Der Praxisnutzen von Partikelfiltern bei Dieselmotoren

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1 Der Praxisnutzen von Partikelfiltern bei Dieselmotoren von Johannes Maschl Erstauflage Diplomica Verlag 2014 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

2 Leseprobe Textprobe Kapitel 2.3, Möglichkeiten zur Schadstoffreduzierung Der Schadstoffanteil im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors kann durch folgende Maßnahmen reduziert werden a) Präventiv: Durch die Verwendung von z.b. schwefelarmen Dieselkraftstoff b) Innermotorisch: Durch Verbrennungsverlaufoptimierung c) Nachträglich: Durch Abgasnachbehandlung mit z.b. Katalysatoren sowie Partikelfiltern Beim Dieselmotor bewirkt eine Verdichtung der Verbrennungsluft mit einer vom Abgasstrom angetriebenen Turbine ( Turbolader ) eine Verringerung sämtlicher Schadstoffkomponenten im Abgas. Allerdings würde die durch die Kompression bewirkte Erwärmung der Ladeluft zu einem Anstieg der NOx-Emissionen führen, so dass sie bei leistungsfähigen Motoren u.a. auch deswegen gekühlt werden muss. Eine feine und gleichmäßige Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs in der Brennkammer wirkt sich günstig auf den Verbrennungsverlauf und damit für die Minderung von CO-, CH- und Rußemissionen aus und trägt durch Senkung von Temperaturspitzen in gewissem Umfang auch zur Verringerung von NOx-Emissionen bei (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 8 f., 2003) 2.3.1, Abgasnachbehandlung Je nach Verbrennungsprinzip und Kraftstoffart werden unterschiedliche Abgaszusammensetzungen erzeugt. Beim Diesel sind vor allem CO, CH, NOx und Partikelemissionen von Bedeutung. Daher gilt es, diese zu minimieren Kleinere Dieselmotoren (z.b. für PKW) sind zur Emissionsminderung auch mit Oxidationskatalysatoren ausgestattet. Diese bewirken neben einer Minderung der gasförmigen CO- und CH-Emissionen eine Verringerung des Partikelgewichts durch Oxidation der an Partikel gebundenen Kohlenwasserstoffe. Eine Rußminderung erfolgt durch solche Oxidationskatalysatoren praktisch nicht. Zur Partikelabscheidung aus dem Abgas größerer Dieselmotoren wurden selbst reinigende Filteranlagen (Rußfilter) erprobt (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 9, 2003)

3 2.3.2, Grundlagen über Dieselpartikelfilter Es gibt unterschiedliche Bauweisen von Partikelfiltern. Der Zweck all dieser verschiedenen Systeme ist die Reduzierung von Partikeln bzw. sonstigen Schadstoffen (CO, HC-Emissionen,.) , Bauweisen Je nach Filtereffizienz und Arbeitsprinzip unterscheidet man offene und geschlossene Systeme - Offene Systeme Mit offenen Systemen sind Abscheidegrade von bis zu 60% möglich. Durch die offene Auslegung kann dieser Filtertyp nicht verstopfen. (vgl. Huss Umwelttechnik GmbH, Dieselpartikelfilter, 11.Mai 2006) Vorteilhaft wirkt sich jedoch nur die geringe Erhöhung des Abgasgegendrucks aus, was dazu führt, dass der Kraftstoffverbrauch nicht oder nur wenig ansteigt In offenen Systemen arbeitet ein sogenannter Durchflussfilter. Er besteht aus dünnen Stahlfolien, hitzebeständigen Faserfließen oder Geflechten, in denen die Partikel vom Abgas getrennt und zur Anlagerung auf die innere Oberfläche des Filters gebracht werden. Durch geeignete Vorrichtungen erreicht man, dass der größte Teil des Abgasstromes durch den Filter gelenkt und so gereinigt wird. Der Rest fließt ungefiltert durch (Effizienz von Filtersystemen, - Geschlossene Systeme Mit geschlossenen Systemen sind Abscheidegrade über 90% realisierbar, jedoch sind Filterverstopfungen vorprogrammiert. Aus diesem Grund muss ein Regenerationsverfahren zur Absonderung der Dieselpartikel verwendet werden. (vgl. Huss Umwelttechnik GmbH, Dieselpartikelfilter, 11.Mai 2006) Bei den in geschlossenen Systemen häufig verwendeten Wandstromfiltern bestehen die Filterwände aus unterschiedlich porösen Werkstoffen, meist aus Metall oder Keramik. Klassische Keramiken sind Aluminiumoxid, Siliziumcarbid (SiC) und Corderit. Bei Metallen nutzt man hauptsächlich hochfeste Chrom-Nickel-Stähle. Die porösen Wände können im Filterkörper

