Diplomarbeit

1. Einführung

In den letzten Jahren hat sich unser Umweltbewußtsein stark entwickelt. Wegen des steigenden Ausmaßes sichtbarer Umweltschäden wuchs -neben dem öffentlichen Interesse an umweltschonenderen Techniken- auch das Engagement des Gesetzgebers, durch staatliche Direktiven Entwicklungen zur Milderung unerwünschter Technikfolgen voranzutreiben. Ziel dieser Bemühungen war und ist unter anderem, die Freisetzung schädlicher Substanzen in die Umwelt weiter zu senken, um zukünftig die Menge schädlicher Gase und Partikel unter die jeweils festgelegten aktuellen Grenzwerte zu unterschreiten.

Der „Treibhauseffekt”, ein globales Aufheizen der Atmosphäre durch verminderte Wämeabstrahlung ins All, zwingt zu einer zunehmend restriktiven Gesetzgebung bezüglich des Einsatzes von Verbrennungsanlagen.

Betroffen sind in unterschiedlichem Maße alle Verbrennungsanlagen, gleichermaßen Heizanlagen, Benzin- und Dieselmotoren. Grund hierfür ist, daß bei allen Verbrennungsprozessen Kohlendioxid (CO2) als ein Verbrennungsprodukt fossiler Energieträger in größerem Maße frei wird, als es in der Erdoberfläche abgebunden werden konnte. CO2 wird im Zusammenhang mit der Aufheizung der Atmosphäre für wesentlich verantwortlich gehalten. Neben CO2 stehen darüber hinaus beispielsweise Stickoxide NOx und Kohlenmonoxid CO sowie die Rußpartikel von Dieselmotoren, wenn auch teilweise ohne hinreichende sachliche Absicherung, im Mittelpunkt der öffentlichen Diskussion.

Große Anstrengungen wurden und werden deshalb unternommen, die Mengen an Schadanteilen in den Abgasen unterschiedlicher Motortypen zu messen und zu vermindern.

Als Beitrag der Automobilindustrie zur Entschärfung der Situation wurden verschiedene alternative Konzepte entwickelt, um Quantität des Abgases zu verringern beziehungsweise die Qualität annehmbarer zu gestalten.

Abgasrückführung, katalytische Nachverbrennung und die elektronische Regelung der Zündung bei Benzinmotoren dienen diesem Zweck. Bei Dieselmotoren wird trotz eines relativ geringeren Gesamt-Schadstoffausstoßes als bei Benzinmotoren zunehmend gefordert, die Freisetzung von Rußpartikeln einzuschränken.

Diese stehen wegen anhaftender, unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Verdacht, krebserregend zu sein. Für PKWs, LKWs sowie für Busse wurden unterschiedliche Typen von Rußfiltern entwickelt. Sie müssen wegen extremen spezifischen Belastungen entsprechend ihrer Einsatzart- im Kurzzeit- oder Dauerbetrieb optimiert werden, um den geforderten geringen Partikelausstoß zu erreichen.

Ein Rußabbrennfilter (RAF) stellt ein Konzept dar, bei dem die Partikel möglichst vollständig dem Abgas entzogen und nachverbrannt werden. Dabei wirkt das Filter hauptsächlich als mechanischer Rückhalteapparat, der die Partikel wie ein Sieb von einer gewissen Größe an zurückhält. Anschließend werden die angesammelten Rußpartikel verbrannt. Absolut sind ungefähr 80-90% aller Teilchen auszusieben.

Ein RAF kann wie eine Ziehharmonika, deren Einzelseiten aus Filterplatten bestehen, aufgebaut sein. Beim Durchströmen der Platten lagert sich der Großteil des Rußes verstärkt in den sich verengenden Filterzonen (vgl. Abb. 1.) ab.

Einströmseite Filtermatten Strömungsrichtung

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Rußablagerung

Abb.1: Schemaskizze eines Rußabbrennfilters.

Anhand der Abb. 1 wird offensichtlich, daß in Strömungsrichtung und quer dazu Gradienten chemischer und thermischer Natur auftreten. Daneben können inhomogene Rußablagerungen vorhanden sein, die zusätzlich zu den thermischen für ungleichmäßige chemische Belastung sorgen.

Zusätzlich muß darauf hingewiesen werden, daß sich das Verhalten der einzelnen Drähte, aus denen eine Filtermatte aufgebaut ist, gegebenenfalls deutlich von dem des gesamten Funktionselementes unterscheiden kann. Der „Verbund Filtermatte” wird durch Sinterung einer vorgepreßten Matte aus einer wie Stahlwolle aussehenden Struktur erreicht.

