DPF-Dieselpartikelfilter

Funktionsweise

Wandstromfilter aus Siliziumkarbid werden aus einzelnen quaderförmigen Segmenten zusammengeklebt, rundgedreht und der Mantel verputzt. Bei einem Wandstromfilter, (auch Geschlossenes System genannt) wird das mit den Russpartikeln versetzte Abgas bei der Durchdringung einer porösen Filterwand gefiltert. 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 200µm dicke Schichten an der Kanaloberfläche bilden.

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.

Regeneration

Die Regeneration des Filters erfolgt durch Verbrennung der eingelagerten Partikel. Die Regeneration wird notwendig, wenn durch die Partikelbeladung ein zu hoher Abgasgegendruck den Abgasausstoss zu stark behindert. Eine einfach zu erfassende Messgrösse, die es erlaubt, die Höhe der Beladung des Filters zu erkennen, ist der Differenzdruck über den Filter. Da dieser Differenzdruck in Abhängigkeit von Motordrehzahl, Lastzustand und Beladungsmenge variiert, müssen diese Parameter in einem Kennfeld erfasst sein. Die Überwachung des Differenzdrucks sowie die Einleitung und die Steuerung der Regeneration werden durch die Motorsteuerung des Dieselmotors durchgeführt.

Die Regeneration findet einerseits nach gemessenen Angaben abhängig von Fahrprofil im Zyklus von mehreren hundert Kilometern statt, andererseits aber auch nach fest vorgegebenen Kilometern. Unter günstigen Umständen (Autobahnbetrieb) würde bei Abgastemperaturen, im Bereich der Abbrenntemperatur der Russpartikel, eine Regeneration erst nach deutlich höheren Laufleistungen notwendig oder sogar gar nicht. Trotzdem führt die Motorsteuerung eine Regeneration durch. Unter ungünstigen Umständen (Kurzstreckenverkehr) kann es zu Problemen mit der Beladung des Filters und dem Erreichen der Regenerationstemperatur kommen.

Von der Regeneration merkt der Fahrer nichts, die Motorleistung wird davon nicht beeinträchtigt. Im Filter wird der Dieselruss in CO2 umgewandelt. Die notwendige Abgastemperatur für eine Regeneration liegt bei mindestens 550 °C.

Die Abgastemperatur beim Dieselmotor ist normalerweise relativ niedrig, gegenüber den Temperaturen von 700 bis 800 °C bei Nennleistung kann sie beispielsweise im Stadtverkehr, oder bei gemütlicher Langstreckenfahrt auf Werte von unter 200 °C fallen. Desshalb wird wärend der Regeneration mittels Nacheinspritzung (innermotorisch) die Abgastemperatur erhöht.

Bei der Expansion während des Verbrennungstaktes wird Kraftstoff eingespritzt. Weil diese Einspritzung physikalisch bedingt einen schlechten Wirkungsgrad hat, steigt die Abgastemperatur, entweder direkt oder über einen nachgeschalteten Oxidationskatalysator. 

Asche

Die Verbrennung der Partikel im Diesel-Partikel-Filter erfolgt nicht rückstandsfrei. Die im Motoröl und im Dieselkraftstoff enthaltenen Additive führen im Filter zu einer akkumulierenden Ascheablagerung. Nach hoher Fahrzeug-Laufleistung erhöht die Asche den Abgasgegendruck des Filters und damit den Kraftstoffverbrauch. Heutige moderne Wandstromfilter ermöglichen Laufleistungen bis 180.000 km, bis sie voll mit Asche sind. Danach müssen die Dieselpartikelfilter (DPF) gegen ein Neuteil ausgetauscht oder der alte Filter gereinigt werden.

Problematik der DPF im Fernreiseeinsatz

Warnung: Mit Kraftstoffqualitäten mit 250 ppm ist ein vorübergehender Betrieb, allenfalls mit Einschränkungen bezüglich Höheneinsatz oder Kurzstreckenverkehr unter häufigerer Regeneration möglich. Sollte der im Zielland verfügbare Kraftstoff merklich höheren Schwefelgehalt aufweisen, sind vorbeugende Modifikationen unumgänglich.

Bemerkungen: Soweit bekannt, ist Allrad Christ die einzige Firma die über fundiertes Wissen der "DPF-Thematik" verfügt und Lösungen mit weltweitem Suport anbietet.

