DE102017206475A1

DE102017206475A1 - Partikelfilterbaugruppe für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zur Behandlung eines Partikel aufweisenden Abgases

Info

Publication number: DE102017206475A1
Application number: DE102017206475.7A
Authority: DE
Inventors: Manfred Lauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2018-10-18

Abstract

Eine Partikelfilterbaugruppe (10) für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit Ottomotor, hat einen ersten Strömungsweg (12) für den Abgasstrom (A), in dem ein elektrostatischer Partikelabscheider (14) angeordnet ist, einen zum ersten Strömungsweg (12) parallel verlaufenden zweiten Strömungsweg (16) für den Abgasstrom (A), in dem ein als Wandstromfilter ausgebildeter Partikelfilter (18) angeordnet ist, und ein Ventil (20), das zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung umschaltbar ist, so dass der Abgasstrom (A) durch den ersten oder durch den zweiten Strömungsweg (12, 16) geleitet wird. Außerdem wird ein Verfahren zur Behandlung eines Partikel aufweisenden Abgases eines Kfz-Verbrennungsmotors, insbesondere eines Ottomotors, beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Partikelfilterbaugruppe für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit Ottomotor, sowie ein Verfahren zur Behandlung eines Partikel aufweisenden Abgases eines Kfz-Verbrennungsmotors, insbesondere eines Ottomotors.
Zur Einhaltung zunehmend strengerer umweltgesetzlicher Vorgaben ist es erforderlich, die Abgase von verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen einer Reinigung zu unterziehen. So werden bei Kraftfahrzeugen mit Dieselmotor oder mager betriebenem Ottomotor (z. B. Benzindirekteinspritzer) zur Reduktion der partikelförmigen Emissionen geeignete Partikelfilter bzw. Partikelabscheider eingesetzt.
Beim Prinzip der Partikelfilterung erfolgt die Abscheidung meist auf porösen keramischen Monolithen mit einer Vielzahl parallel ausgebildeter Strömungskanäle.
Sogenannte Wandstromfilter weisen Strömungskanäle auf, die abwechselnd als Eintritts- und Austrittskanäle ausgebildet sind, indem ihr hinteres bzw. vorderes Ende verschlossen ist. Der Abgasstrom tritt über die Eintrittskanäle in den Filterkörper ein, kann diesen jedoch nur wieder verlassen, indem er das die Kanäle voneinander trennende poröse Wandmaterial durchströmt. Dabei lagern sich Rußpartikel an den Zwischenwänden zwischen Eintrittskanälen und Austrittskanälen ab. Da sich die Poren des Wandmaterials auf diese Weise langsam zusetzen, erhöht sich der Abgasgegendruck, und der Wirkungsgrad des Motors sinkt. Insbesondere bei Kurzstreckenverkehr setzen sich derartige Filter sehr schnell zu.
Um einem zu hohen Abgasgegendruck vorzubeugen, muss der Partikelfilter regeneriert werden, indem die auf der Filteroberfläche angesammelten Partikel abgebrannt werden.
Dieses Abbrennen kann kontinuierlich erfolgen, indem der Filter fortwährend bei einer so hohen Temperatur betrieben wird, dass die abgeschiedenen Partikel schneller abbrennen, als sie nachgeliefert werden. Hierzu ist allerdings eine entsprechend hohe Abgastemperatur erforderlich, die bei normalem Dieselabgas in der Größenordnung von 600°C liegt.
Durch Zusätze zum Kraftstoff oder durch katalytische Oxidation von im Abgas enthaltenem NO und Nutzung des gebildeten NO₂ zum Rußabbrand lässt sich die notwendige Abbrandtemperatur auf Werte bis unter 400°C reduzieren. Da das Abgas besonders im niedrigen Lastbereich jedoch deutlich kälter anfällt, ist für eine kontinuierliche Regeneration eine nicht unerhebliche Zusatzenergie erforderlich, um die Abgastemperatur entsprechend zu erhöhen.
Aus diesem Grund sehen viele Partikelfilterkonzepte vor, das Abgas lediglich in periodischen Abständen auf Zündtemperatur aufzuheizen, wenn sich eine entsprechende Filterbeladung aufgebaut hat.
