Ford: Dieselpartikelfilter: Neues System vereinigt Katalysator und Filter in einem Bauteil

Automotive Intelligence .

Diese Woche:

© 1998 - 2002 Copyright &
Nutzungshinweise
Automotive Intelligence,
www.autointell.de
All Rights Reserved .
For questions please contact
editor@autointell.de

Auto News: 20. März 2002
.

Ford: Dieselpartikelfilter - Neues System vereinigt Katalysator und Filter in einem Bauteil

Meilenstein in der Abgasnachbehandlung

KÖLN - Ford-Ingenieure entwickeln in Kooperation mit dem französischen PSA-Konzern ein besonders elegant arbeitendes katalytisches Filtersystem, das die Funktionen des Katalysators und des Dieselfilters in einem einzigen Bauteil vereinigt.

Dieser Katalyt-Filter kommt zudem ohne Additiv aus, was aus Entwicklungssicht eine der Hauptforderungen an künftige Systeme ist - denn das Additiv ist für annähernd die Hälfte der Asche-Ansammlung in einem Partikelfilter verantwortlich. Eingesetzt wurde dieser Filter erstmals in einem Demonstrationsfahrzeug auf Basis des Ford Focus, der auf einem europäischen Technologie-Workshop im Ford Forschungszentrum Aachen (FFA) vorgestellt wurde.

Katalyt-Filter: Meilenstein in der Abgasnachbehandlung

Das Ford-Demonstrationsfahrzeug ist zusätzlich mit einem System zur Reduktion von Stickoxiden ausgerüstet, das zusammen mit dem katalytischen Filter einen weiteren Meilenstein in der Abgasnachbehandlung darstellt. In Kombination mit künftigen Einspritzsystemen wird dies zur dritten Generation von Filtersystemen führen. Das Projekt zielt auf künftige, besonders strenge Emissionsgrenzwerte in den USA, zu deren Einhaltung 90 Prozent der Stickoxide und Partikel aus dem Abgasstrom entfernt werden müssen. Bei dieser Technologie wird zur Senkung der Stickstoff-Emissionen die selektive katalytische Reduktion (SCR) mit Harnstoff verwirklicht - eine Technik, die nach derzeitigem Stand die höchste Effizienz bietet.

Rückblick: Partikelfilter hat seine primäre Aufgabe von Anfang an erfüllt

Das Herausfiltern von Dieselpartikeln aus dem Abgasstrom hat von Anfang der Ford-Forschungsarbeiten in den 80er Jahren an reibungslos funktioniert. Das eigentliche Problem liegt nicht im Filtervorgang selbst, sondern in der notwendigen Reinigung (Regeneration) des mit Partikeln beladenen Filters. Die Herausforderung der Zukunft liegt in der weiteren Entwicklung emissionsarmer Motoren, ohne dabei Kompromisse in Bezug auf Fahrkomfort, Effizienz und Zuverlässigkeit einzugehen.

Frühere Dieselmotor-Generationen emittierten deutlich mehr Partikel als die heutigen, direkteinspritzenden Aggregate. Seit die EU-Kommission im Jahre 1989 die erste Abgasvorschrift für leichte Diesel-Kraftfahrzeuge eingeführt hat, wurde der Grenzwert für Partikel von 1,1 Gramm pro Kilometer (alter Testzyklus) um den Faktor 22 auf heute nur noch 0,05 Gramm/Kilometer verringert (Euro 3). Noch strengere Partikelgrenzwerte werden im Zuge der Euro 4-Norm festgelegt.

Vollständiger Partikelabbau mit herkömmlichen Methoden unmöglich

Die Partikelemission wird bereits durch den derzeit für Diesel-Fahrzeuge üblichen Oxidations-Katalysator reduziert. Durch die Verwendung geeigneter Filtermaterialien ist es möglich, mehr als 99 Prozent der heute noch emittierten Partikel im Filter zurückzuhalten. Weil Partikel in ihrer Zusammensetzung aber sehr vielschichtige Agglomerate aus den Verbrennungsrückständen von Kohlenwasserstoffen und anderen Bestandteilen sind, ist ein vollständiger katalytischer Abbau der Partikel mit herkömmlichen Methoden nicht möglich. Die Filter-Regeneration

Um dieses Problem zu lösen, wird die Partikelmasse im Filter gesammelt und dort bei entsprechend hohen Abgastemperaturen verbrannt. Die Oxidation von Kohlenstoff-Partikeln funktioniert allerdings erst ab einer Abgastemperatur von etwa 550 Grad Celsius, kann aber durch die Verwendung eines katalytischen Kraftstoff-Additivs gesenkt werden. Da die Abgastemperatur während des vorgeschriebenen europäischen Fahrzyklus' durch die geringe Motorlast nur selten 270 Grad Celsius überschreitet, muss ins Motormanagement eingegriffen werden, um diese Temperatur künstlich zu erhöhen.