Auf alle Arten von Abgasnachbehandlungssystemen wirken eine Vielzahl von physikalischen-wie thermischen und mechanischen- und chemischen Belastungsgrößen ein, die sich in Art, Größe und Häufigkeit zahlenmäßig nur sehr schwierig erfassen lassen. Sie sind nämlich alle letztlich von den momentanen Betriebsbedingungen, von Fahrweise sowie Bauart des Fahrzeuges und dem Gebrauchszustand des Systems abhängig.

Als kennzeichnend für die Charakterisierung der Betriebsbedingungen des Bauteils Rußabbrennfilter (RAF) könnte man die Konstanz des Wechsels und der Gleichzeitigkeit und Unabhängigkeit von mechanischer, chemischer und thermischer Beanspruchung betrachten, vgl. Abb. 2.

Abb. 2: Äußeres Umfeld eines Rußabbrennfilters.

Erschwerend treten zu den in Abb. 1 angeführten zwei Punkte hinzu, die ebenso wichtig wie die dargestellten sind: Einerseits die Zeitabhängigkeit aller oben gezeigten Parameter, andererseits die Geometrie der einzusetzenden Werkstoffe. Die Zeitabhängigkeit chemischer Vorgänge ist unmittelbar verständlich; aber ebenso sind mechanische und thermische Vorgänge als instationär zu betrachten. Fahrzeugschwingungen, Aufheiz- und Abkühlspannungen sowie die letztlich immer wirkende Kombination aller Größen sind präsent.Im Zentrum eines Zielkonflikts steht die Aufgabe eines RAFs, möglichst vollständig und dauerhaft feste Anteile aus dem Abgas zurückzuhalten. Darum muß die Struktur sehr engmaschig sein, damit auch kleine Teilchen erfaßt werden. Wegen dieser Engmaschigkeit erhöht sich der Strömungswiderstand durch das Filter und somit der Gegendruck auf den Motor. Das erhöht den Kraftstoffverbrauch und deshalb wiederum die Rußmenge. Die starke Verkleinerung der durchströmten Querschnitte ergibt wegen der gleichzeitigen Forderung eines geringen Materialeinsatzes aus Kostengründen und schneller Aufheizbarkeit zum Zweck schnellen Abbrennens des abgespeicherten Rußes kleine Werkstoffquerschnitte.Kleine Querschnitte bringen aber werkstoffseitig vielfältige Konsequenzen mit sich, die Einsatzdauer begrenzend wirksam werden können. Als Vergleichsbezug mag hier eine Motorlebensdauer in der Größenordnung von 3000 Betriebsstunden oder mindestens ein längeres Wartungsintervall akzeptiert werden. Bei den üblichen Einsatzfällen von hitzebeständigen Materialien wird i.a. eine bestimmte Zunderbeständigkeit gefordert, genauer eine bestimmte Rate, mit der die Zunderschicht nachgebildet wird. In diesem überschaubaren Anwendungsfall handelt es sich häufig um parabolische Wachstumsgesetze, die durch die Diffusionsprozesse in der Zunderschicht bestimmt sind Solange von der Matrix genügend Oxidbildner nachdiffundieren können, darf man während einer abschätzbaren Einsatzdauer von einer stabilen Situation bezüglich des Oxidations- und/oder auch des Aufkohlungsverhaltens ausgehen.

Aus den dargelegten Aspekten ergeben sich konkret folgende Forderungen an das Bauteil RAF:

  • Bereitstellung eines Filters, das die Grundforderung guter Siebwirkung erfüllt,
  • technologisch praktikable und wirtschaftlich machbare Herstellung aufweist,
  • eine befriedigende Lebensdauer durch hinreichende Beständigkeit gegen alle bestimmend zu erwartenden chemisch-korrosiven sowie thermischen Einflüsse besitzt, und
  • in der Lage ist, überlagerte mechanische Betriebsbeanspruchungen auszuhalten.

Die einzelnen Effekte sind allein genommen schon schwer zahlenmäßig erfaßbar, weswegen ein Ziel dieser Diplomarbeit darin liegt, das Einsatzumfeld zu erschließen. Durch geeignete Untersuchungsmethoden soll die Bedeutung dieser Parameter ermittelt und gegebenenfalls gewichtet werden. Darauf basierend wäre es wünschenswert, geeignete, möglichst einfache Vergleichsmethoden zu entwickeln, um geeignet erscheinende Werkstoffe ohne großen Aufwand miteinander zu vergleichen.