Partikel Russfilter

Die Partikel im Diesel-Abgas enthalten vor allem Ruß und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Der durch den Verbrennungsmotor generierte Partikelgrößenverlauf (PGV) ist in der Regel multimodal und kann im entsprechenden Modus (logarithmisch dargestellt) als normal verteilt approximiert werden. Sie lassen sich beispielsweise auf die Rekondensierung flüchtiger Kohlenwasserstoffe (Tröpfchenbildung, Keimbildung) zurückführen, die dann im Teilchenspektrum auftreten und zu Missverständnissen in der Interpretation der Ergebnisse mit sich bringen können.

Wenn in der Gasstufe kleine Teilchenkeime (z.B. Rußpartikel) auftreten, wird dies als heterogene Keimbildung bezeichnet. Mit einem Wandströmungsfilter (Wall-Flow, Honey-Comb, auch geschlossenes Verfahren genannt) wird das mit den Russpartikeln vermischte Rauchgas durch Durchdringen einer Porenfilterwand aufbereitet. Bei Flächenfiltern bleibt der Partikel überwiegend auf der Filterwandoberfläche schwebend oder verbleibt mittels Tiefensiebung in der Siebwand.

Dabei ist jedoch in beiden FÃ?llen darauf hinzuweisen, dass die Partikel nicht von einem siebbaren Effekt erfasst werden (d.h. die Partikel mÃ?ssen nicht gröÃ?er sein als die vom Abgasstrom durchflossenen Löcher), sondern hauptsÃ?chlich durch Haftung an der porösen Wandaussenkung gehalten werden. Bei der Abdeckung der Filterinnenflächen werden die Partikel auf der Fläche abgeschieden.

Dabei wird eine Partikelsubstratschicht (der so genannte Filterkuchen) gebildet. Beim Tiefenfilter werden die Partikel nur in der Innenfilterstruktur abgeschieden. Dabei können die Porenwände im Sieb unterschiedlich positioniert werden. Dadurch strömt das Gas durch die Porenwand. Aufgrund der Abscheidung der Partikel auf der Fläche oder innerhalb der Filtrationswand erhöht sich der durch den Abgasstrom entstehende Druckunterschied über den gesamten Filtrationsbereich.

Wird ein Schwellenwert erreicht, d.h. eine gewisse Russmasse gespeichert, wird die Regenerierung des Siebes angestoßen. Modernste Luftfilter haben eine Porengrösse von 10 µm im Untergrund. Dadurch sind die Porositäten wesentlich grösser als das zu filternde Teilchenspektrum, aber die Teilchen heften sich beim Durchlaufen an die Porenwand an, was zu einem Oberflächefiltrat führt, auf dem der so genannte Filtratkuchen aus weiteren separierten Teilchen gebildet wird.

Der Abscheidevorgang im Luftfilter findet nicht durch Filterung statt, sondern durch Streuung und Haftung, d.h. Umleitung und Haftung auf dem Innensubstrat. Der Wirkungsgrad, basierend auf Partikelmassen- und Zahlenverteilung, liegt damit auch bei feinsten Nanoteilchen > 20 nm im Rahmen von 90 bis 99,9 vH. Durch das Verbrennen der gespeicherten Partikel wird der Sieb regeneriert.

Eine Regenerierung wird erforderlich, wenn ein zu großer Gegendruck des Abgases dazu führt, dass die Partikelbelastung die Abgasemissionen zu sehr beeinträchtigt. Ein leicht zu messender Messwert, der es ermöglicht, die Größe der Filterlast zu erfassen, ist der Wirkdruck über dem Filtern. Das Überwachen des Differenzdruckes sowie das Einleiten und Steuern der Regenerierung erfolgt durch die Motorregelung des Diesels.

Je nach Fahrerprofil erfolgt die Regenerierung in Zyklen von mehreren hundert km. Eine von der Motorsteuerung initiierte Regenerierung ist unter erschwerten Bedingungen (Autobahnbetrieb) erst nach wesentlich höherer Laufleistung oder gar nicht erforderlich; unter erschwerten Bedingungen (Nahverkehr) können Probleme bei der Filterbeladung auftreten. Der Autofahrer bemerkt nichts von der Regenerierung, die Leistung des Motors wird dadurch nicht beeinflusst.

In der Filteranlage wird der Ruß während der Regenerierung in CO2 umgesetzt. Bei jeder chemischer Umsetzung ist eine gewisse Erwärmung erforderlich, um die angehäuften Partikel zu verbrennen. Weil Ruß vor allem eine Kohlenstoffart ist, ist die Regenerierung eine exterme Oxydation, die eine weitere Entzündung nach der Zündung des Rauches zulassen kann.

