2 Problemstellung

Inhaltsverzeichnis

 

Auf alle Arten von Abgasfiltern wirkt eine Vielzahl thermischer, mechanischer und chemischer Beanspruchungen ein, die von der Bauart des Fahrzeuges, ihrem Gebrauchszustand und ihren Betriebsbedingungen abhängen.

Das in dieser Arbeit untersuchte metallische Pkw-Rußfilter wiegt etwa 5 kg und ist ungefähr 15 * 15 * 30 cm groß. Im Ganzen gesehen stellt das Filter einen Verbundkörper aus einem Stapel von fünfzig paarweise miteinander verschweißten Filterplatten mit etwa 12 * 25 cm Kantenlänge dar. Die Auslegungskenngröße der geometrischen Oberfläche (bzw. der volumen- oder massenbezogenen Oberfläche) eines Abgasfilters beträgt damit 1.5 m2. Die Filterplatten bestehen aus einem metallischen Draht-(Stütz-)Gewebe mit darauf angesintertem Metallpulver [7, 8]. Diese Materialkombination wird in der vorliegenden Arbeit als „Filtergewebe“ bezeichnet. Dessen genauer Aufbau wird später erläutert.

Das Rußfilter hat die Aufgabe, die im Abgas vorhandenen Rußpartikel mit durchschnittlich l0 µm Größe möglichst vollständig zu sammeln, um sie dann bei bestimmten Betriebszuständen spontan zu verbrennen. Da diese sogenannten „Abbrände“ den mit wachsender Rußmenge steigenden Druckabfall abbauen (Begriffe: Deutsche Industrie Norm DIN 71450) [9], bleibt das Filter lange einsatzfähig. Bei den Abbränden kommt es lokal zu instationären Aufheizungen und neben intensiven chemisch-korrosiven Einwirkungen zu hohen Materialbeanspruchungen durch thermisch verursachte mechanische Kräfte. Die gleichzeitige Einwirkung und der häufige Wechsel mechanischer, thermischer und chemischer Beanspruchungen sind typisch für die hier zu betrachtenden Betriebsbedingungen eines PKW-Rußfilters [10], (Abb. 2.1).

mechanische Beanspruchung
mechano-thermische Beanspr. mechano-chemische Beanspr.
thermische Beanspruchung chemo-thermische Beanspruchung chemische Beanspruchung

Abb. 2.1: Äußeres Betriebsumfeld eines Rußfilters.

Im Zentrum des Interesses steht einerseits die Aufgabe des Rußfilters, möglichst vollständig und dauerhaft sehr kleine Teilchen aus dem Abgas zurückzuhalten. Zudem soll sein Rußpartikel-Speichervermögen möglichst groß sein. Die deshalb erforderliche strukturelle Verfeinerung des Filtergewebes bedingt kleine Werkstoffquerschnitte, die jedoch in besonderem Maße Einsatzdauer-Begrenzungen unterliegen, wenn sie korrosiv beaufschlagt werden [11]. Deshalb würde man üblicherweise die Querschnitte vergrößern. Wie gerade gezeigt, ist aber unter Aufrechterhaltung der Filterfunktion -die kleine Querschnitte bedingt- eine wesentliche Gebrauchsdauer-Verlängerung nur mit einer Verbesserung der Korrosionseigenschaften des Filtermaterials zu erzielen.

Im Zuge der vorauslaufenden Entwicklung hat man ausgiebige Erfahrungen mit einem speziellen metallischen Rußfiltertyp gesammelt. Demnach treten unter besonderen und teilweise bewußt verschärften Bedingungen Anschmelzungen des Filtergewebes und Rißbildungen an den Filtergewebe-Verbindungen auf, deren Mechanismen bislang nicht völlig verstanden wurden. Da das Abgas nach Bildung eines größeren Risses oder ähnlich grundlegender Schäden nahezu ungefiltert ausströmen kann, ist in einem solchen Fall die Partikelfilterung gefährdet und der Einsatzzweck des Partikelfilters verfehlt.

Aus Anwendersicht muß deshalb die Widerstandsfähigkeit des Rußfilters gegenüber den auftretenden Beanspruchungen erhöht werden, damit die bestimmungsgemäße Nutzung (Partikelfilterung) möglichst lange erhalten bleibt. Die Nutzungsdauer sollte bei einem Rußfilter mit circa 3000 Betriebsstunden die Größenordnung der Motor-Lebensdauer erreichen. Wegen der Komplexität der oben angedeuteten Parameter und ihrer gegenseitigen Abhängigkeiten konnte angesichts der genannten Forderungen bisher noch keine umfassend zufriedenstellende Lösung gefunden werden.

Mit werkstofflichen Überlegungen soll diese Rußfilterbauart weiterentwickelt und mit einem besseren Verständnis der Versagensursachen Wege zu deren Vermeidung aufgezeigt werden. Es kommt dabei insbesondere auf einen größeren Oxidationswiderstand des Rußfilterwerkstoffs [12], eine große Hochtemperatur-Zugfestigkeit und eine hohe Schmelztemperatur an. Hierfür müssen in größerem Maße als bisher geeignete Versuchsdaten, wie z.B. die der Maximaltemperaturen oder Temperaturgradienten ermittelt werden.

Die genannten Fakten implizieren eine ganze Reihe von Anforderungen an einen metallischen Rußfilterwerkstoff, die in Tab. 2.1 angeführt sind.

Tab. 2.1: Anforderungsprofil an den Werkstoff eines metallischen Rußfilters.

Forderungen Gründe
Herstellung
Gute Kaltumformbarkeit Drahtziehung
Pulverherstellung Leichte Verdüsbarkeit
Pulverbelegung Einfache Sinterfähigkeit
Verbindungschweißnähte Gute Schweißbarkeit
Einsatzverhalten
Kompatibilität Werkstoff Medium Hoher Oxidationswiderstand
Deckschicht-Haftung Resistente und schützende Oxidschicht
Thermische Stabilität Hoher Schmelzpunkt des Werkstoffes
Festigkeit Minimalforderung
Gefügestabilität Gefügestabiler Werkstoff
Wirtschaftlichkeit
Werkstoffgrundpreis Geringe Werkstoffkosten
Herstellungsprozeß Niedere Fertigungskosten
Lebensdauer Hohe Wirtschaftlichkeit

Im Rahmen dieser Arbeit wird auf alle wichtigen werkstofflich relevanten Fragestellungen eingegangen. Im Gegensatz zu üblichen Anwendungsfällen metallischer Werkstoffe ist eine im Verhältnis zur Filtermasse vielfach größere (innere) Oberfläche gegeben. Schon deshalb kommt der Schutzfunktion der Oxidschicht eine besondere Bedeutung zu.