DE102006032886A1

DE102006032886A1 - Partikelabscheider und Verfahren zur Regeneration eines Partikelabscheiders

Info

Publication number: DE102006032886A1
Application number: DE200610032886
Authority: DE
Inventors: Clemens Dipl.-Ing. Brinkmeier; Christof Dr.-Ing. Schön; Guido Dipl.-Ing. Vent
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-07-15
Filing date: 2006-07-15
Publication date: 2008-01-17
Also published as: WO2008009346A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Partikelabscheider (13) mit einer Funktionsmaterial-Beschichtung sowie ein Verfahren zur Regeneration eines solchen Partikelabscheiders (13). Gemäß der Erfindung kann das Funktionsmaterial in einer exothermen Reaktion von einer ersten Modifikation in eine zweite Modifikation übergehen, derart, dass, ausgehend von einer unterhalb der Rußzündtemperatur (TZ) leigenden Regenerations-Starttemeperatur, durch einen Modifikationsübergang des Funktionsmaterials wenigstens lokal eine Überschreitung der Rußzündtemperatur (TZ) erfolgt, so dass ein Abbrennen von abgeschiedenen Rußpartikeln ermöglicht ist; für das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen, dass im Anschluss einer Aufheizung des Partikelabscheiders (13) auf die vorgegebene Regenerations-Starttemperatur eine Änderung der Zusammensetzung von dem Partikelabscheider zugeführten Abgas derart vorgenommen wird, dass das Funktionsmaterial unter Freisetzung von Wärmeenergie wenigstens teilweise von einer ersten Modifikation in eine zweite Modifikation übergeht und dabei die Temepratur wenigstens in einem mit der Beschichtung mit dem Funktionsmaterial versehenen Bereich über die Rußzündtemperatur (TZ) angehoben wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Partikelabscheider zur Abscheidung von im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Rußpartikeln, welcher auf von zur Abscheidung der Rußpartikel vorgesehenen Oberflächen eine Beschichtung mit einem Funktionsmaterial aufweist sowie eine Verfahren zur Regeneration eines solchen Partikelabscheiders nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Es ist bekannt, im Abgas von Brennkraftmaschinen enthaltene Partikel mittels eines Partikelabscheiders abzuscheiden. Die überwiegend in Form von Ruß vorliegenden Partikel häufen sich dabei an, was die Funktion des Partikelabscheiders mit der Zeit beeinträchtigt. Aus diesem Grund wird üblicherweise von Zeit zu Zeit eine Regeneration des Partikelabscheiders durch Abbrennen der abgeschiedenen Rußpartikel durchgeführt. Eine Schwierigkeit besteht dabei darin, die zum Abbrennen der Rußpartikel benötigte erhöhte Temperatur einzustellen. Um den damit verbundenen Aufwand zu vermindern, ist es bekannt, die Abbrenntemperatur mittels eines dem Abgas zugefügten katalytisch wirksamen Additivs oder mittels einer katalytischen Beschichtung für den Partikelabscheider zu vermindern. Entsprechende Verfahren sind beispielsweise in den Offenlegungsschriften EP 0 334 248 A1 bzw. DE 100 48 511 A1 offenbart.
Die Einstellung einer für ein Zünden des Rußabbrands erforderlichen so genannten Rußzündtemperatur ist jedoch schwierig und es besteht insbesondere bei zu starker Aufheizung die Gefahr eines infolge der katalytischen Unterstützung des Rußabbrands unkontrollierbaren Abbrennverlaufs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Partikelabscheider und ein Regenerationsverfahren für einen Partikelabscheider anzugeben, mit welchen ein verbesserter Regenerationsablauf ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Partikelabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Regenerationsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Der erfindungsgemäße Partikelabscheider weist auf von zur Abscheidung der Rußpartikel vorgesehenen Oberflächen eine Beschichtung mit einem Funktionsmaterial auf. Das Funktionsmaterial ist dabei in der Lage, in einer exothermen Reaktion von einer ersten Modifikation in eine zweite Modifikation überzugehen, derart, dass bei einer vorgegebenen Regenerations-Starttemperatur, welche unterhalb einer zum Abbrennen der abgeschiedenen Rußpartikel erforderlichen Rußzündtemperatur liegt, durch einen Modifikationsübergang des Funktionsmaterials wenigstens lokal eine Überschreitung der Russzündtemperatur erfolgt, so dass ein Abbrennen von abgeschiedenen Rußpartikeln ermöglicht ist. Das für ein Einsetzen des Rußabbrands entscheidende Erreichen bzw. Überschreiten der Rußzündtemperatur wird demnach direkt auf der Oberfläche des Partikelfilters infolge des Modifikationsübergangs des Funktionsmaterials bewirkt. Die beim Modifikationsübergang frei werdende Umwandlungswärme bzw. Reaktionswärme wirkt direkt und unmittelbar auf den abgelagerten Ruß ein und reicht aus, um diesen über die für ein Starten der Abbrennreaktion erforder liche Russzündtemperatur zu erhitzen und ein Abbrennen von abgeschiedenen Rußpartikeln zu ermöglichen. Der Modifikationsübergang braucht dabei nicht notwendigerweise das gesamte Funktionsmaterial zu erfassen, um die Temperatur der Beschichtung wenigstens lokal über die Rußzündtemperatur anzuheben, obschon dies bevorzugt ist. Dabei wird unter der Rußzündtemperatur ein Temperaturwert verstanden, ab welchem ein Rußabbrand starten und ohne weitere Energiezufuhr von außen selbsttätig fortschreiten kann. Die Beschichtung ist vorzugsweise in der Art eines aus der heterogenen Katalyse her bekannten, so genannten Washcoats ausgeführt und weist eine poröse Struktur mit hoher spezifischer Oberfläche auf. Das Funktionsmaterial ist dabei wesentlicher Bestandteil der Beschichtung. Bei dem Modifikationsübergang handelt es sich vorzugsweise um eine exotherm verlaufende Veränderung der chemischen Struktur des Funktionsmaterials.
