DE102015211775B4

DE102015211775B4 - Adaptive Partikelfilterregeneration

Info

Publication number: DE102015211775B4
Application number: DE102015211775.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Boerensen; Mario Balenovic; Elmar Riesmeier
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2035-06-26
Also published as: DE102015211775A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Partikelfilters (4) zur Reinigung von Abgas einer Brennkraftmaschine, bei dem ein in einer Abgasanlage (2) angeordneter Partikelfilter (4) mit einer Beschichtung (5) aus einem katalytisch wirksamem Material bereitgestellt wird, der durch Verbrennen von im Partikelfilter (4) eingelagerten Partikeln regeneriert wird, wobei die Stabilität des Partikelfilters (4) durch die Höhe eines Wärmeausdehnungskoeffizienten beeinflusst wird und wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient bezogen auf seinen ursprünglichen Wert durch Durchführen von mehreren Zyklen von Erwärmen und Abkühlen des Partikelfilters (4) erniedrigt wird, wobei die Zyklen im Rahmen von Regenerationen des Partikelfilters (4) im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt werden,dadurch charakterisiert, dassdie Anzahl der Zyklen sowie die bei dem Erwärmen erreichten Temperaturen und die Dauer der Wärmeeinwirkung durch eine Steuerungseinrichtung (9) erfasstwerden undwobei mittels der Steuerungseinrichtung (9) aus den erfassten Parametern ein aktueller Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Partikelfilters zum Reinigen von Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Partikelfilters durch wiederholtes Erwärmen und Abkühlen im Vergleich zu seinem ursprünglichen Wert gesteigert wird.
Zum Reinigen von Abgas einer Brennkraftmaschine werden Filter verwendet, die die Menge von im Abgas enthaltenen Rußpartikeln reduzieren. Rußpartikel entstehen in Brennkraftmaschinen vor allem bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff und bestehen hauptsächlich aus Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Die entsprechenden Filter werden darum auch als Partikelfilter bezeichnet. Die in einem Partikelfilter gesammelten Rußpartikel werden durch Verbrennen entfernt, wodurch der Partikelfilter regeneriert wird. In der Druckschrift DE 11 2007 001 887 T5 wird beispielhaft ein Verfahren beschrieben, wobei im Betriebs eines Rußpartikelfilters unter anderem auch die Rußbeladung und die Regeneration des Rußpartikelfilters überwacht wird. Eine regelmäßige Regeneration des Filters ist notwendig, da eine zunehmende Rußbeladung zu einem hohen Abgasgegendruck führt, der den Abgasausstoß behindert. Die durch das Verbrennen der Rußpartikel entstehenden Temperaturen führen allerdings zu einer Ausdehnung des Materials und zu thermischem Stress. Das kann zu Rissen im Material des Filters führen, die seine Filtrationseffizienz herabsetzen.
Herkömmlicherweise werden Partikelfilter aus Hochtemperaturwiderstandsfähiger Keramik hergestellt, wie z. B. Siliciumcarbid, feuerfeste Werkstoffe auf Oxidbasis (z. B. Aluminiumtitanat) und Cordierit. Die hauptsächlichen die Stabilität determinierenden Materialeigenschaften sind Festigkeit, Elastizitätsmodule, thermische Leitfähigkeit und thermische Ausdehnung. Besonders für die besagten Oxide, die eine relativ geringe Festigkeit aufweisen, ist es wichtig, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient steuerbar und dabei möglichst niedrig ist. Problematisch ist in diesem Zusammenhang, dass Filter häufig eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweisen, die für die Unterstützung der Rußpartikelverbrennung oder für zusätzliche Funktionen wie eine Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen oder NO_x-Speicherung vorgesehen sind. Diese Beschichtung erhöht wiederum den Wärmeausdehnungskoeffizienten, besonders der erwähnten Oxide, eines entsprechenden Filters. Es besteht damit die Aufgabe, in einem Rußpartikelfilter die negativ auf die Stabilität wirkenden Eigenschaften der katalytisch wirksamen Beschichtung auszugleichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausfüh rungsbeispielen.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass eine Erwärmung und Abkühlung eines Filters im Rahmen einer Regeneration des Filters den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Filtermaterials auf einem niedrigen Niveau hält und dadurch die Stabilität gegenüber herkömmlichen Filtern gesteigert wird.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Kennwert, der das Verhalten eines Materials bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschreibt. In vorliegender Anmeldung bezieht sich der Wärmeausdehnungskoeffizient auf eine Ausdehnung in einer bestimmten Richtung, z. B. der Breite, und ist damit ein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient; er wird in vorliegender Anmeldung als Wärmeausdehnungskoeffizient bezeichnet. Er wird ermittelt aus der relativen linearen Änderung dL/L in Abhängigkeit von der Temperaturänderung dT, und ergibt sich aus der Gleichung α = dL/LdT, wobei α der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient ist.
