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  Partikelfilter




Aufgabe

Der Partikelfilter soll die entsprechenden schädlichen Partikel beim Dieselmotor aufhalten, in gewissen Regenerationsintervallen verbrennen und als unschädliche Bestandteile in die Umwelt entlassen. Die 2005 durch EU-Beschlüsse besonders stark aufkommende Diskussion um die Feinstaub-Emissionen in den Städten hat die Diskussion um den Partikelfilter besonders angeheizt.

Funktion

Da der eigentlich gesundheitsgefährdende Anteil am Diesel-Abgas nicht der Ruß selbst, sondern die anhängenden Kohlenwasserstoffe sind, wird der entsprechende Filter nicht als Ruß-, sondern als Partikelfilter bezeichnet. Jetzt kann man durch allerlei innermotorische Maßnahmen die Rußbildung vermeiden, oder diesen nach dem Ende der Verbrennung herausfiltern. Es gibt solche Anlagen schon lange, z.B. bei Stadtbussen. Nur mussten diese früher im Tages- oder Wochenrhythmus von den Feststoffen befreit werden. Es ist nicht einfach, die vollen Filter vor einer Verstopfung kontrolliert abzubrennen. Immerhin handelt es sich um leicht verdichteten Kohlenstaub, der anderswo auch schon einmal zu Explosionen führt. Da eine Regeneration mehrere Minuten dauert, muss z.B. zu hoher Sauerstoffanteil im Abgas vermieden werden, wenn die Nachverbrennung im Filter einmal in Gang gebracht ist. Bei Temperaturen weit jenseits der 1300°C kann auch Keramikmaterial dies nicht schadlos überstehen.

Neben den Partikeln sind auch die Stickoxide EU-zertifiziert. Bei der Auslegung des Motors muss sich der Entwickler im Prinzip zwischen einer heißen und wirtschaftlichen Verbrennung mit hohem Stickstoffausstoß und einer weniger heißen mit höherem Partikelausstoß entscheiden. Durch besondere Regelung der gekühlten Abgasrückführung ist zwar geringer Partikel- und NOX-Ausstoß möglich, birgt aber Nachteile in Bezug auf den Verbrauch. Grundsätzlich verringert z.B. ein SCR-Kat-System Stickoxide, der Partikelfilter Partikel. Hierbei unterscheidet man zwischen offenen und geschlossenen Systemen. Offene Systeme kommen ausschließlich bei der Nachrüstung vor. Diese werden als Metallkats ausgeführt und haben entsprechende Öffnungen mit Luftleitung zur Rußablagerung. Besonders wichtig ist, dass sie nicht verstopfen können.

Das ist bei den geschlossenen Filtern anders. Es gibt hier entweder einen Sensor vor Partikelfilter, der gegen Außendruck misst, oder einen zweiten danach. Sie melden dem Steuergerät, wenn der Filter zu verstopfen droht oder durch Temperatursensor, wenn er zu heiß wird (Bild oben am Kat). Dann leitet die Elektronische Dieselregelung durch gezielte Zusatzeinspritzung, z.B. durch Nacheinspritzung (Toyota) eine Verbrennung im Filter ein. Zusätzlich helfen die motornahe Anordnung und der oft im gleichen Gehäuse vorgeschaltete Oxidationskatalysator (im Bild links). Ohne solche Einrichtungen reicht die geringe Abgastemperatur des Dieselmotors (oft unter 200°C im Stadtverkehr) meist nicht aus.

Zur weiteren Erhöhung der Temperatur um 100°C kommt dann neben dem Oxidationskatalysator ein Additiv auf Ammoniak-Basis zum Einsatz. Es senkt die nötige Abbrenntemperatur der Partikel. Nachteilig ist bei diesem System, wenn nach einer gewissen Fahrtstrecke (z.B. 80.000 km) eine Wartung mit Regenerierung/Austausch des Partikelfilters und Auffüllen des kleinen Tanks nötig ist.

Das Problem entsteht in dem kurzen Moment, der den C- und H-Atomen des Kraftstoffs zur Verfügung steht, während der Einspritzung je ein oder zwei Atome des Luftsauerstoffs zu finden. Je kürzer die Zeit, je weniger Luftüberschuss und je schlechter die Durchmischung, umso mehr Partikel und besonders anhängende Kohlenwasserstoffe entstehen. Mildern lässt sich die Situation z.B. durch die Mehrfacheinspritzung moderner Common-Rail- oder Pumpedüse- Systeme, beim letzteren ist das wegen der Abhängigkeit vom Nocken nur bis 50° nach OT möglich.

Gefährliche Partikel lassen sich mindern/vermeiden durch ...
- Fahrer(innen), die selten Vollgas geben und damit den Motor immer mit hohem Luftüberschuss betreiben,
- Hersteller, die das Potenzial des Motors nicht voll ausschöpfen und bei noch relativ hohem Luftüberschuss abregeln,
- gezielte Verwirbelung der einströmenden Luft durch spezielle Formung/Führung der Ansaugwege (Drallkanäle),
- noch höhere Einspritzdrücke,
- Spritzlöcher in den Lochdüsen mit möglichst geringem Durchmesser,
- Filterung und Nachverbrennung.

Letzteres scheint nach Euro 4 für viele Mittelklasse-Pkw erforderlich zu werden. Leichtere Fahrzeuge werden dann erst evtl. von Euro 5 dazu gezwungen. Fest steht jedenfalls, dass ein Filtersystem mit Nachverbrennung dem Hersteller eine gewisse Garantie für die Erfüllung der nächsten und übernächsten Abgasvorschrift im Bereich der Partikel (nicht bei NOX!) verschafft. Es sieht - auch wegen der hohen Abgasbelastung der Städte - sehr nach einer generellen Einführung aus.
Wenn man sich die neuesten Entwicklungen bei Dieselmotoren anschaut, scheinen die effektivsten Methoden der Hochdruck und/oder die Nachverbrennung zu sein. Dabei gilt wie immer der Grundsatz: Lieber bei der Verbrennung gar nicht erst entstehen lassen als nachbehandeln. So gibt es bei einzelnen Systemen schon Drücke weit über 2000 bar.
Ob dabei wirklich weniger PAKs (Aromatische Kohlenwasserstoffe) entstehen oder diese nur so stark vereinzelt werden, dass sie unter die Nachweisgrenze fallen, steht dahin. Ebenfalls ist ungewiss, ob diese dann für den Menschen weniger gefährlich sind. Es scheint ein dauernder Wettlauf zwischen medizinischer Wissenschaft, ausgeklügelten Messmethoden und der mit Normen beaufschlagten Industrie zu sein.

Grundsätzlich gibt es neben den fest eingebauten Systemen mit Anbindung an die Motorelektronik auch Nachrüstsysteme. Erstere schaffen zurzeit (2005) einen Grenzwert von 5, letztere nur 8,5 Milligramm/km.

Ab ca. 0,1 bar Gegendruck fängt der Verbrauch leicht anzusteigen.

Wichtig

Mit der Regeneration kann auch die Einschaltung der Glüheinrichtung einhergehen. Sinnvoll ist hier der Einsatz von Glühstiften mit Keramik-Heizelement. Zur Gesamtkontrolle der Anlage ist hier noch eine Breitband-Lambdasonde eingebaut (oben im Bild ganz rechts). 10/10



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