Infolge eines typischerweise innigen Kontakts zwischen dem Funktionsmaterial und abgeschiedenem Ruß ist die mit dem erfindungsgemäßen Partikelabscheider ermöglichte Wärmeübertragung auf den Ruß im Vergleich zu einer Aufheizung mittels heißer Abgase verbessert und der Regenerationsvorgang kann somit zuverlässiger und effektiver initiiert werden. Der entscheidende Aufheizschritt von einer unterhalb der Rußzündtemperatur liegenden Regenerations-Starttemperatur auf oder über die Rußzündtemperatur erfolgt lokal begrenzt direkt am Ort der Rußablagerung. Der Energieaufwand ist daher einerseits dadurch verringert, dass der Partikelabscheider lediglich auf eine unterhalb der Rußzündtemperatur liegenden Regenerations-Starttemperatur aufgeheizt werden muss. Andererseits kann eine ineffektive Aufheizung von Bauteilen vermieden werden, welche vom Regenerationsvorgang nicht betroffen sind.
Der Partikelabscheider kann prinzipiell als elektrostatischer Abscheider oder als Zyklon ausgebildet sein. Möglich ist auch ein Einsatz eines Tiefenfilters, beispielsweise in Form eines Metall- oder Keramikschaums, ebenso wie ein Einsatz eines Sintermetallfilters oder einer so genannten offenen Filterstruktur. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn in Ausgestaltung der Erfindung der Partikelabscheider als wanddurchströmter Partikelfilterkörper mit einer Vielzahl von langgestreckten Strömungskanälen ausgeführt ist, wobei die von Abgas anströmbaren Wände der Strömungskanäle wenigstens teilweise mit dem Funktionsmaterial beschichtet ausgeführt sind. Beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen kann es vorteilhaft sein, wenn zusätzlich zu den anströmseitigen Wandflächen auch die ausströmseitigen Wandflächen der Strömungskanäle mit dem Funktionsmaterial beschichtet sind. Ein solcher vorzugsweise monolithischer Partikelfilterkörper kann aus hierfür gebräuchlichen Materialien wie beispielsweise Siliziumkarbid, Kordierit oder Aluminiumtitanat gebildet sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschichtung mit dem Funktionsmaterial für alle Strömungskanäle des Partikelfilterkörpers vorgesehen und in Richtung der Längserstreckung des Partikelfilterkörpers auf einen Teilbereich begrenzt. Damit ergibt sich ein scheibenförmiger Bereich des Partikelfilterkörpers, welcher mit der Beschichtung versehen ist. Vorzugsweise beträgt der beschichtete scheibenförmige Bereich lediglich einen kleinen Teil des gesamten Partikelfilterkörpers. Gegenüber einer über die gesamte Längserstreckung vorgesehenen Beschichtung wird durch diese Maßnahme Funktionsmaterial eingespart, wobei eine lokal eng begrenzte Beschichtung durchaus ausreichend sein kann, um den Rußabbrand zu initiieren. Ausgehend von den mit der Beschichtung versehenen Stellen breitet sich der Vorgang des Rußabbrands infolge der damit verbundenen Freisetzung von Verbrennungs wärme aus. Ausgehend von den mit der Beschichtung versehenen Stellen erfasst der Rußabbrand dabei ohne weitere Energiezufuhr von außen fortschreitend den gesamten Partikelabscheider, obschon dieser sich zunächst überwiegend auf einem Temperaturniveau unterhalb der Rußzündtemperatur befunden hat.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschichtung für eine Teilmenge der Strömungskanäle vorgesehen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung für eine Teilmenge der Strömungskanäle vorgesehen ist, welche üblicherweise im Vergleich zu den anderen Strömungskanälen eine erhöhte Temperatur aufweisen. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Beschichtung auf einen mittleren Querschnittsteilbereich des Partikelfilterkörpers begrenzt ist. Auf diese Weise können natürlicherweise vorhandene radiale Temperaturgradienten ausgenutzt werden und die Regenerations-Starttemperatur kann besonders niedrig gewählt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschichtung auf einen einströmseitigen Bereich des Partikelfilterkörpers begrenzt. Dadurch wird ein üblicherweise vorhandener Temperaturgradient in Abgasströmungsrichtung ausgenutzt. Ein durch die erfindungsgemäße Maßnahme im Bereich des Abgaseintritts in den Partikelfilterkörper initiierter Rußabbrand kann von selbst in axialer Richtung ohne weitere Energiezufuhr von außen voranschreiten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Funktionsmaterial eine Sauerstoffspeicherfähigkeit auf und die erste Modifikation ist als eine sauerstoffarme Modifikation und die zweite Modifikation ist als eine sauerstoffreiche Modifikation mit einem gegenüber der ersten Modifikation erhöhten Sauerstoffgehalt ausgebildet. Besonders bevorzugt als Funkti onsmaterialien mit Sauerstoffspeicherfähigkeit sind Oxide der Seltenen Erden wie Ceroxid- und/oder Praseodymoxid-basierte Oxide oder Mischoxide, welche vorzugsweise homogen in der Beschichtung verteilt sind, so dass die Beschichtung insgesamt eine Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist. Bei einem mit der Einspeicherung von Sauerstoff verbundenen Modifikationsübergang mit entsprechender Erhöhung der Oxidationszahl tritt eine vergleichsweise große exotherme Wärmetönung auf, so dass die Regenerations-Starttemperatur besonders niedrig gewählt werden kann. Generell können zusätzlich zu dem Funktionsmaterial oxidationskatalytisch wirkende Metalle, vorzugsweise der Eisen-Platin-Gruppe, insbesondere Kobalt, Nickel, Platin, Rhodium, Osmium, Iridium, Palladium sowie ferner Molybdän, Wolfram und/oder Mangan als Bestandteile der Beschichtung vorgesehen sein. Auf diese Weise wird dem Partikelabscheider eine insbesondere oxidationskatalytische Wirkung vermittelt. Zur Erweiterung des Wirkungsspektrums kann das Funktionsmaterial weitere Bestandteile mit anderen, insbesondere katalytischen und/oder adsorptiven Eigenschaften enthalten. Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Bestandteile wie Vanadium oder Erdalkalimetalle, welche eine Stickoxidreduktion und/oder eine Stickoxidspeicherung unterstützen können, oder Zeolithe, insbesondere solche mit einer Fähigkeit zur Speicherung von Kohlenwasserstoffen. Die genannten Materialien können auch als von dem Funktionsmaterial örtlich getrennte Beschichtungszonen oder zusammen mit dem Funktionsmaterial als geschichtete Beschichtung vorgesehen sein. Auf diese Weise wird ein katalytisch und/oder adsorptiv wirksamer Partikelabscheider erhalten, welcher besonders zuverlässig und schonend regeneriert werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regeneration eines wie geschildert ausgeführten Partikelabscheiders durch Abbrennen von auf oder in dem Partikelabscheider abgeschiede nem Ruß wird zur Einleitung des Abbrennens in einem ersten Verfahrensschritt die Temperatur des Partikelabscheiders auf eine vorgegebene Regenerations-Starttemperatur angehoben, welche unterhalb einer zum Abbrennen der abgeschiedenen Rußpartikel erforderlichen Rußzündtemperatur liegt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird eine Änderung der Zusammensetzung von dem Partikelabscheider zugeführtem Abgas derart vorgenommen, dass das Funktionsmaterial unter Freisetzung von Wärmeenergie wenigstens teilweise von einer ersten Modifikation in eine zweite Modifikation übergeht und dabei die Temperatur wenigstens in einem mit der Beschichtung mit dem Funktionsmaterial versehenen Bereich über die Rußzündtemperatur angehoben wird. Auf diese Weise wird der Energieaufwand zur Aufheizung zum Zwecke der Regeneration klein gehalten. Das Überschreiten der für ein Einsetzen eines Rußabbrands erforderlichen Rußzündtemperatur wird durch den exothermen Modifikationsübergang des Funktionsmaterials erzielt. Dabei wird der Modifikationsübergang seinerseits durch die Änderung der Abgaszusammensetzung erreicht, welche in Ausgestaltung des Verfahrens einen Wechsel von einer reduzierend wirkenden Zusammensetzung zu einer oxidierend wirkenden Zusammensetzung umfasst. Dies erfolgt vorzugsweise bei sich allenfalls in geringem Ausmaß erhöhender Abgastemperatur. Somit wird das vorzugsweise lokal begrenzt erfolgende Anheben des Partikelabscheiders auf oder über die Rußzündtemperatur nicht durch Wärmeeintrag über das Abgas, sondern infolge der mit dem Modifikationswechsel des Funktionsmaterials verbundenen Wärmefreisetzung erreicht. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise lässt sich eine beträchtliche Verringerung des Energiebedarfs sowie des aparativen und verfahrensmäßigen Aufwands zur Einleitung der Regeneration des Partikelabscheiders erzielen.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Änderung der Zusammensetzung des Abgases wenigstens teilweise durch eine Brennkraftmaschinenbetriebsumstellung bewirkt. Die Betriebsumstellung kann durch Änderung eines oder mehrerer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine oder von zugehörigen Bauteilen, welche deren Betrieb beeinflussen, erfolgen. Vorzugsweise umfasst die Brennkraftmaschinenbetriebsumstellung eine Änderung von Luft- und/oder Kraftstoffzufuhrmenge zu den Brennkammern. Ebenfalls möglich ist alternativ oder zusätzlich einer Veränderung von Abgasrückführmenge, Ladedruck, Einspritzzeitpunkt, Ventilsteuerzeiten, saug- und/oder abgasseitiger Androsselung.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Änderung der Zusammensetzung des Abgases wenigstens teilweise durch Einschalten oder Ausschalten einer Zufuhr eines Hilfsstoffes bewirkt, der stromauf des Partikelabscheiders dem Abgas von außen zugeführt werden kann. Beispielsweise wird ein bevorzugt vorgenommener Wechsel von einer wenigstens zeitweise eingestellten reduzierend wirkenden Abgaszusammensetzung zu einer oxidierend wirkenden Abgaszusammensetzung durch Ausschalten einer Brennstoffzufuhr und/oder durch Einschalten einer Sekundärluftzufuhr bewirkt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasanlage umfassend einen Partikelabscheider,
2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Temperaturabhängigkeit der Rußabbrandgeschwindigkeit,
3 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Energieverlaufs bei einer Rußabbrandreaktion,
4 eine erste vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelabscheiders,
5 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelabscheiders,
6 eine dritte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelabscheiders,
7 eine vierte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelabscheiders,
8 eine fünfte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelabscheiders und
9 eine sechste vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelabscheiders.
