Partikelkatalysator

Diesel-Partikelfilter (oben links) in einem Peugeot

Ein Dieselrußpartikelfilter ist eine Einrichtung zur Reduzierung der im Abgas von Dieselmotoren vorhandenen Partikel. Der Partikelfilter wird auch nach der Partikelherkunft Dieselpartikelfilter (DPF), nach der Partikelzusammensetzung Rußpartikelfilter (RPF) und im Zusammenhang wie in diesem Artikel kurz Partikelfilter oder einfach Filter genannt. Dabei gibt es zwei Funktionsweisen, die sich grundsätzlich unterscheiden: Wandstromfilter, bei denen das Abgas im Filter eine poröse Wand durchdringt und Durchflussfilter, bei denen das Abgas den Filter an seiner inneren Oberfläche entlang durchfließt. Im PKW kam der Dieselpartikelfilter erstmals 1985 in der Mercedes-Benz S-Klasse (Baureihe W126) auf dem US-Markt zum Einsatz.

Dieselruß

Größenverteilung (bezogen auf die Partikelanzahl) der Rußpartikel im ungefilterten Abgas eines Dieselmotors

Dieselruß entsteht aufgrund der Kraftstoffeigenschaften und des Verbrennungsverfahrens. Partikel im Dieselabgas bestehen hauptsächlich aus Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Die vom Dieselmotor erzeugte Partikelgrößenverteilung (PGV) ist meist mehrmodal und kann im jeweiligen Modus (logarithmisch aufgetragen) als normalverteilt angenähert werden. Ein Peak der Verteilung tritt im Bereich von etwa 50–100 nm auf (abhängig vom verwendeten Motor). Abweichungen von der Normalverteilung im Bereich der kleineren Modi (kleiner 20 nm) sind meist durch die Probenahme zur Erfassung der PGV entstanden und stellen sogenannte Artefakte dar. Diese Modi können zum Beispiel auf die Rekondensation von flüchtigen Kohlenwasserstoffen (Tröpfchenbildung, Nukleation) zurückgeführt werden, die dann im Partikelspektrum erscheinen und zu Fehlinterpretationen führen können. Diese Nukleation ist auf homogene oder heterogene Kondensation zurückzuführen, wie sie bei hochkonzentrierten gesättigten Dämpfen auftritt. Treten in der Gasphase kleine Partikelkeime (beispielsweise Rußpartikel) auf, spricht man von heterogener Nukleation. Auch Schwefel im Kraftstoff führt zu einer solchen erhöhten Tröpfchenbildung, beispielsweise wenn der Motor mit Heizöl betrieben wird. Größere Modi im Bereich mehrerer Mikrometer entstehen im Verlauf der Bewegung durch die Abgasanlage durch Agglomeration kleinerer Teilchen.

Wandstromfilter

Funktionsweise

Wandstromfilter aus Siliziumkarbid werden aus einzelnen quaderförmigen Segmenten zusammengeklebt, rundgedreht und der Mantel verputzt.

Bei einem Wandstromfilter (Wall-Flow, HONEYCERAM® von NGK Insulators, auch Geschlossenes System genannt) wird das mit den Rußpartikeln versetzte Abgas bei der Durchdringung einer porösen Filterwand gefiltert. Die Partikel bleiben dabei bei Oberflächenfiltern hauptsächlich an der Oberfläche der Filterwand hängen oder verbleiben mittels Tiefenfiltration im Inneren der Filterwand. In beiden Fällen muss aber darauf hingewiesen werden, dass die Partikel nicht durch einen Siebeffekt hängen bleiben (die Partikel müssen also nicht größer sein als die Löcher, durch die das Abgas strömt), sondern hauptsächlich durch Adhäsion an der porösen Wand festgehalten werden. Auch bei Oberflächenfiltern findet zu Beginn eine Tiefenfiltration statt. Mit Belegung der inneren Filterflächen erfolgt das Ablagern der Partikel auf der Oberfläche. Es bildet sich eine Partikelschicht (der sogenannte Filterkuchen). Bei Tiefenfiltern lagern sich die Partikel nur in der inneren Filterstruktur ab.

Die Filterwände selbst können aus unterschiedlichen porösen Werkstoffen bestehen, die meist aus Fasern oder Pulver aufgebaut sind. Die Fasern oder das Pulver selbst bestehen aus Keramiken oder aus Metallen. Klassische Keramiken sind Mullit, Cordierit, Siliziumcarbid (SiC) und Aluminiumtitanat. Bei Metallen verwendet man hauptsächlich hochfeste Chrom-Nickel-Stähle. Teilweise werden in neueren Entwicklungen auch unterschiedliche Werkstoffe kombiniert.

Die porösen Wände können im Filter auf unterschiedliche Art angeordnet sein. Bei Fasern und Metallpulver werden eher flächige Filterwände aufgebaut, die in Rohren, Taschen oder Bälgen angeordnet werden. Bei aus Keramikpulver hergestellten Filtern wird eine Kanalstruktur verwendet, wobei die Kanäle wechselseitig verschlossen sind. Das Abgas wird dadurch gezwungen, die poröse Wand zu durchströmen. Durch den Produktionsprozess lassen sich verschiedene Geometrien oder Eigenschaften des Filtermaterials erzeugen. Besonders von Bedeutung sind die Wandstärke, Zelldichte, mittlere Porengröße und das Porenvolumen.

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.

Moderne Filter weisen im Substrat eine Porengröße von 10 µm auf. Damit sind die Poren zwar deutlich größer als das zu filtrierende Partikelspektrum, aber die Partikel lagern sich beim Durchtritt an die poröse Wand an, wodurch ein Oberflächenfiltrat entsteht, an dem sich in der weiteren Folge der sogenannte Filterkuchen aus weiteren abgeschiedenen Partikeln bildet.

Die Abscheidung im Filter erfolgt damit nicht durch Filtration sondern durch Diffusion und Adhäsion, also Umlenkung und Anhaftung am inneren Substrat. Die Wirkungsgrade, bezogen auf die Partikelmasse und Anzahlverteilung, liegen damit auch bei ultrafeinen Nanopartikeln > 20 nm im Bereich von 90 bis zu 99,9 %.

