Dieselrußpartikelfilter

Ein Partikelfilter ist eine Einrichtung zur Reduzierung der im Abgas von Dieselmotoren vorhandenen Partikel. Dabei gibt es zwei Funktionsweisen, die sich grundsätzlich unterscheiden: Wandstromfilter, bei denen das Abgas im Filter eine poröse Wand durchdringt und Durchflussfilter, bei denen das Abgas den Filter durchfließt.

Wandstromfilter

Funktionsweise

Bei einem Wandstromfilter (Wall-Flow, Honey-Comb, auch Geschlossenes System genannt) wird das mit den Rußpartikeln versetzte Abgas bei der Durchdringung einer porösen Filterwand gefiltert. Die Partikel bleiben dabei bei Oberflächenfiltern hauptsächlich an der Oberfläche der Filterwand hängen, oder verbleiben mittels Tiefenfiltration im Inneren der Filterwand. In beiden Fällen muss aber darauf hingewiesen werden, dass die Partikel nicht durch einen Siebeffekt hängen bleiben (die Partikel sind größer als die Löcher, durch die das Abgas strömt). Stattdessen werden die Partikel hauptsächlich durch Adhäsion an der porösen Wand festgehalten. Auch bei Oberflächenfiltern findet zu Beginn der Filtration eine Tiefenfiltration statt. Mit Belegung der inneren Filterflächen erfolgt das Ablagern der Partikel auf der Oberfläche. Es bildet sich eine Partikelschicht, der sogenannte Filterkuchen. Bei Tiefenfiltern findet die Ablagerung der Partikel nur in der inneren Filterstruktur statt.

Die Filterwände selbst können aus unterschiedlichen porösen Werkstoffen bestehen, die meist aus Fasern oder Pulver aufgebaut sind. Die Fasern oder das Pulver selbst bestehen dann aus Keramiken oder aus Metallen. Klassische Keramiken sind Cordierit, Siliziumcarbid (SiC) und Aluminiumoxid. Bei Metallen verwendet man hauptsächlich hochfeste Chrom-Nickel-Stähle. In letzter Zeit sind sogar Kombinationen von unterschiedlichen Werkstoffen aufgetreten.

Die porösen Wände können im Filter auf unterschiedliche Art angeordnet sein. Bei Fasern und Metallpulver werden eher flächige Filterwände aufgebaut, die dann in Rohren, Taschen oder Bälge angeordnet werden. Bei aus Keramikpulver hergestellten Filtern wird eine Kanalstruktur verwendet, wobei die Kanäle wechselseitig verschlossen sind. Das Abgas wird dadurch gezwungen, die poröse Keramikwand zu durchströmen. Durch den Produktionsprozess lassen sich verschiedene Geometrien oder Eigenschaften des Filtermaterials erzeugen. Besonders von Bedeutung sind die Wandstärke, Zelldichte, mittl. Porengröße und das Porenvolumen bei Wall-Flow-Filtern.

Durch die Ablagerung der Partikel an der Oberfläche bzw. im Inneren der Filterwand steigt die durch den Abgasvolumenstrom erzeugte Druckdifferenz an. Der Differenzdruckanstieg ist dabei auch eine Funktion der eingelagerten Partikel.

Ein Problem aller Filter ist allerdings das keine Pratikel zurückgehalten werden können die kleiner sind als die kleinste Maschengröße des Filters. Auch bei Versionen mit Filterkuchen passieren die ultrafeinen Partikel den Filter nahezu ungehindert. Selbst die Hersteller geben nur an, das die kleinste filterbare Partikelgröße bei 3-5 Mikrometer liegen. Die gefährlichen lungengängigen Partikel liegen allerdings darunter. Das bedeutet, das die aktuellen Partikelfilter die gefährlichen Partikel technisch garnicht zurückhalten können!

Regeneration

Um den Dieselmotor vor einem zu hohen Abgasgegendruck und den Partikelfilter vor einer zu hohen Partikelbeladung zu schützen, müssen die im DPF eingelagerten Partikel von Zeit zu Zeit verbrannt werden. Dieser Vorgang wird als Regeneration bezeichnet. Eine einfach zu erfassende Messgröße, die es erlaubt, die Höhe der Beladung des Partikelfilters zu erkennen ist der Differenzdruck über den DPF. Die Überwachung des Differenzdrucks, die Einleitung und die Steuerung der Regeneration werden durch das Motorsteuergerät des Dieselmotors durchgeführt.

