EP1990097A2 - Wall-flow filter with unlimited creep rupture behaviour stability - Google Patents
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- EP1990097A2 EP1990097A2 EP20080450074 EP08450074A EP1990097A2 EP 1990097 A2 EP1990097 A2 EP 1990097A2 EP 20080450074 EP20080450074 EP 20080450074 EP 08450074 A EP08450074 A EP 08450074A EP 1990097 A2 EP1990097 A2 EP 1990097A2
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Definitions
- the invention relates to a method for operating a filter arrangement for separating soot particles from an exhaust gas flow, in which the exhaust gas flow is passed through passages of the ceramic body extending in the longitudinal direction of a porous ceramic body, according to the preamble of claim 1.
- the exhaust gas flow passes through pores of the walls of the channels of the ceramic body, which are open only on one side, whereby the soot particles are retained.
- the deposition of the soot particles thus takes place mechanically.
- Different systems are known for the degradation of the deposited soot particles in the channels of the ceramic body, for example by means of a plasma generated in the channels of the ceramic body ("plasma-generated filter systems").
- plasma-generated filter systems For this purpose, a voltage is applied to the ceramic body for generating an electric field in the channels of the ceramic body, which is oriented in each case normal to the axis of the channels on parallel to the channels extending electrodes. Electric field strengths of about 1 kV / cm in the channels of the honeycomb body are usually sufficient to generate a plasma in the channels, which converts deposited soot particles into gaseous substances.
- Claim 1 relates to a method for operating a filter arrangement for separating soot particles from an exhaust gas flow, wherein the exhaust gas flow is passed through extending in the longitudinal direction of a porous ceramic body channels of the ceramic body, wherein the exhaust gas flow through pores of the walls of the only one-sided open channels Passing ceramic body, and applied to parallel to the channels extending electrodes, a voltage to the ceramic body for generating an electric field in the channels of the ceramic body, which is oriented substantially normal to the axis of the channels.
- the soot particles are charged by means of a further electrode arrangement, and the voltage applied to the electrodes extending parallel to the channels is unipolar voltage pulses.
- the unipolar voltage pulses are selected so that at a given channel height h in the field direction and given channel length L the Ratio of the generated by the voltage pulses drift velocity c of the charged soot particles in the field direction of the electric field generated in the channels to the flow velocity v of the gas flow in the channels greater than or equal to the ratio of twice the channel height h to the channel length L is.
- the measures according to the invention therefore provide for the separation of the soot particles in the channels of the ceramic body not exclusively to be mechanical, but to use the electric field built up in the channels for the soot erosion also for the deposition of the soot particles, for which purpose a further electrode arrangement for previous charging of soot particles is provided.
- this measure alone is not yet sufficient to solve the problem of reduced creep strength described above.
- According to the invention is therefore also proposed to make the deposition of the soot particles in the wall-flow filter and the subsequent regeneration of the deposited soot through a unipolar plasma field on one wall side, while the second, opposite wall side always remains pure and therefore no clogging of pores, and so that no pressure build-up can take place.
- the pressure that tends to be higher as a result of the long-term halving of the filter surface must be taken into account when designing the filter size and the channel dimensions.
- the flow velocity v of the gas flow in the channels and the drift velocity c which depends on the diameter d of the soot particles, can easily be determined.
- the flow velocity v is measured anyway in the course of the regulation of the filter in order to regulate the applied voltage.
- the mobility ⁇ (d) and the charge number z (d) can be read for different diameters d from well-known tables.
- the charge of the soot particles quantified by the charge number z (d) is due to the previous charge by means of the discharge electrode.
- the field strength E is given in a known manner directly by the applied voltage pulses. On the basis of the features according to the invention, it is thus possible to derive the field strength E necessary in the respective application, and thus the voltage to be applied to the electrodes.
- the setting according to the invention of the drift velocity c, the flow velocity v, the channel height h and the channel length L will be explained in more detail below.
- Claim 2 gives a preferred choice for the duration of the unipolar voltage pulses and suggests that the unipolar voltage pulses have a duration below 20 ⁇ s. Particularly advantageous are according to claim 3 unipolar voltage pulses with a duration between 5 ⁇ s and 15 ⁇ s. According to claim 4, the time interval between two unipolar voltage pulses between 50 ⁇ s and 150 ⁇ s.
- the soot distribution in the channel can be steered, and in particular also kept constant at different gas velocities, by at least temporarily reducing the field amplitude, preferably with short but very high amount of soot, while maintaining the field amplitude in FIG the remaining time directly proportional to the flow velocity in the channel controls.
- the Fig. 1 and 2 each show a schematic representation of a cross section of a ceramic body 7, which is a honeycomb body.
- a ceramic body 7 is shown with a convex, namely elliptical circumferential line, but it could also have other cross-sectional shapes, such as a trapezoidal shape.
