Dieser Beitrag soll nur "kurz" umreißen wie eine Regeneration in einem Rußpartikelfilter (DPF) von statten geht.
Die Regeneration des Filters erfolgt durch Verbrennung (Oxidation) der eingelagerten Partikel.
Die Regeneration wird notwendig, wenn durch die Partikelbeladung ein hoher Abgasgegendruck den Abgasausstoß zu stark behindert.
Eine einfach zu erfassende Messgröße, die es erlaubt, die Höhe der Beladung des Filters zu erkennen, ist der Differenzdruck über den Filter.
Da dieser Differenzdruck in Abhängigkeit von Motordrehzahl, Lastzustand und Beladungsmenge variiert, müssen diese Parameter in einem Kennfeld erfasst sein.
Die Überwachung des Differenzdrucks sowie die Einleitung und die Steuerung der Regeneration werden durch die Motorsteuerung des Dieselmotors durchgeführt.
Dieselpartikelfilter mit Ruß beladene1daa5.jpg
Die Regeneration findet abhängig vom Fahrprofil im Zyklus von mehreren hundert Kilometern statt.
Unter günstigen Umständen (Autobahnbetrieb) wird bei Abgastemperaturen im Bereich der Abbrenntemperatur der Rußpartikel eine vom Motorsteuergerät eingeleitete Regeneration erst nach deutlich höheren Laufleistungen notwendig oder sogar gar nicht.
Unter ungünstigen Umständen (Kurzstreckenverkehr) kann es zu Problemen mit der Beladung des Filters und dem Erreichen der Regenerationstemperatur kommen.
Je nach Fahrzeugtyp wird dies dem Fahrer angezeigt. Von der Regeneration merkt der Fahrer nichts, die Motorleistung wird davon nicht beeinträchtigt. Im Filter wird der Dieselruß bei der Regeneration in CO2 umgewandelt.
Wie bei jeder chemischen Reaktion wird zur Verbrennung der angesammelten Partikel eine bestimmte Temperatur benötigt.
Da Ruß eine Modifikation des Kohlenstoffs darstellt, handelt es sich bei der Regeneration um eine exotherme Oxidation, was unter günstigen Umständen nach dem Zünden des Rußes ein selbständiges weiteres Abbrennen ermöglichen kann.
Die notwendige Abgastemperatur für eine Regeneration liegt (abhängig von der Durchführung „additivunterstützt“ oder „katalytisch unterstützt“, siehe unten) bei mindestens 500–550 °C.
Die Abgastemperatur beim Dieselmotor ist normalerweise relativ niedrig, gegenüber den Temperaturen von 700 bis 800 °C bei Nennleistung kann sie beispielsweise im Stadtverkehr auf Werte von unter 200 °C fallen.
Zur Durchführung der Regeneration über eine ausreichend hohe Abgastemperatur gibt es unter anderem folgende verschiedene, auch kombinierbare Techniken:
Nacheinspritzung (innermotorisch und Abgasstrang)
Bei der Expansion während des Arbeitstaktes wird Kraftstoff eingespritzt.
Wegen der späten Lage dieser Einspritzung im Verbrennungsvorgang wird diese Einspritzung unter anderem „späte Nacheinspritzung“ genannt.
Weil bei dieser Einspritzung die Verbrennungsgase nicht mehr so weit expandiert werden, steigt die Abgastemperatur.
Sie wird auch durch einen nachgeschalteten Oxidationskatalysator erhöht.
Alternativ zur innermotorischen Einspritzung gibt es Systemlösungen, die den Kraftstoff mittels einer Dieseldosierpumpe über eine Zerstäubungsdüse vor den Oxidationskatalysator – unabhängig vom jeweiligen Fahrzustand – einbringen.
Letzteres hat den großen Vorteil, dass die Gefahr der Motorölverdünnung (gerade mit zunehmendem Anteil der Beimischung von Biokraftstoffen problematisch) nicht besteht und sich das Fahr- oder das Ansprechverhalten des Motors während der Regeneration nicht ändert.
Eine weitere Möglichkeit der Nacheinspritzung ist das Einbringen von Kraftstoffdampf über einen Kraftstoffverdampfer (Vaporizer).
Dies hat den Vorteil, dass der Kraftstoff nicht erst auf einer dann relativ langen Strecke im Abgasstrang verdampft werden muss, sondern direkt kurz vor dem Oxidationskatalysator als Dampf eingebracht wird.
Damit wird die Gefahr der Beschädigung des Oxidationskatalysators durch auftreffende Kraftstofftropfen deutlich reduziert.
Oxidationskatalysator
Ein Oxidationskatalysator kann unter gewissen Bedingungen die Abgastemperatur entscheidend erhöhen. Einflussgrößen hierfür sind die Menge der katalytischen Beschichtung und die Abgaszusammensetzung.
Um eine deutliche Temperaturerhöhung des Abgases am Oxidationskatalysator zu erzielen, ist neben einer hohen Konzentration von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) ein hinreichender Restsauerstoffgehalt notwendig.
Insbesondere die HC-Konzentration lässt sich beispielsweise durch innermotorische Nacheinspritzung oder Kraftstoffeinbringung in den Abgasstrang durch ein vor dem Oxidationskatalysator angeordnetes Dosierventil stark erhöhen.
Insbesondere Dieseleinspritzanlagen auf der Basis von Common-Rail gestatten die unabhängige Steuerung der Kraftstoffeinspritzung.