Die Regeneration findet abhängig von Fahrprofil im Zyklus von mehreren hundert Kilometern statt. Unter günstigen Umständen (Autobahnbetrieb) wird eine vom Motorsteuergerät eingeleitete Regeneration erst nach deutlich höheren Laufleistungen notwendig oder sogar gar nicht. Von einer Regeneration merkt der Fahrer nichts, die Motorleistung wird davon nicht beeinträchtigt.

Partikel bestehen hauptsächlich aus Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Um einen DPF regenerieren zu können, müssen sie im Filter verbrannt werden. Wie bei jeder chemischen Reaktion wird dafür eine bestimmte Temperatur benötigt. Da Ruß hauptsächlich eine Art des Kohlenstoffs darstellt, handelt es sich bei der Regeneration um eine exotherme Oxidation. Die notwendige Abgastemperatur für eine Regeneration liegt (abhängig von der Durchführung "additivunterstützt" oder "katalytisch unterstützt", s.u.) bei mindestens (500 ... 550) °C. Die Abgastemperatur beim Dieselmotor ist normalerweise relativ niedrig, sie kann trotz Temperaturen von (700 ... 800) °C im Vollastbetrieb im Stadtverkehr auf Werte von unter 200 °C fallen. Zur Erhöhung der Abgastemperatur und zur Durchführung der Regeneration gibt es u. A. folgende verschiedene, auch kombinierbare Techniken:

Nacheinspritzung

Bei der Expansion während des Verbrennungstaktes wird Kraftstoff eingespritzt. Wegen der späten Lage dieser Einspritzung im Verbrennungsvorgang wird diese Einspritzung i.a. späte Nacheinspritzung genannt. Diese Einpritzung hat physikalisch bedingt einen schlechten Wirkungsgrad und erhöht damit entweder direkt oder über einen nachgeschalteten Oxidationskatalysator die Abgastemperatur.

Oxidationskatalysator

Ein Oxidationskatalysator kann unter gewissen Randbedingungen die Abgastemperatur entscheidend erhöhen. Einflussgrößen hierfür sind hier die Menge der katalytischen Beschichtung und die Abgaszusammensetzung. Um eine deutliche Temperaturerhöung 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 durch Nacheinspritzung stark erhöhen.

Heizspirale

Auch durch den Einsatz einer Heizspirale, die vor dem Filter installiert wird, kann das Abgas ausreichend erhitzt werden. Die Durchführbarkeit im Pkw ist jedoch z. Zt. recht eingeschränkt, da mit dem üblichen 12V-Bordnetz die notwendigen hohen elektrischen Heizleistungen nur unter Schwierigkeiten zur Verfügung gestellt werden können.

Additivunterstützte Regeneration

Mit Hilfe des Kraftstoff-Zusatzes (Additiv) Harnstoff wird die notwendige Temperatur zur Verbrennung der Partikel im DPF von mehr als 600 °C auf (500 ... 550) °C reduziert. Das Additiv wird in einem separaten Tank im Fahrzeug mitgeführt, es muss in großen Abständen im Rahmen der Wartung aufgefüllt werden. Bei den in Pkw üblichen Systemen wird das Additiv beim Tankvorgang automatisch dem Dieselkraftstoff in einem definierten Verhältnis beigemischt. Eine deutlich sicherere Methode ist der Einbau einer Dosiereinlage, die das Mischungsverhältnis auf den jeweils aktuellen Abgasdruck vor dem DPF abstimmt. Dadurch wird immer nur die Menge Additiv dem Diesel zugemischt, die für eine erfolgreiche Regeneration notwendig ist. Die Ascheeinlagerung in den DPF wird durch diese Technik reduziert und die Wartungsintervalle werden verlängert. Wegen der höheren Kosten und des größeren Bauraums ist diese Technik bisher nur für Land- und Baumaschinen, Gabelstapler und fest installierte Aggregate erhältlich.

Katalytische Regeneration

Als alternative Technologie zur additivunterstützten Regeneration hat sich die die katalytisch unterstützte Regeneration bei Pkw etabliert. Hierbei ist der DPF (wie der Oxidationskatalysator) katalytisch beschichtet ( sogenannte CDPF oder "coated" DPF). Dadurch wird ähnlich wie bei der additivunterstützte Regeneration die notwendige Abgastemperatur zur Verbrennung der Partikel reduziert, allerdings nicht im gleichen Maße. Ein Hauptvorteil dieser Technologie liegt jedoch in der deutlich geringeren Ascheeinlagerung im DPF und dem Entfall der Dosiereinrichtungen für das Additiv.

