Motoren aus technischer Sicht/ Abgaswartung

Abgase

Die Ausscheidung von Abgasen ist beim Betrieb eines Verbrennungsmotors unumgänglich. Die Abgasbestandteile sind meist giftig und klimaschädlich, haben aber teilweise keine Auswirkungen auf die Natur. Um die Umwelt vor Abgasen zu schonen, ist die förderlichste Lösung, den Einsatz von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zu reduzieren. Stattdessen ist die Verwendung der Öffentlichen Verkehrsmittel oder der Einsatz von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen als Antrieb umweltschonender. Doch auch beim Betrieb von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren können einige Maßnahmen getroffen werden, um die Abgasausscheidung zu senken. Der Führer des Fahrzeugs sollte bereits bei niedrigen Drehzahlen in den nächst höheren Gang schalten, damit der Kraftstoffverbrauch und somit die Abgasmengen reduziert werden. Zudem gibt es einige konstruktive Maßnahmen, die zu einer geringeren Abgasausscheidung beisteuern. Bei der Konstruktion eines Fahrzeuges sollte das Gewicht möglichst minimal gehalten werden, denn eine Gewichtseinsparung von 100 kg entspricht in etwa 0,1 Liter weniger Kraftstoffverbrauch pro 100 km. Ebenfalls sollte die Karosserie des Fahrzeuges so konzipiert sein, dass der Luftwiderstand so klein wie möglich ist. Schließlich führt der Einsatz von optimalen Reifenprofilen zu einem geringeren Rollwiderstand. Dieser wiederum führt zu einem kleineren Kraftstoffverbrauch und somit zu einer geringeren Abgasausscheidung. Auch gesetzliche Maßnahmen tragen zu einer geringfügigeren Abgasausscheidung bei. Erstens werden schädliche Stoffe im Kraftstoff, wie zum Beispiel Schwefel, verboten. Zweitens verfügt der Besitzer von abgasarmen Fahrzeugen gegenüber dem Besitzer von abgasreichen Fahrzeugen über Steuervorteile.

Abgasanlagen

Eine Abgasanlage, bestehend aus Auspuffkrümmer, Vorschalldämpfer, der bei modernen Fahrzeugen mit einem Katalysator versetzt ist, Hauptschalldämpfer und Endrohr, besitzt folgende Aufgaben:

• Ableitung der Abgase in den Katalysator, in welchem sie gereinigt werden
• Geräusch anhand eines Vor- und Hauptschalldämpfers mildern
• Verlauf des Abgasstromes steuern
• Sicherung des Fahrgastraumes vor giftigen Abgasen

Eine Abgasanlage unterliegt verschiedenen materiellen Beanspruchungen, denen durch eine geeignete Materialwahl vorgebeugt werden muss. Kondenswasser, welches sich im Innern einer Abgasanlage aufgrund geringer Temperaturen bildet, führt zur Innenkorrosion. Auch das Äußere der Abgasanlage ist durch wetterbedingte Korrosion, wie beispielsweise Korrosion durch hohe Temperaturen oder durch einen hohen Feuchtigkeitsgrad, gefährdet. Die Innen- und Außenkorrosion wird umgangen, wenn die Abgasanlage aus Edelstahl besteht oder von einer Aluminiumbeschichtung umgeben ist.

Bei Zweitaktern kommt der Abgasanlage noch eine weitere, wesentlichere Aufgabenstellung zu. Ein auf den Motor abgestimmter  Resonanzauspuff kann die Verminderung des Verbrauchs, eine Leistungserhöhung und eine optimale Einstellung auf einen bestimmten Drehzahlbereich bewirken. Die heute gängigste Bauart besteht aus Krümmer, Konus, Rohr mit oder ohne Prellblech, Gegenkonus und Endschalldämpfer. Diese Konstruktion bewirkt, dass die Abgase aus dem Auslasskanal nicht vollständig aus dem Auspuff entweichen, ein Teil wird von dem Gegenkonus zum Auslasskanal zurückgeworfen. Sinn dieser Konstruktion ist es, den Auslasskanal zu verschließen (durch den Druck der Gassäule) und ein Entweichen der Frischgase (unverbranntes Benzin-Luft Gemisch) durch diesen zu verhindern.

