Dieselpartikelfilter

Eberspächer

Partikel-Filter für Pkw-Dieselmotoren

Heutige Partikelfilter sind echte Rußkiller: Mehr als 97% des Rußes werden ausgefiltert und im Filter verbrannt. Dabei werden auch viele “Feinstpartikel” vernichtet, die im Verdacht stehen, Krebs zu erregen. Für die Verbrennung des Rußes muss aber die Rußzündtemperatur gesenkt und/oder die Abgastemperatur angehoben werden.

Material und Form des Filters
Ein Partikelfilter soll zwar möglichst viele Partikel einlagern, er darf aber nicht zu groß sein, denn Platz im Fahrzeugboden ist knapp. Auch darf der Strömungswiderstand nicht zu hoch werden, sonst geht Motorleistung verloren. Er muss auch lange halten, d.h. Hitze, Schwingungen, Vibrationen und thermische Wechselbeanspruchungen aushalten. Außerdem muss die eingelagerte Partikelmasse einfach und wirkungsvoll beseitigt, der Filter also regeneriert werden können.

Zwei Materialien eignen sich dafür besonders: Siliziumkarbid (SiC) und Cordierit, aus dem auch keramische Katalysatoren hergestellt werden. Beide Materialien haben durch ihre zahllosen feinen Poren und die sehr große Filtrationsoberfläche einen hohen Partikel-Abscheidegrad, ein großes Speichervermögen sowie einen geringen Strömungswiderstand. Auf Grund der höheren mechanischen Festigkeit und der besseren Temperaturbeständigkeit werden zur Zeit im Pkw-Bereich nur SiC-Filter eingesetzt. Als günstigste Form des Filters hat sich die Wabenstruktur herausgestellt. Die Kanäle dieses Filters sind wechselseitig dicht verschlossen.



Das Abgas ist somit gezwungen, durch die nur für das Abgas durchlässigen Kanalwände zu strömen. Die Partikel werden in den Poren der Wände zurückgehalten

Regeneration
Im Betrieb setzen sich zunächst die Poren des Filters zu, anschließend wächst eine Rußschicht auf der Kanaloberfläche; das Abgas findet immer schwerer seinen Weg: Der Abgasgegendruck wächst, die Motorleistung sinkt, der Kraftstoffverbrauch steigt. Wird der Filter nicht immer wieder von den Ablagerungen befreit und somit regeneriert, bleibt der Motor schließlich stehen oder wird beschädigt. Unter “Regenerierung” wird schlicht das Verbrennen der Rußes verstanden, dabei wird er hauptsächlich in Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf umgewandelt, ein Rest, der z. B. aus dem verbrannten Öl stammt, verbleibt als Asche im Filter. Damit der Ruß verbrennen kann, muss die Abgastemperatur über der Rußzündtemperatur von 550° C liegen. Solche Temperaturen werden aber meist nur bei hoher Motorleistung und hohen Drehzahlen erreicht.



Bei Fahrzeugen, die hauptsächlich im Stadtverkehr eingesetzt werden, Taxis, Nahverkehrsbusse und Auslieferungsfahrzeuge, muss die Abgastemperatur deshalb periodisch angehoben oder die Rußzündtemperatur gesenkt werden. Meist werden aber beide Möglichkeiten miteinander kombiniert. Dazu stehen mehrere Systeme zur Verfügung, nämlich aktive und passive Regenerationssysteme. Im Folgenden werden nur die passiven Systeme beschrieben.





Additiv unterstützte Regeneration
Die Additive, die für diese Art der Regeneration eingesetzt werden und zum Beispiel auf einer Eisen- oder Cer-Verbindung* basieren, sind in der Lage, die Rußzündtemperatur katalytisch zu senken. Schon sehr geringe Mengen dieser Stoffe im Kraftstoff genügen, um sie von 550° C auf etwa 400° C abzusenken. Damit wird die Regenerationsfähigkeit des Filters um 150° C nach unten ausgedehnt. Allerdings muss das Fahrzeug dafür mit einem aufwendigen Additiv-Dosiersystem ausgerüstet sein. Nachteilig ist ferner, dass die Additive selbst ebenfalls verbrennen und danach als zusätzliche Asche im Filter zurückbleiben. Da diese Rückstände im Betrieb nicht entfernt werden können, führen sie zu einem allmählichen Anstieg des Abgasgegendrucks. Nach einer bestimmten Laufleistung muss das Filter ausgebaut, gereinigt oder ausgetauscht werden. Die durch Additive unterstützte Regeneration wird bei Pkw heute schon in Serie eingesetzt.

