Regenaration Dieselrußpartikelfilter

DPF

Durch den Einsatz eines DPF (Rußpartikelfilter) können die heute noch emittierten Rußpartikel effizient aus dem Abgas entfernt werden.

Durch die Verwendung geeigneter Filtermaterialien ist es möglich, mehr als 95 % der Rußpartikel im DPF zurückzuhalten.

Zurückhalten bedeutet, dass ein vollständiger Abbau der Rußpartikel mit herkömmlichen, katalytischen Methoden nicht möglich ist. Die Rußpartikel werden im DPFeingelagert.

Der DPF ist wabenförmig aufgebaut, wobei die Wandungen der Waben aus porösem Siliziumcarbit bestehen. Zudem sind die einzelnen Kanäle gegenseitig versetzt und einseitig verschlossen.

Nach der Verbrennung können sich noch Rußpartikel im Abgas befinden. Die Filtration besteht jetzt darin, dass die mit Rußpartikeln beladenen Abgase in den DPF einströmen und aufgrund der gegenseitig versetzt verschlossenen Kanäle durch die porösen Wandungen fließen müssen.

Durch das Ansammeln von Rußpartikeln in den Zwischenräumen der porösen Wandungen wird die Filtrationswirkung zusätzlich verstärkt.

Der DPF ist stets dem Oxidationskatalysator nachgeschaltet.

Regeneration des DPF (allgemein)

Da die Einlagerungskapazität des DPF jedoch begrenzt ist, muss dieser in regelmäßigen Abständen regeneriert werden.

Die Regeneration bedeutet das Abbrennen der eingelagerten Rußpartikel im DPF.

Zum Abbrennen der eingelagerten Rußpartikel ist eine Abgastemperatur von mindestens 550 bis 600 °C erforderlich. In diesem Temperaturbereich oxidiert der Kohlenstoffanteil der Rußpartikel mit dem im Abgas vorhandenen O2 (Sauerstoff)-Anteil zu ungiftigem CO2 (Kohlendioxid).

Solch hohe Abgastemperaturen werden im realen Fahrbetrieb jedoch nur selten erreicht. Die durchschnittliche Abgastemperatur liegt bei durchschnittlicher Fahrweise bei ca. 270 °C.

Um die erforderliche Abgastemperatur dennoch zu erreichen, müssen je nach aktueller Abgastemperatur unterschiedliche Maßnahmen ergriffen werden.

Eingriff in die Motorregelung

Während einer Regeneration werden im Motorregelungssystem in Abhängigkeit von verschiedenen Temperaturen und Drücken umfangreiche Regelkreise aktiviert.

Um die notwendige Temperatur für die Regenerierung zu erreichen, werden verschiedene Eingriffe vorgenommen (zum Beispiel Drosseln der Ansaugluft, Nacheinspritzungen, Reduzierung des Ladedrucks).

Diese Eingriffe dienen dazu, die Abgastemperatur zu erhöhen und dabei gleichzeitig den Kraftstoffmehrverbrauch so gering wie möglich zu halten.

Beschichteter DPF

Bei diesem DPF ist das Filtermaterial mit einem Edelmetall beschichtet. Mit Hilfe dieser Edelmetallschicht werden die Rußpartikel bei einer Temperatur von 300 bis 450 °C katalytisch umgewandelt (passive Regeneration).

Im innerstädtischen Verkehr werden diese Temperaturen jedoch oftmals nicht erreicht. In diesem Fall werden die Rußpartikel im DPF eingelagert. Zum Abbrennen muss in regelmäßigen Abständen durch Eingriff in die Motorregelung eine aktive Regeneration eingeleitet werden.

Der beschichtete DPF ist wabenförmig aufgebaut und besteht aus Siliziumkarbid, ähnlich dem DPF im System mit Kraftstoffadditiv (siehe entsprechenden Abschnitt in dieser Techniker Information).

Mit Hilfe der Beschichtung (Platin-Ceroxid) ist eine passive Regeneration des DPF oberhalb von 300 °C möglich.

In diesem Temperaturbereich werden die angelagerten Rußpartikel katalytisch umgewandelt.

Oftmals wird die erforderliche Abgastemperatur für die passive Regeneration nicht erreicht. In diesem Fall müssen die eingelagerten Rußpartikel von Zeit zu Zeit mit Hilfe einer aktiven Regeneration abgebrannt werden.

Passive Regeneration

Die Abgase durchströmen die Wände des Siliziumkörpers. Dabei bleiben die Rußpartikel auf der Keramikwand haften, die mit einer Platin-Ceroxidschicht beschichtet ist.

Oxidation von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC):
•Wie beim Oxidationskatalysator werden CO und HC oxidiert. Bei hohen CO- und HC-Emissionen ist die Energiefreisetzung beachtlich hoch. Der entstehende Temperaturschub wirkt direkt an der Stelle, an der hohe Temperaturen zur Oxidation der Rußpartikel erforderlich sind.

Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2):
•An der katalytischen Beschichtung wird NO zu NO2 oxidiert.
•NO2 ist ein aktiveres Oxidationsmittel als O2 und oxidiert deshalb die Rußpartikel bereits bei geringen Abgastemperaturen (etwa von 300 bis 450 °C). Dieser Effekt wird als CRT-(Continuously Regenerating Trap)Effekt oder auch als passive Regeneration bezeichnet.

Oxidation von Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO2):
•Ein weiterer Wirkungsmechanismus ist die Oxidation des bei niedrigen Regenerationstemperaturen bei der Rußpartikeloxidation entstehenden CO zu CO2. Durch das lokale Entstehen von Wärme wird der Rußpartikelabbrand verbessert.

Bei Temperaturen von 300 °C bis 450 °C (werden überwiegend im außerstädtischen Bereich erreicht) findet also kontinuierlich eine passive Regeneration des DPF statt. Ein Eingriff durch die Motorregelung ist nicht erforderlich.


Aktive Regeneration

Für den Fall, dass das Fahrzeug häufig im Kurzstreckenverkehr betrieben wird, muss in bestimmten Abständen eine aktive Regeneration eingeleitet werden.

Das PCM (Antriebsstrangsteuergerät) erfasst die Betriebsdaten des Motors und leitet unter Auswertung der Daten des Differenzdruck-Sensors – DPF die aktive Regeneration ein.

Durch die Motorregelung wird nun versucht, die notwendige Temperatur von etwa 600 °C für die Verbrennung der eingelagerten Rußpartikel zu erreichen. Folgende Maßnahmen werden dazu ergriffen:
•eine nahe an der Haupteinspritzung liegende Nacheinspritzung,
•Erhöhen der Einspritzmenge,
•späte Haupteinspritzung,
•Drosselung der Ansaugluft über eine Saugrohrklappe,
•eine zweite, haupteinspritzungsferne Nacheinspritzung (falls erforderlich).

Hinweis: Nicht immer sind alle der genannten Maßnahmen aktiv. Das Kennfeld entscheidet abhängig von den Betriebsbedingungen, welche Maßnahmen zur Temperaturanhebung ergriffen werden müssen.

Während der aktiven Regeneration ist das EGR (Abgasrückführung)-System abgeschaltet.

Der aktive Regenerationsprozess kann bis zu 20 Minuten dauern.

Service-Hinweise

Der beschichtete DPF ist auf Lebenszeit im Fahrzeug verbaut. Er unterliegt somit keinem Wartungsintervall (Zeitpunkt der Drucklegung).

Sollte dennoch ein Austausch erforderlich sein, muss nach Austausch des DPF über IDS (Integriertes Diagnosesystem) eine Parameter-Rücksetzung vorgenommen werden.

Darüber hinaus muss bei einigen Varianten eine Rücksetzung der Parameter des Differenzdruck-Sensors – DPF durchgeführt werden. Hierzu sind unbedingt die Hinweise der aktuellen Werkstattliteratur zu beachten.

Hinweis zum Ölwechsel-Intervall

Für die aktive Regeneration des beschichteten DPF müssen hohe Abgastemperaturen von etwa 600 °C erzeugt werden.

Bei häufigen Fahrten im unteren Teillastbereich müssen meist die maximal vorhandenen Maßnahmen ergriffen werden, um die notwendige Abgastemperatur für eine aktive Regeneration zu erreichen.

Auch die Abstände zwischen den einzelnen Regenerationsprozessen sind dann geringer, sodass die maximal vorhandenen Maßnahmen öfter ergriffen werden müssen.

Bei Nutzung der maximal vorhandenen Maßnahmen wird späte Nacheinspritzung häufig eingesetzt.

Die späte Nacheinspritzung führt zu einer stark erhöhten Verdünnung des Motoröls. Das bedeutet, dass im Extremfall die Motorschmierung nicht mehr ausreichend gewährleistet ist.

Um ein zu stark verdünntes Motoröl zu erkennen, ist in der PCM-Software eine Ölqualitäts-Berechnungsstrategie implementiert.

Unter Berücksichtigung der Motor-Betriebsbedingungen und der Maßnahmen zur Abgastemperaturerhöhung während der Regenerationsprozesse, berechnet diese Strategie die Ölqualität.

Ermittelt die Strategie einen Kraftstoffanteil von mehr als 7 % im Motoröl, wird eine entsprechende Textmeldung im Kombiinstrument geschaltet. Diese Textmeldung signalisiert dem Fahrer sowie dem Ford-Service-Personal, dass ein vorzeitiger Ölwechsel fällig ist.

Nach jedem Ölwechsel müssen die Parameter für die Ölqualitäts-Berechnung wieder zurückgesetzt werden (siehe hierzu die Anweisungen der aktuellen Werkstattliteratur).