Asche im DPF

Die Verbrennung der Partikel im DPF erfolgt nie rückstandsfrei. Das Motoröl und insbesondere das Additiv (falls vorhanden) führen nach hoher Fahrzeug-Laufleistung zu einer Ascheablagerung im DPF, die den Abgasgegendruck des DPF und damit den Kraftstoffverbrauch erhöht. Diese Asche muss nach hohen Laufleistungen durch Rückspülen des Dieselpartikelfilter entfernt werden. Die Verwendung moderner Motoröle (sogenannte Low Saps mit wenig Schwefel, wenig Phosphor) kann die Aschebildung vermindern. Der Einsatz schwefelfreier Kraftstoffe hat einen ähnlichen Effekt.

Effizienz des Wandstromfilters

Allen Wandstromfiltern gemein ist eine langzeitstabile sehr hohe Abscheiderate (>95 %) für Partikel aller Größenklassen und eine geringe Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs. Diese Erhöhung ist einerseits durch die Regeneration bedingt (schlechterer Motorwirkungsgrad durch Nacheinspritzung) und anderseits durch den vom DPF und den im DPF eingelagerten Partikeln verursachten höheren Abgasgegendruck.

Durchflussfilter

Mehrere Hersteller bieten mittlerweile Durchflussfilter (auch Offenes System genannt) zur Nachrüstung an. Typischerweise besteht ein Durchflussfilter aus dünnen Stahlfolien mit gezielter Strömungsleittechnik, in denen die Partikel vom Abgas getrennt und zur Anlagerung auf die innere Oberfläche des Filters gebracht werden. Bei genügend hohen Temperaturen und NO₂-Konzentrationen werden die dort angelagerten Partikel nach dem sogenannten CRT Prinzip kontinuierlich regeneriert (CRT: Continuous Regeneration Trap = Kontinuierlich regenerierende (Partikel-) Falle).

Da das Abgas in einem Durchflussfilter keine feinporöse Wand durchdringen muss, ist der Filtrationswirkungsgrad – insbesondere für die kleinste (aber bei modernen Dieselmotoren im Normalbetrieb häufigste) Partikelfraktion mit einem Durchmesser unter 100 nm – geringer als bei einem Wandstromfilter. Gegenüber diesem vorteilhaft wirkt sich jedoch die nur geringe Erhöhung des Abgasgegendrucks aus, was dazu führt, dass der Kraftstoffverbrauch nicht oder nur wenig erhöht wird. Entgegen einem mit Wandstromfilter ausgestattetem Fahrzeug, hat der Durchflussfilter auch allgemein einen deutlich geringeren Filterungseffekt. Die Senkung der Partikelmasse beträgt nur 30 % bis 40 %.

Bei einer Nachrüstung mit Durchflussfiltern sind wegen ihrer kontinuierlichen Regeneration neben dem Einbau des Abgasnachbehandlungssystems keine weiteren Änderungen am Fahrzeug notwendig. Die Nachrüstung ist somit im Verhältnis zum Wandstromfilter deutlich kostengünstiger.

Nachrüstung

Prinzipiell kann jedes Abgassystem von Dieselmotoren mit DPF ausgestattet werden. Für Schweizer Baumaschinen ist schon seit Jahren der Wandstromfilter vorgeschrieben. Ähnlich verhält es sich in Deutschland für Gabelstapler, die im Innenbereich bewegt werden. Hier hat die Berufsgenossenschaft den Einbau vorgegeben.

Pkw

Momentan zur Nachrüstung angeboten werden von verschiedenen Herstellern Durchflussfilter. Diese sind allerdings nicht für jedes gebrauchte Fahrzeug als Nachrüstkit zu erhalten. Durchflussfilter sind deutlich günstiger als Wandstromfilter, haben aber einen deutlich geringeren Wirkungsgrad. Eine eventuelle steuerliche Förderung wird wahrscheinlich für die Nachrüstung mit Durchflussfilter deutlich geringer ausfallen als für Wandstromfilter.

Durchflussfilter wurden bereits von Twin-Tec als Nachrüstkit zur Serienreife entwickelt, diese sind seit Januar auf dem Markt erhältlich.