Alle für die Feinstaubdiskussion relevanten Bereiche wie PM₁₀, PM_2,5, PM₁ und PM_0,1 (siehe Feinstaub) werden mit einem modernen Wandstromfilter wirkungsvoll reduziert.

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. Die Überwachung des Differenzdrucks sowie die Einleitung und die Steuerung der Regeneration werden durch die Motorsteuerung des Dieselmotors durchgeführt.

Die Regeneration findet abhängig von Fahrprofil im Zyklus von mehreren hundert Kilometern statt. Unter günstigen Umständen (Autobahnbetrieb) wird eine vom Motorsteuergerät eingeleitete Regeneration erst nach deutlich höheren Laufleistungen notwendig oder sogar gar nicht, unter ungünstigen Umständen (Kurzstreckenverkehr) kann es zu Problemen mit der Beladung des Filters kommen. Je nach Fahrzeugtyp wird dies dem Fahrer angezeigt. Von der Regeneration merkt der Fahrer nichts, die Motorleistung wird davon nicht beeinträchtigt. Im Filter wird der Dieselruß bei der Regeneration in CO₂ umgewandelt.

Wie bei jeder chemischen Reaktion wird zur Verbrennung der angesammelten Partikel eine bestimmte Temperatur benötigt. Da Ruß hauptsächlich eine Art des Kohlenstoffs darstellt, handelt es sich bei der Regeneration um eine exotherme Oxidation, was unter Umständen nach dem Zünden des Rußes ein selbstständiges weiteres Abbrennen ermöglichen kann. Die notwendige Abgastemperatur für eine Regeneration liegt (abhängig von der Durchführung „additivunterstützt“ oder „katalytisch unterstützt“, siehe unten) bei mindestens 500–550 °C. Die Abgastemperatur beim Dieselmotor ist normalerweise relativ niedrig, gegenüber den Temperaturen von 700 bis 800 °C bei Nennleistung kann sie beispielsweise im Stadtverkehr auf Werte von unter 200 °C fallen. Zur Durchführung der Regeneration über eine ausreichend hohe Abgastemperatur gibt es unter anderem folgende verschiedene, auch kombinierbare Techniken:

Nacheinspritzung (innermotorisch und Abgasstrang)

Bei der Expansion während des Verbrennungstaktes wird Kraftstoff eingespritzt. Wegen der späten Lage dieser Einspritzung im Verbrennungsvorgang wird diese Einspritzung unter anderem späte Nacheinspritzung genannt. Weil diese Einspritzung physikalisch bedingt einen schlechten Wirkungsgrad hat, steigt die Abgastemperatur, entweder direkt oder über einen nachgeschalteten Oxidationskatalysator. Alternativ zur innermotorischen Einspritzung gibt es Systemlösungen, die den Kraftstoff mittels einer Dieseldosierpumpe über eine Zerstäubungsdüse vor den Oxidationskatalysator – unabhängig vom jeweiligen Fahrzustand – einbringen. Das hat den großen Vorteil, dass die Gefahr der Motorölverdünnung (gerade mit zunehmendem Anteil der Beimischung von Biokraftstoffen problematisch) nicht besteht und sich das Fahrverhalten bzw. das Ansprechverhalten des Motors während der Regeneration nicht ändert. Eine weitere Möglichkeit der Nacheinspritzung ist das Einbringen von Kraftstoffdampf über einen Kraftstoffverdampfer (Vaporizer). Das hat den Vorteil, dass der Kraftstoff nicht erst auf einer dann relativ langen Strecke im Abgasstrang verdampft werden muss sondern direkt kurz vor dem Oxidationskatalysator vorverdampft eingebracht wird. Damit wird die Gefahr der Beschädigung des Oxidationskatalysators durch auftreffende Kraftstofftropfen deutlich reduziert.

Oxidationskatalysator

Ein Oxidationskatalysator kann unter gewissen Bedingungen die Abgastemperatur entscheidend erhöhen. Einflussgrößen hierfür sind die Menge der katalytischen Beschichtung und die Abgaszusammensetzung. Um eine deutliche Temperaturerhöhung des Abgases am Oxidationskatalysator zu erzielen, ist neben einer hohen Konzentration von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) ein hinreichender Restsauerstoffgehalt notwendig. Insbesondere die HC-Konzentration lässt sich beispielsweise durch innermotorische Nacheinspritzung oder Kraftstoffeinbringung in den Abgasstrang durch ein vor dem Oxidationskatalysator angeordnetes Dosierventil stark erhöhen.

Heizspirale

Auch durch den Einsatz einer Heizspirale, die vor dem Filter installiert wird, kann das Abgas ausreichend erhitzt werden. Die Durchführbarkeit im Pkw ist jedoch zurzeit recht eingeschränkt, da mit dem üblichen 12-V-Bordnetz die notwendigen hohen elektrischen Heizleistungen nur unter Schwierigkeiten zur Verfügung gestellt werden können.

Additivunterstützte Regeneration

Mit Hilfe eines Zusatzes zum Kraftstoff (Additiv) wird die notwendige Temperatur zur Verbrennung der Partikel im Filter von mehr als 600 auf 500–550 °C reduziert. Das Additiv wird in einem separaten Tank (5 Liter) im Fahrzeug mitgeführt, es muss in großen Abständen (ca. 120.000 km) im Rahmen der Wartung aufgefüllt werden.

Bei den in Pkw üblichen Systemen wird das Additiv beim Tankvorgang automatisch dem Dieselkraftstoff in einem definierten Verhältnis mit Hilfe einer Pumpe beigemischt. Eine deutlich sicherere Methode ist der Einbau einer Dosieranlage zum Beispiel mittels Dosierpumpe, die das Mischungsverhältnis auf den jeweils aktuellen Abgasdruck vor dem Filter abstimmt. Dadurch wird immer nur die Menge Additiv dem Diesel zugemischt, die für eine erfolgreiche Regeneration notwendig ist. Die Ascheeinlagerung in den Filter wird durch diese Technik reduziert und die Wartungsintervalle werden verlängert. Trotzdem fällt bei additivgestützten Systemen mehr Asche an als bei Systemen, die ohne Additiv auskommen.

