In der heutigen Welt ist der Umweltschutz zu einem zentralen Thema geworden. Viele Behörden und Organisationen bemühen sich, die durch Treibhausgase und Schadstoffemissionen verursachten Schäden an der Umwelt und der menschlichen Gesundheit zu verhindern. Aufgrund der negativen Auswirkungen von Dieselemissionen auf die Gesundheit und die Umwelt haben die Regierungen die Anforderungen an die zulässigen Abgasnormen festgelegt. Europa hat Euro-Normen entwickelt, die seit 1993 mit Euro I bis Euro VI kontinuierlich gesenkt wurden.

Tabelle 1 zeigt die Euro-Normen für Fahrzeuge der Klassen M1 und M2, N1 und N2 gemäß der Richtlinie 70/156/EG mit einer Bezugsmasse ≤2.610 kg. Die Grenzwerte sind in dieser Tabelle in Masse pro Energie (g/kWh) definiert. Die Vorschriften in den Euro-Normen werden in den darauffolgenden Jahren immer strenger. Im Vergleich zur Euro I-Norm wurden die Euro VI-Normen für CO-, HC-, NOx- und PM-Emissionen um 66, 76, 95 bzw. 98 % gesenkt. Das Datum der Einführung der Euro-VI-Norm für schwere Nutzfahrzeuge war der 1. September 2014 (Delphi et al. 2012).

Die von Tag zu Tag strenger werdenden Emissionswerte zwangen die Fahrzeughersteller, an der Reduzierung der Schadstoffemissionen von Fahrzeugen zu arbeiten. In den seit Jahrzehnten durchgeführten Studien wurde der Schwerpunkt auf Motormodifikationen, elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzsysteme und die Verbesserung der Kraftstoffeigenschaften gelegt. Mit diesen Maßnahmen konnte jedoch die in den Normen festgelegte Emissionssenkung nicht erreicht werden. Die gewünschten Emissionswerte können nur mit Hilfe von Abgasnachbehandlungssystemen erreicht werden. Fahrzeuge werden mit Abgasreinigungssystemen ausgestattet, um die aktuellen Emissionsnormen und -anforderungen zu erfüllen. Mit Abgasreinigungssystemen können Schadstoffe aus dem Abgas entfernt werden, nachdem es den Motor verlassen hat, kurz bevor es in die Luft ausgestoßen wird (Prasad und Bella 2010; Bosch 2005).

Unter den Abgasreinigungssystemen von Dieselmotoren wurden die meisten Forschungen und Studien zur Reduzierung der NOx-Emissionen durchgeführt, da der NOx-Gehalt im Abgas von Dieselmotoren den höchsten Prozentsatz unter den Schadstoffemissionen aufweist. Von den bisherigen Forschungen sind die Abgasrückführung (AGR), die magere NOx-Falle (LNT) und die SCR die am stärksten fokussierten Technologien, um die NOx-Emissionen erheblich zu reduzieren.

Bei AGR-Systemen wird zur Reduzierung der NOx-Emissionen das Abgas in den Brennraum zurückgeführt und beim Ansaugtakt mit Frischluft vermischt. Dadurch verschlechtert sich der Wirkungsgrad der Verbrennung, was zu einer Senkung der Verbrennungstemperatur und damit zu einer Verringerung der NOx-Bildung führt. Die AGR ist in Dieselfahrzeugen weit verbreitet. Es kann jedoch nicht allein eine hohe Effizienz der NOx-Umwandlung und -Reduzierung erreichen, die den aktuellen Emissionsnormen, insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge, entspricht. Außerdem führt diese Technologie aufgrund der Temperatursenkung im Zylinder zu einem Anstieg der HC- und CO-Emissionen. (Bauner et al. 2009).