Auch hier kommen zur Anhebung der Abgastemperatur und Erleichterung der Regeneration verschiedene, auch miteinander kombinierbare Techniken zum Einsatz. Durch Additivzugabe zum Kraftstoff lässt sich die zur Verbrennung der Partikel im Filter notwendige Temperatur auf circa 450 bis 550°C reduzieren. Weiterhin ist es bekannt, dem Partikelfilter einen Oxidationskatalysator vorzuschalten, der durch Oxidation einer im Abgasstrom befindlichen oxidierbaren Substanz die zum Abrennen der Rußpartikel benötigte Wärme erzeugt. Hierbei wird zur Regeneration des Partikelfilters das Abgas von Zeit zu Zeit mit der oxidierbaren Substanz, üblicherweise Kraftstoff, angereichert, was über eine Nacheinspritzung in den Brennraum des Motors oder durch Kraftstoffeinbringung direkt in den Abgasstrang realisiert werden kann.
Neben Wandstromfiltern sind auch sogenannte Nebenstromfilter (genauer Nebenstromtiefbettfilter) bekannt, bei denen die Kanäle nicht vollständig verschlossen sind, so dass es einem Nebenstrom stets möglich ist, durch den Eintrittskanal weiter zu strömen. Daher erhöht sich der Abgasgegendruck im Betrieb nicht wesentlich. Durch konstruktive Details wie Leitschaufeln, Umlenkungen etc. wird ein Teil des Abgasstroms in Nachbarkanäle umgelenkt und durchströmt dabei ein Filtermaterial.
Nebenstromtiefbettfilter sind üblicherweise kontinuierlich regenerierende Systeme nach dem CRT-Prinzip (CRT = continuous regeneration trap), die mit einer oxidativ wirkenden katalytischen Beschichtung versehen sind. Die Filterbeschichtung wandelt das im Abgas vorhandene Stickstoffmonoxid zusammen mit Restsauerstoff in Stickstoffdioxid um, das eine kontinuierliche Verbrennung des im Partikelfilter angesammelten Rußes ermöglicht.
Nachteilig bei Nebenstromfiltern ist der gegenüber Wandstromfiltern geringere Filtrationswirkungsgrad.
Eine weitere Möglichkeit zur Reinigung eines Partikel aufweisenden Abgases besteht in der elektrostatischen Abscheidung von Partikeln, die insbesondere in Industrieanlagen Anwendung findet. Bei elektrostatischen Abscheidern werden die Rußpartikel in einem elektrischen Feld aufgeladen und anschließend an einer Sammelelektrode abgeschieden. Dabei kommt es zur Agglomeration der Partikel, was insbesondere bei Nanopartikeln von Vorteil ist, die durch herkömmliche Filter aufgrund der Porengröße nicht oder nur schwer entfernt werden können. Der Einsatz derartiger elektrostatischer Abscheider in Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise in der DE 10 2009 025 126 A1 vorgeschlagen, gestaltet sich jedoch schwierig, da es aufgrund von Feuchtigkeit und Kondensat im Abgas in Kombination mit der hohen benötigten lonisierungsspannung zu Überschlägen kommt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Partikelfilterbaugruppe bzw. ein Verfahren zur Behandlung eines Partikel aufweisenden Abgases eines Kfz-Verbrennungsmotors bereitzustellen, die bzw. das sich durch einen hohen Filtrationswirkungsgrad bei geringem Abgasgegendruck auszeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird dies durch eine Partikelfilterbaugruppe für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit Ottomotor, erreicht, mit einem ersten Strömungsweg für den Abgasstrom, in dem ein elektrostatischer Partikelabscheider angeordnet ist, einem zum ersten Strömungsweg parallel verlaufenden zweiten Strömungsweg für den Abgasstrom, in dem ein als Wandstromfilter ausgebildeter Partikelfilter angeordnet ist, und einem Ventil, das zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung umschaltbar ist, so dass der Abgasstrom durch den ersten oder durch den zweiten Strömungsweg geleitet wird. Die erfindungsgemäße Baugruppe kombiniert also einen als Wandstromfilter ausgebildeten Partikelfilter mit einem elektrostatischen Partikelabscheider, wobei der Abgasstrom in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors entweder durch den elektrostatischen Partikelabscheider oder durch den Partikelfilter geleitet wird. Dies ermöglicht die Nutzung des feuchtigkeitsunempfindlichen Partikelfilters immer dann, wenn die vorliegenden Bedingungen für die Verwendung des elektrostatischen Partikelabscheiders ungeeignet sind, namentlich während einer Kaltstartphase des Motors bzw. solange die Abgastemperatur einen vorgegebenen Wert nicht erreicht hat, der sicherstellt, dass der Abgasstrom kein Kondensat mehr enthält. Sobald die Abgastemperatur hoch genug ist, insbesondere also den Taupunkt überschritten hat, wird das Ventil umgeschaltet, und der elektrostatische Partikelabscheider übernimmt die Partikelreinigung. Auf diese Weise wird der Abgasgegendruck deutlich gesenkt. Zudem muss der hauptsächlich in der Kaltstartphase eingesetzte Partikelfilter deutlich seltener regeneriert werden.