Neben den Fahrzeugen von Peugeot und Citroën mit FAP-Technik (franz. FAP = Filtre à particules) wurde diese Technik auch bei Land- und Baumaschinen, Gabelstaplern, fest installierten Aggregaten sowie einigen LKW verwendet.

Katalytische Regeneration

Als alternative Technologie zur additivunterstützten Regeneration hat sich die katalytisch unterstützte Regeneration bei Pkw etabliert. Hierbei ist der Filter ähnlich einem Oxidationskatalysator katalytisch beschichtet. Dieser Filter wird als „coated“ DPF, „coated“ RPF, CSPF oder CSF (Catalysed Soot (Particle) Filter = katalytischer Ruß-(Partikel-)Filter) bezeichnet. Er wirkt auf zweifache Weise:

Bei der passiven Regeneration erfolgt bei genügend hohen Temperaturen und NO₂-Konzentrationen – vor allem im überwiegenden Autobahnbetrieb – eine permanente Umwandlung des Rußes zu CO₂. Dieser Vorgang geschieht in einem Temperaturbereich von 350–500 °C und läuft ohne besondere Maßnahmen nach dem CRT-Prinzip kontinuierlich ab (CRT: Continuous Regenerating Trap = kontinuierlich regenerierende (Partikel-)Falle).

Bei längerem Betrieb mit geringer Last – wie etwa im Stadtverkehr – erfolgt alle 1000–1200 Kilometer oder bei einem von entsprechenden Sensoren bestimmten maximalen Beladungsgrad eine aktive Regeneration durch Erhöhung der Abgastemperatur auf 600 °C per Nacheinspritzung. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der geringeren CO-Sekundäremission, viel weniger Ascherückstand im Partikelfilter, dem Entfall des zusätzlichen Tanks für das Additiv, und einem weiter verbesserten Wirkungsgrad bei geringerem Mehrverbrauch in Bezug auf einen normalen Wandstromfilter. Dies wird auch als „geregeltes geschlossenes System“ bezeichnet und mittlerweile von allen Herstellern ab Werk favorisiert.

Asche

Die Verbrennung der Partikel im Diesel-Partikel-Filter erfolgt nicht rückstandsfrei. Die im Motoröl und im Dieselkraftstoff enthaltenen Additive führen nach hoher Fahrzeug-Laufleistung zu einer Ascheablagerung im Filter. Ebenso führt der Metallabrieb im Motor zu Aschebildung. Diese erhöht den Abgasgegendruck des Filters und damit den Kraftstoffverbrauch. Die Asche muss nach hohen Laufleistungen (in der Größenordnung von 100.000 km oder auch wesentlich mehr) durch Rückspülen des Filters entfernt werden. Die Verwendung moderner Motoröle (sogenannte Low Saps mit wenig Schwefel, wenig Phosphor) kann die Aschebildung vermindern. Der Einsatz schwefelfreier Kraftstoffe hat einen ähnlichen Effekt.

Effizienz

Allen Wandstromfiltern gemein ist eine langzeitstabile, sehr hohe Abscheiderate (mehr als 95 %) der gesamten Partikelmasse und eine geringe Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs. Diese Erhöhung ist einerseits durch die Regeneration bedingt (zusätzlicher Verbrauch durch Nacheinspritzung beziehungsweise elektrischer Mehrverbrauch durch Heizspirale) und andererseits durch den von den im Filter eingelagerten Partikeln verursachten höheren Abgasgegendruck.

Nebenstromfilter

Nebenstromfilter bzw. genauer: Nebenstrom-Tiefbettfilter, fälschlicherweise auch Durchflussfilter oder Offene Systeme, Offene Filter genannt, arbeiten in der Regel nach dem Prinzip der Tiefbettfiltration im Nebenstrom. Durch konstruktive Details wird ein Teil des Abgasstromes durch z.B. ein Vlies in die Nachbarkanäle umgelenkt und die Rußpartikel werden herausgefiltert. Der Abgasstrom wird jedoch nicht gezwungen, eine feinporöse Wand zu durchdringen. Im Falle einer Überladung durch Dieselrußpartikel wird der Abgas-Teilstrom durch die normalen Längskanäle abgeleitet. Die Nebenstromfilter arbeiten meist nach dem CRT-Prinzip (CRT = Continuously Regeneration Trap), welches von Johnson Matthey patentiert wurde. Da diese Filter mit Washcoat und Edelmetallen beschichtet sind, werden sie oft auch Partikelkatalysatoren genannt.

Partikelkatalysator

Ein Partikelkatalysator ist ein kontinuierlich katalytisch regenerierendes Partikelminderungssystem. Die Bezeichnung wird meist für Nebenstromfilter verwendet. Solche Filter von EMITEC werden seit 2004 von MAN unter dem Namen PM-Kat eingesetzt und von Twintec mit eigener Beschichtung als Nachrüstfilter angeboten. Mehrere Wettbewerber u.a.Eberspächer, HJS bieten ähnliche/gleiche Systeme an.

Das Filter PM-Metalit von EMITEC besteht aus dünnen, gewellten Stahlfolien mit schaufelförmigen Sub-Strukturen und dazwischen angeordneten Lagen aus Sintermetallvlies, die als Speichermedium für die Partikel dienen. In Partikelkatalysatoren werden bei genügend hohen Temperaturen und NO₂-Konzentrationen die dort angelagerten Partikel oxidiert, und so der Filter nach dem sogenannten CRT-Prinzip kontinuierlich regeneriert (CRT: „Continuous Regenerating Trap“ = Kontinuierlich regenerierende (Partikel-) Falle = Partikelkatalysator). Das Stickstoffdioxid entsteht aus Stickstoffoxid im vorgeschalteten Oxidationskatalysator und ggf. an katalytisch beschichteten Oberflächen im Filter. Flüchtige und lösliche organische Stoffe werden an der katalytischen Beschichtung oxidiert.

