DE102006059966A1 - particulate Filter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine aus einem mit Strömungskanälen durchzogenen Träger, der einen Einströmungsbereich und einen Ausströmungsbereich aufweist.The The invention relates to a particulate filter for purifying exhaust gases an internal combustion engine from a traversed with flow channels carrier, the an inflow area and an outflow area having.
Für die Verringerung der Schadstoffemissionen und insbesondere der Partikelemissionen aus Dieselmotoren ist die Verwendung von Partikelfiltern bekannt. Da sich während des laufenden Betriebes eines Dieselmotors eine mehr oder weniger große Zahl von Partikeln im Filter absetzt, ist eine Regeneration der Partikelfilter erforderlich, um die Funktionsfähigkeit eines solchen Partikelfilters und des entsprechend ausgerüsteten Dieselmotors über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten. Die eigentliche Schwierigkeit besteht aber nicht in der Filtration der Russpartikel, sondern in der Regeneration der eingesetzten Filter. Kohlenstoffruß verbrennt spontan erst bei Temperaturen von etwa 650°C. Diese Temperaturen werden aber z. B. von modernen Dieselmotoren im Allgemeinen nur bei Volllast und auch dort zu selten erreicht. Daher sind zusätzliche, unterstützende Maßnahmen zur Oxidation der aus dem Abgas abgetrennten Russpartikel notwendig. Insbesondere beim Kaltstart sind derartige Maßnahmen notwendig, da die gesamte Abgasanlage und das Abgas eine für die Regeneration notwendige Temperatur noch nicht aufweist.For the reduction the pollutant emissions and in particular the particulate emissions From diesel engines, the use of particulate filters is known. As during the running operation of a diesel engine a more or less large number of particles in the filter settles, is a regeneration of the particulate filter required to function such a particulate filter and the appropriately equipped diesel engine over a longer period to ensure. The real difficulty is not in the filtration the soot particles, but in the regeneration of the filters used. Carbon soot burns spontaneously only at temperatures of about 650 ° C. These temperatures will be but z. B. of modern diesel engines generally only at full load and too rarely achieved there. Therefore, additional, supporting measures necessary for the oxidation of the separated from the exhaust soot particles. In particular, during cold start such measures are necessary because the entire Exhaust system and the exhaust one for the regeneration necessary temperature does not yet have.
Man
unterscheidet zwischen aktiven und passiven Regenerationsmaßnahmen:
Bei den aktiven Maßnahmen
wird die Tempera tur des Abgases, beispielsweise durch einen Einsatz
eines elektrischen Heizmittels über
die zur Oxidation des Rußes notwendige
Temperaturschwelle angehoben. Die
Bei den passiv angreifenden Systemen wird z. B. durch die Verwendung von metallorganischen Kraftstoffadditiven die Russzündtemperatur abgesenkt. Ein Nachteil dieses passiven Regenerationsverfahrens ist, dass sich das Additiv nach Regeneration des Partikelfilters in Form einer Asche, z. B. Cer-Asche, im Filter ansammelt. Hinzu kommt eine Asche aus der Verbrennung des mit dem Abgas ausgetragenen Schmieröls (Öl-Asche). Die Cer-Asche, die ungefähr zwei Drittel der Gesamtasche ausmachen kann, bildet zusammen mit der Öl-Asche eine pulverförmige, flockige Zusammensetzung, die als Rückstand nach der Verbrennung des Rußes im Filter verbleibt. Nach einer gewissen Betriebsdauer des Verbrennungsmotors können sich je nach Größe und Ölverbrauch des Motors mehrere hundert Gramm der Asche im Filter ansammeln und den Abgasgegendruck erheblich erhöhen, welches mit einem kontinuierlich steigenden Kraftstoffmehrverbrauch verbunden ist. Daher können derartige Systeme auch nicht für die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeuges ausgelegt werden.at the passively attacking systems is z. B. by use of organometallic fuel additives, the soot ignition temperature lowered. A disadvantage of this passive regeneration process is that the additive after regeneration of the particulate filter in the form of an ash, z. As