Die LNT-Technologie, auch NOx-Speicher-Reduktion (NSR) oder NOx-Adsorber-Katalysator (NAC) genannt, wurde entwickelt, um die NOx-Emissionen insbesondere unter mageren Bedingungen zu reduzieren. Bei mageren Motorbedingungen speichert der LNT NOx auf der Katalysatorbeschichtung. Unter kraftstoffreichen Motorbedingungen wird das NOx dann freigesetzt und durch die üblichen Drei-Wege-Reaktionen umgesetzt. Der LNT-Katalysator besteht hauptsächlich aus drei Hauptkomponenten. Diese Komponenten sind ein Oxidationskatalysator (Pt), eine NOx-Speicherumgebung (Barium (Ba) und/oder andere Oxide) und ein Reduktionskatalysator (Rh). Bei der LNT-Technologie sind Katalysatoren auf Platinbasis die am häufigsten verwendeten Katalysatoren, da sie die NOx-Emissionen bei niedrigen Temperaturen reduzieren und in Wasser und Schwefel stabil sind.

Wie die EGR-Technologie reichen auch die LNT-Technologien nicht aus, um die gewünschten NOx-Emissionsreduzierungen zu erzielen. Neben der AGR- und der LNT-Technologie ist es möglich, die geltenden Emissionsnormen mit der SCR-Technologie zu erfüllen. Die SCR-Technologie ist also eine respektable neue Technologie, an der viele Forscher interessiert sind.

In diesem Abschnitt werden insbesondere Emissionskontrollsysteme für Dieselmotoren erläutert. Aufgrund ihrer umfangreichen Verwendung werden DOC-, DPF- und SCR-Systeme speziell für schwere Dieselmotoren gesondert betrachtet.

Dieseloxidationskatalysator (DOC)

Die Hauptfunktion von DOCs ist die Oxidation von HC- und CO-Emissionen. Außerdem spielen Katalysatoren eine Rolle bei der Verringerung der Masse der Dieselpartikelemissionen, indem sie einige der Kohlenwasserstoffe oxidieren, die an den Kohlenstoffpartikeln adsorbiert sind (Chen und Schirmer 2003; Wang et al. 2008). DOCs können auch in Verbindung mit SCR-Katalysatoren verwendet werden, um NO zu NO2 zu oxidieren und das NO2:NOx-Verhältnis zu erhöhen. Es gibt drei Hauptreaktionen, die in DOCs ablaufen (Zheng und Banerjee 2009).

CO und HC werden im DOC zu CO2 und H2O oxidiert (Abb. 2). Dieselabgase enthalten in der Regel einen O2-Gehalt von 2 bis 17 Volumenprozent, der nicht mit dem Kraftstoff im Brennraum reagiert. Dieses O2 wird im DOC stetig verbraucht (Yu und Kim 2013).

Diesel-Oxidationskatalysator

Eine weitere chemische Reaktion, die im DOC abläuft, ist die Oxidation von NO zu NO2, wie in Gl. (3) dargestellt. Die NO2-Konzentration im NOx ist für nachgeschaltete Komponenten wie DPF und SCR entscheidend. Eine hohe NO2-Konzentration im NOx führt zu einer höheren Effizienz von DPF und SCR. Im unbehandelten Motorabgas beträgt der NO2-Anteil im NOx in den meisten Betriebspunkten nur etwa 10 %. Mit der Funktion des DOC wird die NO2:NO-Rate durch Herbeiführung eines thermodynamischen Gleichgewichts erhöht (Lee et al. 2008; Sampara et al. 2007).

Die Temperatur ist eine wirksame Funktion für die Effizienz des DOC. Die Wirksamkeit des DOC bei der Oxidation von CO und HC kann bei Temperaturen oberhalb der „Light-off“-Temperatur für die katalytische Aktivität beobachtet werden. Die „Light-off“-Temperatur ist definiert als die Temperatur, bei der die Reaktion im Katalysator beginnt, und variiert je nach Abgaszusammensetzung, Strömungsgeschwindigkeit und Katalysatorzusammensetzung.