Ein Filter ist in der vorliegenden Anmeldung ein Partikelfilter, über den Verbrennungsrückstände aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine entfernt werden. Die Begriffe Filter und Partikelfilter beziehen sich in dieser Anmeldung auf dieselbe Einrichtung und werden synonym verwendet.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Filters zur Reinigung von Abgas einer Brennkraftmaschine, bei dem ein in einer Abgasanlage angeordneter Partikelfilter mit einer Beschichtung aus katalytisch wirksamem Material bereitgestellt wird, der durch Verbrennen von eingelagerten Partikel regeneriert wird, wobei die Stabilität des Partikelfilters durch die Höhe eines Wärmeausdehnungskoeffizienten beeinflusst wird und wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient bezogen auf seinen ursprünglichen Wert durch Durchführen mindestens eines Zyklus von Erwärmen und Abkühlen des Partikelfilters erniedrigt wird.
Das Verfahren ist vorteilhaft, weil die Stabilität des Partikelfilters mit der katalytisch wirksamen Beschichtung gegenüber Partikelfiltern ohne die erfindungsgemäße Behandlung signifikant erhöht wird. Dadurch sind z. B. längere Filter-bezogene Wartungsintervalle möglich als bei herkömmlichen Filtern.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere Zyklen durchgeführt. Durch die Wiederholungen der Zyklen wird die Stabilität des Filters signifikant erhöht. Das Durchführen eines Zyklus aus Erwärmen und Abkühlen des Filters, besonders im Rahmen einer Regeneration, wird in vorliegender Anmeldung auch als Wärmehandlung bezeichnet.
In dem Verfahren werden die Zyklen im Rahmen von Regenerationen des Partikelfilters im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine; der Partikelfilter wird dann auch als Dieselpartikelfilter bezeichnet. Die Anzahl der Zyklen sowie die bei dem Erwärmen erreichten Temperaturen und die Dauer der Wärmeeinwirkung werden durch eine Steuerungseinrichtung erfasst.
Aus den erfassten Parametern, besonders aus der Anzahl und Dauer von Hochtemperaturereignissen im Rahmen von Regenerationen des Partikelfilters, wird mittels der Steuerungseinrichtung ein aktueller Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten ermittelt.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn mittels der Steuerungseinrichtung auf der Basis des aktuellen Wertes des Wärmeausdehnungskoeffizienten die maximal mögliche Partikel-Beladung des Partikelfilters berechnet wird. Dadurch kann vorteilhafterweise der Maximalwert an Partikelladung eines in Gebrauch befindlichen Filters ermittelt werden, und damit auch der mögliche oder notwendige zeitliche Abstand zwischen den Regenerationen. Der Zeitpunkt und die Dauer der Regeneration des Filters werden vorzugsweise mittels der Steuerungseinrichtung berechnet.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn mindestens ein Zyklus zu einem Zeitpunkt durchgeführt wird, wenn die Brennkraftmaschine wenig Abgas produziert und der Partikelfilter fast frei von Partikeln ist. Der mindestens eine Zyklus wirkt dabei zusätzlich zu den im Rahmen von Regenerationen des Partikelfilters durchgeführten Zyklen vorteilhaft auf einen niedrigen Wert des Wärmeausdehnungs-koeffizienten des Partikelfilters.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Abkühlungsrate des Partikelfilters im Rahmen eines Zyklus von der Steuerungseinrichtung gesteuert, bis ein unkritisches Temperatur-Niveau erreicht ist. Das ist vorteilhaft, weil das Material des Partikelfilters bei der Abkühlung unter größerem Stress steht als bei der Erwärmung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mindestens ein Zyklus, bevorzugt mehrere Zyklen, vor Inbetriebnahme des Partikelfilters in einem Kraftfahrzeug durchgeführt. Dadurch wird eine vorteilhafte Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten bereits vor Inbetriebnahme eines entsprechenden Kraftfahrzeugs erreicht.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, einen in der Abgasanlage angeordneten Partikelfilter mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung und eine Steuerungseinrichtung, wobei die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen und dabei Start, Dauer und die Raten der Erwärmung und Abkühlung des Partikelfilters im Rahmen eines Zyklus zu überwachen. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung entsprechen denen des Verfahrens.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Abgasanlage mit einem Dieseloxidationskatalysator und einem Partikelfilter mit katalytisch wirksamer Beschichtung.
