DPF-FAP-GPF-SCR-CAT

Entstehung und Anwendung.

Abgasnachbehandlungssysteme für Kraftfahrzeuge haben eine lange Geschichte, die mit dem wachsenden Umweltbewusstsein und den Vorschriften zur Reduzierung der Luftverschmutzung zusammenhängt.

In den 1960er Jahren begann man in den Vereinigten Staaten, sich mit dem Problem der Luftverschmutzung durch Autos zu befassen. Kalifornien, insbesondere Los Angeles, hatte ernsthafte Smogprobleme. Im Jahr 1966 wurden in Kalifornien die ersten Vorschriften zur Kontrolle der Autoemissionen erlassen. Im Jahr 1970 folgten die bundesstaatlichen Emissionsvorschriften im Rahmen des Clean Air Act.

Die ersten trifunktionalen Katalysatoren kamen in den 1970er Jahren auf, vor allem als Reaktion auf die strengeren Emissionsvorschriften in den USA. Trifunktionale Katalysatoren waren in der Lage, drei Hauptschadstoffe zu reduzieren: Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC).

In den 1980er Jahren wurden fortschrittlichere Emissionskontrollsysteme wie Abgasrückführung (AGR), Kraftstoffeinspritzung und Sauerstoffsensoren (Lambdasonden) eingeführt, die die Effizienz der Katalysatoren verbesserten. Auch die europäischen Länder begannen mit der Einführung ihrer Emissionsvorschriften, z. B. Euro 1 im Jahr 1992.

In den 1990er Jahren wurden die Emissionsnormen sowohl in den USA als auch in Europa weiter verschärft. Es wurden die Normen Euro 2 (1996), Euro 3 (2000) und Euro 4 (2005) eingeführt, die immer fortschrittlichere Abgasnachbehandlungstechnologien erforderten, einschließlich der Verwendung von Oxidationskatalysatoren und Dieselpartikelfiltern (DPF/FAP) in Dieselfahrzeugen.

Die zunehmende Beliebtheit von Dieselfahrzeugen hat die Einführung neuer Abgasnachbehandlungstechnologien wie selektive katalytische Reduktionssysteme (SCR) erforderlich gemacht, bei denen AdBlue® (wässrige Harnstofflösung) zur NOx-Reduzierung eingesetzt wird. Auch GPF-Partikelfilter wurden für Fahrzeuge mit Benzinmotor eingeführt. Die heutigen Vorschriften, wie die Euro 6d-Normen in Europa, erfordern den Einsatz noch fortschrittlicherer Abgasnachbehandlungstechnologien, einschließlich einer Kombination aus SCR-Katalysatoren, DPF/FAP-Filtern und Ammoniak (NH3)-Neutralisierungssystemen.

Aufbau und Funktionsweise.

Trifunktionaler Katalysator und Oxidationskatalysator.

Der Drei-Funktions-Katalysator (auch Drei-Wege-Katalysator oder katalytischer Reaktor genannt) ist eine der wichtigsten Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems moderner Autos mit Benzinmotor. Seine Aufgabe ist es, die drei Hauptschadstoffe, die bei der Kraftstoffverbrennung entstehen, in weniger schädliche Verbindungen umzuwandeln:

1. Stickstoffmonoxid (NOx) - Reduktion zu Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2)
2. Kohlenmonoxid (CO) - Oxidation zu Kohlendioxid (CO2)
3. Kohlenwasserstoffe (HC) - Oxidation zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) 

Der trifunktionale Katalysator besteht aus:

1. Der Kern aus Keramik oder Metall hat eine wabenförmige Struktur, die eine große Kontaktfläche für chemische Reaktionen bietet.
2. Eine aktive Schicht, die den Kern bedeckt und aus Edelmetallen wie Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) besteht.
3. Das Gehäuse - in der Regel aus Metall - schützt den Katalysator und hält ihn in der richtigen Position in der Auspuffanlage.

Damit ein trifunktionaler Katalysator effektiv arbeiten kann, muss er unter bestimmten Bedingungen arbeiten:

1. Temperatur - der Katalysator erreicht seine volle Wirksamkeit bei Temperaturen zwischen etwa 250°C und 900°C. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, laufen die chemischen Reaktionen nicht schnell genug ab.
2. Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs - die optimale Gemischzusammensetzung (Verhältnis Luft/Kraftstoff) liegt bei etwa 14,7:1 (stöchiometrisches Verhältnis). Ein zu fettes Gemisch (zu viel Kraftstoff) oder ein zu schlechtes Gemisch (zu viel Luft) kann die Effizienz des Katalysators verringern.
3. Sauerstoffsensoren (Lambdasonden) - Sie befinden sich vor und hinter dem Katalysator und überwachen den Sauerstoffgehalt im Abgas, so dass das Motormanagementsystem (ECU) die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs feinabstimmen kann.

