Rußfilter

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Dieselfilter ( "DRPF"), üblicherweise als DPF (Dieselpartikelfilter), Russpartikelfilter (RPF) oder Russpartikelfilter bekannt, sind eine Vorrichtung zur Reduktion der im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren enthaltenen Partikeln. Wandüberflutete Ölfilter werden oft irrtümlich als "geschlossene Filtersysteme" und Nebenstromfilter als "offene Filtersysteme" bezeichne. Denn sie können mehr als 98% der Feinstaubmasse ausfiltern - und bis 2015 (Euro 5) war für die Abgasgrenzwerte für Feinstaub nur noch die Menge und nicht die Anzahl der Feinstaubpartikel erforderlich.

Die besonders gesundheitsgefährdenden Mikropartikel haben jedoch vor allem nach jeder Regenerierung systemische Schwachstellen, bis sich wieder ein Siebkuchen gebildet hat. Das ergibt, dass der Luftfilter eines Tage vollständig gefüllt ist (die Obergrenze betrug etwa 200.000 Kilometer im Jahr 2015). Weil der Ruß erst bei hohen Außentemperaturen um 500 Celsius brennt und das Rauchgas des Motors recht kühl ist, kann auch ein Rußfilter blockiert werden.

Die Regenerierung (Rußabbrand) erfolgt bei mittleren bis hohen Außentemperaturen, bei denen auch die chemischen Umsetzungen erfolgen. Dies kann dann zu anderen toxischen Substanzen fÃ?hren, die mit dem Rauchgas an die Umgebung abgegeben werden. Erste dieselbetriebene Boote und U-Boote zeigten sich durch weit sichtbar gewordene Rußflaggen. Nach jahrelangen Verzichten führender Autohersteller auf die Filtereinführung kam der technologische Fortschritt im Jahr 2000, als Peugeot den 406 sowie den 607 und den Citroën R8 standardmäßig mit einem Filtersystem ausstattet.

Dies war ein Wandströmungsfilter mit additiv unterstützter Wiederaufbereitung. Allerdings hat der 607 trotz des Filters die seit dem ersten Januar 2005 geltende Abgasstufe gemäß der Norm für Emissionen nach der Norm für Europa 4 noch nicht erfüllt. Obwohl die Abgasgrenzwerte der Norm für Rußpartikel um ein Mehrfaches niedriger waren, waren die Stickoxid- und Kohlenwasserstoff-Emissionen immer noch zu hoch.

Im Jahr 2003 führten Tenneco und Faurecia eine neue Filtergeneration ein, jetzt mit Katalysator. Auf der IAA 2003 präsentierte Peugeot diese bereits Euro-4-konformen HDi-Dieselmotoren (High Pressure Direct Injection, hier Common Rail Injection). In Dieselabgasen enthaltene Teilchen enthalten vor allem Ruß und unverbrannte Kohlenwasserstoffe.

Wandströmungsfilter, bei denen das Rauchgas eine Porenwand im Innenraum des Filters durchströmt. Für einen Wandströmungsfilter (Marketingname: CERACLEAN®, HONEYCERAM®, Wall-Flow, auch als geschlossenes Verfahren bezeichnet), wird das die Rußpartikel enthaltende Rauchgas beim Eindringen in eine Porenfilterwand durchströmt.

Bei Flächenfiltern bleibt der Schmutz überwiegend auf der Filterwandoberfläche oder verbleibt mittels Tiefenfilterung in der Siebwand. Grössere Teilchen können die Filterwände nicht durchdringen und an ihrer Fläche haften. So können sich bis zu 200 µm starke Lagen auf der Kanalfläche bis zum Regenerationszeitpunkt ausbilden.

Die physikalische Wirkungsweise zur Anhaftung der Teilchen an der Porenfilterwand basiert auf der Anhaftung. Durch den Diffusionsmechanismus wird die Partikelbewegung zur Wand des Filters verursacht und durch die Durchströmung des Filters mit dem Abgas aufgedeckt. Bei der Bedeckung der Filterinnenflächen lagern sich die Teilchen auf der Fläche ab.

