Pumpen richtig auslasten und Partikelfilter regenerieren

Moderne Dieselmotoren, die zum Beispiel große Entwässerungspumpen auf Baustellen antreiben, sind mit Dieselpartikelfiltern ausgestattet. Damit deren Filterfunktion dauerhaft sichergestellt bleibt, müssen die angesammelten Partikel regelmäßig bei sehr hohen Temperaturen abgebrannt werden. Dieses Vorgehen ist die Regeneration des Dieselpartikelfilters.

Dafür sollten Betreiber auf eine möglichst gute Auslastung des Dieselmotors achten. Andernfalls setzt sich der Filter schneller zu, was die Standzeit der Pumpe auf der Baustelle verkürzen kann. Um das zu verhindern, sollte die Pumpe nicht zu groß sein und immer in der Nähe des optimalen Betriebspunkts arbeiten.

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich im Bereich der Dieselmotoren und deren Anwendungen viel verändert. Vor 15 Jahren war ein 8-Zylinder-Motor noch relativ „gutmütig“: Ihm – und den Anwendern – war es nicht so wichtig, ob zum Beispiel die vom Motor angetriebene Pumpe zu groß oder zu klein für den geplanten Einsatz war: Probleme mit Abgasen gab es nicht. Heute stehen dagegen Effizienz und die Einhaltung von Emissionsvorschriften im Fokus: Dieselmotoren stellen inzwischen das limitierende Bauteil in einem Pumpenaggregat oder auch einem Stromerzeuger dar. Mehr noch als andere Verbrennermotoren müssen sie optimal auf die von ihnen angetriebenen Aggregate und die konkrete Anwendung abgestimmt sein, damit die Auslastung der Pumpe ideal zum Einsatz passt.

Bei Entwässerungspumpen, die auf Baustellen eingesetzt werden, stellt sich das oft schwierig dar. Im Alltag führt dies ganz konkret dazu, dass sich die eingebauten Dieselpartikelfilter (DPF) sehr schnell zusetzen und die Standzeit der Pumpe leidet. Es ist daher wirtschaftlich von großer Bedeutung, Baustellenpumpen am jeweils optimalen Betriebspunkt zu betreiben.

Dieser lässt sich zum Beispiel bei Tauchpumpen mit starren Pumpenkennlinien (die die Förderhöhe zur Fördermenge in Beziehung setzen) durch deren Schnittpunkt mit der Systemkennlinie bestimmen. Die Systemkennlinie ergibt sich aus Länge und Durchmesser der Förderleitung sowie der zu überwindenden Höhe. Für einen effizienten und langlebigen Betrieb der Pumpe sollte der Schnittpunkt der beiden Kennlinien jeweils im mittleren Drittel liegen. Der optimale Betriebspunkt hängt von der (maximalen) Pumpenleistung und der tatsächlichen Motorenbelastung ab. Diese kann sehr stark schwanken, wenn der Zufluss des Fördermediums in Menge und Zeit variiert. Der ideale Betriebspunkt ist dann oft nicht leicht zu treffen.

Eine drehzahlgeregelte Dieselpumpe dagegen arbeitet nicht mit einem festen Betriebspunkt, sondern in einem Kennlinienfeld, das sich aus Drehzahl, Motorleistung und Fördermenge ergibt. In der Praxis kann dies dazu führen, dass eine zunächst passend erscheinende Pumpe unter dem Aspekt der Effizienz deutlich zu groß ausfällt, weil sie mit zu niedriger Auslastung betrieben wird. Zusätzliche Faktoren wie Schwimmerbetrieb oder schwankende Zulaufmengen, die beide mit häufigen Starts und Stopps einhergehen, verhindern einen Dauerbetrieb; der wäre aber vor dem Hintergrund der heute in den meisten Dieselmotoren erforderlichen Abgasreinigung wünschenswert.

Dieselpartikelfilter bestehen aus einem Keramikbauteil, das in eine Metallhülle integriert ist. Das Keramikelement ist porös, hat eine wabenförmige Struktur und zahlreiche Kanäle, die abwechselnd vorne oder hinten verschlossen sind. Daraus ergibt sich eine Zwangsführung der Abgase, die durch die porösen Wände strömen müssen. Während Gase problemlos passieren können, bleiben die Rußpartikel in den Poren haften.

