DE102020203717A1 - Verfahren zur regeneration eines abgasfilters und abgasfilter-imprägniersystem - Google Patents

Verfahren zur regeneration eines abgasfilters und abgasfilter-imprägniersystem Download PDF

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Yukio Miyairi
Hiroyuki Nagaoka
Tomoya Fujii
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Abstract

Ein Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters, auf dem Ruß ablagert ist, umfasst, der Reihe nach die folgenden Schritte durchzuführen: einen Schritt 1 des Imprägnierens des Filters mit einer Flüssigkeit, die nach Masse mindestens 50% eines Bestandteils aufweist, der einen Siedepunkt von höchstens 550°C hat, wenn eine Umgebungstemperatur im Filter mindestens 40°C niedriger als der Siedepunkt ist; einen Schritt 2 des Anhebens der Umgebungstemperatur im Filter nach dem Imprägnieren auf eine Temperatur, die gleich dem oder höher als der Siedepunkt des Bestandteils ist; und einen Schritt 3 des Zuführens eines Sauerstoff beinhaltenden Gases bei einer Temperatur größer als 550°C an den Filter, um den Ruß zu verbrennen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein System zum Imprägnieren eines Abgasfilters.
  • STAND DER TECHNIK
  • Feinstaub (im Folgenden auch als PM für „Particulate Matter“ bezeichnet) in einem Abgas aus Verbrennungsmotoren wie Dieselmotoren und Benzinmotoren enthält Ruß. Ruß ist für den menschlichen Körper schädlich und dessen Emission ist reguliert. Um Abgasregularien zu erfüllen, sind gegenwärtig als DPF (Dieselpartikelfilter) und OPF (Ottopartikelfilter) klassifizierte Abgasfilter weit verbreitet, die PM wie Ruß und dergleichen herausfiltern, indem das Abgas durch Trennwände mit kleinen Poren geleitet wird, die luftdurchlässig sind. In solch einem Abgasfilter wird die Temperatur des Abgases erhöht, wenn sich Ruß zu einem bestimmten Grad oder mehr abgelagert hat, und der Filter wird durch einen Fluss von Abgas mit hoher Temperatur durch den Filter zum Abbrennen des Rußes regeneriert, um zu verhindern, dass der Druckverlust zu groß wird.
  • Beim Regenerieren des Filters ist es notwendig, den im Filter abgelagerten Ruß zu verbrennen. Allerdings benötigt es eine lange Zeit, den Ruß zu verbrennen, und es ist notwendig, zusätzlichen Kraftstoff zu verwenden, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Daher existiert beim Regenerieren des Filters ein Problem, dass der Kraftstoffverbrauch zum kontinuierlichen Anheben der Abgastemperatur zu sehr ansteigt. Da zudem die Temperatur des Abgases während der Regeneration des Filters hoch ist, wird Ammoniak oxidiert und NOx-Reinigungseffizienz durch den Harnstoff-SCR nimmt stark ab, wodurch ein Problem höherer NOx-Emissionen entsteht.
  • Ferner, als Verfahren zum Erhöhen der Temperatur des Abgases ist ein Verfahren des Nacheinspritzens zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer nach der letzten Stufe der Verbrennung in der Brennkammer, und Verbrennen von Kraftstoff mit einem Oxidationskatalysator vor dem Abgasfilter zum Erhöhen der Abgastemperatur, allgemein bekannt. Wenn die Filterregenerationszeit lang ist, mischt sich ein Teil des nacheingespritzten Kraftstoffs mit dem Schmieröl, wodurch das Schmieröl verdünnt wird, was ein Problem verursacht, dass die Schmierfähigkeit verschlechtert wird und Verschleiß von Bauteilen auftritt. Ferner gibt es ein Problem, dass die Menge angesammelten Rußes unmittelbar bevor der Regeneration maximal wird, und dass der Druckverlust zu hoch wird. Daher ist es beim Erzeugen eines Filters wünschenswert, dass eine große Menge Ruß in einer kurzen Zeit bei möglichst niedriger Temperatur verbrannt wird.
  • Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2008-057333 (Patentliteratur 1) beschreibt eine Vorrichtung zum Regenerieren eines DPF für ein Fahrzeug, die fähig ist, die effektive Funktionsfähigkeit eines Dieselmotors zu verbessern, durch Kürzen der automatischen Regenerationszeit eines DPF in einem mit dem Dieselmotor ausgerüsteten Fahrzeug. Gemäß dieser Vorrichtung wird beschrieben, dass die Temperatur des DPF niedriger ist als zuvor, aber die Konzentration von Sauerstoff, der in den DPF geleitet wird, erhöht sich, und außerdem verringert sich der Durchfluss des Abgases. Im Ergebnis erhöhen sich die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts zwischen den PM auf dem DPF und der Sauerstoff im Abgas, und die Verbrennung der PM auf dem Filter wird aktiviert und das Abbrennen der PM schreitet schnell voran und die automatische Regenerationszeit der PM kann verkürzt werden.
  • Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2010-116913 (Patentliteratur 2) offenbart eine Filterregenerations-Steuerung für einen Dieselmotor, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Motorbetrieb derart gesteuert wird, so dass sich die Menge von Stickoxid-Emission vom Dieselmotor reduziert, wenn der Zeitpunkt für eine Filterregeneration kommt. Bei dieser Vorrichtung werden selbst während der Filterregenerations-Steuerung die emittierte Menge von Stickoxiden NOx nicht erhöht und die Abgasleistung nicht verschlechtert.
  • Andererseits gibt es ein Verfahren, bei dem ein Katalysator an einem Abgasfilter angebracht ist und PM durch eine katalytische Reaktion verbrannt werden, um den Verbrennungsvorgang der PM zu reduzieren und den Filter zu regenerieren. Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2018-119467 (Patentliteratur 3) beschreibt eine Vorrichtung zum Säubern eines Abgases, die einen Salzschmelze-Katalysator verwendet, um PM bei niedriger Temperatur zu verbrennen. Die Vorrichtung zum Säubern eines Abgases umfasst im Pfad des Abgasstroms einen Abgasfilter, der die PM im Abgas einfängt und eine Filterregenerationseinheit, welche die im Abgasfilter gesammelte PM verbrennt. Der Abgasfilter umfasst ein poröses Filtersubstrat mit einer Vielzahl von Zellen, die durch Zellwände unterteilt sind, und ein PM-Verbrennungskatalysator zum Verbrennen und Säubern der PM. Der PM-Verbrennungskatalysator ist ein Flüssigsalzkatalysator, der eine Oxid-Verbindung von Cäsium und Vanadium enthält, wobei das molare Verhältnis von Cäsium zu Vanadium (Cs/V) beträgt 1.0≦Cs/V≦1.5. In der Filterregenerationseinheit sind ein Mittel zum Befeuchten und ein Mittel zum Heizen zum Erhöhen der Abgastemperatur stromaufwärts vom Abgasfilter angeordnet. Ferner wird beschrieben, dass bei der Vorrichtung zum Säubern eines Abgases, bevor die PM durch den PM-Verbrennungskatalysator oxidiert und verbrannt werden, das Mittel zum Befeuchten Wasserdampf auf den PM-Verbrennungskatalysator auf dem Abgasfilter adsorbiert
  • ZITATIONSLISTE
  • PATENTLITERATUR
    • Patentliteratur 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2008-057333
    • Patentliteratur 2: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2010-116913
    • Patentliteratur 3: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2018-119467
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABE
  • Wie oben beschrieben, obwohl verschiedene Verbesserungen bezüglich Verfahren zum Regenerieren von Filtern vorgeschlagen wurden, weist das in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2008-057333 (Patentliteratur 1) offenbarte Verfahren Verbesserungspotenzial hinsichtlich des Durchführens der Filterregeneration in kurzer Zeit mit hoher Effizienz auf. Ferner hat das in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2010 - 116913 (Patentliteratur 2) offenbarte Verfahren ein Problem, dass die Effizienz des Motors reduziert wird zusammen mit der Reduzierung von NOx, und nicht perfekt hinsichtlich des Durchführens der Filterregeneration in kurzer Zeit mit hoher Effizienz ist. Insbesondere bei einem DPF, der einen SCR-Katalysator aufweist, was derzeit die Hauptrichtung bei der Nachbehandlung von Abgasen eines Diesel-Personenwagen ist, werden NOx durch Ammoniak reduziert, das im Fahrzeug mittels Zersetzens von Harnstoff erzeugt wird. Wenn jedoch verschiedene vorgeschlagene Katalysatoren mit starker oxidierender Wirkung in Verbindung miteinander verwendet werden, um oxidierende Rußverbrennung zu fördern, gibt es ein Problem, dass Ammoniak oxidiert wird und sich die NOx-Reinigungsleistung verschlechtert. Angesichts der oben beschriebenen Umstände ist es eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters anzugeben, das den Filter effizient in kurzer Zeit regenerieren kann. Ferner ist es eine Aufgabe einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein System zum Imprägnieren eines Abgasfilters bereitzustellen, das den Filter effizient in kurzer Zeit regenerieren kann.
  • Als Ergebnis intensiver Untersuchungen zum Lösen der oben genannten Probleme haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass es effizient ist, den Ruß zu verbrenne, nachdem der Filters, auf dem sich Ruß abgelagert hat, mit einer Flüssigkeit, die einen Siedepunkt von höchstens 550° C, typischerweise flüssiges Wasser, imprägniert wurde. Die vorliegende wurde auf Grundlage dieser Erkenntnisse gemacht und wird im Folgenden beispielhaft erläutert.
    • (1) Ein Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters, auf dem Ruß ablagert ist, umfasst, der Reihe nach die folgenden Schritte durchzuführen:
      • einen Schritt 1 des Imprägnierens des Filters mit einer Flüssigkeit, die nach Masse mindestens 50% eines Bestandteils aufweist, der einen Siedepunkt von höchstens 550°C hat, wenn eine Umgebungstemperatur im Filter mindestens 40°C niedriger als der Siedepunkt ist;
      • einen Schritt 2 des Anhebens der Umgebungstemperatur im Filter nach dem Imprägnieren auf eine Temperatur, die gleich dem oder höher als der Siedepunkt des Bestandteils ist; und
      • einen Schritt 3 des Zuführens eines Sauerstoff beinhaltenden Gases bei einer Temperatur größer als 550°C an den Filter, um den Ruß zu verbrennen.
    • (2) Das Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach (1), wobei Schritt 1 durchgeführt wird, wenn die Umgebungstemperatur im Filter mindestens 60°C niedriger als der Siedepunkt ist.
    • (3) Das Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach (1) oder (2), wobei der Bestandteil, der den Siedepunkt von 550°C oder weniger hat, Wasser ist.
    • (4) Das Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach (3), wobei die Flüssigkeit Harnstoff aufweist.
    • (5) Das Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (1) bis (4), wobei im Schritt 1 eine Menge der im Filter imprägnierten Flüssigkeit mindestens 0,05 L und höchstens 1 L des Volumens des Filters beträgt.
    • (6) Das Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (1) bis (5), wobei der Abgasfilter ein Abgasfilter für ein Fahrzeug ist.
    • (7) Das Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach (6), wobei die Flüssigkeit von außerhalb des Fahrzeugs zugeführt wird.
