Energie

Partikelfilter

Das unter „Optimierung von Verbrennungsmotoren I“ vorgestellte System der Peugeot-Partikelfilterung (mit der Notwendigkeit einer Additivzugabe zum Kraftstoff, siehe Bild oben) hat inzwischen seine mehrjährige Bewährungsprobe gut bestanden. Gleichzeitig ist die öffentliche Diskussion über schädliche Partikel in Dieselabgasen jetzt besonders aufgeflammt, nachdem die vorgegebenen EU-Grenzwerte in Großstädten ständig überschritten wurden. Zwar hatte die übrige Industrie die Erwartung geäußert, durch Einsatz aufwändiger Motorkonstruktionen die Partikelabgabe auch ohne Filter ausreichend reduzieren zu können. Es zeigte sich aber, dass diese Hoffnung zumindest verfrüht war.

Obwohl durch solche Maßnahmen eine bemerkenswerte Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und eine Optimierung der Verbrennungsabläufe im Motor gelangen, wurde eine Reduzierung der Abgaspartikel auf gesundheitsunschädliche Werte ohne Filter nicht erreicht. Interessanterweise konnte zwar die Gesamtmasse aller ausgestoßenen Partikel reduziert werden, aber die Größe eines einzelnen Teilchens war bei den neuen Motoren kleiner als die der Teilchen im altbekannten schwarzen Dieselruß. Solche Feinstpartikel gelten jedoch als nicht minder gesundheitsschädlich.

Es wurden Alternativsysteme neu bzw. weiterentwickelt, die z. T. ohne Zugabe eines Additivs zum Kraftstoff auskommen. Allerdings stellen diese Systeme einen erhöhten Anspruch an den Dieselkraftstoff, der nahezu schwefelfrei (und damit um ca. 3 Cent pro Liter teurer) sein muss, um eine langfristige Betriebssicherheit zu garantieren.

So haben die Verkehrsbetriebe Zürich, die schon 1990 einen Großversuch mit 132 Dieselbussen mit Partikelfiltern starteten, zuletzt Mercedes-Modelle mit einem „CRT-Partikelfiltersystem“ (CRT = Continuously Regenerating Trap) erfolgreich getestet. Dieses System verbindet die Vorteile des Partikelfilters zugleich mit der Wirkung eines Oxidationskatalysators.

Im Folgenden werden zwei weitere Systeme vorgestellt.

1. Partikelfilterung im VW-Passat

Das System ähnelt dem von Peugeot: Dem Dieselkraftstoff wird ein Additiv beigegeben. Dieses Additiv befindet sich in einem separaten Behälter in der Nähe des Haupttanks. Die Zumischung erfolgt nach jedem Tankvorgang über eine elektrische Pumpe. Die Fahrzeugelektronik nutzt das Signal vom Geber für den Tankinhalt zu einer Dosierungsberechnung aus; die errechnete Additivmenge wird dann hinzugegeben.

Im Additiv enthaltenes Eisen lagert sich zusammen mit den Rußpartikeln im Filter ab. Wenn dann der Filter durch Verbrennung dieser Ablagerungen regeneriert wird, ist deren Zündtemperatur mithilfe dieser Eisenteilchen so weit abgesenkt, dass eine komplette Verbrennung erfolgt. (Zum Vergleich: Beim Peugeot wird bei gleichem Grundprinzip hierfür die organische Zumischung „Cerin“ benutzt.) Diese Zumischung ist deshalb erforderlich, weil der Partikelfilter im Abgasstrang hinter dem Oxidationskatalysator eingebaut ist und die Temperatur an dieser Stelle dann schon relativ niedrig ist. Bereits direkt hinter dem Motor ist die Abgastemperatur bei einem Dieselmotor mit 250 ºC im Leerlauf und 500 – 600 ºC bei Volllast deutlich niedriger als bei einem Ottomotor, bei dem die entsprechenden Werte 800 ºC und 700  -  1 000 ºC betragen. In einem weiter hinten liegenden Partikelfilter ist die Temperatur daher ohne weitere Maßnahmen für eine Rußverbrennung viel zu gering.

Die erforderliche Temperaturerhöhung der Abgase wird mithilfe des elektronischen Motormanagements erzielt. Der Regenerationsvorgang geschieht wie folgt:

Die Abgasrückführung wird abgeschaltet, wodurch sich die Verbrennungstemperatur erhöht
Der Dieselverbrennungsvorgang wird anders als üblich gesteuert: Die Haupteinspritzung geschieht mit verringerter Kraftstoffmenge, etwas später wird ca. 35 º nach dem oberen Totpunkt des Kolbens eine Nacheinspritzung vorgenommen. Auch hierdurch erhöht sich die Abgastemperatur
Die Zufuhr der Ansaugluft wird durch eine elektrische Drosselklappe verringert
Gleichzeitig wird der Ladedruck des Turboladers entsprechend angepasst, damit der Fahrer den ganzen Vorgang nicht durch ein verringertes Drehmoment während des Regenerierens als störende Veränderung empfindet

