Dieselrußfilter:

Bayreuth Engine Research Center stellt neues Verfahren zur Beladungserkennung vor

Kraftfahrzeuge mit Dieselmotoren müssen mit Diesel-Partikel-Filtern (DPF) ausgerüstet
werden, damit sie umweltverträglich sind und keine gesundheitsschädlichen
Auswirkungen haben. Die Erkennung der Rußbeladung dieser Filter stellt bis heute
eine technische Herausforderung dar. Auf dem Weg zu einer Lösung sind Ingenieurwissenschaftler
der Universität Bayreuth jetzt einen wichtigen Schritt vorangekommen.
Die entscheidende Forschungsidee: Mit Hilfe von Mikrowellen lässt sich der
Grad der Rußbeladung in den Filtersystemen exakt bestimmen.

Sowohl auf europäischer wie auf nationaler Ebene gibt es heute strenge Rechtsnormen
zum Emissionsschutz, die nach derzeitigem Stand der Technik eine Ausrüstung von Dieselmotoren
mit Diesel-Partikel-Filtern erforderlich machen. Denn Dieselabgase enthalten
winzige Rußpartikel in Verbindung mit Kohlenwasserstoffen, Wasser und Aschen. Diese
Partikel haben einen Durchmesser von weniger als 100 Nanometern. Sie dringen infolge
ihrer geringen Größe bis in das Lungengewebe ein und können so die menschliche Gesundheit
erheblich schädigen. Der Ausstoß von Rußpartikeln kann aber durch hochwertige
Diesel-Partikel-Filter erheblich reduziert werden. Diese Filter bestehen aus keramischen
Werkstoffen mit einem System winziger Poren, in denen sich die Rußpartikel festsetzen.
Je mehr Partikel sie zurückhalten, umso weniger durchlässig werden sie. Dies hat zur
Folge, dass der Filter im Laufe des Fahrbetriebs verstopft. Daher werden die Filter in
regelmäßigen Abständen regeneriert, d.h. von den zurückgehaltenen Rußpartikeln befreit.

Kraftstoffverbrauch und Materialkosten:
Herausforderungen bei der Regeneration von Diesel-Partikel-Filtern

Für die Reinigung von Diesel-Partikel-Filtern sind in den Entwicklungsabteilungen der
Automobilhersteller bereits verschiedenartige Verfahren entwickelt worden. Diese haben
jedoch – bei allen Unterschieden in den technischen Details – einen gemeinsamen Nachteil:
Jede Regeneration führt zu einem erheblichen Mehrverbrauch an Kraftstoff; deutlich
mehr, als wenn der Dieselmotor sich während der gleichen Zeit im normalen Fahrbetrieb
befinden würde. Daher sind sowohl die Automobilhersteller als auch ihre Kunden daran
interessiert, diesen Kraftstoffverbrauch bei der Regeneration der DPF so weit wie möglich
zu senken.
Die Regeneration der Diesel-Partikel-Filter lässt sich mit umso weniger Kraftstoff durchführen,
je präziser man weiß, (a) wie groß die Menge der im Filter zurückgehaltenen
Rußpartikel ist und (b) wie sich diese Partikel im Kanalsystem des Filters verteilen. Diese

Diesel-Partikel-Filter und Motorprüfstand am Bayreuth Engine Research Center (BERC)

Informationen ermöglichen über den geringeren Kraftstoffverbrauch hinaus noch in einer
weiteren Hinsicht eine Kostensenkung: Derzeit werden in den Diesel-Partikel-Filtern teure
Siliziumkarbide als Filtermaterialien verwendet. Denn nur sie sind in der Lage, einer Überhitzung
standzuhalten, die bei der Regeneration eines Filters entstehen kann, wenn sich
allzu viel Ruß im Filter angesammelt hat. Falls diese Rußbeladung aber exakt gemessen
werden kann, lassen sich die Filter rechtzeitig vom Ruß befreien, und die Gefahr einer
Überhitzung entfällt. Folglich können statt der kostspieligen Siliziumkarbide preisgünstigere
keramische Filterwerkstoffe eingesetzt werden.

