wirksame Reduktionsmittel. Zunächst verdampft Wasser; über thermische Zersetzung und Hydrolyse entsteht Ammoniak. Dieses reagiert am SCR-Katalysator mit Stickoxiden. Abgaswärme, Tropfengröße, Verweilzeit und Durchmischung bestimmen gemeinsam, wie gleichmäßig der Katalysator versorgt wird. Eine korrekte Fördermenge am Dosiermodul garantiert daher noch keine gleichmäßige Reaktion über den gesamten Querschnitt.

Der Mischer verteilt den Eintrag im Abgasstrom. Treffen zu große Mengen unter ungünstigen thermischen Bedingungen auf Wandflächen, können sich Ablagerungen bilden. Lieferanten lösen die Zerstäubungsaufgabe unterschiedlich: Cummins beschreibt beim UA2 eine luftunterstützte Dosierung, beim UL2 eine reine Flüssigkeitsdosierung mit Druckdrallzerstäubung. Bosch bietet ebenfalls auf den jeweiligen Abgasstrang abgestimmte Sprühbilder und flüssiggekühlte Dosiermodule an. Diese Beispiele erklären Bauprinzipien; sie ordnen keinem europäischen Lkw ohne eigenen Nachweis einen bestimmten Dosierer zu.

Ammoniak kann an aktiven Stellen des Katalysators vorübergehend gebunden werden. Dieser Vorrat ist keine Flüssigkeit im Gehäuse, sondern eine temperaturabhängige Belegung der katalytischen Oberfläche. Er hilft, wechselnde Stickoxidströme umzusetzen. Gleichzeitig muss die Regelung vermeiden, dass ungenutztes Ammoniak den Katalysator verlässt. Die benötigte Dosierung folgt deshalb nicht nur dem aktuellen NOx-Wert, sondern auch dem geschätzten Speicherzustand und der thermischen Entwicklung.

Bosch beschreibt für seine Nutzfahrzeug-Doppeldosierung ein Reaktionsmodell im Steuergerät, das den Ammoniakzustand beider Katalysatoren berücksichtigt. Eine motornahe und eine weiter entfernte Dosierstelle nutzen unterschiedliche Temperaturbedingungen. Die zusätzliche Stufe bedeutet damit nicht, dass stets an beiden Stellen die gleiche Menge eingespritzt wird. Scania verfolgt mit dem als Twin SCR bezeichneten System ebenfalls eine zweifache AdBlue-Dosierung. Aus der ähnlichen Aufgabe folgt jedoch weder eine identische Bauteilfolge noch eine belegte Lieferantenzuordnung.

Für eine Diagnose muss zwischen Reduktionsmittelversorgung, Zerstäubung, Temperaturführung, Katalysatorzustand und Sensorinformation unterschieden werden. Ein niedriger Verbrauch an AdBlue ist für sich kein Beleg besonderer Effizienz; ein hoher Verbrauch belegt umgekehrt keine gute Stickoxidumsetzung. Auch ein freier Partikelfilter bestätigt keine funktionsfähige SCR-Reinigung, weil Filter und Katalysator unterschiedliche Stoffe behandeln. Belastbar wird die Aussage erst, wenn Betriebszustand und Messwerte zur jeweiligen Architektur passen.

• Merksatz: Die SCR-Regelung dosiert nicht nur eine Flüssigkeit. Sie steuert die Bereitstellung und Nutzung eines temperaturabhängigen Ammoniakvorrats im Katalysator.

Quellenhinweis: Bosch Mobility · Harnstoff, Thermolyse und Hydrolyse · Bosch Mobility · Reaktionsmodell und zwei thermische Arbeitsbereiche · Cummins · UA2 mit luftunterstützter Dosierung · Cummins · UL2 mit Flüssigdosierung und Druckdrallzerstäubung · Bosch Mobility · Sprühbild und Kühlung des Dosiermoduls · Scania · Twin SCR mit zweifacher AdBlue-Dosierung

Abgasrückführung, kurz AGR, verändert bereits die Ladung vor der Verbrennung. Das rückgeführte Gas senkt den Sauerstoffanteil der Mischung und verändert ihre Wärmekapazität. Zusammen mit geeigneter Kühlung lassen sich örtliche Temperaturspitzen und damit die Bildung von Stickoxiden beeinflussen. AGR ist deshalb eine Maßnahme im Motorprozess; die nachgeschaltete SCR-Reaktion erfüllt eine andere Aufgabe.