2 eine Abgasanlage mit einem Partikelfilter mit katalytisch wirksamer Beschichtung.
3 ein Diagramm zur Veränderung der Wärmeausdehnung eines Partikelfilters in Abhängigkeit von vorangegangenen Wärmebehandlungen.

In der Anordnung 1 sind gemäß der Darstellung von 1 in einer Abgasanlage 2 eines Kraftfahrzeugs ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) 3 und ein beschichteter Dieselpartikelfilter (CDPF) 4 angeordnet. Der CDPF 4 weist eine katalytisch wirksame Beschichtung 5 auf. Die Abgasanlage ist zum Ableiten von Abgas einer selbstzündenden Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) vorgesehen.
In die Anordnung 1 von DOC 3 und CDPF 4 wird durch einen Einlassbereich 6 Abgas hinein- und durch einen Auslassbereich 7 Abgas ausgeleitet. Dabei erreicht das Abgas in seiner Fließrichtung 8 zuerst den DOC 3 und dann den CDPF 4. Der DOC 3 wird neben der Reduktion des Schadstoffausstoßes auch zur Unterstützung der Regeneration des CDPF 4 durch Bereitstellen einer zum Starten der Regeneration notwendigen Temperatur eingesetzt. Weiterhin wird durch die Erzeugung von NO₂ ein starkes Oxidationsmittel für den Ruß im CDPF 4 bereitgestellt.
In der Anordnung 1 gemäß der Darstellung von 2 ist ein CDPF 4 angeordnet, der neben der Reduktion der Partikelmenge im Abgas mittels der katalytisch wirksamen Beschichtung 5 des Filters auch die Funktion eines Dieseloxidationskatalysators übernimmt.
Die Temperatur zum Starten der Regeneration des CDPF 4 kann durch innermotorische Verbrennung durch Nacheinspritzungen von Kraftstoff in den Brennraum eines Dieselmotors, aber auch durch nachmotorische Verbrennung erhöht werden, bei der Kraftstoff vor dem Katalysator im Einlassbereich 6 in der Abgasanlage 2 eingedüst wird. Die Regenerationstemperatur wird dabei vor dem CDPF 4 (1) oder im CDPF 4 (2) gebildet. Weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Temperatur im CDPF 4 sind die Verwendung thermischer Brenner und elektrischer Heizelemente. Starten von Regenerationsereignissen des CDPF, die Höhe der Starttemperatur, die Dauer des Rußabbrandes und auch der Prozess der Abkühlung werden mittels einer Steuereinrichtung 9 geregelt.
Um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des CDPF 4 auf einem möglichst niedrigen Niveau zu halten, wird ein Verfahren durchgeführt, in dem die Temperatur des CDPF 4 wiederholt erhöht und verringert wird. Die Temperatur wird dabei auf 400 °C erhöht, bevorzugt auf 500 °C, noch bevorzugter auf 600 °C, ebenfalls bevorzugt auf 700 °C, ebenfalls bevorzugt auf 800 °C und ebenfalls bevorzugt auf 900 °C. Die als Zyklen bezeichneten Ausführungen von Erhöhen und Verringern der Temperatur werden im Rahmen einer wiederholten Regeneration des CDPF 4, also einem Abbrennen der im Filter gesammelten Rußpartikel, durchgeführt.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des CDPF 4 während des Betriebs des entsprechenden Kraftfahrzeugs schnell verringert, indem die Zyklen auch während Leerlaufperioden oder bei geringer Motorbelastung durchgeführt werden. Der CDPF 4 ist dabei fast frei von Rußpartikeln, so dass die zeitliche Dauer einer Erwärmung im Vergleich zu einer Regeneration kürzer ist, und dabei schneller eine hohe Temperatur zum Starten der Rußverbrennung erreicht werden kann.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden Zyklen von Erwärmen und Abkühlen des CDPF 4 bereits vor Inbetriebnahme des Filters durchgeführt. Die Zyklen sind dabei nicht wirklich Regenerationsereignisse, da nach dem Herstellen des Filters noch keine Rußpartikel vorhanden sind, die abgebrannt werden.