    • (8) Das Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (1) bis (7), wobei der Abgasfilter umfasst:
      • eine äußere Seitenwand;
      • eine Vielzahl erster Zellen, die innerhalb der äußeren Seitenwand angeordnet ist, und sich von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstreckt, wobei die erste Endfläche offen ist und die zweite Endfläche verstopft ist; und
      • eine Vielzahl zweiter Zellen, die innerhalb der äußeren Seitenwand angeordnet ist, und sich von der ersten Endfläche zur zweiten Endfläche erstreckt, wobei die erste Endfläche verstopft ist und die zweite Endfläche offen ist, und
      • wobei der Abgasfilter eine Struktur aufweist, bei der die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei poröse Trennwände dazwischen eingefügt sind.
    • (9) Das Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (1) bis (8), wobei der Filter keinen Oxidationskatalysator aufweist.
    • (10) Ein System zum Imprägnieren eines Abgasfilters umfasst:
      • einen im Abgaspfad angeordneten Abgasfilter;
      • einen Versorger zum Zuführen einer Flüssigkeit, die nach Masse mindestens 50% eines Bestandteils aufweist, der einen Siedepunkt von höchstens 550°C hat, an den Abgasfilter;
      • einen in den Abgaspfad angeordneten Temperatursensor; und
      • eine automatische Steuerung, die es dem Versorger erlaubt, die Flüssigkeit zuzuführen, wenn eine vom Temperatursensor gemessene Temperatur mindestens 40°C unter dem Siedepunkt liegt.
    • (11) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach (10), wobei der Zuführer fähig ist, die Flüssigkeit direkt zum Abgasfilter zu injizieren.
    • (12) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach (10), wobei der Abgasfilter in einem Flüssigkeitsbehälter angeordnet ist, der im Abgaspfad angeordnet ist, und der Zuführer fähig ist, die Flüssigkeit dem Flüssigkeitsbehälter zuzuführen.
    • (13) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (12), wobei der Zuführer stromaufwärts vom Abgasfilter angeordnet ist.
    • (14) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (13), wobei der Zuführer die Flüssigkeit stromabwärts von einem im Abgaspfad angeordneten Oxidationskatalysator zuführt.
    • (15) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (14), wobei die automatische Steuerung es dem Versorger erlaubt, die Flüssigkeit zuzuführen, wenn eine vom Temperatursensor gemessene Temperatur mindestens 60°C unter dem Siedepunkt liegt.
    • (16) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (15), wobei der Bestandteil, der den Siedepunkt von 550°C oder weniger hat, Wasser ist.
    • (17) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (16), wobei die Flüssigkeit Harnstoff aufweist.
    • (18) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (17), wobei die automatische Steuerung fähig ist, dem Zuführer eine Anweisung zu geben, eine Flüssigkeitsmenge von mindestens 0,05 L und höchstens 1 L des Volumens des Filters zuzuführen.
    • (19) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (18), wobei der Abgasfilter ein Abgasfilter für ein Fahrzeug ist.
    • (20) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (19), wobei der Abgasfilter umfasst:
      • eine äußere Seitenwand;
      • eine Vielzahl erster Zellen, die innerhalb der äußeren Seitenwand angeordnet ist, und sich von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstreckt, wobei die erste Endfläche offen ist und die zweite Endfläche verstopft ist; und
      • eine Vielzahl zweiter Zellen, die innerhalb der äußeren Seitenwand angeordnet ist, und sich von der ersten Endfläche zur zweiten Endfläche erstreckt, wobei die erste Endfläche verstopft ist und die zweite Endfläche offen ist, und
      • wobei der Abgasfilter eine Struktur aufweist, bei der die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei poröse Trennwände dazwischen eingefügt sind.
    • (21) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (20), wobei der Filter keinen Oxidationskatalysator aufweist.
    • (22) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (21), wobei der Zuführer einen Wassertank zum Sammeln und Aufbewahren von flüssigem Wasser, das durch Kondensation von Wasserdampf im Abgas erzeugt wird, aufweist.
    • (23) Das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Punkte (10) bis (22), wobei das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters in einem Fahrzeug angeordnet ist und einen Verbindungsabschnitt aufweist, um die Flüssigkeit von außerhalb des Fahrzeugs an den Zuführer zu leiten.
  • WIRKUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es durch Fördern von Rußverbrennung möglich, eine effiziente Filterregeneration in kurzer Zeit selbst bei niedriger Temperatur durchzuführen. Im Ergebnis können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verschiedene Vorteile erreicht werden, wie zum Beispiel die Reduzierung des für die Rußverbrennung benötigten Kraftstoffverbrauchs, eine Unterdrückung des Verdünnens eines Schmieröls durch den Kraftstoff und eine Unterdrückung der Reduzierung der Effizienz der NOx-Reinigung. Entsprechend liefert die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform einen durchbrechenden technologischen Fortschritt in der Filterregenerationstechnologie und hat einen extrem hohen industriellen Nutzwert.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen DPF als Beispiel für einen Abgasfilter zeigt.
    • 2 ist eine schematische Schnittansicht eines DPF als Beispiel für einen Abgasfilter, beobachtet aus einer Richtung senkrecht zur Richtung, in der sich die Zellen erstrecken.
    • 3. ist ein schematisches Diagramm, das ein vermutetes Prinzip, wie Rußverbrennung gefördert wird, erklärt.
    • 4 ist ein schematisches Diagramm, das ein Anordnungsbeispiel eines Flüssigkeitszuführers für einen Abgasfilter zeigt.
    • 5 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Anordnungsbeispiel eines Flüssigkeitszuführers für einen Abgasfilter zeigt.
    • 6 ist ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Betrieb einer automatischen Steuerung, die einen Flüssigkeitszuführer steuert, illustriert.
    • 7 ist ein Flussdiagramm, das einen weiteren beispielhaften Betrieb einer automatischen Steuerung, die einen Flüssigkeitszuführer steuert, illustriert.
    • 8-1 ist eine schematische Ansicht eines ersten Beispiels eines Abgassystems mit einem System zum Imprägnieren eines Abgasfilters gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 8-2 ist eine schematische Ansicht eines zweiten Beispiels eines Abgassystems mit einem System zum Imprägnieren eines Abgasfilters gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 8-3 ist eine schematische Ansicht eines dritten Beispiels eines Abgassystems mit einem System zum Imprägnieren eines Abgasfilters gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 8-4 ist eine schematische Ansicht eines vierten Beispiels eines Abgassystems mit einem System zum Imprägnieren eines Abgasfilters gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 8-5 ist eine schematische Ansicht eines fünften Beispiels eines Abgassystems mit einem System zum Imprägnieren eines Abgasfilters gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 8-6 ist eine schematische Ansicht eines sechsten Beispiels eines Abgassystems mit einem System zum Imprägnieren eines Abgasfilters gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 8-7 ist eine schematische Ansicht eines siebten Beispiels eines Abgassystems mit einem System zum Imprägnieren eines Abgasfilters gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 8-8 ist eine schematische Ansicht eines achten Beispiels eines Abgassystems mit einem System zum Imprägnieren eines Abgasfilters gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsbeispiele beschränkt ist, und dass jegliche Änderung, Verbesserung und dergleichen der Gestaltung auf Grundlage normalen Fachwissen eines Fachmanns, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen angemessen hinzugefügt werden kann.
  • (Abgasfilter)
  • Der Filter, der in dem Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters und im System zum Imprägnieren eines Abgasfilters gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist nicht besonders festgelegt, solange er eine Struktur aufweist, die Ruß in einem Abgas sammeln kann. Typische Beispiele für Abgasfilter umfassen einen DPF (Dieselpartikelfilter) und einen OPF (Ottopartikelfilter), die an eine Abgasleitung einer Verbrennung angeordnet sind, typischerweise eines auf einem Fahrzeug montierten Motors, um Ruß zu sammeln. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen der DPF und der OPF eine säulenförmige Wabenstruktur, die eine Vielzahl erster Zellen aufweist, die sich von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstreckt, wobei die erste Endfläche offen ist und die zweite Endfläche verstopft ist, und eine Vielzahl zweiter Zellen aufweist, die über poröse Trennwände benachbart zu wenigstens einer ersten Zelle angeordnet ist, wobei sich die zweiten Zellen von der ersten Endfläche zur zweiten Endfläche erstrecken, wobei die erste Endfläche verstopft ist und die zweite Endfläche offen ist. Der Wabenfilter mit solch einer abwechselnd verstopften Struktur wird im Allgemeinen als Wandflussfilter bezeichnet.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen DPF als Beispiel für einen Abgasfilter zeigt. 2 ist eine schematische Schnittansicht eines DPF, beobachtet aus einer Richtung senkrecht zur Richtung, in der sich die Zellen erstrecken. Der dargestellte Abgasfilter 100 umfasst eine äußere Seitenwand 102; eine Vielzahl erster Zellen 108, die innerhalb der äußeren Seitenwand 102 angeordnet ist, und sich von einer ersten Endfläche 104 zu einer zweiten Endfläche 106 erstreckt, wobei die erste Endfläche 104 offen ist und die zweite Endfläche 106 verstopft ist; und eine Vielzahl zweiter Zellen 110, die innerhalb der äußeren Seitenwand 102 angeordnet ist, und sich von der ersten Endfläche 104 zur zweiten Endfläche 106 erstreckt, wobei die erste Endfläche 104 verstopft ist und die zweite Endfläche 106 offen ist. Ferner umfasst der dargestellte Abgasfilter 100 poröse Trennwände 112, welche die ersten Zellen 108 und die zweiten Zellen 110 trennen und festlegen, wobei die ersten Zellen 108 und zweiten Zellen 110 abwechselnd nebeneinander mit den Trennwände 112 dazwischen angeordnet sind.
  • Wenn das Ruß enthaltene Abgas der stromaufwärts gelegenen ersten Endfläche 104 Seite des Abgasfilters 100 zugeführt wird, wird das Abgas in die ersten Zellen 108 geleitet und schreitet in den ersten Zellen 108 stromabwärts voran. In den ersten Zellen 108 ist die stromabwärts gelegene zweite Endfläche 106 verstopft, so dass das Abgas durch die porösen Trennwände 112, welche die ersten Zellen 108 und die zweiten Zellen 100 abtrennen, und in die zweiten Zellen 110 fließt. Da Ruß die Trennwände 112 nicht passieren kann, wird er in den ersten Zellen 108 gesammelt und abgelagert. Nachdem der Ruß entfernt wurde, fließt das in die zweiten Zellen 110 geflossene saubere Abgas in den zweiten Zellen 110 stromabwärts und aus der stromabwärts gelegenem zweiten Endfläche 106 heraus.
  • Das Material des Abgasfilters 100 ist nichtfestgelegt und poröse Keramiken können beispielsweise verwendet werden. Beispiele von Keramiken umfassen Cordierit, Mullit, Zirkoniumphosphat, Aluminiumtitanat, Siliziumkarbit, Silizium-Siliziumkarbit-Verbundwerkstoff, Cordierit-Siliziumkarbit-Verbundwerkstoff, Zirkonium, Spinell, Indialit, Saphirin, Korund, Titanoxid und dergleichen. Zusätzlich können diese Keramiken eine oder zwei oder mehr Sorten gleichzeitig enthalten. Als weiteres Material des Abgasfilters 100 kann ein poröses gesintertes Metall oder dergleichen, das eine Legierungskomponente mit einem oder zwei oder mehr Bestandteilen aus der Gruppe von Fe, Cr, Mo und Ni als Hauptbestandteil aufweist, verwendet werden. Als weitere Ausführungsform des Abgasfilters kann eine Ausführungsform mit einer Schicht aus keramischen Fasern oder Metallfasern als Filterschicht beispielhaft verwendet werden.
