Diesel-Partikelminderungssysteme – Partikelfiltersysteme

 

Neben den Luftschadstoffen Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide entstehen bei Dieselmotoren während der Verbrennungsprozesse auch so genannte Partikel. Diese bestehen meist aus kleinen Kohlenstoffkernen, umgeben von angelagerten Kohlenwasserstoffen.

   

Dieselmotoren emittieren Partikel verschiedenster Größen. Die mittlere Größe dieser Partikel beträgt jedoch nur etwa 100 Nanometer (nm) – ein nm entspricht einem Milliardstel Meter. Zum Vergleich: Diesel-Partikel sind damit etwa 100- bis 600-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Die Sichtbarkeitsgrenze für das menschliche Auge liegt bei etwa 400 nm. Die meisten Partikel, die ein Dieselmotor emittiert (mehrere 100 Mrd. Partikel pro gefahrenem Kilometer), können also vom Menschen mit den Augen gar nicht wahrgenommen werden. Der Mensch hat zwar im Laufe der Evolution gelernt, mit Staub jeglicher Art umzugehen, diese so genannten ultrafeinen Partikel kommen in der Natur jedoch nicht vor. Hier versagen deshalb auch die natürlichen Abwehrmechanismen des Menschen (Nasenhärchen, Schleimhäute in der Nase und im oberen Rachenraum usw.). Diese ultrafeinen Partikel können nicht mehr erkannt und zurückgehalten werden und dringen tief bis in die kleinsten Verästelungen der Lunge ein. Dort können sie sich festsetzen, zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen und unter anderem durch Mikroverletzungen auch krebserregend wirken.

Nach Angaben der EU-Kommission sterben in Europa jährlich 350.000 Bürger an den Folgen von Feinstaub mit einem Durchmesser kleiner als 2,5 Mikrometer (PM 2,5). Statistisch betrachtet endet das Leben jedes Europäers wegen der Feinstaubbelastung neun Monate früher (Quelle: http://www.euractiv.com/de/umwelt/ eu-feinstaubrichtlinie-schwebe/article-159080). Trotz enormer Fortschritte in der Technik ist es jedoch bis heute nicht gelungen, diese ultrafeinen Partikel noch
innerhalb des Motors zu beseitigen. Die einzige praktikable Möglichkeit ist deshalb die Anwendung eines Partikelfilters im Abgasstrang. Das eigentliche Herausfiltrieren der Partikel aus dem Abgas ist problemlos möglich. Doch wie bei einem Staubsauger ist der Auffangbehälter irgendwann einmal voll und muss geleert oder ausgetauscht werden. Beim Kraftfahrzeug macht sich ein voller Filter so bemerkbar, dass der so genannte Abgasgegendruck und damit der Kraftstoffverbrauch ansteigen. Am Ende bleibt das Fahrzeug einfach stehen, weil der Motor abstirbt und nicht mehr anspringen will.

Das eigentliche Problem eines Partikelfiltersystems besteht also nicht in der Filtrierung, sondern darin, den angesammelten Ruß in gewissen Zeitabständen zu entsorgen, den Filter zu„regenerieren“. Dies geschieht durch dessen Verbrennung. Ein Katalysator nutzt die Wärme der Abgase aus, um die nötigen chemischen Reaktionen ablaufen zu lassen. Auch Ruß kann oxidieren, das heißt in diesem Fall verbrannt werden – allerdings erst bei Abgastemperaturen von mindestens 600° C. Diese Temperaturen werden bei Dieselmotoren aber im normalen Betrieb nicht erreicht. Daher mussten Methoden gefunden werden, die entweder die Abgastemperatur erhöhen oder die Zündtemperatur der Partikel senken, wenn die Sensoren der Motorelektronik anzeigen, dass der Filter voll („beladen“) ist.

Partikelfiltersysteme für die Nachrüstung
Allein in Deutschland waren zum Stichtag 1. Januar 2007 laut Statistiken des Kraftfahrzeugbundesamts (“Publikationen – Statistiken des Kraftfahrzeugbundesamts, ´Jahresband: Bestand an Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeuganhängern am 1. Januar eines Jahres´, Reihe 2”, Stand 2007) rund 3 Millionen Diesel-Lkw im Bestand. Davon hat der überwiegende Teil keinen
Partikelfilter ab Werk eingebaut.

Die Nachrüstung eines geschlossenen Systems mit einer aktiven Regeneration ist technisch schwierig, in jedem Fall aber mit einem derartigen Aufwand verbunden, dass ein solches Nachrüstsystem wirtschaftlich nicht darstellbar ist. Für eine praktikable Nachrüstung mussten deshalb andere Lösungen gefunden werden, die einfach, unkompliziert, preiswert und betriebssicher
sind. TWINTEC hat sich deshalb frühzeitig dafür entschieden, ein so genanntes „offenes System mit passiver Regeneration“ anzubieten, das nicht mit der Sensorik des Motormanagementsystems abgestimmt werden muss.