Für eine Regenerierung ist eine minimale Ablufttemperatur von 500-550 C erforderlich (abhängig vom Verfahren "additive supported" oder "catalytically supported", s. u.). Für die Regenerierung über eine hinreichend heiße Abgasetemperatur stehen folgende unterschiedliche Verfahren zur Verfügung, die auch kombiniert werden können: Dies hat den großen Vorzug, dass keine Verdünnungsgefahr des Motoröls droht (besonders bei einem zunehmenden Biokraftstoffanteil ) und sich das Fahr- oder Reaktionsverhalten des Antriebs während der Regenerierung nicht verändert.

Durch die Verwendung einer dem Sieb vorgeschalteten Heizwendel kann das Rauchgas auch hinreichend erwärmt werden. Die für die Verbrennung der Partikel im Luftfilter erforderliche Verbrennungstemperatur wird mit einem Kraftstoffzusatz von mehr als 600 C auf 500-550 C gesenkt. Die Partikeltemperatur im Luftfilter wird dann von 600 C auf 500-550 C gesenkt. Die Partikeltemperatur im Luftfilter wird dann durch die Zugabe eines Kraftstoffzusatzes gesenkt. Ein wesentlich sichereres Verfahren ist die Installation eines Dosiersystems, zum Beispiel mit einer Dosierpumpe, die das Durchmischungsverhältnis an den momentanen Abgasedruck vor dem Sieb anpasst.

Das bedeutet, dass dem Dieseltreibstoff nur die für eine gelungene Regenerierung erforderliche Additivmenge zugegeben wird. Durch diese Technologie wird die Ascheablagerung im Luftfilter verringert und die Serviceintervalle verkürzt. Diese Technologie wurde neben den Peugeot- und Citroën-Fahrzeugen mit FAP-Technologie auch in Land- und Baumaschinen, Staplern, festen Zuschlagstoffen und einigen Lastkraftwagen eingesetzt.

Die katalysatorisch assistierte Regenerierung hat sich als Alternativtechnologie zur additiv assistierten Regenerierung im Personenkraftwagen durchgesetzt. Die katalytische Beschichtung des Filters ist vergleichbar mit einem Oxydationskatalysator. Man nennt diesen Partikelfilter "beschichtet" DPF, "beschichtet" RPF, CSPF oder CSF (Catalysed Soot (Particle) Filtration = Catalytic Soot (Partikel) Filter). Im Rahmen der Passivregeneration wird bei ausreichend hoher Temperatur und NO2-Konzentration - insbesondere im Autobahn-Betrieb - der Ruß dauerhaft in CO² umgewandelt.

Der Prozess findet in einem Arbeitstemperaturbereich von 350-500 C statt und findet ohne spezielle Vorkehrungen nach dem CRT-Prinzip (CRT: Continuous Regenerating Trap) statt. Im längeren Einsatz bei geringen Belastungen - wie z.B. im innerstädtischen Verkehr - findet alle 1000-1200 km oder bei einer von den jeweiligen Verbrauchssensoren ermittelten Höchstlast durch Erhöhen der Abgastemperatur auf 600 C durch Nacheindüsung eine Aktivregeneration statt.

Der Vorteil dieses Prozesses liegt in den niedrigeren CO-Sekundäremissionen, deutlich weniger Ascherückständen im Rußpartikelfilter, dem Wegfall des Zusatztanks für das Zusatzmittel und einem weiter gesteigerten Effizienzgewinn bei gleichzeitig niedrigerem Zusatzverbrauch im Vergleich zu einem herkömmlichen Wandströmungsfilter. Im Dieselpartikelfilter ist die Partikelverbrennung nicht rückstandslos. Durch die im Motoröl und im Kraftstoff enthaltene Additivierung kommt es nach hohen Fahrzeuglaufzeiten zur Ascheabscheidung im Sieb.

Dadurch steigt der Abgasströmungsdruck des Filter und damit der Treibstoffverbrauch. Durch Rückspülung des Filter muss die Entaschung nach hoher Laufleistung (in der Grössenordnung von 100.000 Kilometern oder deutlich mehr) erfolgen. Alle Wandströmungsfilter haben gemeinsam, dass sie eine sehr gute Abscheideleistung (mehr als 95 %) der Gesamtpartikelmasse über einen langen Zeitraum hinweg stabil halten und den Treibstoffverbrauch leicht erhöhen.