  • Der Abgasfilter 100 kann je nach Anwendung einen geeigneten Katalysator aufweisen. Beispiele des Katalysators umfassen einen Oxidationskatalysator (DOC) zum Oxidieren und Verbrennen von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), um die Abgastemperatur zu erhöhen, einen PM-Verbrennungskatalysator, der die Verbrennung von PM wie Ruß unterstützt, einen SCR-Katalysator und einen NSR-Katalysator zum Entfernen von Stickoxiden (NOx) und einen Drei-Wege-Katalysator, der fähig ist, simultan Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) zu entfernen, wobei diese Aufzählung nicht als einschränkend zu verstehen ist. Katalysatoren können beispielsweise Edelmetalle (Pt, Pd, Rh, usw.), Alkalimetalle (Li, Na, K, Cs, usw.), Erdalkalimetalle (Ca, Ba, Sr, usw.), Seltene Erden (Ce, Sm, Gd, Nd, Y, Zr, Ce, La, Pr, usw.), Übergangsmetalle (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr, usw.) und dergleichen in angemessener Weise enthalten.
  • Insbesondere weist ein DPF für ein Personenfahrzeug Cu-ersetztes Zeolith, Feersetztes Zeolith und dergleichen auf, um gleichzeitig Ruß zu sammeln und NOx zu filtern. In diesem Fall wird NOx-Reinigung durch Ammoniak erreicht, indem Zersetzung von Harnstoff im Fahrzeug durchgeführt wird. Allerdings ist ein Katalysator mit oxidierender Wirkung, der die Oxidierung von Ammoniak fördert, leider ein Hindernis für NOx-Reinigung, weshalb Katalysatoren mit stark oxidierender Wirkung wie Edelmetalle oder Alkalimetalle nicht gleichzeitig verwendet werden können, so dass der Katalysator nicht zum Verbessern der Rußregenerierungseffizienz verwendbar ist.
  • Der Abgasfilter 100 kann auch keinen Katalysator aufweisen. Daher weist der Abgasfilter 100 in einer Ausführungsform keinen Oxidationskatalysator auf und weist in einer anderen Ausführungsform keinen PM-Verbrennungs-Katalysator auf und weist in einer anderen Ausführungsform keinen SCR-Katalysator auf und weist in noch einer anderen Ausführungsform keinen Drei-Wege-Katalysator auf und weist in noch einer anderen Ausführungsform weder einen Oxidationskatalysator, noch einen PM-Verbrennungs-Katalysator, noch einen SCR-Katalysator oder Drei-Wege-Katalysator auf. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Regenerieren eines Abgasfilters gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Effekt der Förderung der Rußverbrennung so groß, dass der Ruß hocheffizient bei niedriger Temperatur und in geringer Zeit ohne PM-Verbrennungs-Katalysator verbrannt werden kann.
  • (Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters)
  • Bei kontinuierlicher Nutzung des Abgasfilters sammelt sich Ruß allmählich im Abgasfilter an und erhöht den Druckverlust. Daher ist es notwendig den Ruß zu entfernen, sobald sich eine gewisse Menge an Ruß abgelagert hat, um den Abgasfilter zu regenerieren. Als Verfahren zum Entfernen von Ruß wird im Allgemeinen ein Verfahren angewendet, bei dem nach dem Erhöhen der Abgastemperatur ein Abgas hoher Temperatur über den Abgasfilter geleitet wird, um den Ruß durch Verbrennen zu entfernen.
  • Der Zündtemperatur von Ruß ist hoch, und um den auf dem Abgasfilter abgelagerten Ruß zu verbrennen, ist es im Allgemeinen notwendig, den Ruß im Beisein eines sauerstoffhaltigen Gases mit einer Temperatur über 550°C zu verbrennen. Eine höhere Temperatur ist aus Sicht des Förderns der Rußverbrennung vorteilhaft, aber ein Erhöhen der Temperatur erzeugt Probleme, wie zum Beispiel einen erhöhten Kraftstoffverbrauch, eine erhöhte NOx-Emission und ein Verdünnen von Schmieröl. Daher ist es wünschenswert, dass der Ruß bei einer so niedrig wie möglichen Temperatur effizient und in einer so kurz wie möglichen Zeit verbrannt werden kann, selbst bei Temperaturen über 550°C.
  • Der im Abgasfilter abgelagerte Ruß haftet oft fest und schichtweise am Abgasfilter, so dass es schwierig ist, den in der Rußablagerungsschicht festgesetzten Ruß zu verbrennen. Daher wird für gewöhnlich bei ungefähr 550°C keine ausreichende Rußabtragungsrate in kurzer Zeit erreicht. Allerdings wurde gemäß der Forschungsergebnisse der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass wenn der Ruß nach einem Vorgang des Imprägnierens des Abgasfilters, indem dem sich Ruß abgelagert hat, mit Wasser und Abdampfen des Wassers verbrannt wird, kann die Rußverbrennung signifikant gefördert werden, so dass selbst bei ungefähr 550°C eine exzellente Rußabtragungsrate erreicht werden kann.
  • Während es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung durch irgendeine Theorie zu beschränken, wird das vermutete Prinzip des Förderns der Rußverbrennung im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Anfangs ist kein Ruß auf den Trennwänden 112 des Gasfilters abgelagert (a). Während der Abgasfilter weiterhin verwendet wird, sammelt sich jedoch allmählich Ruß 120 schichtweise auf den Trennwänden 112 (b). Wenn der Abgasfilter 100, auf dem sich Ruß 120 abgelagert hat mit Wasser imprägniert wird, kondensiert das Wasser, das die abgelagerte Schicht Ruß 120 durchsetzt hat, und bildet eine große Anzahl von Poren 122 (c). Dadurch reduziert sich in Schritt 3 der Durchgangswiderstand, wenn das Ruß regenerierende Sauerstoff aufweisende Gas durch die Rußablagerungsschicht geleitet wird. Der Druckverlust kann selbst in einem Zustand, in dem sich eine große Menge Ruß unmittelbar vor der Filterregeneration angesammelt hat, signifikant reduziert werden, so dass die Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz aufgrund des Druckverlusts unterdrückt werden kann.
  • Danach wird das Wasser verdampft (insbesondere gekocht), indem der Abgasfilter auf eine höhere Temperatur als der Siedepunkt von Wasser aufgeheizt wird. Aufgrund der Volumenausdehnung nach der Verdampfung des Wassers, wird die abgelagerte Schicht Ruß 120 von innen aufgebrochen und der Ruß 120 verteilt sich (d). Etwas Ruß schwebt oder zerstreut sich vom Filter. Im Ergebnis wird der Ruß thermisch von den Trennwänden isoliert, was heißt, dass der Wärmeübertragungsweg vom Ruß zu den Trennwänden unterbrochen wird, so dass der Ruß in einem Zustand ist, in dem er im Allgemeinen gut aufgeheizt werden kann. Zusätzlich kann das Gas hoher Temperatur gut den gesamten auf dem Abgasfilter abgelagerten Ruß erreichen und es erhöht sich die Kontaktwahrscheinlichkeit. Aus diesem Grund kann Ruß trotz der niedrigen Temperatur effizient in einer kurzen Zeit abgebrannt werden. Zusätzlich wird bezüglich des Wassers davon ausgegangen, dass ein Fluss hoher Temperatur mit dem Ruß reagiert, um lokal Wasserstoff (H2) und/oder Kohlenmonoxid (CO) zu erzeugen, so dass die Reaktion ebenfalls zur Rußabtragung beiträgt. Es wird davon ausgegangen, dass das Prinzip nicht auf Wasser beschränkt ist, sondern ähnlich auch für andere Flüssigkeiten gültig ist. Die japanische Offenlegungsschrift 2018-119467 (Patentliteratur 3) beschreibt ebenfalls, dass ein Abgasfilter befeuchtet wird. Selbst wenn jedoch Wasserdampf, der schon gasförmig ist, an einem Abgasfilter anhaftet, kann der oben beschriebene Effekt nicht erreicht werden.
  • Daher wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters, in dem Ruß ablagert ist, angegeben, wobei das Verfahren umfasst, der Reihe nach die folgenden Schritte durchzuführen:
    • einen Schritt 1 des Imprägnierens des Filters mit einer Flüssigkeit, die nach Masse mindestens 50% eines Bestandteils aufweist, der einen Siedepunkt von höchstens 550° C hat, wenn eine Umgebungstemperatur im Filter mindestens 40°C niedriger als der Siedepunkt ist;
    • einen Schritt 2 des Anhebens der Umgebungstemperatur im Filter nach dem Imprägnieren auf eine Temperatur, die gleich dem oder höher als der Siedepunkt des Bestandteils ist; und
    • einen Schritt 3 des Zuführens eines Sauerstoff beinhaltenden Gases bei einer Temperatur größer als 550°C an den Filter, um den Ruß zu verbrennen.
  • <Schritt 1>
  • In Schritt 1 wird der Filter mit einer Flüssigkeit imprägniert, die nach Masse mindestens 50% eines Bestandteils aufweist, der einen Siedepunkt von höchstens 550°C hat (im Folgenden auch als „Imprägnierflüssigkeit“ bezeichnet), wenn eine Umgebungstemperatur im Filter mindestens 40°C niedriger als der Siedepunkt ist.
  • Durch Imprägnieren des Abgasfilters mit einer Flüssigkeit, die nach Masse mindestens 50% eines Bestandteils aufweist, der einen Siedepunkt von höchstens 550° C hat (Imprägnierflüssigkeit), kann der Bestandteil gekocht werden, bevor die Temperatur erreicht wird, bei der Rußverbrennung stattfindet. Somit kann das Aufbrechen der Rußablagerungsschicht wie oben beschrieben verursacht werden. Hinsichtlich des Förderns des Aufbrechens der Rußablagerungsschicht beträgt der Gehalt des Bestandteils mit einem Siedepunkt von höchstens 550°C in der Imprägnierflüssigkeit nach Masse vorzugsweise mindestens 60%, weiter vorzugsweise mindestens 80% und besonders vorzugsweise mindestens 90%.
  • Hinsichtlich des Steigerns schneller Verdampfung und Erhöhen des Effekts, hat der Bestandteil einen Siedepunkt von höchstens 550°C, vorzugsweise einen Siedepunkt von höchstens 400°C, weiter vorzugsweise einen Siedepunkt von höchstens 300°C und besonders vorzugsweise einen Siedepunkt von höchstens 200°C. Da es außerdem eine Flüssigkeit bei Raumtemperatur erleichtert Schritt 1 auszuführen, hat der Bestandteil mit einem Siedepunkt von höchstens 550°Cvorzugsweise einen Schmelzpunkt von höchstens 20° C und besonders vorzugsweise höchstens 10°C.