In 1 ist lediglich schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer einen Partikelabscheider umfassenden Abgasreinigungseinrichtung dargestellt. Gemäß 1 erhält die Brennkraftmaschine 10 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs Verbrennungsluft über eine Ansaugluftleitung 11. Die Verbrennungsabgase werden über eine Abgasleitung 12 abgeführt, in welcher der Partikelabscheider 13 angeordnet ist. In der Abgasleitung 12 sind vorzugsweise weitere Abgasreinigungskomponenten angeordnet, was im Einzelnen nicht dargestellt ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn dem Partikelabscheider 13 ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet und ein SCR-Katalysator nachgeschaltet ist, was eine umfassende Abgasreinigung ermöglicht. Die Brennkraftmaschine 10, nachfolgend kurz Motor genannt, ist vorzugsweise als Dieselmotor ausgebildet. Der Partikelabscheider 13 entfernt beim Betrieb der Brennkraftmaschine 10 partikelförmige Bestandteile aus dem ihm zugeführten Abgas. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Partikelabscheider 13 um einen wanddurchströmten Partikelfilter in Wabenkörperbauform handelt. Infolge der Abscheidung bzw. Ausfilterung von Partikeln bildet sich eine überwiegend aus Rußpartikeln bestehende Beladung des Partikelfilters 13 aus. Hat diese Beladung ein gewisses Ausmaß erreicht, so wird eine Regeneration des Partikelfilters 13 eingeleitet, worauf weiter unten näher eingegangen wird.
Bevorzugt erfolgt laufend oder in kurzen zeitlichen Abständen eine Ermittlung des Beladungszustands des Partikelfilters 13. Vorzugsweise geschieht dies durch Erfassung und Auswertung eines Differenzdrucks über dem Partikelfilter 13, wozu ein erster Drucksensor 14 eingangsseitig und ein zweiter Drucksensor 15 ausgangsseitig des Partikelfilters 13 vorgesehen sind. Weitere, nicht dargestellte Sensoren wie beispielsweise Temperatur- und Abgassensoren sind vorzugsweise zusätzlich zur Überwachung und Steuerung der Abgasreinigungsanlage vorgesehen. Die Signale der Sensoren 14, 15 sowie gegebenenfalls weiterer Sensoren werden über Signalleitungen 16 an ein elektronisches Steuergerät 17 geleitet. Das Steuergerät 17 verfügt über eine Recheneinheit zur Verarbeitung der empfangenen Daten und eine Speichereinheit in welcher Berechnungsroutinen, Daten, Kennlinien und Kennfelder abgelegt sind, mit deren Hilfe die zur Ermittlung des Beladungszustands vorgesehenen Berechnungen durchgeführt werden können. Das elektronische Steuergerät 17 ist ferner in der Lage, in Abhängigkeit der Signale den Betrieb des Motors 1 und der gesamten Abgasreinigungseinrichtung zu steuern. Stellvertretend für die hierfür vorhandenen Steuerleitungen ist eine Motorsteuerleitung 18 zur Ansteuerung des Motorbetriebs eingezeichnet.
Wird durch eine modellbasierte Simulation und/oder durch Auswertung der entsprechenden Sensorsignale vom Steuergerät eine kritische Beladung festgestellt, so wird, sobald ein hierfür geeigneter und vom Steuergerät 17 als zulässig erkannter Motorbetriebszustand vorliegt, die Regeneration des Partikelfilters 4 durch thermischen Rußabbrand eingeleitet.
Nachfolgend wird unter Bezug auf 2 und 3 auf im Zusammenhang mit der Erfindung wesentliche thermodynamische und reaktionskinetische Phänomene des Rußabbrands eingegangen. Hierzu ist im Diagramm der 2 schematisch die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit v_R des Rußabbrands von der Temperatur T dargestellt. Wie durch den Verlauf des Kurvenzugs 20 wiedergegeben, ist die Reaktionsgeschwindigkeit v_R des Rußabbrands bei niedrigen Temperaturen vernachlässigbar klein. Erst bei Überschreiten einer charakteristischen Rußzündtemperatur T_Z nimmt v_R Werte für einen merklichen Rußabbrand an, wobei mit zunehmender Temperatur T die Geschwindigkeit v_R des Rußabbrands drastisch, typischerweise exponentiell zunimmt.
