mini|Dieselrußpartikelfilter (oben links) in einem Peugeot mini|Lastkraftwagen von Hino Motors mit SCR-Katalysator mit Diesel Exhaust Fluid-Tank und Dieselrußpartikelfilter mini|Dieselrußpartikelfilter aus Siliziumkarbid (rechts) plus Oxidationskatalysator (links) inklusive Sensoren sowie Metallgehäuse für Pkw
Ein Dieselrußpartikelfilter (DRPF), oft auch als Dieselpartikelfilter (DPF), Rußpartikelfilter (RPF) oder Partikelfilter bezeichnet, ist eine Einrichtung zur Reduzierung der im Abgas von Dieselmotoren vorhandenen Partikel.
Hintergrund und Einleitung Vor allem der kohlenstoffhaltige Feinstaub gilt seit langem als gesundheitsschädlich, da es sich nicht um Rußpartikel aus reinem Kohlenstoff, sondern meist um Agglomerationen (Anbackungen) von Rußpartikeln mit anderen gesundheitsschädigenden Stoffen wie PAK (Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe) u. a. m. handelt. Die moderne Dieselmotorentechnik mit Common-Rail-Einspritzung sorgt zudem für immer feinere und damit lungengängigere Feinstpartikel. Diese extrem kleinen Feinpartikel sind besonders gesundheitsschädlich.
Umweltverbände hatten daher seit Jahrzehnten einen Dieselrußpartikelfilter gefordert. Da diese Technik jedoch sehr aufwändig und teuer ist, konnte erst um die Jahrtausendwende ein zuverlässig arbeitendes System bis zur Serienreife entwickelt werden.
Man unterscheidet zwischen wanddurchfluteten Keramikmodulen (an denen die Kanalenden wechselseitig mit Stopfen verschlossen sind), Sintermetallfiltern, die statt poröser Keramik geschlossene und gefaltete Taschen aus porösem Sintermetall haben, sowie Nebenstrom-Tiefbettfiltern, welche die Rußpartikel durch Strömungsdynamik – gezielte Strömungsumlenkungen – quasi aus dem Abgasstrom herausfischen. Die wanddurchfluteten Filter werden fälschlicherweise oft als „geschlossene Filtersysteme“ bezeichnet, die Nebenstrom-Tiefbettfilter wiederum fälschlicherweise oft als „offene Filtersysteme“.
Dieselrußpartikelfilter mit wanddurchfluteten Keramikmodulen kommen zu 99 % in der automobilen Serie zum Zuge. Der Grund liegt darin, dass diese die Partikelmasse zu über 98 % herausfiltern können – und bis 2015 (Euro 5) wurde bei den Abgasgrenzwerten für Partikel nur Masse und nicht Partikelanzahl gefordert. Bei den besonders gesundheitsschädlichen Feinstpartikeln haben diese allerdings systembedingte Schwächen; vor allem nach jeder Regeneration, bis sich wieder ein Filterkuchen aufgebaut hat. Nebenstrom-Tiefbettfilter wiederum können die Partikelmasse nur zu rund 40 %, die Feinstpartikeln allerdings bis rund 80 % herausfiltern.
Der sichtbare Ruß bei Fahrzeugen, Lokomotiven und Schiffen trägt hauptsächlich zur gesundheitlich weniger kritischen Partikelmasse bei und muss nicht zwangsläufig eine hohe Zahl von Feinstpartikeln enthalten.
Bei den wanddurchfluteten Dieselrußpartikelfiltern muss der gesammelte Ruß regelmäßig (etwa alle 500 bis 1000 km) verbrannt werden. Zurück bleibt ein geringer Anteil an unbrennbarer Asche. Diese summiert sich auf, so dass der Filter eines Tages ganz voll ist (die Grenze lag 2015 etwa bei 200.000 km). Da der Ruß nur bei höheren Temperaturen um 500 °Celsius verbrennt und das Abgas des Dieselmotors recht kalt ist, kann ein Filter auch durch Ruß verstopfen. Beide Verstopfungsarten (Ruß oder Asche) haben also unterschiedliche Gründe. Der Vorgang der Regeneration (der Rußabbrand) findet bei mittelhohen Temperaturen statt, bei denen auch chemische Umwandlungen stattfinden. Die meisten DPF sind katalytisch beschichtet, was derartige chemische Reaktionen noch unterstützt. Das kann dann zu anderen giftigen Stoffen führen, welche mit dem Abgas in die Umwelt gelangen.