Bei der Hochdruck-AGR wird Abgas typischerweise vor der Turbine entnommen und auf der Frischgasseite hinter dem Verdichter zurückgeführt. Für den gewünschten Durchsatz muss ein geeignetes Druckgefälle bestehen. Ventilstellung, Turbinengeometrie und gegebenenfalls Drosselung wirken deshalb zusammen. Der entnommene Teilstrom steht der Turbine zunächst nicht zur Verfügung. Diese Verbindung erklärt, warum eine Änderung der AGR auch Ladedruck und Luftmasse beeinflussen kann, ohne dass der Turbolader selbst defekt ist.

Eine Niederdruck-AGR entnimmt Gas dagegen hinter der Turbine, in verbreiteten Ausführungen hinter dem Partikelfilter, und führt es vor den Verdichter zurück. Der längere Weg kann die Mischung mit der Frischluft verbessern; zugleich durchströmt das Gemisch nun Verdichter und Ladeluftkühler. Partikelzustand, Kondensat und mögliche Tropfenbelastung müssen konstruktiv berücksichtigt werden. Hochdruck- und Niederdruck-AGR können kombiniert werden, sind aber keine vorgeschriebene Doppelausstattung jedes europäischen Lkw.

Im AGR-Kühler bleiben Abgas und Kühlmittel durch metallische Wände getrennt. Die Wärmeübertragung belastet diese Wände mit wechselnden Temperaturen; Ablagerungen auf der Gasseite können die Kühlwirkung verändern. Eine Bypassklappe ermöglicht bei entsprechend ausgelegten Systemen, den Kühler zeitweise zu umgehen. Motorservice beschreibt dies für die Warmlaufphase und für Betriebszustände mit erhöhtem Wärmebedarf im Abgasstrang. Eine solche Bypassstellung ist daher nicht mit einem klemmenden AGR-Ventil gleichzusetzen.

Die Herstellerbeispiele auf dieser Seite zeigen bewusst verschiedene Entwicklungswege: Der dokumentierte MAN-D30-PowerLion-Stand verzichtet auf gekühlte AGR und nutzt zweistufige SCR, während die behandelte D26-Ausführung AGR besitzt. IVECO kombinierte bei bestimmten Stralis-XP-Ausführungen des Jahres 2016 eine begrenzte Smart EGR mit HI-SCR. Keine dieser Zuordnungen lässt sich allein aus dem Markennamen auf alle Baujahre übertragen. Für den Vergleich zählen Entnahmestelle, Kühlerpfad, Betriebsstrategie und die tatsächlich verbaute Nachbehandlung.

• Systemvergleich: Hochdruck- und Niederdruck-AGR benennen unterschiedliche Gaswege. Kühler-Bypass und AGR-Mengenventil regeln verschiedene Funktionen innerhalb dieser Wege.

Quellenhinweis: Motorservice, PI 2080, S. 2–3 · Hochdruck- und Niederdruck-AGR · Motorservice · thermische Wirkung und Bypass des AGR-Kühlers · MAHLE · gekühlte AGR im Nutzfahrzeug und thermomechanische Anforderungen

Ein NOx-Sensor erfasst eine Konzentration im vorbeiströmenden Abgas. Die häufig verwendete Einheit ppm bedeutet Teile pro Million. Sie ist von einer emittierten Masse pro Zeit oder einer auf die Motorarbeit bezogenen Emission zu unterscheiden. Bei derselben Konzentration kann ein größerer Abgasmassenstrom mehr Schadstoff transportieren. Für eine belastbare Emissionsaussage müssen deshalb Konzentration und Durchsatz mit passender Bezugsbasis zusammengeführt werden.

Bosch beschreibt seinen NOx-Sensor als Verbindung aus Sonde, Kabel und eigener Sensorelektronik. Das keramische Element arbeitet nach einem amperometrischen Doppelkammerprinzip: Die elektrische Strommessung dient zur Erfassung der Gasbestandteile. Die aufbereiteten Informationen gelangen über CAN zur Motorsteuerung. Das ist eine andere Messaufgabe als die Temperaturerfassung oder die Druckdifferenz über einem Filter. Ähnlich aussehende eingeschraubte Sonden sind daher nicht automatisch austauschbare Sensoren.

Auch die chemische Selektivität ist generationsabhängig. NOx-Sensoren können auf Ammoniak mitreagieren; diese Querempfindlichkeit ist beispielsweise in der Patentschrift DE112014007102T5 als Entwicklungsproblem beschrieben. Hinter einem SCR-Katalysator kann ein ansteigendes Signal dann mehr als eine Ursache haben. Zugleich beschreibt Bosch bei der aktuell dargestellten Sensorausführung getrennte NOx-, Sauerstoff- und Ammoniaksignale. Eine solche Funktion darf nicht rückwirkend jedem älteren, nur als NOx-Sensor bezeichneten Bauteil zugeschrieben werden.

