DE102008040451A1 - Particle filter for filtering exhaust gas of diesel internal-combustion engine, has porous filter wall separating outlet channel from inlet channel, and latent heat storage material arranged in outlet channel in region of inlet side - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Partikelfilter, einem Verfahren zum Betrieb und einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Partikelfilters nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.The The invention is based on a particle filter, a method for Operation and a method for producing such a particulate filter according to the preamble of the independent claim.
Wird einem latentwärmespeichernden Material („PCM”, engl. „Phase Change Material”) im festen Aggregatzustand Wärmeenergie zugeführt, so erhöht sich seine Temperatur bis zum Schmelzpunkt. Während des Schmelzens bleibt die Temperatur der Flüssigphase im Koexistenzbereich mit der Festphase des PCM trotz Wärmezufuhr konstant, die Zufuhr thermischer Energie führt im Übergang vom festen zum flüssigen Aggregatzustand nicht zu einer Temperatur-, sondern zu einer Entropieerhöhung. Erst wenn die Festphase vollständig geschmolzen ist, steigt die Temperatur bei weiterer Wärmezufuhr. Umgekehrt sinkt die Temperatur bei Wärmeentzug nicht und bleibt während des Phasenübergangs von flüssig nach fest konstant, bis alles Material erstarrt ist. Bei weiterem Wärmeentzug sinkt die Temperatur des Materials. Die Schmelzwärme ist von der Masse, spezifischen Wärmekapazität und der Schmelz- bzw. Siedetemperatur des verwendeten Materials abhängig. Technische Anwendung finden in Abhängigkeit von den gewünschten oben genannten Parametern etwa Paraffine, Silikate, Salze und deren wässrige Lösungen, Salzhydrate, Metalle und Metalllegierungen sowie heterogene Gemische wie Suspensionen, Emulsionen oder Kolloide verschiedener Art. Verwendung finden PCM derzeit in Isolierungen von Bauten, um Spitzen der Raumtemperatur durch direkte Sonneneinstrahlung abzufangen. Typischerweise werden dafür Paraffine in Mikrokapseln in Baumaterialien wie dem Außenputz von Häusern verwendet, deren Schmelztemperatur bei z. B. bei 26 Grad Celsius liegt. In Textilien und Funktionskleidung wird die Anwendung von PCM ebenfalls untersucht.Becomes a latent heat storage material ("PCM", Engl. "Phase Change Material") in the solid state Heat energy supplied, it increases its temperature until the melting point. During the melting the temperature of the liquid phase remains in the coexistence range with the solid phase of the PCM despite heat supply constant, the Supply of thermal energy leads in the transition from solid to liquid state not to a temperature, but to an increase in entropy. Only when the solid phase completely melted, the temperature rises additional heat. Conversely, the temperature drops Heat deprivation does not and remains during the phase transition from liquid to solid, until all material solidifies is. Upon further removal of heat, the temperature of the material decreases. The heat of fusion is of mass, specific heat capacity and the melting or boiling temperature of the material used dependent. Find technical application depending on the desired parameters mentioned above, such as paraffins, Silicates, salts and their aqueous solutions, salt hydrates, Metals and metal alloys as well as heterogeneous mixtures such as suspensions, emulsions or colloids of various kinds. PCM is currently used in Isolations of buildings to peaks of room temperature by direct To absorb solar radiation. Typically, for that Paraffins in microcapsules in building materials such as exterior plaster used by houses whose melting temperature at z. B. at 26 degrees Celsius. In textiles and functional clothing is the application of PCM also investigated.
Aus
der
Die
Die
Die
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Partikelfilter bzw. das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb bzw. zur Herstellung eines solchen Partikelfilters mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, eine lebensdauerverlängernde und kraftstoffsparende Russbeseitigung insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen zu ermöglichen. Der Wärmehaushalt eines Partikelfilters kann durch einlassseitige Anordnung latentwärmespeichernden Materials insbesondere im Filtersubstrat oder in den Gaskanälen des Partikelfilters energieeffizient reguliert werden.The Particulate filter according to the invention or the inventive Method for operating or producing such a particle filter with the characterizing features of the independent claim In contrast, has the advantage of a life-prolonging and fuel-saving soot removal especially in diesel internal combustion engines to enable. The heat balance of a particulate filter can by latent heat storage by inlet side arrangement Material in particular in the filter substrate or in the gas channels the particle filter are energy-efficiently regulated.