Die diesem Sachverhalt entsprechenden energetischen Verhältnisse sind im Diagramm der 3 schematisch dargestellt, in welchem die Abhängigkeit der potentiellen Energie E der Rußabbrandreaktion über der Reaktionskoordinate R durch den Verlauf des Kurvenzugs 21 wiedergegeben ist. Ausgehend von einer Energie E₁ des Anfangszustands bedarf es eines Aufbringens der Aktivierungsenergie E_A um das Abbrennen in Gang zu bringen. Die Aktivierungsenergie E_A kann somit als eine Energiebarriere angesehen werden, welche für einen Start bzw. ein Zünden der Rußabbrandreaktion überwunden werden muss. Beim Ablauf der Abbrennreaktion vermindert sich die potentielle Energie E auf den Wert E₂, welcher gegenüber dem Anfangswert E₁ um den bei der exothermen Reaktion abgegebenen Energiebetrag vermindert ist.
Der für einen Start der Rußabbrandreaktion erforderliche Energiebetrag zur Überwindung der Energiebarriere wird typischerweise auf thermischem Wege, d.h. durch eine Temperaturerhöhung über die Rußzündtemperatur T_Z aufgebracht. Erfindungsgemäß erfolgt dies maßgeblich dadurch, dass für ein Funktionsmaterial, mit welchem der Partikelfilter 13 beschichtet ist, eine exotherme Modifikationsumwandlung herbeigeführt wird. Infolge der bei der Modifikationsumwandlung freigesetzten Wärme wird ausgehend von einer unterhalb der Rußzündtemperatur T_Z liegenden Regenerations-Starttemperatur zumindest lokal auf dem Partikelfilter die Rußzündtemperatur T_Z überschritten, so dass die Rußabbrandreaktion initiiert wird. Infolge einer Ableitung der beim Rußabbrand frei werdenden Wärme pflanzt sich der Rußabbrandvorgang ausgehend von der Stelle seines Ursprungs fort und erfasst den gesamten Partikelfilter 13, so dass dieser insgesamt regeneriert wird. Als Funktionsmaterial als wesentlicher Bestandteil der Beschichtung des Partikelfilter 13 ist vorzugsweise ein Material vorgesehen, welches in einer chemischen Reaktion mit einer Abgaskomponente eine exotherme Strukturumwandlung erfahren kann, in welcher es von einer ersten Modifikation in eine zweite Modifikation übergeht. Zur Initiierung des Rußabbrands wird ausgehend von der Regenerations-Starttemperatur und von einer ersten Modifikation des Funktionsmaterials das dem Partikelfilter zugeführte Abgas mit der als Reaktionspartner für das Funktionsmaterial dienenden Abgaskomponente angereichert, so dass die Reaktion ablaufen kann. Infolge der mit dem Ablaufen stattfindenden Modifikationsumwandlung des Funktionsmaterials wird mit diesem in Wärmeübertragungskontakt stehender, auf dem Partikelfilter 13 abgeschiedener Ruß auf oder über die Rußzündtemperatur T erhitzt und der Rußabbrand ermöglicht.
Als Funktionsmaterial ist vorzugsweise ein Material vorgesehen welches zur Gaseinspeicherung durch eine chemische Reaktion mit einer Abgaskomponente befähigt ist. Als Beispiel kann hier ein Stickoxidspeichermaterial angeführt werden, welches im Ausgangszustand beispielsweise als Karbonat vorliegt und bei einer Einspeicherung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden in eine Nitratform als zweite Modifikation übergeht. Ebenfalls eine chemische Strukturänderung erfolgt bei der Speicherung von Sauerstoff in ein Sauerstoffspeichermaterial wie Ceroxid oder einem Ceroxid-haltigen Mischoxid, die bei Sauerstoffaufnahme in eine sauerstoffreiche Modifikation mit höherer chemischer Wertigkeit übergehen. Es kann sich jedoch auch um eine Modifikationsänderung in Form einer Ausbildung einer Chemisorptionsbindung des Funktionsmaterials mit einem Gas handeln, bei welcher die chemische Struktur des Funktionsmaterials im wesentlichen unverändert bleibt, jedoch das eingespeicherte Gas durch schwache chemische Bindungen an das Funktionsmaterial gebunden wird. Ein Beispiel hierfür ist die Adsorption von Kohlenwasserstoffen in dafür geeignete Speichermaterialien wie beispielsweise Zeolithe.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird nachfolgend davon ausgegangen, dass es sich bei dem Funktionsmaterial um ein Oxide der Seltenen Erden, insbesondere um ein Cer- und/oder Praseodym-basiertes Oxid oder Mischoxid handelt, welches unter Wärmeabgabe durch Reaktion mit im Abgas enthaltenem Sauerstoff von einer sauerstoffarmen ersten Modifikation in eine sauerstoffreiche, zweite Modifikation übergehen kann.
Zur Durchführung einer Regeneration des Partikelfilters 13 wird vom Steuergerät 7 zunächst der Motorbetrieb derart umgestellt, dass sich eine erhöhte Temperatur des in den Partikelfilter 4 einströmenden Abgases ergibt. Dadurch erfolgt eine Aufheizung des Partikelfilters 13. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Partikelfilter 13 auf eine Regenerations-Starttemperatur aufzuheizen, welche unterhalb der für eine Initiierung des Rußabbrands erforderlichen Rußzündtemperatur T_Z liegt. Je nach Art und Menge des als Beschichtung vorgesehenen Funktionsmaterials kann die Regenerations-Starttemperatur etwa 50 °C bis 150 °C unterhalb der Rußzündtemperatur T_Z liegen. Typischerweise beträgt die Regenerations-Starttemperatur etwa 550 °C. Zur Erzeugung eines überhitzten Abgases, mit welchem eine Aufheizung des Partikelfilters 13 auf die Regenerations-Starttemperatur erfolgt, können an sich bekannte Maßnahmen wie Ansaugluftdrosselung, späte Kraftstoffnacheinspritzung, Kraftstoffnachverbrennung an einem dem Partikelfilter vorgeschalteten Oxidationskatalysator und dergleichen ergriffen werden.