Damit die Filterfunktion dauerhaft sichergestellt bleibt, muss der angesammelte Ruß regelmäßig entfernt werden. Das heißt, Sie müssen den Dieselpartikelfilter regenerieren. Dieser Vorgang wird durch verschiedene Arten der Regeneration der Partikelfilter realisiert, bei denen die Partikel bei sehr hohen Temperaturen verbrannt werden. Man unterscheidet passive, aktive und erzwungene Regeneration: Bei der passiven Regeneration erfolgt die Reinigung automatisch durch das Erreichen der richtigen Betriebstemperaturen. Bei der aktiven Regeneration muss zusätzlich Kraftstoff eingespritzt werden, um die nötige Temperatur zu erreichen. Die erzwungene Regeneration wird manuell mit professionellem Gerät in einer Servicestation durchgeführt.

Schauen wir uns die Regenerationsprozesse genauer an. Erstens die passive Regeneration. Sie ist die häufigste Methode und läuft unbemerkt automatisch ab, ohne Eingreifen des Bedieners. Der Ruß verbrennt bei Betriebstemperaturen von über 550 Grad Celsius. Voraussetzung für eine erfolgreiche passive Regeneration ist, dass der Motor unter ausreichend hoher Last läuft und die benötigten Temperaturen erreicht. Ein Dieselmotor, der effizient arbeitet und eine konstante Betriebstemperatur hält, leitet die Regeneration in regelmäßigen Abständen von selbst ein.

Anders liegt der Fall zum Beispiel bei einem Paketzustellfahrzeug, das alle paar Sekunden bis Minuten an- und ausgeschaltet wird: Dessen Motor erreicht nie die nötige Betriebstemperatur. Die Folge: Der Ruß sammelt sich im Filter an und kann nicht mehr abgebrannt werden. Um diese Probleme zu vermeiden, muss das Fahrzeug regelmäßig eine gewisse Strecke auf der Autobahn zurücklegen, damit der Motor auf Temperatur kommt. Gelingt das nicht, verschmutzt der Filter schneller und es wird häufiger eine aktive oder erzwungene Regeneration nötig.

Eine gleiche Problematik tritt bei Pumpen, Kompressoren oder Stromerzeugern mit Dieselmotoren auf, die für hohe Leistungen und Auslastungen ausgelegt sind, aber bei sehr niedriger Leistung oder unter stark schwankenden Bedingungen betrieben werden.

Wenn die passive Regeneration nicht ausreicht und der Versottungsgrad des Filters einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, leitet das Steuergerät des Motors eine aktive Regeneration ein. Um die nötige Temperatur für die Verbrennung des Rußes zu erreichen, wird zusätzlich Kraftstoff in den Abgastrakt des Motors eingespritzt. Bei dessen Verbrennung steigt die Abgastemperatur auf über 600 Grad Celsius an.

Die Maschinensteuerung informiert den Bediener über die Regeneration, damit er den Motor weiter unter Last betreibt und der Regenerationsprozess nicht unterbrochen wird. Sonst setzt sich der Filter weiter zu, was in einen noch teureren und aufwendigeren Reinigungsprozess münden kann.

Dies wäre dann die dritte, allerdings weniger häufig anzutreffende Variante der Filterreinigung: die erzwungene Regeneration. Sie wird in der Regel in einer Servicestation durchgeführt. Dieser Prozess wird notwendig, wenn sowohl die passive als auch die aktive Regeneration nicht ausgereicht haben und der Filter so stark zugesetzt ist, dass eine manuelle Intervention erforderlich ist. Bei der erzwungenen Regeneration wird der Filter bei extrem hohen Temperaturen maschinell „freigebrannt“, um auch die hartnäckigsten Ablagerungen zu entfernen.

Ein solcher Eingriff ist mit Kosten und Zeitaufwand verbunden, da das Fahrzeug oder die Maschine außer Betrieb genommen werden muss. Zudem kann sich der Filter mit der Zeit mit Asche zusetzen, die auch durch Regeneration nicht entfernt werden kann. In diesem Fall muss der Filter nach etwa 6.000 Betriebsstunden gereinigt oder ausgetauscht werden.