Für den Vergleich vor und hinter dem Katalysator müssen die Signale zeitlich zusammenpassen. Das Abgas benötigt eine Laufzeit zwischen den Messstellen; Sensoren und Auswertung reagieren ebenfalls nicht verzögerungsfrei. Unmittelbar nach einem Lastwechsel können zwei gleichzeitig ausgelesene Zahlen deshalb unterschiedliche Abgaszustände abbilden. Die bloße Differenz zweier Momentanwerte ist dann kein zuverlässiger Umsetzungsgrad. Das gilt besonders bei kleinem Eingangssignal, wenn bereits geringe absolute Messabweichungen einen großen relativen Unterschied erzeugen.

Temperaturfühler ergänzen diese chemische Messung. Bei widerstandsabhängigen Ausführungen steigt der Widerstand mit der Temperatur bei PTC, während er bei NTC sinkt; NTK erläutert beide Prinzipien. Die Kennlinie muss zur konkreten Sonde passen. Für die Gesamtbeurteilung zählen daher Signalart, Einbauposition, Betriebsbereitschaft und zeitlicher Verlauf. Ein Diagnosecode bezeichnet einen erkannten Fehlerzustand, beweist aber allein weder einen beschädigten Katalysator noch eine fehlerhafte Dosierdüse.

• Diagnosehinweis: Konzentration, Schadstoffmasse, Temperatur und Filterdruck sind unterschiedliche Größen. Ein sinnvoller Vergleich benötigt den Betriebszustand und zeitlich passende Signale.

Quellenhinweis: Bosch Mobility · Doppelkammerprinzip, CAN und ausführungsspezifische Signale · DE112014007102T5 · Beschreibung der möglichen NH3-Querempfindlichkeit, kein Seriennachweis · NTK · Temperaturerfassung und unterschiedliche Widerstandskennlinien

Scania führt Twin SCR als Merkmal des Super-Antriebsstrangs. Die mehrstufige SCR-Anordnung erweitert die Möglichkeiten, Stickoxide unter unterschiedlichen thermischen Bedingungen umzusetzen. Sie ist vom Dieselpartikelfilter zu unterscheiden, der eine andere Schadstoffkomponente behandelt.

Für die SCR-Reaktion wird aus dem dosierten Harnstoff-Wasser-Gemisch Ammoniak bereitgestellt. Temperatur, Durchmischung und Verweilzeit beeinflussen, wie viel davon wirksam zur Stickoxidumsetzung beiträgt. Die Regelung muss ausreichende Umsetzung mit einer Begrenzung unerwünschten Ammoniakdurchschlupfs verbinden.

Im Partikelfilter wird abgelagerter Ruß bei geeigneten Bedingungen oxidiert. Nicht brennbare Asche bleibt dagegen im Filter zurück und lässt sich nicht durch eine normale Rußregeneration beseitigen. Eine erhöhte Druckdifferenz ist mit Abgasmassenstrom und Temperatur zu bewerten, bevor daraus eine Beladung oder ein Bauteilfehler abgeleitet wird.

Quellenhinweis: Scania · Super und Twin SCR

MAN beschreibt den D30-PowerLion-Antrieb mit zweistufiger SCR-Nachbehandlung und ohne gekühlte Abgasrückführung. Die aktuelle TGS-Seite nennt für den dort angebotenen D26 dagegen eine Abgasrückführung. Diese unterschiedliche Architektur darf nicht in einer gemeinsamen Beschreibung „des MAN-Sechszylinders“ verschwinden.

Abgasrückführung verändert die Zusammensetzung der Zylinderladung. Der gegenüber reiner Frischluft veränderte Sauerstoffanteil und die thermischen Eigenschaften beeinflussen Verbrennung und Stickoxidbildung. Die Abstimmung muss zugleich Luftüberschuss, Partikelbildung und die verfügbare Aufladung berücksichtigen.

Wird ein anderer Weg über die innermotorische Abstimmung und SCR gewählt, verschieben sich Aufgaben zwischen Verbrennung und Abgasnachbehandlung. Daraus folgt keine universelle Aussage über jede Last- und Temperatursituation. Diagnosegrößen wie Luftmasse, Ladedruck und Abgastemperatur sind im jeweiligen Systemzusammenhang zu lesen.

Quellenhinweis: MAN · D30 PowerLion, SCR-Architektur · MAN · TGS mit D26