In der Praxis entstehen im Auspufftrakt mit der Zeit Ablagerungen von Ölkohle (aufgrund der Gemischschmierung im höheren Maße als bei Viertaktmotoren). Durch Volumenverkleinerung bewirken sie eine Änderung der Abstimmung der Auspuffanlage und damit eine Leistungsminderung. Aus diesem Grund sollte ein Zweitaktauspuffanlage gelegentlich gereinigt werden. Ein Ausbrennen, wie früher üblich, ist hierfür ungeeignet, zum einen da eine eventuell vorhandene Verchromung beschädigt wird, zum anderen da ein Ausglühen des Metalls eine höhere Korrosionsneigung nach sich zieht. Bei Motorrädern hat sich eine Behelfskonstruktion zur Säuberung des Krümmers bewährt. Hierfür befestigt man Stahlwolle (im Durchmesser ein klein wenig größer als der Krümmerdurchmesser) in der Mitte eines Bindfadens, der ungefähr die doppelte Länge des Krümmers haben sollte. An den Enden des Bindfadens befestigt man jeweils eine Mutter, fädelt ein Ende durch den Krümmer und zieht abwechselnd an beiden Enden, bis keine Ölkohle mehr abgerieben wird.

Katalysator

Giftige und Ungiftige Abgase

Im Verbrennungsmotor werden giftige und ungiftige, teils jedoch umweltschädliche, Abgase erzeugt. Zu den ungiftigen Abgasen gehören Kohlenstoffdioxid [CO₂], Stickstoff [N₂] und Wasserdampf [H₂O(g)]. Diese Abgase werden ohne Umwandlung ausgeschieden. Die giftigen Abgase müssen jedoch, bevor sie ausgeschieden werden, im Katalysator durch chemische Reaktionen in ungiftige Moleküle umgewandelt werden. In Ottomotoren werden ausschließlich Dreiwege-Katalysatoren eingesetzt, weil sie einen hohen Umwandlungsgrad besitzen.

Dreiwege-Katalysator bei Ottomotoren

Beim Dreiwege-Katalysator spielen sich, wie es der Name bereits sagt, drei chemische Vorgänge zur selben Zeit in seinem Inneren ab. Diese drei Vorgänge werden im Folgenden beschrieben:

• 1. Vorgang: Stickstoffoxid [NO_X] wird zu Stickstoff [N₂] reduziert. Stickstoffoxid [NO_X] entsteht durch zu hohe Verbrennungstemperaturen oder durch einen Luftüberschuss. Es ist geruchlos, reizt aber die Lungengewebe und ist giftig, weshalb es katalysiert werden muss.
• 2. Vorgang: Der beim ersten Vorgang freigewordene Sauerstoff [O₂] wird dazu aufgewendet, um das durch Luftmangel oder unvollständige Vermischung von Kraftstoff und Luft entstehende Kohlenstoffmonoxid [CO] in Kohlenstoffdioxid [CO₂] zu oxidieren. Kohlenstoffmonoxid [CO] ist geruchlos, brennbar und lebensgefährlich.
• 3. Vorgang: Der beim ersten Vorgang freigewordene Sauerstoff [O₂] wird ebenfalls zur Oxidation von Kohlenwasserstoff [HC] zu Kohlenstoffdioxid [CO₂] und Wasser [H₂O(l)] genutzt. Kohlenwasserstoffe [HC] entstehen bei einer mangelhaften Verbrennung, bei einer zu niedrigen Zündspannung, bei einer ungünstigen Brennraumform und bei Ablagerungen im Brennraum. Die Kohlenwasserstoffe [HC] sind nicht direkt giftig, werden jedoch durch Sonneneinstrahlung zu giftigen Molekülen umgewandelt. Aus diesem Grund müssen die Kohlenwasserstoffe [HC] katalysiert werden.

Damit der hohe Umwandlungsgrad des Dreiwege-Katalysators garantiert ist, muss sich der Lambda-Wert λ um 1 herumbewegen, also zwischen 0,997 bis 1,004. Weicht er von diesen zwei Grenzwerten ab, so verringert sich der Konvertierungsgrad des Katalysators schleunigst. Der Lambda-Wert λ ist das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luftmenge zur theoretisch notwendigen Luftmenge, die zu einer vollständigen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs führt. Die tatsächlich zugeführte Luftmenge darf demnach von der theoretisch notwendigen Luftmenge nicht zu stark abweichen.

Die Starttemperatur, welche in einer möglichst kurzen Zeit erreicht werden muss, beträgt etwa 250 °C. Erst ab dieser Temperatur beginnt die Umwandlung im Katalysator einzusetzen. Die Betriebstemperatur hat der Katalysator bei einer Temperatur von 400 °C bis 900 °C. Bei diesen Temperaturen erzielt der Katalysator eine Umwandlungsrate von über 90%. Steigt die Temperatur über 900 °C, beginnt das Material des Katalysators thermisch zu altern. Temperaturen über 1000 °C führen zur Zerstörung des Katalysators.

Aufbau eines Katalysators

In modernen Fahrzeugen werden ausschließlich zwei Arten von Katalysatoren eingesetzt, der Keramikkatalysator und der Metallkatalysator.