Die Häufigkeit und Effizienz der Regeneration der Pumpe hängen maßgeblich von der Last und der Auslastung und des Motors ab. Ein Motor, der regelmäßig unter Last betrieben wird, muss seltener aktiv regeneriert werden, da die passiven Prozesse ausreichen. Im Gegensatz dazu führen häufige Starts und Stopps oder der Betrieb mit geringer Last dazu, dass der Filter sich schneller zusetzt und öfters aktiv regeneriert werden muss.

Dies trifft in der Praxis leider besonders häufig auf Baustellenpumpen zu, vor allem, wenn sie einen unregelmäßigen Zulauf haben und nur in kurzen Intervallen betrieben werden. Hier kann es schnell zu kritischen Versottungsgraden kommen. Sollte der Filter zu stark verschmutzt sein, wird die Pumpenleistung übrigens von der Motorsteuerung automatisch gedrosselt. Damit kann die Baustelle nicht mehr so schnell entwässert werden wie geplant; außerdem wird die aktive Regeneration früher erforderlich.

Die Wahl der richtigen Pumpe ist entscheidend. Nehmen wir an, eine Baustelle wird mit einer PAS 200 HF von Atlas Copco mit 65 kW Maximalleistung entwässert. Sie erfüllte ihren Zweck, wäre aber für die Anwendung überdimensioniert. Sie wäre vielleicht nur zu 30 % ausgelastet, wodurch der Partikelfilter schnell verschmutzte. Im Gegensatz dazu liefe die kleinere PAS 150 MF mit 29 kW bei einer Auslastung von 50 bis 60 % und erreichte somit die Temperaturen, die für eine automatische Filterregeneration notwendig sind.

Ergo: Man wähle den Motor immer so klein wie möglich, aber groß genug für die jeweilige Anwendung. Nur so wird sichergestellt, dass der Filter seine Regeneration regelmäßig und effizient durchführen kann. 

Um eine möglichst lange Betriebszeit des Dieselaggregats sicherzustellen, sollten Sie folgende Punkte beachten:

1. Wählen Sie die für den jeweiligen Einsatz geeignete Pumpe und lassen Sie sich am besten von Ihrem Anbieter beraten. Achten Sie auf eine geeignete Ausschreibung.
2. Minimieren Sie die Anzahl der Starts und Stopps auf der Baustelle.
3. Halten Sie die Wartungsintervalle ein, insbesondere von Luftfiltern.
4. Stellen Sie sicher, dass der Motor während der (aktiven) Regeneration weiterläuft und die Hinweise des Displays berücksichtigt werden.
5. Für Vermieter: Achten Sie darauf, dass Sie nur bereits regenerierte Pumpen ausliefern, um Unmut bei Ihren Kunden zu verhindern.

Moderne Telematiksysteme, wie zum Beispiel die Software FleetLink von Atlas Copco, ermöglichen es Betreibern, die Betriebsdaten der Baustellenausrüstung – wie Pumpen, Kompressoren, Stromerzeuger oder Energiespeicher – in Echtzeit zu überwachen und Wartungen oder Regenerationszyklen effizienter zu planen. FleetLink zeigt zum Beispiel die Pumpenleistung oder den Versottungsgrad des Dieselpartikelfilters an. Die Software hilft außerdem, die Auslastung der Pumpe über eine Zeitspanne zu kontrollieren und somit den Zeitpunkt für notwendige Regenerationen vorherzusagen. Besonders für Vermieter ist FleetLink nützlich, da sie den Zustand mehrerer Pumpen gleichzeitig im Blick haben können. FleetLink bietet auch einen Alarm-Tracker, der bei Überschreiten eines eingestellten Grenzwertes, wie zum Beispiel dem Versottungsgrad, eine automatische Meldung auf das Handy oder per E-Mail versendet.

Für Betreiber, die sich den Aufwand mit Dieselpartikelfiltern ersparen möchten, bietet Atlas Copco alternativ auch elektrische Pumpen an. Diese benötigen jedoch einen Stromanschluss. Sollte dieser auf der Baustelle nicht vorhanden sein, muss er über einen Stromerzeuger bereitgestellt werden. Auch hierfür hält Atlas Copco passende Lösungen bereit. Wenn Sie daran Interesse haben oder noch nicht genau wissen, ob sich für Ihre Einsatzzwecke eine Elektro- oder eine Dieselpumpe besser eignet, haben wir einen Leitfaden zur Entscheidungsfindung formuliert.