Wandstromfilter - green car magazine

Rußpartikelfilter

Rußpartikel sind gefährlich: nicht nur für die Umwelt, sondern auch für unsere Gesundheit. Durch die moderne Dieselmotorentechnik werden die Feinstpartikel immer kleiner und damit lungengängiger. Sie gelangen in die Blutbahn und die Organe und können dort Krebs erregen. Für die Umwelt sieht es auch nicht besser aus: Rußpartikel absorbieren das Sonnenlicht und erhöhen somit die Atmosphärentemperatur. Die schädlichen Feinstoffe entstehen bei einer unvollständigen Verbrennung von Kraftstoffen, hauptsächlich in Diesel-Motoren.

Um Feinstpartikel zu vermeiden, muss in Diesel-Fahrzeugen ein Rußpartikelfilter eingebaut sein, welcher die Aufgabe hat, die Rußpartikel zurückzuhalten und sie in CO2 umzuwandeln. Der gesammelte Ruß wird zudem in den Filtern verbrannt, sodass mindestens 90 Prozent weniger krebserregende Partikelanteile in die Umwelt gelangen.

Wie ist ein Rußpartikelfilter aufgebaut?

Ein Rußpartikelfilter kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen: Codierit, Siliciumcarbid, Aluminiumtitanat oder Sintermetall. Grundsätzlich kann man die Filter so in verschiedene Kategorien einteilen: „Geschlossene“ Partikelfiltersysteme bestehen aus wanddurchfluteten Keramikmodulen wie Siliciumcarbid; Sintermetallfilter besitzen statt poröser Keramik Taschen aus porösem Sintermetall und „offene“ Partikelfiltersysteme wie Nebenstrom-Tiefbettfilter fischen die Rußpartikel mittels Strömungsdynamik aus dem Abgasstrom heraus.

Wandstromfilter

Circa 80 Prozent aller Wandstromfilter bestehen aus Keramiken wie Cordierit, Siliciumcarbid oder Aluminiumtitanat; Sintermetall-Filter bestehen Chrom-Nickel-Stählen. Wandstromfilter gehören bei allen Automobilherstellern zur Erstausrüstung.
Wandstromfilter besitzen eine wabenförmige Struktur mit an den Enden verschlossenen Kanälen. Die heißen Motorenabgase werden in das Filtergehäuse und durch die Poren der Filterwände geleitet. Die gasförmigen Stoffe können die Filterwände passieren. Die Rußpartikel bleiben aufgrund ihrer Größe oder durch Agglomeration und Adhäsion an den Zwischenwänden zurück und lagern sich an den Wandflächen ab. Damit ein geringer Gasgegendruck und ein damit verbundener niedriger Widerstand – und damit ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch – erzielt wird, sollte die Porosität eines Partikelfilters möglichst groß sein. Das hat allerdings zur Folge, dass weniger der ultrafeinen Rußpartikel von den Wänden zurückgehalten werden. Der Abscheidegrad ist meist viel geringer als angegeben. Die Rußbeladung des Filters ist naturgemäß begrenzt, denn die zurückbleibenden Partikel setzen den Filter immer weiter zu. Daher wird der Abgasgegendruck stetig überprüft, sodass die Ruß- und Aschebeladung des Filters bestimmt werden kann.

Die Reinigung des Filters, Filter-Regeneration genannt, erfolgt meist automatisch durch Motorsteuerung nach einer gefahrenen Strecke von 500 bis 1.000 km. Mittels Erhöhung der Abgastemperatur wird der angesammelte Ruß verbrannt und der Abgasgegendruck sinkt. Die Erhöhung der Abgastemperatur erfolgt entweder durch Kraftstoff- oder durch Additiveinspritzung beim Fahren. Ist die Asche- bzw. Ruß-Beladungsgrenze überschritten, signalisiert eine Warnleuchte in der Instrumententafel die Verstopfung des Filters. Sollte dieser Fall auftreten, ist ein schnelles Aufsuchen einer Werkstatt notwendig, denn schwerwiegende Schäden wie eine überhöhte Motortemperatur und damit Motorschäden könnten auftreten. Verstopfungen des Rußpartikelfilters können auch auftreten, wenn das Diesel-Fahrzeug hauptsächlich auf Kurzstrecken oder allgemein mit niedrigen Drehzahlen gefahren wird. Es entsteht dann eine so große Rußmenge, dass der Filter nicht alles aufnehmen und vollständig verbrennen kann. Der Rußpartikelfilter verstopft und sollte gereinigt werden, denn überladene Filter können nicht nur den Motor zerstören, sondern im Extremfall auch zu einem Fahrzeugbrand führen.
Ist die Asche-Beladungsgrenze erreicht, sollte der Filter erneuert oder professionell aufbereitet werden. Bei moderater Fahrweise ist die Asche-Beladungsgrenze nach 120.000 bis 180.000 km erreicht. Auch ein nicht ordnungsgemäß arbeitender Motor kann eine frühzeitige Verstopfung des Filters herbeiführen. Auch dann sollte eine Werkstatt aufgesucht werden, um den Filter reinigen zu lassen.

Durch die hohen Temperaturen bei der Regeneration in Wandstromfiltern werden an den Rußpartikeln haftende Schadstoffe gelöst und teilweise chemisch umgewandelt. Die dadurch in erhöhter Konzentration entstehenden polyzyklisch aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) müssten nach dem Rußpartikelfilter eigentlich durch einen zusätzlichen Katalysator herausgefiltert werden, denn viele PAK haben krebserregende, erbgutverändernde oder giftige Eigenschaften. Auch beim Verbrennen von PAK wie Benzolen bei niedrigen Temperaturen können gefährliche Dioxine und Furane entstehen.