Der Keramikkatalysator besteht aus einem rostfreien Edelstahlgehäuse. In ihm ist ein Keramikkörper, der aus zahlreichen kleinen Kanälen besteht, die eine Wandstärke von 0,15 mm aufweisen, weich gelagert. Zudem sind die Wände mit einer Beschichtung überzogen, die stark zerklüftet ist. Dies ist die so genannte Wash-Coat-Schicht, welche zur Vergrößerung der wirksamen Reaktionsfläche der Abgase auf circa 18000 m² im gesamten Katalysator dient. Diese Reaktionsfläche wird mit Platin, Palladium beziehungsweise Rhodium benetzt, damit der katalytische Vorgang, welcher je nach Abgaskomponente Oxidation oder Reduktion lautet, erfolgen kann. Der Einsatz eines Keramikkatalysators bringt viele Vorteile mit sich, nämlich eine sehr geringe Dehnung des Keramikkörpers bei hohen Temperaturen, ein geringes Gewicht und Unempfindlichkeit gegen große Temperaturschwankungen. Ein weiterer Vorteil eines Keramikkatalysators ist, dass er die Wärme gut speichert. Somit ist das Erreichen der Starttemperatur von 250 °C in kurzer Zeit möglich.

Eine Alternative zum Keramikkatalysator stellt der Metallkatalysator. Dieser besteht, im Unterschied zum Keramikkatalysator, aus dünnen Blechen, die eine Wandstärke von 0,05 mm besitzen. Diese Bleche sind gewellt und zu einer sechseckigen Zelle zusammengewickelt, damit die Reaktionsfläche möglichst groß wird. Die Vorteile des Metallkatalysators sind die gute Wärmeleitfähigkeit, der kleine Einbauraum und der gute Reinigungsgrad der Abgase.

Die Starttemperatur des Katalysators, die 250 °C beträgt, wird nach einem Kaltstart erst nach einigen Minuten erreicht, weil die Abgase kurz nach dem Start des Motors eine niedrige Temperatur besitzen. Damit der Katalysator aber auch in dieser Zeit seiner Funktion nachgehen kann und die Abgase somit nicht ungereinigt in die Natur gelangen, besitzen Katalysatoren eine Heizung. Es handelt sich dabei um eine elektrisch betriebene Heizspirale, welche die Abgase in kurzer Zeit auf die Starttemperatur von 250 °C erwärmt. Nachdem diese Temperatur erreicht ist, wird die Heizspirale ausgeschaltet.

Neben der Heizung des Katalysators gibt es eine kostengünstigere Alternative für das schnelle Erreichen der Starttemperatur. Diese Alternative lautet Sekundärlufteinblasung. Nachdem der Motor gestartet wird, läuft er im kalten Bereich. Nun wird mit einem elektrischen Gebläse dem Abgas frische Luft beigefügt. Der Luftsauerstoff reagiert dabei mit den Kohlenwasserstoffen [HC], deren Konzentration in der Kaltstartphase des Motors sehr hoch ist. Bei dieser Reaktion wird sehr viel Wärme gebildet, die zur Hebung der Abgastemperatur führt. Somit werden die Schadstoffe nach einem Kaltstart erheblich reduziert. Sobald der Verbrennungsmotor genügend warme Abgase liefert, schaltet das Motorsteuergerät die Sekundärlufteinblasung ab.

Lambdasonde und Lambdaregelung

Die Lambdasonde ist im Abgastrakt vor dem Katalysator zu finden und erforscht die momentane Kraftstoff-Luft-Gemischzusammensetzung. Möchte man die Leistung des Katalysators überprüfen, so kann man zusätzlich eine Lambdasonde nach dem Katalysator installieren.

Zuerst misst die Lambdasonde die Kraftstoff-Luft-Gemischzusammensetzung. Danach gibt die Lambdasonde je nach Gemischzusammensetzung eine Spannung von 0,2 V bis 0,8 V an das Motorsteuergerät ab. Bei fettem Gemisch liegt der Lambdawert unter λ = 1, das heißt das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luft zur theoretisch erforderlichen Luft liegt unter 1. Es wird zu wenig Luft hinzugefügt, es herrscht also ein Luftmangel. Die Lambdasonde spendet dem Motorsteuergerät eine höhere Spannung, damit dieses bemerkt, dass es weniger Kraftstoff in den Brennraum einspritzen muss, um ein magereres Gemisch zu erhalten. Umgekehrt liegt der Lambdawert bei magerem Gemisch über λ = 1, das heisst das Verhältnis der tatsächlich zugeführten Luft zur theoretisch erforderlichen Luft liegt über 1. Es wird zu viel Luft hinzugefügt, es herrscht also Luftüberschuss. Die Lambdasonde spendet dem Motorsteuergerät eine tiefere Spannung, damit dieses bemerkt, dass es mehr Kraftstoff in den Brennraum einspritzen muss, um ein fetteres Gemisch zu erhalten. Die Lambdaregelung strebt einen konstanten Lambdawert von λ = 0,997 bis 1,004 an. Solche Lambdawerte sind vorteilhaft, weil sie den hohen Umwandlungsgrad des Katalysators ermöglichen. Somit wird sichergestellt, dass die schädlichen Abgaskomponenten entfernt werden und die Umwelt nicht zu stark belastet wird.

