Kurz & bündig
- Traktoren reinigen die Abgase und müssen Grenzwerte einhalten.
- Bereits die Verbrennung erfolgt abgasoptimiert.
- Abgasfilter und Katalysatoren reinigen den Rest.
- Sensoren und Elektronik regeln die Funktionen.

Der Landwirt verlangt vom Traktor(-Motor) immer mehr Power. Gleichzeitig erlauben die Abgasnormen immer weniger Abgase. Das ist ein Spagat, den die Industrie technisch lösen muss. Die Hersteller von Dieselmotoren schafften es bisher, die strengen EU-Abgasnormen einzuhalten. Aktuell handelt es sich hier um die Abgasstufe 5.

Diese Abgasstufe setzt Grenzwerte für Schadstoffe wie Feinstaub (PM), Partikelanzahl (PN) und Stickoxide (NOx). Die Abgasstufe verlangt nicht nur die Begrenzung der Gesamtmasse der Partikel wie bei früheren Normen, sondern auch deren Anzahl. Dabei werden auch kleinste Russpartikel herausgefiltert, die in die Lungen gelangen könnten.

Saubere Luft mit viel Technik nach dem Motor

Nachdem der Dieselkraftstoff im Zylinder gezündet wurde, beginnt eine aufwendige Nachbehandlung der entstandenen Abgase.

«Die Abgasnachbehandlung erfordert ein System aus Sensorik, Elektronik und Chemie, welches optimal aufeinander abgestimmt ist. Zahlreiche Sensoren überwachen die Emissionen, den Zustand der Abgaskomponenten und die Wirkung der Reinigung. Die Steuerung reagiert auf diese Daten und regelt alle Motorenkomponenten. Zum Beispiel den Zeitpunkt der Filterregeneration oder die Adblue-Menge», erklärt Urs Schütz vom technischen Dienst der Same Deutz-Fahr Schweiz AG.

Luftzufuhr und Einspritzung sind optimiert

Die Abgasreinigung beginnt allerdings nicht erst auf der Auspuffseite des Motors, sondern bereits bei der Verbrennung im Motor und deren Vorbereitung. «Heutige Motoren haben eine präzise Einspritzung und eine optimierte Luftzufuhr. Bereits deshalb entstehen weniger Abgase als bei älterer Motorentechnik.»

Dank der Common-Rail-Einspritzung erfolgt die Einspritzung unabhängig von der Motorstellung. Beim Farmotion-Motor, der hier als Beispiel dient  und im Deutz-Fahr 6150.4 TTV mit einer Leistung von 150 PS verbaut ist, kommt es bei jedem Motorzyklus zu drei Einspritzungen: einer Vor-, einer Haupt- und einer Nacheinspritzung. Je nach Betriebszustand sind weitere Einspritzungen möglich. [IMG 3]

Millisekunden entscheiden über die Abgasqualität

Die mehrfachen Einspritzungen pro Motorzyklus erfolgen innerhalb von etwa vier Millisekunden. «Die Voreinspritzung bereitet die Brennkammer mit Druck und Temperatur auf die Haupteinspritzung vor. So wird deren Optimierungszeit verkürzt. Das verbessert die Verbrennung, was den Wirkungsgrad des Kraftstoffs erhöht», erklärt Urs Schütz. Schütz erwähnt aber, dass dadurch die Stickoxide ansteigen. Es zeigen sich die gegenseitigen Wechselwirkungen der Systeme.

Die Nacheinspritzung wirkt stickoxidmindernd. Wie alle anderen Komponenten am Motor werden auch die Einspritzventile durch die Motorsteuerung geregelt. 

Die Wirkung der Einspritzung steht auch in Zusammenhang mit dem Ladedruck durch den Turbolader. Der Turbolader nutzt die Energie der Abgase, um Frischluft in den Motor zu pressen. Auch der Turbolader ist geregelt und kann mit einer variablen Geometrie durch Leitbleche den Ansprüchen des Motors angepasst werden.

Der Ladeluftkühler kühlt diese Luft ab, womit mehr Luftvolumen in den Brennraum gebracht werden kann und dadurch die Effizienz der Verbrennung erhöht und die Emissionen reduziert werden. «Der Turbolader sorgt für eine optimale Luftzufuhr in den Verbrennungsraum. Mit mehr Luft ist eine heissere Verbrennung mit höherer Kraftstoffeffizienz möglich. Das reduziert den Russ und verbessert die Kraftstoffeffizienz – jedoch steigen, wie erwähnt, die Stickoxide.»

