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Die Erfüllung zukünftiger länderspezifischer Emissionsgrenzwerte rein mittels motorischer Maßnahmen zu realisieren, stößt an die Grenze der Machbarkeit. Aus diesem Grunde bedarf es der Entwicklung neuartiger Abgasnachbehandlungssysteme. Im Falle der dieselmotorbetriebenen Kraftfahrzeuge stellt das SCR-Verfahren eine vielversprechende Technologie dar. Mit dieser katalytischen Abgasnachbehandlungsmethode werden sowohl die Stickoxid- als auch in geringem Maße die Partikelemissionen gemindert. Die Umwandlung der Stickoxide erfolgt durch Zugabe von Ammoniak als Reduktionsmittel, das an einem entsprechenden Katalysator die Stickoxide in Stickstoff und Wasser umwandelt. Hauptnachteil dieser SCR-Technologie ist jedoch das Mitführen eines zusätzlichen Betriebsstoffes, der für die selektive Reduktion der Stickoxide als Reduktionsmittel benötigt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedenste potenzielle Reduktionsmittel aufgrund von Literaturstudien wie auch durch unter Praxisbedingungen gewonnenen Erkenntnisse analysiert und bewertet. Hierbei standen insbesondere die Feststoffreduktionsmittel im Vordergrund, da diese chemischen Verbindungen im Vergleich zur derzeit als Referenz geltenden 32,5%igen Harnstoffwasserlösung eine viel höhere massen- wie auch volumenbezogene NH3-Speicherdichte aufweisen (siehe Kapitel 3.1.1). Dieser Punkt ist im Hinblick auf einen späteren Fahrzeugeinsatz und der damit gleichzeitig auferlegten Prämisse der Inspektionsintervallabdeckung von großer Bedeutung. Unter Verwendung dieser sowie der in Kapitel 7 aufgelisteten und geforderten Eigenschaften an das optimale Reduktionsmittel, wurde Ammoniumcarbamat als eine aussichtsreiche Alternative favorisiert. Hierauf gestützt wurde mit der Entwicklung einer speziell für das Reduktionsmittel Ammoniumcarbamat zugeschnittenen Dosierapparatur begonnen. Kernidee dieser Apparatur ist die direkte Sublimation des Ammoniumcarbamats an einer beheizten Stempelfläche. Damit sich keine Wärmebrücke zwischen Heizfläche und Ammoniumcarbamatschüttgut ausbildet, wird der Stempel mit Bohrungen versehen, wodurch das Gasgemisch, bestehend aus NH3 und CO2 in einen definierten Gaspufferraum, abgeleitet wird. Des weiteren wird der Kontakt zur Heizfläche durch einen Vorschubmechanismus gewährleistet. Es wurde zusätzlich untersucht, welchen Einfluss die Anpresskraft des Vorschubmechanismus sowie die Heizflächentemperatur auf die Abdampfrate des Ammoniumcarbamats ausübt. Da das System unter dem Aspekt einer kritischen Drossel dimensioniert wird, können reproduzierbare Reduktionsmittelmassenströme aus dem System entnommen werden. Das Problem der Resublimierung des Ammoniumcarbamats an kalten Stellen wird umgangen, indem das System nach dem Prinzip der Thermophorese rechnerisch ausgelegt wird. Hierdurch wird genau definiert, welche Systembauteile nach Abschalten des Systems als erstes auskühlen. Die kälteste Stelle ist somit die Stelle, an der die Ablagerungen gezielt entstehen und durch dort existierende Heizvorrichtungen beseitigt werden können. Nachdem diese Problematik zufrieden stellend im Laborbetrieb gelöst war, wurde mit der Integration des Sublimierers in den Versuchswagen begonnen. Hierzu war es notwendig, die Ansteuerung und Regelung des Sublimierers mittels eines Programms, welches mit der Steuergerätesoftware ASCET-SD programmiert wurde, zu erstellen. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme des Sublimierers im Fahrzeug, wurden während der Testzyklen sowie der Straßenerprobung folgende wichtige Ergebnisse gewonnen.