DOC kann auch als katalytische Heizung verwendet werden. Bei der Oxidation von CO- und HC-Emissionen wird Wärme freigesetzt. Diese Wärme wird genutzt, um die Abgastemperatur hinter dem DOC zu erhöhen. Der Anstieg der Abgastemperatur unterstützt die Regeneration des DPF. Im Katalysator steigt die Abgastemperatur pro 1 Volumenprozent CO-Oxidation auf über 90 °C. Da der Temperaturanstieg sehr schnell erfolgt, stellt sich im DOC ein steiler Temperaturgradient ein. Die daraus resultierende Belastung des keramischen Trägers und des Katalysators ist auf die zulässige Temperaturerhöhung von etwa 200-250 °C begrenzt (Bosch 2005).

DOC ist üblicherweise eine monolithische Wabenstruktur aus Keramik oder Metall. Neben dieser Trägerstruktur besteht er aus einem Oxidgemisch (Washcoat) aus Aluminiumoxid (Al2O3), Ceroxid (CeO2), Zirkoniumoxid (ZrO2) und aktiven katalytischen Edelmetallen wie Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh). Die Hauptfunktion des Washcoats besteht darin, eine große Oberfläche für das Edelmetall bereitzustellen und die Sinterung des Katalysators zu verlangsamen, die bei hohen Temperaturen auftritt und zu einem irreversiblen Abfall der Katalysatoraktivität führt. Die Menge der für die Beschichtung verwendeten Edelmetalle, die oft als Beladung bezeichnet wird, wird in g/ft3 angegeben. Die Beladung beträgt etwa 50-90 g/ft3. Derzeit werden für die Oxidation am häufigsten Katalysatoren verwendet, die Pt und Pd enthalten, und viele von Forschern durchgeführte Studien konzentrierten sich auf diese Katalysatoren auf Edelmetallbasis (Kolli et al. 2010; Kim et al. 2003; Wiebenga et al. 2012; Wang et al. 2008; Haneda et al. 2011).

Die wichtigsten Eigenschaften bei der Auswahl von Katalysatoren sind die Light-off-Temperatur, die Umwandlungseffizienz, die Temperaturstabilität, die Toleranz gegenüber Vergiftungen und die Herstellungskosten. Parameter wie die Kanaldichte (angegeben in cpsi (Kanäle pro Quadratzoll)), die Wandstärke der einzelnen Kanäle und die Außenabmessungen des Konverters (Querschnittsfläche und Länge) spielen jedoch eine wichtige Rolle für die Eigenschaften der DOCs. Kanaldichte und Wandstärke bestimmen das Aufheizverhalten, den Abgasgegendruck und die mechanische Stabilität des Katalysators (Zervas 2008).

Das Volumen des Katalysators (Vc) ist definiert als ein Faktor des Abgasvolumenstroms, der wiederum proportional zum Hubraum (Vs) des Motors ist. Typische Auslegungswerte für einen DOC sind Vc/Vs = 0,6-0,8. Das Verhältnis des Abgasvolumenstroms zum Katalysatorvolumen wird als Raumgeschwindigkeit bezeichnet. Typische SV-Werte für einen Oxidationskatalysator liegen bei 150.000-250.000 h-1 (Bosch 2005).

Seit der ersten Einführung in den 1970er Jahren ist der DOC bis heute eine Schlüsseltechnologie für Dieselmotoren (Wang et al. 2008). Alle neuen Dieselmotoren in Personenkraftwagen, leichten und schweren Dieselfahrzeugen sind heute mit Katalysatoren ausgestattet. Die Emissionsminderung durch den Einsatz von Katalysatoren wird auf 60-90 % für HC und CO geschätzt.