Hierbei ist, wie auch bereits eingangs ausgeführt, unter einem Wandstromfilter ein Partikelfilter mit einem porösen Monolithen mit an den Enden wechselseitig verschlossenen Kanälen zu verstehen, bei dem das einströmende Abgas durch die porösen Kanalwände gezwungen wird.
Vorzugsweise weist der Partikelfilter ein Keramiksubstrat auf, insbesondere mit einer katalytischen Beschichtung. Ein Keramiksubstrat ist unempfindlich gegenüber feuchten Umgebungsbedingungen, wie sie insbesondere in der Kaltstartphase des Motors im Abgasstrang vorliegen. Mit einer geeigneten katalytischen Beschichtung lässt sich, wie bereits eingangs ausgeführt, die zur Regeneration des Partikelfilters erforderliche Abgastemperatur verringern und somit die Regeneration erleichtern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektrostatische Partikelabscheider als Nebenstromfilter bzw. Nebenstromtiefbettfilter ausgebildet. Dieser bietet, wie bereits weiter oben beschrieben, gegenüber einem Wandstromfilter den Vorteil, dass sich der Abgasgegendruck im Betrieb nicht oder kaum erhöht. Seine Regeneration erfolgt kontinuierlich nach dem CRT-Prinzip. Um einen Nebenstromfilter als elektrostatischen Partikelabscheider nutzen zu können, weist dieser insbesondere einen elektrisch leitfähigen metallischen Wabenkörper auf, der gleichzeitig als Abscheideelektrode für die elektrostatisch aufgeladenen Rußpartikel dient. Ein metallischer Wabenkörper zeichnet sich zudem durch eine hohe mechanische sowie thermische Dauerhaltbarkeit, einen geringen Druckverlust und eine große Oberfläche aus. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem Wabenkörper wird ein über dessen gesamten Querschnitt möglichst gleichmäßig aufgebautes elektrisches Feld erzeugt, z.B. mittels mehrerer Elektroden, die in einen als Stromverteiler dienenden zweiten metallischen Wabenkörper eingelötet sein können. Mit einem als Nebenstromtiefbettfilter ausgebildeten elektrostatischen Partikelabscheider lässt sich eine gute Abscheideleistung für alle Partikelgrößen erreichen, gerade auch für gesundheitlich besonders bedenkliche Nanopartikel, die aufgrund der elektrostatischen Anziehungskräfte zu größeren Partikeln agglomerieren und somit besser aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden können.
Eine kostengünstige und konstruktiv einfache Ausführung ergibt sich, wenn das Ventil ein Tellerventil ist.
Um eine möglichst hohe Lebensdauer des Ventils zu gewährleisten, ist dieses vorzugsweise in Strömungsrichtung des Abgases gesehen auf der Ausgangsseite des elektrostatischen Partikelabscheiders angeordnet.
