Nachbehandlungssysteme werden sich weiterentwickeln, um Kunden- und Emissionsanforderungen zu erfüllen

Nachbehandlungssysteme sind heute aufgrund der immer strengeren Emissionsvorschriften zu einem integralen Bestandteil von Motoren geworden. „In den letzten zehn Jahren wurden die Abgasnachbehandlungssysteme unserer weltweiten OEM-Kunden immer komplexer und kompakter“, sagt Dr. Korneel De Rudder, Entwicklungsleiter für Europa bei Donaldson Co. Inc.

„Diese erhöhte Komplexität sei notwendig, um die immer strengeren Emissionsnormen zu erfüllen, die in den USA, Europa und anderen Teilen der Welt eingeführt werden“, sagt er. „Das hat zur Folge, dass mehr Katalysatoren und Sensoren in einer bestimmten Gehäusegröße untergebracht werden können“, erklärt De Rudder. „Da der Platz unter der Motorhaube bei vielen Off-Road-Maschinen begrenzt ist, ist Kreativität erforderlich, um diese neuen Komponenten in die Maschinen einzubauen. Zudem müssen die Komponenten dichter verbaut werden.

Um dieses Problem zu lösen, hat sich Donaldson laut De Rudder auf die Entwicklung von Komponenten und Systemen konzentriert, die weniger ungenutztes Volumen im Nachrüstsystem ermöglichen. „Bei Systemen früherer Generationen wurde das ungenutzte Volumen oft dazu verwendet, die Verweilzeit des DEF (Dieselabgasflüssigkeit; auch AdBlue genannt) zu verlängern, wodurch dessen Zersetzung und Vermischung mit dem Abgas verbessert wurde“, wie er erläutert. „Moderne Systeme verfügen über weniger Platz für ungenutztes Volumen, was zu einer kürzeren Verweilzeit führt und die Notwendigkeit einer verbesserten Mischerleistung erhöht. Bei Donaldson haben wir ein umfassendes Angebot an kompakten und fortschrittlichen DEF/AdBlue-Mischsystemen entwickelt, die speziell darauf ausgelegt sind, auf kleinerem Raum eine effizientere Mischung zu erzielen.“

Die Kombination von SCR- und DPF-Funktionen in einem einzigen SCR-on-Filter-Substrat (SCRoF) wird in der Branche immer häufiger eingesetzt, um die Herausforderungen bei der Systemkonfektionierung zu meistern, so Gary Simons, Technischer Direktor für Nordamerika bei Donaldson Co. Inc. „Da SCRoF-Substrate eine höhere Porosität aufweisen als DPF und SCR, sind sie empfindlicher. Das Einbinden erfordert ein sorgfältiges Management der Montagekapazitäten und der Nachdrucke der Substratmatten.

Da die Nachbehandlungssysteme immer größer und komplexer werden, weist De Rudder auch darauf hin, dass sie tendenziell eine größere Oberfläche aufweisen. Diese größere Außenfläche kann zu Problemen bei der Wärmeabgabe führen. Eine ordnungsgemäße Isolierung wird immer wichtiger, und die bereits realisierten Konstruktionen müssen weiter verfeinert werden.

„Auch das DEF/AdBlue-Gemisch ist ein wichtiger Aspekt der Nachbehandlungssysteme“, so De Rudder. „Es wird allgemein erwartet, dass die Anforderungen an die Homogenität von Ammoniak (NH3) über 0,990 liegen müssen, um die Emissionsnormen zu erfüllen. Dieses Leistungsniveau wird bei geringer oder fehlender DEF/AdBlue-Kristallisation erwartet.“

Diese Kristallisation sei eine immer wiederkehrende Herausforderung bei vielen Nachbehandlungssystemen, führt er aus. Eine gewisse Kristallisation ist zwar möglich, doch ist es das Ziel aller Gerätehersteller, ihr Auftreten und ihre Auswirkungen zu minimieren. De Rudder führt aus, dass die Definition einer Spezifikation für eine einheitliche Prüfung der Kristallisation der Industrie Schwierigkeiten bereitet. Donaldson hat jedoch einen eigenen Testzyklus entwickelt, um die Kristallisation zu messen, so dass geeignete Mischerlösungen eingesetzt werden können, um ihr Auftreten zu minimieren.  

„Da es bei anspruchsvollen Arbeitszyklen eher zu Kristallisationen/Ablagerungen kommt, empfehlen wir bei Donaldson häufig die Konstruktion der Mischer so auszulegen, dass sie auch bei anspruchsvollen Arbeitszyklen effektiv funktionieren. Dies ist einem nicht optimierten System vorzuziehen, das ein größeres Risiko von Ablagerungen mit sich bringt“, erläutert De Rudder.