Auf diese Weise entsteht im Partikelfilter die zur Rußverbrennung nötige Zündtemperatur von 600 – 650 ºC. Der Vorgang wird von der Fahrzeugelektronik ohne Zutun des Fahrers ausgelöst. Mehrere Auslösebedingungen werden von ihr geprüft. Verwertbare Auslösesignale sind die Abgastemperatur, die Fahrstrecke und die Tatsache einer dreimaligen Überschreitung des Gegendrucks des Filters (in Abständen automatisch gemessen im Leerlauf und mit ausgeschalteter Abgasrückführung). Ein parallel zum Filter eingebauter Sensor misst piezoelektrisch den Druckunterschied im Abgasstrom vor und hinter dem Partikelfilter. Zusammen mit dem augenblicklichen Signal des Luftmassenmessers der Ansaugluft erkennt die Elektronik dann, ob der Filter zu verstopfen beginnt. Bei Bedarf leitet die Elektronik dann die Regeneration ein. Dies geschieht, unmerklich für den Fahrer, je nach Betriebsbedingungen etwa alle 500 – 700 km und dauert ca. 5 – 7 Minuten.

Ein Rest anorganischer Asche aus Ölverbrennungsrückständen und Partikeln aus dem eisenhaltigen zugesetzten Additiv kann nicht verbrannt werden und lagert sich im Filter ab. Die Bordelektronik hält diesen nach statistischer Erfahrung anfallenden „Aschemassewert“ fest, einen Extra-Sensor hierfür gibt es nicht. Nach etwa 120 000 km ist der Filter so weit mit Asche gefüllt, dass er ausgetauscht werden muss. Eine mechanische Reinigung und Aufbereitung – wie etwa beim Peugeot-System – ist aus Kosten-Nutzen-Gründen nicht vorgesehen.

Bei beiden Systemen muss anlässlich dieser Generalüberholung der Anlage die Additivflüssigkeit erneuert werden. Bis dahin reicht die Erstfüllung laut Herstellerangaben aus.

Stand 2019: Der VW Passat ist auch mit Benzinmotoren erhältlich. Das Modell Passat GTE ist ein Plug-In-Hybrid. Der NDR berichtet in einem Beitrag im November 2018, dass die Produktion des VW Passat im VW-Werk Emden bis zum Jahr 2022 auslaufe. Ab 2022 sollen in den VW-Werken in Emden und Hannover nur noch Elektroautos gebaut werden.

2. Partikelfilter des Spezial-Zulieferbetriebs HJS

Das vorgenannte VW-Filtersystem benutzt ein Partikelfilterelement aus Keramik (Siliziumkarbid). Demgegenüber besteht der Filter der Firma HJS aus Sintermetall. Dieses Filtersystem erhielt 2003 den Deutschen Umweltpreis und hat – laut Herstellerangaben – u. a. folgende Vorteile:

Filterwirkung max. 99 % , i. A. stets über 95 %
optimale An- und Durchströmung
niedriger Abgasgegendruck
hohe Speicherungsfähigkeit für Ascheablagerungen
modularer, selbsttragender Aufbau (daher einfache Lagerung)
einfache Anpassung an unterschiedliche Bauraum-Vorgaben
leicht zu reinigen
kostengünstiges „Canning“ (Einbau in Gehäuse), auch Ersatz gegen ein eventuell vorhandenes Keramikfilter in einem CRT-System möglich
einfaches Recycling (Trägermaterial Metall statt Keramik)

Die meisten der genannten Vorteile begründen sich leicht in der Form dieser Filter: Sie haben einen Aufbau aus „Filtertaschen“ aus Sintermetall, anstelle des wabenförmigen Aufbaus der Keramikfilter. Der Regenerationsprozess geschieht auch hier durch Erhöhung der Filtertemperatur über die Zündtemperatur der eingelagerten Rückstände. Sintermetallfilter eignen sich sowohl für derzeitige Additivsysteme als auch für Systeme ohne Additivzugabe. Sie lassen sich zur Regeneration zusätzlich elektrisch beheizen. Dadurch lässt sich theoretisch jede Zündtemperatur der Ablagerungen erreichen. Zusätzlich lässt sich wie beim Additivsystem durch vorübergehende Veränderung der Motorsteuerung während des Abbrandprozesses die Temperatur erhöhen.

Die Bauform (Varianten zeigen die drei untenstehenden Bilder) dieser Filter ermöglicht ferner ein hohes Rückhaltevermögen an unverbrennbaren Ascheresten, was die Wartungsintervalle streckt. Ärgerlich an allen bisherigen Filtersystemen ist, dass die eigentlichen Filter nach Angaben der Fahrzeughersteller beim Einsatz von sogenanntem „Bio-Diesel“ sehr schnell verstopfen. Die Freigabe vieler Serien-Dieselfahrzeuge für Bio-Diesel gilt zurzeit nicht, wenn das Fahrzeug mit einem der vorgestellten Partikelfiltersysteme ausgerüstet ist.

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