Falls das Funktionsmaterial nicht bereits in seiner ersten, sauerstoffarmen Modifikation vorliegt, so wird mit dem Aufheizen auf die Regenerations-Starttemperatur oder nach Erreichen derselben, ein sauerstoffarmes, insbesondere ein reduzierend wirkendes Abgas erzeugt und durch dessen Einwirkung das Funktionsmaterial in seine erste, sauerstoffarme Modifikation gebracht. Typischerweise reicht eine Einwirkungsdauer des sauerstoffarmen Abgases von etwa 10 Sekunden bis 30 Sekunden hierfür aus. Zur Erzeugung des sauerstoffarmen bzw. reduzierend wirkenden Abgases kann der Motor 10 mit Luftmangel betrieben und/oder dem Abgas beispielsweise Kraftstoff als reduzierend wirkende Komponente zugeführt werden. Es ist vorgesehen, dass bei diesem Vorgang der Partikelfilter 13 zumindest annähernd auf der vorgegebenen Regenerations-Starttemperatur unterhalb der Rußzündtemperatur T verbleibt oder diese spätestens zu diesem Zeitpunkt erreicht.
Zur Initiierung des Rußabbrands wird in einem Folgeschritt ein sauerstoffangereichertes, insbesondere ein oxidierend wirkendes Abgas erzeugt und durch dessen Einwirkung das Funktionsmaterial in seine zweite, sauerstoffreiche Modifikation gebracht. Die dabei frei werdende Umwandlungswärme erhitzt zumindest lokal mit dem Funktionsmaterial in Wärmeübergangskontakt stehende Rußablagerungen über die Rußzündtemperatur T_Z so dass der Rußabbrand und damit der eigentliche Regenerationsvorgang gestartet werden. Zur Erzeugung des sauerstoffangereicherten bzw. reduzierend wirkenden Abgases kann der Motor 10 mit Luftüberschuss betrieben und/oder dem Abgas beispielsweise Sekundärluft als oxidierend wirkende Komponente zugeführt werden.
Vorzugsweise wird die Erzeugung des mit Sauerstoff angereicherten Abgases zumindest so lange aufrechterhalten, bis der Rußabbrandvorgang sich im gesamten Partikelfilter 13 ausgebreitet hat und die Regeneration abgeschlossen ist. Während dieser Zeit wird vorzugsweise weiterhin ein überhitztes Abgas erzeugt, wobei vorgesehen sein kann, durch eine Veränderung der Abgastemperatur und/oder der Abgaszusammensetzung den Verlauf des Rußabbrands zu steuern. Auf diese Weise wird einerseits ein zu rasches Abbrennen mit einer unerwünscht großen Wärmefreisetzung und andererseits ein vorzeitiges Verlöschen des Rußabbrands vermieden. Wird die Beendigung des Rußabbrandvorgangs durch Ablauf einer vorgebbaren Zeitdauer oder durch Auswertung von Sensorsignalen festgestellt, so wird der Motor wieder auf Normalbetrieb umgestellt und die Erzeugung eines überhitzten Abgases beendet.
Um einen möglichst gleichmäßigen und zuverlässigen Rußabbrand im gesamten Partikelfilter 13 zu gewährleisten, kann eine Beschichtung mit dem Funktionsmaterial auf seiner gesamten Oberfläche vorgesehen sein. Es ist jedoch aus Gründen der Materialersparnis vorteilhaft, die Beschichtung mit dem Funktionsmaterial lediglich abschnittsweise auf den Wänden der Strömungskanäle des Partikelfilters 13 vorzusehen. Nachfolgend wird mit Bezug auf die 4 bis 9 auf diesbezüglich vorteilhafte Ausführungsformen eingegangen.