DOCs sind in vielen Ländern wie Europa, den USA und Japan nicht nur für schwere, sondern auch für leichte Nutzfahrzeuge weithin bevorzugte Emissionsminderungssysteme. Die Oxidationskatalysatoren, die Pt und Pd enthalten, sind auf dem Weltmarkt die beliebtesten Katalysatoren. Eines der Hauptprobleme dieser wertvollen Katalysatoren besteht darin, dass sie die Reaktion von SO2 zu SO3 leiten, das in der Folge mit Wasser reagiert und Formen von Sulfaten und Schwefelsäure erzeugt. Diese Formen haben sehr schädliche Auswirkungen, wie z. B. die Beschädigung der Abgasnachbehandlungssysteme, und verursachen verschiedene Umwelt- und Gesundheitsprobleme. Es gibt keine Technologie zur Vermeidung und Beseitigung dieser Formen. Obwohl ULSD in vielen Ländern weltweit verwendet wird, konnte das Problem nicht vollständig gelöst werden. Die Verwendung alternativer Kraftstoffe wie Biodiesel, Methylalkohol usw. kann diese Schadstoffe vollständig reduzieren oder beseitigen. Außerdem ist es möglich, die Umwandlungseffizienz von DOC durch die Verwendung alternativer Kraftstoffe zu erhöhen (Zhu et al. 2013).

Dieselpartikelfilter (DPF)

DPFs werden seit dem Jahr 2000 bei der Herstellung von Fahrzeugen eingesetzt. Sie werden verwendet, um PM-Emissionen durch physikalische Filterung aus dem Abgas zu entfernen, und bestehen in der Regel entweder aus Cordierit (2MgO-2Al2O3-5SiO2) oder aus einem Monolithen mit Wabenstruktur aus Siliziumkarbid (SiC), wobei die Kanäle an beiden Enden verstopft sind. Die verstopften Kanäle an jedem Ende zwingen die Dieselpartikel durch die porösen Substratwände, die wie ein mechanischer Filter wirken (Abb. 3). Wenn die Rußpartikel die Wände passieren, werden sie durch Diffusion in die Porenwände transportiert, wo sie sich festsetzen. Dieser Filter besteht aus einer Vielzahl paralleler, meist quadratischer Kanäle. Die Dicke der Kanalwände beträgt in der Regel 300-400 μm. Die Größe der Kanäle wird durch ihre Zelldichte bestimmt (typischer Wert: 100-300 cpsi) (Kuki et al. 2004; Ohno et al. 2002; Tsuneyoshi und Yamamoto 2012).

Filtration von DPF

Die Filterwände sind so konzipiert, dass sie eine optimale Porosität aufweisen, die es den Abgasen ermöglicht, ihre Wände ungehindert zu passieren, während sie gleichzeitig ausreichend dicht sind, um die Partikelarten aufzufangen. Mit zunehmender Sättigung des Filters mit Ruß bildet sich eine Rußschicht auf der Oberfläche der Kanalwände. Dies sorgt für eine hocheffiziente Oberflächenfiltration in der folgenden Betriebsphase. Eine übermäßige Sättigung muss jedoch verhindert werden. Wenn sich in den Filtern PM ansammelt, baut sich ein Gegendruck auf, der viele negative Auswirkungen hat, wie z. B. erhöhten Kraftstoffverbrauch, Motorausfall und Belastung des Filters. Um diese negativen Auswirkungen zu verhindern, muss der DPF durch Verbrennung der angesammelten Partikel regeneriert werden.

Es gibt zwei Arten von Regenerationsverfahren für DPF, die gemeinhin als aktive Regeneration und passive Regeneration bezeichnet werden. Die aktive Regeneration kann regelmäßig bei Partikelfiltern angewandt werden, bei der der eingeschlossene Ruß durch eine kontrollierte Oxidation mit O2 bei 550 °C oder höheren Temperaturen entfernt wird (Jeguirim et al. 2005). Bei der aktiven Regeneration von Partikelfiltern werden die Partikel in regelmäßigen Abständen durch Wärmezufuhr von außen oxidiert, z. B. durch eine elektrische Heizung oder einen Flammenbrenner. Die Verbrennung der im Filter gebundenen Partikel erfolgt, sobald die Rußbeladung im Filter einen bestimmten Grenzwert (etwa 45 %) erreicht, der durch den Druckabfall über den Partikelfilter angezeigt wird.