Es können (auch lokale) Übertemperaturen des Partikelfiltermaterials mit der Folge von Rissbildungen im Filtersubstrat, lokalem Aufschmelzen, vorzeitiger Alterung und Materialermüdung vermieden werden. Die Erfindung verringert den thermischen Stress im Substratmaterial von Dieselpartikelfiltern, insbesondere thermische Lastspitzen und hohe Temperaturgradienten im Volllastbereich des Motors und während der Partikelfilterregeneration und hier vor allem während der spontanen Selbstentzündung und exothermen Oxidation der Rußpartikel bei hohen Abgastemperaturen.It can (even local) excess temperatures of the particulate filter material with the consequence of cracking in the filter substrate, local melting, premature aging and material fatigue are avoided. The invention reduces the thermal stress in the substrate material of diesel particulate filters, in particular thermal load spikes and high temperature gradients in the full load range of the engine and during Particle filter regeneration and here especially during spontaneous auto-ignition and exothermic oxidation the soot particles at high exhaust gas temperatures.
Des Weiteren können zu niedrige Temperaturen während der Regeneration vermieden sowie gleichmäßige thermische Regenerationsbedingungen gewährleistet werden, insbesondere können günstige thermische Regenerationsbedingungen durch Vermeidung von Auskühlung im unteren Lastbereich sowie bei niedrigen Außentemperaturen gewährleistet werden.Of Further, too low temperatures during Regeneration avoided and uniform thermal regeneration conditions are ensured In particular, favorable thermal regeneration conditions can Avoidance of cooling in the lower load range as well guaranteed at low outdoor temperatures become.
Weiterhin ermöglicht die Erfindung die Verteilung von Latentwärme auf das Filtersubstrat und damit eine gleichmäßige Temperierung und Rußoxidation sowie eine Schonung und Lebensdauererhöhung katalytischer Beschichtungen. Gleichmäßige thermische Betriebsprofile tragen zum optimalen Betrieb katalytischer Beschichtungen insbesondere während des Motorbetriebs im Volllastbereich sowie der Regeneration bei verhältnismäßig niedrigen Abgastemperaturen bei. Des Weiteren wird die Aufwärmehase bis zur Erreichung der für die Regeneration günstigen thermischen Betriebsbedingungen verkürzt.Furthermore, the invention allows the distribution of latent heat on the filter substrate and thus a uniform temperature and soot oxidation as well as a conservation and lifetime increase of catalytic coatings. Uniform thermal operating profiles contribute to the optimal operation of catalytic coatings in particular during engine operation at full load and regeneration at relatively low exhaust gas temperatures. Furthermore, the warm-up phase is shortened until the favorable for the regeneration thermal operating conditions.
Die Verbindung eines Latentwärmespeichers mit dem Substrat eines Partikelfilters im einlassseitigen Bereich der Auslasskanäle, insbesondere eines Dieselpartikelfilters, ist in vorteilhafter Weise auf die heute bekannten Bauformen solcher Filter und die im Automobilserienbau eingesetzten Regenerationsverfahren anwendbar.The Connection of a latent heat accumulator with the substrate a particulate filter in the inlet side region of the outlet channels, in particular a diesel particulate filter is, in an advantageous manner on the today known types of such filters and in the automotive series applicable regeneration method applicable.
