Partikelfilter: Effizientes Prüfverfahren für den Umweltschutz 30 Jahre Fahrzeug-Katalysatoren – Aktuelles Forschungsprojekt an der TU Braunschweig

Veraschter Diesel-Partikelfilter zur Messung des Katalysatorwirkungsgrades mit einer simulierten Laufzeit von 200.000 Km

Mit der Einführung des Fahrzeug-Katalysators vor 30 Jahren nahm die Angst vor Umweltverschmutzung und Autoabgasen, auch in der Fahrzeugtechnik, Gestalt an. Seit dem ist die Behandlung und Reinigung von Abgasen ein wichtiges Feld in Forschung und Entwicklung von Fahrzeugen. So wurde das Prinzip des Fahrzeug-Katalysators ständig weiterentwickelt und für Benzin-, wie auch für Dieselmotoren umgesetzt. Künftig sollen auch Partikelfilter nicht nur für Diesel, sondern möglicherweise auch für Ottomotoren zur Anwendung kommen. Für ihre Entwicklung und Zulassung müssen sie aufwendige Verfahren durchlaufen. Wissenschaftler vom Institut für Verbrennungskraftmaschinen der Technischen Universität Braunschweig wollen diese Verfahren in Zukunft effizienter gestalten.

Der Fahrzeug-Katalysator und der Partikelfilter zählen heute zu den wichtigsten technischen Einrichtungen für die Nachbehandlung und Filterung von Autoabgasen. Obwohl der Katalysator vor allem mit dem Ottomotor und der Rußpartikelfilter mit dem Dieselmotor Bekanntheit erlangt haben, kommen unterschiedliche Katalysator-Systeme auch bei Dieselmotoren zum Einsatz. Eine vergleichbare Entwicklung, so Dipl.-Ing. Fabian Sonntag vom Institut für Verbrennungskraftmaschinen (IVB) der TU Braunschweig, sei auch für den Partikelfilter zu erwarten: Aufgrund strengerer gesetzlicher Vorgaben, könnte es eventuell bald entsprechende Systeme für Ottomotoren geben, so der Teamleiter für Emissionen und Kraftstoffe des IVB. Im Rahmen seines Promotionsprojektes hat er sich mit der Bewertung von Verfahren zur Veraschung von Partikelfiltern auseinandergesetzt.

Probenstück aus einem veraschten Filter zum Einbau in den Laborgasprüfstand

Im Gegensatz zum Katalysator, bei dem auf unterschiedliche Weise die Schadstoffe abgebaut werden, hält der Filter schädliche Partikel aus den Abgasen zurück, damit diese nicht in die Umwelt gelangen. „Diesel-Rußpartikelfilter bestehen wie Katalysatoren aus einer großen Anzahl kleiner Kanäle, die jedoch wechselseitig verschlossen sind. Dadurch ist das Abgas gezwungen, die Kanalwände zu durchströmen, dabei entsteht die Filtrationswirkung“, erläutert Fabian Sonntag. Die Rückstände aus Ruß und Asche veränderten allerdings die Eigenschaften des Filters. Der Differenzdruck erhöht sich und damit steigt der Kraftstoffverbrauch. Filter werden daher aktiv regeneriert, indem der angesammelte Ruß verbrannt wird, so der Experte. „Im Gegensatz zum Ruß lässt sich jedoch die Asche nicht entfernen. Sie sammelt sich im Laufe eines Fahrzeuglebens im Filter an und sorgt damit für eine Erhöhung des Gegendrucks. Durch die Asche verringert sich die Ruß-Speicherkapazität des Filters und das Motorsteuergerät leitet häufiger Regenerationen ein. Dies führt neben dem hohen Gegendruck zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs“, erklärt Sonntag.

Schnellveraschung von Dieselpartikelfiltern
Um Diesel-Rußpartikelfilter (DPF) oder künftige Otto-Partikelfilter (GPF) zu entwickeln und später auch zuzulassen, gibt es für deren Bewertung aufwendige Untersuchungsverfahren: Dabei müssten die Filter, nüchtern betrachtet, eigentlich nur ihre Funktion erfüllen. Ganz so einfach sei es jedoch nicht, erklärt Abgasexperte Fabian Sonntag. Im Rahmen seines Promotionsprojektes hat er unterschiedliche Verfahren verglichen und eines von ihnen weiterentwickelt.

Dipl.-Ing. Fabian Sonntag in der Leitwarte des automatisierten Motorprüfstands zur schnellen Veraschung von Diesel-Partikelfiltern

„Ein einfaches und gleichzeitig aufwendiges Verfahren ist, den Filter auf einem Motorenprüfstand über die gesetzlich vorgeschriebene Laufzeit zu betreiben“, so Sonntag. Für sein Projekt bedeutete dies, in 300 Betriebsstunden eine Strecke von 50.000 Kilometern zurückzulegen und über 4.000 Liter Kraftstoff zu verbrennen. So erhalte man einen praxisnahen Zustand des Filters. Das herkömmliche, zeit- und kraftstoffintensive Verfahren lieferte dem Maschinenbauingenieur wichtige Referenzdaten, um einen Vorschlag für ein verbessertes Prüfverfahren entwickeln zu können.

„Wichtige Parameter für die Bewertung des Partikelfilters sind der Gegendruck sowie die Form und die Verteilung der Asche im Filter“, erläutert Fabian Sonntag. Im Rahmen seiner dreijährigen Forschungsarbeit entwickelte er ein bekanntes Verfahren weiter, bei dem durch die Einspritzung von Öl vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können. „Mit dem weiterentwickelten Verfahren benötigen wir allerdings nur noch einen Drittel der Zeit und des Kraftstoffes und könnten damit die Bewertung neuer Filtergenerationen schneller und günstiger ermöglichen“, fasst Sonntag zusammen. Eine nächste Herausforderung, so der Emissions- und Kraftstoffexperte des IVB, werden Prüfverfahren sein, die nicht mehr am Motorprüfstand, sondern im Realbetrieb an Fahrzeugen stattfinden. Vorher steht für Fabian Sonntag allerdings noch die Veröffentlichung seiner Dissertationsschrift auf dem Arbeitsplan.

Zum Promotionsprojekt
Das Promotionsprojekt „Schnellveraschung von Dieselpartikelfiltern“ wurde von 2012 bis 2014 von der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e.V. gefördert und am Institut für Verbrennungskraftmaschinen unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Peter Eilts von Dipl.-Ing. Fabian Sonntag durchgeführt.

Weitere Informationen: https://www.tu-braunschweig.de/ivb/forschung/projekte/005

Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Peter Eilts
Dipl.-Ing. Fabian Sonntag
Institut für Verbrennungskraftmaschinen
Langer Kamp 6
38106 Braunschweig
Tel.: 0531 391-2963
f.sonntag@tu-braunschweig.de
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