Bei den Nebenstrom-Tiefbettfiltern handelt es sich um kontinuierlich arbeitende Systeme, welche nicht aktiv, nach einem gewissen Fahrzyklus von etwa 400 bis 1000 Kilometern, regeneriert werden müssen. Speziell der Regenerationszyklus, wie er bei Filtern nach dem Wanddurchflussprinzip (Wandstromfilter) erforderlich ist, erfordert diverse Sensoren sowie einen umfassenden Eingriff in die vorhandenen Motorsteuergeräte der Fahrzeuge. Aus diesem Grund lassen sich herkömmliche Dieselpartikelfilter aus der Erstausrüstung nur unter erheblichem Aufwand und Kosten nachrüsten. Da die Reduzierung der Dieselrußpartikel kontinuierlich im laufenden Betrieb stattfindet, weisen Nebenstrom-Tiefbettfilter eine weit größere Betriebssicherheit auf. Ein plötzlicher erheblicher Anstieg des Abgasgegendrucks und ein gegebenenfalls daraus resultierender Motorschaden kann nicht stattfinden. Vorteilhaft wirkt sich die nur geringe Erhöhung des Abgasgegendrucks aus, was dazu führt, dass der Kraftstoffverbrauch nicht oder nur wenig erhöht wird. Im Vergleich zu anderen Systemen bauen diese zudem wesentlich kompakter. Darüber hinaus sind sie wartungsfrei über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeuges.

Vergleich zum Wandstromfilter

Da der Abgasstrom eines Nebenstrom-Tiefbettfilter nicht vollständig durch eine feinporöse Wand gezwungen wird, ist der Filtrationswirkungsgrad deutlich geringer. Die Senkung der gesamten Partikelmasse beträgt 30 bis 40 %, teilweise auch mehr. Da jedoch ein Großteil der Abgasströmung an der Vlieslage in Längsrichtung vorbeigeführt wird, werden von Nebenstrom-Tiefbettfiltern aufgrund von Diffusionen/Adhäsionen vor allem die besonders gesundheitsschädlichen, ultrafeinen Partikel (Durchmesser < 400 nm) um etwa 80 % reduziert. Bei einer Nachrüstung von Fahrzeugen mittels Nebenstrom-Tiefbettfilter sind neben dem Einbau des Abgasnachbehandlungssystems im Abgasstrang keine weiteren Änderungen am Fahrzeug notwendig, weil bei den üblichen Systemen der Abgasgegendruck praktisch keine unzulässigen Werte erreichen kann. Der Filterwirkungsgrad ist stark abhängig von Filterausführung, Fahrzeug, Betriebsbedingungen und -zuständen (auch im zeitlichen Verlauf) und dem Zusammenspiel dieser Einflüsse.

Nachrüstung Off-Highway

Partikelfilter zum Nachrüsten

Prinzipiell kann jeder Dieselmotor mit einem Filter nachgerüstet werden. Entscheidend sind allerdings die Rohemissionen des Motors, die zu erreichenden Abgaswerte sowie die Kosten des Abgasreinigungssystems. In der Schweiz sowie in Schweden gibt es für mobile, sogenannte Off-Highway-Dieselfahrzeug, wie z.B. für Baumaschinen schon seit Jahren eine Filterpflicht, die allerdings umstritten ist. In Europa müssen Hersteller solcher mobilen Off-Highway-Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor die Abgasvorschriften gemäß Richtlinie 97/68/EG einhalten. Betreiber von Off-Highway-Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor müssen die UVV VBG 36 Flurförderzeuge §21 Abgase, die TRGS 900 (MAK-/TRK-Werte), die TRGS 554 DME, die UVV VBG 21 Verwendung von Flüssiggas §29 und §37 Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor berücksichtigen. Diese schreiben u.a. den Einsatz solcher Fahrzeuge in offenen und geschlossenen Hallen vor. Für den Einsatz von Diesel- und Treibgasstaplern in ganz oder teilweise geschlossenen Räumen gelten in Deutschland die Luftgrenzwerte gemäß TRGS 900. Diese setzen sich aus den MAK-Werten (Maximalen Arbeitsplatz-Konzentrationen) sowie den TRK-Werten (Technische Richt-Konzentrationen) zusammen. Für die gasförmigen Schadstoffe wie CO_x, NO_x und HC gelten MAK-Werte für die Dieselmotoremissionen (DME) gelten TRK-Werte von max. 0,1 mg/m³.

Nachrüstung PKW und LKW

Nebenstrom-Tiefbettfilter sowie „offene“ Wandstromfilter nach CRT-Prinzip benötigen zur Regeneration keine Sensoren und keine Änderungen an dem Motorsteuergerät der Fahrzeuge. Aus diesem Grunde sind sie zur Nachrüstung prädestiniert. Herkömmliche Dieselpartikelfilter nach dem Wanddurchstromprinzip, wie sie in der Erstausrüstung üblich sind, lassen sich zur Nachrüstung theoretisch auch einsetzen, allerdings nur unter erheblichem Aufwand und Kosten. In der Nachrüstpraxis kommen diese nicht vor.

Zahlreiche Hersteller bieten Nachrüstfilter für PKW und LKW an. In Deutschland gibt es gleich mehrere Hersteller von Nachrüstsystemen wie beispielsweise die GAT Katalysatoren GmbH in Gladbeck, Greentop GmbH in Neu-Anspach,Eberspächer, HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co KG in Menden, Oberland Mangold GmbH in Eschenlohe sowie Twintec GmbH in Königswinter. Alle diese Firmen bieten unterschiedliche Konzepte zur Rußreinigung an. Vom Sintermetallfilter (HJS) über Keramik- bzw. Metallschwämme (GAT) bis hin zum Metallfolie/Metallvlies-PM-Kat (Twintec) sind eine Vielzahl an Konzepten realisiert worden. Die GAT Katalysatoren GmbH haben die allgemeine Betriebserlaubnis (ABE) des Kraftfahrtbundesamtes für ihre Metallschwammfilter wieder zurückgegeben, weil nachgewiesen wurde, dass sie den zur Nachrüstung erforderlichen Wirkungsgrad nicht erreichten.