Im Tiefenfilter werden die Teilchen nur in der Innenfilterstruktur abgeschieden. Dabei können die Porenwände im Sieb unterschiedlich gestaltet werden. Dadurch strömt das Rauchgas durch die Porenwand. Da sich die Teilchen auf der Fläche oder innerhalb der Filtermauer ablagern, erhöht sich der durch den Abluftvolumenstrom entstehende Druck.

Wird ein Schwellwert erreicht, d.h. eine gewisse Rußmenge gespeichert, wird die Regenerierung des Filtermaterials ausgelöst. Gängige Siebe haben eine Porenweite von 10 µm im Untergrund. Obwohl die Porositäten wesentlich grösser sind als das zu filternde Teilchenspektrum, haften die Teilchen beim Durchgang an der porösen Oberfläche, so dass sich ein Oberflächenfilter aus weiteren abgetrennten Teilchen ausbildet.

Mit einem Wandströmungsfilter werden alle für die Feinstaubdebatte wichtigen Punkte wie z. B. PM 10, PM 2,5, PM 1 und PM 0,1 (siehe Feinstaub) effektiv unterdrückt. Durch Verbrennen der eingebetteten Teilchen wird der Film regeneriert. Eine Regenerierung wird erforderlich, wenn ein erhöhter Gegendruck des Abgases die Abgasabgabe durch Partikelbelastung zu sehr beeinträchtigt. Der Druckunterschied über dem Sieb ist eine leicht zu messende Größe, die es ermöglicht, den Beladungsgrad des Siebes zu bestimmen.

Weil dieser Differenzialdruck in AbhÃ?ngigkeit von Drehzahl, Belastungszustand und Belastungsmenge schwankt, mÃ?ssen diese KenngröÃ?en in einem Diagramm festgehalten werden. Das Überwachen des Differenzdruckes sowie das Einleiten und Steuern der Regenerierung erfolgt durch die Motorregelung des Diesels. Der Regenerationsprozess erfolgt in Zyklen von mehreren hundert Kilometer, je nach Fahrweise.

Bei vorteilhaften Bedingungen (Autobahnbetrieb), bei Abgasetemperaturen im Temperaturbereich der Verbrennungstemperatur der Rußpartikel, ist eine vom Motor-Steuergerät initiierte Regenerierung, wenn überhaupt, erst nach wesentlich höherer Laufleistung erforderlich. Die Regenerierung wird vom Autofahrer nicht bemerkt, die Leistung des Motors wird nicht beeinflusst. Während der Regenerierung wird der Ruß im Sieb in CO2 umgerechnet.

Um die angehäuften Teilchen zu verbrennen, ist wie bei jeder beliebigen Chemikalie eine gewisse Verbrennungstemperatur erforderlich. Die Regenerierung ist eine exothermische Oxydation, die unter vorteilhaften Bedingungen ein weiteres unabhängiges Verbrennen nach der Zündung des Russes ermöglicht. Zum Regenerieren ist eine erforderliche Rauchgastemperatur von 500-550 C erforderlich (je nach Ausführung "additiv-unterstützt" oder "katalytisch unterstützt", s. u.).

Um eine Regenerierung über eine hinreichend große Temperatur des Abgases durchzuführen, gibt es unter anderem die folgenden verschiedenen und auch kombinierbar: 1: Letztere hat den großen Vorzug, dass keine Verdünnungsgefahr für das Motoröl entsteht (besonders bei steigendem Biokraftstoffanteil ) und dass sich das Fahr- oder Reaktionsverhalten des Triebwerks während der Regenerierung nicht verändert.

Die Erwärmung des Abgases kann auch über eine vor dem Sieb installierte Heizwendel erfolgen. Mithilfe eines Additivs zum Brennstoff (Additiv) wird die für die Partikelverbrennung im Sieb erforderliche Verbrennungstemperatur von mehr als 600 auf 450 bis 550 C gesenkt. Ein weiteres Verfahren ist die Installation einer Dosiereinrichtung, zum Beispiel mit einer Dosierpumpe, die das Mischverhältnis dem momentanen Abgasstrom vor dem Sieb anpasst.