Es wird ausdrücklich vor Eingriffen unqualifizierter "Bastler" gewarnt. Sie verfügen NICHT über Erfahrungen aus Langzeittests in grosser Höhe oder im Betrieb mit verschwefeltem Diesel. Selbst seriöse Tuning-Firmen sind an der Kompexität des Themas gescheitert! 

Die Instandstellung oder gar Rückführung eines wegen Abgasproblemen liegengebliebenen Reisefahrzeugs kann horende Kosten verursachen.

Problempunkt: Tiefe Drehzahl

Da haben wir doch alle gelernt, fahren in tiefen Drehzahlen spart Treibstoff. "So fährt man heute". 

Leider hat sich dies dank "umweltschonender Abgasnormen", aber in erster Linie mit der Einführung von Dieselpartikelfiltern und aufwändigen, vom Motorsteuergerät gesteuerter Regeneration stark geändert. 

Je höher die Verbrennungstemperatur ist, desto weniger Dieselruss entsteht. Dafür entstehen mehr andere, unerwünschte Abgasstoffe.(CO, HC und NOx) Um diese zu verringern wird über die Abgasrückführung "totes" Abgas der Ansaugluft beigemischt, um damit die Verbrennungstemperatur in den Brennräumen zu senken. Dies steigert aber wiederum die Anzahl an Konglomerations und Kondensationskeimen, also Dieselruss. Deshalb steigt wiederum die Beladung des DPF an. Bei einer bestimmten, errechneten oder gemessenen Beladung, wird durch die Motorsteuerung eine Regeneration gestartet. Dazu wird durch Nacheinspritzung von Treibstoff, "das Gemisch verstellt", so dass die Verbrennungstemperatur im Nachgeschalteten Oxy-Cat erhöht, und die Abgastemperatur auf über ca. 600° ansteigt und der Dieselruss im DPF verbrannt wird. (Nein, wir diskutieren NICHT über die Abgaswerte die in diesem Moment entstehen!!)

Das Abbrennen eines gut beladenen DPF dauert aber seine Zeit, eine normale Regeneration dauert mindestens 30 Minuten. Nun ist es selbst der modernsten Motorsteuerung aber nicht möglich, die Abgastemperatur "unendlich" zu erhöhen, eine bestimmte Grundtemperatur muss da sein. Eine Regeneration braucht eine Mindestdrehzahl von >2000 U/min und dies unter Last! (Also 2500 U/min im Stand bringen nichts!) Lange Autobahnfahrten mit tiefer Drehzahl hingegen sorgen, da die Abgastemperatur relativ tief ist, eher für eine Zunahme der Beladung! 

Bei einer gemütliche Ferienbummelfahrt kann so die Beladung des DPF leicht auf >40 Gramm "hochgerechnet" werden, bzw. es kann sich auch so viel Russ im DPF befinden! Ab 60 Gramm errechneter Beladung des DPF geht die Motorsteuerung in "Sicherheitsnotlauf".

Fazit: Wir müssen umdenken, den "Karren auch mal wieder treten", wie damals mit den leistungsschwachen Reisefahrzeugen, wo man auf Autobahnen ständig das Gaspedal aufs Bodenblech drücken musste...

Problempunkt: Kurzstreckenbetrieb

Zum gleichen Thema gehört die Problematik des extremen Kurzstreckenbetriebs (Paketdienst usw.). Ansich ist dieses Thema bei Fahrzeugen im Reiseeinsatz nicht gegeben. Allerdings ist es möglich, dass sich nach tagelanger "Schleichfahrt" (z.B. in Geländeuntersetzung) oder vorwiegend tieftouriger Fahrt mit viel Drehmoment (Stichwort tunesiche Dünen, d.h. dauerndes Auf und Ab = kurze aber starke Drehmomentbelastung) derart viel Dieselruss im DPF ansammelt, dass es zu Störungen führen kann.

Lösungen: Zwischendurch vorsorglich mal ein- oder zwei Stunden mit erhöhter Drehzahl fahren. (Ein oder zwei Gänge zurück schalten, damit die Motordrehzahl um 2500 - 3000 U/min liegt.)  Und den "umweltschonenden Fahrstil" vielleicht etwas anpassen.