 


Technische Details
Bei der passiven Regeneration wird der Umstand ausgenutzt, dass ein Teil des im Abgas ohnehin vorhandenen Stickstoffmonoxids (NO) an katalytisch beschichteten Oberflächen, also einem beschichteten Filterelement, zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert. Dieses NO2 reagiert bereits ab Temperaturen von ca. 200° C mit den Rußpartikeln. Der Ruß oxidiert und das NO2 wird wieder zu Stickstoffmonoxid (NO) reduziert. Das System basiert auf dem in der Erstausrüstung eingesetzten
Metallträger PM-Metalit® der Firma Emitec und wird in vielen von TWINTEC angebotenden Nachrüstlösungen mit hauseigener INTERKAT-Beschichtung kombiniert.

Aufbau
Der Emitec-Metallträger ist grundsätzlich ähnlich einem klassischen Metall-Katalysatorträger aufgebaut. Um jedoch den Unterschied zu erklären, muss man ins Detail gehen: Die sonst übliche so genannte Glattlage ist durch ein Sintermetallvlies ersetzt. Die gewellte Lage weist schaufelförmige Einschnitte auf, durch die ein Teil des Abgasstroms in Richtung des Vlieses
abgelenkt wird. Die im Abgasstrom mitgeführten Partikel werden zum Teil am Sintermetallvlies gefiltert (abgeschieden). Das System arbeitet im Gleichgewicht zwischen Partikelfiltration und Regeneration.

Wirkungsgrade
Bei leichten Nutzfahrzeug-Anwendungen können durch den TWINTEC-Rußfilterkat Partikelmassen-Reduktionen zwischen 30% und 50%, in einigen Fällen sogar bis 70% erreicht werden. Bei schweren Nutzfahrzeugen können sogar 80% realisiert werden. Hinsichtlich der lungengängigen Feinstpartikel können Reduktionsraten bis zu 90% erreicht werden. Der TWINTEC-Rußfilterkat liegt damit in einem vergleichbaren Bereich mit den geschlossenen Systemen. Das System ist betriebssicher, wartungsfrei, durchlässig für Motoröl-Asche, benötigt weder Sensorik noch Additive oder Eingriffe in die Fahrzeugelektronik oder das
Motormanagement.

 

 

Zertifizierung
Der TWINTEC-Rußfilterkat war das erste Nachrüstsystem, welches in Deutschland und in den Niederlanden für Nutzfahrzeuge zur Nachrüstung nach den jeweils geltenden Vorschriften fahrzeugtypspezifisch zertifiziert wurde.

 

Zusammenarbeit mit Fahrzeugherstellern (OEMs)
TWINTEC arbeitet auch im Nutzfahrzeugbereich mit einem namhaften Fahrzeughersteller zusammen. Im Pkw-Bereich wurden in teils mehrjährigen Projekten mit insgesamt zehn Herstellern Nachrüstlösungen definiert, in aufwändigen Versuchs- und Erprobungsreihen zur Serienreife entwickelt und schließlich entsprechend den gesetzlichen Vorschriften zertifiziert („homologiert“). Diese Systeme befinden sich mittlerweile größtenteils bereits in der laufenden Produktion und werden an diese Hersteller zur Nachrüstung ihrer Neu- und Bestandsfahrzeuge über das jeweilige Vertragswerkstätten-Netz sowohl im Inland wie im Ausland ausgeliefert.

Keine generelle Freigabe für Tuning-Chipsätze
Die Zertifizierung des TWINTEC-Rußfilterkats bezieht sich stets auf den ursprünglichen Serienzustand des Fahrzeugs. Veränderungen in der Gemischaufbereitung und des Ladedrucks durch leistungssteigernde Maßnahmen wie Tuning-Chipsätze führen ggf. auch zu Veränderungen im Abgasverhalten. Dies kann Auswirkungen auch auf das Partikelminderungs-System, also den TWINTEC-Rußfilterkat haben. Eine generelle Freigabe für derartige Systeme ist daher nicht möglich. Wir arbeiten mit verschiedenen Herstellern derartiger Systeme zusammen. Eine Freigabe für den Betrieb mit Rußpartikelfiltern muss aber letztlich immer von diesen Herstellern erteilt
werden.

Einbauarten
Bei leichten Nutzfahrzeugen wird der TWINTEC-Rußfilterkat entweder an Stelle eines vorhandenen Katalysators, eines Schalldämpfers oder eines Rohrstücks in die Abgasanlage integriert. Die Lage des Systems im Abgasstrang ist von verschiedenen Kriterien abhängig: dem verfügbaren Bauraum (Packaging), der erforderlichen Wirksamkeit des Systems, der
Montagefreundlichkeit (z.B. Einbauzeit), aber auch von den zu erwartenden Systemkosten. Bei schweren Nutzfahrzeugen mit nur einem Schalldämpfer wird dieser gegen den TWINTECRußfilterkat ausgetauscht. Er übernimmt damit auch die Funktion des Schalldämpfers.

Lieferumfang
Der TWINTEC-Rußfilterkat wird einbaufertig inklusive Dokumentation, wie der Allgemeinen Betriebserlaubnis, der Einbauanleitung und der amtlichen Abnahmebescheinigung geliefert. Weitere Informationen zum Thema Rußfilterkat für Nutzfahrzeuge erhalten sie unter Tel. 07066/9990-19