1 Einleitung

Inhaltsverzeichnis

 

In den vergangenen Jahrzehnten hat der Straßenverkehr ständig zugenommen. Mit dieser Entwicklung auftretende Begleiterscheinungen wie Verkehrsstaus oder Emissionen verschiedenster Art wurden lange Zeit wenig beachtet. In den siebziger Jahren begann, ausgelöst durch die Ölkrise, ein Umdenken. Man wurde sich der Umweltproblematik und der globalen Zusammenhänge bewußt und begann, die negativen Auswirkungen des massenhaften Verkehrsaufkommens zu begrenzen. Die in den zurückliegenden Jahren vermehrt auftretenden Allergien lösten bei vielen Menschen Ängste aus, weil sie mit der zunehmenden Umweltverschmutzung in Verbindung gebracht werden. Andere bedeutende Emissionsquellen wie die der Schwerindustrie, der Heizkraftwerke und gar die der Hausfeuerungen werden in der Regel außer Acht gelassen.

diss_einl_zeitung

Abb.1: PKW-Emissionen (Otto und Diesel) in Deutschland nach dem Verband der Automobilindustrie (VDA; VDI-Nachrichten 29/95)

Der Gesetzgeber schrieb für Pkw-Ottomotoren schon in den achtziger Jahren eine Verminderung des Kohlenmonoxids (CO), der Stickoxide (NOx) und unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HC) vor. Diese Forderungen bedingten frühzeitig den Einsatz von Katalysatoren, in der Folge Dreiwege-Katalysatoren. Ab 1996 soll die Kraftfahrzeugsteuer zudem nicht mehr hubraum- sondern emissionsbezogen sein.

Trotzdem steigt nach einer Prognose des Verbandes der Automobilindustrie (VDA) mit der Zahl der zugelassenen Fahrzeuge voraussichtlich bis zum Jahr 2000 auch das verbrauchsabhängig freigesetzte Spurengas CO2 weiter an (Abb. 1.1). Erst danach soll der Ausstoß dieses Gases, das auch für den Treibhauseffekt mitverantwortlich gemacht wird, wegen sparsamerer Motoren zurückgehen. Ab 96/97 werden für neue Dieselfahrzeuge weiter verschärfte Grenzwerte vorgeschrieben, Tab. 1. Angesichts der bevorstehenden Grenzwertabsenkung, insbesondere für Rußpartikel werden die Bemühungen nachvollziehbar, entsprechende Entwicklungen voranzutreiben und Lösungen anzubieten.

Aufgrund der hohen Wirtschaftlichkeit des Dieselmotors [1] hat der Anteil von Diesel-Pkws auf 30% zugenommen. In den nächsten Jahren ist -angesichts des auf der IAA 95 viel diskutierten 3-Liter-Autos- eine weitere Zunahme seines Marktanteiles zu erwarten, zumal die Verwirklichung dieser Verbrauchsvorgabe beim Ottomotor schwer realisierbar erscheint. Beim Dieselmotor erfolgt die Kraftstoffverbrennung mit Luftüberschuß (λ > 1), weshalb der HC- und CO-Anteil gegenüber dem Ottomotor nur etwa ein Zehn beträgt. Ist der Stickoxidanteil des Dieselabgases zu reduzieren, sind gegebenenfalls ergänzende Maßnahmen wie die Abgasrückführung oder eine speziell abgestimmte katalytische Nachbehandlung erforderlich, weil sonst gegenläufig der Rußausstoßanstiege. Das Hauptproblem von Dieselmotoren besteht in der Emission fester Rußpartikel, die vor allem bei Sauerstoffmangel unter hohen Temperaturen und Drücken bevorzugt entstehen.

Tab. 1.1: Abgasgrenzwerte für die Serienproduktion von Diesel-Pkw [g/km] [2].

1983** 1. Schritt 92/93 2. Schritt 96/97 UBA-Vorschlag für 2000
CO 27.5-33 3.16 1.0 1.0
HC + NOx 5.95-8.75 1.13 0.7
NOx 0.4
HC* 0.05
Partikel 0.18 0.08 0.05

CO: Kohlenmonoxid, NOx: Stickoxide, HC: Kohlenwasserstoffe, HC*: Kohlenwasserstoffe ohne Methan, *: ohne Katalysator, anderer Testzyklus, abhängig vom Fahrzeuggewicht.

Die Ursache der Rußbildung ist in Spaltvorgängen der Kraftstoffmoleküle (cracken) bei der Verbrennung zu sehen, wenn langkettige Moleküle thermisch in Bruchstücke mit schlechterem Zündvermögen spalten, bevor sie vollständig verbrennen können. Im Extremfall bilden sich feinste lungengängige Rußteilchen, an denen gegebenenfalls krebsauslösende aromatische Kohlenwasserstoffe (Benzpyren, Aldehyde) adsorbiert sind [3].

Am elegantesten, motortechnisch aber aufwendigsten, wäre die Rußvermeidung bzw. Minimierung der Rußfreisetzung beim Verbrennungsvorgang. Die 1993 serienmäßig eingeführte Vierventiltechnik [4] brachte durch einen verbesserten Luftwechsel eine Rußemissionsminderung um 30 %. Die Kraftstoffaufbereitung kann mit einer für alle Zylinder gemeinsamen Hochdruckeinspritzung (common rail-System, 1400 bar) oder der Direkteinspritzung (ohne Vorkammer) weiter verbessert werden.

Bei anderen Methoden wird der anfallende Ruß in gasförmige Substanzen umgewandelt. Dies gelingt normalerweise erst oberhalb 500 ˚C ausreichend, nämlich dann, wenn entweder die Abgastemperatur erhöht oder die Zündtemperatur des Rußes abgesenkt wird. Die Erhöhung der Abgastemperatur kann mit einer ansaugseitigen Drosselklappe bewerkstelligt werden, die im Teillastbetrieb den Gasdurchsatz durch den Motor verringert und dadurch infolge reduzierter Innenkühlung die Abgastemperatur erhöht [5]. Eine Absenkung der Ruß-Zündtemperatur ist mit Additiven möglich, die in geringen Anteilen dem Kraftstoff beigemischt werden. Sie senken die Zündtemperatur des Rußes erheblich, weil sie durch feinste Verteilung aktiv an der Oberfläche des Filters aufliegen. Allerdings können sie nicht durch Verbrennung beseitigt werden und reichern sich deshalb im Laufe der Zeit im Filter an. Der daraus resultierenden Verstopfungsgefahr begegnet man mit großen Filterflächen, um den unerwünschten Druckverlustanstieg und den Kraftstoffmehrverbrauch des Motors zu begrenzen. Da die Zündtemperaturen normalerweise nur zeitweilig auftreten, muß der anfallende Ruß zunächst in Rückhalteapparaten gesammelt werden. Darin besteht ein grundlegender Unterschied zu Katalysatoren. Fahrzeugspezifisch kommen verschiedene Filtersysteme wie z.B. der keramische Monolithfilter, der ähnlich dem Abgaskatalysator des Ottomotors aufgebaut ist oder ein aus keramischen Fasern (Garn) verwobener Wickelfilter infrage. Das in dieser Arbeit behandelte metallische Rußfilter erwies sich wegen seiner günstigen geometrischen Parameter als besonders zukunftsträchtig [6].