Regeneration von Partikelfiltern bei Benzin- und Dieselkraftfahrzeugen

Regeneration of particulate filters in gasoline and diesel vehicles

  • Zur Einhaltung der Partikelemissionsgrenzwerte für Kraftfahrzeuge im Rahmen der Typprüfung nach Europäischer Verordnung (EG) 715/2007 werden von den Fahrzeugherstellern Partikelfilter (Dieselpartikelfilter (DPF)/Ottopartikelfilter (engl. Gasoline Particulate Filter = GPF)) ins Abgassystem der Fahrzeuge verbaut. Spätestens bei Erreichen einer kritischen Rußmasse im Filter muss eine Regeneration eingeleitet werden. Die Regeneration erfolgt durch Abbrennen des im Filter eingelagerten Rußes. Der Kohlenstoffanteil der Partikel oxidiert hierbei mit Sauerstoff oberhalb von ca. 600 °C zu Kohlendioxid. Die Regenerationsstrategie der Fahrzeuge variiert. Grundsätzlich wird zwischen periodischer (aktiver) und kontinuierlicher (passiver) Regeneration unterschieden. Bei Dieselkraftfahrzeugen wird fast ausschließlich die periodische Regeneration eingesetzt, bei Fahrzeugen mit Benzinmotor die kontinuierliche Regeneration. Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Fahrzeugemissionen während einer Partikelfilterregeneration zu messen und hinsichtlich ihrer Veränderung gegenüber eines Fahrbetriebs ohne Regeneration zu bewerten. Dazu werden von drei Diesel- und zwei Benzinfahrzeugen die Partikelfilter beladen und im Anschluss daran eine Regeneration durchgeführt, bei der sowohl die festen als auch die gasförmigen Abgasemissionen gemessen werden. Die festen Bestandteile des Abgases werden im Nachgang auf ihre ehemischen Elemente untersucht. Bei den drei Dieselkraftfahrzeugen erfolgt die Beladung des DPF bis ca. 80 % bei einer Straßenfahrt. Im Anschluss wird das Fahrzeug auf dem Rollenprüfstand installiert und die Messtechnik angeschlossen. Die Messung der Emissionen während der DPF-Regeneration erfolgt in einem konstanten Motorbetriebspunkt bei einer simulierten Fahrt mit 80 km/h in der Ebene. Die Auswertung der festen Bestandteile des Abgases zeigt, dass die gemittelten Partikelanzahlwerte während und nach einer DPF-Regeneration von ca. 1E+07 #/s um drei Zehnerpotenzen auf 1E+10 #/s steigen. Bei der Analyse der Gaskomponenten fällt auf, dass insbesondere unmittelbar vor der Regeneration die Gaskomponenten CO, THC, NOx, NO, NO2, NH3 und CH4, einen deutlichen Peak aufweisen, welcher dann mit Beginn der Regeneration wieder absinkt. Der Beginn kurz vor der Regeneration ist der Zeitpunkt, in dem das Motorsteuergerät die Abgastemperatur anhebt. In diesem Umschaltpunkt der Motorparameter werden kurzzeitig die deutlich erhöhten Emissionen der genannten Gaskomponenten gemessen. Die Gaskomponenten, welche bei allen Diesel-Prüffahrzeugen während der Regeneration einen signifikanten Anstieg aufwiesen, sind CO, NO und NOx. Der NO- bzw. NOx-Wert erhöht sich während der Regeneration im Mittel um Faktor 67- bzw. 95 zum gewählten Referenzwert. Der NO2-Wert erhöht sich im Mittel um den Faktor 2,5, der THC-Wert um den Faktor 5 und der SO2-Wert ist um Faktor 4 erhöht. Im Vergleich zum Referenzwert sind die Messwerte von NH3 und CH4 während der Regeneration grundsätzlich höher und die N2O-Konzentration niedriger. Die Beladung des GPF bei den beiden Prüffahrzeugen mit Benzinmotor wird durch wiederholte Kaltstarts bei -15 °C durchgeführt. Die passive Regeneration erfolgt auf dem Rollenprüfstand durch wechselnden Last- und Schubbetrieb. Im Lastbetrieb werden zunächst die erforderlichen Abgastemperaturen von über 600 °C erzeugt, um daran anschließend im Schubbetrieb den erforderlichen Sauerstoffüberschuss sicherzustellen und eine passive Regeneration kontrolliert herbeizuführen. Die Auswertung der Änderung der Emissionen, welche durch die passive Regeneration an den GPF hervorgerufen werden, wird durch die Anforderung eines dynamischen Messablaufes, welcher in Zyklen bei konstanter Geschwindigkeit mit unterschiedlicher Lastaufbringung erfolgt, erschwert. Bei der Partikelanzahl ist kein eindeutiger Trend erkennbar. Während bei einem Prüffahrzeug kein signifikanter Unterschied zwischen Regeneration und leerem GPF gemessen wurde, sind die PN-Emissionen bei dem zweiten Prüffahrzeug während der Regeneration erhöht. Die Analysen der Verläufe der Abgaskomponenten zeigen, dass alle erhöhten Emissionen außer NH3, HCHO und zum Teil NO während der Aufbringung der Last und nicht während des Schubbetriebes und somit der passiven Regeneration anstiegen. Die Änderungen der Mittelwerte aus der Regeneration sind im Vergleich zum leeren Filter deutlich geringer als die beim DPF der Dieselfahrzeuge. Die chemische Analyse der festen Bestandteile ergab bei beiden Fahrzeugtypen keine Auffälligkeiten. Der überwiegende Teil der festen Abgasbestandteile ist Kohlenstoff. Die Messungen der Dieselkraftfahrzeuge zeigten eindeutige und reproduzierbare Ergebnisse. Hier konnten durch die aktive Regeneration, die Phasen; Beladung, Regeneration und Filterkuchenaufbau in einem konstanten Motorbetriebspunkt abgegrenzt und die Veränderungen der Emissionen untersucht werden. Die Analyse der Messungen der Fahrzeuge mit Benzinmotoren zeigten kein eindeutiges Ergebnis. Dies ist zum einen auf die passive Regeneration zurückzuführen, welche keinen konstanten Motorbetriebspunkt ermöglicht. Dadurch überlagern dynamische Einflüsse das Ergebnis. Zum andern ist, bedingt durch die Verbrennung und Abgasnachbehandlung, die Rußmasse in einem GPF deutlich geringer als in einem DPF. Dadurch wird während der Regeneration weniger Ruß verbrannt und die Veränderung der Schadstoffe fällt geringer aus.
