Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.
Die Entwicklung der Rohstoffpreise und das gestiegene Umweltbewusstsein haben den Fokus der Forschung und Entwicklung von Verbrennungsmotoren auf die Reduktion der Schadstoffemissionen und die Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs gelenkt. Der Dieselmotor qualifiziert sich hier aufgrund seines höheren Wirkungsgrades. Sein Nachteil ist allerdings, dass er höhere Feinstaubemissionen im Vergleich zum Ottomotor aufweist. Zur Reduktion dieses Schadstoffes hat sich in der Praxis bei Pkw und Nutzfahrzeugen die Anwendung von Partikelfiltern bewährt. Das Abgas strömt dabei durch einen geschlossenen Wandstromfilter, wobei feste Bestandteile an der Wand abgeschieden werden. Der angesammelte Ruß wird kontinuierlich durch Stickstoffdioxid (NO2) oder aktiv durch thermische Regenerationen abgebrannt. Es verbleibt jedoch Asche als anorganischer Rest im Filter. Diese Asche stammt hauptsächlich aus Additiven des Motoröls und sammelt sich im Laufe der Lebensdauer des Motors aufgrund seines normalen Ölverbrauches im Filter an.
Die Asche kann sich im Filter auf unterschiedliche Art und Weise ablagern. Der durch den Ascheeintrag hervorgerufene Beitrag zum Abgasgegendruck, und damit die unmittelbaren Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch hängen stark vom Ablagerungsmuster und Anwendungsfall ab. Für einen effizienten Betrieb wirken beeinflussbare Größen in einem komplexen Gefüge zusammen, dessen optimale Abstimmung bisher nicht kostengünstig bestimmt werden kann.
Mit dem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten FVV-Projekt „Ascheverhalten in Wandstromfiltern“ wird ein Beitrag zum Verständnis des Ascheverhaltens in Wandstromfiltern bei der Anwendung als Dieselpartikelfilter geschaffen. Das Projekt identifiziert dabei zum einen experimentell relevante Einflussgrößen auf die Ascheeinlagerung und den Aschetransport in Partikelfiltern. Zum anderen wird ein umfangreiches numerisches Modell aufgebaut, welches das Verhalten von Aschepartikeln, sowie den Rußabbrand bei aktiver Filterregeneration auf molekularer Ebene beschreiben kann.
Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurde nach dem Zusammentragen des aktuellen Standes der Forschung zunächst motorische Asche aus dem Feld im Detail untersucht. Durch die Bestimmung wesentlicher Randdaten wurde dann ein geeignetes Aschesubstitut ausgewählt, welches in einem speziell angepassten Windkanal verwendet wurde, um DPF-Proben innerhalb kurzer Zeit mit dem Aschesubstitut zu beladen. Parallel dazu erfolgten in einem Schnellveraschungssystem aus PKW-Motor und Heizölbrenner zeitlich geraffte Aschebeladungen verschiedener DPF-Substrate unter realen Bedingungen. Dabei wurden durch eine umfangreiche Versuchsmatrix insbesondere die diskontinuierliche aktive Regeneration, die diskontinuierliche passive Regeneration, die reine passive Regeneration sowie eine Mischform aus passiver und aktiver Regeneration betrachtet.
An den Forschungsstellen wurden dann geeignete Analyseverfahren entwickelt und ausgewählt, mit denen die beladenen DPF-Proben hinsichtlich ihrer Ablagerungsmuster charakterisiert werden konnten. Die Charakterisierungen erfolgten mittels Lichtmikroskop, REM, EDX, CT und optischen Auswertungsverfahren.
Als Haupteinflussparameter auf die Aschebewegung zeigen sich vor allem die Regenerationstemperatur, die Art der Regeneration und die Strömungsgeschwindigkeit. Eine möglichst heiße, diskontinuierliche Regeneration bei hoher Strömungsgeschwindigkeit, der eine kontinuierliche passive Regeneration oberhalb des Balance-Points vorangegangen ist erzeugt den Ergebnissen zufolge tendenziell einen dichten Aschestopfen am Kanalende, welcher die Aschespeicherfähigkeit des DPFs erhöht. Es wurden darüber hinaus Hinweise dafür identifiziert, dass sich auch bei reiner kontinuierlicher Regeneration eine Ablösung der Asche von der Wand umsetzen lassen kann.
Im Rahmen des simulativen Teils dieses Projektes wurden mehrere Modelle zur Beschreibung der Interaktion volumetrisch aufgelöster Partikel und zu deren Oxidation entwickelt. Durch die erstmalige Entwicklung einer Methode, welche auf der Zerlegung der STL-Geometrie in Segmenten von Halbräumen basiert kann der zeitliche Anspruch an die Rechnung immens reduziert werden. Die entwickelten Modelle sind im Stande, das Transportverhalten von Materie in einem durchströmten DPF-Kanal abzubilden und dabei auch den Einfluss der Temperatur auf das Transportverhalten abzubilden.
Mit den erzielten Ergebnissen konnte ein Beitrag zum Verständnis der im Filter ablaufenden Prozesse geschaffen werden, sodass sich beeinflussbare Größen schneller auf ein Optimum hin abschätzen lassen. Dies bietet Potential zur Kostenreduzierung während der Entwicklungsphase von Abgasfiltersystemen.
Weitere Kontaktdetails der Institutsleitung, des Sekretariats, der Oberingenieure sowie der wissenschaftlichen Mitarbeiter finden Sie hier.
Das IGF-Vorhaben Nr. 19782 N, der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Weitere Informationen sowie den Abschlussbericht erhalten Sie über die Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V., Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt oder info(at)fvv-net.de