Der Ladedruck und die Einspritzung in den Zylinder sind also nicht nur leistungs- und verbrauchsoptimiert geregelt, sondern auch auf Emissionsminderung eingestellt.

Nachdem die Abgase den Brennraum verlassen haben, kommen spezifische Abgasnachbehandlungssysteme zum Einsatz, welche die Normen der Abgasvorschriften erfüllen. Beim Deutz-Fahr 6150.4 TTV der Abgasstufe 5 sind dies:

Abgasrückführung (AGR)

Dieseloxidationskatalysator (DOC)

Dieselpartikelfilter (DPF)

Selektive katalytische Reduktion (SCR) [IMG 2]

Bei der Abgasrückführung wird ein Teil der Abgase wieder dem Motor zugeführt, wodurch die Verbrennungstemperatur sinkt. Dadurch werden Stickoxide bereits während der Verbrennung reduziert.

Beim Dieseloxidationskatalysator werden Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) umgewandelt. Im Dieselpartikelfilter wird Russ aus dem Abgasstrom gefiltert. Der Filter regeneriert bei heissen Abgasen. Er funktioniert am besten bei Volllast-Einsätzen.

Der SCR-Katalysator reduziert Stickoxide mit einer Harnstofflösung (Adblue) zu Wasserdampf und Stickstoff.

 

 

Die Motorkomponenten der Abgasreinigung
Common-Rail-Hochdruckeinspritzung
Diese Technik versorgt jeden Zylinder mit präzise dosiertem Kraftstoff bei sehr hohem Druck. Sie erlaubt feinste Zerstäubung und mehrere Einspritzvorgänge pro Takt, was eine saubere Verbrennung ermöglicht. So werden Russ und Stickoxide reduziert und der Verbrauch verringert.
Elektronisches Motormanagement (EMR)
Das Gehirn des Motors steuert sämtliche Prozesse von der Einspritzmenge über die Regeneration des Partikelfilters bis zur Dosierung von Adblue. Es sorgt dafür, dass alle Komponenten optimal zusammenarbeiten.
Gekühlte Abgasrückführung (EGR)
Ein Teil der Abgase wird gekühlt und zurück in den Ansaugtrakt geführt. Dies senkt die Verbrennungstemperatur im Motor, was weniger Stickoxide verursacht.
Turbolader mit Ladeluftkühlung
Der Turbolader sorgt für mehr Sauerstoff im Brennraum, was eine effizientere Verbrennung ermöglicht. Die Ladeluftkühlung senkt dabei die Temperatur der verdichteten Luft, was den Wirkungsgrad weiter erhöht und Emissionen senkt.
Dieseloxidations-katalysator (DOC)
Der DOC wandelt Abgaskomponenten wie Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in Stoffe wie CO₂ und Wasser um. Zusätzlich erhitzt er die nachfolgenden Abgaskomponenten, was die Funktion des DPF verbessert.
Dieselpartikelfilter (DPF)
Der DPF fängt die Russpartikel im Abgasstrom. Damit er nicht verstopft, wird er regelmässig durch kontrollierte Temperaturerhöhung gereinigt (regeneriert).
Selective Catalytic Reduction (SCR) mit Adblue
Hier wird eine Harnstofflösung (Adblue) in die heissen Abgase eingespritzt, um Stickoxide zu reduzieren. Die enthaltene Harnstoffverbindung reagiert mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasserdampf.
Zahlreiche Sensoren überwachen die Emissionen, den Zustand der Abgaskomponenten und die Effizienz der Reinigung. Die Steuerung reagiert auf diese Daten und regelt alle relevanten Grössen automatisch. Zum Beispiel, wann der Filter regeneriert werden soll oder wie welche Adblue-Menge eingespritzt werden soll.

Magnetventil-Injektoren
Der Kraftstoff wird mit Magnet-ventil-Injektoren in den Brennraum gespritzt. Diese ermöglichen kurze Einspritzabstände mit bis zu acht Einzeleinspritzungen pro Arbeitstakt. Diese Fähigkeit ermöglicht optimale Einspritzverläufe, entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Motorbelastungssituation. Die Mehrfacheinspritzungen dienen, wie im Haupttext erwähnt, dazu, den Kraftstoffverbrauch zu optimieren. Allein das ergibt weniger CO₂-Emissionen. Zudem werden die Schadstoffe und die Geräusche des Motors weiter reduziert.
Späte Einspritzungen unterstützen vor allem die aktive Regeneration des Partikelfilters, wo die Temperatur erhöht wird, um Russ zu entfernen.