Abstract. Zusammenfassung. 1. Einleitung. Friedrich-Wilhelm Kaiser Roman Konieczny

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1 Filtersysteme zur Rußpartikel-Reduktion im Abgas von Diesel- Kraftfahrzeugen - Technologien und Randbedingungen Filtration Systems to reduce Soot Particles from Diesel Vehicles Technologies and Boundary Conditions Friedrich-Wilhelm Kaiser Roman Konieczny Abstract In order to reduce the amount of soot particles, which are considered a health hazard, modern passenger car and heavy trucks are more frequently using particle filters. The general principle is such that the particles are temporarily deposited on a filter medium and then combusted under suitable conditions. This happens either continuously or discontinuously using engine management or engine peripherals. In this way the system can be operated in a continuous and mostly maintenance free fashion. This article describes the used filter media, the possible regeneration mechanisms, as well as the required engine and system measures. Zusammenfassung Zur Reduktion der als gesundheitsgefährdend eingestuften Rußpartikel von Dieselmotoren werden in modernen PKW und NFZ vermehrt Dieselpartikelfilter eingesetzt. Das generelle Prinzip beruht dabei darauf, diese Partikel zunächst in einem Filter- Medium zwischenzuspeichern und dann unter geeigneten Bedingungen abzubrennen. Dies geschieht entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich unter Zuhilfenahme geeigneter Mittel der Motorsteuerung bzw. Motorperipherie. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher, weitestgehend wartungsfreier Betrieb eines solchen Systems ermöglicht. Dieser Artikel beschreibt die verwendeten Filtermedien, die Regenerationsmechanismen sowie die notwendigen Motor- bzw. Systemseitigen Maßnahmen. 1. Einleitung Der Dieselmotor ist in Europa bereits seit langer Zeit der vorherrschende Antrieb für Nutzfahrzeuge. Dies ist begründet in seinem niedrigen Kraftstoffverbrauch und seiner Langlebigkeit, was beides deutlichen Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit für den Betreiber hat. Im privaten Bereich der PKW waren diese Tugenden jedoch nicht ausreichend, um Nachteile bei Geräusch und Komfort zu kompensieren und wirklich große Marktanteile zu erobern. Erst mit der Einführung turboaufgeladener, direkteinspritzender Motoren und der damit einhergehenden deutlichen Leistungssteigerung fand

2 der Dieselmotor breite Akzeptanz und konnte somit seinen Zulassungsanteil in Deutschland auf nahezu 50% ausbauen. Diese positive Entwicklung wurde in den vergangenen Jahren jedoch durch die sogenannte Feinstaubdiskussion eingetrübt. Dabei geht es um die wiederholte Überschreitung von Grenzwerten hinsichtlich der zulässigen Belastung vor allem in Städten und Ballungszentren. Dabei gelten als Feinstaub alle Partikel kleiner als 10µm, unter anderen z.b. auch Sahara-Sandkörner, was zu sehr interessanten Effekten führen kann. Generell ist allerdings eine deutlich höhere Konzentration im Bereich von Städten und Ballungszentren zu bemerken (Bild 1), beeinflußt durch Hausbrand, Industrieanlagen und öffentlichen Straßenverkehr. Bild 1 : Feinstaubbelastung in Deutschland Die Aufteilung der Gesamtbelastung ist in Bild 2 dargestellt. Demnach ist der Straßenverkehr lediglich zu 20% an der gesamten Feinstaubbelastung beteiligt. Schaut man sich allerdings den Bereich der besonders kleinen Partikel an, die aus medizinischer Sicht als besonders kritisch eingestuft werden, so stammen diese zu einem Großteil aus den motorischen Abgasen (Tabelle 1). Ihr Gesamtbeitrag zur Partikelmasse ist allerdings sehr gering, so daß selbst bei einer völligen Vermeidung von

