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Jul 30, 2023

Was ist ein Dieselpartikelfilter? PH erklärt

Eines der wichtigsten Nebenprodukte der Dieselverbrennung sind Feinstaubpartikel.

Eines der wichtigsten Nebenprodukte der Dieselverbrennung sind Feinstaubpartikel, die hauptsächlich aus Ruß bestehen, der durch unverbrannten Kraftstoff entsteht. Dieser Ruß wird zusammen mit anderen Partikeln und Verbrennungsnebenprodukten als dichter schwarzer Rauch ausgestoßen – typischerweise, wenn der Motor stark belastet ist.

Ruß und die anderen feinen Partikel, die von Dieselmotoren freigesetzt werden, sind bei Verschlucken schädlich und können Probleme wie Lungenschäden und Krebs verursachen. Insbesondere in städtischen Gebieten trägt der schiere Dieselverkehr erheblich zu luftverschmutzungsbedingten Erkrankungen bei. Ende der 1960er Jahre begann man mit der Erforschung von Möglichkeiten, diese Partikel aus dem Abgasstrom herauszufiltern, was zur Entwicklung von Partikelfiltern führte. Das erste serienmäßige Automobilsystem wurde beispielsweise von Mercedes-Benz im kalifornischen Markt 1985 300D angeboten.

Die Systeme, die später als „Dieselpartikelfilter“ (DPF) bekannt wurden, beruhten darauf, den Abgasruß in einer Filterbaugruppe einzufangen. Wenn der Filter voll war, wurde ein „Regenerationszyklus“ durchgeführt. Durch diesen Prozess würde die Temperatur im Partikelfilter so stark ansteigen, dass die unerwünschten gespeicherten Nebenprodukte verbrannt und oxidiert würden – und dann als weniger schädliches Kohlendioxid freigesetzt würden.

Da Diesel immer beliebter wurde und Staus in Städten zu immer unangenehmeren Luftqualitätsproblemen führten, verbreitete sich der Einsatz von DPFs immer weiter. Im Jahr 2009 wurde es aufgrund der immer strengeren Abgasvorschriften erforderlich, dass alle neuen Dieselfahrzeuge über einen Dieselpartikelfilter verfügen.

Wie funktioniert ein Partikelfilter? Im Inneren eines Dieselpartikelfilters befindet sich eine Struktur namens „Filtersubstrat“, die für das Auffangen der Rußpartikel verantwortlich ist. Es besteht typischerweise aus keramischen Materialien und seine Wände sind oft porös. Es werden zwei gängige Bauformen verwendet: der Wandstrom- und der Teilstromfilter. Bei der ersten Methode strömt das gesamte Abgas durch die porösen Wände des Filters, wodurch Partikel effektiv entfernt werden, die Baugruppe jedoch leicht verstopfen kann. Teilstromfilter hingegen enthalten Kanäle, die fließen und sich verweben. Wenn das Abgas also schnell seine Richtung ändert, lagert es Ruß an der Wand des Substrats ab. Diese Filter verstopfen nicht so schnell, sind aber viel weniger effektiv.

In beiden Fällen ist das Grundprinzip dasselbe. Die Abgase des Motors werden in den Dieselpartikelfilter geleitet und die Gase strömen durch das poröse Material oder die Kanäle darin. Die Partikel im Abgasstrom können die Wände oder Kanäle im Filter nicht passieren und lagern sich dann im DPF ab – während der Rest des Abgases aus dem Endrohr austritt.

Die Ablagerungen im DPF würden, wenn sie nicht kontrolliert werden, schließlich die Filtereinheit verstopfen und zu erheblichen Leistungsproblemen führen. Um den Filter zu reinigen, ohne ihn aus dem Auto auszubauen, findet ein Prozess namens „Regeneration“ statt. Dabei wird die Temperatur im Partikelfilter so weit erhöht, dass die darin gespeicherten Ablagerungen verbrannt und in eine gasförmige Form, typischerweise Kohlendioxid, oxidiert werden. Der Prozess, der weniger schädliche Emissionen erzeugt als die bloße Freisetzung des Rußes in die Atmosphäre, kann passiv oder aktiv erfolgen.

Die passive Regeneration erfolgt, wenn die Abgastemperatur hoch genug ist, um das Material im Filter abzubrennen; Solche Zustände können bei Autobahnfahrten auftreten und bleiben für den Fahrer unsichtbar. Bei der aktiven Regeneration hingegen wird die Temperatur im Filter künstlich erhöht. Ein Ansatz besteht darin, das Verhalten des Motors zu ändern – beispielsweise durch eine Verzögerung des Einspritzvorgangs, sodass die Verbrennung im Abgas weiterläuft und den Filter erwärmt. Alternativ kann ein Heizsystem verwendet werden oder Kraftstoff direkt in den Abgas eingespritzt werden, der im System verbrennt und dessen Temperatur erhöht.

In manchen Fällen, beispielsweise wenn der Fahrer ständig nur kurze Fahrten unternimmt, kann es sein, dass der Filter keine Chance hat, sich zu regenerieren. Dies führt letztendlich dazu, dass es blockiert, die Motorleistung verringert und Probleme verursacht; Daher können viele Techniker eine Regeneration des DPF erzwingen, um ihn zu reinigen. Obwohl Partikelfilter problematisch sein können, sind sie zumindest effizient – ​​ein Hersteller behauptet, dass seine Wandflussfilter 90 Prozent oder mehr der vom Motor ausgestoßenen Rußpartikel auffangen.

Benutzen Benzinautos Partikelfilter? Eine leichte Ironie der jüngsten Gegenreaktion gegen Diesel ist, dass viele moderne Benziner – insbesondere solche mit Direkteinspritzung – selbst nicht frei von Emissionsproblemen sind. Insbesondere ergab eine dreijährige Schweizer Studie, dass mehrere Autos mit Direkteinspritzung zehn bis 100 Mal mehr „ultrafeine“ Partikel ausstießen als ein moderner Diesel, der mit einem Partikelfilter ausgestattet ist.

Diese feineren Partikel entstehen durch die Verbrennungsprozesse und Mischungen von Direkteinspritzmotoren. Noch problematischer ist, dass sie möglicherweise sogar noch schädlicher sind als herkömmliche Feinstaubpartikel, da sie aufgrund ihrer geringeren Größe leichter in Weichgewebe, beispielsweise in der Lunge, eindringen können.

Die Ergebnisse haben daher einige Hersteller dazu veranlasst, ihre Benzinfahrzeuge mit Partikelfiltern auszustatten. Auch hier war Mercedes-Benz eine der führenden Kräfte bei der Einführung von „Benzinpartikelfiltern“ GPFs. Im Jahr 2017 wurden einige Benzinversionen der S-Klasse der Generation W222 mit Partikelfiltern ausgestattet.

Im Gegensatz zu den Dieselfiltern des Unternehmens verwenden die Benzinversionen Cordierit – ein Siliziummaterial, das Magnesium, Eisen und Aluminium enthält – in ihrer Filterbaugruppe. Cordierit-Filter sind kostengünstiger als die in Dieselmotoren verwendeten Filter auf Siliziumkarbidbasis und halten nicht so hohen Temperaturen stand, aber das Material dehnt sich bei Erwärmung nicht so stark aus. Folglich sind Partikelfilter auf Cordieritbasis einfacher zu verpacken. Ihre Filterleistung ist jedoch immer noch hervorragend.

Weitere Marken, die GPFs verwenden, sind Ford im Ecoboost Mustang 2018 und im Fiesta ST sowie Volkswagen, das sie im Up GTI und Tiguan verwendet.

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