Um aktuelle Partikelanzahlgrenzwerte in Fahrzeugen mit direkteinspritzenden Benzinmotoren einhalten zu können, ist schon jetzt der Einsatz von Partikelfiltern in der Abgasnachbehandlung von direkteinspritzenden Benzinmotoren unumgänglich. Damit heute gebaute Fahrzeuge auch künftigen, strengeren Abgasgesetzgebungen entsprechen können, hat Peter Schwanzer in seiner Doktorarbeit experimentell untersucht, welche Methodik sich für eine verbesserte On-Board-Überwachung von Partikelfiltern am besten eignet – es ist, wie er herausfand, eine Kombination aus einem bislang gebräuchlichen Differenzdrucksensor und einem Radio-Frequenz-Sensor (RF-Sensor).
Vergleich anhand zahlreicher Parameter
Die On-Board-Diagnosestrategie, die Schwanzer entwickelt hat, gibt in Echtzeit Auskunft über die aktuell im Filterelement befindliche Ruß- und Aschemenge und erkennt mögliche Schäden anhand einer reduzierten Filtrationseffizienz. Hierfür hatte der Doktorand zunächst die Eignung von elektrostatischen Ruß-Sensoren (ePM-Sensoren) und RF-Sensoren untersucht. Dazu wiederum wurden zahlreiche innermotorische Parameter (z.B. Kraftstoffarten) variiert und die Partikel sowohl auf ihre physikalischen (z.B. Partikelanzahlkonzentration) als auch auf ihre chemischen Eigenschaften (volatile Bestandteile, elementarer Kohlenstoff und Asche) hin analysiert. Zusätzlich wurde das Oxidationsverhalten für verschiedene Partikelzusammensetzungen geprüft.
Die Untersuchungen ergaben, dass sich der ePM-Sensor als Bestandteil einer Diagnosestrategie nicht eignet. Zwar zeigte er an stationären Betriebspunkten mit Tankstellenkraftstoffqualität eine ausreichend gute Empfindlichkeit. Beispielsweise bei stark abweichenden Partikelgrößen oder bei hohen Abgastemperaturen ließ er aber auch Schwächen erkennen; anders der RF-Sensor, der unterschiedliche Empfindlichkeiten für verschiedene eingelagerte Ruße und unterschiedliche Mengen an volatilen Bestandteilen im Filterelement zeigte. Die Oxidationsvorgänge erwiesen zudem, dass sowohl der Abbrand des im Partikelfilter befindlichen Rußes als auch die eingelagerte Aschemenge mit dem RF-Sensor zufriedenstellend erfasst werden können.
Konzept erkennt mögliche Schäden am besten
Letztlich erwies sich ein kombiniertes Sensorkonzept aus den bislang gebräuchlichen Differenzdruck- und RF-Sensoren als am geeignetsten. Dieser Ansatz zeigte seine Vorzüge besonders bei der Erkennung kleiner Aschemengen im Partikelfilter und lieferte auch im Hinblick auf die Bestimmung der aktuellen Rußmenge die besten Ergebnisse. Mögliche Schäden erkannte das favorisierte Konzepte ebenfalls am besten.
Das Promotionsvorhaben wurde im Rahmen des BayWiss-Verbundkollegs „Mobilität & Verkehr“ und in Kooperation mit der Technischen Universität München (Campus Straubing; Prof. Dr.-Ing. Matthias Gaderer) und mit Unterstützung der Vitesco Technologies Group AG durchgeführt. Betreuer vonseiten der OTH Regensburg war Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Rabl.