Partikelfiltersystem FAP

• PSA-Konzern (Peugeot, Citroen)

• (HDI = High Pressure Direct Injection = Dieseldirekteinspritzer mit Common Rail-Technik)

• siehe auch Abgasproblematik beim Diesel

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oben: HDI Motor mit Common Rail-Technik

Beschreibung des FAP-Systems

Es besteht aus drei Komponenten:

1. dem Filterelement, das mit einem vorgeschalteten Vorkatalysator sowie Temperatur- und Druckprüfsensoren verbunden ist;

2. einer Steuer- und Prüfsoftware für den HDi-Common-Rail-Motor, die die Regeneration des Filters und die Selbstdiagnose des Systems steuert. Diese Software bildet das Herz des Systems;

3. der fahrzeugintegrierten Vorrichtung zur Zugabe eines Kraftstoffadditivs.

Das zentrale Element des  FAP stellt der Partikelfilter dar, der die im Abgas enthaltenen Rußpartikel zunächst auffängt und dann in regelmäßigen Abständen (ca. 700 km) in einem innovativen Verfahren verbrennt. Dieses Verfahren erfolgt unter der Zuhilfenahme des Additivs Eolys.

Der Partikelfilter

Der Partikelfilter aus Siliziumkarbid besitzt eine poröse Struktur, die aus einer Vielzahl von Kanälen gebildet wird, die die Partikel binden, wenn sie von den Abgasen durchströmt werden.

Diese Struktur aus Siliziumkarbid zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

• eine sehr hohe Abscheiderate

• eine hohe Partikelbindefähigkeit und dadurch lange Regenerationsintervalle

• eine hohe thermische, mechanische und chemische Festigkeit

• geringe Lastverluste.  

unten: Prinzip der Filterregeneration

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Das Prinzip der Regeneration des Partikelfilters

Die Regeneration des Filters wird durch die Common-Rail-Einspritzung gesteuert, die es durch Nacheinspritzungen ermöglicht, die (im Stadtverkehr bei rund 150 °C liegende) Temperatur der Verbrennungsgase am Ausgang des Abgaskrümmers auf über 450 °C anzuheben.

Dieser Vorgang zur Erhöhung der Abgastemperatur läuft in zwei Stufen ab:

1. Eine Dieselnacheinspritzung zum Ende des Arbeitstaktes führt zu einer Nachverbrennung im Zylinder und zu einer Temperaturerhöhung um 200 bis 250 °C.

2. Durch eine zusätzliche Nachverbrennung, die durch einen dem Filter vorgeschalteten Oxidationskatalysator erzeugt wird, werden die bei der Nacheinspritzung entstehenden unverbrannten Kohlenwasserstoffe beseitigt. Die Temperatur kann um über 100 °C ansteigen.

Ein Kraftstoffadditiv sorgt dafür, dass die Partikel bereits bei ihrer Entstehung so konditioniert werden, dass sie schon bei 450°C statt bei ihrer natürlichen Entzündungstemperatur von 600°C verbrennen. Die Regeneration erfolgt, ohne dass dies vom Fahrer bemerkt wird. Auch während dieses Prozesses erfolgt keinerlei Rauchentwicklung am Auspuff. 

Die Regeneration besteht in der regelmäßigen Verbrennung (je nach Fahrweise etwa alle 700 Kilometer) der im Filter abgeschiedenen und von ihm gebundenen Partikel. Diese setzen sich im wesentlichen aus Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffen zusammen und verbrennen mit Sauerstoff bei einer Temperatur von 550 °C.

Selbst unter ungünstigsten Betriebsbedingungen, in denen der Motor nicht auf Temperatur kommt, kann die Temperatur der Verbrennungsgase durch die Aktivierung dieser Maßnahmen auf über 450 °C angehoben werden.

Ein Drucksensor beobachtet den Zusetzungsgrad des Filters und setzt sobald nötig die Regeneration in Gang. Eine vollständige Regeneration dauert rund zwei bis drei Minuten.

Die Nachverbrennung während der Regeneration führt zu einer Erhöhung des Motordrehmoments.

Damit dieser Vorgang vom Fahrer unbemerkt abläuft, wurden spezielle Techniken zur Drehmomentkontrolle entwickelt. Sie stützen sich auf:

• eine optimierte Steuerung jeder Einzeleinspritzung, d. h. der Vor-, der Haupt- und der Nacheinspritzung

• die Kontrolle des Ladedrucks

Die für die Regeneration des Filters erforderlichen Kraftstoffeinspritzungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines hohen Fahrkomforts sind allein durch die Flexibilität des Common-Rail-Systems möglich.

Zugabe eines Kraftstoffadditivs

Um die Regenerationsschwelle zu erreichen, wird dem Kraftstoff Eolys^® zugesetzt, eine von der Firma Rhodia hergestellte Verbindung auf Cerinbasis, durch die die Spontanverbrennungstemperatur der Partikel auf 450 °C abgesenkt wird. 

Das Additiv "Eolys" wird in einem fünf Liter fassenden Tank mitgeführt. Das Additiv wird dem Kraftstoff bei jedem Tankvorgang automatisch in geringer Menge beigemengt und ist permanent in minimaler Konzentration im Diesel enthalten. 