Eine Einsparung von Kraftstoff im Betrieb des Partikelfilters stellt sich ein, weil sich der Bedarf an Kraftstoff-Nacheinspritzungen während der Regeneration verringert, weil überschüssige Wärme im PCM zwischengespeichert und wieder an den Partikelfilter während der Regeneration abgegeben werden kann. Somit kommt es auch seltener zu Unterbrechungen der Regeneration, was vorteilhaft ist, da jede Wiederaufnahme einer unterbrochenen Regeneration ansonsten einen erneuten Aufheizvorgang bedingt. Der Betrieb ist auch deswegen kraftstoffsparend, weil ein gleichmässig günstiges Temperaturniveau infolge einer Latentwärmespeicherung im entsprechenden Temperaturbereich weniger Heizung durch Verbrennung nacheingespritzten Kraftstoffs erfordert.A Saving fuel during operation of the particulate filter provides one, because of the need for post fuel injections during regeneration decreases because of excess Heat stored in the PCM and back to the particulate filter during the regeneration can be delivered. Thus comes It is also less likely to interrupt regeneration, which is beneficial otherwise, any resumption of interrupted regeneration a renewed heating process conditional. The operation is also because of that fuel-saving, because a uniformly favorable Temperature level as a result of latent heat storage in the corresponding temperature range less heating by combustion re-injected fuel requires.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist es, zwei oder mehrere latentwärmespeichernde Materialien mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen zu verwenden. Dies erlaubt eine Spreizung des Temperaturbereichs der Latentwärmespeicherung unter Beibehaltung der inneren thermischen Energie im Filtersubstrat auf einem günstigen Temperaturniveau bis zur nächsten Regenerationsphase.By those listed in the dependent claims Measures are advantageous developments and improvements possible. It is particularly advantageous, two or more latent heat storage materials with different melting temperatures to use. This allows a spread of the temperature range the latent heat storage while maintaining the internal thermal Energy in the filter substrate at a favorable temperature level until the next regeneration phase.
Weiterhin ist es vorteilhaft, durch induktive Heizung eines elektrisch leitfähigen PCM thermisch günstige Betriebsbedingungen rascher zu erreichen und eine spontane Selbstentzündung und exotherme Oxidation des Ruß ohne kritischen thermischen Stress einzuleiten und aufrechtzuerhalten.Farther it is advantageous, by inductive heating of an electrically conductive PCM thermally favorable operating conditions to achieve faster and a spontaneous auto-ignition and exothermic oxidation soot without critical thermal stress and uphold.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die weiteren in den weiteren abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale.Further Benefits result from the others in the other dependent Claims and features mentioned in the description.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention are illustrated in the drawing and in the following description explained in more detail.
Es zeigenIt demonstrate
Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention
Während
der exothermen Regenerierung eines Dieselpartikelfilters können
sowohl im Filtermaterial als auch im Abgasstrom Temperaturen von
800 Grad Celsius und höher auftreten. Dies kann besonders
im Leerlauf und bei geringen Drehzahlen zu thermischen Problemen
im Filtermaterial und am Endrohr führen. Insbesondere Filtermaterialien
wie Cordierit sind besonders gegen Übertemperaturen empfindlich,
was zur Rissbildung im Substrat, Verformung und Zerstörung
des Filters führen kann. Andererseits sollen die thermischen
Bedingungen während der Regeneration solange aufrechterhalten
werden, bis die Regeneration abgeschlossen ist. Während
der Regeneration des Partikelfilters sollte ein Auskühlen
und damit ein Abbruch oder eine unvollständige Regeneration
durch zu kalte Abgase vermieden werden. Übertemperatur
am Partikelfilter-Substrat etwa aus Cordierit führt im
Filterbetrieb zu einer von einem nicht näher dargestellten
Steuergerät aktiv gesteuerten Regenerationsunterbrechung.