Vor allem die Firmen HJS sowie Twintec verfügen über ein umfangreiches Produktprogramm zur Umrüstung von Nutzfahrzeugen, speziell LKW. Die HUSS Umwelttechnik GmbH in Nürnberg wiederum bietet für Off-Highway-Fahrzeuge eine Vielzahl unterschiedlichster Dieselpartikelfiltersysteme an. Von kontinuierlich reinigenden Systemen bis hin zu Partikelfilter, die sich nur stationär an einer speziellen Station reinigen lassen.

Steuervorteile

In Deutschland wird die Nachrüstung von dieselbetriebenen Pkw mit Partikelfiltern steuerlich gefördert. Der Deutsche Bundestag hat am 1. März 2007 den Gesetzentwurf für ein Viertes Gesetz zur Änderung des Kraftfahrzeugsteuergesetzes (BT-Drs. 16/4010) entsprechend der Beschlussempfehlung des Finanzausschusses (BT-Drs. 16/4449) angenommen. Der Bundesrat hat dem Gesetzentwurf am 9. März 2007 ebenfalls zugestimmt. Das Gesetz ist zum 1. April 2007 in Kraft getreten. Nachträglich eingebaute Dieselrußpartikelfilter werden rückwirkend bis zum 1. Januar 2006 gefördert. Für Diesel-Pkw, die bis Ende 2006 erstmals zugelassen worden sind und nach Einbau eines Filters nachweislich bestimmte Grenzwerte der Feinstaubemissionen einhalten, wird bis Ende 2009 ein Kfz-Steuernachlass von bis zu 330 Euro gewährt werden.

Ab dem 1. April 2007 erhöht sich zudem für nicht umgerüstete Diesel-Pkw mit Erstzulassung bis 31. Dezember 2006 die KFZ-Steuer um 1,20 Euro je angefangene 100 cm³ Hubraum. Für den Halter eines Diesel-Pkw mit 2000 cm³ Hubraum ist das eine jährliche Mehrbelastung von 24 Euro. Der Steueraufschlag ist vorerst bis zum 31. März 2011 begrenzt.

Diesel-Neuwagen ohne Partikelfilter mit Zulassungsdatum 1. Januar 2007 oder später werden ebenfalls mit dem Steueraufschlag belegt. Es sei denn, sie halten den zukünftigen Euro-5-Grenzwert für Partikelmasse von 0,005 g/km ein.

Entgegen anderslautenden Forderungen wird nur der nachträgliche Einbau eines Rußpartikelfilters steuerlich gefördert. Fahrzeuge, die bereits ab Werk mit einem entsprechenden Filter ausgerüstet sind, fallen nicht unter das Gesetz und werden somit auch nicht steuerlich gefördert.

Dieselfahrzeuge ohne Filter erleiden gegebenenfalls durch Steuernachteile und mögliche Fahrbeschränkungen einen Wertverlust. Umgekehrt steigert ein Filter den Verkaufswert.

In Österreich gibt es seit dem 1. Juli 2005 eine staatliche Förderung von Fahrzeugen mit Filter. So reduziert sich die NoVA um 300 Euro für alle Diesel-Fahrzeuge mit Filter welche bis zum 30. Juni 2007 zugelassen werden. Diese letztgenannte Reduktion wurde um ein Jahr verlängert (somit noch gültig für alle Zulassungen bis 30. Juni 2008).^[1] Für Diesel-Autos ohne Filter erhöhte sich die NoVA um 0,75 % (jedoch höchstens 150 Euro). Am 1. Juli 2006 wurde dieser Malus verdoppelt und beträgt nun 1,5 % (jedoch höchstens 300 Euro). Der Bonus wird nur bei Einhaltung bestimmter Grenzwerte gewährt, welche bei Nachrüstung in der Regel nicht eingehalten werden können. Jedoch fördern dies teilweise Ländern und Gemeinden.

Partikelminderungsstufen

Durch die Einführung der sogenannten Feinstaubverordnung wird die Kennzeichnung von Kraftfahrzeugen nach der Höhe ihrer Partikelemission bundesweit einheitlich geregelt. Hiernach können Diesel-PKW durch Nachrüstung mit Partikelfiltern bestimmte Grenzwerte erreichen, die zu einer Einstufung in eine Partikelminderungsstufe führen und als Kriterium für Plakettenvergabe (grün oder gelb) in Deutschland gelten. Die Grenzwerte PM1 bis PM3 werden durch die so genannten offenen Partikelfiltersysteme erreicht, die den Partikelmassenausstoß bei weitem nicht bis auf das Niveau von 0,001 g/km wie bei geschlossenen Partikelfiltersystemen senken.

• PM1: Euro-1- und Euro-2-Diesel-Pkw können dadurch die Grenzwerte für Euro-3 erreichen, nämlich einen Partikelmassenausstoß von weniger als 0,05 g/km .
• PM2: Euro-3-Diesel-Pkw können die Grenzwerte für Euro-4 erreichen, nämlich eine Partikelmassenausstoß von weniger als 0,025 g/km.
• PM3: Euro-4-Diesel-Pkw, die bisher einen Grenzwert von 0,025 g/km einhalten, erreichen dadurch den halbierten Euro-4-Grenzwert von 0,0125 g/km.
• PM4: Diese Stufe erhalten nachgerüstete Euro-4-Diesel-Pkw, die ab Werk entsprechend vorgerüstet waren, aber wegen fehlender Produktionskapazitäten nicht den „geregelten Partikelfiltern" ausgerüstet werden konnten, die eine Minderungsrate von mehr als 90% erreichen. PM4-Fahrzeuge halten mit einem Partikelmassenausstoß von weniger als 0,005 g/km die Grenzwerte für Euro-5 ein.
• PM5: Erhalten nur Neufahrzeuge der Schadstoffklassen Euro-3 und Euro-4, die ab dem Tag der Erstzulassung anstelle eines PM-Grenzwertes von 0,050 (Euro-3) bzw. 0,024 g/km Euro-3 bereits den für Euro-5 vorgeschriebenen Grenzwert von 0,005 g/km einhalten.