Dieselabgase

Bei Dieselmotoren werden andere Katalysatoren eingesetzt als bei Ottomotoren, weil Dieselmotoren mit einem sehr hohen Luftüberschuss betrieben werden. Bei Dieselmotoren bewegt sich der Lambdawert zwischen λ = 1,3 und λ = 6. Anders als beim Katalysator eines Ottomotors wird der zur Oxidation des Kohlenstoffmonooxids [CO] und der Kohlenwasserstoffe [HC] benötigte Sauerstoff [O₂] nicht aus der Reduktion der Stickstoffoxide [NO_X] bezogen, sondern aus dem hohen Luftüberschuss. Somit werden bei einem Dieselkatalysator die Stickstoffoxide [NO_X] nicht durch Reduktion entgiftet. Daher müssen die Stickstoffoxide [NO_X] im Dieselkatalysator über eine spezielle Abgasrückführung vermindert werden. Wie beim Katalysator eines Ottomotors entstehen im Dieselkatalysator nach der Oxidation des Kohlenstoffmonoxids [CO] und der Kohlenwasserstoffe [HC] die Endprodukte Wasserdampf [H₂O] und Kohlenstoffdioxid [CO₂].

Das größte Umweltproblem beim Dieselmotor sind aber nicht die giftigen Abgaskomponenten, die oben genannt wurden, sondern die Partikel, die nicht vollständig verbrannt werden. Diese unverbrannten Partikel werden Ruß genannt und müssen durch einen Rußfilter zurückgehalten werden. Nach kurzer Zeit würde jedoch der Filter verstopfen, weshalb der Ruß regelmäßig verbrannt werden muss. Da nun Ruß erst ab einer Temperatur von 550 °C verbrennt, diese Temperatur aber während des Motorbetriebs nicht erreicht wird, muss die Verbrennung durch einen Zusatzbrenner beziehungsweise durch den Einsatz von Chemikalien eingeleitet werden. Ein Sensor, der im Rußfilter eingebaut ist, misst, wie viel Ruß am Rußfilter lagert. Ab einer bestimmten Menge verliert das Rußfilter seine Funktion, doch bevor dies geschieht meldet der Sensor dem Steuergerät, dass die Verbrennung des Rußes eingeleitet werden muss. Dabei wird nun eben ein Zusatzbrenner eingesetzt, der den Ruß am Filter verbrennt. Weil der Zusatzbrenner viel Platz im Dieselmotor einnimmt, ist die Alternative, nämlich Chemikalien einzusetzen, vorteilhafter. Hier wird dem Dieselkraftstoff eine Chemikalie beigefügt, welche die Verbrennungstemperatur des Dieselrußes senkt. Nun genügt bereits die Abgastemperatur des Dieselmotors, um die Rußpartikel zu verbrennen, damit sie als Abgase entweichen.

Europäische On Board Diagnose

Die gesetzlichen Vorschriften über das Abgasverhalten von Otto- und Dieselmotoren sind in den letzten Jahren ständig verschärft worden. Deshalb ist es bei modernen Fahrzeugen notwendig, dass ein System die Funktion des Katalysators, der Lambdasonde, des Sekundärluftsystems und der Abgasrückführung ständig überwacht. Auch der Verbrennungsgrad wird ständig überprüft. Dieses System heißt On Board Diagnose und ist für alle Fahrzeuge, die in der Europäischen Union ab dem Jahr 2001 zugelassen werden, obligatorisch. Jedes Fahrzeug, das mit einem On-Board -Diagnose-System ausgestattet ist, besitzt neben der Lambdasonde vor dem Katalysator noch eine zweite Lambdasonde, die hinter dem Katalysator montiert ist. Durch das Auswerten der gemessenen Daten beider Lambdasonden kann festgestellt werden, ob der Katalysator ordnungsgemäß funktioniert. Wenn das System nun entdeckt, dass der Katalysator nicht fehlerfrei läuft, wird dies im Armaturenbrett angezeigt und im Systemspeicher abgelegt. Die Fehlerbehebung muss nun eingeleitet werden.