CC Diesel-Partikelfilter

Transkript

1 CC Diesel-Partikelfilter Extrem wirksam: Bis zu 99% Abscheidung Extrem haltbar: Temperaturfest bis 2200 Grad Extrem einfach: Einbauen und vergessen... Monolithen aus Siliziumkarbid garantieren - Sehr geringern Druckverlust im Abgas - Ideale Porengröße- und Verteilung - Extreme thermische Stabilität bis 2200 C - Stabilität gegen Temperaturschocks - Hohe mechanische Stabilität - Starke Schalldämpfung - Regenerierbarkeit mit allen Verfahren Das System besteht aus einem Tiefenfilter, hergestellt aus hochtemperaturbeständigem gesintertem Siliziumkarbid und einem Gerät, welches ein organisches Metalladditiv in geringen Mengen (ppm-bereich) zum Kraftstoff hinzumischt. Ein Vorrat an Additiv wird im Fahrzeug mitgeführt und reicht für ca km bzw. 500 bis 1000 Betriebsstunden aus. Im Brennraum des Motors wird das Additiv zusammen mit dem Kraftstoff verbrannt. Die flüchtigen Bestandteile des Additivs sind identisch mit Diesel-Aromaten. Sie gelangen in einer Menge von 0,05% in den Kraftstoff und werden im Motor praktisch rückstandsfrei verbrannt. Die Additive sind von den Behörden zur Verwendung in Verbrennungsmotoren freigegeben. Das Additiv wird im Brennraum zusammen mit dem Kraftstoff verbrannt und gelangt als sehr fein verteiltes Metalloxid mit dem Russ zusammen in den Filter. Es verbindet sich innig mit den Rußpartikeln und wird zusammen mit den Partikeln im Filter abgelagert. Sowohl im Brennraum, als auch im Filter wirkt das Metalloxid katalytisch im engen Kontakt mit Rußpartikeln. Die Metalloxidemission des Abgases nach dem Filter liegt dennoch an der Schwelle der Meßbarkeit, jedenfalls niedriger als die Metallemission eines Verbrennungsmotors ohne Partikelfilter. Der Filter nimmt einen großen Teil dieser Emission auf und lagert die Oxidpartikel in seiner Matrix ein. Nach ca 1000 Stunden Betrieb muß der Filter durch Ausblasen von den eingelagerten Aschepartikeln befreit werden. Diese Asche ist inert und ungiftig und kann wie gewöhnliche Ofenasche dem Hausmüll beigegeben werden. Die eingefangenen Ruß-Partikel werden bei relativ niedrigen Temperaturen (beginnend ab 150 Grad) oxidiert. Es stellt sich ein von der Abgastemperatur abhängiges

2 Gleichgewicht zwischen einerseits ankommenden Partikeln und oxidierten Partikeln andererseits ein. Bei hoher Abgastemperatur (also bei hoher Motorlast und starker Abgastrübung vor Filter) werden große Partikelmengen oxidiert, so daß sich eine niedrige Beladung des Filters als Gleichgewicht einstellt. Bei niedriger Last werden nur geringe Partikelmassen vom Motor produziert, aber wegen niedriger Abgastemperatur auch nur geringe Mengen von Partikeln wieder verbrannt. Als Resultat stellt sich nach längerer Laufzeit eine Beladung des Filters ein, die größer ist als bei hoher Last. Es treten im ungünstigsten Fall Abgasgegendrücke von ca. 100 mbar bei Vollast auf. Die Elektronik, welche die Additivmenge steuert, erfüllt gleichzeitig Überwachungsaufgaben bezüglich Druck, Temperatur im Abgas und Füllstand des Additivvorrates, Der Fahrer wird bei Eintreten eines außergewöhnlichen Zustandes benachrichtigt. Es kann auch ein Eingriff ins Motormanagement vorgenommen werden, um Schäden auf Grund von Filterdefekten zu vermeiden. Prinzipiell sind die SiC-Monolithen für alle Regenerationsverfahren geeignet. Für Strassenfahrzeuge und BHKWs ist das Additiv-Verfahren das problemloseste. Das Additiv wird in einem kleinen Zusatztank im Fahrzeug mitgeführt und mit Hilfe einer wartungsfreien Dosierautomatik entsprechend der verbrauchten Kraftstoffmenge direkt in den Kraftstoff gegeben. Stand 009/2005