Wandstromfilter wurden bereits von HJS als Nachrüstkit zur Serienreife entwickelt. Auf dem Markt sind sie aber bis jetzt noch nicht erhältlich. Derartige Filter in bisher nachgerüsteten Fahrzeugen, wie z. B. den Fahrzeugen von Greenpeace Deutschland, sind Sonderanfertigungen und somit sehr teuer.

Steuervorteile

Steuerliche Begünstigungen sind in Deutschland seit längerem im Gespräch. Es gab einen Vorschlag an den Bundesrat, der 250 € Begünstigungen auf die Kraftfahrzeugsteuer für Offene Filtersysteme und 350 € für Geschlossene Systeme bei der Nachrüstung vorsah. Für Neufahrzeuge mit eingebautem Filter sollte es eine Begünstigung von 350 € geben. Dieser letzte Vorschlag der Rot-Grün-Regierung wurde im Bundesrat abgelehnt. Es gab und gibt einen Streit, der sich im Kern um die Föderalismusdebatte drehte, da die KFZ-Steuern durch die einzelnen Bundesländer geregelt werden. Bis ein einheitliche Lösung bundesweit geschaffen wird, mit der die Länder zufrieden sind, dauert es wohl noch bis Mitte 2006, sofern der Druck über die Feinstaubdebatte nicht allzusehr nachlässt.

Es ist anzunehmen, dass die Begünstigung auf die Kraftfahrzeugsteuer dann nochmal deutlich höher ausfallen wird (Vielleicht um die 600 €). Ein geschlossenes System mit mind. 95 % Rußminderung wird letztendlich steuerlich in jedem Fall besser wegkommen als ein offenes.

Wer sich jetzt ein Dieselfahrzeug ohne Filter zulegt, hat damit schon beim Kauf etwa 1000 € Wertverlust. Das merken zur Zeit vor allem Gebrauchtwagenhändler. Das heißt: spätestens beim Verkauf lohnt es sich in jedem Fall einen Filter eingebaut zu haben, steuerliche Förderung hin oder her. Speziell der Einbau eines Geschlossenen Systems wirkt sich sicher nochmal besonders positiv auf den Wiederverkaufswert aus, da hier eindeutig bessere Feinstaubreduktionen verzeichnet werden und eine abzusehende steuerliche Erleichterung für den Käufer günstiger ausfallen würde.

Nach Informationen der Deutschen Umwelthilfe (DUH) soll die Förderung zur Nachrüstung von Dieselpersonenkraftwagen mit Rußpartikelfiltern erst ab 2008 beginnen. Der DUH appellierte an den Gesetzgeber ab Juli 2006 einen Förderbeitrag von 600 bzw. 300 Euro zu gewähren.

Geschichte

Mercedes-Benz hat bereits 1985 ein Fahrzeug (300 SD) mit Dieselpartikelfilter auf den Markt gebracht. Dieses ausschließlich für den amerikanischen Markt bestimmte Modell hatte jedoch ernsthafte Probleme mit der Dauerhaltbarkeit des DPF. Deshalb wurde die Produktion schon 1988 eingestellt. Der Durchbruch für den Dieselpartikelfilter kam im Jahr 2000, als Peugeot den 607 serienmäßig mit einem DPF ausstattete. Hersteller dieses DPF war der Zulieferer Faurecia, der sich mehrheitlich im Besitz des PSA-Konzerns befindet. Es handelte sich hierbei um einen Wandstromfilter mit additivunterstützter Regeneration. 2003 brachte Faurecia eine neue Generation von Dieselpartikelfiltern auf den Markt, nunmehr mit katalytischer Regeneration. Diese DPF werden beispielsweise in der Mercedes-Benz A-Klasse, B-Klasse, C-Klasse, und E-Klasse verbaut.

Aktuelle Diskussion über Feinstaub

Der DPF stellt sicherlich die technisch beste Lösung dar, um die krebserregenden Partikel in den Emissionen von Dieselmotoren massiv zu reduzieren. Dennoch sollte das Verbesserungspotential bei der Feinstaubbelastung durch den DPF nicht überschätzt werden, da der Anteil des Straßenverkehrs (Pkw und Nutzfahrzeuge) an der Feinstaubbelastung für Partikel < 10 µm lediglich 17 % im Bundesdurchschnitt beträgt (Quelle: SPIEGEL 14/05). Eine Veröffentlichung in den VDI-Nachrichten besagt, dass bei einer Nachrüstung aller KFZ in Deutschland der gesamte Feinstaubanteil nur um ca. 5 % zurückginge.