Geschichte Erste Experimente mit Abgasreinigungsanlagen fanden bereits während des Ersten Weltkrieges statt, allerdings nicht zum Zweck des Umweltschutzes, sondern zur Tarnung. Die ersten dieselangetriebenen Schiffe und U-Boote verrieten sich durch weithin sichtbare Rußfahnen. Dazu wurde in die Abgasanlage Aceton eingesprüht. Das entstehende Abgasgemisch wurde danach in den Verbrennungsprozess rückgeführt. Die Erfolge waren jedoch mäßig.
Dieselrußfilter bei Dieselmotoren und -fahrzeugen – im Bergbau, unter Tage oder in großen Hallen eingesetzt – sind seit den 1970er-Jahren üblich.
Im Pkw kam der Dieselrußpartikelfilter erstmals 1985 in der Mercedes-Benz S-Klasse (Baureihe W 126) zum Einsatz. Dieses ausschließlich für den amerikanischen Markt bestimmte Modell hatte jedoch ernsthafte Probleme mit der Dauerhaltbarkeit des Filters. Deshalb wurde die Produktion schon 1987 eingestellt.
Nachdem führende Automobilhersteller auf die Einführung von Filtern jahrelang verzichtet hatten, kam der Durchbruch für die Technologie im Jahr 2000, als Peugeot den 406 sowie den 607 und Citroën den C5 serienmäßig mit einem Filter ausstattete. Hersteller des verkaufsfertigen Filters (frz. Abkürzung FAP für Filtre à particules) war neben der in Deutschland ansässigen Firma Tenneco der Zulieferer Faurecia, der sich mehrheitlich im Besitz des PSA-Konzerns befindet. Es handelte sich hierbei um einen Wandstromfilter mit additivunterstützter Regeneration. Die Filterelemente selbst bestehen aus Cordierit, Siliziumkarbid oder Aluminiumtitanat und werden von den Keramikfirmen Saint-Gobain, Ibiden, NGK Insulators und Corning (nur Aluminiumtitanat) hergestellt. Die seit dem 1. Januar 2005 gültige Abgasnorm Euro 4 erfüllte der Peugeot 607 jedoch trotz Filter noch nicht. Die Grenzwerte der Euro-4-Norm bei Rußpartikeln wurden zwar um ein Vielfaches unterschritten, die Stickoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen waren aber noch zu hoch. 2003 brachten Tenneco und Faurecia eine neue Generation von Filtern auf den Markt, nunmehr mit katalytischer Regeneration. Diese Filter entsprachen bereits der Euro-4-Norm, damit ausgerüstete HDi-Dieselmotoren (High Pressure Direct Injection, hier Common-Rail-Einspritzung) wurden anlässlich der IAA 2003 von Peugeot vorgestellt. Wegen der stark gestiegenen Nachfrage kam es im Jahr 2004 zu Kapazitätsengpässen bei der Filterproduktion. Daraufhin vervielfachten die Hersteller der Filterelemente auf Drängen der Automobilhersteller die Fertigungskapazitäten.
Entstehung von Dieselruß mini|260px|Partikelgrößenverteilung im ungefilterten Abgas eines Dieselmotors Dieselruß entsteht aufgrund der Kraftstoffeigenschaften und des Verbrennungsverfahrens. Partikel im Dieselabgas bestehen hauptsächlich aus Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Die vom Dieselmotor erzeugte Partikelgrößenverteilung (PGV) ist meist multimodal und kann im jeweiligen Modus (logarithmisch aufgetragen) als normalverteilt angenähert werden. Der Höchstwert der Verteilung tritt im Bereich von etwa 50–100 nm auf (abhängig vom verwendeten Motor). Abweichungen von der Normalverteilung im Bereich der kleineren Modi (kleiner als 20 nm) sind meist durch die Probenahme zur Erfassung der PGV entstanden und stellen sogenannte Artefakte dar. Diese Modi können zum Beispiel auf die Rekondensation von flüchtigen Kohlenwasserstoffen (Tröpfchenbildung, Nukleation) zurückgeführt werden, die dann im Partikelspektrum erscheinen und zu Fehlinterpretationen führen können. Diese Nukleation ist auf homogene oder heterogene Kondensation zurückzuführen, wie sie bei hochkonzentrierten gesättigten Dämpfen auftritt. Treten in der Gasphase kleine Partikelkeime (beispielsweise Rußpartikel) auf, spricht man von heterogener Nukleation. Auch Schwefel im Kraftstoff führt zu einer solchen erhöhten Tröpfchenbildung, beispielsweise wenn der Motor mit Heizöl betrieben wird. Größere Modi im Bereich mehrerer Mikrometer entstehen im Verlauf der Bewegung durch die Abgasanlage durch Agglomeration kleinerer Teilchen.
