DE102017218572A1 - Process for the pretreatment of a particulate filter - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Vorbehandlung eines Partikelfilters angegeben, welches das Aufbringen von Ruß auf eine Oberfläche des Partikelfilters vor dem erstmaligen Verwenden des Partikelfilters in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors zum Herausfiltern von Partikeln aus einem im Abgasstrang strömenden Abgasstrom des Verbrennungsmotors aufweist.A method of pretreating a particulate filter is disclosed which comprises applying soot to a surface of the particulate filter prior to initial use of the particulate filter in an exhaust line of an internal combustion engine to filter out particulate matter from an exhaust stream of the combustion engine flowing in the exhaust line.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung eines Partikelfilters.The present invention relates to a method for pretreatment of a particulate filter.
Partikelfilter finden zunehmend sowohl im Abgasstrang von Diesel- als auch von Ottomotoren Verwendung, um partikuläre Schadstoffe, insbesondere Rußpartikel, aus dem Abgasstrom heraus zu filtern und so deren Emission in die Umgebung zu verringern. In gewissen Zeitabständen ist eine Regeneration des Partikelfilters erforderlich, bei der die heraus gefilterten Partikel unter Temperaturerhöhung verbrannt werden. Diese Verbrennung erfolgt jedoch nicht rückstandsfrei, so dass sich mit zunehmender Betriebsdauer Ascheablagerungen auf der Partikelfilteroberfläche akkumulieren.Particulate filters are increasingly being used both in the exhaust system of diesel engines and in gasoline engines in order to filter out particulate pollutants, in particular soot particles, from the exhaust gas flow and thus reduce their emission into the environment. At certain intervals, a regeneration of the particulate filter is required, in which the filtered out particles are burned under temperature increase. However, this combustion does not take place without residue, so that as the operating time increases, ash deposits accumulate on the particle filter surface.
In der
Allerdings kann mit diesem Verfahren die Mindestbeladung erst nach einer gewissen Betriebsdauer des Motors erreicht werden, da nur während des Motorbetriebs Rußpartikel gebildet werden. Bei der Erstinbetriebnahme des Motors verbleibt es hingegen bei der niedrigeren Filtereffizienz. Zudem wird durch die Rußbeladung ein starker Abgasgegendruck aufbaut, der zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt und darüber hinaus die Klopfwahrscheinlichkeit von Ottomotoren beim Betreiben unter hoher Last erhöht.However, with this method, the minimum load can be achieved only after a certain period of operation of the engine, since soot particles are formed only during engine operation. On initial start-up of the engine, however, it remains at the lower filter efficiency. In addition, the soot load builds up a strong exhaust backpressure, which leads to increased fuel consumption and, moreover, increases the knock probability of gasoline engines when operating under high load.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit anzugeben, mit der bereits bei Erstinbetriebnahme eines Motors eine ausreichende Filterleistung ermöglicht werden kann. Zudem wäre es wünschenswert, den Aufbau eines Abgasgegendrucks zu verringern und die damit verbundenen Nachteile weitgehend zu vermeiden.The object of the present invention is therefore to specify a possibility with which a sufficient filter performance can already be made possible at the first commissioning of an engine. In addition, it would be desirable to reduce the build-up of an exhaust backpressure and to largely avoid the associated disadvantages.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche enthalten Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen.This object is achieved by the subject matter of the independent claim. The dependent claims contain embodiments of these inventive solutions.
Die Erfindung beruht auf der Feststellung der Erfinder, dass insbesondere, aber nicht nur, bei der Verwendung von Partikelfiltern im Abgasstrang von Ottomotoren die Filtereffizienz, d. h. das Verhältnis von heraus gefilterten Partikeln zu den insgesamt vorhandenen Partikeln einer bestimmten Größe, nach einer gewissen anfänglichen Betriebsdauer (Einfahrphase), die beispielsweise bei Ottomotoren einer ungefähren Laufleistung von 3000 km entspricht, deutlich zunimmt. Dies ist auf die Ausbildung einer Rußschicht bzw. eines Filterkuchens auf der Oberfläche des Partikelfilters zurückzuführen, die aus den im Abgasstrom enthaltenen Rußpartikeln gebildet wird.The invention is based on the finding of the inventors that the filter efficiency, in particular, but not only, the use of particulate filters in the exhaust system of gasoline engines, d. H. The ratio of filtered-out particles to the total existing particles of a certain size, after a certain initial operating time (retraction), which corresponds for example in gasoline engines of an approximate mileage of 3000 km, significantly increases. This is due to the formation of a soot layer or a filter cake on the surface of the particulate filter, which is formed from the soot particles contained in the exhaust stream.