Das bedeutet, dass dem Dieseltreibstoff nur die für eine gelungene Regenerierung erforderliche Additivmenge zugesetzt wird. Diese Technologie verringert die Aschelagerung im Sieb und erhöht die Wartung. Nachteilig bei der Additivtechnologie ist, dass beispielsweise das oft verwendete Eisenerz bei der Regenerierung zu feinsten Teilchen oxidiert wird, die selbst atembar und nach neusten Kenntnissen ebenso schädlich sind wie die Dieselrußteilchen selbst.

Die katalytische Regenerierung hat sich als Alternative zur additiv unterstützten Regenerierung im Personenkraftwagen durchgesetzt. Die katalytische Beschichtung des Filters ähnelt einem Oxydationskatalysator. Man nennt diesen Partikelfilter "beschichtet" DPF, "beschichtet" RPF, CSPF oder CSF (katalysierter Rußfilter). Der Ruß wird in der Passivregeneration bei ausreichend hoher Temperatur und NO2-Konzentration dauerhaft in Kohlendioxid und Stickoxid (NO) umgewandelt - insbesondere im Autobahn-Betrieb.

Mit Hilfe dieses Stickstoffdioxids kann der im Rußfilter angesammelte Ruß (Rußoxidation) kontinuierlich zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickoxid (NO) verbrannt werden. Im längeren Niedriglastbetrieb - z.B. im innerstädtischen Verkehr - findet alle 1000 bis 1200 km oder bei maximaler Belastung durch entsprechende Sensorik durch Erhöhen der Abgasttemperatur auf 600 C durch Nachinjektion eine Aktivregeneration statt.

Zu den Vorteilen dieses Prozesses zählen geringere sekundäre CO-Emissionen, deutlich weniger Ascherückstände im Schwebstofffilter, der Wegfall des Zusatztanks für das Zusatzmittel und ein weiter verbesserter Abscheidegrad bei niedrigerem Zusatzverbrauch im Vergleich zu einem herkömmlichen Wandströmungsfilter. Diese Mehrverbräuche resultieren zum einen aus dem Regenerierungsprozess, der durch die nachträgliche Einspritzung von Brennstoff oder zusätzliche Verbräuche durch die Generierung von elektrischem Strom für die Heizwendel entsteht, und zum anderen aus dem durch die im Luftfilter gespeicherten Schmutzpartikel verursachten Abgasrücklauf.

Offline-Brunnenfilter, zu Unrecht auch Strömungsfilter oder offenes System bezeichnet, funktionieren in der Regel gemäß dem Grundsatz der Offline-Brunnenfiltration. Der Bypass arbeitet überwiegend nach dem von Johnson Matthey patentierten CRT-Verfahren (CRT = Continuously Regeneration Trap). Weil diese mit Waschlacken und Edelmetall überzogen sind, werden sie oft auch als Partikel-Katalysatoren bezeichnet.

Seit 2004 werden solche von Emitec unter dem Markennamen PM-Kat von MAN verwendet und von Twintec mit eigener Lackierung als Retrofitfilter vertrieben. Der PM-Metalitfilter von Emitec ist eine dünne, gewellte Stahlfolie mit schaufelförmiger Unterkonstruktion und dazwischen liegenden Schichten aus Sintermetall-Vlies, die als Lagermedium für die Teilchen diente. Bei Teilchenkatalysatoren werden die angesammelten Teilchen bei ausreichend hoher Temperatur und NO2-Konzentration oxydiert und der Partikelfilter somit nach dem CRT-Prinzip (CRT: Continuous Regenerating Trap) fortlaufend wiederhergestellt.

Die Stickstoffdioxidbildung erfolgt aus Stickoxid im vorgelagerten Oxydationskatalysator und ggf. auf katalysatorisch überzogenen Filtermaterial. Insbesondere der für die nach dem Wandströmungsprinzip (Wandströmungsfilter) erforderliche Regenerierzyklus verlangt verschiedene Sensorik sowie einen umfangreichen Einsatz in den bestehenden Motorsteuergeräten der Vehikel. Weil jedoch ein großer Teil des Abgasstroms die Vliesschicht in Richtung der Längsachse passiert, werden die besonders gesundheitsgefährdenden Feinstpartikel (Durchmesser < 400 nm) durch Offline-Tropfenfilter aufgrund von Diffusionen/Haftungen um ca. 80 Prozent vermindert.