3 Partikeln aus motorischer Verbrennung der Gesamtbeitrag zur Senkung der Feinstaubmasse sehr gering wäre. Bild 2: Feinstaubemissionen in Deutschland (Quelle: [1] ) Tabelle 1 : Einordnung von Feinstaub (Quelle: [1] ) Dennoch ist der Dieselmotor im Zuge dieser Diskussion zur primären Zielscheibe geworden; von Politik und Umweltverbänden wurde der sofortige, umfassende Einsatz eines Dieselpartikelfilters gefordert. Die gesetzlichen Vorschriften werden diesen aus technischer Sicht erst mit Inkrafttreten der zukünftigen Euro 5 Norm notwendig machen (Tabelle 2), allerdings existiert die Zusage der Deutschen Autoindustrie, spätestens ab 2008 alle neuen Diesel-PKW mit Partikelfiltersystem auszurüsten.

4 Tabelle 2 : Aktuelle PKW-Gesetzgebung sowie Vorschlag für Euro 5 Für die bereits im Markt befindlichen Fahrzeuge soll eine Nachrüstung angeboten werden. Dies ist der schnellste und effektivste Weg, um kurz- und mittelfristig eine deutliche Reduktion des Partikelausstosses zu bewirken. Wie in Bild 3 dargestellt, sind Fahrzeuge der Schadstoffklassen 2 und 3, also Fahrzeuge, die ab 1995 in den Verkehr gebracht wurden, überproportional an der Gesamtemission beteiligt. Dies liegt zum einen an dem recht hohen Bestand, zum anderen an den höheren spezifischen Emissionen dieser Fahrzeuge. [2] Bild 3 : Partikelemissionen von Dieselfahrzeugen (Städtische Gebiete, 2005) (Quelle: [2] ) Für die Nachrüstung sind die aktiven Systeme, die bei der Erstausrüstung Verwendung finden, zu komplex und zu teuer oder aber aufgrund der technischen Gegebenheiten schlichtweg nicht einsetzbar, so daß vorrangig passive Systeme mit geringerem Filterwirkungsgrad zum Einsatz kommen. Vergleicht man jedoch die absolute Reduktion mit diesen Systemen bei den jeweiligen Fahrzeugen, so ist der Beitrag zur

5 Entlastung und somit zur Entschärfung der Feinstaubproblematik sehr ähnlich (Bild 4). Bild 4 : Reduktion der Partikelmasse durch Nachrüstung bzw. Erstausrüstung 2. Eigenschaften von Partikeln; Partikelanzahl und masse Für die Reduktion der Partikel sind ihre Eigenschaften bzgl. Größe, Aufbau und Zusammensetzung von entscheidender Bedeutung. Im Falle der Partikel aus dieselmotorischer Verbrennung handelt es sich um agglomerierte Partikel, die als wesentlichen Bestandteil primäre Rußpartikel aus dem Verbrennungsprozess enthalten. Diese Primärpartikel liegen etwa in der Größenordnung von 10 nm. In der Folge agglomerieren diese zu unterschiedlich großen Partikelgebilden, die durch unterschiedliche Dichte und Form sehr unterschiedliche aerodynamische Eigenschaften haben können. An diesen Ruß-Agglomeraten wiederum lagern sich weitere Bestandteile aus dem Verbrennungsprozess an, wie z.b. kondensierte Kohlenwasserstoffe oder mit im Kraftstoff enthaltenem Schwefel gebildete Sulfate (Bild 5). Diese beeinflussen wiederum in nicht unerheblichem Masse den Agglomerationsprozess und die Eigenschaften der gebildeten Partikel.