Grenzwertüberschreitungen in den Städten

Die Überschreitungen der von der Europäischen Union vorgegebenen Grenzwerte sind dagegen tatsächlich auf den Kraftverkehr als Hauptverursacher zurückzuführen. Das liegt an der in Städten extrem viel höheren Verkehrsdichte als im Bundesdurchschnitt. Der Stadtverkehr trägt zur lokalen Belastung oftmals zu mehr als 50 % bei, wie die Messungen der einzelnen Städte belegen. An den Orten mit Grenzwertüberschreitungen liegt der Anteil in der Regel nochmal deutlich höher.

Maßnahmen

Es kommen kommunal sehr viele Möglichkeiten in Betracht, die lokale Feinstaubbelastung zu entschärfen. Obwohl in Deutschland die Feinstaubproblematik von allen EU-Mitgliedsstaaten am schlimmsten ausgeprägt ist, werden hier jedoch nur zögerlich Maßnahmen zu Reduktion ergriffen. In Griechenland oder Italien z. B. sind in den Großstädten sogar zeitliche Fahrverbote über alle Fahrzeugklassen hinweg in Anwendung. Athen z. B. lässt in die Innenstadt tageweise wechselnd nur Fahrzeuge mit geraden bzw. ungeraden Nummernschildzahlen einfahren. Bei den in Europa bis jetzt eingerichteten Citymautsystemen (z. B. London) wird u. a. nach Emissionsklassen unterschieden. Für Maßnahmen siehe auch Feinstaub Reduzierung.

Europäische Abgasnormen

Zur Reduzierung der Rußpartikel aus Dieselmotoren aus Personenkraftwagen hat die Europäische Union (EU) seit 1993 die Abgasnormen für Partikel im Prüfzyklus NEDC folgendermassen verschärft:

Euro-1 (1993): 140 mg Partikel/km
Euro-2 (1997): 80 / 100 mg Partikel/km (Dieselmotoren mit Direkteinspritzung 100 mg/km, bei indirekter Einspritzung 80 mg/km)
Euro-3 (2001): 50 mg Partikel/km
Euro-4 (2005): 25 mg Partikel/km
Euro-5 (2010?): 5 mg Partikel/km (Entwurf der EU-Kommission)

Die EU-Kommission hat im Juli 2005 einen Entwurf für die Grenzwerte der Euro-5 veröffentlicht. Neben einer Reduzierung der Partikelemissionen um 80 Prozent (im Vergleich zur Euro-4) wird eine Reduzierung der Stickoxide um 20 % auf 200 mg/km vorgeschlagen. Der Grenzwert für Partikel ist nur mit einem Wandstromfilter darstellbar.

Interessant ist noch, dass der Partikelgrenzwert von 5 mg/km ab der Euro-5 auch für mager betriebene und direkt einspritzende Ottomotoren gültig sein soll. Mager bedeutet hier, dass bei der Verbrennung (wie beim Dieselmotor) mehr Luft im Brennraum zur Verfügung steht als dies für eine vollständige Verbrennung notwendig ist (Lambda>1). Konventionelle Ottomotoren hingegen werden meist mit einem konstanten Lamda von 1 betrieben. Dieser Partikelgrenzwert für Ottomotoren könnte dazu führen, dass solche Fahrzeuge zur Zertifizierung nach Euro-5 ebenso mit einem Partikelfilter ausgestattet werden müssten.

Die zunächst erwartete Gültigkeit ab 2010 wird eventuell auf 2008 vorverlegt.

Kraftfahrzeuge mit Partikelfilter ab Werk

Derzeit ist der Markt für Fahrzeuge, die ab Werk mit einem Partikelfilter ausgerüstet werden können, im Umbruch. Viele Hersteller bieten das Geschlossene Filtersystem (Wandstromfilter) inzwischen kostenlos für ihre Modelle an. Der ADAC empfiehlt, ein Diesel-Fahrzeug nach Möglichkeit mit Partikelfilter zu erwerben, auch wenn man dadurch u. U. eine längere Lieferzeit im Kauf nehmen muss. Neben dem Umweltschutz werden Fahrzeuge mit DPF einen deutlich geringeren Wertverlust erleiden.

Siehe auch

Weblinks

Hersteller

HUSS Umwelttechnik