Eine Tankfüllung von fünf Litern reicht bei der aktuellen Generation des FAP-Systems bis zum vorgesehenen Wartungsintervall von 120.000 Kilometern. Peugeot hat sich bewusst für ein Partikelfiltersystem mit Additiv entschieden, da dieses eine zuverlässige Funktion unter allen Betriebsbedingungen sicherstellt und für die kürzest mögliche Regenerationsdauer von nur zwei bis vier Minuten und einen minimalen Mehrverbrauch von nur ein bis zwei Prozent sorgt.

Es wurden zahlreiche Versuche durchgeführt, in denen der Nachweis dafür geführt werden konnte, dass Eolys^® weder gesundheits- noch umweltschädlich ist.

Es wurde vom französischen und deutschen Umweltministerium zugelassen und von den zuständigen EU-Behörden für den Verkauf freigegeben.

In der aktuellen Generation wird das Filterelement nach 120.000 Kilometern im Rahmen des üblichen Inspektionsintervalls ausgebaut, gereinigt und kommt anschließend als Austauschteil wieder zum Einsatz. Gleichzeitig wird der Additivtank aufgefüllt. In der ersten Generation war ein Tausch bei 80 000 km vorgesehen.

Die Vorrichtung zur Additivzugabe

Das Cerin kommt in einer organischen Lösung zur Anwendung, die in einem neben dem Kraftstofftank angeordneten Zusatztank gelagert wird. Um die Additivmenge proportional zur jeweils getankten Kraftstoffmenge zu dosieren, wurde eine Vorrichtung zur Additivzugabe entwickelt.

Diese Vorrichtung besteht aus:

• einer Zapfvorrichtung mit Minimalstandsdetektor am Additivtank

• einem am Kraftstoffhaupttank angebrachten Additiveinspritzsystem

• einem speziellen Rechner für die Steuerung der Additivzugabefunktion.

Für eine 60-Liter-Tankfüllung spritzt die Vorrichtung 37,5 ml Lösung mit 1,9 g Cerin ein. Mit dem 5-Liter-Tank ist eine Reichweite von 80 000 km gewährleistet. Der Tank wird vom Händler im Zuge der Filterreinigung nachgefüllt.

weiteres Systembild von Peugeot

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Die derzeit von Peugeot angebotenen Modelle mit FAP-System erfüllen die Abgasnorm Euro 3 und entsprechen somit den aktuellen gesetzlichen Bedingungen. Die Euro 4-Norm wird für neu zugelassene PKW zum 1. Januar 2005 verbindlich. Anlässlich der IAA 2003 präsentiert Peugeot drei HDi-Motoren mit FAP, die bereits der Euro 4-Norm entsprechen: Der 2,0-Liter-HDi (100 kW/136 PS) kommt noch in diesem Jahr im 307 auf den Markt. 2004 folgt ein neuer, Euro 4-konformer 1,6-Liter-Vierzylinder-HDi mit 80 kW (109 PS) zunächst im 307 und später im 206, so dass ab 2004 in allen Baureihen von Peugeot Modelle mit FAP verfügbar sind. Ebenfalls 2004 wird Peugeot den 2,7 Liter großen V6-HDi mit 148 kW (201 PS) einführen. Dieser Sechszylinder-Diesel verfügt erstmals über ein wartungsfreies FAP-System (siehe Bild). Alle Peugeot-Dieselmotoren mit FAP-System unterschreiten dank des Partikelfilters die Grenzwerte der Euro 4-Norm für Rußpartikel um ein Vielfaches.

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Aktuelle Änderung vom 12.09.05: Peugeot verlängert die Wartungsintervalle des Rußpartikelfilters in allen aktuellen HDi-Modellen mit serienmäßigem FAP-System.  Ab sofort muss der Filter bei allen Peugeot-Dieselmodellen mit FAP-System erst nach 180.000 (407 HDi FAP 110: 140.000) statt wie bisher nach 120.000 Kilometern im Rahmen der regulären Inspektion ausgetauscht werden. Beim FAP-System im 607 V6 HDi FAP 205 bleibt das Filterelement bis 210.000 Kilometer wartungsfrei. (Quelle: Peugeot)

• Das Rußpartikelfiltersystem FAP reduziert den Partikelausstoß bis an die Nachweisbarkeitsgrenze auf einen Wert von nur 0,004 g/km (Homologationswert für den Peugeot 607). 
• Im ADAC-Langzeittest über 80.000 km emittierte der Peugeot 607 im Mittel sogar nur 0,001 g/km Rußpartikel. 
• Ein moderner Common Rail Diesel produziert ohne Filter bei 80000 km rund 3 kg Ruß, mit Filter sind es weniger als 100 g!
• Der ADAC kam bereits Mitte 2001 zu dem Fazit: "Der Peugeot 607 HDi mit dem neuen Partikelfiltersystem, das erste Serienfahrzeug mit Partikelfilter, emittiert wesentlich weniger Partikel als moderne Dieselfahrzeuge mit konventioneller Technik: 
• Gravimetrisch ist die Emission rund ein 1/42, bezogen auf die Partikelanzahl sogar nur rund 1/10.000. Damit ist der Peugeot 607 praktisch partikelfrei. Eine fundamentale Schwäche der Dieselfahrzeuge ist damit beseitigt."
• Der Verbrauch steigt während der Regeneration um ca. 5%