cerium ash, accumulates in the filter. in addition An ash comes from the combustion of the discharged with the exhaust gas lubricating oil (Oil ash). The cereal ash, the approximately can make up two-thirds of the total, together with the oil ash a powdered, flaky composition remaining as residue after combustion of soot remains in the filter. After a certain period of operation of the internal combustion engine can depending on size and oil consumption of the engine accumulate several hundred grams of ash in the filter and significantly increase the exhaust back pressure, which with a continuous increasing fuel consumption is connected. Therefore, such Systems not for the entire life of a vehicle can be designed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter zu schaffen, der die genannten Nachteile bei der Regeneration vermeidet, insbesondere eine einfache und kompakte Einheit darstellt, wobei gleichzeitig hohe Herstellungs- und Produktionskosten vermieden werden. Des Weiteren sollte ein Partikelfilter geschaffen werden, der insbesondere bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeuges eine zufrieden stellende Regeneration des Partikelfilters ermöglicht.Of the Invention has for its object to provide a particle filter, which avoids the disadvantages mentioned in the regeneration, in particular represents a simple and compact unit, with at the same time high production and production costs are avoided. Furthermore If a particulate filter should be created, in particular at a cold start of the motor vehicle a satisfactory regeneration of the particulate filter allows.
Die Aufgabe wird durch einen Partikelfilter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind die vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Partikelfilters beschrieben.The The object is achieved by a particle filter having the features of the claim 1 solved. In the dependent claims the advantageous developments of the particulate filter according to the invention are described.
Erfindungsgemäß weist der Partikelfilter einen den Einströmungsbereich zugewandten ersten Strömungsabschnitt auf, der mit einem elektrischen Heizmittel verbunden ist. Des Weiteren umfasst der Partikelfilter einen den Einströmungsbereich abgewandten zweiten Strömungsabschnitt, der heizmittelfrei ausgestattet ist. Der erfindungsgemäße Partikelfilter ermöglicht es, insbesondere bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeuges, bei dem die Abgase der Brennkraftmaschine eine geringe Temperatur haben (je nach Außentemperatur, 100°C–150°C), eine zufrieden stellende Regeneration des Partikelfilters zu erzielen. Während das Abgas durch den Einströmungsbereich in den ersten Strömungsabschnitt des Partikelfilters gelangt, wird durch die katalytische Beschichtung des Trägers im ersten Strömungsabschnitt eine katalytische Reaktion hervorgerufen. Vorzugsweise weist die katalytische Beschichtung Edelmetalle auf, wie beispielsweise Platin und/oder Palladium und/oder Rhodium. Platin und Palladium können hierbei die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid erheblich beschleunigen, wobei Rhodium die Reduktion der Stickoxide begünstigt. Die katalytische Beschichtung bildet einen hochbeladenen (scharfen) Oxidationskatalysator, der die im Abgas enthaltenen Sauerstoffatome adsorptiv an Edelmetallzentren spaltet (dissoziiert). Durch eine rechtzeitige und schnelle Aktivierung des elektrischen Heizmittels wird der erste Strömungsabschnitt auf eine Temperatur gebracht, bei der es zu einer Selbstzündung der im ersten Strömungsabschnitt enthaltenen (filtrierten) Partikel kommt. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Temperatur des ersten Strömungsabschnitts von ca. 500°C–650°C eine Selbstzündung der Russpartikel stets ermöglicht wird. Bei diesem Vorgang kommt den an den Russpartikeln stets angelagerten löslichen organischen Bestandteilen (SOF) eine wichtige Rolle zu. Durch den Auf heizungsprozess werden relativ schwersiedende Komponenten (teilweise auch Kraftstoffrückstände) von den Russpartikeln abgelöst (Desorption). Dadurch bilden sich in unmittelbarer Nähe zur Beschichtung und den darauf adsorbierten Sauerstoffatomen leichtentzündliche Dämpfe. Diese zünden unmittelbar auf der bereits (thermisch) aktivierten Katalysatorbeschichtung, was lokal einen nachfolgenden Partikelabbrand im ersten Strömungsabschnitt zur Folge hat.According to the invention, the particle filter has a first flow section facing the inflow region, which is connected to an electrical heating means. Furthermore, the particle filter comprises a second flow section which faces away from the inflow region and is equipped with no heating agent. The particulate filter according to the invention makes it possible to achieve a satisfactory regeneration of the particulate filter, in particular during a cold start of the motor vehicle, in which the exhaust gases of the internal combustion engine have a low temperature (depending on the outside temperature, 100 ° C-150 ° C). As the exhaust gas passes through the inflow region into the first flow section of the particulate filter, the catalytic coating of the carrier in the first flow section causes a catalytic reaction. Preferably, the catalytic coating comprises precious metals such as platinum and / or palladium and / or rhodium. Platinum and palladium can significantly accelerate the oxidation of hydrocarbons and carbon monoxide, with rhodium favoring the reduction of nitrogen oxides. The catalytic coating forms a highly charged (sharp) oxidation catalyst, which adsorptively splits (dissociates) the oxygen atoms contained in the exhaust gas at noble metal centers. By a timely and rapid activation of the electric heating means, the first flow section is brought to a temperature at which it comes to a self-ignition of the (filtered) particles contained in the first flow section. It has shown that at a temperature of the first flow section of about 500 ° C-650 ° C auto-ignition of soot particles is always possible. During this process, the soluble organic components (SOF) always attached to the soot particles play an important role. The heating process removes relatively high-boiling components (in some cases also fuel residues) from the soot particles (desorption). As a result, highly flammable vapors form in the immediate vicinity of the coating and the oxygen atoms adsorbed thereon. These ignite directly on the already (thermally) activated catalyst coating, which locally results in a subsequent particle burn-off in the first flow section.
Während des Abbrandes des Rußes im ersten Strömungsabschnitt wird Reaktionswärme (Exothermie) frei, die durch das den Partikelfilter durchströmende Abgas aufgenommen wird. Das in den zweiten Einströmungsbereich strömende Abgas wird durch die gewonnene Wärme genügend aufgeheizt, dass es zu einem Russabbrand auch im zweiten Einströmungsbereich des Partikelfilters kommt, ohne jedoch diesen zweiten Einströmungsbereich durch ein elektrisches Heizmittel auf eine bestimmte Temperatur zu bringen oder zu halten. Gemäß der vorliegenden Erfindung reicht lediglich eine Initialzündung im ersten Strömungsabschnitt des Partikelfilters aus, um eine weitere Verbrennung des im gesamten Partikelfilter gesammelten Kohlenstoffrußes mit Sauerstoff entstehen zu lassen. Da lediglich der erste Einströmungsbereich des Partikelfilters durch die Heizung auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden muss, kann ein wesentlicher Betrag an elektrischer Energie eingespart werden.During the Burn-up of soot in the first flow section becomes reaction heat (Exothermie) free, which flows through the exhaust gas flowing through the particulate filter is recorded. The exhaust gas flowing into the second inflow area is due to the heat gained enough heated up, that there is a Rußabbrand also in the second inflow area of the particulate filter comes, but without this second inflow by an electric heating means to a certain temperature to bring or hold. According to the present Invention is sufficient only an initial ignition in the first flow section of the particulate filter, to further burn the whole Particulate filter collected carbon soot arise with oxygen allow. Since only the first inflow region of the particulate filter be brought to a certain temperature by the heater a significant amount of electrical energy can be saved become.