Projekt 22161/01

Entwicklung eines nachrüstbaren Dieselrußfilters mit autarker Regeneration

Projektträger

HJS Emission Technology GmbH & Co. KG
Dieselweg 12
58706 Menden
Telefon: 02373/987-101

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Partikelemission ist in den vergangenen Jahren durch die Verbesserung der Verbrennung im Motor bereits deutlich reduziert worden. Weitere Verbesserungen durch motorseitige Änderungen werden in der UBA-Untersuchung bzgl. der Partikelemission mit Werten zwischen 30 und 50 % prognostiziert. Damit stößt man bei motorseitigen Veränderungen auf Grenzen, die eine Einhaltung der ab 2005 für die Typ-prüfung gültigen EURO 4-Grenzwerte nur knapp erlaubt. Der Übergang zu einer Nachbehandlung der Abgase - d.h. der Einsatz von Partikelfiltern - erlaubt drastische Minderungen von weit über 90 % und damit ein deutliches Unterschreiten der Partikelgrenzwerte EURO 4 für PKW und EURO V für Nutzfahrzeugmotoren. Um die oben beschriebene Umweltproblematik zu lösen, soll ein robustes, nachrüstbares Rußfiltersystem entwickelt und erprobt werden, das es erlaubt, die Partikelemission um >95% zu reduzieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen dieses Projektes sollte ein nachrüstbares Partikelfiltersystem entsprechend der nachfolgenden Arbeitsschritte entwickelt werden.
1. Die Regeneration mittels elektrischer Strahlungsheizkörper wurde an einem Modul bezüglich Anordnung, Anzahl und Geometrie der Heizkörper, Adaption der Heizelemente an verschiedene Filtergeometrien am Motorprüfstand untersucht und in Dauerhaltbarkeitsuntersuchungen überprüft. Die zu entwickelnden Anschlusstechniken für schwierige Umgebungsbedingungen und die erforderliche Sensorik wurden im realen Fahrbetrieb erprobt. Zur theoretischen Absicherung wurden Simulationsrechnungen durchgeführt.
2. Verschiedene Arten der Additiv-Dosierung waren zu untersuchen.
3. Es wurde im Rahmen dieses Projektes eine Regenerationssteuerung vollständig neu entwickelt.
4. Eine Filterdiagnose war in diese Regenerationssteuerung zu integrieren.
5. Die gesamte entwickelte Logik war in ein Kombi-Steuergerät zu implementieren.


Ergebnisse und Diskussion

An einem Konzeptfahrzeug wurde ein Dieselpartikelfiltersystem vorgestellt, das aus einem Filter aus Sintermetall, einer Dosiereinrichtung für ein Kraftstoffadditiv zur Senkung der Rußzündtemperatur sowie einer elektrischen Heizung zur Filterregeneration über Strahlungswärme besteht.
Im Rahmen dieses von der DBU geförderten Projektes wurde das System so weit entwickelt, dass eine Verwendung in Fahrzeugen bis etwa 7,5 t zulässigem Gesamtgewicht möglich ist.
Dazu wurde über Simulationsrechnungen das Beladungsverhalten des Filters mit Asche und Ruß ermittelt, um rechnerisch das Langzeitfunktionsverhalten sicherstellen zu können. Zur thermomechanischen Absicherung der Dauerhaltbarkeit wurden Untersuchungen auf einem Hot-Shake-Prüfstand über 1000 Regenerationszyklen, entsprechend einer Fahrstrecke von etwa 500.000 km, mit positivem Ergebnis durchgeführt. An dem kleinsten Modul der für den oben genannten Anwendungsbereich erforderlichen Baureihe von 1,8 m² bis 5,4 m² Filterfläche wurden die grundlegenden Einflüsse von Anordnung der Strahlungsheizelemente untereinander und zum Filter ermittelt, um für die Ausweitung des Anwendungsbereiches der thermoelektrischen Regeneration auf die größeren Filter ein gutes theoretisches Grundverständnis sicherzustellen. Anhand dieser Grundlagen wurde die Strahlungsheizung an die größeren Filtermodule appliziert und mit gutem Erfolg am Motorprüfstand untersucht.
Auf der Basis der genannten Prüfstandsuntersuchungen wurde ein Kombisteuergerät ausgelegt, welches allen Anforderungen für die Verwendung im Fahrzeugbereich entsprechen kann. Die Entwicklung der entsprechenden Software zur Additivdosierung, Regenerationssteuerung und Filterdiagnose wurde durch umfangreiche Fahrversuche mit PKW, Lieferfahrzeugen sowie einem leichten LKW realisiert. Nach einer Absicherung des Betriebsverhaltens unter normalen Betriebsbedingungen, wurde das System soweit verbessert, dass auch unter für die Regeneration von Partikelfiltern ungünstigen Bedingungen, z. B. im innerstädtischen Lieferverkehr, die Funktion sichergestellt werden kann.
Die in diesem Projekt aufgezeigte Entwicklung eines nachrüstbaren Dieselrußfilters mit autarker Regeneration hat die gute technische Machbarkeit derartiger Systeme für Fahrzeuge bis ca. 7,5 t zulässigem Gesamtgewicht aufgezeigt. Eine Anwendung des Systems in größeren Stückzahlen bedarf jedoch noch einer weiteren funktionalen Absicherung wie auch konstruktiver Änderungen für ein fertigungsoptimiertes Design.
Generell ist eine Weiterentwicklung der Technologie auch für jeden anderen Dieselmotor möglich.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Als Maßnahmen zur Verbreitung fand eine Vorstellung der Versuchsträger während der Projektlaufzeit statt und die Präsentation von Teilergebnissen bei Fachvorträgen, zum Beispiel im Rahmen von Veranstaltungen des HdT, Essen, CTi, Frankfurt, oder des FAD, Dresden, ist vorgesehen.


Fazit

Das im Rahmen dieses Projektes entwickelte Dieselrußfiltersystem mit autarker Regeneration hat bei den durchgeführten Untersuchungen gezeigt, dass es technisch möglich ist, Fahrzeuge vom PKW bis hin zu leichten LKW mit einem Dieselpartikelfilter nachzurüsten. Eine Umsetzung des Systems für die Anwendung in größeren Stückzahlen ist aufgrund der sehr guten Ergebnisse aus diesem Projekt bei entsprechenden günstigen umweltpolitischen und finanziellen Randbedingungen gut möglich. Eine Weiterentwicklung der Technologie für andere Anwendungsbereiche, wie zum Beispiel Off-High-Way-Anwendungen oder stationäre Arbeitsmaschinen mit Dieselmotor, ist basierend auf den vorliegenden Ergebnissen jederzeit realisierbar.

Übersicht

Fördersumme

375.000,00 €

Förderzeitraum

23.03.2004 - 23.03.2006

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Umweltforschung
Umwelttechnik