Eingriffe ins Motormanagement

Während einer Regeneration werden im Motormanagement in Abhängigkeit von verschiedenen Temperaturen und Drücken umfangreiche Regelkreise aktiviert. Dadurch wird der Regelungs- und Steuerungsaufwand im Motormanagement in etwa verdoppelt. Hochentwickelte Motormanagementsysteme wie die des neuen Ford Focus TDCi / Peugeot HDI müssen also völlig neue Aufgaben übernehmen: Mehrfach-Einspritzung nach der Haupteinspritzung, Drosseln der Ansaugluft, Bypass für den Ladeluftkühler / Erwärmen der Ansaugluft. Alle diese Maßnahmen dienen dazu, die Abgastemperatur zu erhöhen und dabei gleichzeitig den Kraftstoffmehrverbrauch so gering wie möglich zu halten.

Das Additiv Cerium

Die Erhöhung der Abgastemperatur ist die eine Spielregel im Umgang mit dem Filtersystem. Die andere besteht in der Senkung der zur Regeneration des Filters erforderlichen Partikel-Abbrenntemperatur - und zwar auf chemischem Wege. Filtersysteme der ersten Generation verwenden dazu ein Additiv, welches durch eine automatische Dosiereinrichtung nach jedem Füllvorgang im Tank dem Kraftstoff beigemischt wird. Bei diesem Additiv handelt es sich um die flüssige Lösung des chemischen Elements Cerium.

Ceriumspuren vermischen sich mit den Partikeln des Diesel-Abgases und sorgen so dafür, dass deren Abbrenntemperatur deutlich gesenkt wird: Die im Filter angelagerten Partikel lassen sich auf diese Weise bereits bei Temperaturen knapp über 450 Grad Celsius abbrennen.

Nur dank der Kombination aus Kraftstoffadditiv (Senkung der Abbrenntemperatur der Partikel) und Unterstützung durch das Motormanagement (Erhöhung der Abgastemperatur) gelingt es also, Diesel-Partikelfilter nicht nur unter Volllast zu regenerieren, sondern bereits im Teillastbereich bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen, wie sie für den Stadtverkehr typisch sind.

Asche im Partikelfilter Bei der Regeneration sammelt sich im Filter eine geringe Menge von Asche an. Sie stammt vom Kraftstoff, Öl und vom Additiv und entsteht durch Verschleiß im Motor - wobei das Additiv annähernd für die Hälfte der Asche-Ansammlung im Filter verantwortlich ist.

Die Regenerationszyklen

Wie häufig der Filter regeneriert werden muss, hängt von der erfolgreichen thermodynamischen Beherrschung der Verbrennung ab, die möglichst wenig Partikel erzeugen sollte. Da ein Partikelfilter nicht viel größer ausfallen kann als ein gebräuchlicher Vorschalldämpfer von etwa vier bis fünf Liter Volumen, kann er nur eine begrenzte Partikelmenge aufnehmen. Ein nach Euro 1 zertifizierter Pkw-Diesel mit zwei Litern Hubraum und fünf Litern Filterkapazität würde demnach etwa alle 100 bis 150 Kilometer regeneriert werden müssen. Unter gleichen Bedingungen benötigt ein moderner Diesel mit Euro 3-Einstufung etwa alle 600 bis 700 Kilometer eine Regeneration.

Ford: verbessertes Partikelfiltersystem

Ford wird ein verbessertes Partikelfiltersystem mit optimiertem Kraftstoffadditiv zum Einsatz bringen, das es erlaubt, auch bei Fahrgeschwindigkeiten unter 40 km/h und bei Außentemperaturen unter minus 18 Grad Celsius den Filter zuverlässig zu regenerieren. Da dieser Vorgang geringe, aber noch messbare Kraftstoffmengen zu anderen Zwecken als zum Antrieb verwendet, verliert ein Dieselfahrzeug mit dieser Technik einen kleinen Teil seiner prinzipiellen Sparsamkeit - derzeit muss mit einer Verbrauchssteigerung von drei bis fünf Prozent gerechnet werden. Eine gezielte Weiterentwicklung des Systems wird diesem Effekt entgegenwirken.

(17. März 2002)

[Home] [ News] [ Diskussion] [ Kalender] [ Jobs] [ Travel & Golf]