Effizienz von Filtersystemen

Grundsätzlich wird unterschieden zwischen geschlossenen und offenen Filtersystemen, die sich wiederum unterschiedlicher Regenerationsverfahren bedienen können. Geschlossene Systeme werden meist in der Erstausrüstung eingesetzt, offene Systeme eher für die Nachrüstung.

Geschlossene Systeme

Bei den in geschlossenen Systemen häufig verwendeten Wandstromfiltern bestehen die Filterwände aus unterschiedlich porösen Werkstoffen, meist aus Metall oder Keramik. Klassische Keramiken sind Aluminiumoxid, Siliziumcarbid (SiC) und Cordierit. Bei Metallen nutzt man hauptsächlich hochfeste Chrom-Nickel-Stähle.

Die porösen Wände können im Filterkörper unterschiedlich angeordnet sein. Bei Metallpulver und Fasern werden eher flächige Filterwände aufgebaut, die dann in Rohren, Taschen oder Bälgen angeordnet sind. Filter aus Keramikpulver besitzen oft eine Kanalstruktur, wobei die Kanäle wechselseitig verschlossen sind. Deshalb muss das Abgas durch die poröse Keramikwand strömen.

Der Wirkungsgrad geschlossener Filter ist sehr gut. Er beträgt mehr als 90 %. Probleme bei der Regeneration können jedoch zu Schäden an Motor und Filter führen. Zum sicheren Betrieb eines geschlossenen Partikelfilters ist daher ein ausgeklügeltes Filter- und Motormanagement erforderlich. Deshalb können geschlossene Filter nur mit größerem Aufwand in ältere Fahrzeuge eingebaut werden.

Offene Systeme

In offenen Systemen arbeitet ein so genannter Durchflussfilter. Er besteht aus dünnen Stahlfolien, hitzebeständigen Faserfliesen oder Geflechten, in denen die Partikel vom Abgas getrennt und zur Anlagerung auf die innere Oberfläche des Filters gebracht werden. Durch geeignete Vorrichtungen erreicht man, dass der größte Teil des Abgasstromes durch den Filter gelenkt und so gereinigt wird. Der Rest fließt ungefiltert durch.

Bei offenen Filtersystemen ist die Regeneration weniger problematisch, da sie nicht verstopfen können. Allerdings erreichen sie nicht die gute Filterwirkung geschlossener Systeme, weil das Abgas keine feinporöse Wand durchdringen muss. Das gilt besonders für Partikel unter 100 nm Durchmesser. Allgemein liegt der Wirkungsgrad eines Durchflussfilters bei 30 - 50%. Vorteilhaft wirkt sich jedoch die nur geringe Erhöhung des Abgasgegendrucks aus, was dazu führt, dass der Kraftstoffverbrauch nicht oder nur wenig ansteigt.

Regeneration

Je nach Motorbetrieb kann der Filter bereits nach einigen Betriebsstunden bis zur höchstzulässigen Grenze mit Partikeln beladen sein und muss regeneriert werden. Dazu, also zur Verbrennung dieser Rußpartikel, sind Zündtemperaturen zwischen 350° und 600° C erforderlich, abhängig vom jeweiligen Regenerationsverfahren. Solche Abgastemperaturen am Filtereintritt erreicht kaum ein modernes Dieselfahrzeug - weder Pkw noch Lkw - auch nicht unter Volllastbedingungen. Daher gilt es, besondere Maßnahmen zu ergreifen, um die Verbrennung entweder bei niedrigeren Temperaturen zu ermöglichen, oder die Temperatur durch Energiezufuhr zu erhöhen.

Um den unterschiedlichen Betriebsanforderungen gerecht zu werden, wurden verschiedene Regenerationsverfahren entwickelt. Man unterscheidet zwischen aktiven und passiven Systemen. In beiden Systemen kann die Regeneration entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich, also nach Bedarf, ablaufen.

Aktive Regenerationsverfahren führen dem Filter Wärme zu. Sie arbeiten in der Regel diskontinuierlich, das heißt die Wärmezufuhr, beziehungsweise Temperaturerhöhung wird eingeleitet, wenn ein bestimmter Beladungsgrad erreicht ist.

Die häufigste Methode ist eine Temperaturerhöhung durch einen Brenner. Sobald die automatische Kontrolle des Abgasgegendruckes ein entsprechendes Signal auslöst, setzt sich der im Zuströmbereich zum Partikelfilter positionierte Brenner in Gang. Dieser wird in der Regel mit Dieselkraftstoff betrieben und heizt das Abgas bei beliebigen Betriebszuständen des Motors bis auf die Regenerationstemperatur (> 700°C) auf. Ist der Filter nach circa zehn Minuten frei gebrannt, schaltet sich der Brenner ab.

Bei passiven Systemen werden die Filter katalytisch regeneriert, was sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich erfolgen kann.

Ein diskontinuierliches Verfahren wurde serienmäßig als erstes von Peugeot eingesetzt: Mit Hilfe eines Kraftstoff-Zusatzes (Additiv), zum Beispiel Eisenoxid, wird die Temperatur zur Verbrennung der Partikel im Filter um 100°C herabgesetzt, so dass rund 500°C für die Regeneration in etwa zwei Minuten ausreichen. Meist wird das Additiv dem Kraftstoff beim Tanken in einem definierten Verhältnis beigemischt.

Beispiel für ein kontinuierliches Verfahren ist das CRT-Prinzip (CRT: continously regenerating trap = Laufend regenerierende (Partikel)-Falle / Partikelfiltersystem). Es basiert auf dem Effekt, dass der Kohlenstoffanteil der Partikelmasse mit Stickstoffdioxid (NO₂) bereits bei Temperaturen ab etwa 250° reagiert. Ein dem Partikelfilter vorgeschalteter Katalysator wandelt den vorhandenen Stickstoff (NO) in NO₂ um. Voraussetzung für das Funktionieren sind ein bestimmtes Temperaturfenster zwischen 250 und 400 ° sowie ein bestimmtes Mengenverhältnis von NO2 gegenüber Kohlenstoff (12:1). Dieses System kann für ungünstigere Betriebsbedingungen mit diskontinuierlich arbeitenden Regenerationshilfen wie elektrischer Heizung ergänzt werden.

Allgemein gilt, dass Kombinationen, wie beispielsweise der Einsatz von Additiven in Verbindung mit motorischen Maßnahmen, zur Gewährleistung einer guten Regeneration durchaus geeignet sind.

Geschlossene Partikelfiltersysteme können sich im Prinzip jedes Regenerationsverfahrens bedienen, während offene Systeme nur das passive Verfahren anwenden können.

Bei der Nachrüstung von Pkw werden offene Systeme angewandt, die kontinuierlich regenerieren.