In 4 ist ein wanddurchströmbarer Partikelfilter 13 in Wabenkörperbauform schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der Partikelfilter 13 ist von einer Vielzahl von Strömungskanälen 2 durchzogen, die von porösen gasdurchlässigen Wänden 3 begrenzt sind. Die Strömungskanäle 2 sind wechselseitig an ihren einlassseitigen und auslassseitigen Enden mit Verschluss-Stopfen 7 versehen. Dadurch wird in einlassseitig offene Strömungskanäle 2 einströmendes Abgas gezwungen, durch die Wände 3 hindurchzutreten, wobei partikelförmige Bestandteile ausgefiltert werden und sich auf den angeströmten Oberflächen der Wände 3 abscheiden. Der Übersicht halber ist der bei üblicherweise allen Strömungskanälen 2 vorhandene Verschluss-Stopfen 7 lediglich bei zwei Strömungskanälen 2 eingezeichnet. In Bezug auf die mit dem Pfeil 4 gekennzeichnete Abgasströmungsrichtung sind zumindest die anströmseitigen Wandoberflächen der Strömungskanäle 2 des Partikelfilters 13 in dessen hinterem Teilbereich 5 mit einer Funktionsmaterial-Beschichtung versehen. Im demgegenüber deutlich kürzeren eingangsseitigen Teilbereich 6 ist der Partikelfilter 13 frei von einer Funktionsmaterial-Beschichtung ausgeführt. Dadurch wird vermieden, dass das Funktionsmaterial den üblicherweise im Eingangsbereich des Partikelfilters 13 besonders hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Vorteilhaft ist ein auf etwa 5 mm bis 50 mm, bzw. ein auf etwa 5 % bis 50 % seiner Gesamt länge frei von einer Beschichtung mit dem Funktionsmaterial ausgeführter eingangsseitigen Teilbereich 6 des Partikelfilters 13. Der eingangsseitige Teilbereich 6 kann gänzlich unbeschichtet ausgeführt sein oder eine andere, vorzugsweise katalytisch wirksame Beschichtung aufweisen. Aus fertigungstechnischer Sicht ist es bevorzugt, wenn Beschichtungen auf den Wänden 3 der Strömungskanäle 2 annähernd gleichmäßig aufgebracht sind und den gesamten Querschnitt des Partikelfilters 13 umfassen.
5 zeigt eine zweite vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Partikelfilters 13. Im Unterschied zur Ausführungsform der 4 ist hier lediglich ein eingangsseitiger Teilbereich 5 mit der Funktionsmaterial-Beschichtung versehen. Diese Ausführungsform empfiehlt sich besonders für ein hoch temperaturbeständiges Funktionsmaterial. Hinsichtlich der Ausbreitung des Rußabbrands ist diese Ausführungsform vorteilhaft, da sich dieser insbesondere in Abgasströmungsrichtung ausbreitet und deshalb eine zuverlässige Regeneration ermöglicht ist. Da eingangsseitig meist erhöhte Temperaturen anzutreffen sind, kann die Regenerations-Starttemperatur vergleichsweise niedrig gewählt werden. Vorteilhaft ist ein auf etwa 5 mm bis 50 mm, bzw. ein auf etwa 5 % bis 50 % seiner Gesamtlänge eingangsseitig mit der Funktionsmaterial-Beschichtung versehener Teilbereich 5 des Partikelfilters 13.
6 zeigt eine dritte vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Partikelfilters 13. Im Unterschied zur Ausführungsform der 4 ist hier ein eingangsseitiger Teilbereich 5' ebenso wie ein hinterer Teilbereich 5 mit einer Funktionsmaterial-Beschichtung versehen. Der mittlere, frei von einer Funktionsmaterial-Beschichtung ausgeführte Teilbereich 6 macht vorzugsweise etwa 20 % bis 30 % der Gesamtlänge des Partikelfilters 13 aus. Im Vergleich zu einer durchgehenden Beschichtung lässt sich ebenfalls eine Materialeinsparung erreichen, wobei die Zündung des Rußabbrands im eingangsseitigen Teilbereich 5' zuerst, später auch hinterer Teilbereich 5 erfolgt. Durch Wärmeleitung kann der mittlere Bereich 6 ebenfalls über die Rußzündtemperatur gelangen, so dass auch hier der Rußabbrand ablaufen kann. In 7 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelfilters 13 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist lediglich ein mittlerer Teilbereich 5 einer Funktionsmaterial-Beschichtung versehen. Dadurch werden ein eingangsseitig und ein ausgangsseitig direkt angrenzender Teilbereich frei für andere, insbesondere katalytisch wirksame Beschichtungen gehalten. Vorzugsweise macht der mittlere Teilbereich 5 etwa 20 % bis 60 % der Gesamtlänge des Partikelfilters 13 aus. Für eine zuverlässige Zündung des Rußabbrands kann jedoch auch ein schmaler scheibenförmiger Bereich des Partikelfilters 13 von weniger als 10 % der Gesamtlänge mit einer Funktionsmaterial-Beschichtung ausreichen.
In der in 8 dargestellten weiteren vorteilhaften Ausführungsform wechseln mit einer Funktionsmaterial-Beschichtung versehene Teilbereiche 5, 5', 5'', 5'' mit Teilbereichen ohne Funktionsmaterial-Beschichtung ab. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Zündung des Rußabbrands in einer Mehrzahl von Bereichen des Partikelfilters 13 sichergestellt.
In 9 ist ein Partikelfilter 13 dargestellt, welcher lediglich einströmseitig in einem radial mittleren Teilbereich 5 mit einer Funktionsmaterial-Beschichtung versehen ist. Dabei sind einerseits eine Längsschnittsdarstellung und andererseits eine Ansicht auf die eingangsseitige Stirnseite gezeigt. Da in vorderen mittleren Bereich des Partikelfilters 13 üblicherweise die höchsten Temperaturen anzutreffen sind, kann hier mit einer vergleichsweise niedrigen Regenerations-Starttemperatur der Rußabbrand dennoch zuverlässig initiiert werden.
