Partikelfilter

Themen:

Allgemeines
Herkunft der Rußpartikel
Betrieb eines Partikelfilters
Selbsterzeugender Partikelfilter
Halboffener Partikelfilter
Abgase eines Dieselmotors

Gesamt:
Bei Dieselmotoren kommt ein Partikelfilter zum Einsatz. Der Zweck eines Partikelfilters besteht darin, die Abgase durchzulassen und die Rußpartikel zurückzuhalten. Heutzutage ist jeder Dieselmotor in einem Neuwagen mit einem Partikelfilter ausgestattet, um strenge Umweltauflagen zu erfüllen. In einigen Großstädten gilt für „schmutzige“ Dieselautos ohne Partikelfilter und Benziner ohne Katalysator bereits ein Fahrverbot.

Herkunft der Rußpartikel:
Bei der Verbrennung eines Dieselmotors entstehen immer Rußpartikel. Ruß ist ein Zeichen für eine unvollständige Verbrennung. Rußpartikel sind kleine Kohlenstoffkügelchen mit einem Kern aus reinem Kohlenstoff und einem Durchmesser von etwa 0,05 Mikromillimetern. Im Kern dieses Kohlenstoffs haften bestimmte Schadstoffe, darunter Kohlenwasserstoffe, Schwefel und Metalloxide. Einige Kohlenwasserstoffe können gesundheitsschädlich sein.
Entstehung und Menge der Rußpartikel hängen im Wesentlichen von der Nutzung, der Luftzufuhr, der Einspritzung und der Verbrennung des Motors ab. Besonders bei Sauerstoffmangel kommt es zu einem Anstieg der Rußemissionen, da das Gemisch zu fett ist und die Verbrennung dadurch unvollständig erfolgt. Auch Chiptuning kann eine Ursache für zu hohe Rußemissionen sein.
Die Abmessungen der Rußpartikel sind bei indirekt einspritzenden Dieselmotoren mit Wirbelkammer, Direkteinspritzern, Common-Rail-Motoren und Unit-Injector-Motoren nahezu gleich.

Funktionsweise eines Partikelfilters:
Der Partikelfilter besteht aus einem wabenförmigen Keramikkörper aus Siliziumkarbid, der in einem Metallgehäuse untergebracht ist. Der Keramikkörper besteht aus vielen parallelen, mikroskopisch kleinen Gängen, die abwechselnd einseitig verschlossen sind.
Wenn die Abgase durch den Partikelfilter strömen, werden die Partikel in den Eintrittskanälen zurückgehalten, während die anderen gasförmigen Bestandteile des Abgases durch die porösen Wände des Filters gelangen.

Selbsterzeugender Partikelfilter:
Ein selbsterzeugender Partikelfilter blockiert etwa 90 % aller vom Motor ausgestoßenen Rußpartikel. Da nach einiger Zeit viele Rußpartikel im sich selbst erzeugenden Partikelfilter verbleiben, würde dieser ohne Maßnahmen verstopfen. Um dies zu verhindern, muss der Filter regelmäßig (alle 200-1000 km) regeneriert werden. Dies wird als „Regenerationsprozess“ bezeichnet. Das bedeutet, dass die angesammelten Rußpartikel verbrannt werden. Bei der Verbrennung werden die Partikel in die harmlosen Stoffe Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel liegt bei Partikelfiltern ohne katalytische Beschichtung bei mindestens 600 °C, die Abgase sind dafür jedoch oft nicht heiß genug. Um die Rußpartikel zu verbrennen, können folgende Methoden angewendet werden:

Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung:
Dieser Partikelfiltertyp verfügt über eine katalytische Beschichtung, die es ermöglicht, die Rußpartikel bei einer Temperatur von 250 °C zu verbrennen. Allerdings muss der Partikelfilter möglichst nah am Motor platziert werden, da sonst viel Wärme verloren geht. Diese Regenerationsmethode wird unter anderem bei halboffenen und kontinuierlich regenerierenden Partikelfiltern eingesetzt.
Verwenden Sie einen Oxidationskatalysator: Mit einem Oxidationskatalysator werden die Stickoxide in den Abgasen teilweise in Stickstoffdioxid umgewandelt. Dieses Stickstoffdioxid ist sehr reaktiv, was dazu führt, dass sich der Ruß viel leichter und daher bei einer niedrigeren Temperatur entzündet. Der Oxidationskatalysator wird daher immer vor dem Partikelfilter platziert, meist sogar direkt nach dem Abgaskrümmer. Manchmal sind sogar 2 dieser Katalysatoren verbaut. (siehe Bild)
Externe Erwärmung: Durch die Platzierung einer Glühwendel oder eines Einspritzventils im Abgas kann die erforderliche Temperatur zum Entzünden der Rußpartikel erreicht werden. Die Steuerung erfolgt über das Motorsteuergerät. Dieser erfasst die Werte der Differenzdrucksensoren, die vor und nach dem Filter messen, dass der Partikelfilter beginnt, sich zu füllen.
Zusätzliche Kraftstoffeinspritzung: Durch die Zugabe von zusätzlichem Kraftstoff zu den Düsen während des Ausstoßhubs erhöht sich die Abgastemperatur, wodurch eine Regeneration erreicht werden kann.

Halboffener Partikelfilter:
Halboffene Partikelfilter sind für Fahrzeuge konzipiert, die nicht serienmäßig mit einem Partikelfilter ausgestattet sind. Dieser Partikelfiltertyp wird daher nachträglich eingebaut. Die Zahl der halboffenen Partikelfilter wird immer geringer, da mittlerweile alle Neuwagen serienmäßig mit einem Partikelfilter ausgestattet sind.

Halboffene Partikelfilter verfügen über eine offene Struktur, die es den Abgasen ermöglicht, ungehindert durch den Filter zu strömen. Ein Teil der Rußpartikel bleibt an den Wänden haften. Der Filter verfügt auf der Innenseite über eine katalytische Beschichtung, die es ermöglicht, die Rußpartikel bei niedrigen Temperaturen zu regenerieren (zu verbrennen). Die Regeneration erfolgt kontinuierlich bei hoher Temperatur. Die Wahrscheinlichkeit, dass der Filter verstopft ist, ist gering, vorausgesetzt, dass der Filter hin und wieder aufgewärmt wird. Der große Nachteil besteht darin, dass die Emissionen unter optimalen Bedingungen nur um maximal 60 % und unter weniger optimalen Bedingungen, was bei normaler Nutzung häufig der Fall ist, nur um 30 % reduziert werden können.

Abgase eines Dieselmotors:
Im Bild rechts und der Erklärung unten können Sie sehen, woraus die Abgase eines Dieselmotors bestehen.

67 % Stickstoff (N2)
12 % Kohlendioxid (CO2)
11 % Wasser (H2O)
10 % Sauerstoff
0,3 % sonstige Stoffe, darunter Rußpartikel (PM), Kohlenwasserstoffe (HC), Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO).

Um die NOx-Emissionen zu reduzieren, verwenden Dieselmotoren zunehmend eine solche SCR-Katalysator mit AdBlue-Dosiersystem.