Die zunehmende Leistungsfähigkeit moderner Dieselmotoren in Verbindung mit leistungsbezogen geringen Kraftstoffverbräuchen sorgte in den letzten Jahren für eine starke Zunahme der Diesel-PKW in Deutschland. Während beim konventionellen Ottomotor durch den 3-Wege-Katalysator die gesetzlich limitierten Schadstoffkomponenten in hohem Maße (> 98 %) umgesetzt werden können, beschränkte sich beim Dieselmotor die Abgasnachbehandlung bisher im wesentlichen auf den Einsatz eines Oxidationskatalysators zur Verringerung des CO- und HC-Ausstoßes. Stickoxide und Partikel wurden bisher weitgehend über innermotorische Maßnahmen auf das gesetzlich vorgeschriebene Niveau gebracht. Mittlerweile wurde der Partikelfilters als Serienstandard eingeführt. Damit ergeben sich zwar Möglichkeiten zur Stickoxid-optimierten Motorauslegung, ob dies aber ausreicht, um einer weiteren Verschärfung der Abgasgesetzgebung zu begegnen, kann in Frage gestellt werden. Weiterhin wird, um den in der Dieselmotorentwicklung führenden europäischen Herstellern den US-amerikanischen Markt weiter zu öffnen, die Einhaltung der kalifornischen SULEV Grenzwerte als Benchmark angesehen. Diese Grenzwerte können nach heutigem Stand der Technik zwar für CO, HC und Partikel-Emissionen realisiert werden, nicht aber in bezug auf Stickoxide. Aufgrund dieser Überlegungen werden zur Zeit verstärkt Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der DeNOx-Technologien durchgeführt. Besonders der SCR-Technologie wird eine hohe Serientauglichkeit zugetraut. Die Selektive Katalytische Reduktion bezieht sich hierbei auf die gezielte Umsetzung der Stickoxide am Katalysator mit Unterstützung eines Reduktionsmittels. Dabei können z.B. Kohlenwasserstoffe aber vor allem auch Ammoniak NH3 eingesetzt werden. Da Ammoniak als Gefahrstoff eingestuft ist und somit nur bedingt im Fahrzeug mitgeführt werden kann, befasst sich diese Arbeit mit der bereits bekannten und sowohl in stationären Anwendungen, als auch im Nutzfahrzeugbereich erprobten Harnstoff-SCR-Technologie. Dazu wurde ein Audi A8 2,5 TDI mit einer Flüssigharnstoff-SCR-Anlage ausgestattet. Es handelt sich dabei um ein druckluftunterstütztes System mit einem elektrischen Kompressor. Die Harnstofflösung wird über ein Taktventil in eine Mischkammer dosiert. Das Harnstoff- Luftgemisch wird im Zulauftrichter des Unterboden-SCR-Katalysators über ein Dosierrohr mit Radialdüse verteilt. Die Reduktionsmitteldosierung wird über einen NOx-Sensor und ein Thermoelement gesteuert. Ein weiterer NOx-Sensor dient zur online-Umsatzbestimmung im Fahrbetrieb. Um die Tieftemperaturaktivität des Systems zu steigern, wurden zwei Zusatzvorkatalysatoren verbaut. Damit konnte das im niedrigen Temperaturbereich umsatzentscheidende NO2-Verhältnis vor SCR-Katalysator deutlich gesteigert werden. Ohne Eingriffe in die Motorsteuerung konnten im MVEG_B-Kalttest Stickoxidkonvertierungsraten bis 63 % erreicht werden. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf dem Katalysatorsystem. Dazu wurden zwei Alterungsmessreihen durchgeführt. Die generelle Fahrzeugtauglichkeit des Systems konnte nachgewiesen werden. Auch im realen, transienten Fahrbetrieb lassen sich hohe Stickoxidkonvertierungsraten ohne messbaren Ammoniakschlupf erzielen. Zusätzliche Motorprüfstandsuntersuchungen lassen erkennen, dass durch Katalysatorheizmaßnahmen nicht nur eine weitere NOx-Umsatzsteigerung erzielt werden kann, sondern auch die Dosierstrategie einfacher zu realisieren ist, weil der NH3-Einspeicherungsbereich des Katalysators schneller durchlaufen wird. Zur Abschätzung des Verkleinerungspotentials von SCR-Katalysatoren wurde am Motorprüfstand eine Untersuchungsreihe mit besonderen Katalysatorträgerstrukturen im Vergleich zu Standardträgern durchgeführt. Die Trägerstrukturen erhöhen die Stoffaustauschrate im Katalysator und führen zu einer Verbesserung der Katalysatorausnutzung. Gerade im Bereich höherer Raumgeschwindigkeiten konnten zum Teil deutliche Steigerungsraten der Stickoxidkonvertierung im Vergleich zum Standardträger realisiert werden.