Geschichte

Erste Experimente mit Abgasreinigungsanlagen fanden bereits während des Ersten Weltkrieges statt, allerdings nicht zum Zweck des Umweltschutzes, sondern zur Tarnung. Die ersten dieselangetriebenen Schiffe und U-Boote verrieten sich durch weithin sichtbare Rußfahnen. Man sprühte Aceton in die Abgasanlage und führte das dabei entstehende Gemisch zurück in den Verbrennungsprozess. Die Erfolge waren jedoch mäßig.

Bei unter Tage oder in großen Hallen eingesetzten Dieselmotoren und -fahrzeugen sind Filter seit den 1970er Jahren üblich. Die Verwendung dieser auch für jeden Motor individuell erhältlichen Filter wird jedoch durch bürokratische Hürden außerhalb dieses Einsatzbereiches verhindert.

Mercedes-Benz brachte 1985 ein Fahrzeug (300 SD) mit Filter auf den Markt. Dieses ausschließlich für den amerikanischen Markt bestimmte Modell hatte jedoch ernsthafte Probleme mit der Dauerhaltbarkeit des Filters. Deshalb wurde die Produktion schon 1988 eingestellt.

Nachdem führende Automobilhersteller auf die Einführung von Filtern jahrelang verzichtet hatten, kam der Durchbruch für die Technologie im Jahr 2000, als Peugeot den 607 serienmäßig mit einem Filter ausstattete. Hersteller des verkaufsfertigen Filters (frz. Abkürzung = FAP) war neben der in Deutschland ansässigen Firma Tenneco der Zulieferer Faurecia, der sich mehrheitlich im Besitz des PSA-Konzerns befindet. Es handelte sich hierbei um einen Wandstromfilter mit additivunterstützter Regeneration. Die Filterelemente selbst bestehen aus Siliziumkarbid und werden von den Keramikfirmen Saint-Gobain, IBIDEN und NGK Insulators hergestellt. Die seit dem 1. Januar 2005 gültige Abgasnorm Euro 4 erfüllte der Peugeot 607 jedoch trotz Filter noch nicht. Die Grenzwerte der Euro-4-Norm bei Rußpartikeln wurden zwar um ein Vielfaches unterschritten, die Stickoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen waren aber noch zu hoch. 2003 brachten Tenneco und Faurecia eine neue Generation von Filtern auf den Markt, nunmehr mit katalytischer Regeneration. Diese Filter entsprachen bereits der Euro-4-Norm, damit ausgerüstete HDI-Dieselmotoren (High Pressure Direct Injection = Common-Rail-Einspritzung) wurden anlässlich der IAA 2003 von Peugeot vorgestellt. Auf Grund der stark gestiegenen Nachfrage kam es im Jahr 2004 zu Kapazitätsengpässen bei der Filterproduktion. Daraufhin haben die Hersteller der Filterelemente auf Drängen der Automobilhersteller innerhalb kürzester Zeit die Fertigungskapazitäten vervielfacht.

Aktuelle Diskussion über Feinstaub

Der Filter stellt sicherlich die technisch einfachste Lösung dar, um die krebserregenden Partikel in den Emissionen von Dieselmotoren massiv zu reduzieren. Dennoch sollte das Verbesserungspotential bei der Feinstaubbelastung durch den Filter nicht überschätzt werden, da der Anteil des Straßenverkehrs (Pkw und Nutzfahrzeuge) an der Feinstaubbelastung für Partikel < 10 µm lediglich 17 % im Bundesdurchschnitt beträgt (Quelle: SPIEGEL 14/05).

Mit Filter ist die Verwendung von reinem Biodiesel (RME) nicht bzw. nur eingeschränkt möglich. Eine CO₂-Reduzierung lässt sich dann nur durch Beimischung von RME oder BTL zum mineralischen Diesel realisieren, die nach entsprechender EU Richtlinie bereits in der Raffinerie mit bis zu 5% durchgeführt wird.

Grenzwertüberschreitungen in den Städten

Die Überschreitungen der von der Europäischen Union vorgegebenen Grenzwerte sind dagegen tatsächlich auf den Kraftverkehr als Hauptverursacher zurückzuführen. Der Stadtverkehr trägt zur lokalen Belastung oftmals zu mehr als 50 Prozent bei, wie die Messungen der einzelnen Städte belegen. An den Orten mit Grenzwertüberschreitungen liegt der Anteil in der Regel noch mal deutlich höher. Hinzu kommt, dass im Stadtverkehr durch das häufige Anfahren mehr Partikel emittiert werden. Gemessen werden bisher allerdings nur die PM₁₀-Werte und nicht die noch feineren kanzerogenen und abgastypischen Partikel.

Maßnahmen

Es kommen kommunal sehr viele Möglichkeiten in Betracht, die lokale Feinstaubbelastung zu entschärfen. Obwohl in Deutschland die Feinstaubproblematik von allen EU-Mitgliedsstaaten am schlimmsten ausgeprägt ist, werden hier jedoch nur zögerlich Maßnahmen zu Reduktion ergriffen. In Griechenland oder Italien zum Beispiel sind in den Großstädten sogar zeitliche Fahrverbote über alle Fahrzeugklassen hinweg in Anwendung. Athen etwa lässt in die Innenstadt tageweise wechselnd nur Fahrzeuge mit geraden beziehungsweise ungeraden Nummernschildzahlen einfahren. Bei den in Europa bis jetzt eingerichteten Citymautsystemen (z. B. London) wird unter anderem nach Emissionsklassen unterschieden.

Für München gilt: Ab 1. Oktober 2008 dürfen Autos nur noch innerhalb des mittleren Ringes fahren, wenn sie mindestens die Euro-2-Norm erfüllen; ab 1. Januar 2010 nur noch, wenn sie mindestens die Euro-3-Norm erfüllen. Für Dieselmotoren heißt das, dass sie D3 oder besser erfüllen müssen.

Für Maßnahmen siehe auch Feinstaub Reduktion.

Umweltaspekte der Filter

• Filter (sog. Geschlossene Systeme) reduzieren den Ausstoß von Feinpartikeln fast vollständig.
• Wie für jedes Bauteil werden für die Herstellung und Entsorgung Ressourcen belastet.
• Filter erhöhen den Verbrauch geringfügig, insbesondere bei der Regeneration.

