Partikelfilter gegen Feinstaub
Feinstaubpartikel aus dem Abgasstrom zu filtern und zu entsorgen, ist beim Diesel technisch gelöst. Sorgen bereiten Benzindirekteinspritzer ohne Partikelfilter.
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Filter ist nicht gleich Filter“, sagt Thomas Koch, Leiter des Instituts für Kolbenmaschinen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Mitglied im VDI-Fachbeirat Antrieb und Energiemanagement. „Die Technik des Dieselpartikelfilters ist alles andere als trivial.“ Dabei ist die Filtration der bei der Verbrennung in Motoren entstehenden Rußpartikel noch der einfachste Teil.
Brennpunkt Technik:
Ausgabe 40: SCR-Katalysatortechnik
Ausgabe 42: Partikelfiltertechnik
Ausgabe 44: Feinstaubbelastung und -messverfahren
Ausgabe 46: NOX
Ausgabe 48: CO2
Gelöst wird das im Dieselpartikelfilter (DPF) durch unterschiedliche Techniken: Zum einen gibt es wanddurchflutete Keramikmodule, an denen die Kanalenden wechselseitig mit Stopfen verschlossen sind. Auch Sintermetallfilter kommen zum Einsatz, die statt der porösen Keramik geschlossene und gefaltete Taschen aus porösem Sintermetall besitzen. Außerdem sorgen Nebenstromtiefbettfilter für Sauberkeit, die die Rußpartikel durch gezielte Strömungsumlenkungen (Strömungsdynamik) aus dem Abgasstrom herausfiltern.
„Die große Herausforderung“, sagt Koch, „ist beim Partikelfilter die Frage, was man mit dem angesammelten Ruß anschließend macht.“ Er darf nämlich nicht unkontrolliert abbrennen, da es sonst zu erheblichen Schädigungen am Fahrzeug oder gar durch Brand an Mensch und Umwelt führen kann. Da Ruß eine Form von Kohlenstoff ist, erfolgt die Regeneration in einer exothermen Oxidation, was unter günstigen Umständen nach dem Zünden des Rußes ein selbstständiges weiteres Abbrennen zur Folge hat.
Weil sich der Filter irgendwann zusetzt und der Abgasgegendruck stark steigen würde, muss der Partikelfilter in regelmäßigen Abständen regeneriert werden. Neben der additivunterstützten Regeneration, bei der ein Additiv mitgeführt und mithilfe einer Dosierpumpe dem Dieselkraftstoff beigemischt wird, hat sich bei Pkw-Motoren auf breiter Front die katalytisch unterstützte Regeneration durchgesetzt.
Hierbei ist der Filter ähnlich einem Oxidationskatalysator katalytisch beschichtet und wirkt zweifach: Während der passiven Regeneration erfolgt in einem Temperaturfenster zwischen 350 °C bis 500 °C und genügend hoher NO2-Konzentration eine permanente Umwandlung des Rußes zu CO2 und Stickstoffmonoxid (NO).
Das ist beispielsweise bei längeren Autobahnetappen der Fall. Ein vorgeschalteter Oxidationskatalysator wandelt dann das in den Abgasen vorhandene NO zusammen mit dem Restsauerstoff (O2) in Stickstoffdioxid (NO2) um. Das Stickstoffdioxid ermöglicht anschließend eine kontinuierliche Verbrennung des im Partikelfilter angesammelten Rußes.
Anders sieht es bei Kurzstreckenfahrten, kühlen Außentemperaturen und geringem Lastbetrieb aus. Dabei werden die erforderlichen Verbrennungstemperaturen in der Regel nicht erreicht. Dann erfolgt etwa alle 1000 km – oder wenn Sensoren vorzeitig einen vollen Beladungszustand des DPF melden – die aktive Regeneration. Dabei wird per Nacheinspritzung vor dem Oxidationskatalysator die Abgastemperatur auf ca. 600 °C erhöht, um den Rußverbrennungsvorgang einzuleiten.
Allerdings muss dieser Vorgang für 15 min bis 30 min eingehalten werden, was beim Kurzstreckeneinsatz oft nicht möglich ist. „Ein Fahrzeug, dass nur im Stadtverkehr für weniger als 30 min bewegt wird, kann praktisch kaum die Rußpartikel regenerieren“, so Koch. Schäden drohen bis hin zum Totalausfall der DPF. Geht jedoch alles nach Plan, ist der Ruß zwar weg, doch steigen die Stickoxidemissionen, da während der Regeneration das Abgasrückführventil geschlossen wird.
Das unerwünschte und aufwendig wieder aus dem Abgasstrom zu eliminierende Stickoxid (siehe Teil 1 der Serie Brennpunkt Technik: SCR-Katalysator) ist wichtig, um die Rußablagerungen im Partikelfilter niedrig zu halten. „Wissenschaftler sind sich einig, dass 20, besser 40 und optimal hundert mal mehr NO2 benötigt wird als Ruß – um das Aufrußen zu verhindern“, erläutert Koch. „Angenommen, ein Pkw produziert 20 mg bis 40 mg Rußpartikel pro Kilometer, dann benötigt man die Größenordnung von über 400 mg/km NOx.“ Das erkläre laut Koch den hohen Stickoxidausstoß bei Euro-4- und Euro-5-Fahrzeugen: „Da war die Gesetzeslage wirklich sehr schwammig formuliert.“
Laut Kraftfahrtbundesamt sank die Emission von Feinstaub der Partikelgröße PM10 in einem Zeitraum von 1995 bis 2015 von 0,33 Mio. t um 32,7 % auf 0,22 Mio. t, wobei nur ein Drittel dem Straßenverkehr zuzuordnen sei. Allerdings seien laut Emmanuel Jean, Emissions Master Expert bei Faurecia Emissions Control Technologies, die Rußpartikel kein spezifisches Dieselproblem. Auch Benziner, darunter besonders die Motoren mit Direkteinspritzung, erzeugen Partikel. Bei diesem Verbrennungsverfahren wird wie beim Diesel mit Luftüberschuss gearbeitet. Der Kraftstoff wird direkt in den Brennraum eingespritzt, wodurch ultrafeine Partikel gebildet werden.
Bis zu viermal so viele Partikel, wie es der Grenzwert für Dieselfahrzeuge zulässt (4,5 mg/km), emittieren Benzindirekteinspritzer unter bestimmten Umständen. Noch unerfreulicher ist das Ergebnis von Untersuchungen des TÜV Nord im Auftrag der Umweltschutzorganisation Transport and Environment. Untersucht man die Abgase von Direkteinspritzern, sei dort der Ausstoß von Nanopartikeln um den Faktor 1000 im Vergleich zu Euro-6-Dieseln mit DPF erhöht. Da die Zahl der Benzinmotoren mit Direkteinspritzung kontinuierlich zunimmt (siehe Grafik), steigt auch die Feinstaubproblematik.
Laut Jean war 2016 allein in Europa jeder zweite Benzin-Pkw ein Direkteinspritzer. Diese Fahrzeuge emittieren also so viele Feinstaubpartikel wie Dieselfahrzeuge ohne Partikelfilter vor 15 Jahren.
Der Gesetzgeber hat reagiert: Ab September 2017 müssen Benziner mit Typneuzulassung, ab Herbst 2018 dann alle neu zugelassenen Benziner die verschärften Feinstaubwerte einhalten, die schon jetzt für Dieselfahrzeuge gelten. Das geht derzeit nur mit Partikelfiltern.