Bevorzugt ist die Partikelfilterbaugruppe zur Anordnung stromabwärts eines Katalysators, insbesondere eines Oxidationskatalysators, vorgesehen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Partikelfilter selbst keine katalytische Beschichtung aufweist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Partikelfilter ein geringeres Volumen als der elektrostatische Partikelabscheider auf. Ein vergleichsweise kleiner Partikelfilter ist bei der erfindungsgemäßen Baugruppe ausreichend, da dieser lediglich in einer Kaltstartphase des Motors die Partikelfilterung vornimmt. Insbesondere weist der Partikelfilter zudem ein geringeres Volumen als herkömmliche Partikelfilter auf.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Behandlung eines Partikel aufweisenden Abgases eines Kfz-Verbrennungsmotors, insbesondere eines Ottomotors, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Bestimmen der Temperatur des Abgasstroms; und
b1) Leiten des Abgasstroms durch einen ersten Strömungsweg einer Partikelfilterbaugruppe, in dem ein elektrostatischer Partikelabscheider angeordnet ist, falls die Temperatur des Abgasstroms mindestens bei einem vorgegebenen Grenzwert liegt; oder
b2) Leiten des Abgasstroms durch einen zweiten Strömungsweg einer Partikelfilterbaugruppe, in dem ein als Wandstromfilter ausgebildeter Partikelfilter angeordnet ist, falls die Temperatur des Abgasstroms unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also bei niedrigen Abgastemperaturen, insbesondere in einer Kaltstartphase, der Abgasstrom durch den als Wandstromfilter ausgebildeten Partikelfilter geleitet. Sobald die Temperatur den vorgegebenen Grenzwert erreicht, wird der Abgasstrom umgelenkt und durchströmt den elektrostatischen Partikelabscheider. Dadurch wird zum einen der Abgasgegendruck im normalen Fahrbetrieb deutlich gesenkt, zum anderen braucht der Wandstromfilter nicht so häufig regeneriert zu werden. In der Kaltstartphase des Motors erfolgt die Partikelreinigung durch den gegenüber Feuchtigkeit und Kondensat im Abgas unempfindlichen Wandstromfilter, wodurch die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, die bei der alleinigen Verwendung eines elektrostatischen Partikelabscheiders auftreten, umgangen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der vorgegebene Grenzwert zwischen 100 °C und 200 °C, vorzugsweise etwa 120 °C. Die Verwendung des elektrostatischen Partikelabscheiders erfolgt also erst bei Temperaturen, die oberhalb des Taupunkts des Abgasstroms liegen, um Spannungsüberschläge an der lonisierungselektrode des elektrostatischen Abscheiders sicher zu verhindern.
Dabei kann die Temperatur des Abgasstroms direkt oder indirekt bestimmt werden, beispielsweise durch direkte Messung mittels geeigneter Sensoren oder indirekt durch Modellbildung, wobei hier die Umgebungstemperatur sowie die Motorlaufzeit in die Modellberechnung mit einfließen. Auch die Motortemperatur kann ein entscheidender Faktor sein.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Partikelfilterbaugruppe, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Partikelfilterbaugruppe 10 für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit Ottomotor. Die Partikelfilterbaugruppe 10 weist einen ersten Strömungsweg 12 für einen Abgasstrom A auf, wobei im ersten Strömungsweg 12 ein elektrostatischer Partikelabscheider 14 angeordnet ist. Dieser ist als Nebenstromfilter, genauer Nebenstromtiefbettfilter ausgebildet und verfügt über einen metallischen Wabenkörper, der gleichzeitig als Abscheideelektrode dient. Dem Wabenkörper vorgeschaltet ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, die insbesondere einen zweiten metallischen Wabenkörper mit darin eingebetteten Elektroden als Stromverteiler aufweist.
Parallel zum ersten Strömungsweg 12 verläuft ein zweiter Strömungsweg 16 für den Abgasstrom A, in dem ein als Wandstromfilter ausgebildeter Partikelfilter 18 angeordnet ist. Dieser weist ein Keramiksubstrat auf, das mit einer katalytischen Beschichtung versehen sein kann. Wie aus der Figur ersichtlich ist, hat der Partikelfilter 18 ein geringeres Volumen als der elektrostatische Partikelabscheider 14. Insbesondere weist der Partikelfilter 18 zudem ein geringeres Volumen als übliche Partikelfilter auf, die alleine zur Partikelfilterung eingesetzt werden.
Um den Abgasstrom A wahlweise durch den ersten Strömungsweg 12 oder durch den zweiten Strömungsweg 16 (und damit durch den elektrostatischen Partikelabscheider 14 oder durch den Partikelfilter 18) leiten zu können, ist im ersten Strömungsweg 12 auf der Ausgangsseite des elektrostatischen Partikelabscheiders 14 ein Ventil 20 vorgesehen, das als Tellerventil ausgeführt ist. Das Ventil 20 ist zwischen einer in der Figur gezeigten (offenen) ersten Stellung, in der der erste Strömungsweg 12 für den Abgasstrom A frei durchströmbar ist, sowie einer zweiten Stellung umschaltbar. In der zweiten Stellung ist das Tellerventil geschlossen, so dass der Abgasstrom A durch den zweiten Strömungsweg 16 geleitet wird.