4 unterschiedlich angeordnet sein. Bei Metallpulver und Fasern werden eher flächige Filterwände aufgebaut, die dann in Rohren, Taschen oder Bälgen angeordnet sind. Filter aus Keramikpulver besitzen oft eine Kanalstruktur, wobei die Kanäle wechselseitig verschlossen sind. Deshalb muss das Abgas durch die poröse Keramikwand strömen Probleme bei der Regeneration können zu Schäden an Motor und Filter führen. Zum sicheren Betrieb eines geschlossenen Partikelfilters ist daher ein ausgeklügeltes Filter- und Motormanagement erforderlich. Deshalb können geschlossene Filter nur mit größerem Aufwand in ältere Fahrzeuge eingebaut werden. (Effizienz von Filtersystemen, , Regenerationsprinzipien Je nach Motorbetrieb kann der Filter bereits nach einigen Betriebsstunden bis zur höchstzulässigen Grenze mit Partikeln beladen sein und muss regeneriert werden. Dazu, also zur Verbrennung dieser Rußpartikel, sind Zündtemperaturen zwischen 350 und 600 C erforderlich, abhängig vom jeweiligen Regenerationsverfahren. Solche Abgastemperaturen am Filtereintritt erreicht kaum ein modernes Dieselfahrzeug weder PKW noch LKW auch nicht unter Volllastbedingungen. Daher gilt es, besondere Maßnahmen zu ergreifen, um die Verbrennung entweder bei niedrigeren Temperaturen zu ermöglichen, oder die Temperatur durch Energiezufuhr zu erhöhen Um den unterschiedlichen Betriebsanforderungen gerecht zu werden, wurden verschiedene Regenerationsverfahren entwickelt. Man unterscheidet zwischen aktiven und passiven Systemen. In beiden Systemen kann die Regeneration entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich, also nach Bedarf ablaufen (Effizienz von Filtersystemen, - Aktive Regeneration Aktive Regenerationsverfahren führen dem Filter Wärme zu. Sie arbeiten in der Regel diskontinuierlich, das heißt die Wärmezufuhr, beziehungsweise Temperaturerhöhung wird eingeleitet, wenn ein bestimmter Beladungsgrad erreicht ist. Die häufigste Methode ist eine Temperaturerhöhung durch einen Brenner. Dieser wird in der Regel mit Dieselkraftstoff betrieben und heizt das Abgas bei beliebigen Betriebszuständen des Motors bis auf die Regenerationstemperatur (700 C) auf (Effizienz von Filtersystemen, - Passive Regeneration Bei passiven Systemen werden die Filter katalytisch regeneriert, was sowohl diskontinuierlich als

5 auch kontinuierlich erfolgen kann Ein diskontinuierliches Verfahren wurde serienmäßig als erstes von Peugeot eingesetzt. Mit Hilfe eines Kraftstoffzusatzes (Additiv), zum Beispiel Eisenoxid, wird die Temperatur zur Verbrennung der Partikel im Filter um 100 C herabgesetzt, so dass rund 500 C für die Regeneration in etwa zwei Minuten ausreichen. Beispiel für ein kontinuierliches Verfahren ist das CRT-Prinzip (CRT: continously regernation trap = Laufend regenerierende (Partikel-) Falle / Partikelfiltersystem). Es basiert auf dem Effekt, dass der Kohlenstoffanteil der Partikelmasse mi Stickstoffdioxid (NO2) bereits bei Temperaturen ab etwa 250 C reagiert. Dieses System kann für ungünstigere Betriebsbedingungen mit diskontinuierlich arbeitenden Regenerationshilfen wie elektrischer Heizung ergänzt werden (Effizienz von Filtersystemen,