Die Regenerationsunterbrechungsbedingungen, die im der Brennkraftmaschine
zugeordneten elektronischen Steuergerät abgelegt sind,
sind ”selbstheilend”. Wenn die Regeneration unterbrochen
wird, kühlt das Abgas wieder ab und die Unterbrechungsbedingung ”heilt”,
sodaß wieder regeneriert werden kann. Bedingungen, die
eine Regeneration komplett unmöglich machen, müssen
in der Regel zu anderen Maßnahmen führen (russarmer
Betrieb, Momentenreduktion, um den Fahrer zu veranlassen, das Fahrzeug
in die Werkstatt zu bringen, bevor es infolge eines verstopften
Partikelfilters liegenbleibt). „Selbstheilende” Unterbrechungsbedingungen
haben keine spürbaren Nachteile, außer eines höheren
Kraftstoffverbrauchs durch eine erhöhte Regenerationshäufigkeit
bzw. eine insgesamt längere Regenerationsdauer. Dauerhaft
die Regeneration verhindernde Bedingungen wirken sich hingegen gravierend
aus. Die Regenerationsdauer liegt in der Regel im Bereich 10...20
min, je nachdem, wie günstig die thermischen Regenerationsbedingungen
sind (Sauerstoffangebot, Betriebshistorie, Halten der Regenerationstemperatur).
Das PCM
Je
nach konstruktiver Auslegung des Partikelfilters, je nach konstruktiver
Auslegung und Wärmekapazität des Filtersubstrats,
je nach Schmelzpunkt und Schmelzenthalpie des (alternativ verwendeten)
latentwärmespeichernden Materials
Die Verwendung zweier PCM-Materialien mit zwei verschiedenen Schmelztemperaturen dient dazu, den technisch interessanten Temperaturbereich der Latentwärmespeicherung zu erweitern.The Use of two PCM materials with two different melting temperatures serves the technically interesting temperature range of latent heat storage to expand.
Die beiden Materialien können durch eine nicht näher dargestellte Wand separiert werden, wenn sie ansonsten beispielsweise chemisch miteinander reagieren oder wenn ihre Flüssigphasen sich ansonsten mischen würden. Diese Trennwand kann folgende Materialien enthalten beziehungsweise aus diesen einzeln oder in Kombination bestehen: eine Metallverbindung, deren Schmelzpunkt oberhalb des Betriebstemperaturbereichs des Partikelfilters liegt; eine dichte Keramikscheibe oder -pille, die im Strangziehverfahren vor dem Sintern eingepresst wird; das Substratmaterial selbst, mit glatter, porenfreier Oberfläche.The two materials can be separated by a wall, not shown, otherwise, for example, chemically react with each other or when their liquid phases otherwise would mix. This partition may contain or consist of the following materials individually or in combination: a metal compound whose melting point is above the operating temperature range of the particulate filter; a dense ceramic disk or pill which is pressed in the pultrusion process prior to sintering; the substrate material itself, with a smooth, pore-free surface.
Mittels
der Wirbelstromheizung kann das PCM über seinen Schmelzpunkt
hinaus aufgeheizt werden, um die Regeneration schneller einzuleiten und
zu beschleunigen oder um bei geringen Abgastemperaturen das Filtersubstrat
und den elektrisch leitfähigen, eingelagerten Ruß aufzuheizen,
was die zur Rußoxidation erforderliche Kraftstoffmenge
zu verringert. Der magnetische Rückfluß der Induktionsspule(n)
verläuft durch das nicht näher dargestellte Stahlblechgehäuse
des Filters, es schirmt zudem das elektromagnetische Feld nach außen
wirksam ab. Der Ruß kann kontrolliert soweit erhitzt werden, daß auch
im unteren Abgastemperaturbereich die spontane Selbstentzündung
und exotherme Oxidation eintritt. Dadurch, dass zwei Induktionsspulen
vorgesehen sind, kann eine aufgeschmolzene Zone des latentwärmespeichernden
Materials entlang der Auslasskanäle
Es können auch mehr als zwei getrennt ansteuerbare, hintereinander angeordnete Spulen beziehungsweise mehr als zwei getrennt bestrombare Spule angebaut werden. in einer einfachen Ausführungsform kann auch nur eine Induktionsspule vorgesehen sein.It can also control more than two separately, consecutively arranged coils or more than two separately energizable coil be grown. in a simple embodiment also be provided only an induction coil.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- - EP 0596854 [0005] - EP 0596854 [0005]
- - US 1395960 [0006] US 1395960 [0006]
- - US 2007/0292657 [0007] US 2007/0292657 [0007]
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