CRT-System: Oxikat plus Rußfilter
Ruß kann anstatt mit Sauerstoff auch mit Stickstoffdioxid (NO2) verbrannt werden. Dieser Verbrennungsvorgang läuft schon ab etwa 230° C ab, damit wird die Grenze der Filterregeneration noch weiter nach unten verschoben. Allerdings muss der “Brennstoff” NO2 im Abgasstrom durch Oxidation von NO erst erzeugt werden. Bei einem bestimmten Verfahren, dem CRT-System*, geschieht das in einem Oxidationskatalysator, der dem Filter vorgeschaltet ist. Im Filter reagiert das NO2 dann mit dem Ruß: er verbrennt wie er anfällt.



Wesentlich für die Rußverbrennung mit Stickstoffdioxid ist das Verhältnis von NO2 zu Ruß. Bei zu niedriger NO2-Konzentration kommt die Verbrennung nicht mehr zustande, das Filter verstopft allmählich. Bei zu hoher Konzentration kommt es zu einem NO2-Schlupf, was wegen der Giftigkeit von NO2 bei höheren Konzentrationen, wie sie in Ballungsgebieten auftreten können, bedenklich ist. Eine weitere Einschränkung des Verfahrens liegt in der erforderlichen Kraftstoffqualität: der Schwefelgehalt muss unter 50 ppm liegen, andernfalls wird der Katalysator langsam vergiftet und die “Produktion” von NO2 entsprechend verringert.


Katalytische Rußfilter
Bei diesem System sind Filter und Katalysator ein Bauteil. Die katalytisch aktive Schicht wird direkt auf die porösen Wände des Filter-materials aufgebracht; ein separater Katalysator wie beim CRT-System wird nicht benötigt. Ansonsten entspricht der Verbrennungsprozess dem des CRT-Systems: Das katalytisch erzeugte NO2 wird bei der Rußverbrennung in NO umgewandelt. Danach wird es - noch im Filter - durch Oxidation wieder zu NO2. Ein Kreisprozess, bei dem das NO2 mehrmals für die Rußverbrennung genutzt werden kann, im Gegensatz zum CRT-Verfahren, bei dem das NO2 nur einmal zur Verfügung steht. Allerdings kann die Rußzündtemperatur im katalytischen Rußfilter nur auf etwa 360° C abgesenkt werden. Außerdem läuft die Regeneration sehr langsam ab. Nachteilig ist auch, dass bei Temperaturen über 800° C die katalytische Schicht beschädigt werden kann. Solch hohe Temperaturen können während der Regeneration auftreten, wenn der Filter zuvor sehr stark beladen bzw. überladen worden ist.

Katalytischer Russfilter

Anhebung der Abgastemperatur
Alle drei Regenerationsverfahren haben eins gemeinsam. Bei bestimmten typischen Betriebsbedingungen liegen die Abgastemperaturen unter der Rußzündtemperatur, z.B. bei niedriger Last im Stadtverkehr, und eine passive Regeneration ist nicht möglich. Wird in diesem Betriebsbereich vom Regelsystem festgestellt, dass eine Regeneration notwendig ist, etwa weil der Abgasgegendruck den Grenzwert überschreitet, muss die Abgastemperatur angehoben werden, z.B. durch innermotorische Maßnahmen wie etwa die Nacheinspritzung von Kraftstoff. Wie stark die Anhebung sein muss hängt vom Regenerationsverfahren ab. Die Höhe der Temperaturanhebung ist abhängig vom Last-/Fahrzustand und kann bis zu 300° C betragen. Die Grafik zeigt die Zusammenhänge. Der rote Bereich markiert den kompletten Temperatur-Kennfeldbereich eines 6-Zylinder-Dieselmotors mit Common-Rail-Einspritzung. Bei hoher Leistung und Drehzahl treten zwar Abgastemperaturen bis 600° C auf, die Rußzündtemperatur von 550° C wird also überschritten, aber nur in dem kleinen Bereich, der die orange gefärbte Fläche übersteigt. Im gesamten übrigen Bereich des Kennfeldes regeneriert sich das Filter nicht von alleine. Diesen Temperaturbereich kann man durch die oben beschriebenen Regenerations-Verfahren verkleinern: auf 400° C durch das Additiv unterstützte Verfahren, auf 360 durch den katalytischen Rußfilter und auf 280° C durch das CRT-System. Aber selbst bei der niedrigsten Rußzündtemperatur bleibt immer noch ein Restbereich übrig, in dem die passiven Verfahren für eine Rußbeseitigung nicht funktionieren. Erst durch die Kombination eines passiven mit einem aktiven Verfahren, z.B. einer elektrischen Aufheizung des Abgases oder einer Kraftstoff-Nacheinspritzung, gelingt es, eine Filterregeneration über den gesamten Betriebsbereich eines Motors sicher zu stellen.

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