Das Verbrennen der Teilchen im Diesel-Partikelfilter ist nicht rückstandslos. Durch die im Motoröl und Dieselöl vorhandenen Zusätze kommt es zu einer Ascheansammlung im Sieb. Ebenfalls kommt es durch den Metallabtrag des Motors zu Ablagerungen im Sieb ( "vergleichsweise gering" im Vergleich zur chemischen Asche). Die heutigen (ab 2011) modernen Wandströmungsfilter erlauben eine Laufleistung von bis zu 180.000 Kilometern, bis der Aschefüllstand so hoch ist, dass der Diesel-Partikelfilter (DPF) durch ein neues Teil ersetzt werden muss oder der alte ersetzt werden muss.

Weil neue DPFs Kunden je nach Fahrzeugmodell zwischen 1.500 und 4500 EUR kostet, bietet viele Unternehmen die Dieselpartikelfilterreinigung als kostengünstigen Service an. Grundsätzlich kann jeder beliebige Dieselläufer mit einem eigenen Luftfilter umgerüstet werden. Nebenstromfilter und "offene" CRT-Wandfilter erfordern zur Regenerierung keine Sensorik oder Modifikationen am Fahrzeugsteuergerät.

Angefangen von Sintermetallfiltern (HJS, Mann+Hummel), Keramik- oder Metallschwämmen (GAT) über Metallfolien-/Metallvlies-PM-Katalysatoren (Twintec) bis hin zu Kombinationsfiltern - Katalysatoren und Filtern in einer Komponente - wurden verschiedene Konzepte verwirklicht. Die Kfz-Steuer für erstmals bis zum Stichtag des Jahres 2006 zugelassene nicht ausgestattete Diesel-Pkw stieg ab dem Stichtag des Jahres 2007 um 1,20 EUR je angefangenen 100 cm3 Hubraum.

Bei einem Diesel-Pkw mit 2000 cm³ Hubraum ist dies eine zusätzliche Belastung von 24 ? im Jahr. Bereits mit einem geeigneten Luftfilter ab Lager ausgestattete Kraftfahrzeuge waren vom Gesetzt nicht erfasst und daher nicht steuerbegünstigt. Bei Dieselfahrzeugen ohne Luftfilter kam es aufgrund steuerlicher Nachteile und möglicher Fahrverbote zu einem Umsatzrückgang.

Bereits seit dem 1. Juli 2005 gibt es in Österreich eine gesetzliche Unterstützung für Fahrzeuge mit Filtern. Beispielsweise wird die Normverbrauchssteuer (NoVA) für alle Dieselfahrzeuge mit Filtern, die bis zum Stichtag 31. Dezember 2007 registriert werden, um 300 EUR gesenkt. 7] Bei Dieselfahrzeugen ohne Luftfilter stieg der NoVA um 0,75 Prozent (höchstens jedoch um 150 Euro).

Diese Strafe wurde am 11. Juni 2006 auf 1,5 Prozent erhöht (jedoch nicht mehr als 300 Euro). Die Prämie wird nur bei Erfüllung gewisser Grenzen vergeben, die bei einer Umrüstung in der Regel unterbleiben. Danach können Dieselfahrzeuge durch den nachträglichen Einbau von Schwebstofffiltern gewisse Werte einhalten, die zu einer Klassifizierung in eine Partikelreduktionsstufe und in Deutschland als Kriterien für die Vergabe von Aufklebern (grün, rot oder gelb) dienen.

Den Grenzwert PM 1 bis PM 3 halten die so genannten "offenen" Partikelfilteranlagen ein, die den Partikelmasseausstoß keineswegs wie bei geschlossener Partikelfilteranlage auf das Maß von 0,001 g/km reduzieren. PM 1: Diesel-Pkw der Klassen 1 und 2 können damit die Abgasgrenzwerte für die Klasse 3 erfüllen, d. h. eine Partikelmasse von weniger als 0,05g/km.

PM 2: Euro-3-Diesel-Pkw können die Euro-4-Grenzwerte erfüllen, d. h. eine Partikelmasse von weniger als 0,025g/km. PM4 Fahrzeuge mit einem Partikelausstoß von weniger als 0,005 g/km erfüllen die Abgasgrenzwerte für die Abgasnorm E5. PM 5: Nur Neuwagen der Schadstoffklasse 3 und 4, die den Euro-5-Grenzwert von 0,005 g/km statt 0,050 g/km nach 3 bzw. 0,025 g/km nach 4 ab dem Zeitpunkt der erstmaligen Zulassung erfüllen.