3 Funktionsschema Im Brennraum des Motors verbindet sich Metalloxid aus dem Additiv fest mit Kohlenwasserstoff- und Rußpartikeln und beginnt sofort katalytisch zu wirken. Die Rußemission sinkt auch ohne Filter beträchtlich. Das Rohabgas aus dem Dieselmotor besteht aus: CO Kohlenmonoxid HC Kohlenwasserstoff NOx Stickoxide, ( 95% NO und 5% NO2) und Russpartikeln. Außerdem restliches O2 und N2 aus der Ansaugluft, welche den Motor unverändert passiert. Partikelfilter Ab einer Abgastemperatur von 150 Grad wirkten die Metalloxide aus dem Additiv katalytisch auf die Rußpartikel und oxidieren diese zu Wasserdampf und CO2. Das Abgas, welches den Filter verlässt, ist zusammengesetzt aus: CO2 Kohlendioxid H20 (Wasserdampf) NO Stickoxide Außerdem O2 und N2 aus der Ansaugluft und eine geringe Menge an CO und Kohlenwasserstoffen. Die Filterbeladung bleibt konstant, nach langer Laufzeit (ca 1000 Std) muß lediglich die ungiftige und inerte Metallasche ausgeblasen oder abgesaugt werden. Stand 08/2005

4 Bestimmung des Wirkungsgrades von Partikelfiltern Die StVZO legt der Messung der Partikelemission eine bestimmte Grössenverteilung der Partikel vor. Das hängt mit dem Messverfahren zusammen. Für die Messung werden die Abgase durch ein Papierfilter mit definierter Porengrösse- und verteilung geleitet und die zurückgehaltenen Partikel auf einer Feinwaage gewogen. Partikel, welche kleiner sind als etwa 0,1 µm werden nicht erfasst, weil sie durch die Poren des Messfilters durchschlüpfen. Das Messergebnis wird in Gramm/km angegeben. Für jede Partikelgrösse ergibt sich auf Grund der vorgeschriebenen Grössenverteilung ein bestimmter Wert bezüglich des Gewichts. Die Gesamtmasse ergibt sich aus dem Durchschnitt. Mit Filter wird ebenfalls ein Wert ausgegeben, welcher einen Durchschnitt der unterschiedlich grossen Partikel darstellt. Der Unterschied der beiden Messgrössen ohne und mit Filter wird auf den Messwert ohne Filter (=100%) bezogen und als Wirkungsgrad angegeben. Messbereich lt. StVZO Gesamtmasse ohne Filter mit Filter 10T ,1 Grösse (µm) Man kann statt der Partikelmasse auch die Anzahl der Partikel als Bezugsgrösse zum Rechnen benutzen. Dabei ist zu beachten, dass z.b. die doppelte Masse von Partikeln etwa die 4-fache Anzahl der Partikel ergibt, die Anzahl steigt etwa mit dem Quadrat der Masse. Je kleiner also diese Partikel werden, desto stärker steigt die Anzahl bezüglich der Masse.

5 Dazu kommt noch eine Besonderheit der kleineren Partikel: Auf Grund der mit kleinerer Partikelgrösse immer bedeutender werdenden Anziehungskraft aufgrund dstatischer Aufladung werden die kleineren Partikel stärker angezogen als die grösseren. Das heisst, dass bei anwachsendem Filterkuchen die kleinen Partikel überproportional ausgefiltert werden. In der unten angegebenen Kurve macht sich das durch den Knick bei 100 µm bemerkbar. Gesamtzahl (%) ohne Filter mit Filter 10T ,1 Grösse (Ø in µm) Man sieht, dass selbst innerhalb des Geltungsbereichs der StVZO die Minderung der Partikelanzahl prozentual grösser ist als die Minderung der Partikelmasse. Zusätzlich wird i.a. noch der Trick angewandt, dass die Feinpartikel unterhalb des Geltungsbereichs der StVZO in die Berechnung mit einbezogen werden, wodurch die Minderung noch deutlich stärker ausfällt (zur Erinnerung: die Berechnung des Wirkungsgrades geschieht auf Grund der durchschnittlichen Minderung bezüglich einzelnder Partikelgrössen bzw.-massen. So ist der Wirkungsgrad bezüglich der Partikel mit Ø 0,1µm im Diagramm Gesamtzahl sehr viel grösser als im Diagramm Gesamtmasse, was den berechneten Durchschnittswert anhebt). Wenn die Berechnung des Wirkungsgrades auf Grund der gemessenen Partikelmassen auch unterhalb des Geltungsbereiches der StVZO erfolgt, ergibt sich kein wesentlicher Unterschied im Ergebnis verglichen mit der Berechnung des Durchschnittwertes innerhalb der von der StVZO erlaubten Partikelgrössen. Auf Grund dieses Rechentricks können Wirkungsgrade von 30% bzgl. der Partikelmasse auf 80% bzgl. der Partikelanzahl heraufgerechnet werden. Stand 09/2005