Rußverteilung im Partikelfilter von Dieselautos erstmals sichtbar gemacht

Dieselkraftfahrzeuge sind heute serienmäßig mit einem Partikelfilter ausgestattet; er ist im Zuge der Abgasnorm Euro5 Standard. Der Filter verhindert, dass schädliche Ruß- und Aschepartikel aus den Abgasen in die Umwelt gelangen. Wie sich Ruß genau im Filter anlagert, weiß die Automobilindustrie allerdings nicht. Mithilfe eines speziellen bildgebenden Verfahrens, der Neutronentomografie, haben Forscher am Paul Scherrer Institut PSI den Ruß im Filter nun sichtbar gemacht und so eine Grundlage geschaffen, um solche Filter weiterentwickeln und optimieren zu können.

Rußpartikelfilter finden sich heute in den meisten Neufahrzeugen mit Dieselmotor. Das ist nötig, weil die Partikel im Abgas hauptsächlich aus schädlichem Ruß und Asche bestehen und nicht an die Umwelt gelangen sollten. Im Filter werden die Abgase daher in ein wabenartig aufgebautes Kanalsystem geschickt, bei dem nur jede zweite "Wabe" einen Ausgang hat. So muss das Abgas vor dem Weiterströmen die porösen Wände zwischen den Waben durchdringen. Ruß- und Aschepartikel passen nicht durch die Poren und lagern sich an den Wänden ab. Nach mehreren hundert Kilometern ist der Filter voll mit Ruß. Hat sich viel Ruß abgelagert, wird der Filter regeneriert. Dafür wird die Abgastemperatur erhöht und der Ruß zu CO₂ verbrannt. Nur die unverbrannte Asche bleibt weiterhin im Filter zurück. Mit der Zeit staut sich immer mehr Asche an. Nach etwa 180 000 Kilometern ist der Filter mit Asche gefüllt und muss ausgetauscht werden.

Rußverteilung unbekannt

Was im Detail im Filter passiert und wo sich der Ruß ablagert, konnten Automobilhersteller und Zulieferindustrie bisher nur in etwa erahnen oder indirekt ermitteln. So kann man den Filter aufsägen, um den Ruß zu sehen. Dabei wird allerdings durch den Sägevorgang bereits ein Teil des Rußes abgeschüttelt. Zerstörungsfrei kann der Partikelfilter zwar mit Röntgenmessungen untersucht werden, jedoch kann damit nur die Ascheverteilung nachgewiesen werden, der Ruß aber nicht. Er besteht aus Kohlenstoff. Den sieht man auf Röntgenbildern nicht.

Neutronentomografie zeigt die Rußverteilung deutlich

Nun ist es gelungen, dieses Dilemma zu lösen. Das PSI kann mit Neutronentomografieuntersuchungen nebst der Ascheverteilung auch die Rußverteilung abbilden. Christian Grünzweig, Physiker am PSI, bringt es auf den Punkt: "Man nennt die Bauteile zwar Rußpartikelfilter. Aber bisher konnte niemand zerstörungsfrei nachweisen, wo der Ruß darin eigentlich bleibt. Wir sind die ersten, die den Ruß an seiner Ablagerungsstätte nachweisen können."

Neutronen haben gegenüber Röntgenstrahlen den Vorteil, dass sie neben einer erhöhten Sensitivität für Kohlenstoff vor allem eine markant höhere Sensitivität für Wasserstoff aufweisen. Christian Grünzweig erläutert: "Ruß können wir gut abbilden, weil er noch kleine Mengen an Wasserstoff enthält, der aus unverbrannten Kraftstoffbestandteilen stammt."

Auf seinem Weg durch die Probe wird der Neutronenstrahl je nach Eigenschaften des durchdrungenen Materials unterschiedlich stark abgeschwächt. Aus der gemessenen Abschwächung können die Wissenschaftler ein detailliertes Bild der Ruß- und Ascheverteilung rekonstruieren. So können sie endlich auch sichtbar machen, wo genau sich im Filter Ruß ablagert.

Mit den Messresultaten des PSI gewinnt die Automobil- und Zulieferindustrie neue Erkenntnisse darüber, wie sich Ruß und Asche im Filter genau verteilen. Daraus können die Ingenieure ablesen, wie künftige Filtergeometrien aussehen müssen, damit sich das Abgas gleichmäßig im ganzen Filter verteilt - und mit ihm die Ablagerungen. Zudem erhoffen sie sich Aufschluss darüber, wie das Abgas in den Filter idealerweise einströmen muss. Ideal wäre, dass sich das Abgas gleichmäßig im ganzen Filter verteilt und sich die Ablagerungen entsprechend regelmäßig verteilen. So würde der Filter optimal genutzt und müsste weniger oft kostspielig ersetzt werden.

Quelle: Paul Scherrer Institut (PSI)