"Grenzwerte sind immer Anreiz, ehrgeizige Ziele technisch zu realisieren"

Fahrzeuge mit Dieselmotorantrieb haben ihren schlechten Ruf längst abgelegt. Jüngste Entwicklungserfolge auf den Gebieten der Filter- und Katalysatortechnik lassen die Selbstzünder - Pkw und Lkw - immer sauberer arbeiten. all4engineers sprach mit Dr. Treiber, Leiter Anwendungstechnik Diesel bei Emitec, über Verfahren und Besonderheiten der Abgasreinigung bei Dieselmotoren, vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte und Entwicklungsziele des Unternehmens.

Herr Dr. Treiber, wie ist Ihrer Ansicht nach die Partikelemission im Lkw-Bereich für die Zukunft in den Griff zu kriegen?
Den überwiegenden Anteil an der erfolgreichen Beseitigung der Partikelemissionen wird die Weiterentwicklung der motorischen Verbrennungsverfahren leisten. Die Abgasnachbehandlung wird sich dann den noch übrigbleibenden Emissionen annehmen, um die gesetzlich gesteckten Ziele zu realisieren.

Worin liegen die Besonderheiten der Metalit-Systeme von Emitec gegenüber monolithischen Substraten aus Keramik?
An erster Stelle ist hier im Hinblick auf Nfz-Anwendungen sicher der geringe Strömungswiderstand zu nennen, den die aus dünnen Metallfolien (heute üblich je nach Aufgabenstellung 30 bis 80 µm Folienstärke) aufgebauten Träger aufweisen. Gleichzeitig erlaubt die vergleichsweise höhere innere aktive Oberfläche, bei gleichem Wirkungsgrad kleinere Träger einzusetzen. Hinzu kommt insbesondere mit Blick auf zukünftige Anwendungen, dass modifizierte Strukturen der Folien den für die katalytischen Prozesse wichtigen Stofftransport nachhaltig verbessern sowie die Möglichkeit bieten, Unterschiede bezüglich der Strömungsverteilung in den Trägern auszugleichen.

Inwieweit hat sich die Situation der Emitec GmbH durch die in EURO 3 und in Zukunft EURO 4 gesetzlich vorgeschriebenen Abgasgrenzwerte verändert?
Bei Fahrzeugen mit Dieselmotorantrieb sind mit diesen Standards erstmals wirksame nachmotorische Abgasminderungsmaßnahmen erforderlich geworden, so dass sich für Emitec zu dem bis dato alleinigen Anwendungsgebiet Ottomotoren eine weitere sehr interessante Perspektive für zusätzliche Geschäftsaktivitäten ergeben hat.

Halten Sie die kommenden gesetzlichen Auflagen durch EURO 4 für einen Segen oder sind sie aus technischer Sicht vielleicht auch hinderlich?
Die Festlegung eines Grenzwertes hat sich in der Vergangenheit und wird sich auch in der Zukunft nie als hinderlich erweisen. Er ist im Gegenteil immer Anreiz gewesen, ehrgeizige Ziele technisch zu realisieren. Anders wäre es allerdings einzuschätzen, wenn nicht mehr Grenzwerte, sondern technische Konzepte in entsprechenden Vorschriften verankert werden.

Worin liegen in der Entwicklungsarbeit die Hauptunterschiede der Abgasreinigung bei Pkw und Lkw?
Ein naheliegender Unterschied liegt natürlich in den Abgasmassenströmen und auch in den Abgastemperaturbereichen, wie sie im Durchschnitt und in extremen Betriebssituationen auftreten, was für die Dimensionierung der Bauteile entscheidend ist. Neben dieser mehr trivialen Feststellung zeigen sich aber heute noch weitere Unterschiede. Das Emissionsverhalten beider Dieselmotorvarianten ist unterschiedlich. Pkw-Dieselmotoren besitzen heute bereits eine mehr oder minder ausgeprägte Abgasrückführung und zeigen im Vergleich zu ihren Nfz-Pendants relativ gesehen niedrigere Stickoxid- aber höhere Partikelemissionen. Prinzipiell betrachtet können aber natürlich entsprechende Verfahren bei beiden Motoranwendungen eingesetzt werden. Eine Einschränkung ist vielleicht zu nennen: Ich kann mir vorstellen, dass beim Pkw-Dieselmotor NOx-Adsorptionskatalysatoren zum Einsatz kommen. Ich glaube allerdings nicht, dass dieses Verfahren auch in der Nfz-Anwendung Schule machen wird, auch wenn das in den USA seitens der EPA etwas anders gesehen wird. Hier glaube ich zumindest für den Bereich, der über leichtere Verteilerfahrzeuge hinausgeht, dass die SCR-Technik die angemessenere Lösung ist.