Zudem ist der Partikelfilterbaugruppe 10 ein Katalysator 22, hier ein Oxidationskatalysator, vorgeschaltet.
Die Partikelfilterbaugruppe 10 eignet sich besonders zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Betrieb des Kfz-Motors, bei dem es sich insbesondere um einen Ottomotor handelt, wird zunächst die Temperatur des Abgasstroms A direkt oder indirekt bestimmt. Eine indirekte Bestimmung erfolgt z.B. mittels Modellbildung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, der Motorlaufzeit etc.
Liegt die Temperatur des Abgasstroms A unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes, der zwischen 100 °C und 200 °C, vorzugsweise etwa 120 °C, beträgt, was insbesondere in einer Kaltstartphase des Motors der Fall ist, so wird der Abgasstrom A durch den zweiten Strömungsweg 16 und damit durch den als Wandstromfilter ausgebildeten Partikelfilter 18 geleitet, indem das Ventil 20 geschlossen wird bzw. in der geschlossenen zweiten Stellung verbleibt. Bei diesen geringen Temperaturen befindet sich vergleichsweise viel Feuchtigkeit bzw. Kondensat im Abgasstrom A, wofür der keramische Partikelfilter 18 jedoch unempfindlich ist.
Liegt die Temperatur des Abgasstroms A dagegen bei dem vorgegebenen Grenzwert oder darüber (z.B. bei einem Warmstart oder durch Temperaturanstieg im Fahrbetrieb) und damit oberhalb des Taupunkts des Abgasstroms A, wird das Ventil 20 aus der geschlossenen zweiten Stellung in die in der Figur gezeigte erste Stellung umgeschaltet, in der es den ersten Strömungsweg 12 für den Abgasstrom A freigibt. Somit durchströmt der Abgasstrom A den als Nebenstromfilter ausgebildeten elektrostatischen Partikelabscheider 14, wodurch sich der Abgasgegendruck verringert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009025126 A1 [0013]

Claims

Partikelfilterbaugruppe für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit Ottomotor, mit einem ersten Strömungsweg (12) für den Abgasstrom (A), in dem ein elektrostatischer Partikelabscheider (14) angeordnet ist, einem zum ersten Strömungsweg (12) parallel verlaufenden zweiten Strömungsweg (16) für den Abgasstrom (A), in dem ein als Wandstromfilter ausgebildeter Partikelfilter (18) angeordnet ist, und einem Ventil (20), das zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung umschaltbar ist, so dass der Abgasstrom (A) durch den ersten oder durch den zweiten Strömungsweg (12, 16) geleitet wird.
Partikelfilterbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (18) ein Keramiksubstrat, insbesondere mit einer katalytischen Beschichtung, aufweist.
Partikelfilterbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostatische Partikelabscheider (14) als Nebenstromfilter ausgebildet ist.
Partikelfilterbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (20) ein Tellerventil ist.
Partikelfilterbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (20) in Strömungsrichtung des Abgases gesehen auf der Ausgangsseite des elektrostatischen Partikelabscheiders (14) angeordnet ist.
Partikelfilterbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anordnung stromabwärts eines Katalysators (22), insbesondere eines Oxidationskatalysators, vorgesehen ist.
Partikelfilterbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (18) ein geringeres Volumen als der elektrostatische Partikelabscheider (14) aufweist.
Verfahren zur Behandlung eines Partikel aufweisenden Abgases eines Kfz-Verbrennungsmotors, insbesondere eines Ottomotors, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bestimmen der Temperatur des Abgasstroms (A); und b1) Leiten des Abgasstroms (A) durch einen ersten Strömungsweg (12) einer Partikelfilterbaugruppe (10), in dem ein elektrostatischer Partikelabscheider (14) angeordnet ist, falls die Temperatur des Abgasstroms (A) mindestens bei einem vorgegebenen Grenzwert liegt; oder b2) Leiten des Abgasstroms (A) durch einen zweiten Strömungsweg (16) einer Partikelfilterbaugruppe (10), in dem ein als Wandstromfilter ausgebildeter Partikelfilter (18) angeordnet ist, falls die Temperatur des Abgasstroms (A) unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Grenzwert zwischen 100 °C und 200 °C, vorzugsweise etwa 120 °C, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgasstroms (A) direkt oder indirekt bestimmt wird.