Neue Vorschriften führen zu neuen Konstruktionsanforderungen

Obwohl es in den USA und in Europa derzeit keine neuen Emissionsvorschriften für Off-Road-Geräte gibt, hat das California Air Resources Board (CARB) eine mögliche Tier-5-Vorschrift vorgeschlagen. Und da viele Länder bestrebt sind, die Emissionen aller Industriezweige zu reduzieren, sind in Zukunft strengere Vorschriften möglich.

Obwohl die vorgeschlagene CARB-Tier5-Emissionsvorschrift noch nicht formell angenommen wurde, sagen De Rudder und Simons von Donaldson, dass Änderungen, die in die endgültige Vorschrift aufgenommen werden könnten, wahrscheinlich Auswirkungen auf die Konstruktion von Nachbehandlungssystemen haben werden. Es wird erwartet, dass die Verringerung von NOx, Feinstaub (PM) und Kohlendioxid (CO2) sowie die Erhöhung der Nutzungsdauer/Gewährleistungsgrenzen und kältere Betriebszyklustests Teil der Verordnung sein werden. „Die Verringerung der kriteriengebundenen Schadstoffe und des CO2 wird eine Änderung der Emissionsstrategie bewirken“, heißt es. „Duale DEF/AdBlue-Einspritzsysteme sind möglich, ebenso wie eine engere Kopplung des Abgasnachbehandlungssystems an den Motor.“

Darüber hinaus besteht laut De Rudder und Simons in der Branche ein wachsender Konsens darüber, dass der Einsatz von EGR notwendig ist, um die nächste Generation von Emissionsgrenzwerten einzuhalten. „Das bedeutet, dass Motoren, die auf sehr hohe NOx-Rohwerte und niedrige Rohpartikelwerte ausgelegt sind, weniger verbreitet sein werden“, erklären sie. „Dies wird zu einer geringeren Belastung der DEF/Adblue-Mischer führen. Dies bringt wiederum andere Kompromisse/Herausforderungen mit sich, wie z. B. die Notwendigkeit einer stärkeren Regeneration der DPFs.“

„Die heutigen Off-Road-Motoren verlassen sich in der Regel auf eine passive DPF-Regeneration mit einer aktiven Offline-Regeneration bei Bedarf, während viele Straßenverkehrsmotoren eine aktive Regeneration während des normalen Betriebs mit minimalen Auswirkungen auf den Benutzer haben können“, fügen De Rudder und Simons hinzu.

Weiter heißt es, dass die höhere Rohpartikelzahl, die sich aus der Wiedereinführung der Abgasrückführung (AGR) ergibt, eine häufigere aktive Regeneration erforderlich machen wird. Dies wird wahrscheinlich erfordern, dass Erstausrüster ähnliche Regenerationsstrategien entwickeln, wie sie für Straßenverkehrsmotoren verwendet werden.      

Weitere technische Entwicklungen werden notwendig sein

„In den letzten 15 Jahren haben sich die weltweiten Emissionsvorschriften rasant entwickelt“, sagt De Rudder. „Da die Industrie von einer Gesetzgebung zur nächsten hetzte, hat dies möglicherweise zu einer Überentwicklung geführt, bei der wenig Zeit für die Kosten- und Produktoptimierung aufgewendet wurde.

Allerdings wird jetzt mehr Zeit zwischen den Emissionsvorschriften eingeräumt, was der Industrie die Möglichkeit gibt, die Nachbehandlungssysteme zu optimieren und die verschiedenen Plattformen zu harmonisieren“, erläutert er. Auch die Erstausrüster konnten ihre Konstruktionsanstrengungen besser auf optimierte Produkte und Funktionen konzentrieren, anstatt die engen Fristen der Emissionsvorschriften einzuhalten, was der Branche ebenfalls zugute kam und wahrscheinlich auch in Zukunft der Fall sein wird.

Darüber hinaus gehen viele in der Branche davon aus, dass die Normen für Personenkraftwagen und schwere Nutzfahrzeuge auf dem Niveau von EURO 7/VII zusammengeführt werden. „Wenn dies geschieht, wird sich die Frage stellen, wie die nächsten Normen der Stufe/Tier Off-Road mit den EURO VII-Grenzwerten für den Straßenverkehr harmonisiert werden können“, so De Rudder und Simons.

Generell werden weitere technische Entwicklungen für die Konstruktion von Nachbehandlungssystemen erforderlich sein, sei es, um die Anforderungen der Kunden oder künftige Emissionsvorschriften zu erfüllen.

„Wir rechnen auch mit bedeutenden Veränderungen auf der Low-Power-Seite des Marktes“, führt De Rudder abschließend aus. „Insbesondere die Elektrifizierung wird eine wichtige Rolle spielen, indem sie einige Dieselmotoren ersetzt. Die Hybridisierung von Motoren und Maschinen wird während der Aufheizphase des Abgases Strom mit hoher Leistung zur Verfügung stellen, was die Leistung des Nachbehandlungssystems verbessern wird“.