Dieser Anstieg ist zum einen auf die Regenerierung (Mehrverbrauch durch Nachinjektion oder höherer Stromverbrauch durch die Heizspule) und zum anderen auf den erhöhten Abgasgegendruck durch die im Sieb gespeicherten Partikel zurückzuführen. In der Regel bestehen Strömungsfilter aus dünnwandigen Stahllamellen mit zielgerichteter Strömungsregelungstechnik, bei der die Partikel vom Rauchgas abgetrennt und zur Deposition an die Innenfläche des jeweiligen Filtertyps eingebracht werden.

Die dort abgeschiedenen Partikel werden bei ausreichend hoher Temperatur und NO2-Konzentration nach dem so genannten CRT-Prinzip (CRT: Continuous Regenerating Trap) kontinuierlich aufbereitet. Weil das Gas in einem Strömungsfilter nicht in eine feinporige Wandfläche eindringen muss, ist der Abscheidegrad - vor allem bei kleinsten Partikelanteilen mit einem Durchmessern von weniger als 100 Nanometern (der im normalen Betrieb die gebräuchlichste Teilchenfraktion in heutigen Dieseltreibern ist) - wesentlich niedriger.

Der Rückgang der Gesamtpartikelmasse liegt bei nur 30 bis 40 Prozent (etwa 90 Prozent der Partikelzahl). Werden Strömungsfilter nachgerüstet, sind neben dem Anbau des Abluftreinigungssystems aufgrund der ständigen Regenerierung keine weiteren Modifikationen am Automobil erforderlich. Grundsätzlich kann jedes Abgassystem eines Dieselmotors mit einem eigenen Frequenzumrichter ausgerüstet werden. Die Umrüstung von Diesel-PKWs auf Partikelfilter ist in Deutschland steuerbegünstigt.

Bei Diesel-Pkw, die bis Ende 2006 erstmalig angemeldet wurden und nachweisbar gewisse Feinstaubgrenzwerte nach Filtereinbau erfüllen, wird bis Ende 2009 eine Kfz-Steuerermäßigung von bis zu 330 EUR eingeräumt. Neue Dieselfahrzeuge ohne Rußpartikelfilter, die am oder nach dem Stichtag der Zulassung am oder nach dem Stichtag registriert sind, unterliegen dem Steuerzuschlag.

Sofern sie nicht den künftigen Euro-5-Grenzwert für die Feinstaubmasse von 0,005g/km einhalten. Kraftfahrzeuge, die bereits ab Werk mit einem geeigneten Luftfilter ausgestattet sind, unterliegen nicht dem gesetzlichen Rahmen und sind daher nicht steuerbegünstigt. Bei Dieselfahrzeugen ohne Umluftfilter kann es aufgrund von steuerlichen Nachteilen und möglichen Fahrverbote zu Wertverlusten kommen. Andererseits erhöht ein Filtern den Wiederverkaufswert.

Seit dem I. Jänner 2005 gibt es in Österreich eine Staatszuschuss für Fahrzeuge mit Vorfilter. Damit wird die NoVA für alle Dieselfahrzeuge mit Filtern, die bis zum Stichtag 31. Dezember 2007 registriert sein werden, um 300 EUR ermäßigt. Bei Diesel-Pkw ohne Umluftfilter stieg die NoVA um 0,75 Prozent (aber nicht mehr als 150 Euro).

Die Prämie wird nur bei Überschreitung gewisser Grenzen gezahlt, die bei einer Umrüstung in der Praxis in der Praxis nicht einhalten werden. Mit Inkrafttreten der so genannte Feindstaubverordnung ist die Kennzeichnungspflicht von Fahrzeugen nach der Menge ihrer Partikelemissionen deutschlandweit vereinheitlicht. Danach können Diesel-Pkw durch Umrüstung auf Partikelfilter gewisse Höchstwerte einhalten, die zu einer Einordnung in eine Partikelreduzierungsstufe fÃ?hren und in Deutschland als ein Merkmal fÃ?r die Vergabe von Plaketten (grÃ? oder gelb) berÃ?

Mit den so genannte offene Schwebstofffiltersysteme, die den Schwebstoffausstoß nicht wie bei geschlossenem Schwebstofffiltersystem weitestgehend auf 0,001 g/km reduzieren, werden die Abgasgrenzwerte PM 1 bis PM 3 eingehalten. PM 1: Diesel-Pkw der Klassen Euro 1 und Euro 2 können so die Euro 3-Grenzwerte erfüllen, nÃ??mlich eine Partikelmasse von weniger als 0,05 g/km.