In 3 ist dargestellt, wie sich der Wärmeausdehnungskoeffizient eines Filters durch Wirkung von Wärmebehandlungen verändert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ergibt sich dabei aus der relativen Ausdehnungsänderung des Filters in einer bestimmten Dimension, z.B. der Breite, die auf der Ordinate abgetragen sind, in Abhängigkeit von der Temperatur, die auf der Abszisse abgetragen ist. In der zweiten Wärmebehandlung zeigen die Linien 2a und 2b während der Erwärmung bzw. Abkühlung bereits eine deutlich geringere temperaturbedingte Ausdehnung des Filtermaterials als die Linien 1a und 1b, die die temperaturbedingte Ausdehnung während einer ersten Wärmebehandlung zeigen. In der dritten Wärmebehandlung zeigen die Linien 3a und 3b eine weitere geringere temperaturbedingte Ausdehnung des Filtermaterials. Die Wärmeausdehnung und damit die Belastung des Materials verringern sich also im Zuge mehrfacher Erwärmungs- und Abkühlungsereignisse des Filters.
Bezugszeichenliste

1: = Anordnung
2: = Abgasanlage
3: = Dieseloxidationskatalysator
4: = Dieselpartikelfilter, Partikelfilter
5: = katalytisch wirksame Beschichtung
6: = Einlassbereich
7: = Auslassbereich
8: = Fließrichtung des Abgases
9: = Steuereinrichtung

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Partikelfilters (4) zur Reinigung von Abgas einer Brennkraftmaschine, bei dem ein in einer Abgasanlage (2) angeordneter Partikelfilter (4) mit einer Beschichtung (5) aus einem katalytisch wirksamem Material bereitgestellt wird, der durch Verbrennen von im Partikelfilter (4) eingelagerten Partikeln regeneriert wird, wobei die Stabilität des Partikelfilters (4) durch die Höhe eines Wärmeausdehnungskoeffizienten beeinflusst wird und wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient bezogen auf seinen ursprünglichen Wert durch Durchführen von mehreren Zyklen von Erwärmen und Abkühlen des Partikelfilters (4) erniedrigt wird, wobei die Zyklen im Rahmen von Regenerationen des Partikelfilters (4) im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, dadurch charakterisiert, dass die Anzahl der Zyklen sowie die bei dem Erwärmen erreichten Temperaturen und die Dauer der Wärmeeinwirkung durch eine Steuerungseinrichtung (9) erfasst werden und wobei mittels der Steuerungseinrichtung (9) aus den erfassten Parametern ein aktueller Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mittels der Steuerungseinrichtung (9) auf der Basis des aktuellen Wertes des Wärmeausdehnungskoeffizienten die maximal mögliche Partikel-Beladung des Partikelfilters (4) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mittels der Partikelfilter (4) fast der Zeitpunkt und die Dauer der Regeneration des werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens ein Zyklus zu einem Zeitpunkt durchgeführt wird, wenn die Brennkraftmaschine wenig Abgas produziert und der frei von Partikeln ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Abkühlungsrate des Partikelfilters (4) im Rahmen eines Zyklus von der Steuerungseinrichtung (9) gesteuert wird, bis ein unkritisches Temperatur-Niveau erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zyklen vor Inbetriebnahme des Partikelfilters (4) in einem Kraftfahrzeug durchgeführt werden.
Anordnung (1) zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-6, umfassend eine Abgasanlage (2) einer Brennkraftmaschine, einen in der Abgasanlage (2) angeordneten Partikelfilter (4) mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung (5) und einer Steuerungseinrichtung (9), wobei die Steuerungseinrichtung (9) ausgebildet ist, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-6 auszuführen und dabei Start, Dauer, und die Raten der Erwärmung und Abkühlung des Partikelfilters (4) im Rahmen eines Zyklus zu überwachen.
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung gemäß Anspruch 7.