Die Effizienz von KFZ-Innenraum- filtern bei zunehmender Beladung

Schwerpunktthemen
Die Efﬁzienz von KFZ-Innenraumﬁltern bei zunehmender Beladung
mit Außenluft
Teil 2: Ermittlung der Leistungsdaten bei der
Reinigung der Gasphase
F. Schmidt*, U. Sager**, S. Suhartiningsih***
1. Einleitung und
Versuchsdurchführung
Zunehmend werden in Kraftfahrzeugen
Kombiﬁlter (Partikelﬁlter mit einer dünnen
zusätzlichen Aktivkohleschicht) verwendet, die verhindern sollen, dass Partikel
oder auch Schadgase in den Innenraum
gelangen. Getestet werden die adsorptiven Leistungsdaten der Filter gemäß ISO
11155 Blatt 2 (Anmerkung: Die DIN
71460- 2 entspricht dieser ISO und wurde
zurückgezogen) bei einer Temperatur von
23°C und einer relativen Feuchte von
50 %. Als Ergebnis ergeben sich Durchbruchskurven für das jeweilige Schadgas
sowie die daraus berechnete adsorbierte
Masse als ein Maß für die Kapazität der
Aktivkohle.
* Prof. Dr.- Ing. Frank Schmidt
Universität Duisburg-Essen
Fachbereich Ingenieurwissenschaften
Institut für Verbrennung und Gasdynamik – IVG
Nanopartikel-Prozesstechnik (NPPT)
Lotharstr. 1, MF 148
47057 Duisburg
Tel./Fax: 0203 - 379 2780/4453
E-Mail: [email protected]
** Dr. U. Sager
IUTA e. V.; Duisburg
*** M. Sc. S. Suhartiningsih
Lehrstuhl Nanopartikel- Prozesstechnik;
Universität Duisburg- Essen
Im Rahmen dieser Studie wurde die
Leistungsfähigkeit von typgleichen neuen,
in Fahrzeugen gebrauchten und künstlich mit Außenluft gealterten KFZ-Innenraumﬁltern hinsichtlich der adsorptiven
Abscheidung von n-Butan (8 ppm), Toluol
(80 ppm) und Stickstoffdioxid (NO2) (4
ppm) untersucht und miteinander verglichen. Die Ergebnisse sollten zunächst Aufschluss darüber geben, in welchem Maße
die Adsorptionskapazität der Kfz-Innenraumﬁlter durch die Nutzung über die
Lebensdauer abnimmt. Darüber hinaus
sollte untersucht werden, inwieweit es
möglich ist, den natürlichen Alterungsprozess durch eine kontinuierlich hohe
Durchströmung mit Außenluft in einem
wesentlich kürzeren Zeitintervall zu erzielen und so eine Möglichkeit zu erlangen,
die Leistungsfähigkeit der Filter am Ende
der Lebensdauer abschätzen und miteinander vergleichen zu können.
Die Filtertests nach Norm wurden
an dem Filterprüfstand der Universität
Duisburg-Essen durchgeführt (s. Abb. 1).
Vor und hinter dem Filter erfolgte eine
Probenahme; die Konzentrationen der
Kohlenwasserstoffe wurden jeweils mit
Flammenionisationsdetektoren (FID;
Bernath Atomic, Typ 3002 RC) und
Abb. 1: Filterprüfstand zur Durchführung von Adsorptionstests
nach ISO 11155-2
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die der Stickoxide mit zwei Chemilumineszenzanalysatoren (Ansyco, Typ
AC31M, Karlsruhe) gemessen.
Die gebrauchten Filter waren 1-2 Jahre
im Realbetrieb in Fahrzeugen eingebaut
und wurden von Vertragswerkstätten bezogen, in denen sie im Rahmen von Inspektionen ausgewechselt worden waren.
Die künstliche Alterung der Filter mit
Außenluft erfolgte in dem bereits in Teil
1 beschriebenen Prüfstand am IUTA.
Zunächst wurden die Filter mit 200 m3/h
für Zeiträume von drei Tagen (3T) oder
1 bis 4 Wochen (W) gealtert. Für einen
weiteren Test wurden Filter zwei Wochen
mit 600 m3/h durchströmt.
2. Experimentelle Ergebnisse
Die Messergebnisse der Filtertests
wurden ausgewertet und jeweils als
Durchbruchskurven in Abhängigkeit von
der Versuchszeit dargestellt. Aufgetragen
wurde die hinter dem Filter gemessene Konzentration der Testsubstanz bezogen auf die Eingangskonzentration als
Funktion der Zeit. Die Versuche wurden
entweder bis zum 100 %-tigen Durchbruch
oder bis zu einer Versuchszeit von 90
Minuten durchgeführt.
Abb. 2: Vergleich der Durchbruchskurven von n-Butan für neue, gebrauchte
und mit Außenluft gealterte Filter (23 °C, 50 % r.F., c1Butan = 8 ppm)
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Schwerpunktthemen
Abb. 3: Vergleich der Durchbruchskurven von Toluol durch neue,
gebrauchte und mit Außenluft gealterte Filter (23 °C, 50 % r.F.,
c1Toluol = 80 ppm)
Abb. 2 zeigt die Durchbruchskurven von n-Butan durch Filter
verschiedenen Zustandes. Erwartungsgemäß erfolgt der 100%tige Durchbruch bei den im Realbetrieb gealterten Filter deutlich
schneller als bei neuen. Die Adsorptionskapazität für n-Butan ist
fast gänzlich erschöpft und die gebrauchten Filter weisen bereits
nach zwei Minuten Versuchszeit einen vollständigen Durchbruch
auf. Die im Außenluftprüfstand künstlich gealterten Filter zeigen unabhängig von der Beladungszeit einen recht ähnlichen
Kurvenverlauf. Die Durchbruchskurven der künstlich gealterten
Filter liegen zwischen denen, die an neuen und an gebrauchten
Filtern gemessen wurden.