Wandstromfilter werden zudem in verschiedene Systeme unterteilt: mit und ohne Additiv. Additiv-Systeme kommen bei Herstellern wie Ford, Volvo oder Peugeot/Citroen zum Einsatz; deutsche Automobilhersteller bevorzugen Rußpartikelfilter ohne Additiv.

Bei Additiv-Systemen wird dem Dieselkraftstoff aus einem separaten Behälter eine bestimmte Menge des Additivs zugesetzt, wodurch die Ruß-Abbrenntemperatur um etwa 100 °C sinkt, sodass sie auch bei normalen, kürzeren Fahrten erreicht werden kann. Rußpartikelfiltersysteme, die ein Additiv nutzen, müssen alle 120.000 bis 180.000 km ausgebaut und gereinigt werden, da die im Additiv enthaltenen Feststoffe wie Ceranium und Eisenstoffe im Partikelfilter zurückbleiben.
Rußpartikelfilter ohne Additiv nutzen eine Verschiebung des Einspritzzeitpunkts und eine zusätzliche Nacheinspritzung von Dieselkraftstoffen, um die nötige Abbrenntemperatur zu erreichen. Das hat zur Folge, dass kurzzeitig der Wirkungsgrad des Motors verschlechtert wird und damit der Kraftstoffverbrauch ansteigt.

Größenvergleich Partikel - green car magazine
Größenvergleich Partikel – green car magazine

Nebenstromfilter

Nebenstromfilter bzw. Nebenstrom-Tiefbettfilter (fälschlicherweise oft als offene Systeme bezeichnet) arbeiten nach dem Prinzip der Tiefbettfiltration. Ein Teil des Abgasstroms wird durch ein offenporiges Vlies in angrenzende Kanäle des Filters umgelenkt und die Rußpartikel werden so herausgefiltert. Durch eine mehrfache Umlenkung des Abgasstroms erfolgt der Durchtritt durch die Vlieslagen dabei über die gesamte Kanallänge. Auch durch Adhäsion am Vlies oder an kleinen Sintermetallkügelchen können Rußpartikel in diesem System herausgefiltert werden.
Da der Abgasstrom im Nebenstromfilter nicht gezwungen ist, eine poröse Wand zu passieren, und die Rußpartikel im Falle einer Überladung durch die normalen Längskanäle geleitet werden, ist die Gefahr der Verstopfung von Vlies und Längskanälen sehr gering. Nebenstromfilter arbeiten meist nach dem CRT-Prinzip (Continuously Regeneration Trap). Sie benötigen zur Regeneration keinerlei Sensoren oder Änderung an der Motorsteuerung der Fahrzeuge, wie die herkömmlichen Wandstromfilter: Der Ruß wird hier kontinuierlich abgebrannt. Im Gegensatz zu Wandstromfilter besitzen Nebenstromfilter übrigens ein „Notsystem“: Im Falle einer Überladung wird der Ruß durchgelassen und ausgeblasen, sodass es zu keiner Beschädigung des Motors kommen kann.

Die Reinigung

Ist ein Partikelfilter verstopft, muss er ausgetauscht oder idealerweise gereinigt werden. Die Reinigung eines neuen Rußpartikelfilters ist nicht nur besser für die Umwelt als ein Einbau, sondern schont auch den Geldbeutel, denn der Einbau eines neuen Filters kann bis zu 3.000 Euro kosten. Automobilhersteller raten meist von der Reinigung des Partikelfilters ab und raten zum Austausch durch Originalteile. Ist die Herstellergarantie noch gültig, sollte auf eigene Faust besser keine Reinigung des Partikelfilters vorgenommen werden, da so die Garantie hinfällig werden könnte. Ist sie aber erst einmal abgelaufen, so kann sich der Fahrzeughalter frei für die Reinigung des Filters entscheiden.

Bei der Reinigung wird der Partikelfilter zuerst begutachtet, die Keramik auf Risse oder Verschmelzungen untersucht und die Ruß- und Aschebeladung gemessen. Bei der Reinigung des Filters können mehrere Methoden zum Einsatz kommen.
Das Erhitzen des Rußpartikelfilters über einen längeren Zeitraum soll Verunreinigungen in den Kanälen lösen. Der restliche Ruß wird beim Erhitzen verbrannt. Nach dem Erhitzen wird der Filter schließlich ausgeblasen. Auch mit Druckluft ist eine Reinigung des Filters möglich: Hierbei muss das Gehäuse nicht aufgetrennt werden, sondern wird mithilfe eine Aerosols und Druckluft von Verunreinigungen wie Ruß oder Asche entfernt. Diese schonendste Methode der Reinigung soll rund 98 Prozent aller Verunreinigungen aus dem Filter entfernen.
Die Reinigung des Filters ist auch mit chemischen Mitteln möglich. Hier besteht aber das Risiko, dass die Temperaturen rund um den Filter durch die chemischen Reaktionen zu stark ansteigen und der Filter beschädigt wird.

Während der Rußpartikelfilter bislang nur Vorschrift für Diesel-Fahrzeuge war, wächst der Druck auf die Automobilhersteller, Partikelfilter auch bei Benzinmotoren einzusetzen. Hintergrund ist der massiv erhöhte Ausstoß von Stickoxiden vieler Benziner. So planen sowohl Daimler als auch der französische PSA-Konzern, die Filter auch in ihren Benziner-Neuwagen einzubauen.

Addendum:

Artikel aus dem green car magazine – Ausgabe IV – 2017. Mehr Infos unter

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