Problempunkt: Schwefel

Je höher der Schwefelanteil im Dieselkraftstoff ist, desto mehr Kondensations- und Konglomerationskeime entstehen und so geht der Anteil an Russpartikeln in die Höhe. Die daraus resultierende Überladung des DPF kann auch durch die Regeneration nicht mehr genügend gesenkt werden, der DPF verstopft mehr und mehr. Resultat ist "Notlauf" oder der Motor kann nicht mehr gestartet werden.

 Foto von Allrad Christ/BREMACH

Zitat Allrad Christ: "Das oben abgebildete Filterelement (links im Bild) stammt aus einem BREMACH EXTREM mit IVECO F1CE3481F. Dies ist aber an sich unerheblich, da dieser DPF bei allen IVECO 3.0 Liter Euro 4/5 Motoren gleich ist. Zum Vergleich ein neuwertiges Filterelement (ca. 700 Km) rechts im Bild.

Dem Motorsteuergerät zufolge wurde ein mehrmaliges Erreichen der Freibrenntemperatur von über 600°C registriert. Das heisst für die Verstopfung ist kein elektronischer Defekt im DPF-System verantwortlich. Trotzdem war eine Selbstregeneration (= "Freibrennen") scheinbar nicht möglich. Auch alle anderen relevanten Mess-Sensoren sind ebenfalls in Ordnung. Die Gesamtfahrleistung beträgt ca. 35.000 Km. 

Um eine Weiterfahrt zu ermöglichen wurde das Fahrzeug in der Türkei zu einer IVECO Werkstatt geschleppt, dort der DPF ausgebaut und mittels Spezialschaltung im "Notbetrieb" die Rückreise in die Schweiz angetreten. "

Lösungen: Sofern möglich nur Diesel mit einem Schwefelanteil von unter 250 ppm (z.B. Eurodiesel oder Premium Diesel) tanken. Im Vorfeld der Reise abklären, ob und wo dieser Treibstoff erhältlich ist. Oder das Abgassystem vorsorglich durch die Fachwerkstatt modifizieren lassen.

Achtung: Aditive oder andere "Wunderflüssigkeiten" können den Schwefel im Diesel nicht zum "verschwinden" bringen, nützen also nichts!

Problempunkt: Höhenkompensation

Moderne Motoren sind, heutigen Abgasnormen sei "Dank", für einen Betrieb bis Höhen von etwa 3000 müM ausgelegt. Bei einem Betrieb oberhalb diese Grenze entsteht durch den fehlenden Sauerstoff eine fette Verbrennung des Kraftstoffes und es bilden sich Dieselrusspartikel in grossen Mengen. Diese Partikel können durch die Regeneration nicht mehr abgebrannt werden (eben wegen dem fehlenden Sauerstoff), der DPF nicht mehr freigebrannt werden und verbleiben im Filter. Der DPF verstopft mehr und mehr, bis der Abgasgegendruck den Maximalwert übersteigt und der Motor in "Notlauf" geht, bzw. der Motor ist nicht mehr zu starten.

Lösungen: Die Reiseroute so planen, dass Aufenthalte in Höhen über 3000 müM möglichst kurz sind und dazwischen grössere Strecken in tieferen Lagen gefahren werden, damit der DPF regenerieren kann. Oder das Abgassystem vorsorglich durch die Fachwerkstatt modifizieren lassen.

Problempunkt: die Elektronik

Leider wird die Beladung des DPF nicht nur mittels Differenzdrucksensor vor- und  nach dem Filter gemessen, sie wird auch im Steuergerät aus der Sensorik und dem Fahrprofil errechnet und gespeichert. Also nicht die effektive Beladung, sondern eine theoretische Beladung wird aus diversen Daten zusammengerechnet.

Genau diese Daten sorgen auch dafür, dass ein ausgebauter Filter vom Motorsteuergerät als "fehlerhafter DPF" registriert wird und der Motor geht über kurz oder lang in den "Sicherheitsnotlauf". Ohne fundiertes Wissen über diese Abläufe lässt sich die Elektronik nicht überlisten !

Unter ungünstigen Bedingungen kann somit auch ein Fahrzeug mit freiem DPF in den "Notlauf" gehen, weil das Motorsteuergerät der Meinung ist, der Filter sei mit Dieselruss überladen.

Lösungen: Die Lösung ist "geistiges Eigentum" von Allrad Christ/BREMACH und wird deshalb nicht veröffentlicht. Kunden von Allrad Christ werden ausführlich über dieses Themengebiet instruiert !