Um bereits bei der Erstinbetriebnahme eines Motors mit Partikelfilter ein ausreichendes Herausfiltern von partikulären Schadstoffen zu ermöglichen, muss ein neuer Partikelfilter derzeit aufgrund der zu diesem Zeitpunkt noch fehlenden Rußschicht eine sehr geringe Porengröße aufweisen. Dies ist jedoch nach einer gewissen Betriebsdauer nachteilig, da sich durch die Kombination von geringer Porengröße und der sich ausbildenden Rußschicht der Abgasgegendruck weiter erhöht und sich die damit verbundenen oben angeführten nachteiligen Auswirkungen verstärken.In order to enable a sufficient filtering out of particulate pollutants already at the first commissioning of an engine with a particle filter, a new particulate filter currently has to have a very small pore size due to the still missing soot layer at this time. However, this is disadvantageous after a certain period of operation, since the exhaust gas backpressure is further increased by the combination of small pore size and the soot layer which forms, and the associated adverse effects mentioned above are intensified.
Im späteren Verlauf, d. h. nach Ablauf der Einfahrzeit, könnte die Porengröße hingegen deutlich größer gewählt werden, ohne dass sich die Filtereffizienz signifikant verringert, da nunmehr die ausgebildete Ruß- und/oder Asche enthaltende Schicht ebenfalls zur Filterung beiträgt.Later, d. H. on the other hand, after expiration of the break-in period, the pore size could be chosen to be significantly greater without significantly reducing the filter efficiency, since now the formed soot and / or ash-containing layer also contributes to the filtering.
Grundgedanke der Erfindung ist es daher, einen Partikelfilter herzustellen und zu verwenden, dessen Porosität auf die Verhältnisse nach Ablauf der Einfahrphase abgestimmt ist.The basic idea of the invention is therefore to produce and use a particle filter whose porosity is matched to the conditions at the end of the run-in phase.
Um jedoch auch während der Einfahrphase eine ausreichende Filtereffizienz zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, den unbenutzten Partikelfilter mit extern hergestelltem Ruß vorzubeladen. Ein solches Vorbeladen kann beispielsweise direkt während der Herstellung des Partikelfilters, der Einhausung des Partikelfilters oder beim Zusammenbau des Abgasstrangs, beispielsweise während der Fahrzeugfertigung, erfolgen.However, in order to ensure sufficient filter efficiency during the run-in phase, it is proposed to pre-charge the unused particulate filter with externally produced soot. Such preloading can be done, for example, directly during the production of the particulate filter, the enclosure of the particulate filter or during assembly of the exhaust gas line, for example during vehicle production.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorbehandlung eines Partikelfilters weist demnach ein Aufbringen von Ruß auf eine Oberfläche des Partikelfilters vor dem erstmaligen Verwenden des Partikelfilters in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors zum Herausfiltern von Partikeln aus einem im Abgasstrang strömenden Abgasstrom des Verbrennungsmotors auf.The method according to the invention for the pretreatment of a particulate filter accordingly comprises applying soot to a surface of the particulate filter prior to initial use of the particulate filter in an exhaust line of an internal combustion engine for filtering out particulate matter from an exhaust gas stream of the internal combustion engine flowing in the exhaust line.
Unter Ruß ist dabei eine Zusammensetzung zu verstehen, die bei unvollständiger Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoffe entsteht. Ruß kann beispielsweise Kohlenstoff mit einem Anteil zwischen 80 und 99,5 Gew.-% und darüber hinaus Sulfate, kondensierte Kohlenwasserstoffe und/oder Asche aufweisen.Under soot is understood to mean a composition that results from incomplete combustion of hydrocarbon-containing fuels. Carbon black may, for example, comprise carbon at a level of between 80 and 99.5% by weight and beyond Sulfates, condensed hydrocarbons and / or ash.