PM 2: Euro 3 Diesel-Pkw können die Euro 4-Grenzwerte erfüllen, d.h. Partikelemissionen von weniger als 0,025g/km. Die Diesel-Pkw der Klasse 4 erfüllen damit die Abgasgrenzwerte der Klasse 5, nÃ??mlich eine Partikelmasse von weniger als 0,005g/km. PM5: Gültig für Diesel-Pkw der Klassen Euro 3 und Euro 4, die auch die Euro 5-Grenzwerte erfüllen. Seit den 1970er Jahren sind Filtrationsfilter in Dieseltreibern und Fahrzeugen im Untertageeinsatz oder in großen Messehallen weit verbreitet.

Der Einsatz dieser auch für jeden einzelnen Antrieb einzeln verfügbaren Schutzfilter wird jedoch durch administrative Hindernisse außerhalb dieses Anwendungsbereichs vereitelt. 1985 hat Mercedes-Benz ein Gefährt (300 SD) mit integriertem Luftfilter auf den Markt gebracht. Dabei handelt es sich um ein Produkt der Firma Mercedes-Benz. Allerdings hatte dieses nur für den nordamerikanischen Raum vorgesehene Gerät erhebliche Schwierigkeiten mit der Haltbarkeit des Siebes. Nach dem jahrelangen Verzicht führender Autohersteller auf die Markteinführung von Filteranlagen kam der technologische Fortschritt im Jahr 2000, als Peugeot den 607 standardmäßig mit einem eigenen Schutzfilter ausstattet.

Produzent des Ready-to-Sale Filtermaterials (FAP) war neben dem in Deutschland beheimateten Unternehmen Tenneco der im Mehrheitsbesitz der PSA-Gruppe stehende Lieferant Faurecia. Dies war ein Wandströmungsfilter mit additivgestützter Nachspeisung. Allerdings hat der Rußpartikelfilter 607 trotz Filtereinsatz die seit dem I. Jänner 2005 geltende Schadstoffnorm für Rußpartikel nach wie vor nicht erfüllt.

Im Jahr 2003 führten Tenneco und Faurecia eine neue Filtergeneration ein, die jetzt mit einer katalytischen Regenerierung ausgestattet ist. Die damit ausgestatteten HDI-Dieselmotoren (High Pressure Direct Injection = Common Rail Injection) wurden von PEUGEOT auf der IAA 2003 präsentiert. Mit Sicherheit ist der Luftfilter die technologisch unkomplizierteste Möglichkeit, die karzinogenen Partikel in den Abgasen von Verbrennungsmotoren stark zu verringern.

Allerdings sollte das Verbesserungspotenzial der Partikelbelastung durch den Partikelfilter nicht zu hoch eingeschätzt werden, da der Prozentsatz des Strassenverkehrs (Pkw und Nutzfahrzeuge) an der Partikelbelastung < 10 µm in Deutschland durchschnittlich nur 17 Prozent ausmacht (" Quelle: SPIEGEL 14/05). Bei Filtern ist die Nutzung von purem Bio-Diesel (RME) nicht oder nur bedingt möglich.

Andererseits sind die von der EU festgelegten Grenzwertüberschreitungen in der Tat auf den Straßenverkehr als Hauptquelle zurückzuführen. Der Straßenverkehr ist die Hauptquelle. Darüber hinaus werden durch häufiges Starten mehr Partikel im städtischen Verkehr austreten. Bisher wurden jedoch nur die PM10-Werte und nicht die noch kleineren krebserregenden und emissionstypischen Partikel ausgelesen. In Filtern (sogenannten geschlossenen Systemen) wird der Ausstoß von Feinstaub nahezu vollständig reduziert.

Sie können den Stromverbrauch leicht steigern, vor allem während der Regenerierung. Um die Russpartikel von Verbrennungsmotoren in Pkw zu reduzieren, hat die EU seit 1993 die Emissionsnormen für Partikel im NEFZ-Prüfzyklus wie folgt verschärft: Die Partikelgrenzwerte von 5 mg/km sollten auch für Benzinmotoren mit Magerverbrennung und Direkteinspritzung ab Euro 5 gelten.

Durch diesen Feinstaubgrenzwert für Benzinmotoren könnten solche Kraftfahrzeuge auch mit einem Schutzfilter für die Euro-5-Zertifizierung ausstatten werden. Große Dieselloks werden heute in der Regel mit Filtern verkauft. Lediglich für kleine Autos gibt es eine Wahl, denn bei kleinen Maschinen können die Grenzwerte bei kleinen Maschinen auch ohne Filtern beibehalten werden. Weil diese jedoch nicht mehr dem neuesten technischen Standard entspricht, sollten nur verschlossene Fehlerfilter mit entsprechendem Motorschutz ausgewählt werden.