- the ceramic body 7 has channels 5, which extend in the longitudinal direction of the ceramic body 7, and are open at one end face of the ceramic body 7, and closed on the respective opposite side.
- the exhaust gas flow enters through a channel 5 which is open at the inlet side but closed at the outlet side and must be open to leave the ceramic body 7 through the internal wall of the respective channel 5 to the adjacent channel 5 which is closed at the inlet side but open at the outlet side is, step through.
- the electrodes 1, 2 are each formed by a group of electrode channels 4, in each of which an electrical coating 6 is introduced at least partially along its axial extent.
- the groups of electrode channels 4 are each formed by adjacent electrode channels 4, so that a flat electrode surface 1,2 is defined by each group of electrode channels 4.
- other embodiments of the electrodes 1,2 are also possible.
- the flat electrode surfaces 1,2 each extend horizontally and parallel to each other.
- the distance between two adjacent electrode surfaces 1 and 2 is preferably less than 40 mm, about 15-25 mm.
- a homogeneous electric field can be ensured between the electrode surfaces 1 and 2, in particular in those regions of the room which are located within the each of two adjacent electrode surfaces 1,2 limited space region of the ceramic body 7 are located, which is referred to below as a homogeneous field region.
- the region 3 of the ceramic body 7 lying outside the homogeneous field region has in the embodiment according to FIG Fig. 1 and 2 over a denser structure, in order to additionally increase their structural load capacity.
- Two adjacent electrode surfaces 1 and 2 are each contacted opposite polarity, wherein in the Fig. 1 approximately the electrode surface 1 is grounded, and the electrode surface 2 is supplied with bipolar voltage pulses.
- the drift velocity c (d) of the charged carbon particles with the diameter d in the field direction must be greater than or equal to the velocity component v x against the field direction, ie c d ⁇ v x
- the soot particle practically does not move with respect to the distance to the channel walls. If, on the other hand, the particle is to reach the right wall, then the invention must apply c d ⁇ 2 ⁇ v x or c d / v ⁇ Second ⁇ H / L or ⁇ d , z d , e ⁇ 2 ⁇ H , v / L because in the worst case, the particle has to travel the double path in the gas when it flows in close to the non-soot-bearing wall.
- exhaust gas quantities of 400 kg / h at 550 ° C with acceptable filter cross sections can fulfill these requirements.
- This exhaust gas mass flow of 400 kg / h corresponds to a full load operation of a supercharged diesel engine of the lower middle class.
- a deposition field E of 4 kV / cm can thus at a channel height h of 0.6 mm, even at full load all particles except for Size range around 100nm along a separation wall. Since particles with a diameter of 100 nm no longer contribute to the number of particles and still nothing to the particle mass, filtering with these parameters is perfectly acceptable, since regeneration under plasma proceeds continuously and rapidly at these temperatures.
- the difficulty in operating a soot filter is always in the low load range and is particularly critical when the deposition of the filter must be designed for high engine performance.
- the higher motorized mid-range cars differ between full load and city operation in the gas flow by about a factor of 10. If the filter is now designed so that all particles at full load over the filter length L (usually 20 cm to 25 cm) are deposited, so this deposition takes place in City operation at the first 20 mm to 25 mm instead. Thus, and especially at low engine temperatures, the regeneration of the filter can be locally overwhelmed. The situation becomes particularly critical when the N0x emission is exchanged for more soot emission.
- the separation field can therefore be controlled proportionally to the gas volume flow, so that the soot deposition always extends approximately over the entire filter length L.
- the diameter can be taken with the smallest product of ⁇ (d) .z (d), or those whose soot particles are to be deposited just within the filter length L.
- the deposition field E with the gas volume flow V and the temperature correction V (T) / ⁇ (d, T) is controlled, there is the further difficulty that with decreasing Abscheidefeldschreib E, the plasma temperature and thus the regeneration rate is lower, and ultimately the conversion of the soot completely disappears.
- the deposition field E must not be regulated below a predetermined limit. This problem is particularly serious in short Full load accelerations with a cold engine that is cold for longer partial load operation.
- this problem can be solved by setting a correspondingly high deposition field E with a high amount of soot, but switching between high field and low field depending on the regeneration state of the filter with low sootfall, wherein the data "high sootfall” and “Low soot” and gas mass flow from the engine computer via a CAN bus to the processor of the filter to be transferred, or the change is controlled directly from the engine computer, which then calculates soot amount and soot distribution in the filter itself.
- the processor of the soot filter can also perform this control itself.
- the simplest reaction is obtained by measuring the differential pressure preferably occurring at the filter itself (p 1 -p 2 ), which in a good approximation is directly proportional to the mean flow velocity v in the channels 5 of the honeycomb body 7 and its increase or decrease is good Conclusion on the soot emission of the engine allowed.