  • Bestimmte Beispiele des Bestandteils mit einem Siedepunkt von höchstens 550°C umfassen Wasser und Kohlenwasserstoffe mit 5 bis 30, insbesondere 6 bis 16 Kohlenstoffatomen (typischerweise Alkane), wobei diese Beispiele nicht einschränkend zu verstehen sind. Diese Bestandteile können allein oder in Kombination von zwei oder mehr verwendet werden. Unter diesen wird Wasser hinsichtlich leichter Anwendbarkeit und Kosten bevorzugt.
  • Bestimmte Beispiele der Flüssigkeit mit mindestens 50% nach Masse eines Bestandteils mit einem Siedepunkt von höchstens 550°C (Imprägnierflüssigkeit) umfassen Wasser, eine wässrige Lösung und Öl (zum Beispiel Benzin, Kerosin, Leichtöl, Schweröl, Maschinenöl und dergleichen). Die Imprägnierflüssigkeit kann als einzelne Sorte oder in Kombination von zwei oder mehr Sorten verwendet werden. Unter diesen werden Wasser und eine wässrige Lösung bevorzugt, weil diese leicht zu handhaben und billig sind. Zusätzlich wird Harnstoff-Wasser oft verwendet, um NOx in einem Abgas eines Motors zu reduzieren. Daher ist das Verwenden von Harnstoff-Wasser, wobei es sich um eine wässrige Lösung von Harnstoff handelt, als die Imprägnierflüssigkeit günstig, da es nicht notwendig ist, eine zusätzliche Versorgungsquelle bereitzustellen.
  • Da im nächsten Schritt ein Bestandteil mit einem Siedepunkt von höchstens 550°C gekocht wird, ist es notwendig, dass die Umgebungstemperatur im Filter beim Imprägnieren des Abgasfilters mit der Imprägnierflüssigkeit niedriger als der Siedepunkt des Bestandteils ist. Wenn jedoch die Umgebungstemperatur im Filter beim Imprägnieren des Abgasfilters mit der Imprägnierflüssigkeit zu nah am, wenn auch noch unter dem Siedepunkt des Bestandteils ist, kann der Bestandteil aufgrund von Verdampfung des Bestandteils nicht ausreichend in die Rußablagerungsschicht imprägniert werden, bevor der Bestandteil ausreichend eindringt, und die Wirkung des Aufbrechens der Rußablagerungsschicht kann nicht ausreichend erzielt werden. Daher ist die Umgebungstemperatur im Filter, wenn der Abgasfilter mit der Imprägnierflüssigkeit imprägniert wird, mindestens 40°C, vorzugsweise mindestens 50°C und besonders vorzugsweise mindestens 60°C unter dem Siedepunkt des Bestandteils mit dem Siedepunkt von höchstens 550 °C.
  • Wenn beispielsweise Wasser als Bestandteil mit einem Siedepunkt von höchstens 550°C verwendet wird, beträgt die Umgebungstemperatur im Abgasfilter beim Imprägnieren mit Wasser vorzugsweise höchstens 60°C, weiter vorzugsweise höchstens 50°C und besonders vorzugsweise höchstens 40°C. Im Allgemeinen erreicht das Abgas in mehreren zehn Sekunden eine Temperatur von mehreren hundert Grad, wenn der Motor startet. Daher wird Schritt 1 im Falle, dass Wasser als Bestandteil mit einem Siedepunkt von höchstens 550°C verwendet wird, normalerweise durchgeführt, wenn der Motor angehalten wird oder sofort nachdem der Motor gestartet wird.
  • Hinsichtlich des Förderns des Aufbrechens der Rußablagerungsschicht beträgt die Imprägniermenge der Imprägnierflüssigkeit, mit welcher der Abgasfilter imprägniert wird, vorzugsweise mindestens 0,05 L, weiter vorzugsweise mindestens 0,08 L und besonders vorzugsweise mindestens 0,1 L pro 1 L Volumen des Filters. Außerdem, da die Wirkung gesättigt wird und die Kosten steigen wenn die Menge übermäßig groß ist, beträgt die Imprägniermenge der Imprägnierflüssigkeit, mit welcher der Abgasfilter imprägniert wird, vorzugsweise höchstens 1 L, weiter vorzugsweise höchstens 0,6 L und besonders vorzugsweise höchstens 0,2 L pro 1 L Volumen des Filters. Es sei angemerkt, dass das Volumen des Filters hierbei ein aus äußeren Abmessungen des Filters berechneter Wert ist und darin existierende Poren sowie Zellen ebenfalls im Volumen enthalten sind.
  • Um den Abgasfilter hinreichend mit der Imprägnierflüssigkeit zu Imprägnieren, beträgt die Wartezeit nach Zuführen der benötigten Menge von Imprägnierflüssigkeit an den Abgasfilter vor dem Anheben der Temperatur in Schritt 2 vorzugsweise mindestens 0,5 Minuten, weiter vorzugsweise mindestens 2 Minuten und besonders vorzugsweise mindestens 5 Minuten. Andererseits kann die Imprägnierflüssigkeit verdampfen und verschwinden, wenn die Wartezeit zu lang ist. Daher beträgt die Wartezeit nach Zuführen der benötigten Menge von Imprägnierflüssigkeit an den Abgasfilter vor Übergehen zu Schritt 2 vorzugsweise höchstens 900 Minuten, weiter vorzugsweise höchstens 600 Minuten und besonders vorzugsweise höchstens 300 Minuten. Nachdem das Fahren am vorigen Tag beendet wird, kann der Filter in Wasser eingetaucht werden, so dass es möglich ist, an einem Zeitpunkt, zu dem das Fahren am nächsten Morgen beginnt, Regeneration durchzuführen. Falls die Imprägnierflüssigkeit, wie beispielsweise Öl, nicht bei normalen Temperaturen verdampft, gibt es kein Problem, selbst wenn eine längere Wartezeit eingestellt wird. Beispielsweise kann das Imprägnieren nach dem Ende des Fahrens am Wochenende durchgeführt werden und die Regeneration kann beim Beginn des Fahrens am Anfang der nächsten Woche durchgeführt werden.
  • Wenn der Abgasfilter für ein Fahrzeug ist, kann die Imprägnierflüssigkeit jedes Mal von außen dem Fahrzeug zugeführt werden, oder alternativ kann ein Vorratsbehälter für die Imprägnierflüssigkeit im Fahrzeug angeordnet sein, aus dem die Imprägnierflüssigkeit zugeführt wird. Wenn jedoch die Häufigkeit des Regenerierens des Abgasfilters nicht so hoch ist (ungefähr ein Mal alle fünf Tage) und bei Nutzfahrzeugen wie LKW und Busse, ist es üblich, das Fahrzeug an einem vorgegebenen Ort anzuhalten, bevor der Filter regeneriert wird. Angesichts dieser Aspekte ist es aus Sicht der Kosten bevorzugt, die Imprägnierflüssigkeit dem Fahrzeug jedes Mal von außen zuzuführen, wenn der Filter regeneriert wird, ohne dass ein Vorratsbehälter für die Imprägnierflüssigkeit eingebaut wird.
  • Das Verfahren zum Imprägnieren des Abgasfilters mit der Imprägnierflüssigkeit kann ein Verfahren zum direkten Einspritzen der Imprägnierflüssigkeit zum Abgasfilter sein oder ein Verfahren zum Eintauchen des Abgasfilters in der Imprägnierflüssigkeit, wobei das Verfahren nicht auf diese Ausführungen beschränkt ist. Bei beiden oben genannten Verfahren durchsetzt die Imprägnierflüssigkeit oder wird die Imprägnierflüssigkeit mittels Kapillareffekt aufgesaugt und breitet sich über den gesamten Abgasfilter aus, so dass es nicht notwendig ist, die Imprägnierflüssigkeit über den ganzen Abgasfilter zu sprühen oder den Abgasfilter in die Imprägnierflüssigkeit einzutauchen. Stattdessen kann sie teilweise aufgesprüht oder eingetaucht werden.
  • <Schritt 2>
  • Im Schritt 2 wird die Temperatur der Atmosphäre im Filter nach dem Imprägnieren auf die Temperatur angehoben, die gleich groß wie oder größer als der Siedepunkt des Bestandteils mit einem Siedepunkt von höchstens 550°C ist. Beim Durchlaufen des Prozesses wird der Bestandteil verdampft und dehnt sich aus, so dass das Aufbrechen der Rußablagerungsschicht auf Grundlage des oben beschriebenen erwarteten Prinzips gefördert wird. Wenn die Imprägnierflüssigkeit eine Vielzahl von Arten von Bestandteilen mit einem Siedepunkt von höchstens 550°C enthält, kann der Siedepunkt einen Wert eines bestimmten Bereichs haben. Der Einfachheit halbe wird jedoch der Siedepunkt des Bestandteils (Lösungsmittel) mit dem größten Volumenanteil in der Imprägnierflüssigkeit unter den Bestandteilen mit einem Siedepunkt von höchstens 550° C als „der Siedepunkt des Bestandteils mit einem Siedepunkt von höchstens 550°C“ definiert.
  • Das Verfahren zum Erhöhen der Umgebungstemperatur im Abgasfilter ist nicht besonders eingeschränkt. Allerdings wird im Falle eines Abgasfilters für ein Fahrzeug ein Vorgang des Erhöhens der Temperatur des Abgases vom Motor unter Verwendung eines Oxidationskatalysators oder dergleichen zum Regenerieren des Filters durchgeführt, so dass es bequem ist, die Temperatur durch diesen Vorgang zu erhöhen.
  • <Schritt 3>
  • In Schritt 3 wird ein Sauerstoff enthaltendes Gas bei einer Temperatur größer als 550°C an den Filter zugeführt, um den Ruß zu verbrennen. Um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, hat das Sauerstoff enthaltene Gas vorzugsweise eine möglichst niedrige Temperatur über 550°C. Daher liegt die Temperatur des Sauerstoff enthaltenen Gases vorzugsweise bei höchstens 650°C, weiter vorzugsweise bei höchstens 600°C und besonders vorzugsweise bei höchstens 570°C. Wie oben beschrieben ist es möglich den Ruß in kurzer Zeit effizient bei solch niedriger Temperatur abzubrennen, da die Verbrennung von Ruß, der sich auf dem Abgasfilter abgelagert hat, durch Durchlaufen von Schritt 1 gefördert wird.
  • Aus Sicht des schnellen Abbrennens von Ruß aus dem Abgasfilter beträgt die Sauerstoffkonzentration im Sauerstoff enthaltenen Gas vorzugsweise mindestens 2% nach Volumen, weiter vorzugsweise mindestens 3% nach Volumen und besonders vorzugsweise mindestens 5% nach Volumen. Außerdem ist die Sauerstoffkonzentration im Sauerstoff enthaltenen Gas nicht besonders beschränkt, aber wird der Fall betrachtet, dass sowohl Kraftstoffverbrennung als auch elektrisches Heizen verwendet werden, wird das Maximum von 21% nach Volumen in dem Fall erreicht, dass nur elektrisches Heizen verwendet wird. Da Stromverbrauch durch elektrisches Heizen beim Heizen des Abgases nur durch Verbrennung nicht bevorzugt ist, beträgt das Volumen im Falle des Heizens des Abgases nur durch Verbrennung notwendigerweise höchstens 15% nach Volumen, da durch die Verbrennung Sauerstoff verbraucht wird, um auf mindestens 550°C zu heizen.