Ausführungen Dabei gibt es zwei Funktionsweisen, die sich grundsätzlich unterscheiden: Wandstromfilter, bei denen das Abgas im Filter eine poröse Wand durchdringt, und Nebenstromfilter, bei denen das Abgas den Filter an seiner inneren Oberfläche entlang durchfließt.
Wandstromfilter Funktionsweise mini|Wandstromfilter aus Siliziumkarbid werden aus einzelnen quaderförmigen Segmenten zusammengeklebt, rundgedreht und der Mantel verputzt Bei einem Wandstromfilter (Marketing-Namen: CERACLEAN®, HONEYCERAM®, Wall-Flow, fälschlicherweise auch als Geschlossenes System genannt) wird das mit den Rußpartikeln versetzte Abgas bei der Durchdringung einer porösen Filterwand gefiltert.
Die Partikel bleiben dabei bei Oberflächenfiltern hauptsächlich an der Oberfläche der Filterwand hängen oder verbleiben mittels Tiefenfiltration im Inneren der Filterwand. Größere Partikel können die Filterwand nicht passieren und lagern sich so auf ihrer Oberfläche an. Auf diese Weise können sich bis zum Zeitpunkt der Regeneration bis zu 200 µm dicke Schichten an der Kanaloberfläche bilden. Der physikalisch wirksame Mechanismus zum Anhaften der Partikel an der porösen Filterwand beruht auf der Adhäsion. Die Bewegung der Partikel zur Filterwand kommt hauptsächlich durch den Mechanismus der Diffusion zustande und ist durch die Strömung des Abgases durch den Filter überlagert.
Auch bei Oberflächenfiltern findet zu Beginn eine Tiefenfiltration statt. Mit der Belegung der inneren Filterflächen erfolgt das Ablagern der Partikel auf der Oberfläche. Es bildet sich mit den sogenannten Filterkuchen eine Partikelschicht. Bei Tiefenfiltern lagern sich die Partikel nur in der inneren Filterstruktur ab.
mini|Dieselrußpartikelfilter (Monolith) links aus Cordierite-Keramik, rechts aus Aluminium-Titanat-Keramik
Die Filterwände selbst können aus unterschiedlichen porösen Werkstoffen bestehen, die meist aus Fasern oder Pulver aufgebaut sind. Die Fasern oder das Pulver selbst bestehen aus Keramiken oder aus Metallen. Klassische Keramiken sind Mullit, Cordierit, Siliziumcarbid (SiC) und Aluminiumtitanat. Teilweise werden in neueren Entwicklungen auch unterschiedliche Werkstoffe kombiniert.
mini|Dieselrußpartikelfilter aus Siliziumkarbid
Die porösen Wände können im Filter auf unterschiedliche Art angeordnet sein. Bei Fasern und Metallpulver werden eher flächige Filterwände aufgebaut, die in Rohren, Taschen oder Bälgen angeordnet werden. Bei aus Keramikpulver hergestellten Filtern wird eine Kanalstruktur verwendet, wobei die Kanäle wechselseitig verschlossen sind. Das Abgas wird dadurch gezwungen, die poröse Wand zu durchströmen. Durch den Produktionsprozess lassen sich verschiedene Geometrien oder Eigenschaften des Filtermaterials erzeugen. Besonders von Bedeutung sind die Wandstärke, Zelldichte, mittlere Porengröße und das Porenvolumen.
Durch die Ablagerung der Partikel an der Oberfläche bzw. im Inneren der Filterwand steigt der durch den Abgasvolumenstrom erzeugte Differenzdruck über den Filter an. Bei Erreichen eines Schwellwertes – wenn also eine bestimmte Rußmasse eingelagert ist – wird die Regeneration des Filters eingeleitet.
Übliche Filter weisen im Substrat eine Porengröße von 10 µm auf. Damit sind die Poren zwar deutlich größer als das zu filtrierende Partikelspektrum, die Partikel lagern sich jedoch bei Durchtritt an die poröse Wand an, wodurch ein Oberflächenfiltrat entsteht, an dem sich in der weiteren Folge der sogenannte Filterkuchen aus weiteren abgeschiedenen Partikeln bildet.
Die Wirkungsgrade, bezogen auf die Partikelmasse und Anzahlverteilung, liegen damit auch bei ultrafeinen Nanopartikeln mit Partikelgrößen von mehr als 20 nm im Bereich von 90 bis zu 99,9 %.
Alle für die Feinstaubdiskussion relevanten Bereiche wie PM10, PM2,5, PM1 und PM0,1 (siehe Feinstaub) werden mit einem Wandstromfilter wirkungsvoll reduziert.
Regeneration