Anwendung von Biodiesel

Die Partikelfilterhersteller HJS (VW-Lieferant), Eberspächer und Twintec (Freie Werkstätten) haben ihre Nachrüstpartikelfilter für den Betrieb mit Biodiesel freigegeben. Für den Betrieb mit Biodiesel ist daher entscheidend, ob das Fahrzeug für diesen Kraftstoff freigegeben ist – dies ist bei vielen VW-, Skoda- und Seat-Fahrzeugen laut Betriebsanleitung der Fall. Einer Nachrüstung und damit Weiterbetrieb mit Biodiesel steht damit nichts im Wege. (Quelle: Arbeitsgemeinschaft Qualitätsmanagement Biodiesel e.V.)

Europäische Abgasnormen

Zur Reduzierung der Rußpartikel aus Dieselmotoren aus Personenkraftwagen verschärft die Europäische Union (EU) seit 1993 die Abgasnormen für Partikel im Prüfzyklus NEDC folgendermaßen:

• Euro 1 (1993): 140 mg Partikel/km
• Euro 2 (1997): 80/100 mg Partikel/km (Dieselmotoren mit Direkteinspritzung 100 mg/km, bei indirekter Einspritzung 80 mg/km)
• Euro 3 (2001): 50 mg Partikel/km
• Euro 4 (2005): 25 mg Partikel/km
• Euro 5 (2009): 5 mg Partikel/km
• Euro 6 (2014): 5 mg Partikel/km

Das Europäische Parlament billigte am 13. Dezember 2006 in Straßburg die Euro-5- und Euro-6-Abgasnormen.

Der Partikelgrenzwert von 5 mg/km soll ab Euro 5 auch für mager betriebene und direkt einspritzende Ottomotoren gültig sein. Mager bedeutet hier, dass bei der Verbrennung (wie beim Dieselmotor) mehr Luft im Brennraum zur Verfügung steht, als dies für eine vollständige Verbrennung notwendig ist (Lambda >1). Konventionelle Ottomotoren hingegen werden meist mit einem konstanten Lambda von 1 betrieben. Dieser Partikelgrenzwert für Ottomotoren könnte dazu führen, dass solche Fahrzeuge zur Zertifizierung nach Euro 5 ebenso mit einem Filter ausgestattet werden müssten.

Kraftfahrzeuge mit Filter ab Werk

Größere Dieselmotoren werden heute grundsätzlich mit Filter angeboten. Nur bei Kleinwagen gibt es eine Wahlmöglichkeit, da die Grenzwerte bei kleinen Motoren auch ohne Filter eingehalten werden können. Manche Hersteller bieten aber immer noch die Ausrüstung mit offenen Filtern an. Da diese aber nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen, sollten nur geschlossene Filter mit entsprechender Motorsteuerung gewählt werden. Diese Systeme weisen nur einen geringen Kraftstoffmehrverbrauch auf.

Kritik

Zweifel an der Wirksamkeit für die Umwelt

Dieselrußpartikelfilter sind um einiges komplexer als Katalysatoren. Der Grund liegt darin, dass die hocheffizienten wanddurchströmten Partikelfilter den gesammelten Ruß regelmäßig wieder abbrennen müssen (Regeneration). Hierzu ist eine aufwändige Regeltechnik und Einsatz temperaturreduzierender Techniken notwendig. Darüber hinaus entstehen durch den Rußabbrand auch Sekundäremissionen. Entwicklungsingenieure von Opel haben nachgewiesen, dass ein Dieselrußpartikelfilter polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs, insbesondere Benzo(a)pyrene) in sehr erhöhter Konzentration erzeugen und diese während der Regeneration freigeben. Diese müssten nach dem DPF eigentlich mit einem zusätzlichen Katalysator entfernt werden. Beim Verbrennen von PAKs (Benzole, Toluole etc.) bei niedriger Temperatur, wie es bei der Regenerationstemperatur um die 250 bis 500 °C der Fall ist, können unter Umständen sogar Dioxine und Furane entstehen. Dies wurde vom Schweizer Bundesamt für Umwelt (BAFU) bereits nachgewiesen. Dieselrußpartikelfilter können auch den Ausstoß von Stickstoffoxiden (NO_x) erhöhen. Daher könnte diese Technik beträchtliche, bis dato nicht weiter beachtete negative Auswirkungen haben. Erst kürzlich wurde von Dr. Ulrich Pöschl und Dr. Michael Weller (Technische Universität München) eine längst bekannte Theorie erneut aufgeworfen. Dabei bewiesen sie, dass natürliche Proteine mit Stickstoffoxiden und Ozon reagieren und effizient nitriert werden. Die entstehenden Nitroproteine enthalten anstatt der natürlichen Aminosäure Tyrosin das chemisch modifizierte Derivat Nitrotyrosin. Nitrierte Proteine rufen, laut immunologischen Studien, besonders starke allergische Reaktionen des menschlichen Immunsystems hervor. Diese Vermutung bestätigt sich durch erste Ergebnisse gezielter biochemischer Experimente.

Andere Experten und selbst Hersteller zweifeln an der versprochenen Wirkung der Dieselrußpartikelfilter. Im Buch „Minimierung der Partikelemissionen von Verbrennungsmotoren“ (ISBN 3-8169-2430-1, Expert Verlag) zeigen Messungen von Prof. Dr. Heinz Burtscher, Fachhochschule Aargau/Windisch in der Schweiz, dass der Abscheide-Wirkungsgrad der wanddurchströmten Partikelfilter speziell im Bereich 10 bis 500 Nanometer nicht den gewünschten und geforderten hohen Abscheide-Wirkungsgrad von 99 % aufweisen. Im Gegenteil: Diese Feinstpartikelzahlen steigen sogar noch an. Hierbei handelt es sich um Aerosole, die durch den Filter quasi zerlegt werden. Das amerikanische Unternehmen Corning wiederum, selbst ein großer Hersteller von wanddurchströmten Partikelfiltern zeigte auf einer SAE-Tagung in Chicago, dass diese Filter je nach Porosität und Porengröße auch schon mal einen Abscheide-Wirkungsgrad von nur 43 % haben können. Nach der Regeneration, die bekanntlich alle 500 bis 1000 km stattfindet, beträgt der Abscheide-Wirkungsgrad auch nur weniger als 60 %.