Es wurde ein fahrzeugtaugliches SCR-Gesamtsystem auf der Basis von trockenem Harnstoff dargestellt, bei dem die Reduktionsmittelaufbereitung in einem elektrisch beheizten Reaktor erfolgt. Trockener Harnstoff bietet gegenüber der wässrigen Harnstofflösung eine Gewichtsersparnis von 67,5% und eine uneingeschränkte Wintertauglichkeit. Im externen Reaktor wird der Harnstoff unter stets optimalen Reaktionsbedingungen zersetzt. Der Harnstoff wird in Form von runden Pellets in einem Größenspektrum von 1,8-2,0 mm eingesetzt. Die Dosierung erfolgt durch Vereinzeln der Pellets mit einem Zellenraddosierer. Der Harnstoffmengenstrom wird durch Veränderung der Pausenzeit zwischen zwei Einzelportionen angepasst. Mit dem Dosiersystem ist die Reduktionsmittelversorgung im gesamten Motorkennfeld gewährleistet. Der Transport der Pellets vom Dosierer zum Reaktor erfolgt sequenziell durch eine Leitung nach dem Blasrohrprinzip mittels Druckluft. Die Druckluft wird durch einen Kompressor bereitgestellt. Das Förderprinzip ermöglicht einen Pellettransport über mehrere Meter, wobei Krümmungsradien bis 40 mm und vertikale Förderung entgegen der Schwerkraft unproblematisch sind. Der Reaktor besteht aus einer Thermolysekammer mit elektrisch auf 400°C beheizten Wänden und einem nachgeschalteten Hydrolysekatalysator. Die Harnstoffpellets werden in die Kammer eingebracht und thermisch zersetzt. Das für die Hydrolyse benötigte Wasser wird durch einen Abgasteilstrom bereitgestellt, der in die Thermolysekammer eingekoppelt und dort ebenfalls aufgeheizt wird. Die Zersetzungsprodukte Ammoniak und Kohlendioxid werden in den Abgashauptstrom eingebracht. Mit dem Gesamtsystem werden unter optimalen Randbedingungen NOx-Konvertierungsraten über 99% erreicht. Die NOx - und NH3-Bilanz zeigt allerdings, dass der Reduktionsmittelnutzungsgrad lediglich bei etwa 85% liegt. Im Hydrolysekatalysator wird ein Anteil des Ammoniaks oxidiert. Ein weiterer Teil wird durch Nebenreaktionen am SCR-Katalysator verbraucht. Das Verhalten des SCR-Katalysators unter dynamischen Betriebsbedingungen wurde mit Hilfe eines mathematischen Modells diskutiert. Das NH3-Adsorptionsvermögen des SCR-Katalysators nimmt mit steigender Temperatur stark ab. Gleichzeitig wird bei niedrigen Temperaturen bis etwa 250°C ein vergleichsweise hohes NH3-Beladungsniveau benötigt, um maximale NOx-Konvertierung zu erzielen. Bei höheren Temperaturen verläuft die SCR-Reaktion hingegen spontan in einer kurzen Reaktionszone am Katalysatoreintritt. Bei einem Wechsel des Motorbetriebspunktes von niedriger auf hohe Last steigt die Katalysatortemperatur schnell an. Das Adsorptionsvermögen des Katalysators nimmt ab. Wenn die eingespeicherte Reduktionsmittelmenge nicht in der SCR-Reaktion verbraucht wird, kommt es zu NH3-Schlupf. Bei niedrigeren Temperaturen muss daher die NH3-Beladung begrenzt werden. Dies hat allerdings eine verminderte NOx-Konvertierung zur Folge. Der Einfluss verschiedener Parameter auf den NOx-Umsatz und den Reduktionsmittelverbrauch wurde anhand des MVEG-Zyklus diskutiert. Durch kurzzeitige Hochdosierung und anschließende Anpassung der Reduktionsmittelmenge an den momentanen Umsatz wird die beste Ausnutzung des eingebrachten Reduktionsmittels erzielt. Ein optimierter NO2-Anteil bewirkt insbesondere in der Startphase eine höhere NOx-Konvertierungsrate. Ein größerer SCR-Katalysator vermindert die NH3-Schlupfgefahr. Die Reduktionsmittelausnutzung nimmt jedoch ab, so dass ein größerer Reduktionsmittelanteil im Katalysator verbleibt. Durch motornahe Positionierung erfährt der SCR-Katalysator ein höheres Temperaturkollektiv. Der NOx-Umsatz steigt dadurch deutlich. Gleichzeitig ist die im Katalysator verbleibende Reduktionsmittelmenge geringer. Dies erlaubt eine einfache Dosierstrategie, bei der sich die Reduktionsmitteldosierung an der momentanen Stickoxidkonvertierung orientiert. Für das Gesamtsystem wurde eine Betriebsstrategie erarbeitet, die gezielt auf die funktionalen Grenzen der Systemkomponenten abgestimmt ist. Die zugrunde liegende Emissionsminderungsstrategie sieht eine konstante fahrstreckenbezogene NOx-Minderung in allen Betriebszuständen vor. Hierdurch ist es möglich, sowohl alle für die Zertifizierung erforderlichen Abgasgrenzwerte zu unterschreiten, als auch eine deutliche Emissionsminderung außerhalb der prüfrelevanten Fahrzyklen zu erzielen. Gleichzeitig kann für eine definierte Fahrstrecke die mitzuführende Reduktionsmittelmenge genau vorhergesagt werden. Das Gesamtsystem wurde in einem EURO III-Versuchsfahrzeug auf dem Rollenprüfstand sowie im Straßenverkehr betrieben. Im Rahmen der bisherigen Tests konnte die Systemfunktion nachgewiesen werden. Im MVEG-Zyklus wird der EURO IV-NOx-Grenzwert mit vorkonditioniertem SCR-Katalysator knapp unterschritten. Durch eine gezielte Abstimmung des Motors auf die Erfordernisse des Abgasnachbehandlungssystems und eine Optimierung des NO2-Anteils ist eine weitere Absenkung des Emissionsniveaus möglich.