Es gibt viele Gründe, warum die von der EU festgelegten Höchstwerte überschritten wurden. Mit Filtern (Wandstromfilter; oft irrtümlich auch geschlossenes System genannt) wird die Partikelmenge um weit über 90% verringert, aber die Feinstaubpartikel werden nicht ganz (in einigen Fällen nur um 50%) zerkleinert. Wandströmungsfilter produzieren deutlich gesundheitsgefährdende Stoffe, insbesondere so genannte polycyclische Aromaten ( "PAK") wie Benzo[a]pyren - nach VDI-Report 714, 1988, mehr als 300-mal so viel wie ein Kraftfahrzeug ohne Sieb ("während der Regeneration").

Vor allem bei der Regenerierung steigern sie den Treibstoffverbrauch um bis zu 9%, da das Treibstoffgemisch zur Rußverbrennung "gefettet" wird. In der Stadt werden die für die Regenerierung erforderlichen Temperaturen bei niedriger Drehzahl nicht eingehalten, so dass die Luftfilter schneller als der Durchschnitt verstopfen. Dadurch entstehen in regelmässigen Intervallen bei hohen Drehzahlen überflüssige Wege zur Reinigung des Filters.

Um die Russpartikel von PKWs zu reduzieren, hat die EU seit 1993 die Emissionsnormen für Dieselpartikel im NEFZ-Testzyklus wie folgt verschärft: Die Partikelgrenzwerte von 5 mg/km sollten auch für Benzinmotoren mit mageren Kraftstoffen und Direkteinspritzung ab der Norm 5 gelten. Lean heißt hier, dass während der Brennkammer (wie beim Dieselmotor) mehr Druckluft zur VerfÃ?gung steht, als zur vollstÃ?ndigen Brennkammer erforderlich ist (Lambda >1).

Diese Partikelgrenzwerte für Benzinmotoren könnten bedeuten, dass diese auch mit einem Partikelfilter für die Euro-5-Zertifizierung ausgerüstet werden müsse. Grössere Motoren sind bereits seit einiger Zeit mit Filtern erhältlich, obwohl die Emissionsgrenzwerte nach der Abgasnorm 4 und in einigen Fällen auch ohne Rußpartikelfilter hätten eingehalten werden können. Ohne Dieselpartikelfilter können die Grenzen der Eurostufe 6 wahrscheinlich nicht eingehalten werden.

Die für 2011 anvisierte strikte Partikelzahlgrenze von 6 1011 für den Einsatz in Europa wurde von den Wandfilterherstellern als unhaltbar abgetan. Das sind Spraydosen, die vom Luftfilter praktisch abgebaut werden. Auf einer SAE-Konferenz in Chicago stellte das amerikanisches Unternehmen Corning, selbst ein bedeutender Produzent von wandmontierten Schwebstofffiltern, fest, dass diese je nach Porengrösse und Porengrösse manchmal nur einen Abscheidegrad von 43% haben können.

Auch nach der Regenerierung, die alle 500 bis 1000 Kilometer erfolgt, liegt der Abscheidegrad nur noch unter 60 vH. Wenn Sie die Kontrolllampe ignorieren und das Fahrzeug noch fünf mal starten, können Sie nur mit eingeschränkter Geschwindigkeit in die Werkstätte einfahren.

CRT Dieselpartikelfilter können den Stickstoffmonoxidanteil (NO) und den Stickstoffdioxidanteil (NO2) an den Gesamtstickoxidemissionen (NOx) erhöhen[17], während herkömmliche Partikelfilter die Stickstoffdioxidemissionen um 30 Prozent reduzieren[18], indem sie Harnstoff zur gezielten Katalysatorreduktion hinzufügen. Die Mehrverbräuche führen unter anderem zur erforderlichen Regenerierung der Dieselpartikelfilter, die zusätzlich Kraftstoff benötigen. Durch das Verbrennen wird die für die Entzündung des anfallenden Russes erforderliche Temperatur des Abgases bis zur völligen Regenerierung erhöht und aufrechterhalten.

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