6 Bild 5 : Aufbau von dieselmotorischen Ruß-Partikeln (Quelle: EPA) Dies führt dazu, daß ausgehend von dem eigentlichen Primärpartikel eine große Bandbreite unterschiedlich großer Partikel im Abgas existiert. Bild 6 zeigt eine typische Größenverteilung eines PKW-Dieselmotors [4]. Die Darstellung zeigt ebenfalls, daß diese Verteilung nicht unmittelbar von der Partikelmasse abhängig ist, sondern daß bei verringerter Gesamtemission ebenso eine gleichmäßige Verringerung der unterschiedlichen Partikelgrößen zu beobachten ist. Dies könnte sich unter Umständen ändern, wenn neue Brennverfahren eingesetzt werden, die die Verbrennungsabläufe im Motor maßgeblich verändern. Bild 6 : Partikelgrößenverteilung unterschiedlicher PKW-Dieselmotoren (Quelle: [4] )

7 3. Unterschiedliche Systeme und ihre Eigenschaften Betrachtet man die vorherrschenden Abscheidemechanismen in Abhängigkeit der Partikelgröße im Vergleich zu der gezeigten Größenverteilung, so wird klar, daß für die Verringerung der Partikelanzahl die Diffusion eine entscheidende Rolle spielt. Aus diesem Grund kommen in erster Linie Tiefenfilter zur Anwendung. Die vorherrschende Rolle bisher spielt dabei der geschlossene, keramische Wabenfilter, auch Wall-Flow-Filter genannt. Dieser besteht im Prinzip aus wechselseitig verschlossen Kanälen (Bild 7). Das heißt, das Abgas, das auf der Eintrittsseite in den Kanal hineinströmt, kann nur wieder ausströmen, nachdem es durch die poröse Wand in den Nachbarkanal gelangt ist, der wiederum an der Auslaßseite geöffnet ist. Die eigentliche Filtration findet nun in bzw. auf der porösen Wand statt. Dabei sind zwei wesentliche Betriebszustände zu unterscheiden. Zu Beginn der Filtration, d.h. mit unbeladenem Filter, findet die Filtration zunächst in der Porenstruktur der Wand statt. Die zunehmende Beladung der Poren und entsprechende Verringerung der Querschnitte führt schließlich dazu, daß sich auf der Kanaloberfläche ein Filterkuchen bildet, der eine deutlich feinere Porenstruktur aufweist als die eigentliche Filterwand und somit die weitergehende Filtration maßgeblich beeinflußt (Bild 8). Bild 7 : Funktion eines geschlossenen Partikelfilters (Wall-Flow-Filter)(Quelle: [5] )

8 10 25 Porenlagen mm µm Bild 8 : Prinzip der Partikelabscheidung bei einem Wall-Flow-Filter (Quelle: [6] ) Um den Gegendruck des Systems niedrig zu halten, wird eine relativ grobe Porenstruktur der Filterwand eingestellt, was dazu führt, daß der Filterwirkungsgrad zu Beginn vergleichsweise gering ist. Erst mit Aufbau des Filterkuchens an der Oberfläche erreicht der Filter seinen vollen Wirkunsgrad im Bereich von 95-99% (Bild 9). Bild 9 : Effektivität keramischer Wall-Flow-Filter in Abhängigkeit der Beladung (Quelle: [7] )

9 Bild 10 : Aufbau des Nebenstromfilters PM-Metalit Im Gegensatz zum Wall-Flow-Filter gehört der Nebenstromfilter PM-Metalit zu den sogenannten offenen Filtern [8]. Er ist ebenfalls als Wabenkörper ausgeführt, aufgebaut abwechselnd angeordneten gewellten Folien und porösem Sintermetallvlies, das im Wesentlichen die Partikelspeicherung bewirkt (Bild 10). Bild 11 : Strömungsbedingungen im PM-Metalit Hierbei werden die Kanäle nicht komplett verschlossen, sondern die Strömung wird durch schaufelförmige Einbauten durch das Sintermetallvlies gelenkt. Dadurch herrschen in den unterschiedlichen Bereichen im Träger unterschiedliche Strömungsbedingungen (Bild 11). Im direkten Einflußbereich der Schaufel wird ein Teil der Strömung radial durch das Vlies geleitet. Da der Anteil im Vergleich zum Hauptstrom relativ gering ist, geschieht dies mit relativ moderaten Strömungsgeschwindigkeiten.