Bei gleicher Vorgehensweise sind in Abb. 3 die Durchbrüche
für das Testgas Toluol dargestellt. Die Kapazität der Aktivkohle
für Toluol ist um den Faktor 4 höher als für n-Butan. Die
Unterschiede zwischen den Durchbruchskurven von verschiedenen neuen Filtern werden auf unterschiedliche Produktchargen
oder Unterschiede bei der Lagerung zurückgeführt. Während die
Durchbruchskurven von Toluol an neuen Kfz-Innenraumﬁltern
einen für den Prozess günstigen s-förmigen Verlauf aufweisen,
zeigen die von gebrauchten und künstlich gealterten Filtern bereits
zu Beginn der Versuche deutlich höhere Durchbrüche. Nach 90
Versuchsminuten waren bei einem Eingangsvolumenanteil von
80 ppm Toluol die Kapazitäten aller Filter quasi erschöpft.
In einer weiteren Versuchsreihe mit den Testsubstanzen
n-Butan und Toluol wurde untersucht, welchen Einﬂuss die
Partikelfracht in der Außenluft auf die Alterung der Filter und
auf die Adsorptionseigenschaften hat. Hierzu wurden weitere
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Abb. 4.: Vergleich der Durchbruchskurven von n-Butan (Test: 23 °C,
50 % r.F., c1Butan = 8 ppm, Alterung: 1 Woche bei 200 m3/h)
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typgleiche Filter mit Außenluft durchströmt, aus der mit einem HEPA-Vorﬁlter
die Partikel weitgehend entfernt wurden.
Der Vergleich der Durchbruchskurven
von n-Butan oder Toluol durch Filter, die
mit normaler Außenluft gealtert wurden,
mit denen durch Filter, die mit partikelreduzierter Außenluft gealtert wurden,
zeigt jedoch keinen Unterschied beim
Durchbruchsverhalten (Abb. 4 und Abb. 5).
Abb. 5: Vergleich der Durchbruchskurven von Toluol (Test: 23 °C, 50 % r.F., c1Toluol = 80 ppm,
Alterung: 4 Wochen bei 200 m3/h)
Die abgeschiedenen Partikel der Außenluft
haben das Adsorptionsvermögen nicht
wesentlich beeinﬂusst, und eine mögliche Verstopfung der Zuleitungsporen hat
scheinbar nicht stattgefunden.
Die Ergebnisse der Testreihe mit NO2
als Testsubstanz sind in Abb. 6 dargestellt.
Der Vergleich der Durchbruchskurven der
im Außenluftprüfkanal gealterten Filter
mit denen von neuen und gebrauchten
Filtern zeigt, dass der Durchbruch von
NO2 durch gealterte Filter schneller erfolgt als durch neue Filter. Der Einﬂuss
der Alterungsdauer mit Außenluft ist erkennbar. Der Leistungsabfall durch den
normalen Gebrauch der Filter ist erneut
größer als bei künstlicher Alterung mit
Außenluft. Ein weiteres Ergebnis dieser
Testreihe ist folgendes. Bei der Adsorption
von NO2 an Aktivkohle entsteht generell durch katalytische Reduktion Stickstoffmonoxid (NO). Obwohl bei den
beschriebenen Versuchen nur NO2 als
Testsubstanz dosiert wurde, konnten hinter den verschiedenen Filtern deutliche
Volumenanteile von NO gemessen werden. In Abb. 7 sind die während der
Durchbruchsversuche mit NO2 hinter
den verschiedenen Filtern gemessenen
Volumenanteile von NO dargestellt. Es
wird deutlich, dass neue Filter deutlich
höhere Volumenanteile von katalytisch
gebildetem NO aufweisen als die gealterten oder gebrauchten.
3. Fazit
Abb. 6: Vergleich der Durchbruchskurven von NO2: Neue, gebrauchte und mit Außenluft
gealterte Filter (23 °C, 50 % r.F., c1NO2 = 4 ppm)
Im Rahmen dieser Studie wurde das
Durchbruchsverhalten der Prüfgase n-Butan, Toluol und NO2 an neuen, gebrauchten und künstlich gealterten Kombiﬁltern
für die Kfz-Innenraumﬁltration untersucht. Die erhebliche Reduzierung der
Adsorptionskapazität von gebrauchten
gegenüber neuen Kfz-Innenraumﬁltern
wurde verdeutlicht. Im Falle des Prüfgases NO2 wurde zusätzlich gezeigt,
dass es durch den Gebrauch oder die
Alterung zu einer Abnahme des katalytischen Umsatzes von NO2 zu NO kommt.
Für alle Testsubstanzen konnte mit einer
künstlichen Alterung durch Außenluft die
Alterung im Realbetrieb nur näherungsweise simuliert werden. Bei Versuchen
mit Toluol und n-Butan wurde ermittelt,
dass die Partikelfracht in der zur Alterung
verwendeten Außenluft keinen Einﬂuss
auf das Alterungsergebnis hat.
Abb. 7: Vergleich der NO- Produktion: Neue, gebrauchte und mit Außenluft gealterte
Kfz-Innenraumﬁlter (23 °C, 50 % r.F., c1NO2 = 4 ppm)
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