Bei dem Partikelfilter kann es sich beispielsweise um einen Wandstromfilter oder einen Nebenstromfilter handelt. Der Partikelfilter kann Filterwände aus unterschiedlichen porösen Werkstoffen, wie z. B. Keramiken oder Metallen aufweisen und ist üblicherweise in einem Gehäuse angeordnet. Der Partikelfilter kann mit einer katalytischen Beschichtung, z. B. einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduzierung oder für einen Drei-Wege-Katalysator, versehen sein.The particulate filter may be, for example, a wall-flow filter or a bypass filter. The particulate filter filter walls of different porous materials, such. As ceramics or metals and is usually arranged in a housing. The particulate filter may be coated with a catalytic coating, e.g. As a coating for selective catalytic reduction or for a three-way catalyst, be provided.
Unter der Partikelfilteroberfläche ist derjenige Bereich zu verstehen, der während des Einsatzes des Partikelfilters im Abgasstrang mit dem Abgasstrom in Berührung kommt. Demnach sind auch innere Oberflächen, wie z. B. die Oberfläche von Poren des Partikelfilters miterfasst. Erfindungsgemäß wird Ruß auf eine Oberfläche, d. h. zumindest einen Teilbereich der gesamten Oberfläche, aufgebracht.The particle filter surface is to be understood as that region which comes into contact with the exhaust gas flow during the use of the particle filter in the exhaust gas line. Accordingly, internal surfaces such. B. the surface of pores of the particulate filter miterfasst. According to the invention, soot is applied to a surface, i. H. at least a portion of the entire surface, applied.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Vorbehandlung des Partikelfilters verwendet, d. h. es wird ein unbenutzter Partikelfilter behandelt, der noch nicht bestimmungsgemäß, d. h. zum Herausfiltern von partikulären Bestandteilen eines Abgasstroms, gebraucht wurde. Mit anderen Worten wird der Partikelfilter erst nachdem Ruß auf seine Oberfläche aufgebrachte wurde, bestimmungsgemäß genutzt.The inventive method is used for the pretreatment of the particulate filter, d. H. an unused particulate filter is treated which is not yet intended, ie. H. to filter out particulate constituents of an exhaust gas stream. In other words, the particle filter is used only after soot has been applied to its surface as intended.
Das Aufbringen von Ruß kann beispielsweise erfolgen, indem separat hergestellter Ruß der Oberfläche zugeführt wird. Beispielsweise kann ein mit Rußpartikeln beladener Luftstrom nach der Einhausung des Partikelfilters durch den Partikelfilter geleitet wird.The application of carbon black can be carried out, for example, by supplying separately prepared carbon black to the surface. For example, an air stream laden with soot particles can be passed through the particle filter after the particulate filter has been enclosed.
Alternativ oder zusätzlich kann zunächst eine rußbildende, d. h. kohlenstoffhaltige, Substanz auf die Oberfläche aufgebracht und anschließend unter Bildung von Ruß umgewandelt werden.Alternatively or additionally, a soot-forming, d. H. carbonaceous substance is applied to the surface and then converted to form carbon black.
Das Aufbringen des Rußes sollte bevorzugt so erfolgen, dass die Filtereffizienz erhöht wird, ohne dass sich während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Abgasgegendruck zu stark erhöht.The application of the carbon black should preferably take place in such a way that the filter efficiency is increased without the exhaust gas counterpressure increasing too much during the intended use.
Das Aufbringen des Rußes ermöglicht die Verwendung eines Partikelfilters mit größerer Porengröße, so dass der Abgasgegendruck gering ist und auch im Laufe der Verwendung des Partikelfilters allenfalls minimal, auf jeden Fall jedoch geringer als bei der Verwendung eines Partikelfilters mit geringerer Porengröße, ansteigt. Dadurch können der Kraftstoffverbrauch gesenkt und die Klopfneigung verringert werden.The application of the carbon black makes it possible to use a particle filter with a larger pore size, so that the exhaust backpressure is low and at most minimal, but in any case less than during the use of a particulate filter with a smaller pore size, increases. This can reduce fuel consumption and reduce the tendency to knock.
Der aufgebrachte Ruß erhöht die Filtereffizienz, so dass bereits während der Einfahrphase des Verbrennungsmotors eine ausreichende Filtrationswirkung erreicht wird.The applied soot increases the filter efficiency, so that even during the run-in phase of the internal combustion engine, a sufficient filtration effect is achieved.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Ruß während einer Herstellung des Partikelfilters, während oder nach einer Einhausung des Partikelfilters, d. h. der Anordnung des Partikelfilters in einem Gehäuse, oder während eines Einbaus des Partikelfilters in den Abgasstrang auf die Oberfläche des Partikelfilters aufgebracht wird. Eine Rußaufbringung nach der Einhausung hat den Vorteil eines besonders geringen Fertigungsaufwands.According to various embodiments, the carbon black during a production of the particulate filter, during or after an enclosure of the particulate filter, d. H. the arrangement of the particulate filter in a housing, or is applied during installation of the particulate filter in the exhaust line to the surface of the particulate filter. Soot deposition after the enclosure has the advantage of a particularly low production cost.