Deutsche Automobilhersteller setzen ausschließlich beschichtete Dieselrußpartikelfilter ein. Aus Kostengründen verzichteten einige Hersteller auf einen vorgeschalteten Oxydationskatalysator, der das Abbrennen der Rußpartikel unterstützt. Die Folge: Bei häufigem niedertourigen Fahren wie z.B. ständigen Stadtfahrten oder Fahrten auf sehr kurvenreichen Strecken, konnte der Partikelfilter den gesammelten Ruß nicht mehr abbrennen und vor allem der vordere Teil des Filters verstopfte schnell. Eine Kontrolleuchte am Amarturenbrett mit der Aufschrift „Dieselpartikelfilter“ fordert dann den Fahrer zu einer extra Regenerationsfahrt auf. Selbst wer mitten in einer Großstadt wohnt, muss dann über 15 Minuten lang mit mindesten 60 km/h fahren. Wer die Kontrolleuchte ignorierte und den Wagen dann noch fünfmal startete, kann dann nur noch mit begrenzter Drehzahl bis zur Werkstatt fahren, wo der Filter manuell gereinigt bzw. der Ruß abgebrannt wurde.

Kritiken an Nebenstrom-Tiefbettfilter sowie an „offene“ Wandstromfilter nach CRT-Prinzip gibt es auch. Vor allem der geringe Abscheide-Wirkungsgrad von 30 bis 40 % wird hervorgehoben. Allerdings handelt es sich hierbei um die Partikelgesamtmasse. Der Abscheide-Wirkungsgrad in Bezug auf die Partikelanzahl ist mit 80 % recht hoch. Techniker der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) in Dübendorf (Schweiz) prüften einen VW Touran 1.9 TDI vor und nach Ausstattung mit einem sog. „offenem“ Filtersystem. Wie Spiegel-Online am 29. Januar 2007 berichtete, verringerte sich die Rußbelastung der Abgase durch den Filtereinbau um knapp 40 Prozent - dies entspricht jedoch den Spezifikationen, da es sich um einen Nachrüstfilter handelt (siehe unter „Vergleich zum Wandstromfilter“). Zudem beobachteten die Experten eine geringfügige Steigerung des Stickstoffoxid-Ausstoßes (NO_x).

Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs

Langzeittests haben ergeben, dass der Partikelfilter zu einem Mehrverbrauch^[2] von 3 bis 8 Prozent führen kann. Škoda gibt z.B. auf ihrer Homepage einen Mehrverbrauch von ca. 0,2 Litern bei Modellen mit Partikelfilter an.

Kürzere Serviceintervalle

Je nach Hersteller haben PKW-Modelle mit Partikelfilter zum Teil kürzere Serviceintervalle. Modelle der A-Klasse von Mercedes-Benz mit Partikelfilter haben z.B. Serviceintervalle von nur 15.000 km, da nur Motoröle verwendet werden dürfen, die im MB BeVo Blatt 229.31 oder 229.51 aufgelistet sind. Der Serviceintervall der A-Klasse ohne Partikelfilter ist aber bei diesen Ölen auch nur 15.000 km.

Siehe auch

• Feinstaub, Dieselruß
• PM-Kat

Weblinks

• Umweltbundesamt mit aktuellem Forschungsbericht

Partikel und Folgen

• Allgemeine Abhandlung über Partikel (PDF)
• Gesundheitsgefahr ultrafeine Partikel
• Klimawirkung ungefilterter Dieselabgase Auswahl beim BAFU
• Seite der Deutschen Umwelthilfe zum Thema "Feinstaub"
• Pressemitteilung der TU-München "Nitroproteine lösen Allergien aus"
• Studie "Future Diesel" des Umweltbundesamts, im Kapitel 4.2.2. Untersuchungen zum Feinstaubverhalten von Otto-Motoren ("Benzinern") (PDF)

Filtertechnik

• Wirkungsweise und Prinzip des FAP Filters, dargestellt in Text und Grafik
• VW Dieselpartikelfilter

Plaketten und Nachrüstfiltersuche

• Onlineprüfung: Welche Feinstaubplakette erhält mein Fahrzeug
• Übersicht der Plaketten und Fahrverbote
• Plaketten zur Kennzeichnung emissionsarmer Fahrzeuge (PDF)
• GTÜ - Dieselpartikelfiltersuche für Ihr Fahrzeug (mit integrierter Feinstaubplakettensuche)

Fahrzeuge

• ADAC - Marktübersicht aller KFZ mit Partikelfilter (PDF, Stand September 2007, wird von ADAC nicht mehr aktualisiert)

• VCD - Automobile mit Partikelfilter (Stand 20. Dezember 2006), Informationen zur Nachrüstung (PDF)

Kampagnen

• Homepage der Deutschen Umwelthilfe zum Projekt "Kein Diesel ohne Filter" mit vielen Informationen auch zum Stand der Rußfilterförderung
• europaticker: Russpartikelfilterhersteller unbrauchbarer Systeme tauchen ab
• Schweizer Kampagne "Kein Diesel ohne Filter"
• Homepage des Landes Steiermark (Österreich) zum Feinstaub-Paket
• Bürgerinitiative in der Steiermark (Österreich) zum Thema "Feinstaub"

Literatur

• David Krahlisch: Lobbyismus in Deutschland - Am Beispiel des Dieselpartikelfilters, VDM Verlag Dr. Müller, Saarbrücken 2007, ISBN 978-3-8364-2316-8

• Andreas Mayer und 82 Mitautoren: Minimierung der Partikelemissionen von Verbrennungsmotoren, 540 Seiten mit 401 Bilder und 37 Tabellen, Expert Verlag, Renningen 2004, ISBN 3-8169-2430-1

Quellen und Einzelnachweise

1. ↑ Bundesgesetzblatt für die Republik Österreich Nr. 65/2007 vom 31. Juli 2007 (Einzelnachweis zur Verlängerung der Steuerbegünstigung bis Juni 2008)
2. ↑ [http://www.abendblatt.de/daten/2005/10/05/489116.html Artikel Abendblatt]