  • Die Art des Sauerstoff enthaltenen Gases ist nicht besonders beschränkt und Luft kann verwendet werden. Allerdings ist es im Falle eines Abgasfilters für ein Fahrzeug im Allgemeinen ein Abgas eines Motors. In einem typischen Ausführungsbeispiel wird als Sauerstoff enthaltenes Gas das Abgas nach Durchlaufen eines Oxidationskatalysators beim Dieselmotor oder eines Drei-Wege-Katalysators beim Benzinmotor verwendet.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Zeit des Zuführens des Sauerstoff enthaltenen Gases bei einer Temperatur über 550°C an den Abgasfilter höchstens 10 Minuten, vorzugsweise höchstens 8 Minuten und besonders vorzugsweise höchstens 5 Minuten betragen. Ferner können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, selbst wenn Sauerstoff enthaltenes Gas für solch eine kurze Zeit zum Verbrennen von Ruß zugeführt wird, mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95% und besonders vorzugsweise mindestens 99% einer Regenerationseffizienz erreicht werden. Hier wird die Regenerationseffizienz η (%) durch die folgende Gleichung dargestellt. η= ( m 1 − m 2 ) / m 1 × 100 ( % )
    Figure DE102020203717A1_0001
    • η:
    Regenerationseffizienz
    m1:
    Gewicht der PM-Ablagerung vor der Regeneration
    m2:
    Gewicht der PM-Ablagerung nach der Regeneration
  • Da auch andere PM als Ruß im Abgasfilter gefangen wird, kann beim Berechnen der Regenerationseffizienz auch andere PM als Ruß berücksichtigt werden. Die oben bezeichneten m1 und m2 werden gemessen, um die Regenerationseffizienz zu bestimmen, indem jeweils das Gewicht MF1 des Filters auf dem kein Ruß abgelagert ist, das Gewicht MF2 des Filters, auf dem Ruß abgelagert ist vor Regeneration und das Gewicht MF3 des Filters nach Regeneration, unter trockenen Bedingungen nach Trocknen bei 200°C für mindestens 1 Stunde und Verdampfen des Wassers im Katalysator, gemessen werden. Die Rechnung ist: m 1 = MF 2 − MF 1
    Figure DE102020203717A1_0002
     m 2 = MF 3 − MF 1
    Figure DE102020203717A1_0003
  • (System zum Imprägnieren eines Abgasfilters)
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Imprägnieren eines Abgasfilters bereitgestellt, das geeignet ist, das oben beschriebene Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters durchzuführen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters:
    • einen im Abgaspfad angeordneten Abgasfilter;
    • einen Versorger zum Zuführen einer Flüssigkeit, die nach Masse mindestens 50% eines Bestandteils aufweist, der einen Siedepunkt von höchstens 550°C hat, an den Abgasfilter;
    • einen in den Abgaspfad angeordneten Temperatursensor; und
    • eine automatische Steuerung, die es dem Versorger erlaubt, die Flüssigkeit zuzuführen, wenn eine vom Temperatursensor gemessene Temperatur mindestens 40°C unter dem Siedepunkt liegt.
  • Als Abgasfilter kann der oben in Abschnitt „1. Abgasfilter“ beschriebene Abgasfilter verwendet werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird ein DPF verwendet, um ein Abgas eines Dieselmotors zu reinigen, und ein OPF verwendet, um ein Abgas eines Benzinmotors zu reinigen. Außerdem kann als Flüssigkeit, die nach Masse mindestens 50% einen Bestandteil mit einem Siedepunkt von höchstens 550°C (die Imprägnierflüssigkeit) aufweist, wie oben unter „2. Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters“ beschrieben, und typischerweise Wasser oder eine wässrige Lösung in geeigneter Weise verwendet werden.
  • Der Zuführer kann eine Imprägnierflüssigkeitsleitung, die mit einer Versorgungsquelle (zum Beispiel ein Vorratsbehälter) der Imprägnierflüssigkeitsleitung verbunden ist, die im oder außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, und eine Auslassöffnung aufweisen. Die Imprägnierflüssigkeit läuft durch die Imprägnierflüssigkeitsleitung und wird aus dem Versorgungsanschluss ausgestoßen. Eine Düse muss nicht unbedingt an der Spitze der Imprägnierflüssigkeitsleitung angeordnet sein, aber um den Auslassdruck zu erhöhen und/oder die Auslassrichtung zu regeln, kann eine Düse, wie zum Beispiel eine Zerstäuberdüse, an der Spitze der Imprägnierflüssigkeitsleitung angeordnet sein, und die Auslassöffnung kann an der Düsenspitze angeordnet sein. Der Auslassdruck ist nicht besonders festgelegt, kann aber beispielsweise 0,15 MPa bis 2,0 MPa betragen, typischerweise 0,2 MPa bis 0,5 MPa. Falls notwendig können eine Pumpe oder Pumpen in der Imprägnierflüssigkeitsleitung eingebaut sein, so dass der Auslassdruck erhöht werden kann.
  • Wenn ein Vorratsbehälter für die Imprägnierflüssigkeit im Fahrzeug angeordnet ist, kann die Imprägnierflüssigkeit vorab von außerhalb des Fahrzeugs an den Vorratsbehälter zugeführt werden. An einer Position, wo die Temperatur des Abgases am untersten Strom des Abgassystems niedrig ist, kondensiert und verflüssigt sich der im Abgas enthaltene Wasserdampf und sammelt sich im Abgaspfad. Daher kann das flüssige Wasser mittels einer Ablaufleitung gesammelt und im Vorratsbehälter des Fahrzeugs bevorratet werden. Es gibt keine Notwendigkeit, separat Wasser von außerhalb des Fahrzeugs zuzuführen und durch die Verbrennung von Kraftstoff erzeugtes Wasser kann verwendet werden.
  • Um das Abgas aktiv zu kühlen, können Kühlrippen (welche die Fläche zum Kühlen erhöhen) außerhalb des Auspuffrohrs angeordnet sein. Wie in US 9,739,187 B2 beschrieben kann das Abgas aktiv durch einen Kühler oder dergleichen gekühlt werden und ein Wasserbehälter kann zum Sammeln von Wasser im Abgas bereitgestellt werden.
  • Um die Zeit zu verkürzen, beträgt die Zuflussrate der Imprägnierflüssigkeit vom Zuführer vorzugsweise mindestens 5 cc/Sekunde, weiter vorzugsweise mindestens 10 cc/Sekunde und besonders vorzugsweise mindestens 30 cc/Sekunde. Um die Größe und die Kosten der Vorrichtung und Leitung(en) zu reduzieren, beträgt die Zuflussrate der Imprägnierflüssigkeit vom Zuführer vorzugsweise höchstens 200 cc/Sekunde, weiter vorzugsweise höchstens 150 cc/Sekunde und besonders vorzugsweise höchstens 100 cc/Sekunde. Die Zuflussrate der Imprägnierflüssigkeit vom Zuführer kann durch einen Flussregler, wie beispielsweise einen Massendurchflussregler geregelt werden.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm, das ein Anordnungsbeispiel eines Zuführers der Imprägnierflüssigkeit in Bezug auf den Abgasfilter illustriert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein säulenförmiger Abgasfilter 100 mit Wabenstruktur in einem Abschnitt 14 mit vergrößertem Durchmesser eingebaut, der im Abgaspfad 12 angeordnet ist und einen große Querschnittsfläche im Fließpfad aufweist. Der Imprägnierflüssigkeitszuführer 16 hat eine Imprägnierflüssigkeitsleitung 11, eine Düse 20 und eine Auslassöffnung 18. Die Imprägnierflüssigkeit wird aus der an der Spitze der Düse 20 angeordneten Auslassöffnung 18 durch die Imprägnierflüssigkeitsleitung 11 abgegeben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Imprägnierflüssigkeitszuführer 16 an einer Position und in einer Richtung angeordnet, so dass die Imprägnierflüssigkeit direkt zum Abgasfilter 100 eingespritzt werden kann. Eine Matte 22 aus Keramikfasern oder Metallfasern kann zwischen der äußeren Seitenwand des Abgasfilters 100 und der Innenwand des Abgaspfads 12 eingefügt werden, so dass zwischen ihnen keine Lücke bleibt.
  • Der Ort des Abgasfilters, der die Imprägnierflüssigkeit direkt einspritzt, ist nicht besonders eingeschränkt. Die stromaufwärts gelegene Endfläche oder die stromabwärts gelegene Endfläche des Abgasfilters werden jedoch bevorzugt, da die Imprägnierflüssigkeit über einen weiten Bereich in der Querschnittsrichtung des Filters (Richtung senkrecht zur Flussrichtung des Abgases) zugeführt werden kann. Die stromaufwärts gelegene Endfläche des Abgasfilters wird bevorzugt, da die Wirkung der vorliegenden Erfindung am Filtereinlass zum Zeitpunkt der Regeneration verstärkt werden kann, wodurch die Regeneration stromabwärts gefördert wird. Der Abgasfilter 100 ist mit der vom Zuführer 16 ausgestoßenen Imprägnierflüssigkeit imprägniert. Da die auf die stromaufwärts gelegene Endfläche oder die stromabwärts gelegene Endfläche gesprühte Imprägnierflüssigkeit den gesamten Abgasfilter mittels Kapillareffekt durchsetzt, ist es möglich, den gesamten Abgasfilter mit der Imprägnierflüssigkeit zu imprägnieren.
  • Als nächstes zeigt 5 ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Anordnungsbeispiel eines Imprägnierflüssigkeitszuführers für den Abgasfilter illustriert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein säulenförmiger Abgasfilter 100 mit Wabenstruktur in einem Abschnitt 14 mit vergrößertem Durchmesser eingebaut, der im Abgaspfad 12 angeordnet ist und einen große Querschnittsfläche im Fließpfad aufweist. Der Imprägnierflüssigkeitszuführer 16 hat eine Imprägnierflüssigkeitsleitung 11, eine Düse 20 und eine Auslassöffnung 18. Die Imprägnierflüssigkeit wird aus der an der Spitze der Düse 20 angeordneten Auslassöffnung 18 durch die Imprägnierflüssigkeitsleitung 11 abgegeben. Die an der Spitze der Düse 20 angeordnete Auslassöffnung 18 ist auf die Unterseite des Abschnitts 14 mit vergrößertem Durchmesser gerichtet. Die Unterseite des Abschnitts 14 mit vergrößertem Durchmesser kann als Flüssigkeitsbehälter 24 dienen, der die vom Zuführer 16 zugeführte Imprägnierflüssigkeit bevorratet. Da die im Flüssigkeitsbehälter 24 angesammelte Imprägnierflüssigkeit durch Kapillareffekt aufgesaugt werden kann, ist es möglich den gesamten Abgasfilter mit dem der Flüssigkeit zu imprägnieren.
  • Der Zuführer 16 kann ein automatisches Ventil 19, wie beispielsweise ein elektromagnetisches Ventil oder ein elektrisches Ventil, aufweisen und konfiguriert sein, ein Öffnen und Schließen des Ventils gemäß einem Öffnungssignal von der automatischen Steuerung 26 zu steuern. Ferner kann der Zuführer 16 konfiguriert sein, nicht nur das Öffnen und Schließen des Ventils zu steuern, sondern auch den Öffnungsgrad des Ventils entsprechend dem Öffnungsgradsignal von der automatischen Steuerung 26. Die automatische Steuerung 26 ist konfiguriert, eine Filterregenerationsanforderung von einem Bord-Bestimmungssystem 27, das die Notwendigkeit einer Filterregeneration bestimmt, zu empfangen.