Während in der Abgasanlage von Benzinmotoren ein trifunktionaler Katalysator verwendet wird, verfügen Dieselmotoren in der Regel über einen Oxidationskatalysator. Dieser oxidiert Kohlenoxide und Kohlenwasserstoffe, hat aber aufgrund der Tatsache, dass Dieselmotoren mit mageren Gemischen betrieben werden, keine Fähigkeit zur NOx-Reduzierung.

Dieselpartikelfilter (DPF/FAP) und Benzinmotoren (GPF).

Der Dieselpartikelfilter (DPF) ist eine Schlüsselkomponente, die in Dieselfahrzeugen eingesetzt wird, um die Partikelemissionen zu reduzieren, die eine der Hauptquellen der Luftverschmutzung sind. 

Der Partikelfilter besteht in der Regel aus Materialien mit poröser Struktur, wie Siliziumkarbid (SiC) oder Cordierit. Die Struktur des Filters ähnelt einer Bienenwabe, wobei die Ein- und Auslasskanäle abwechselnd geschlossen sind, so dass die Abgase gezwungen sind, durch die porösen Wände des Filters zu strömen. Partikel (Ruß, Asche) bleiben an den porösen Wänden hängen, während der Rest der Abgase aus dem Filter entweicht. Je mehr Partikel sich im Filter ansammeln, desto größer wird der Widerstand gegen den Abgasstrom, was zu einer Abnahme der Motorleistung führt. Das Motorsteuergerät überwacht den Füllungsgrad des Partikelfilters u. a. mit Hilfe eines Differenzdrucksensors, der den Abgasdruck vor und hinter dem Filter vergleicht. Sobald die programmierten Werte überschritten werden, leitet es Maßnahmen ein, die zur Reinigung (Regeneration) des Partikelfilters beitragen. Häufige Kurzstreckenfahrten verhindern eine effektive Regeneration des DPF, was dazu führen kann, dass der Filter zu voll wird und der Motor nicht mehr richtig läuft.

Die Fahrzeughersteller verwenden hauptsächlich zwei Lösungen für Dieselpartikelfilter:

• Trocken"-Filter
• Nass"-Filter

Bei Systemen mit einem "trockenen" Filter werden keine chemischen Zusätze verwendet, und die zur Regeneration und Entleerung des Partikelfilters von angesammelten Rußpartikeln erforderliche höhere Abgastemperatur wird durch Maßnahmen wie die Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge, die Verzögerung der Einspritzung, die Abschaltung des Abgasrückführungssystems usw. erreicht. Einige Hersteller haben auch Lösungen in Form einer zusätzlichen Einspritzdüse im Abgassystem verwendet, die während der Regenerationsphase des Partikelfilters Kraftstoff direkt in den Abgasstrom einspeist.

Bei Nassfiltersystemen wird ein spezielles Additiv verwendet, das, wenn es dem Kraftstoff zugesetzt wird, die Verbrennungstemperatur des Rußes verringert, so dass der Regenerationsprozess des Partikelfilters bei einer niedrigeren Temperatur stattfinden kann. Ruß, der sich in einem Partikelfilter ansammelt, benötigt normalerweise eine hohe Temperatur (etwa 600 °C), um zu verbrennen. Das Additiv senkt diese Temperatur auf etwa 450 °C, wodurch der Regenerationsprozess einfacher und schneller abläuft, insbesondere bei niedrigeren Motordrehzahlen und -temperaturen. Die Flüssigkeit wird in einem speziellen Tank oder Reservoir im Fahrzeug gelagert und automatisch in kleinen Mengen in den Kraftstofftank dosiert. Das Motormanagementsystem (ECU) steuert die Dosierung des Additivs, um die richtige Menge im Kraftstoff sicherzustellen. Wenn der Kraftstoff im Motor verbrannt wird, verbleibt das im Additiv enthaltene Cer in Form von Partikeln, die vom Partikelfilter zusammen mit dem Ruß aufgefangen werden. Wenn sich die Cer-Partikel im DPF ansammeln, verringern sie die Temperatur, bei der der Ruß zu brennen beginnt. Auf diese Weise kann der Regenerationsprozess des Filters auch bei normalem Stadtverkehr effizient durchgeführt werden.

Die heutigen Fahrzeughersteller streben nach einem möglichst effizienten und gleichzeitig kompakten Abgasnachbehandlungssystem. Das Ergebnis sind mit SCR ausgestattete Partikelfilter, die die Funktionen von zwei Komponenten - einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator - kombinieren.