  • In order to comply with the particle emission limits for motor vehicles as part of the type approval test in accordance with European Regulation (EC) 715/2007, the vehicle manufacturers install particle filters (Diesel Particulate Filters (DPF)/Gasoline Particulate Filters (GPF)) in the vehicle’s exhaust system. Regeneration must be initiated at the latest when a critical soot mass is reached in the filter. The regeneration takes place by burning off the soot stored in the filter. The carbon content of the particles is oxidised with oxygen above approx. 600°C to form carbon dioxide. The regeneration strategy of the vehicles varies. A basic distinction is made between periodic (active) and continuous (passive) regeneration. Periodic regeneration is used almost exclusively for diesel vehicles and continuous regeneration for vehicles with gasoline engines. The aim of the research project is to measure the vehicle emissions during particle filter regeneration and to evaluate them with regard to their change compared to driving without regeneration. For this purpose, the particle filters of three diesel and two gasoline vehicles are loaded and a regeneration is then carried out, during which both the solid and the gaseous exhaust emissions are measured. The solid components of the exhaust gas are subsequently examined for their former elements. In the three diesel vehicles, the DPF is loaded up to approx. 80% while driving on the road. The vehicle is then installed on the roller dynamometer and the measurement equipment is connected. The measurement of the emissions during the DPF regeneration takes place in a constant engine operating point with a simulated journey with 80 km/h on the flat road. The evaluation of the solid components of the exhaust gas shows that the averaged particle number values during and after a DPF regeneration of approx. 1E+07 #/s increase by three orders of magnitude to 1E+10 #/s. When analyzing the gas components, it is noticeable that especially immediately before regeneration, the gas components CO, THC, NOx, NO, NO2, NH3 and CH4 show a clear peak, which then drops again when the regeneration begins. The beginning shortly before the regeneration is the point in time at which the engine control unit increases the exhaust gas temperature. At this switch-over point of the engine parameters, the significantly increased emissions of the gas components mentioned are measured temporarily. The gas components that showed a significant increase in all diesel test vehicles during regeneration are CO, NO and NOx. The NO and NOx value increases during the regeneration on average by a factor of 67 and 95 to the selected reference value. The NO2 value increases on average by a factor of 2.5, the THC value by a factor of 5 and the SO2 value is increased by a factor of 4 compared to the reference value. The measured values of NH3 and CH4 during regeneration are generally higher and the N2O concentration is lower. The loading of the GPF in the two test vehicles with gasoline engines is carried out by repeated cold starts at -15°C. The passive regeneration takes place on the roller dynamometer by alternating engine load and overrun operation. In load operation, the required exhaust gas temperatures of over 600°C are generated in order to then ensure the required excess oxygen in overrun operation and bring about a passive regeneration in a controlled manner. The evaluation of the change in emissions, which are caused by the passive regeneration of the GPF, is made more difficult by the requirement of a dynamic measurement process, which takes place in cycles at constant speed with different load application. No clear trend can be seen in the number of particles. While no significant difference was measured between regeneration and empty GPF in one test vehicle, the PN emissions were increased in the second test vehicle during regeneration. The analyses of the exhaust gas component curves show that all increased emissions except for NH3, HCHO and partly NO increased during the application of the load and not during the overrun and thus the passive regeneration. The changes in the mean values from the regeneration are significantly smaller than those for the DPF in diesel vehicles compared to the empty filter. The chemical analysis of the solid components did not reveal any abnormalities in either vehicle type. The predominant part of the solid exhaust gas components is carbon. The measurements of the diesel vehicles showed clear and reproducible results. Here, through active regeneration, the phases of loading, regeneration and filter cake build-up are delimited in a constant engine operating point and the changes in emissions are examined. The analysis of the measurements of the vehicles with gasoline engines showed no clear result. On the one hand, this is due to the passive regeneration, which does not allow a constant engine operating point. This means that dynamic influences are superimposed on the result. On the other hand, due to the combustion and exhaust gas after-treatment, the soot mass in a GPF is significantly lower than in a DPF. This means that less soot is burned during regeneration and the change in pollutants is less.

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Metadaten
Author:Fabian Langwald
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-26953
ISBN:978-3-95606-698-6
ISSN:0943-9307
Series (Serial Number):Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe F: Fahrzeugtechnik (145)
Publisher:Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG
Place of publication:Bremen
Document Type:Book
Language:German
Date of Publication (online):2022/08/01
Date of first publication:2022/08/03
Publishing institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Release Date:2022/08/03
Number of pages:68 Seiten
Comment:
Bericht zum Forschungsprojekt FE 84.0533

Regeneration von Partikelfiltern bei Benzin- und Dieselkraftfahrzeugen

Fachbetreuung
Sigrid Limbeck

Referat
Emissionen im Kraftfahrzeugbereich
Institutes:Abteilung Fahrzeugtechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoBASt / Link zum Urhebergesetz

$Rev: 13581 $