Wie begegnen Sie bei Emitec dem Temperaturproblem bei Dieselmotoren bezüglich der optimalen Arbeitstemperatur eines Katalysators? Sind da beheizbare Metallkatalysatoren aus der Vergangenheit noch ein Thema?
Primär werden Temperaturprobleme natürlich mit motorischen Maßnahmen gelöst werden. Allerdings ist es durchaus denkbar, dass auch der elektrisch beheizbare Katalysator zur Temperaturanhebung verwendet wird. Dabei ist sicherlich die Variante von Interesse, bei der die eigentliche Temperaturerhöhung durch die Oxidation von erhöhten HC- und CO-Konzentrationen erreicht wird, die ihrerseits durch entsprechende Maßnahmen seitens der Einspritzung erzeugt wurden. Der Emicat dient hier sozusagen nur als "Anzünder". Denkbar ist dieser Ansatz sicher auch für die Einleitung der Regeneration zum Beispiel von Partikelfiltern. Eine weitere für bestimmte Fahrzeug-Motor-Kombinationen sehr gute Lösung des Temperaturproblems kann durch einen so genannten Hybrid-Katalysator erreicht werden. Dieser Träger besteht aus zwei Teilen mit unterschiedlicher thermischer Masse. Der anströmseitig erste Teil hat eine sehr niedrige thermische Masse durch die Verwendung einer sehr dünnen Metallfolie (beispielsweise 30 µm). Er erreicht damit sehr schnell die für das Anspringen des Katalysators erforderliche Temperatur. Der zweite Teil besitzt eine deutlich größere thermische Masse durch die Verwendung einer dickeren Metallfolie (beispielsweise 80 µm). In ihm wird die Wärme gespeichert, die durch die Oxidationsprozesse, die im ersten Teil stattfinden, freigesetzt wird. Damit wird verhindert, dass in Betriebsphasen, in denen die Abgastemperatur wieder absinkt, der Katalysator sozusagen wieder "ausgeht", auch wenn der erste Teil unter diesen Bedingungen wieder unter die Anspringtemperatur abgekühlt ist. Dieser Typ von Trägern bewährt sich außerordentlich gut bei leichteren Fahrzeugen mit starken Motoren.

Wie kann der umgekehrt proportionale Verlauf der Emissionen von Partikeln einerseits und Stickoxiden andererseits am besten gelöst werden?
Die sich heute abzeichnenden Wege sind bekannt. Entweder senkt man mit motorischen Maßnahmen die Stickoxidemissionen und handelt sich dabei in der Regel etwas höhere Partikelemissionen ein, die dann mit den bekannten partikelmindernden Maßnahmen auf das zulässige Maß abgesenkt werden, oder man optimiert die Partikelemission eventuell zu Lasten etwas ansteigender Stickoxidemissionen, die dann beispielsweise mit Hilfe der SCR-Technik unter das gesetzlich verlangte Maß abgesenkt werden. Meines Erachtens zeichnet sich ab, dass der letztgenannte Weg der ist, den die Nfz-Industrie vorzugsweise gehen wird, da dieser Ansatz Verbrauchsvorteile aufweist. Im Pkw-Bereich könnte sich der erstgenannte Weg durchsetzen.

Wie beurteilen Sie das kürzlich von Toyota vorgestellte Katalysator-System "Diesel Particulate-NOx Reduction, DPNR"?
Ich muss leider gestehen, dass ich mit den Details der ablaufenden chemischen Reaktionen dieses Verfahrens nicht so vertraut bin, dass ich ein fundiertes Urteil abgeben könnte. Eine Verknüpfung der NOx-Adsorbertechnik und der Partikelfiltration wäre natürlich äußerst attraktiv. Meine Erfahrungen in der Vergangenheit haben allerdings gezeigt, dass sich bei der Verknüpfung von unterschiedlichen Verfahren erhebliche Probleme einstellen. Um so mehr wäre es zu wünschen, dass Toyota hier ein Durchbruch gelänge.