Messungen von Rußbeladungen durch Mikrowellentechnologie:
Auf dem Weg zur kostengünstigen Regeneration von Diesel-Partikel-Filtern

Wie können die Rußablagerungen im Inneren der Filter aufgespürt und gemessen werden?
Die bisher entwickelten Verfahren beruhen auf der Messung des Abgasgegendrucks
und sind fehleranfällig. Jetzt aber hat ein Team von Ingenieurwissenschaftlern am Bayreuth
Engine Research Center (BERC), das zur Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften
(FAN) der Universität Bayreuth gehört, ein neues vielversprechendes Verfahren
entwickelt. Es bietet präzise Informationen über die im Diesel-Filter angelagerten Rußrückstände.
Das Team um die Professoren Gerhard Fischerauer und Ralf Moos hat dieses
Verfahren kürzlich in der Zeitschrift „Measurement Science and Technology“ vorgestellt.
Der Schlüssel zu dieser Erkundungsreise in das Innere der Diesel-Partikel-Filter ist die
Mikrowellentechnologie. Bereits seit mehreren Jahrzehnten werden für Materialuntersuchungen
sogenannte Hohlraumresonatoren eingesetzt. Ein solcher Resonator ist ein

Hohlkörper, dessen Innenwände aus einem sehr leitfähigen Metall bestehen. Werden
Mikrowellen in diesen Hohlkörper geleitet, entstehen elektromagnetische Resonanzen.
Entscheidend ist nun, dass Materialproben, die in den Hohlraumresonator eingebracht
werden, das Resonanzverhalten verändern: und zwar so, dass diese Änderungen präzise
Rückschlüsse auf die elektrischen Eigenschaften der Materialproben erlauben.
Dieses Prinzip haben die Bayreuther Ingenieurwissenschaftler auf die Untersuchung von
Diesel-Partikel-Filtern angewendet. Ein solcher Filter befindet sich in einem verbreiterten
Abschnitt des Auspuffrohrs. Dieser Teil fungiert daher als Hohlraumresonator, während
der Filter sozusagen die Materialprobe darstellt. Wie das Forscherteam der FAN nachweisen
konnte, hängen die Resonanzeigenschaften des Systems signifikant davon ab,
in welchen Mengen und an welchen Stellen sich Rußpartikel darin angesammelt haben.
So hat sich beispielsweise herausgestellt, dass sich die Resonanzfrequenzen eindeutig
– und zwar nahezu linear – mit der Rußbeladung des Diesel-Partikel-Filters verändern.
Professor Moos ist daher im Hinblick auf die weitere Entwicklung zuversichtlich: „Unsere
Forschungsergebnisse öffnen den Weg für kostengünstige Verfahren zur Regenerierung
von Rußfiltern. Sowohl die Hersteller von dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen als auch die
Kunden werden davon profitieren können.“

Titelaufnahme:
Gerhard Fischerauer, Martin Förster and Ralf Moos:
Sensing the soot load in automotive diesel particulate filters by microwave methods,
in: Measurement Science and Technology, 21 (2010), 035108
DOI-Bookmark: http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/21/3/035108

Kontaktadresse für weitere Informationen:

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer - Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik - Universität Bayreuth Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften (FAN) 95440 Bayreuth Telefon: +49 (0) 921 - 55 - 7231 Telefax: +49 (0) 921 - 55 - 7235 E-Mail: gerhard.fischerauer@uni-bayreuth.de
Prof. Dr.-Ing. Ralf Moos - Lehrstuhl für Funktionsmaterialien - Universität Bayreuth Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften (FAN) 95440 Bayreuth Telefon: +49 (0) 921 - 55 - 7401 Telefax: +49 (0) 921 - 55 - 7405 E-Mail: ralf.moos@uni-bayreuth.de

Text und Redaktion: Christian Wißler
Abbildungen:
Quelle: Bayreuth Engine Research Center. Bilder zur Veröffentlichung frei.
Bilder zum Download: www.uni-bayreuth.de/blick-in-die-forschung/04-2010-Bilder

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