DE102016103735A1

DE102016103735A1 - Verfahren zur künstlichen Veraschung eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102016103735A1
Application number: DE102016103735.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Wessels; Florian Steimle; Clemens Brinkmeier
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-09-07

Abstract

Auf einen Partikelfilter wird gezielt eine Ascheschicht als Filterkuchen auf die Oberfläche der Kanalwand des Partikelfilters im Neuzustand aufgebracht. Hierzu sind mehrere Verfahren möglich, wobei ein erstes Verfahren durch einen speziellen Kraftstoff als Erstbefüllung verwendet wird und in einem weiteren Verfahren ein spezielles aschebildendes Öl dem Fahrzeug zugeführt wird und in einem dritten Verfahren wird eine direkte Beschichtung der Kanaloberfläche des Partikelfilters mit einem Aschebildner verwendet, der in einem nachgeschalteten Prozess abgebrannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur künstlichen Veraschung eines Partikelfilters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der WO 2014/183998 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Rußbeladung eines einer Brennkraftmaschine nachgeschaltetem Partikelfilters bekannt geworden. Die Ermittlung der eingetragenen Rußbeladung umfasst eine Berücksichtigung von vorbestimmten Rußanteilen von rußrelevanten Ereignissen eines standardisierten Fahrzykluses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur künstlichen Veraschung eines einer Brennkraftmaschine nachgeschalteten Partikelfilters im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verfahrensmerkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale des Verfahrens beinhalten die Unteransprüche.
Ein Problem bei der künstlichen Veraschung ist, dass die laufende gesetzliche Forderung zur Verbrauchsreduktion und gleichzeitige Verschärfung der Partikelgrenzwerte (Masse und Anzahl) eine zunehmende Herausforderung für die Verbrennungsmotorentwicklung darstellt. Die Einhaltung künftiger Partikelgrenzwerte unter den geforderten Randbedingungen einzuhalten wird zukünftig einer Verbrauchsabsenkung im Wege stehen. Dies führt dazu, dass in Zukunft fast alle Verbrennungsmotoren mit einem Partikelfilter ausgestattet werden müssen, wie dies bei Dieselmotoren der Fall ist.
Im Partikelfilter wird der Ruß aus der Verbrennung abgeschieden und durch eine gezielte Regeneration des Filters wieder in gasförmige Bestandteile umgewandelt. Des Weiteren verbleiben im Filter dauerhaft Aschebestandteile, die ihren Ursprung im Motoröl- und/oder Kraftstoffadditiven haben. Insbesondere weisen die bekannten Partikelfilter zwei Filterfunktionen auf, eine Tiefenfiltration und eine Oberflächenfiltration. Bei der Tiefenfiltration erfolgt das Abscheiden der Partikel in der Wand des Partikelfilters. Bei der Oberflächenfiltration erfolgt die Filtration auf der Oberfläche des Filters. Über die Laufzeit wird der Partikelfilter immer mehr vom Tiefenfilter zum Oberflächenfilter. Die Tiefenfiltration ist verbunden mit einem hohen Druckanstieg, da in diesem Fall die Permeabilität des Abgases besonders negativ beeinflusst wird. Sind die Poren in der Wand weitgehend mit Ruß belegt, lagert sich im Folgenden der Ruß weitgehend auf der Wand ab. Diese Oberflächenfiltration führt zu einem moderaten Druckanstieg, der geringer ist als bei der Tiefenfiltration. Wird der Ruß im Filter nun regeneriert, so baut sich der Druck mit einem Hystereseverhalten ab, d.h. im ersten Schritt mit einem großen Druckabfall anschließend mit einem moderaten Druckabfall. Im Gegensatz zum Ruß lagert sich die Asche im Partikelfilter stets auf der Wand und nie in der Wand ab, wodurch die Tiefenfiltration des Rußes grundsätzlich und irreversibel unterbunden wird, da der Ruß die Ascheschicht nicht durchdringen kann.
Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile bestehen darin, dass gezielt eine Ascheschicht auf die Kanalwände des Partikelfilters aufgebracht wird und die Tiefenfiltration des Rußes unterbunden werden kann. Dies wird nach der Erfindung in vorteilhafter Weise erreicht, indem zur Vermeidung der Tiefenfiltration eine Ascheschicht als Filterkuchen auf die Oberfläche der Kanalwände des Partikelfilters im Neuzustand aufgebracht wird. Diese Ascheschicht muss aus Elementen bestehen, die im späteren Betrieb nicht durch eine Oxidation oder eine generelle Ablösung wieder entfernt werden können. Des Weiteren muss sichergestellt sein, dass diese Ascheschicht nur auf der Wand und nicht in die Wand des Partikelfilters eingebracht wird. Hierzu bietet sich z. B. Ca, Mg, P und Zn als Aschebildner im Partikelfilter an.
Nach einer weiteren Ausführung des Verfahrens ist das Fahrzeug mit dem Partikelfilter mit einem speziellen Kraftstoff zur Tank-Erstbefüllung ausgestattet, um den Filterkuchen im Partikelfilter während des Fahrbetriebs bis zum Aufbrauch der Erstbefüllung aufzubrauchen und hierdurch die Ascheschicht aufbaubar ist. Problem bei diesem Verfahren ist, dass ein Nachtanken bis zur Reserve sicher unterbunden werden muss, um den Aufbau der Ascheschicht im Partikelfilter zu gewährleisten.
Nach einer weiteren Ausführung des Verfahrens ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine mit einem speziellen aschebildenden Öl zur Bildung des Filterkuchens im Partikelfilter befüllt wird, welches nach einem ersten Serviceintervall gegen normales Öl ausgewechselt wird. In diesem Fall muss unbedingt sichergestellt sein, dass die Erstbefüllung bis zum Serviceintervall nicht durch normales Öl ergänzt bzw. ersetzt wird.
Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine direkte Beschichtung der Wandoberfläche oder einer inneren Beschichtung des Partikelfilters mit einem Aschebildner erfolgt, der in einem nachgeschalteten Prozess oder direkt im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs abgebrannt wird. Bei dieser Verfahrensausführung ist von Vorteil, dass die Asche genau auf die Oberfläche des Partikelfilters aufgebracht wird, entweder direkt auf die Wandung oder auf eine Beschichtung des Partikelfilters. Bei diesem Verfahren kann die Ascheschicht hinsichtlich der Dicke und Zusammensetzung genau eingestellt werden. Hierdurch wird die Tiefenfiltration gezielt unterbunden und damit eine klare Zuordnung zwischen Gegendruck und angelagertem Ruß hergestellt. Der Gegendruck der Teile bleibt über die Laufzeit des Partikelfilters relativ konstant und der Druckanstieg bei Rußeinlagerung verhält sich linear Die Filtrationsrate von bekannten Partikelfiltern nimmt erst nach einer gewissen Laufzeit den gewünschten Wert an. Mit dem Verfahren nach der Erfindung kann die Filtrationsrate sehr genau eingestellt werden und erreicht schon im neuen Zustand den geforderten Wert. Der Partikelfilter kann bei dieser Ausführung extrem porös ausgeführt werden und damit einen extrem niedrigen Gegendruck aufweisen, weil mit dem vorgeschlagenen Verfahren die Filtrationsrate genau eingestellt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung und dem Schaubild dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 ein Schaubild des Partikelfilters mit einer Ruß- und Ascheschicht,
2 ein Schaubild mit auf der x-Achse aufgetragenem Rußanteil und auf der y-Achse den Druck Delta P.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird eine Ascheschicht A auf die Oberfläche der Kanalwand 2 des Partikelfilters 3 im Neuzustand aufgebracht, was in 1 dargestellt und im Schaubild 2 im Vergleich mit einer Ascheschicht und ohne Ascheschicht gezeigt ist, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wird. Im Schaubild 2 ist der Verlauf mit Asche und ohne Asche dargestellt, wobei auf der y-Achse Delta P und auf der x-Achse der Rußanteil dargestellt wird.
So wird zur Vermeidung der Tiefenfiltration eine Ascheschicht A als sogenannter Filterkuchen auf die Oberfläche der Kanalwand des Partikelfilters 3 im Neuzustand aufgebracht. Dies wird erreicht, indem das Fahrzeug mit dem Partikelfilter einen speziellen Kraftstoff zu Tankerstbefüllung erhält, um den Filterkuchen im Partikelfilter während des Fahrbetriebs bis zum Aufbrauch der Tank-Erstbefüllung aufzubauen und hierdurch die Ascheschicht aufgebaut wird. Es muss bei diesem Verfahren sichergestellt sein, dass ein Nachtanken bis zur Reserve unbedingt unterbleibt, um den sicheren Aufbau der Ascheschicht nicht zu gefährden.
Nach einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird die Brennkraftmaschine mit einem speziellen aschebildenden Öl zur Bildung des Filterkuchens im Partikelfilter 3 befüllt, welches nach einem ersten Serviceintervall gegen normales, gängiges Öl ausgewechselt wird.
Nach einer weiteren Ausführung des Verfahrens erfolgt eine direkte Beschichtung der Wandoberfläche oder einer inneren Beschichtung des Partikelfilters 3 mit einem Aschebildner, der in einem nachgeschalteten Prozess oder im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs abgebrannt wird.
Die Vorteile dieser Variante sind:
Die Asche wird genau auf der Oberfläche aufgebracht, entweder direkt auf den Partikelfilter oder auf die Beschichtung des Partikelfilters.
Die Ascheschicht kann bezüglich Dicke und Zusammensetzung genau eingestellt werden. Die Tiefenfiltration wird gezielt unterbunden und damit kann eine klare Zuordnung zu Gegendruck und angelagertem Ruß hergestellt werden.
Der Gegendruck der Teile bleibt über Laufzeit relativ konstant und der Druckanstieg bei Rußeinlagerung verhält sich linear.
Die Filtrationsrate kann sehr genau eingestellt werden und erreicht auch schon im neuen Zustand den geforderten Wert.
Der Partikelfilter kann extrem porös ausgeführt sein und damit ein extrem niedrigen Gegendruck aufweisen, weil mit dem vorgeschlagenen Verfahren die Filtrationsrate genau eingestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/183998 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur künstlichen Veraschung eines einer Brennkraftmaschine nachgeschalteten Partikelfilters im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung einer Tiefenfiltration eine Ascheschicht als Filterkuchen auf die Oberfläche der Kanalwand des Partikelfilters im Neuzustand aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug mit dem Partikelfilter einen speziellen Kraftstoff zur Tankerstbefüllung erhält, um den Filterkuchen im Partikelfilter während des Fahrbetriebs bis zum Aufbrauch der Erstbefüllung aufzubauen und hierdurch die Ascheschicht aufbaubar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mit einem speziellen aschebildenden Öl zur Bildung des Filterkuchens im Partikelfilter gefüllt wird, welches nach einem ersten Serviceintervall gegen normales Öl ausgewechselt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine direkte Beschichtung der Wandoberfläche oder einer inneren Beschichtung des Partikelfilters mit einem Aschebildner erfolgt, der in einem nachgeschalten Prozess oder im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs abgebrannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ascheschicht auf der inneren Oberfläche des Partikelfilters bezüglich seiner Dicke und Zusammensetzung einstellbar ist.