  • Der Temperatursensor 15 im Abgaspfad 12 eingebaut und kann die Umgebungstemperatur im Abgaspfad 12 messen. Obwohl der Ort, an dem der Temperatursensor 15 eingebaut ist, nicht eingeschränkt ist, wird es bevorzugt, dass der Temperatursensor 15 in der Nähe vom Abgasfilter 100 angeordnet ist, um die Regelgenauigkeit zu erhöhen. Insbesondere ist für den Einbau des Temperatursensors eine Position innerhalb von 30 cm, vorzugsweise innerhalb von 20 cm, besonderes vorzugsweise innerhalb von 10 cm von der stromaufwärts gelegenen Endfläche des Abgasfilters in Richtung stromaufwärts im Abgaspfad wünschenswert, oder alternativ, eine Position innerhalb von 30 cm, vorzugsweise innerhalb von 20 cm, besonderes vorzugsweise innerhalb von 10 cm von der stromabwärts gelegenen Endfläche des Abgasfilters in Richtung stromabwärts im Abgaspfad. Es ist zudem möglich einen Temperatursensor in den Abgasfilter einzuführen.
  • Die automatische Steuerung 26 kann konfiguriert sein, dem Zuführer 16 zu erlauben, das Zuführen der Imprägnierflüssigkeit durchzuführen, wenn eine vom Temperatursensor 15 gemessene Temperatur mindestens 40 °C, vorzugsweise mindestens 50°C, besonders vorzugsweise mindestens 60°C unter dem Siedepunkt des Bestandteils mit dem Siedepunkt von höchstens 550° C liegt.
  • 6 ist ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Betrieb der automatischen Steuerung, die einen Zuführer der Imprägnierflüssigkeit steuert, illustriert. Das Bord-Bestimmungssystem ermittelt die Notwendigkeit, den Filter zu regenerieren auf Grundlage des Zustands des auf dem Abgasfilter abgelagerten Rußes (Schritt (a)). Der Zustand des auf dem Abgasfilter abgelagerten Rußes kann durch Schätzung anhand des Gewichts des Filters, des Druckverlusts zwischen Einlass und Auslass des Filters, der Laufzeit, der Laufstrecke und der Fahrbedingungen und dergleichen bestätigt werden. Wenn das Bord-Bestimmungssystem ermittelt, dass eine Regeneration notwendig ist, führt das Bord-Bestimmungssystem wie unten beschrieben Schritt (b) durch oder informiert den Benutzer über die Notwendigkeit der Regeneration mittels einer Warnleuchte oder dergleichen.
  • Falls ermittelt wird, dass die Regeneration des Filters notwendig ist, fordert das Bord-Bestimmungssystem oder der Benutzer die automatische Steuerung dazu auf, die Imprägnierflüssigkeit vom Zuführer an den Abgasfilter zuzuführen (Schritt (b)). Zu diesem Zeitpunkt kann die automatische Steuerung so konfiguriert sein, dass die Menge der an den Abgasfilter zugeführten Flüssigkeit angefordert werden kann. Wenn der Benutzer Schritt (b) durchführt, gibt es keine bestimmte Einschränkung hinsichtlich des Anfrageverfahrens, solange ein Signal, das den Beginn der Flüssigkeitszufuhr beauftragt, an die automatische Steuerung übertragen werden kann. Die automatische Steuerung kann konfiguriert sein, eine Anfrage zu stellen, indem eine Benutzeroberfläche wie beispielsweise ein Schalter, eine grafische Benutzeroberfläche („Graphical User Interface“, GUI), eine zeichenbasierte Benutzeroberfläche („Character User Interface“, CUI), eine Befehlszeilenschnittstelle („Command Line Interface“, CLI) und ein Mikrofon.
  • Nach Empfangen der Anfrage ermittelt die automatische Steuerung, ob die durch den Temperatursensor gemessene Temperatur die oben beschriebene Temperaturbedingung erfüllt (Schritt (c)).
  • Wenn die automatische Steuerung ermittelt, dass die Temperaturbedingung erfüllt ist, erlaubt es dem Imprägnierflüssigkeitszuführer die Flüssigkeit zuzuführen (Schritt (d)). Insbesondere kann die automatische Steuerung ein Signal senden, um das automatische Ventil des Imprägnierflüssigkeitszuführers zu öffnen. Die automatische Steuerung kann konfiguriert sein, ein Signal zum Schließen das automatischen Ventils zu senden, wenn eine vorgegebene Menge der Flüssigkeit aus dem Imprägnierflüssigkeitszuführer ausgestoßen wird, wodurch es möglich ist, eine feste Menge der Imprägnierflüssigkeit zuzuführen. Die ausgestoßene Menge an Imprägnierflüssigkeit vom Zuführer 16 kann überwacht werden, zum Beispiel indem ein Durchflussmesser 13 zum Messen der integrierten Menge in der Imprägnierflüssigkeitsleitung eingebaut wird, und die automatische Steuerung 26 kann die Zufuhr der Flüssigkeit auf Grundlage der integrierten Menge stoppen (siehe 4 und 5). Da die integrierte Menge der vom Zuführer 16 ausgestoßenen Flüssigkeit der oben beschriebenen „Imprägniermenge der im Abgasfilter imprägnierten Flüssigkeit“ entspricht, wird eine detaillierte Beschreibung übersprungen. Dieselben Schritte werden ausgeführt, wenn der Benutzer die Regeneration in Reaktion auf ein Warnlicht oder dergleichen des Bord-Bestimmungssystems startet.
  • Andererseits erlaubt die automatische Steuerung dem Zuführer nicht, die Flüssigkeit zuzuführen, wenn sie ermittelt, dass die Temperaturbedingung nicht erfüllt ist. Die Bestimmung wird fortgesetzt und ein Befehl zum Beginnen des Zuführens von Flüssigkeit wird ausgegeben, wenn die Temperaturbedingung erfüllt ist. Im Fall, dass die Regeneration durch den Benutzer gestartet wird, kann die automatische Steuerung konfiguriert sein, das ermittelte Ergebnis über eine Benutzeroberfläche (zum Beispiel eine Bildschirmanzeige, eine Lautsprecherausgabe, oder dergleichen) zu übertragen.
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das einen weiteren beispielhaften Betrieb der automatischen Steuerung, die einen Zuführer der Imprägnierflüssigkeit steuert, illustriert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind Schritte (a) und (b) identisch mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Allerdings ist die automatische Steuerung im vorliegenden Ausführungsbeispiel konfiguriert, den Betriebszustand des Motors zu überwachen (ein Signal, dass anzeigt, ob der Motor läuft oder steht), und der Betriebszustand des Motors wird dem Kriterium zum Ermitteln, ob dem Zuführer erlaubt wird, die Flüssigkeit zuzuführen, hinzugefügt.
  • Insbesondere ist in Schritt (c) des vorliegenden Ausführungsbeispiels die automatische Steuerung konfiguriert, es dem Zuführer zu erlauben, die Flüssigkeit nur dann zuzuführen, wenn zusätzlich zur oben beschriebenen erfüllten Temperaturbedingung ermittelt wird, dass der Motor steht.
  • 8-1 bis 8-8 sind schematische Diagramme verschiedener Abgassysteme, die ein System zum Imprägnieren eines Abgasfilters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweisen.
  • Im Abgassystem, das in 8-1 dargestellt ist, wird Abgas eines Dieselmotors 81 durch ein Auspuffrohr 80 ausgestoßen. Im Auspuffrohr 80 sind ein Oxidationskatalysator 82, ein Harnstoff-Wasser-Zuführer 83, ein Imprägnierflüssigkeitszuführer 84, ein Abgasfilter 85, ein SCR-Katalysator 86 und ein Schalldämpfer 87 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts gelegenen Seite angeordnet. Der Imprägnierflüssigkeitszuführer 84 führt die Imprägnierflüssigkeit stromabwärts vom Oxidationskatalysator 82 zu, wodurch verhindert wird, dass die Imprägnierflüssigkeit vom Oxidationskatalysator absorbiert wird, und was es ermöglicht, die Imprägnierflüssigkeit dem Abgasfilter 85 effizient zuzuführen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Harnstoff-Wasser-Zuführer 83 einen im Fahrzeug angeordneten Harnstoff-Wasser-Tank 83a und eine Harnstoff-Wasser-Auslassöffnung 83b, die über eine Harnstoff-Wasser-Leitung 83c mit dem Harnstoff-Wasser-Tank 83a verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Imprägnierflüssigkeitszuführer 84 einen im Fahrzeug angeordneten Imprägnierflüssigkeitstank 84a und eine Imprägnierflüssigkeitsauslassöffnung 84b, die über eine Imprägnierflüssigkeitsleitung 84c mit dem Imprägnierflüssigkeitstank 84a verbunden ist. Außerdem wird die vom Imprägnierflüssigkeitszuführer 84 ausgestoßene Imprägnierflüssigkeit direkt zum Abgasfilter 85 eingespritzt.
  • Im Abgassystem, das in 8-2 dargestellt ist, wird Abgas des Benzinmotors 88 durch das Auspuffrohr 80 ausgestoßen. Im Auspuffrohr 80 sind ein Drei-Wege-Katalysator 89, ein Imprägnierflüssigkeitszuführer 84, ein Abgasfilter 85 und ein Schalldämpfer 87 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts gelegenen Seite angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Imprägnierflüssigkeitszuführer 84 einen im Fahrzeug angeordneten Imprägnierflüssigkeitstank 84a und eine Imprägnierflüssigkeitsauslassöffnung84b, die über eine Imprägnierflüssigkeitsleitung84c mit dem Imprägnierflüssigkeitstank 84a verbunden ist.
  • Im Abgassystem, das in 8-3 dargestellt ist, wird Abgas des Dieselmotors 81 durch das Auspuffrohr 80 ausgestoßen. Im Auspuffrohr 80 sind ein Oxidationskatalysator 82, ein Harnstoff-Wasser-Zuführer 83, ein Imprägnierflüssigkeitszuführer 84, ein Abgasfilter 85, ein SCR-Katalysator 86 und ein Schalldämpfer 87 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts gelegenen Seite angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Harnstoff-Wasser-Zuführer 83 einen im Fahrzeug angeordneten Harnstoff-Wasser-Tank 83a und eine Harnstoff-Wasser-Auslassöffnung 83b, die über eine Harnstoff-Wasser-Leitung 83c mit dem Harnstoff-Wasser-Tank 83a verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Imprägnierflüssigkeitszuführer 84 einen im Fahrzeug angeordneten Imprägnierflüssigkeitstank 84a und eine Imprägnierflüssigkeitsauslassöffnung 84b, die über eine Imprägnierflüssigkeitsleitung 84c mit dem Imprägnierflüssigkeitstank 84a verbunden ist. Außerdem wird die vom Imprägnierflüssigkeitszuführer 84 ausgestoßene Imprägnierflüssigkeit dem Flüssigkeitsbehälter 92 zugeführt.
