Aufgrund gesetzlicher Vorgaben ist es erforderlich, die Rußemissionen von Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen zu reduzieren. Dazu werden Dieselpartikelfilter eingesetzt, in denen die Rußemissionen abgeschieden werden. Der abgeschiedene Ruß muss während der sogenannten Regeneration in regelmäßigen Abständen wieder aus dem Filter entfernt werden, da während des Fahrzeugbetriebs durch den Aufbau der Rußschicht im Filter der Abgasgegendruck steigt und dadurch die Effizienz des Motors sinkt. Durch motorische Maßnahmen (Nacheinspritzung) wird während der Regeneration die Temperatur so erhöht, dass der Ruß im Filter vollständig oxidieren kann. Wird diese Regeneration nur unvollständig durchgeführt, spricht man von einer partiellen Regeneration, die Gegenstand der Untersuchung der vorliegenden Dissertation ist.
Das Ziel der Untersuchung lag in der Beurteilung, ob es möglich ist, nach einer partiellen Regeneration mit einer verbleibenden Restrußmenge diesen Dieselpartikelfilter wieder direkt mit Ruß aus dem Motor zu beladen und welche Folgen eine solche Wiederbeladung auf den nachfolgenden Betrieb des Dieselpartikelfilters hat. Ziel dieser Arbeit war es, anhand von Grundlagenuntersuchungen am Motorprüfstand (Stationärversuche) zu bewerten, ob die Anwendung partieller Regenerationen sinnvoll ist und wie gegebenenfalls eine Anpassung der Betriebsstrategie im Fahrzeug zu erfolgen hätte. Ergänzend wurde ein Simulationsmodell zu Hilfe genommen, um die Bewertung umfangreicher abzusichern, speziell in Hinsicht auf eine Worst-Case-Regeneration. Bei einer Worst-Case-Regeneration wird während der Regeneration direkt in den Leerlauf gewechselt, z.B. wenn ein Fahrzeug während der Regeneration angehalten werden muss (z.B. an einer roten Ampel). Diese Worst-Case-Regeneration ist zumeist aufgrund sehr guter Bedingungen für die Rußoxidation (geringer Massendurchsatz, hohe Sauerstoffkonzentration) mit einer hohen Temperaturentwicklung verbunden. Diese hohe Temperaturentwicklung kann unter Umständen aufgrund thermischer Spannungen im Filtermaterial einen Schaden des Dieselpartikelfilters zur Folge haben.
Durch die Untersuchungen am Motorprüfstand wurden Erkenntnisse hinsichtlich des Druckverlusts, der Rußverteilung, der Strömungsverteilung und der Temperaturverteilung im Dieselpartikelfilter gewonnen. Daraus resultierend zeigt sich, dass durch die Anwendung partieller Regenerationen der durch den beladenen Filter verursachte Differenzdruckverlust bei Wiederbeladungen deutlich niedriger ausfällt als bei einer entsprechenden Beladung aus dem Leerzustand. Basierend auf dieser Erkenntnis ist es gelungen, eine Korrekturfunktion abzuleiten, die eine Beladungserkennung über den Druckverlust bei den durchgeführten Stationärversuchen gewährleistet. Als Ursache für dieses niedrigere Druckverlustniveau konnte der Tiefenfiltrationseffekt identifiziert werden, der bei Wiederbeladung nach einer partiellen Regeneration in deutlich geringerem Ausmaß stattfindet. Zur Bestimmung der Rußverteilung wurden durch ein speziell entwickeltes Verfahren Dieselpartikelfilter vom Motorprüfstand in unterschiedlichen Zuständen (beladen, partiell regeneriert und wiederbeladen) so zerlegt, dass anhand von optischen Analyseverfahren wie Licht- und Rasterelektronenmikroskopie Rußschichtdicken ermittelt werden konnten. Als Ergebnis hat sich gezeigt, dass die Rußschichtdicken nach einer partiellen Regeneration in der radialen Filtermitte erheblich niedriger sind als im Außenbereich. Dieses Phänomen zeigt sich in etwas abgeschwächter Form auch beim Zustand nach der Wiederbeladung. Dies bedeutet einen erheblichen Unterschied zur Beladung aus dem Leerzustand, bei dem die Rußschichtdicken mehr oder minder konstant über den gesamten Querschnitt sind. Diese inhomogene Verteilung der Rußschichtdicken hat einen direkten Einfluss auf die Durchströmung und die Temperaturverteilung im Dieselpartikelfilter. Aufgrund der geringeren Rußschichtdicken in der radialen Filtermitte sind in diesem Bereich höhere Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen detektiert worden. Die Interaktion zwischen Ruß-, Strömungs- und Temperaturverteilung ist entscheidend dafür, welche Temperaturen während einer Regeneration und einer Worst-Case-Regeneration im speziellen in einem Dieselpartikelfilter aufgrund der Exothermie der Rußoxidation entstehen können. Diese Interaktion wird bei einer Worst-Case-Regeneration maßgeblich durch den Sprung in den Leerlauf beeinflusst.
Die endgültige Absicherung, ob kritische Temperaturen Schäden am Dieselpartikelfilter verursachen können, wurde anhand eine Parameterstudie durch die Simulation bewertet, mit der Zielsetzung, welchen Einfluss der Zeitpunkt für den Sprung in den Leerlauf auf das Temperaturverhalten im Dieselpartikelfilter hat. Die Studie hat ergeben, dass unter den untersuchten Versuchsbedingungen keine kritischen Temperaturen entstanden sind, die einen Schaden für den Dieselpartikelfilter bedeuten.
Die Grundlagenuntersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass die Anwendung partieller Regenerationen als Betriebsstrategie in einem PKW möglich und gleichzeitig sinnvoll erscheint. Die Einschränkung dieser Arbeit besteht darin, dass die Untersuchungen nur am Motorprüfstand unter stationären Bedingungen durchgeführt wurden. Es wäre weiterhin notwendig, die Ergebnisse unter instationären Bedingungen (z.B. in einem Erprobungsfahrzeug) zu prüfen, die einer realen Anwendung in der Praxis entsprechen.