Autor: Fabian Langwald

F 145: Regeneration von Partikelfiltern bei Benzin und Dieselkraftfahrzeugen Fabian Langwald 67 S. , 67 Abb., 73 Tab., ISBN 978-3-95606-698-6, 2022 Zur Einhaltung der Partikelemissionsgrenzwerte für Kraftfahrzeuge im Rahmen der Typprüfung nach Europäischer Verordnung (EG) 715/2007 werden von den Fahrzeugherstellern Partikelfilter (Dieselpartikelfilter (DPF)/Ottopartikelfilter (engl. Gasoline Particulate Filter = GPF)) ins Abgassystem der Fahrzeuge verbaut. Spätestens bei Erreichen einer kritischen Rußmasse im Filter muss eine Regeneration eingeleitet werden. Die Regeneration erfolgt durch Abbrennen des im Filter eingelagerten Rußes. Der Kohlenstoffanteil der Partikel oxidiert hierbei mit Sauerstoff oberhalb von ca. 600 °C zu Kohlendioxid. Die Regenerationsstrategie der Fahrzeuge variiert. Grundsätzlich wird zwischen periodischer (aktiver) und kontinuierlicher (passiver) Regeneration unterschieden. Bei Dieselkraftfahrzeugen wird fast ausschließlich die periodische Regeneration eingesetzt, bei Fahrzeugen mit Benzinmotor die kontinuierliche Regeneration. Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Fahrzeugemissionen während einer Partikelfilterregeneration zu messen und hinsichtlich ihrer Veränderung gegenüber eines Fahrbetriebs ohne Regeneration zu bewerten. Dazu werden von drei Diesel- und zwei Benzinfahrzeugen die Partikelfilter beladen und im Anschluss daran eine Regeneration durchgeführt, bei der sowohl die festen als auch die gasförmigen Abgasemissionen gemessen werden. Die festen Bestandteile des Abgases werden im Nachgang auf ihre ehemischen Elemente untersucht. Bei den drei Dieselkraftfahrzeugen erfolgt die Beladung des DPF bis ca. 80 % bei einer Straßenfahrt. Im Anschluss wird das Fahrzeug auf dem Rollenprüfstand installiert und die Messtechnik angeschlossen. Die Messung der Emissionen während der DPF-Regeneration erfolgt in einem konstanten Motorbetriebspunkt bei einer simulierten Fahrt mit 80 km/h in der Ebene. Die Auswertung der festen Bestandteile des Abgases zeigt, dass die gemittelten Partikelanzahlwerte während und nach einer DPF-Regeneration von ca.1E+07 #/s um drei Zehnerpotenzen auf 1E+10 #/s steigen. Bei der Analyse der Gaskomponenten fällt auf, dass insbesondere unmittelbar vor der Regeneration die Gaskomponenten CO, THC, NOx, NO, NO2, NH3 und CH4, einen deutlichen Peak aufweisen, welcher dann mit Beginn der Regeneration wieder absinkt. Der Beginn kurz vor der Regeneration ist der Zeitpunkt, in dem das Motorsteuergerät die Abgas-temperatur anhebt. In diesem Umschaltpunkt der Motorparameter werden kurzzeitig die deutlich erhöhten Emissionen der genannten Gaskomponenten gemessen. Die Gaskomponenten, welche bei allen Diesel-Prüffahrzeugen während der Regeneration einen signifikanten Anstieg aufwiesen, sind CO, NO und NOx. Der NO- bzw. NOx- Wert erhöht sich während der Regeneration im Mittel um Faktor 67- bzw. 95 zum gewählten Referenzwert. Der NO2-Wert erhöht sich im Mittel um den Faktor 2,5, der THC-Wert um den Faktor 5 und der SO2-Wert ist um Faktor 4 erhöht. Im Vergleich zum Referenzwert sind die Messwerte von NH3 und CH4 während der Regeneration grundsätzlich höher und die N2O-Konzentration niedriger. Die Beladung des GPF bei den beiden Prüffahrzeugen mit Benzinmotor wird durch wiederholte Kaltstarts bei -15 °C durchgeführt. Die passive Regeneration erfolgt auf dem Rollenprüfstand durch wechselnden Last- und Schubbetrieb. Im Lastbetrieb werden zunächst die erforderlichen Abgastemperaturen von über 600 °C erzeugt, um daran anschließend im Schubbetrieb den erforderlichen Sauerstoffüberschuss sicherzustellen und eine passive Regeneration kontrolliert herbeizuführen. Die Auswertung der Änderung der Emissionen, welche durch die passive Regeneration an den GPF hervorgerufen werden, wird durch die Anforderung eines dynamischen Messablaufes, welcher in Zyklen bei konstanter Geschwindigkeit mit unterschiedlicher Lastaufbringung erfolgt, erschwert. Bei der Partikelanzahl ist kein eindeutiger Trend erkennbar. Während bei einem Prüffahrzeug kein signifikanter Unterschied zwischen Regeneration und leerem GPF gemessen wurde, sind die PN-Emissionen bei dem zweiten Prüffahrzeug während der Regeneration erhöht. Die Analysen der Verläufe der Abgaskomponenten zeigen, dass alle erhöhten Emissionen außer NH3, HCHO und zum Teil NO während der Aufbringung der Last und nicht während des Schubbetriebes und somit der passiven Regeneration anstiegen. Die Änderungen der Mittelwerte aus der Regeneration sind im Vergleich zum leeren Filter deutlich geringer als die beim DPF der Dieselfahrzeuge. Die chemische Analyse der festen Bestandteile ergab bei beiden Fahrzeugtypen keine Auffälligkeiten. Der überwiegende Teil der festen Abgasbestandteile ist Kohlenstoff. Die Messungen der Dieselkraftfahrzeuge zeigten eindeutige und reproduzierbare Ergebnisse. Hier konnten durch die aktive Regeneration, die Phasen; Beladung, Regeneration und Filterkuchenaufbau in einem konstanten Motorbetriebspunkt abgegrenzt und die Veränderungen der Emissionen untersucht werden. Die Analyse der Messungen der Fahrzeuge mit Benzinmotoren zeigten kein eindeutiges Ergebnis. Dies ist zum einen auf die passive Regeneration zurückzuführen, welche keinen konstanten Motorbetriebspunkt ermöglicht. Dadurch überlagern dynamische Einflüsse das Ergebnis. Zum andern ist, bedingt durch die Verbrennung und Abgasnachbehandlung, die Rußmasse in einem GPF deutlich geringer als in einem DPF. Dadurch wird während der Regeneration weniger Ruß verbrannt und die Veränderung der Schadstoffe fällt geringer aus.