  • Im Abgassystem, das in 8-4 dargestellt ist, wird Abgas des Dieselmotors 81 durch ein Auspuffrohr 80 ausgestoßen. Im Auspuffrohr 80 sind ein Oxidationskatalysator 82, ein Zuführer 93 mit einer Funktion des Schaltens zwischen Harnstoff-Wasser und Imprägnierflüssigkeit, ein Abgasfilter 85, ein SCR-Katalysator 86 und ein Schalldämpfer 87 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts gelegenen Seite angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Zuführer 93 mit der Funktion des Schaltens zwischen dem Harnstoff-Wasser und der Imprägnierflüssigkeit einen im Fahrzeug angeordneten Harnstoff-Wasser-Tank 93a, einen im Fahrzeug angeordneten Imprägnierflüssigkeitstank 93b, ein Schaltventil 93c, eine Harnstoff-Wasser-Leitung 93d zum Verbinden des Schaltventils 93c und des Harnstoff-Wasser-Tanks 93a, eine Imprägnierflüssigkeitsleitung 93e zum Verbinden des Imprägnierflüssigkeitstanks 93b mit dem Schaltventil 93c, eine Auslassöffnung 93f und eine gemeinsame Leitung 93g zum Verbinden des Schaltventils 93c und der Auslassöffnung 93f. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, selektiv durch Schalten des Schaltventils 93c Harnstoff-Wasser und Imprägnierflüssigkeit aus der Auslassöffnung 93f zuzuführen. Das vorliegende Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass das Leitungssystem vereinfacht werden kann. Es ist bevorzugt, dass die Richtung, in der die Flüssigkeit an der Auslassöffnung 93f ausgestoßen wird, zur Einlass-Endfläche des Abgasfilters 85 zeigt. Einspritzung kann aus einer Vielzahl von Auslässen 93f erfolgen. Außerdem wird bevorzugt, dass die Leitung, die von der Position der Auslassöffnung 93f zum Einlass des Abgasfilters 85 geht, nach unten geneigt ist, so dass die in die Leitung geleitete Flüssigkeit durch die Leitung zum Abgasfilter 85 fließt.
  • Im Abgassystem, das in 8-5 dargestellt ist, wird Abgas eines Dieselmotors 81 durch ein Auspuffrohr 80 ausgestoßen. Im Auspuffrohr 80 sind ein Oxidationskatalysator 82, ein Harnstoff-Wasser-Zuführer 83, ein Abgasfilter 85, ein SCR-Katalysator 86 und ein Schalldämpfer 87 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts gelegenen Seite angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Harnstoff-Wasser-Zuführer 83 einen im Fahrzeug angeordneten Harnstoff-Wasser-Tank 83a und eine Harnstoff-Wasser-Auslassöffnung 83b, die über eine Harnstoff-Wasser-Leitung 83c mit dem Harnstoff-Wasser-Tank 83a verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird vorteilhaft erreicht, dass das Leitungssystem weiter vereinfacht werden kann, indem Harnstoff-Wasser als Imprägnierflüssigkeit verwendet wird. Es ist bevorzugt, dass die Richtung, in der die Flüssigkeit an der Harnstoff-Wasser-Auslassöffnung 83b ausgestoßen wird, zur Einlass-Endfläche des Abgasfilters 85 zeigt. Einspritzung kann aus einer Vielzahl von Auslässen 93 erfolgen. Außerdem wird bevorzugt, dass die Leitung, die von der Position der Auslassöffnung 83b zum Einlass des Abgasfilters 85 geht, nach unten geneigt ist, so dass die in die Leitung geleitete Flüssigkeit durch die Leitung zum Abgasfilter 85 fließt.
  • Im Abgassystem, das in 8-6 dargestellt ist, wird Abgas eines Dieselmotors 81 durch ein Auspuffrohr 80 ausgestoßen. Im Auspuffrohr 80 sind ein Oxidationskatalysator 82, ein Harnstoff-Wasser-Zuführer 83, ein Imprägnierflüssigkeitszuführer 84, ein Abgasfilter 85, ein SCR-Katalysator 86 und ein Schalldämpfer 87 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts gelegenen Seite angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Harnstoff-Wasser-Zuführer 83 einen im Fahrzeug angeordneten Harnstoff-Wasser-Tank 83a und eine Harnstoff-Wasser-Auslassöffnung 83b, die über eine Harnstoff-Wasser-Leitung 83c mit dem Harnstoff-Wasser-Tank 83a verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsform umfasst der Imprägnierflüssigkeitszuführer 84 einen Verbindungsabschnitt 84d, wie beispielsweise eine Verbindung oder dergleichen, zum Zuleiten der Imprägnierflüssigkeit von einer Imprägnierflüssigkeitsversorgungsquelle 96 außerhalb des Fahrzeugs zum Zuführer 84, und eine Imprägnierflüssigkeitsauslassöffnung 84b, die über eine Imprägnierflüssigkeitsleitung 84c mit dem Verbindungsabschnitt 84d verbunden ist. Als Imprägnierflüssigkeitsversorgungsquelle 96 außerhalb des Fahrzeugs kann beispielsweise Imprägnierflüssigkeit in einem Imprägnierflüssigkeitstank, der außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, verwendet werden. Falls die Imprägnierflüssigkeit Wasser ist, kann auch Leitungswasser verwendet werden.
  • Im Abgassystem, das in 8-7 dargestellt ist, wird Abgas eines Benzinmotors 88 durch ein Auspuffrohr 80 ausgestoßen. Im Auspuffrohr 80 sind ein Drei-Wege-Katalysator 89, ein Imprägnierflüssigkeitszuführer 84, ein Abgasfilter 85 und ein Schalldämpfer 87 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts gelegenen Seite angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsform umfasst der Imprägnierflüssigkeitszuführer 84 einen Verbindungsabschnitt 84d, wie beispielsweise eine Verbindung oder dergleichen, zum Zuleiten der Imprägnierflüssigkeit von einer Imprägnierflüssigkeitsversorgungsquelle 96 außerhalb des Fahrzeugs zum Zuführer 84, und eine Imprägnierflüssigkeitsauslassöffnung 84b, die über eine Imprägnierflüssigkeitsleitung 84c mit dem Verbindungsabschnitt 84d verbunden ist. Als Imprägnierflüssigkeitsversorgungsquelle 96 außerhalb des Fahrzeugs kann beispielsweise Imprägnierflüssigkeit in einem Imprägnierflüssigkeitstank, der außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist, verwendet werden. Falls die Imprägnierflüssigkeit Wasser ist, kann auch Leitungswasser verwendet werden.
  • Im Abgassystem, das in 8-8 dargestellt ist, wird Abgas eines Benzinmotors 88 durch ein Auspuffrohr 80 ausgestoßen. Im Auspuffrohr 80 sind ein Drei-Wege-Katalysator 89, ein Imprägnierflüssigkeitszuführer 84, ein Abgasfilter 85 und ein Schalldämpfer 87 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts gelegenen Seite angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Imprägnierflüssigkeitszuführer 84 einen Imprägnierflüssigkeitstank 84a (Wasserbehälter) und eine Imprägnierflüssigkeitsauslassöffnung 84b, die über eine Imprägnierflüssigkeitsleitung 84c mit dem Imprägnierflüssigkeitstank 84a verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Ablaufleitung 97 mit dem Auspuffrohr 80 auf der stromabwärts gelegen Seite des Schalldämpfers 87 verbunden, und Wasser, das im niedrig-Temperatur-Abschnitt im Auspuffrohr kondensiert, wird über die Ablaufleitung 97 im Imprägnierflüssigkeitstank 84a gesammelt. Eine Pumpe 98 kann auf halbem Weg der Imprägnierflüssigkeitsleitung 84c angeordnet sein, um die Imprägnierflüssigkeit vom Imprägnierflüssigkeitstank 84a zur Imprägnierflüssigkeitsauslassöffnung 84b zu senden.
  • Zusätzlich können die zugeführte Menge und der Zeitpunkt des Zuführens des Harnstoff-Wassers durch einen allgemein bekannten automatischen Regler geregelt werden. Allerdings wird das Harnstoff-Wasser dem Abgaspfad für den Zweck des Entfernens von NOx zugeführt, wenn die Abgastemperatur mehrere hundert Grad erreicht. Aus diesem Grund wird das Harnstoff-Wasser, selbst wenn es dem Abgaspfad zugeführt wird, sofort verdampft und kann sich Abgasfilter nicht als Flüssigkeit anhaften. Das heißt, dass der Abgasfilter nicht durch das herkömmliche Verfahren zum Verwenden von Harnstoff-Wasser mit Harnstoff-Wasser imprägniert werden kann, selbst wenn ein System zum Zuführen des Harnstoff-Wassers auf herkömmliche Weise in einem Fahrzeug montiert wird.
  • BEISPIELE
  • Beispiele für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile werden im Folgenden beschrieben, wobei diese Beispiele nicht einschränkend zu verstehen sind.
  • (Vorbereitung des Abgasfilters)
  • DPF mit den folgenden Eigenschaften wurden für jeden Test der Filterregeneration vorbereitet.
    Material: Hergestellt aus Si-SiC (Silizium-Siliziumkarbit-Verbundwerkstoff)
    Form: zylindrisch
    Abmessungen: 165 mm Durchmesser × 140 mm Höhe (Volumen: 3 L)
    Dichte der Zellen: 46,5 Zellen/cm2
    Dicke der Trennwand: 0,305 mm
    Form der Zelle (Querschnittsform der Zelle senkrecht zur Längsrichtung der Zelle): quadratisch
    Porosität der Trennwände: 63%
    Katalysator: SCR-Katalysator-Beschichtung wurde auf Trennwänden gebildet
    Struktur: Wandfluss-Wabenstruktur
  • (Ablagerung von PM)
  • Der DPF wurde im Abgassystem eines Dieselmotors eingebaut und der Motor wurde betrieben, bis sich 24 g PM auf dem DPF abgelagert hatten. Das Gewicht der PM-Ablagerung wurde aus der Differenz zwischen dem Gewicht des Filters von der PM-Ablagerung und dem trockenen Gewicht des Filters nach der PM-Ablagerung bestimmt.
  • (Filter-Regenerationstest)
  • <Test Nr. 1 bis 3: Erfindungsbeispiele>
  • 400 cc Wasser (Flüssigkeitstemperatur: 25°C) wurde bei einer Umgebungstemperatur von 25°C in das Gehäuse des DPF geleitet, auf dem Ruß enthaltene PM durch die obige Prozedur abgelagert wurde, so dass sich die Flüssigkeit auf der unteren Seite des Raums im Gehäuse ansammelte, wo sie für 5 Minuten belassen wurde, um ein Imprägnieren durch Kapillareffekt zu erlauben. Die Imprägniermenge betrug ungefähr 0,13 L pro 1 L des Volumens des DPF. Die Imprägniermenge wurde durch Messen des Gewichts des DPF vor und nach dem Imprägnieren bestätigt.
  • Ein Test der Filter-Regeneration wurde durchgeführt, indem ein Abgas eines Motors mit einer Sauerstoffkonzentration von 8% nach Volumen und einer Flussrate von 2,3 Nm3/min in den DPF geleitet wurde, nachdem ein Imprägnieren mit einer Regenerationszeit wie in Tabelle 1 gezeigt durchgeführt wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Gastemperatur am Einlass des DPF wie in Tabelle 1 gemäß der Testnummer geändert.
