Wie man SCR-Abgassysteme möglichst frei konstruieren kann

| Redakteur: Bernhard Richter

(Bild: Freudenberg)

Die in SCR-Abgas-Systemen verwendete Harnstofflösung Ad-Blue greift die Bindenähte von Metall-Elastomer-Verbünden an. Freudenberg will das mit einer neuen Technologie verhindern können.

Das Abgas moderner Dieselmotoren enthält immer weniger Stickoxide. Die wichtigste Rolle spielen dabei SCR-Katalysatoren, die sich im Lkw schon seit Jahren bewähren und künftig in allen neuen Pkw mit Dieselmotor zum Einsatz kommen. „SCR“ steht für „selective catalyst reduction“, ein Verfahren, bei dem an Bord erzeugtes Ammoniak mit den Stickoxiden aus dem Verbrennungsvorgang reagiert. Als Ausgangsprodukte verbleiben nur Wasser und ungiftiger Stickstoff. Um das benötigte Ammoniak zu erzeugen, verfügen mit einem SCR-Kat ausgestatte Fahrzeuge über einen Zusatztank, in dem sich wässrige Harnstofflösung Ad-Blue befindet.

Bauteile nach 1.000-Stunden-Einlagerungstest: links das optimierte, rechts ein konventionelles Bindungssystem.
Bauteile nach 1.000-Stunden-Einlagerungstest: links das optimierte, rechts ein konventionelles Bindungssystem. (Bild: Freudenberg)

Die Lösung wird direkt vor dem Katalysator eingespritzt – dafür sorgt eine Dosiereinheit, die extrem exakt arbeiten muss. Denn sonst wird mehr Harnstofflösung in den Abgasstrang eingebracht, als direkt umgewandelt werden kann. Wässrige Harnstofflösung ist chemisch für den Menschen unbedenklich. Trotzdem müssen die Komponenten eines SCR-Systems sicher abgedichtet werden, um die Harnstofflösung über lange Zeiträume möglichst exakt zu dosieren. Dies gilt insbesondere für Ventile, Membranen oder Pumpenkörper in verschiedensten Ausführungen, die für die Mengenregelung zum Einsatz kommen.

Freudenberg beliefert mehrere Anbieter von SCR-Systemen mit Dichtungen auf Basis der Werkstoffe EPDM und HNBR, die sich als langzeitstabil erwiesen haben. Eine Herausforderung bestand bislang allerdings: An den Rändern der Kontaktfläche zwischen Dichtung und den Trägerkörpern der Komponenten, die meistens auf Metall oder Kunststoff basieren, durfte kein Ad-Blue anliegen, da die Lösung die Bindung angreifen würde – was auf Dauer zu einer Ablösung der Dichtung führen würde. Die Entwickler von SCR-Dosiereinheiten behalfen sich bislang mit Konstruktionen, die Ad-Blue-Kontakt an der Bindenaht vermieden.

SEMINARTIPP Das Seminar „Systematische Werkstoffauswahl“ vermittelt die Beziehung zwischen Werkstoffherstellung, Werkstoffstruktur und den daraus resultierenden Materialeigenschaften. Ziel ist es, eine gesamtheitliche Darstellung des Werkstoffauswahlprozesses vorzustellen, ausgehend von der Erstellung eines Anforderungsprofils, der Vorauswahl bis hin zur Feinauswahl und Risikobetrachtung.
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Nachgewiesene Beständigkeit

Die Werkstoffforschung von Freudenberg hat eine Bindemitteltechnologie entwickelt, die sich in Laborversuchen als resistent gegen die Harnstofflösung erwiesen hat. In den Versuchen wurden sowohl gängige Probemuster – sogenannte Metall-Schälstreifen – als auch Bauteile validiert.

Optimierter Schälstreifen zur Evaluierung von Bindemittelsystemen nach 168-Stunden-Einlagerungstest.
Optimierter Schälstreifen zur Evaluierung von Bindemittelsystemen nach 168-Stunden-Einlagerungstest. (Bild: Freudenberg)

Die Schälstreifen aus dem Edelstahl 1.4301 wurden in Ad-Blue bei 85 °C über 168 h eingelagert. Als Elastomer-Werkstoffe kamen EPDM 281 und HNBR 150531 zum Einsatz. Der mit einem Standardbindemittel angebundene elastomere Werkstoff löst sich direkt nach der Einlagerung ab. Hingegen zeigt die Bindemitteltechnologie von Freudenberg, dass die Haftung nach der Einlagerung vollständig erhalten bleibt. Die Festigkeit einer Gummi-Metall-Bindung hängt allerdings erheblich vom Fertigungsverfahren und der Bauteilgeometrie ab. Daher wurden zusätzliche Einlagerungsversuche mit einem Bauteil in Form eines Ventilstößels durchgeführt.

Konventionelles Bindungssystem nach Einlagerungstest.
Konventionelles Bindungssystem nach Einlagerungstest. (Bild: Freudenberg)

Die Einlagerung in Ad-Blue erfolgte bei 60 °C für eine Dauer von 1000 h. Es kamen die gleichen Träger- und Elastomer-Werkstoffe zum Einsatz, die auch bei den Versuchen mit den Schälproben verwendet wurden. Nach dem Ende der Einlagerungsphase wurde das Elastomerbauteil mit einer Querkraft beaufschlagt, um die Bindung zu testen. Es zeigt sich, dass bei Einsatz des Bindemittelsystems die Belastung zu einem vollständigen Gummibruch führt, während das Standard-Bindemittelsystem unter diesen Bedingungen keinerlei Festigkeit mehr aufweist: Das Elastomer löst sich vollständig von der Metalloberfläche.

Weiterhin lässt sich die Masse von schaltbaren Komponenten verringern. Je leichter die Komponenten sind, desto schneller und präziser lassen sie sich schalten – und desto präziser kann die Ad-Blue-Dosierung erfolgen. Ein Einsatz dieser Technologie kommt nicht nur in den Ankern der Magnetventile oder in Membrananwendungen in Frage, sondern auch für weitere Komponenten, die in direktem Kontakt mit dem Reduktionsmittel stehen. Auch die Dichtungen, die die Harnstofflösung vom Tank zur Dosiereinheit transportieren, können von der Technologie profitieren.

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