- Control value 1 Control value 2
- Control value 2 Control value 1 for T ⁇ T 1
- Control value 2 T 2 ⁇ T ⁇ T 1
- Control value 3 for T 2 ⁇ T (p 1 -p 2 ) n T n E n1 E n2 E n3 (p 1 -p 2 ) n + 1 Tn + 1 E n1 + 1 E n2 + 1 E n3 + 1 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
- the filter processor itself can calculate and carry out the voltage control necessary for the optimum separation of the soot, if the motor processor has the necessary signals, preferably temperature, gas volume flow or mass flow, preferably also EGR rate and injection quantity, via a signal system, preferably via CANBUS. provides.
- the smaller filter processor determines the necessary voltage changes more quickly, and thereby can adjust the deposition field E, which is only slowly controllable by capacitances on the high-voltage side, in time for the new soot accumulation.
- this processor After the plasma in the filter anyway by a microprocessor as a function of temperature, residual oxygen and preferably humidity and soot amount is regulated, it is advantageous if this processor also calculates the amount and distribution of the deposited soot, and then controls its deposition field E and in particular the temporal distribution between deposition field strength and regeneration field strength.
- the information can be determined by the filter's own filter as well as by the filter's own analysis of the current-voltage characteristics, it is particularly advantageous if from the engine control processor, preferably via a CANBUS, corresponding data such as exhaust gas mass flow, injection quantity, EGR rate, residual oxygen and Russemission be fed to the filter processor.
- This inventive method for the operation of the filter in the low load range can be further modified according to the invention by the necessary for its implementation device consists in a two-flow design of the filter, wherein in the lower power range, only a partial filter is acted upon with the exhaust gas.
- a cold engine so-called "housewife cycle”
- housewife cycle can preferably be switched back and forth between the two sub-filters to regenerate the soot in the off system at higher field, and in the acted upon with the exhaust stream sub-filter at preferably lower field over the entire filter to collect.
- the creep rupture strength of filter arrangements based on the use of a ceramic body with channels closed on one side can thus be decisively increased.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb einer Filteranordnung zum Abscheiden von Russpartikel aus einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch in Längsrichtung eines porösen Keramikkörpers verlaufende Kanäle des Keramikkörpers hindurchgeleitet wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a method for operating a filter arrangement for separating soot particles from an exhaust gas flow, in which the exhaust gas flow is passed through passages of the ceramic body extending in the longitudinal direction of a porous ceramic body, according to the preamble of
Bei dieser Art von Filtersystemen tritt der Abgasstrom durch Poren der Wände der lediglich einseitig offenen Kanäle des Keramikkörpers durch, wobei die Russpartikel zurück gehalten werden. In diesen so genannten "Wall-flow-Filter" erfolgt die Abscheidung der Russpartikel somit mechanisch. Für den Abbau der abgelagerten Russpartikel in den Kanälen des Keramikkörpers sind unterschiedliche Systeme bekannt, etwa mithilfe eines in den Kanälen des Keramikkörpers erzeugten Plasmas ("plasmaregenerierte Filtersysteme"). Hierzu wird an parallel zu den Kanälen verlaufenden Elektroden eine Spannung an den Keramikkörper zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen des Keramikkörpers, das jeweils normal zur Achse der Kanäle orientiert ist, angelegt. Elektrische Feldstärken von etwa 1 kV/cm in den Kanälen des Wabenkörpers sind dabei in der Regel ausreichend, um in den Kanälen ein Plasma zu erzeugen, das abgelagerte Russpartikel in gasförmige Substanzen umwandelt.In this type of filter system, the exhaust gas flow passes through pores of the walls of the channels of the ceramic body, which are open only on one side, whereby the soot particles are retained. In this so-called "wall-flow filter", the deposition of the soot particles thus takes place mechanically. Different systems are known for the degradation of the deposited soot particles in the channels of the ceramic body, for example by means of a plasma generated in the channels of the ceramic body ("plasma-generated filter systems"). For this purpose, a voltage is applied to the ceramic body for generating an electric field in the channels of the ceramic body, which is oriented in each case normal to the axis of the channels on parallel to the channels extending electrodes. Electric field strengths of about 1 kV / cm in the channels of the honeycomb body are usually sufficient to generate a plasma in the channels, which converts deposited soot particles into gaseous substances.