Die höhere Regenerationstemperatur und die große Energiemenge für die Wärmezufuhr stellen ein ernsthaftes Problem für die aktive Regeneration dar. Während die Temperaturen, die so hoch wie der Schmelzpunkt des Filters sind, zum Versagen des DPF führen, erhöht die Notwendigkeit von Energie für die Heizung die Produktionskosten des Systems aufgrund der komplexen Ergänzungen.

Im Gegensatz zur aktiven Regeneration erfolgt bei der passiven Regeneration des Partikelfilters die Oxidation der Partikel bei der Abgastemperatur durch eine katalytische Verbrennung, die durch die Ablagerung geeigneter Katalysatoren im Filter selbst gefördert wird. Die Partikel werden durch einen kontinuierlichen katalytischen Reaktionsprozess oxidiert, bei dem kein zusätzlicher Kraftstoff benötigt wird. In einem Temperaturbereich zwischen 200 und 450 °C fördern geringe Mengen an NO2 die kontinuierliche Oxidation der abgelagerten Kohlenstoffpartikel. Dies ist die Grundlage der kontinuierlich regenerierenden Falle (CRT), die NO2 kontinuierlich zur Oxidation von Ruß bei relativ niedrigen Temperaturen über einem DPF einsetzt (York et al. 2007, Allansson et al. 2002).

Bei der passiven Regeneration ist der gesamte Prozess sehr einfach, leise, effektiv und kraftstoffsparend, d.h. weder der Fahrzeugbetreiber noch das Motormanagementsystem des Fahrzeugs müssen etwas tun, um die Regeneration des DPF einzuleiten. Bei diesem Verfahren wird in der Regel ein Siliziumkarbid-Wandstromfilter mit einem Katalysator, einem hochentwickelten Motormanagementsystem und Sensoren verwendet. Der dem Partikelfilter vorgeschaltete Katalysator erhöht das Verhältnis von NO2 zu NO im Abgas und senkt die Verbrennungstemperatur der Partikel. NO2 ist ein effektiveres Oxidationsmittel als Sauerstoff und sorgt so für eine optimale passive Regenerationseffizienz (Johansen et al. 2007).

Der Wandstrom-SiC-Filter ist einer der weltweit am häufigsten eingesetzten Filter als DPF. Da die Regeneration bei hohen Abgastemperaturen erfolgt, muss diesem Filter ein DOC vorgeschaltet werden. Katalysierte Partikelfilter (CDPF), bei denen die DOC-Formulierung im Partikelfilter selbst untergebracht ist, können diese Verpflichtung beseitigen. Bei diesem System gibt es weder einen DOC noch Nachbehandlungssysteme vor dem DPF, und alle Reaktionen finden im CDPF statt. CDPF, in denen Pt als Katalysator verwendet wird, haben die gleiche Umwandlungseffizienz wie SiC-Wandstromfilter. Mit CDPFs kann die Oxidationstemperatur von Ruß gesenkt werden. Zusätzlich zur Oxidation, die in DPF bei niedrigeren Temperaturen stattfindet, kann die Umwandlungsrate mit Biodiesel oder Kraftstoffadditiven weiter erhöht werden (Lamharess et al. 2011). Obwohl die Regeneration eines der Hauptprobleme von Partikelfiltern ist, wurden heutzutage viele Studien und Forschungen durchgeführt, um dieses Problem zu lösen und die Oxidationstemperaturen von Ruß zu senken.