Bei einer Aufbringung des Rußes während der Herstellung sollte dies bevorzugt als letzter Herstellungsschritt nach dem Brennen des Partikelfilters in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und ggf. nach dem Aufbringen einer katalytischen Beschichtung erfolgen, um eine Oxidation des Rußes zu verhindern.In the case of an application of the carbon black during the production, this should preferably be carried out as the last production step after the particle filter has been fired in an atmosphere containing oxygen and, if appropriate, after the application of a catalytic coating in order to prevent oxidation of the carbon black.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Ruß mittels eines rußbeladenen Luftstroms auf die Oberfläche des Partikelfilters aufgebracht werden.According to various embodiments, the soot can be applied by means of a soot-laden air flow on the surface of the particulate filter.
Die Zuführung des mit Ruß beladenen Luftstroms kann z. B. für eine bestimmte Zeitdauer oder in Abhängigkeit der sich einstellenden Druckdifferenz über dem Partikelfilter erfolgen, wobei ab einer bestimmten Druckdifferenz von einer ausreichenden Beladung der Oberfläche des Partikelfilters mit Ruß ausgegangen werden kann.The supply of the loaded with soot air flow can, for. B. for a certain period of time or as a function of adjusting pressure difference across the particulate filter, which can be assumed from a certain pressure difference of a sufficient loading of the surface of the particulate filter with soot.
Das Aufbringen des Rußes mittels eines Luftstroms hat den Vorteil, dass die Rußaufbringung bevorzugt in Bereichen des Partikelfilters mit großen Poren, d. h. in Bereichen mit ansonsten geringer Filtrationswirkung erfolgt, da der Luftstrom immer den Weg des geringsten Widerstandes entlang strömt, der durch die größten Poren führt. Dadurch kann in den Bereichen mit großen Poren verhältnismäßig viel Ruß aufgebracht werden, so dass diese Schwachpunktstellen gezielt beseitigt werden können.The application of the carbon black by means of an air flow has the advantage that the carbon black application is preferred in areas of the large pore particle filter, ie. H. occurs in areas with otherwise low filtration effect, since the air flow always flows along the path of least resistance, which leads through the largest pores. As a result, in the areas with large pores relatively much soot can be applied, so that these weak points can be selectively eliminated.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren weiterhin ein Bestimmen einer optimalen Porengröße und/oder Porengrößenverteilung für den Partikelfilter für einen Zeitpunkt nach Ablauf einer Einfahrphase des Verbrennungsmotors aufweisen, wobei der Ruß auf die Oberfläche des Partikelfilters derart aufgebracht wird, dass der rußbeladene Partikelfilter vor dem erstmaligen Verwenden die optimale Porengröße und/oder Porengrößenverteilung aufweist.According to various embodiments, the method may further comprise determining an optimal pore size and / or pore size distribution for the particulate filter for a time after a stall phase of the internal combustion engine, wherein the soot is applied to the surface of the particulate filter such that the soot particulate filter prior to first use having the optimum pore size and / or pore size distribution.
Mit anderen Worten wird zunächst ermittelt, beispielsweise durch dem Fachmann bekannte Simulationen oder entsprechende Versuche mit einem baugleichen Partikelfilter, welche Porengröße und/oder Porengrößenverteilung für den konkreten Partikelfilter nach Ablauf der Einfahrphase am günstigsten ist, d. h. bei welcher Porengröße und/oder Porengrößenverteilung die Filtereffizienz möglichst hoch ist, ohne dass der Abgasgegendruck zu sehr ansteigt. Der tolerierbare Abgasgegendruck ist dabei stark vom Motorkonzept, z. B. der Anzahl der Zylinder, des verwendeten Brennverfahrens etc., abhängig.In other words, it is first determined, for example by simulations known to the person skilled in the art or corresponding experiments with a identical particle filter, which pore size and / or pore size distribution for the specific particulate filter at the end of the Einfahrphase is most favorable, ie at which pore size and / or pore size distribution, the filter efficiency is as high as possible without the exhaust back pressure rises too much. The tolerable exhaust backpressure is very strong from the engine concept, z. As the number of cylinders, the combustion method used, etc. dependent.