Der Partikelfilter (GPF) wird auch bei Fahrzeugen mit Benzinmotor eingesetzt, insbesondere bei solchen mit Direkteinspritzung. Der Grund dafür ist, dass diese Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Motoren mit indirekter Einspritzung höhere Partikelmengen ausstoßen. In vielen Ländern, vor allem in der Europäischen Union, gelten immer strengere Abgasnormen, wie z. B. Euro 6. Diese Normen verlangen, dass Fahrzeuge weniger Partikel ausstoßen, was die Hersteller zwingt, Technologien wie den GPF einzusetzen, um diese Normen zu erfüllen. Der GPF ist so konzipiert, dass er diese Partikel effektiv auffängt und so die PM-Emissionen aus dem Abgassystem reduziert. Ähnlich wie bei einem Partikelfilter strömen die Abgase durch den Filter und die Partikel werden an seinen porösen Wänden aufgefangen. Im Gegensatz zu Partikelfiltern bereiten GPFs weniger Probleme, da die Abgastemperatur bei Benzinmotoren in der Regel höher ist. Der Regenerationsprozess beinhaltet die Verbrennung der angesammelten Rußpartikel, die bei normalem Motorbetrieb, insbesondere bei höheren Lasten und Temperaturen, automatisch erfolgt.

SCR-Katalysatoren.

Es ist eine Schlüsselkomponente des selektiven katalytischen Reduktionssystems (SCR), in dem chemische Reaktionen ablaufen, die NOx in Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umwandeln. Ermöglicht wird dies durch die Dosierung eines speziellen Reduktionsmittels, einer wässrigen Harnstofflösung (AdBlue®), in den Abgasstrom vor dem SCR-Katalysator. Häufig befindet sich in der Abgasanlage vor dem SCR-Katalysator ein spezieller Mischer (Blender), der das eingespritzte Additiv gründlich und gleichmäßig in das Abgas einmischt.

Seine Struktur ähnelt der eines trifunktionalen oder Oxidationskatalysators. Der SCR-Katalysator hat einen Kern aus keramischem oder metallischem Wabenmaterial, der mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist. Er enthält Verbindungen wie Metalloxide (z. B. Aluminiumoxid, Titanoxid) und Edelmetalle (z. B. Platin, Palladium).

Regenerationsprozess.

Unser Service besteht in der chemischen Reinigung von Partikelfiltern und Katalysatoren mit einer sicheren, schnellen und effektiven Methode. Der aus dem Fahrzeug ausgebaute Filter wird einem Reinigungsprozess mit Chemikalien und einem Wasserstrahl bei entsprechender Temperatur und Druck unterzogen. Dabei werden alle PM10-Partikel, Öl und Cerablagerungen (bei Nassfiltern) entfernt. Es handelt sich um eine sehr wirksame Methode, bei der keine Gefahr besteht, dass die Filterpatrone beschädigt wird (wie es bei Reinigungsmethoden mit hohen Temperaturen der Fall sein kann). Die angewandte Methode garantiert, dass die Leistung des Filters bis zum Wert von 98% wiederhergestellt wird, ohne dass die Struktur des Filters beeinträchtigt wird. Das Gerät ermöglicht es, den Durchfluss durch den Filter vor und nach dem Reinigungszyklus zu messen und die Ergebnisse dieser Tests auszudrucken, so dass die Wirksamkeit des Verfahrens klar beurteilt werden kann.

Diese Methode zur Reinigung des Partikelfilters hat viele Vorteile gegenüber der so genannten Betriebsregeneration:

• keine erhöhte mechanische Belastung des Motors durch den Hochgeschwindigkeitsbetrieb während des Regenerationsprozesses im Betrieb
• keine erhöhte Wärmebelastung der Komponenten im Abgassystem (Turbolader, Katalysator, Partikelfilterkern)
• kein Motorölwechsel nach der Service-Regeneration erforderlich

Die einzige Bedingung für die Filterreinigung ist, dass keine mechanischen Beschädigungen, insbesondere am Filterkern, vorliegen. Jeder Filter, den wir annehmen, wird einer gründlichen Zustandsprüfung und einer visuellen Inspektion des Filtereinsatzes mit einer endoskopischen Kamera unterzogen. Sollte sich herausstellen, dass das Innere des Filters oder des Katalysators mechanisch beschädigt ist, können wir oft eine Regeneration vorschlagen, bei der die Filterpatrone ausgetauscht wird.

Ursachen und Arten von Schäden

Anzeichen für einen beschädigten oder übersättigten Partikelfilter/Katalysator:

1. Verringerung der Motorleistung
2. Ungleichmäßiger Motorlauf bei niedrigen Drehzahlen
3. Erhöhter Kraftstoffverbrauch
4. Motor- ("Motor überprüfen") oder Filterleuchte (DPF/SCR) leuchtet
5. Rauch aus der Auspuffanlage

Die häufigsten Partikelfilter-/Katalysatorausfälle:

1. Verschmutzung - Auslaufen von Motoröl, Kühlmittel, übermäßige Sättigung des Partikelfilters mit Ruß oder Asche
2. Überhitzung - anormaler Verbrennungsprozess des Kraftstoffs, Fehler im Einspritzsystem, Abgasrückführung, Motorabstimmung, usw.
3. Mechanische Beschädigung des Kerns - Hitze, Temperaturschock, Stoß, Vibration.