Selektive katalytische Reduktion (SCR)

SCR ist eine weitere Technologie zur Verringerung der NOx-Emissionen und wurde insbesondere für Fahrzeuge mit hoher Auslastung verbessert. Wegen der niedrigen Abgastemperaturen wurde sie bei leichten Nutzfahrzeugen nicht in großem Umfang eingesetzt. Heutzutage wird sie jedoch für leichte Nutzfahrzeuge entwickelt, und einige Hersteller von leichten Nutzfahrzeugen wie Audi haben diese Technologie in ihren Fahrzeugen eingesetzt. SCR wird eingesetzt, um die NOx-Emissionen im Abgas zu minimieren, indem Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel verwendet wird (Biswas et al. 2009). Bei der katalytischen Umwandlung von NOx im Abgas werden Wasser und N2 freigesetzt. Aufgrund der toxischen Wirkung von NH3 und um ein Verbrennen von NH3 in der warmen Atmosphäre vor der Reaktion zu verhindern, wird NH3 aus einer wässrigen Harnstofflösung bereitgestellt (Moreno-Tost et al. 2008; Hamada und Haneda 2012). Diese Lösung wird durch Mischen von 33 Massenprozent Harnstoff (NH2)2CO und 67 Massenprozent reinem Wasser gewonnen.

Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, sollte die auf dem SCR-Katalysator gespeicherte NH3-Menge so hoch wie möglich gehalten werden. Eine hohe NH3-Speicherung kann jedoch zu unerwünschtem Ammoniakschlupf führen. Der Ammoniakschlupf wird im Allgemeinen durch die präzise Einspritzung von Harnstoff auf der Grundlage des benötigten Ammoniaks vermieden oder minimiert (Majewski und Khair 2006). Beim Aufsprühen der Lösung auf das Abgas beginnen die festen Harnstoffpartikel infolge der reinen Wasserverdampfung zu schmelzen und es findet eine Thermolyse statt, wie in Gl. (4) dargestellt (Koebel et al. 2000; Yim et al. 2004).

NH3 und Isocyansäure werden in der Thermolysereaktion gebildet. NH3 nimmt an den Reaktionen des SCR-Katalysators teil, während die Isocyansäure mit Wasser in einer Hydrolysereaktion umgesetzt wird (Koebel et al. 2000). Durch diese Hydrolyse entsteht weiteres NH3.

Thermolysereaktionen und Hydrolysereaktionen laufen schneller ab als SCR-Reaktionen. Zwei Moleküle Ammoniak werden in einem molekularen Harnstoff durch Thermolyse- und Hydrolysereaktionen erzeugt (Chi und DaCosta 2005). Die Effizienz der Reaktionen zur Erzeugung von NH3 aus Harnstoff hängt weitgehend von der Abgastemperatur ab. Während die Schmelztemperatur von Harnstoff bei 133 °C liegt, wird in verschiedenen Untersuchungen darauf hingewiesen, dass die Thermolyse bei 143, 152 und 160 °C beginnt (Linde 2007; Oh et al. 2004; Sun et al. 2001; Schaber et al. 2004; Calabrese et al. 2000). Obwohl die Umwandlung der wässrigen Harnstofflösung in NH3 zum Zeitpunkt der Injektionsspritzung beginnt, ist die vollständige Umwandlung bis zum Eintritt des Katalysators noch nicht abgeschlossen. Die Hälfte der Gesamtmenge der Zersetzung von Harnstoff zu NH3 wird bis zum Eintritt des Katalysators erreicht. Somit beträgt die Umwandlungseffizienz theoretisch 50 % bis zum Eintritt des Katalysators. Die Durchführung der Hydrolysereaktion in der Gasphase vor dem Eintritt des Katalysators erhöht jedoch die Umwandlungseffizienz aufgrund der Abgastemperatur (Koebel et al. 2000; Chi und DaCosta 2005). Die nach der Thermolyse und Hydrolyse im SCR-Katalysator ablaufenden chemischen Reaktionen sind im Folgenden dargestellt.