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Träger des ersten Strömungsabschnitts ein besonders wärmeleitfähiges Material auf, das vorzugsweise ein Leichtmetall beispielsweise Magnesium, Calcium etc. sein kann. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das wärmeleitfähige Material beispielsweise aufgedampft sein, z. B. durch eine Gasphasenabscheidung (CVD/PVD-Verfahren). In einer weiteren Ausführungsalternative kann das wärmeleitfähige Material durch ein Imprägnierverfahren auf den Träger des ersten Strömungsabschnittes aufgebracht werden. Durch ein mehrmaliges Eintauchen in eine metallsalzhaltige Lösung und durch mehrfaches Trocknen kann eine zuverlässige Imprägnierung des wärmeleit fähigen Materials erzielt werden. Ebenso können alle elektrochemischen Beschichtungsverfahren angewandt werden. Andere alternative Verfahren sind selbstverständlich denkbar. Durch die gute Wärmeleitfähigkeit des ersten Einströmungsbereichs kann eine schnelle Aufheizung dieses Partikelfilterbauteils durch das elektrische Heizmittel auf eine gewünschte Temperatur, bei der es zu einer Selbstzündung der Russpartikel kommt, erfolgen.at a preferred embodiment The invention features the carrier of the first flow section a particularly thermally conductive material on, which is preferably a light metal, for example magnesium, Calcium etc. can be. In one embodiment of the invention the thermally conductive material for example, be evaporated, z. B. by a vapor deposition (CVD / PVD process). In a further alternative embodiment, the thermally conductive material by an impregnation process on the carrier the first flow section applied become. By a repeated immersion in a metal salt-containing solution and by repeated drying, a reliable impregnation of the heat-conducting enabled Materials are achieved. Likewise, all electrochemical Coating process can be applied. Other alternative methods are natural conceivable. Due to the good thermal conductivity of the first inflow area can a rapid heating of this particulate filter component by the electric heating means to a desired temperature at which it to a self-ignition the soot particle comes, done.
In einer Alternative der Erfindung können der erste und der zweite Strömungsabschnitt zwei gesonderte Bauteile sein. Vorzugsweise sind der erste und der zweite Einströmungsbereich in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die Befestigung der beiden Einströmungsbereiche am Gehäuse kann beispielsweise durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung erfolgen. Zweckmäßigerweise weisen der erste und der zweite Strömungsabschnitt einen Abstand zueinander auf, der insbesondere als Isolationsspalt dient. Dieser Isolationsspalt verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Abgasströmung. Einer der Vorteile eines derartigen Isolationsspaltes ist, dass eine zufrieden stellende Aufheizung des ersten Strömungsabschnittes in kurzer Zeit erfolgen kann, ohne dass ein wesentlicher Betrag an Wärme vom Träger des ersten Einströmungsbereichs direkt auf den Träger des zweiten Einströmungsbereichs verloren geht.In An alternative of the invention may be the first and the second flow section be two separate components. Preferably, the first and the second inflow area in a common housing arranged. The attachment of the two inflow areas on the housing, for example by a form-fitting and / or non-positive and / or cohesive Connection done. Conveniently, The first and second flow sections are spaced apart to each other, which serves in particular as an insulation gap. This Isolation gap runs substantially perpendicular to the exhaust gas flow. One of the advantages of such Isolation gap is that a satisfactory heating of the first flow section Can be done in a short time without a substantial amount of heat from the carrier of the first inflow area directly on the carrier of the second inflow area get lost.
Bei einer weiteren Alternative können der erste und der zweite Strömungsabschnitt einteilig miteinander verbunden sein.at another alternative the first and second flow sections be integrally connected.