  • <Test Nr. 4 bis 9: Vergleichsbeispiele>
  • Ein Abgas eines Motors mit einer Sauerstoffkonzentration von 8% nach Volumen und einer Flussrate von 2,3 Nm3/min wurde in den DPF geleitet, auf dem sich Ruß enthaltene PM durch die obige Prozedur abgelagert hatte, für eine Regenerationszeit wie in Tabelle 1 gezeigt, ohne dass der DPF mit Wasser imprägniert wurde. Ein Test der Filter-Regeneration wurde durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Gastemperatur am Einlass des DPF wie in Tabelle 1 gemäß der Testnummer geändert.
  • (Messung des Druckverlusts beim Starten der Regeneration)
  • Bei dem obigen Test der Filterregeneration wurde der Druckverlust zwischen dem Einlass und dem Auslass des DPF bei Beginn der Filterregeneration gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 zusammengefasst.
  • (Messung der Regenerationseffizienz)
  • Beim Test der Filterregeneration wurde die Regenerationseffizienz des Filters gemessen. Die Regenerationseffizienz des Filters wurde mit einem Verfahren zum Messen des Trockengewichts des Filters vor und nach dem Regenerieren gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 zusammengefasst.
  • Um die Regenerationseffizienz zu bestimmen, wurden jeweils das Gewicht des Filters ohne abgelagerten Ruß, das Gewicht des Filters mit abgelagerten Ruß vor Regenerieren und das Gewicht des Filters nach Regenerieren in einem trockenen Zustand gemessen, indem die Filter für mindestens 1 Stunde bei 200°C getrocknet wurden, um das Wasser im Katalysator zu verdampfen. Tabelle 1
    Test Nr. Menge von Wasserabsor ption Gastemper atur am Eingang Regeneration szeit Regenerationseff izienz Druckverlust beim Starten der Regeneration
    cc °C min % kPa
    1 400 560 5 nicht weniger als 99 3,5
    2 400 600 5 nicht weniger als 99 3,9
    3 400 650 5 nicht weniger als 99 4,5
    4 0 560 20 36 8
    5 0 600 20 52 8,4
    6 0 650 20 65 8,9
    7 0 560 5 9 8
    8 0 600 5 13 8,4
    9 0 650 5 17 8,9
  • (Diskussion)
  • Aus Tabelle 1 folgt, dass Tests Nr. 1 bis 3, bei denen eine Filterregeneration nach Imprägnieren des DPF mit flüssigem Wasser durchgeführt wurde, eine Filterregenerationseffizienz von 99% in einer Regenerationszeit von nur 5 Minuten selbst bei niedriger Gaseintrittstemperatur von 560°C erreichten. Ferner wurde in Tests Nr. 1 bis 3 festgestellt, dass der Druckverlust bei Beginn der Regeneration reduziert wurde, da die Rußablagerungsschicht kondensiert wurde, um Poren durch Imprägnieren des DPF mit Wasser zu bilden. Andererseits betrug die erreichte Regenerationseffizienz in Tests Nr. 7 bis 9, selbst bei einer Gaseintrittstemperatur von 650°C, nur 17% in einer Regenerationszeit von 5 Minuten, da der DPF nicht mit Wasser imprägniert wurde. Ferner kann aus den Ergebnissen von Tests 4 bis 6 festgestellt werden, dass die Regenerationseffizienz trotzdem niedrig war, selbst wenn die Regenerationszeit auf 20 Minuten verlängert wurde, wenn der DPF nicht mit Wasser imprägniert wurde.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Imprägnierflüssigkeitsleitung
    12
    Abgaspfad
    13
    Durchflussmesser
    14
    Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser
    15
    Temperatursensor
    16
    Imprägnierflüssigkeitszuführer
    18
    Auslassöffnung
    19
    Automatisches Ventil
    20
    Düse
    22
    Matte
    24
    Flüssigkeitsbehälter
    26
    Automatische Steuerung
    27
    Bord-Bestimmungssystem
    81
    Dieselmotor
    80
    Abgasleitung
    82
    Oxidationskatalysator
    83
    Harnstoff-Wasser-Zuführer
    83a
    Harnstoff-Wasser-Tank
    83b
    Harnstoff-Wasser-Auslassöffnung
    83c
    Harnstoff-Wasser-Leitung
    84
    Imprägnierflüssigkeitszuführer
    84a
    Imprägnierflüssigkeitstank
    84b
    Imprägnierflüssigkeitsauslassöffnung
    84c
    Imprägnierflüssigkeitsleitung
    84d
    Verbindungsabschnitt
    85
    Abgasfilter
    86
    SCR-Katalysator
    87
    Schalldämpfer
    88
    Benzinmotor
    89
    Drei-Wege-Katalysator
    92
    Flüssigkeitsbehälter
    93
    Zuführer, der zwischen Harnstoff-Wasser und Imprägnierflüssigkeit umschalten kann
    93a
    Harnstoff-Wasser-Tank
    93b
    Imprägnierflüssigkeitstank
    93c
    Umschaltventil
    93d
    Harnstoff-Wasser-Leitung
    93e
    Imprägnierflüssigkeitsleitung
    93f
    Auslassöffnung
    93g
    Gemeinsame Leitung
    96
    Bezugsquelle von Imprägnierflüssigkeit außerhalb des Fahrzeugs
    97
    Ablaufleitung
    98
    Pumpe
    100
    Abgasfilter
    102
    Äußere Seitenwand
    104
    Erste Endfläche
    106
    Zweite Endfläche
    108
    Erste Zelle
    110
    Zweite Zelle
    112
    Trennwand
    120
    Ruß
    122
    Pore
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • JP 2010 [0008]
    • JP 116913 [0008]
    • US 9739187 B2 [0048]

Claims (23)

  1. Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters, auf dem Ruß ablagert ist, wobei das Verfahren umfasst, der Reihe nach die folgenden Schritte durchzuführen: einen Schritt 1 des Imprägnierens des Filters mit einer Flüssigkeit, die nach Masse mindestens 50% eines Bestandteils aufweist, der einen Siedepunkt von höchstens 550°C hat, wenn eine Umgebungstemperatur im Filter mindestens 40°C niedriger als der Siedepunkt ist; einen Schritt 2 des Anhebens der Umgebungstemperatur im Filter nach dem Imprägnieren auf eine Temperatur, die gleich dem oder höher als der Siedepunkt des Bestandteils ist; und einen Schritt 3 des Zuführens eines Sauerstoff beinhaltenden Gases bei einer Temperatur größer als 550°C an den Filter, um den Ruß zu verbrennen.
  2. Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach Anspruch 1, wobei Schritt 1 durchgeführt wird, wenn die Umgebungstemperatur im Filter mindestens 60°C niedriger als der Siedepunkt ist.
  3. Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Bestandteil, der den Siedepunkt von 550°C oder weniger hat, Wasser ist.
  4. Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach Anspruch 3, wobei die Flüssigkeit Harnstoff aufweist.
  5. Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Schritt 1 eine Menge der im Filter imprägnierten Flüssigkeit mindestens 0,05 L und höchstens 1 L des Volumens des Filters beträgt.
  6. Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Abgasfilter ein Abgasfilter für ein Fahrzeug ist.
  7. Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach Anspruch 6, wobei die Flüssigkeit von außerhalb des Fahrzeugs zugeführt wird.
  8. Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Abgasfilter umfasst: eine äußere Seitenwand; eine Vielzahl erster Zellen, die innerhalb der äußeren Seitenwand angeordnet ist, und sich von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstreckt, wobei die erste Endfläche offen ist und die zweite Endfläche verstopft ist; und eine Vielzahl zweiter Zellen, die innerhalb der äußeren Seitenwand angeordnet ist, und sich von der ersten Endfläche zur zweiten Endfläche erstreckt, wobei die erste Endfläche verstopft ist und die zweite Endfläche offen ist, und wobei der Abgasfilter eine Struktur aufweist, bei der die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei poröse Trennwände dazwischen eingefügt sind.
  9. Verfahren zum Regenerieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Filter keinen Oxidationskatalysator aufweist.
  10. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters, umfassend: einen im Abgaspfad angeordneten Abgasfilter; einen Versorger zum Zuführen einer Flüssigkeit, die nach Masse mindestens 50% eines Bestandteils aufweist, der einen Siedepunkt von höchstens 550°C hat, an den Abgasfilter; einen in den Abgaspfad angeordneten Temperatursensor; und eine automatische Steuerung, die es dem Versorger erlaubt, die Flüssigkeit zuzuführen, wenn eine vom Temperatursensor gemessene Temperatur mindestens 40°C unter dem Siedepunkt liegt.
  11. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach Anspruch 10, wobei der Zuführer fähig ist, die Flüssigkeit direkt zum Abgasfilter zu injizieren.
  12. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach Anspruch 10, wobei der Abgasfilter in einem Flüssigkeitsbehälter angeordnet ist, der im Abgaspfad angeordnet ist, und der Zuführer fähig ist, die Flüssigkeit dem Flüssigkeitsbehälter zuzuführen.
  13. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Zuführer stromaufwärts vom Abgasfilter angeordnet ist.
  14. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Zuführer die Flüssigkeit stromabwärts von einem im Abgaspfad angeordneten Oxidationskatalysator zuführt.
  15. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die automatische Steuerung es dem Versorger erlaubt, die Flüssigkeit zuzuführen, wenn eine vom Temperatursensor gemessene Temperatur mindestens 60°C unter dem Siedepunkt liegt.
  16. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der Bestandteil, der den Siedepunkt von 550°C oder weniger hat, Wasser ist.
  17. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Flüssigkeit Harnstoff aufweist.
  18. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei die automatische Steuerung fähig ist, dem Zuführer eine Anweisung zu geben, eine Flüssigkeitsmenge von mindestens 0,05 L und höchstens 1 L des Volumens des Filters zuzuführen.
  19. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei der Abgasfilter ein Abgasfilter für ein Fahrzeug ist.
  20. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei der Abgasfilter umfasst: eine äußere Seitenwand; eine Vielzahl erster Zellen, die innerhalb der äußeren Seitenwand angeordnet ist, und sich von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstreckt, wobei die erste Endfläche offen ist und die zweite Endfläche verstopft ist; und eine Vielzahl zweiter Zellen, die innerhalb der äußeren Seitenwand angeordnet ist, und sich von der ersten Endfläche zur zweiten Endfläche erstreckt, wobei die erste Endfläche verstopft ist und die zweite Endfläche offen ist, und wobei der Abgasfilter eine Struktur aufweist, bei der die ersten Zellen und die zweiten Zellen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei poröse Trennwände dazwischen eingefügt sind.
  21. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 20, wobei der Filter keinen Oxidationskatalysator aufweist.
  22. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 21, wobei der Zuführer einen Wassertank zum Sammeln und Aufbewahren von flüssigem Wasser, das durch Kondensation von Wasserdampf im Abgas erzeugt wird, aufweist.
  23. System zum Imprägnieren eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 10 bis 22, wobei das System zum Imprägnieren eines Abgasfilters in einem Fahrzeug angeordnet ist und einen Verbindungsabschnitt aufweist, um die Flüssigkeit von außerhalb des Fahrzeugs an den Zuführer zu leiten.
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