Die Rate der SCR-Reaktionen kann als „7 > 6 > 8“ angegeben werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit in Gl. (7) ist höher als die der anderen Reaktionen. Die Reaktion nach Gleichung (6) wird in Abwesenheit eines Oxidationskatalysators vor dem SCR-Katalysator durchgeführt, d. h. NOx-Emissionen in Form von NO. Bei Verwendung eines Katalysators mit hoher Größe und Kapazität vor dem SCR-Katalysator treten die NOx-Emissionen in Form von NO auf und die Reaktion nach Gleichung (8) findet statt. Daher sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit und die Umwandlungseffizienz der NOx-Emissionen nimmt ab. Die Reaktion von Gleichung (7) findet statt, wenn die Größe und die Beladungsmenge des Oxidationskatalysators optimiert werden. Aufgrund der hohen Reaktionsgeschwindigkeit wird die Umwandlung der NOx-Emissionen effektiv durchgeführt. Ein NO:NO2-Verhältnis von 1:1 zeigt die maximale Leistung von SCR. Aus diesem Grund ist es notwendig, ein NO:NO2-Verhältnis von etwa 1:1 einzustellen (Sluder et al. 2005; Devarakonda et al. 2008; Shost et al. 2008).

Abbildung 4 zeigt ein typisches SCR-System mit DOC. In SCR-Systemen werden Katalysatoren auf Zeolith- und Vanadiumbasis verwendet. Die Temperatur spielt bei der Wahl des Katalysators eine wichtige Rolle. Während Kupfer-Zeolithe die beste Leistung bei niedrigen Temperaturen haben, haben Eisen-Zeolithe die beste Leistung bei hohen Temperaturen (Hamada und Haneda 2012).

Typisches SCR-System mit DOC

SCR-System kann im Temperaturbereich zwischen 200 und 600 °C betrieben werden. Die Reaktionen beginnen im Allgemeinen bei 200 °C, und die maximale Umwandlungseffizienz wird bei 350 °C erreicht (Way et al. 2009). Bei Temperaturen unter 200 °C entstehen aufgrund von Zersetzungsreaktionen der Harnstofflösung Cyanidsäure, Biharnstoff, Melamin, Amelid und Amelin. Diese Bestandteile können sich in der Abgasrohrwand anreichern und zu unerwünschten Ergebnissen führen (Schaber et al. 2004). Um diese Ablagerungen zu verhindern, beginnt das Versprühen der Harnstofflösung bei einer Abgastemperatur von über 200 °C. Außerdem führen Temperaturen über 600 °C dazu, dass NH3 verbrennt, bevor es mit den NOx-Emissionen reagiert.

Die Forschungen zu SCR-Systemen wurden in Bezug auf Systemdesign, Harnstoffzufuhrsystem, Katalysator, Einspritzlösung, Einspritzdruck und -zeiten intensiviert.

V2O5-WO3/TiO2, Fe-ZSM5, Cu-ZSM5 und Ag/Al2O3 sind die am häufigsten verwendeten Katalysatoren, und viele Forschungen konzentrieren sich auf diese Katalysatorarten. Cu-PPHs, CeO2-TiO2, Cu/Al2O3, NbCe und Fe-MFI sind die anderen Katalysatortypen, die zu einem aktuellen Thema werden. In vielen der mit diesen Katalysatoren durchgeführten Untersuchungen wurde eine Umwandlungseffizienz von NOx-Emissionen von über 90 % erreicht (Shan et al. 2012; Casapu et al. 2011; Oliveira et al. 2011). Die Katalysatoren auf der Basis von TiO2, das mit Wolfram dotiert ist und Vanadium als aktive Komponente enthält, sind die am häufigsten verwendeten Katalysatoren für SCR, da sie auch bei niedrigen Temperaturen eine hohe Aktivität und eine hohe Selektivität für NO2 als Produkt aufweisen. Zeolith ist eine weitere Basis, die anstelle von TiO2 verwendet werden kann, und weist einige Unterschiede in der Effizienz der NOx-Umwandlung auf. Im Gegensatz zu diesen Basen haben Ag-Al2O3-Katalysatoren bei niedrigen Abgastemperaturen eine relativ geringe Aktivität.