10 Hinter der Schaufel geschieht zum einen eine Durchmischung der unterschiedlichen Strömungsanteile, zum anderen wird durch die Querschnittsverengung eine Konzentration der Strömung im Bereich der Filterwand bewirkt. Dabei strömt ein Teil in axialer Richtung durch das Vlies, und auch aus den wandnahen Strömungsbereichen werden über Diffusion vornehmlich feine Partikel abgeschieden. Dies wird in der Simulation besonders deutlich (Bild 12). Während größere Partikel vornehmlich im Bereich der Umlenkung und damit im direkten Wanddurchtritt gefiltert werden, lagern sich die kleinen Partikel auch im Bereich bis weit hinter die Schaufel am Vlies ab. Bild 12 : Ablagerung von 200nm- und 20nm-Partikeln im Vlies Dies führt dazu, daß besonders für kleine Partikel hohe Filterwirkungsgrade erreicht werden können, selbst wenn die Verringerung der Partikelmasse lediglich im Bereich von 50% liegt (Bild 13). Das Hauptproblem beim Dieselpartikelfilter liegt nun darin, die einmal eingelagerten Partikel wieder zu entfernen, um einen wartungsfreien Betrieb des Fahrzeugs über weit mehr als km zu gewährleisten. Dabei kommen den Entwicklern die Oxidationseigenschaften der Rußpartikel zugute. Hierbei unterscheidet man zwei grundlegende Reaktionen : Die passive Regeneration über NO 2 und die aktive Regenration über Sauerstoff.

11 Bild 13 : Partikelgrößenverteilung bei 120 km/h vor und nach PM-Metalit Die Regeneration über NO 2 wird als passiv bezeichnet, da sie kontinuierlich abläuft und keine aktiven Eingriffe seitens des Motormanagements notwendig sind. NO 2 reagiert mit Ruß bereits bei Temperaturen ab etwa C. Allerdings ist der Anteil von NO 2 an der gesamten NOx-Emission aus der Verbrennung zunächst sehr gering. Um ausreichend NO 2 bereitstellen zu können, muß dies zunächst über einen Oxidationskatalysator aus dem vorhandenen NO erzeugt werden (Bild 14). Bild 14 : Verhältnis von NOx, NO und NO2 vor und nach Oxikat im NEDC Darüber hinaus ist zur vollständigen Reaktion von Ruß und NO 2 ein Verhältnis von theoretisch 1:7.7, praktisch noch deutlich höher erforderlich. In typischen PKW-

12 Anwendungen beträgt das Verhältnis jedoch, bedingt durch die Grenzwertvorgaben des Gesetzgebers, lediglich ca. 1:4 1:6. Hinzu kommt eine relativ geringe Reaktionsgeschwindigkeit, so daß diese rein passive Regeneration für einen 100%-Filter nicht ausreichend ist. Das ist auch der Grund, warum für die Nachrüstung passive, ungeregelte Systeme mit verminderter Massenreduktion zum Einsatz kommen, da hier lediglich dieser passive Regenerationsmechanismus anwendbar ist. Die aktive Regeneration nutzt die sehr schnelle Reaktion von Ruß mit Sauerstoff, die allerdings erst bei Temperaturen ab ca. 600 C abläuft. Solche hohen Temperaturen kommen im realen Betrieb bei einem Dieselmotor jedoch lediglich im Bereich der Vollast vor, wie das Temperaturkennfeld in Bild 15 verdeutlicht. Um eine Regeneration des Filters und damit die Betriebssicherheit des Fahrzeugs unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, sind somit aktive Eingriffe in die Motorsteuerung notwendig, um die Abgastemperatur künstlich anzuheben und damit die Regeneration herbeizuführen. Dies beinhaltet z.b. Maßnahmen wie Nacheinspritzung, Drosselung der Ansaugluft, Veränderung der Abgasrückführraten etc. Bild 15 : Temperaturkennfeld eines 3.0 l 6-Zylinder-Dieselmotors (Euro III) Da hiermit natürlich ein nicht unerheblich energetischer Aufwand verbunden ist, gibt es unterschiedliche Ansätze, die Oxidation des Rußes zu beeinflussen. Die ersten Partikelfiltersysteme, die auf den Markt kamen, setzten dabei zunächst auf die Wirkung von Kraftstoffadditiven. [5]