Für eine Verminderung der Aktivierungsenergie E_A für ein Zünden des Rußabbrands kann zusätzlich ein Einsatz einer hinsichtlich des Rußabbrands katalytisch wirkenden Komponente vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine Verringerung der Regenerations-Startemperatur, wodurch wiederum eine Verminderung des Energieaufwands zum Aufheizen des Partikelfilters 13 auf die Regenerations-Starttemperatur erreicht wird. Die katalytische Komponente kann als Additiv dem Abgas beigemischt sein. Hierfür ist es zweckmäßig, eine Kraftstoff- und/oder eine Öladditivierung vorzusehen. Die katalytisch wirkende Komponenten gelangt über Verbrennung von Kraftstoff bzw. Öl ins Abgas auf den Partikelfilter und kann dort ihre katalytische Wirkung entfalten. Eine direkte Zuführung der katalytisch wirksamen Komponente ins Abgas kann ebenfalls erfolgen.
Die katalytisch wirkende Komponente kann jedoch auch als Bestandteil in der Funktionsmaterial-Beschichtung des Partikelfilters 13 enthalten sein oder als separate Beschichtung örtlich getrennt von der Funktionsmaterial-Beschichtung auf dem Partikelfilter 13 aufgebracht sein. Ebenfalls möglich ist eine Ausbildung einer Doppellagen-Beschichtung vorzugsweise mit der Funktionsmaterial-Beschichtung als obere Schicht. Zusätzlich oder alternativ kann eine Beschichtung vorgesehen sein, welche hinsichtlich einer Umsetzung von gasförmigen Abgasbestandteilen wie Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid oder Stickoxid katalytisch wirkt. Auf diese Weise kann die Funktionalität des Partikelfilters 13 erweitert werden. Da infolge der erfindungsgemäßen Vorgehensweise die Temperaturbelastung des Partikelfilters 13 während der Regeneration gering ist, können dabei auch weniger temperaturstabile Katalysatormaterialen wie beispielsweise Vanadiumpentoxid enthaltende Katalysatormaterialien eingesetzt werden, deren Verwendung ansonsten nicht möglich ist.

Claims

Partikelabscheider zur Abscheidung von im Abgas einer Brennkraftmaschine (10) enthaltenen Rußpartikeln, welcher auf zur Abscheidung der Rußpartikel vorgesehenen Oberflächen eine Beschichtung mit einem Funktionsmaterial aufweist, das in einer exothermen Reaktion von einer ersten Modifikation in eine zweite Modifikation übergehen kann, derart dass bei einer vorgegebenen Regenerations-Starttemperatur, welche unterhalb einer zum Abbrennen der abgeschiedenen Rußpartikel erforderlichen Rußzündtemperatur (T_Z) liegt, durch einen Modifikationsübergang des Funktionsmaterials wenigstens lokal eine Überschreitung der Rußzündtemperatur (T_Z) erfolgt, so dass ein Abbrennen von abgeschiedenen Rußpartikeln ermöglicht ist.
Partikelabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelabscheider (13) als wanddurchströmter Partikelfilterkörper mit einer Vielzahl von langgestreckten Strömungskanälen (2) ausgeführt ist, wobei die von Abgas anströmbaren Wände (3) der Strömungskanäle (2) wenigstens teilweise mit dem Funktionsmaterial beschichtet ausgeführt sind.
Partikelabscheider nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit dem Funktionsmaterial für alle Strömungskanäle (2) des Partikelfilterkörpers vorgesehen ist und in Richtung der Längserstreckung des Partikelfilterkörpers auf einen Teilbereich (5; 5'; 5'') begrenzt ist.
Partikelabscheider nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung für eine Teilmenge der Strömungskanäle (2) vorgesehen ist.
Partikelabscheider nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf einen mittleren Querschnittsteilbereich des Partikelfilterkörpers begrenzt ist.
Partikelabscheider nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf einen einströmseitigen Teilbereich des Partikelfilterkörpers begrenzt ist.
Partikelabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmaterial eine Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist und die erste Modifikation als eine sauerstoffarme Modifikation und die zweite Modifikation als eine sauerstoffreiche Modifikation mit einem gegenüber der ersten Modifikation erhöhten Sauerstoffgehalt ausgebildet ist.
Verfahren zur Regeneration eines Partikelabscheiders nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durch Abbrennen von auf oder in dem Partikelabscheider (13) abgeschiedenem Ruß, wobei zur Einleitung des Abbrennens in einem ersten Verfahrensschritt die Temperatur des Partikelabscheiders (13) auf eine vorgegebene Regenerations-Starttemperatur angehoben wird, welche unterhalb einer zum Abbrennen der abgeschiedenen Rußpartikel erforderlichen Rußzündtemperatur (T_Z) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensschritt eine Änderung der Zusammensetzung von dem Partikelabscheider zugeführtem Abgas derart vorgenommen wird, dass das Funktionsmaterial unter Freisetzung von Wärmeenergie wenigstens teilweise von einer ersten Modifikation in eine zweite Modifikation übergeht und dabei die Temperatur wenigstens in einem mit der Beschichtung mit dem Funktionsmaterial versehenen Bereich über die Rußzündtemperatur (T_Z) angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Zusammensetzung des Abgases einen Wechsel von einer reduzierend wirkenden Zusammensetzung zu einer oxidierend wirkenden Zusammensetzung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Zusammensetzung des Abgases wenigstens teilweise durch eine Brennkraftmaschinenbetriebsumstellung bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Zusammensetzung des Abgases wenigstens teilweise durch Einschalten oder Ausschalten einer Zufuhr eines Hilfsstoffes bewirkt wird, der stromauf des Partikelabscheiders (13) dem Abgas von außen zugeführt werden kann.