Durchblick im Partikelfilter
Rußverteilung in Filtern von Dieselautos mit Neutronentomographie erstmals sichtbar gemacht.
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, bis nach etwa 180.000 Kilometern der Filter voll ist und ausgetauscht werden muss.
Abb.: Christian Grünzweig setzt einen Dieselpartikelfilter an der ICON-Strahlline der Neutronenspallationsquelle am PSI ein. (Bild: PSI)
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.
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.“
Abb.: Der Stahlmantel ist kein Hindernis für Neutronen und erlaubt einen Einblick in den beladenen Filter. Zu erkennen ist auch die zusätzlich angebrachte Abdeckung an der Einlassseite, welche Bereiche des Monolithen während der Beladung schützt (a). Die Rasterelektronenmikroskopieaufnahme zeigt eine Russschicht mit einer Dicke von 0,25 mm an der Filterwand (b; Bild: PSI)
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.
Abb.: Hochauflösende Neutronentomografie - (a) Foto der zurechtgeschnittenen Probe. Helle Ablagerungen sind Ascherückstände, schwarze Ablagerungen rühren von der Russbeladung her. (b) 3-D-Darstellung. (c) Segmentierung der einzelnen Bestandteile der Probe. (Bild: PSI)
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 und Ingenieurinnen 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 wäre weniger oft kostspielig zu ersetzen.
PSI / OD