13 Bild 16 : Anlagerung des Kraftstoffadditivs zur Verringerung der Abbrandtemperatur an die Rußpartikel (Quelle: [5] ) Diese lagern sich unmittelbar an die Partikel an und werden mit diesen im Partikelfilter gespeichert (Bild 16). Der unmittelbare Kontakt zu den Rußpartikeln bewirkt eine deutliche Absenkung der Zündtemperatur. Somit kann die notwendige Abgastemperatur mit geringerem Energieeinsatz erreicht werden. Diese Additive haben allerdings den Nachteil, daß sie bei der Rußverbrennung Aschen bilden, die im Filter verbleiben und diesen mit zunehmender Laufleistung verstopfen. Bild 17 zeigt eine Röntgenaufnahme eines gealterten Filters mit großflächigen Asche-Ablagerungen. Diese bewirken eine deutliche Reduzierung der zur Verfügung stehenden Filterfläche und somit eine starke Zunahme des Druckverlustes. [9] Bild 17 : Ascheeinlagerung im geschlossenen Dieselpartikelfilter (Quelle: [9] )

14 Der Anteil dieser Aschen konnte seit den ersten Systemen durch eine Reduzierung der Dosiermenge sowie eine Umstellung auf modifizierte Additive deutlich verringert werden. Hinzu kommt allerdings noch ein Asche-Anteil, der aus sonstigen Kraftstoffadditiven sowie aus verbranntem Motoröl resultiert. In neuerer Zeit haben sich im Wesentlichen Systeme etabliert, die mit einem katalytisch beschichteten Partikelfilter arbeiten. Dabei kann ebenfalls die Reaktionstemperatur geringfügig abgesenkt sowie die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht werden. Zusätzlich übernimmt der Filter durch die katalytische Beschichtung ebenfalls einen Teil der Oxidationsaufgaben, so daß der eigentliche Oxidationskatalysator deutlich verkleinert werden kann oder bei einigen Systemen sogar komplett eingespart wird. 4. Zusammenfassung Im Zuge der Feinstaub-Diskussion, hervorgerufen durch wiederholte Grenzwertüberschreitungen hinsichtlich der limitierten PM10-Werte, geriet der Dieselmotor bezüglich seiner Partikelemissionen massiv in die Kritik. Vor allem im Bereich der besonders kleinen Partikel (Nanopartikel) trägt er mitunter erheblich zur Gesamtbelastung bei. Daraufhin wurde von Politik und Umweltverbänden massiv der Einsatz von Partikelfiltern gefordert und letztendlich von der Automobilindustrie auch umgesetzt. Diese Partikelfilter ermöglichen eine Reduktion der emittierten Partikel um bis zu 99%. Hierbei kommen in erster Linie keramische Wall-Flow-Filter zum Einsatz. Diese besitzen eine Kanalstruktur ähnlich einem Wabenkörper, wie er für Abgaskatalysatoren eingesetzt wird, mit dem Unterschied, daß durch wechselseitiges Verschließen der Kanäle die Strömung durch die poröse Wand geleitet wird, wo letztendlich die Filtration stattfindet. Maßgeblich für die Effektivität bzw. das Beladungsverhalten sind dabei Parameter wie Porosität und Porengröße. Ein Kernthema beim Einsatz von Partikelfiltern ist die Regeneration des beladenen Filters, um einen kontinuierlichen, wartungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Dazu muß der eingelagerte Ruß abgebrannt werden, was bei den Randbedingungen, die im PKW-Bereich vorherrschen, in den meisten Betriebszuständen nur durch Einbringung zusätzlicher Energie in Form von Kraftstoff gelingen kann. Dieser wird über Nacheinspritzung zur direkten Temperaturerhöhung des Abgases bzw. zur Erzeugung einer Exothermie über den Oxidationskatalysator genutzt. Zur Steuerung bzw. Initiierung dieser Vorgänge existieren besondere Anforderungen sowohl an die entsprechende Hardware als auch an die Systemsteuerung. Im Bereich der Nachrüstung von Altfahrzeugen werden sogenannte passive Systeme eingesetzt, bei denen die Regeneration kontinuierlich unter den durch die Applikation vorgegebenen Randbedingungen abläuft. Die hierbei im normalen Fahrbetrieb erreichbaren Umsatzraten liegen jedoch auf einem deutlich niedrigeren Niveau, so daß auch die Filtrations-Effizienz der Filter entsprechend angepaßt werden muß. Daher kommen hier in erster Linie Nebenstromfilter zum Einsatz, deren Filterwirkungsgrad entsprechend ihrer Beladung variiert und sich so den Gegebenheiten anpassen kann. Ungeachtet dessen weisen auch diese Filter bei den gesundheitsrelevanten Nanopartikeln hohe Umsatzraten auf. Für zukünftige Anwendungen, bei denen die Partikelmasse nochmals deutlich reduziert sein wird und das Thema Partikelanzahl endgültig in den Focus gerät, werden diese Filter vorraussichtlich an Bedeutung auch für die Erstausrüstung gewinnen.