Zu Regenerationszwecken wird daher bei manchen Motoren im Auspufftakt (4. Takt) gezielt Kraftstoff eingespritzt.
Dieser verbrennt im nachgeschalteten Oxidations-Katalysator und kann die Abgastemperatur so weit anheben, dass diese für die Zündung der Rußablagerungen im folgenden Dieselrußpartikelfilter ausreichend ist.
Additivunterstützte Regeneration
Mit Hilfe eines Zusatzes zum Kraftstoff (Additiv) wird die notwendige Temperatur zur Verbrennung der Partikel im Filter von mehr als 600 auf 450 bis 550 °C reduziert.
Das Additiv wird in einem separaten Tank (5 Liter) im Fahrzeug mitgeführt, es muss in großen Abständen (ca. 120.000 km) im Rahmen der Wartung aufgefüllt werden.
Bei den in Pkw üblichen Systemen (FAP) wird das Additiv beim Tankvorgang entsprechend der getankten Kraftstoffmenge automatisch mit einer Dosierpumpe dem Dieselkraftstoff beigemischt.
Die bei der Kraftstoffverbrennung entstehenden und im Filter eingelagerten imprägnierten Partikel ermöglichen durch die permanente Anreicherung des Dieselkraftstoffs mit der Cer-Lösung des FAP-Additivs eine deutlich niedrigere Regenerationstemperatur des Filters,
was den Regenerationsvorgang auch unter Fahrbedingungen wie im Stadtverkehr ermöglicht.
Eine weitere Methode ist der Einbau einer Dosieranlage zum Beispiel mittels Dosierpumpe, die das Mischungsverhältnis auf den jeweils aktuellen Abgasdruck vor dem Filter abstimmt.
Dadurch wird immer nur die Menge Additiv dem Diesel zugemischt, die für eine erfolgreiche Regeneration notwendig ist. Die Ascheeinlagerung in den Filter wird durch diese Technik reduziert, und die Wartungsintervalle werden verlängert.
Trotzdem fällt bei additivgestützten Systemen mehr Asche an als bei Systemen, die ohne Additiv auskommen.
Neben den Fahrzeugen von Peugeot und Citroën sowie Ford, Mazda und Volvo mit FAP-Technik der ersten Generation (franz. FAP = Filtre à particules) wurde diese Technik auch bei Land- und Baumaschinen, Gabelstaplern, fest installierten Aggregaten sowie einigen LKW verwendet.
Ein Nachteil der Additivtechnik ist, dass zum Beispiel das häufig eingesetzte Ferrocen bei der Regeneration selbst zu mikrofeinen Partikeln aufoxidiert wird, die selbst wieder lungengängig und – nach neuesten Erkenntnissen – genauso gefährlich sind wie die Dieselrußpartikel selbst.
Voraussetzung für den Einsatz ist, dass der Partikelfilter nie seine Abscheidung verliert und dann die gesammelten Eisenoxidpartikel wieder ausbläst.
Katalytische Regeneration
Als alternatives Verfahren zur additivunterstützten Regeneration hat sich die katalytisch unterstützte Regeneration bei Pkw etabliert.
Hierbei ist der Filter ähnlich einem Oxidationskatalysator katalytisch beschichtet.
Dieser Filter wird als „coated“ DPF, „coated“ RPF, CSPF oder CSF (Catalysed Soot (Particle) Filter = katalytischer Ruß-(Partikel-)Filter) bezeichnet.
Diese wirken auf zweifache Weise:
- Bei der passiven Regeneration erfolgt bei genügend hohen Temperaturen und NO2-Konzentrationen – vor allem im überwiegenden Autobahnbetrieb – eine permanente Umwandlung des Rußes zu CO2 und Stickstoffmonoxid (NO). Dieser Vorgang geschieht in einem Temperaturbereich von 350 bis 500 °C und läuft ohne besondere Maßnahmen nach dem Prinzip der kontinuierlich regenerierenden (Partikel-)Falle (engl.: Continuously Regenerating Trap (CRT)). Hierzu wandelt ein vorgeschalteter Oxidationskatalysator bzw. die katalytisch wirkende Filterbeschichtung das in den Abgasen vorhandene Stickstoffmonoxid (NO) zusammen mit dem Restsauerstoff (O2) in Stickstoffdioxid (NO2) um. Dieses Stickstoffdioxid ermöglicht anschließend eine kontinuierliche Verbrennung des im Partikelfilter angesammelten Rußes (Rußoxidation) zu Kohlendioxid (CO2) und Stickstoffmonoxid (NO). Chemisch: 2NO2 + C → 2NO + CO2. Das gebildete Stickstoffmonoxid (NO) wird in einem nachfolgenden SCR-Katalysator abgebaut.
- Bei längerem Betrieb mit geringer Last – wie etwa im Stadtverkehr – erfolgt alle 1.000 bis 1.200 Kilometer oder bei einem von entsprechenden Sensoren bestimmten maximalen Beladungsgrad eine aktive Regeneration durch Erhöhung der Abgastemperatur auf 600 °C per Nacheinspritzung.
Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der geringeren CO-Sekundäremission, viel weniger Ascherückstand im Partikelfilter, dem Entfall des zusätzlichen Tanks für das Additiv und einem weiter verbesserten Wirkungsgrad bei geringerem Mehrverbrauch in Bezug auf einen normalen Wandstromfilter.
Dies wird auch als geregeltes geschlossenes System bezeichnet und mittlerweile von den meisten Herstellern ab Werk favorisiert.
verwendete Quelle/n: Wikipedia