Die Qualität der Harnstoffeinspritzung und die Vermischung sind komplex und von entscheidender Bedeutung. Es wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um die Auswirkungen der Harnstofftröpfchenqualität auf die Umwandlungseffizienz zu bestimmen. Sie zeigen, dass die Harnstoffeinspritzung ein wichtiger Parameter für die Umwandlungseffizienz ist. Sie kann die Umwandlungseffizienz um bis zu 10 % beeinflussen.

Obwohl viele Amine (Methylamin, Ethylamin, Propylamin und Butylamin) als Injektionslösung getestet wurden, konnte niemand die Effizienz der als AdBlue bezeichneten Harnstofflösung auf den weltweiten Märkten erreichen (Stanciulescu et al. 2010). Auch andere Reduktionsmittel wurden untersucht, um Ammoniak zu ersetzen.

In SCR-Anwendungen können Kohlenwasserstoffe (HC) als Reduktionsmittel anstelle von Ammoniak oder Harnstoff verwendet werden. Diese Methode ist als Kohlenwasserstoff-SCR (HC-SCR) bekannt, und es wurden viele Forschungen zu dieser Methode durchgeführt. Da Kohlenwasserstoffe im Abgas (passiver Modus) oder im eingespritzten Kraftstoff selbst (aktiver Modus) vorhanden sind, ist es relativ einfach, sie bei Personenkraftwagen anzuwenden. Bei Dieselmotoren ist der primäre Kohlenwasserstoff Dieselkraftstoff, aber auch andere Kohlenwasserstoffe wie Ethanol, Aceton und Propanol können in den Abgasstrom eingespritzt werden, um die Reduzierung von NOx zu unterstützen. Der Ag-Al2O3-Katalysator ist der vielversprechendste Katalysator für HC-SCR.

Im Vergleich zu den Emissionsminderungslösungen (EGR, LNT und SCR) zur Verringerung der NOx-Emissionen hat sich allgemein gezeigt, dass SCR die höchste Effizienz bei der NOx-Umwandlung aufweist. Im Gegensatz zur LNT-Technologie entfernt SCR NOx kontinuierlich durch das aktive Reduktionsmittel auf der Katalysatoroberfläche. Außerdem hat LNT ein breites Betriebstemperaturfenster und eine niedrigere Entschwefelungstemperatur. Da es im Vergleich zu SCR und LNT zu einem Anstieg der HC- und CO-Emissionen und einer geringeren NOx-Umwandlungseffizienz führt, bleibt EGR hinter diesen Technologien zurück. In vielen Anwendungen können diese Technologien kombiniert werden, um die NOx-Konvertierungseffizienz zu erhöhen (Xu und McCabe 2012; Lopez et al. 2009).

Wie bei allen anderen fortschrittlichen Nachbehandlungseinrichtungen ist der Schwefelgehalt im Kraftstoff ein wichtiges Problem für den SCR-Katalysator. Die Nachbehandlungstechnologien sind sehr empfindlich gegenüber dem Schwefelgehalt im Kraftstoff. Der Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffs wird in den Katalysatoren eingeschlossen und beginnt, sich an den aktiven Stellen des Katalysators anzusammeln, was die katalytische Aktivität verringert. Obwohl Sulfate thermisch zersetzt werden können, sind hohe Temperaturen (>600 °C) für die Entschwefelung unter fetten Bedingungen erforderlich. Alternative Kraftstoffe und Kraftstoffadditive wurden eingesetzt, um die Wirkung von Schwefel auf Nachbehandlungseinrichtungen zu verhindern. Mit schwefelfreien Kraftstoffen lässt sich die Emissionsminderungseffizienz von Nachbehandlungssystemen erhöhen. Vor allem Biodiesel ist der am häufigsten verwendete alternative Kraftstoff zur Verhinderung von Schwefelschäden, und viele Forschungen wurden zur Verwendung von Biodiesel als alternativem Kraftstoff zu Diesel durchgeführt (Ng et al. 2010).