Der Träger kann bei einer bevorzugten Ausführungsform aus Keramik bestehen. Es ist jedoch ebenfalls möglich, den Träger aus Metall auszuführen. Der wesentliche Vorteil eines Keramikträgers ist, dass sich die Edelmetallbeschichtung wesentlich einfacher zurückgewinnen lässt, als bei einem Metallträger. Des Weiteren ist ein Keramikträger kostengünstiger herzustellen und leichter zu beschichten. Der Metallträger der beispielsweise aus einem aufgewickelten, gewellten Metallblech bestehen kann, ist vorteilhafterweise sehr dünn ausgebildet und weist somit in Bezug auf den Keramikträger eine geringere Masse und jede beliebige Formvielfalt auf. Des Weiteren trägt der Metallträger zu einer besseren Wärmeleitfähigkeit und folglich zu einer homogenen Temperaturverteilung im ersten und im zweiten Strömungsbereich bei.Of the carrier may in a preferred embodiment made of ceramic. However, it is also possible to choose the carrier Metal. The main advantage of a ceramic carrier is that the precious metal coating recover much easier leaves, as with a metal carrier. Furthermore, a ceramic carrier cost-effective produce and easier to coat. The metal carrier of for example, consist of a wound, corrugated metal sheet can, is advantageously formed very thin and thus has in relation to the ceramic carrier a lower mass and any variety of shapes. Furthermore wears the metal support to a better thermal conductivity and consequently to a homogeneous temperature distribution in the first and in the second flow area at.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der erste Strömungsabschnitt ein Volumen auf, das maximal 40 bezüglich des Volumens der Summe des ersten und des zweiten Strömungsabschnittes beträgt. Es kann durchaus ausreichend sein, dass der erste Strömungsabschnitt lediglich 10–20 des Gesamtvolumens einnimmt, um eine zufrieden stellende Regeneration des Partikelfilters zu erhalten. Diese hängt jedoch von unterschiedlichen Randbedingungen ab, beispielsweise von der verwendeten Brennkraftmaschine, der Geometrie des Partikelfilters oder von den eingesetzten Edelmetallen im ersten Strömungsabschnitt.In a further embodiment According to the invention, the first flow section has a volume up to a maximum of 40 the volume of the sum of the first and second flow sections is. It may well be sufficient that the first flow section only 10-20 of the total volume to a satisfactory regeneration of the particulate filter. However, this depends on different boundary conditions from, for example, the internal combustion engine used, the geometry of the particulate filter or of the noble metals used in the first Flow section.
Zweckmäßigerweise kann eine Verdampfereinheit – insbesondere für Dieselkraftstoff – vor dem Partikelfilter angeordnet sein. Die vorgeschaltete Verdampfereinheit kann beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in gasförmiger Form eintragen, die durch den Abgasstrom in den Partikelfilter transportiert werden. Durch diese eingetragenen Kohlenwasserstoffe, die im verdampften Zustand extrem entzündlich sind, wird die Russpartikelzündung im ersten Strömungsabschnitt unterstützt. Eine Aktivierung der Verdampfereinheit bietet sich beispielsweise dann an, wenn der im ersten Strömungsabschnitt des Partikelfilters enthaltene Ruß zu trocken (graphitisiert) ist und somit nur schwer entzündet werden kann. Eine Aktivierung der Verdampfereinheit kann betriebspunktabhängig und nach Notwendigkeit erfolgen.Conveniently, an evaporator unit - especially for diesel fuel - be arranged in front of the particulate filter. The upstream evaporator unit, for example, enter unburned hydrocarbons (HC) in gaseous form, which are transported by the exhaust gas flow in the particulate filter. By these registered hydrocarbons, which are extremely flammable in the vaporized state, the soot particle ignition is supported in the first flow section. An activation of the evaporator unit is useful, for example, when the soot contained in the first flow section of the particulate filter is too dry (graphitized) and thus difficult to ignite. Activation of the evaporator unit may be operating point dependent and as needed.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigt:Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the following description, with reference to the drawing an embodiment the invention is described in detail. The can in the claims and features mentioned in the description each individually for itself or in any combination essential to the invention. It shows:
Die
Strömungskanäle
Wie
Der
Träger
Der
vorliegende Partikelfilter
Das
wärmeleitfähige Material
des Trägers
Falls
die Russpartikel innerhalb des Partikelfilters
- 11
- Partikelfilterparticulate Filter
- 22
- Strömungskanäleflow channels
- 33
- Trägercarrier
- 44
- Einströmungsbereichinflow
- 55
- AusströmungsbereichAusströmungsbereich
- 66
- erster Strömungsabschnittfirst flow section
- 77
- elektrisches Heizmittelelectrical heating
- 88th
- zweiter Strömungsabschnittsecond flow section
- 99
- Abstand, Spalt, IsolationsspaltDistance, Gap, insulation gap
- 1010
- Verdampfereinheitevaporator unit
Claims (11)
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