Welche Art der Einspritzung favorisieren Sie im Hinblick auf die Abgasreinigung in Nutzfahrzeugen?
Von den Freiheitsgraden her gesehen ist die Verwendung eines Common-Rail-Einspritzsystems natürlich sehr interessant. Nach meinem Kenntnisstand gibt es allerdings auch auf dem Gebiet der unter dem Begriff "Unit-Injectoren" laufenden Entwicklungen beachtenswerte Fortschritte, die eine Unterteilung des Einspritzvorganges mit entsprechender elektronischer Regelung gestattet. Es könnte sein, dass dieser Ansatz den Weg zu noch höheren Einspritzdruckwerten eröffnet, was für die Gemischbildung und Verbrennung sicherlich interessant ist.

Emitec ist eine Siemens-VDO-Tochter. Wie denken Sie über eine Zusammenarbeit beider Unternehmen bei der Entwicklung von Katalysatoren in Verbindung mit Motormanagement-Systemen? Wo liegen hier technische Schnittstellen?
Es ist zwar wahr, dass Emitec zu 50 Prozent dem Siemens-VDO-Konzern zuzuordnen ist, dennoch ist zum einen die Wahl des Motormanagementsystems und anderer die Emission beeinflussender Bauteile allein Sache des jeweiligen OEMs, zum anderen agiert Emitec 100 Prozent unabhängig. Natürlich gibt es Kontakte zu den entsprechenden Bereichen von Siemens-VDO und damit verbunden auch gemeinsame Projekte, genauso wie es die entsprechende Zusammenarbeit mit weiteren namhaften Zulieferern gibt. Der Part von Emitec ist dabei die Auswahl und Beistellung optimaler Bauteile für die Abgasnachbehandlung. Das setzt voraus, dass man, obwohl man Komponentenhersteller ist, das Gesamtsystem beurteilen kann. Die dafür erforderlichen Kenntnisse werden in Zusammenarbeit mit allen an der Systemherstellung beteiligten Firmen erarbeit, wozu zum Beispiel auch das kürzlich in Eisenach errichtete Testzentrum von Emitec ganz wesentlich beiträgt.

An welchen Entwicklungsprojekten arbeitet Emitec derzeit und wie sehen die technischen Ziele aus, die Sie in Zukunft realisieren wollen?
Emitec ist in der glücklichen Lage, von sich behaupten zu können, dass Projekte mit nahezu allen weltweit vertretenen Herstellern von Fahrzeugen mit Dieselmotorantrieb laufen, unabhängig davon ob es sich um Pkw- oder Nfz-Anwendungen handelt. Ein Schwerpunkt dieser Entwicklungen zielt auf den Einsatz von Katalysatoren vor der Turbine der heute nahezu überall eingesetzten Turboaufladung ab. Hier lassen sich trotz der relativ kleinen Katalysatorvolumina erstaunliche Vorteile für das Gesamtsystem erzielen. Eine weitere für Dieselmotoren interessante Entwicklung ist der PM-Katalysator. In ihm werden Partikel gespeichert und oxidiert. Das im Prinzip offene System weist heute Wirkungsgrade von bis zu 75 Prozent auf (bezogen beispielsweise auf ETC-Ergebnisse) und zeigt besonders für Partikel mit Durchmessern von weniger als 100 nm eine nahezu vollständige Abscheidung. Schließlich seien noch die bereits erwähnten modifizierten Strukturen genannt. Mit ihnen lassen sich platzsparende, leichte und hochwirksame Träger für alle Typen von Katalysatoren herstellen, was für die Anwendung in Nutzfahrzeugen von großer Bedeutung ist. Wir gehen davon aus, dass es Emitec mit diesen Entwicklungen möglich ist, bei den emissionsmindernden Bauteilen für Dieselmotoren die gleiche Bedeutung zu erlangen, die das Unternehmen bei den Ottomotoranwendungen bereits besitzt.

Vielen Dank, Herr Dr. Treiber, für das Gespräch

Die wichtigsten beruflichen Stationen von Dr.-Ing. Peter J.H. Treiber: - Studium der Chemie mit Vertiefung in chemischer Technologie und Brennstofftechnik an der TU Clausthal - 1976 (KHD) Deutz Motorenentwicklung Fachgebiet Abgas, zuletzt Leitung des Bereichs Emissionstechnik - 1993 Geschäftsbereich Industriefilter Mann+Hummel, Leitung Engineering - seit 1999 Emitec, Leitung Anwendungstechnik Dieselmotoren

Autor(en): Thomas Jungmann

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