15 Literatur [1] Gesetzgebung zur Einführung der Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren, Gordo Jain, BMU; FAD-Konferenz , Dresden [2] Auswirkungen der Nachrüstung von KFZ mit Partikelfiltern, Hinrich Helms, Udo Lamprecht, Ulrich Höpfner; Studie des IFEU-Instituts Mai 2005 [3] Gesetzliche Rahmenbedingungen Worauf kommt es an?, Stefan Rodt, UBA; IIR-Tagung , Stuttgart [4] Zukünftige Anforderungen Abgasemissionen Diesel, Klaus-Peter Schindler, Volkswagen AG; FAD-Konferenz , Dresden [5] Verbesserte Kraftstoff-Additive von der F&E zur Serienreife, W.Naschke, G.Blanchard, Rhodia; T.Seguelong, Aaqius&Aaqius; G.Zikoridse, U.Hofmann, HTW Dresden; FAD-Konferenz , Dresden [6] Anforderungen an Partikelfiltersysteme für Dieselmotoren, Andreas Mayer, TTM; HdT-Tagung , Ismaning [7] Materials for Diesel Particulate Filters Properties and Application, C.D.Vogt, A.Schäfer-Sindlinger, T.Ito, NGK Europe; R.Matsubara, F.Katsube, NGK Insulators; HdT-Tagung , Ismaning [8] Der metallische Nebenstromfilter PM-Metalit ; eine Lösung zur Partikelreduktion bei PKW- und NFZ-Anwendungen, Rolf Brück, Friedrich-Wilhelm Kaiser, Roman Konieczny, Emitec; HdT-Tagung , Ismaning [9] Dieselpartikelfiltersysteme für PKW Erfahrungen und Perspektiven, E.Jean, Faurecia Exhaust Systems, FAD-Konferenz , Dresden Autoren / The Authors: Dipl.-Ing. Friedrich-Wilhelm Kaiser, Emitec GmbH, Lohmar Dipl.-Ing. Roman Konieczny, Emitec GmbH, Lohmar