Anhand dieser optimalen Porengröße und/oder Porengrößenverteilung wird das Aufbringen des Rußes auf die Partikelfilteroberfläche nun so durchgeführt, dass diese optimale Porengröße und/oder Porengrößenverteilung bereits vor dem erstmaligen bestimmungsgemäßen Gebrauch vorliegt. Mit anderen Worten werden die Poren des Partikelfilters durch das Aufbringen des Rußes so verkleinert, dass die optimale Porengröße und/oder Porengrößenverteilung eingestellt wird. Je nach Bedarf können dazu die Menge des aufzubringenden Rußes, die Partikelgröße des Rußes und/oder die Partikelgrößenverteilung des Rußes variiert werden.On the basis of this optimum pore size and / or pore size distribution, the application of the carbon black to the particle filter surface is now carried out in such a way that this optimum pore size and / or pore size distribution already exists before the first intended use. In other words, the pores of the particulate filter are reduced by the application of the carbon black so that the optimum pore size and / or pore size distribution is adjusted. Depending on requirements, the amount of soot to be applied, the particle size of the carbon black and / or the particle size distribution of the carbon black can be varied.
Dadurch kann eine optimale Porengröße und/oder Porengrößenverteilung bereits während der Einfahrphase des Verbrennungsmotors gewährleistet werden, so dass bereits in dieser Phase partikuläre Schadstoffe effektiv aus dem Abgasstrom entfernt werden können.As a result, an optimal pore size and / or pore size distribution can already be ensured during the run-in phase of the internal combustion engine, so that particulate pollutants can be effectively removed from the exhaust gas flow even in this phase.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Partikelfilter ein Dieselpartikelfilter oder ein Ottokraftstoffpartikelfilter, z. B. ein Partikelfilter für mit Motorenbenzin betriebene Verbrennungsmotoren, sein. Da die Partikelemission von Ottomotoren im Vergleich zu Dieselmotoren deutlich geringer ist, dauert es bis zum Aufbau eines Filterkuchens, der zu einer ausreichenden Filtration führt, deutlich länger. Daher führt das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Ottokraftstoffpartikelfilter zu einer deutlichen Verbesserung der Filterleistung von Beginn an.According to various embodiments, the particulate filter, a diesel particulate filter or a gasoline particulate filter, z. B. a particulate filter for engine-powered internal combustion engines be. Since the particle emission of gasoline engines is significantly lower compared to diesel engines, it takes much longer to build up a filter cake, which leads to a sufficient filtration. Therefore, the method according to the invention, in particular for gasoline fuel particle filters, leads to a significant improvement in filter performance from the beginning.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 beispielhafte Porengrößenverteilungen von kommerziell erhältlichen Filtern; -
2 beispielhafte Porengrößenverteilung im Neuzustand und im gebrauchten Zustand, -
3 Anzahl freigesetzter Partikel bei aufeinanderfolgend durchgeführten Tests.
-
1 exemplary pore size distributions of commercially available filters; -
2 exemplary pore size distribution in new condition and in used condition, -
3 Number of particles released in successive tests.
In
Die Verbesserung der Filtereffizienz während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Partikelfilters geht auch aus
Zu erkennen ist, dass die kumulierte Anzahl an freigesetzten Partikeln von Test zu Test abnimmt, insbesondere bei den ersten Tests. Um bereits bei der Erstinbetriebnahme (Test 1 entsprechend) eine ausreichende Filterleistung zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß Ruß auf die Oberfläche des Partikelfilters vor dem erstmaligen Verwenden des Partikelfilters aufgebracht, z. B. mittels eines rußbeladenen Luftstroms, der durch den Partikelfilter geleitet wird. Der Ruß wird dabei so aufgebracht, dass der rußbeladene Partikelfilter vor dem erstmaligen Verwenden eine optimale Porengrößenverteilung, also z. B. die Porengrößenverteilung „gealtert“ gemäß
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, dass sie die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.As used herein, the term "and / or" when used in a series of two or more elements means that each of the listed elements may be used alone, or any combination of two or more of the listed elements may be used. For example, when describing a composition containing components A, B and / or C, composition A may be alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C are included in combination.
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