Bei den heute in Verwendung befindlichen Wall-flow-Filtern, mit denen das Abgas von dieselgetriebenen Verbrennungskraftmaschinen von Russpartikel gereinigt wird, ist der größte Nachteil ihre beschränkte Zeitstandsfestigkeit. Durch Ölasche werden die porösen Wände des Keramikkörpers kontinuierlich zugesetzt, und es entsteht ein irreversibler Druckaufbau, der einen sehr aufwendigen Wechsel der Filtereinheit nach etwa 150.000 km bis 200.000 km notwendig macht. Überdies steigt durch den Druckaufbau auch der Treibstoffverbrauch deutlich an.The wallflow filters in use today, with which the exhaust gas from diesel-powered internal combustion engines is cleaned of soot particles, the biggest disadvantage is their limited creep strength. By oil ash, the porous walls of the ceramic body are continuously added, and there is an irreversible pressure build-up, which makes a very expensive change of the filter unit after about 150,000 km to 200,000 km necessary. Moreover, the pressure build-up also increases the fuel consumption significantly.
Besonders kritisch wird dieses Problem in Zukunft, da der steigende Anteil von Biodiesel in den Dieselkraftstoffen diesen irreversiblen Druckaufbau beschleunigt. Der Phosphatanteil im Biodiesel wird durch die bei heutigen Systemen notwendige hohe Regenerationstemperatur zu Phosphor umgewandelt, der damit neben der Ölasche zu einem sehr schnell zunehmenden, irreversiblen Druckanstieg führt, der die heute erzielbaren Kilometerleistungen von 150.000 km bis 200.000 km nicht mehr ermöglicht. Diese Schwierigkeit gilt zurzeit nur in abgeschwächter Form für die mit einem Wechselstrom-Plasma regenerierten Wall-flow-Filter, wird aber dann schlagend, wenn der Anteil am Biodiesel im Treibstoff die 10%-Grenze überschreiten wird.This problem will be particularly critical in the future, as the increasing proportion of biodiesel in diesel fuels accelerates this irreversible pressure build-up. The phosphate content in biodiesel is converted by the high regeneration temperature necessary in today's systems to phosphorus, which in addition to the oil ash leads to a very rapidly increasing, irreversible increase in pressure, which no longer enables the mileage achievable today from 150,000 km to 200,000 km. This difficulty currently applies only to a lesser extent to the wall-flow filter regenerated with an alternating current plasma, but becomes more effective when the proportion of biodiesel in the fuel exceeds the 10% limit.
Es ist daher das Ziel der Erfindung, durch ein geeignetes Verfahren die Zeitstandsfestigkeit von Filteranordnungen, die auf der Verwendung eines Keramikkörpers mit einseitig geschlossenen Kanälen basieren, zu erhöhen.It is therefore the object of the invention to increase, by a suitable method, the creep rupture strength of filter assemblies based on the use of a closed-sided ceramic body.
Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren für den Betrieb einer Filteranordnung zum Abscheiden von Russpartikel aus einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch in Längsrichtung eines porösen Keramikkörpers verlaufende Kanäle des Keramikkörpers hindurchgeleitet wird, wobei der Abgasstrom durch Poren der Wände der lediglich einseitig offenen Kanäle des Keramikkörpers durchtritt, und an parallel zu den Kanälen verlaufenden Elektroden eine Spannung an den Keramikkörper zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen des Keramikkörpers, das im Wesentlichen normal zur Achse der Kanäle orientiert ist, angelegt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass vor dem Einleiten des Abgasstroms in die Kanäle des Keramikkörpers eine Aufladung der Russpartikel mithilfe einer weiteren Elektrodenanordnung erfolgt, und es sich bei jener Spannung, die an den parallel zu den Kanälen verlaufenden Elektroden angelegt wird, um unipolare Spannungsimpulse handelt, wobei die unipolaren Spannungsimpulse so gewählt werden, dass bei vorgegebener Kanalhöhe h in Feldrichtung und vorgegebener Kanallänge L das Verhältnis der durch die Spannungsimpulse erzeugten Driftgeschwindigkeit c der aufgeladenen Russpartikel in Feldrichtung des in den Kanälen erzeugten, elektrischen Feldes zur Strömungsgeschwindigkeit v der Gasströmung in den Kanälen größer oder gleich dem Verhältnis des Zweifachen der Kanalhöhe h zur Kanallänge L ist.These objects are achieved by the features of
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sehen daher vor, die Abscheidung der Russpartikel in den Kanälen des Keramikkörpers nicht ausschließlich mechanisch erfolgen zu lassen, sondern das in den Kanälen für den Russabbrand errichtete, elektrische Feld auch für die Abscheidung der Russpartikel zu verwenden, wobei hierzu eine weitere Elektrodenanordnung zur vorherigen Aufladung der Russpartikel vorgesehen ist. Diese Maßnahme alleine ist jedoch noch nicht ausreichend, um das oben beschriebene Problem der reduzierten Zeitstandsfestigkeit zu lösen. Erfindungsgemäß wird daher auch vorgeschlagen, die Abscheidung der Russpartikel im Wall-flow-Filter und die anschließende Regeneration des abgeschiedenen Rußes durch ein unipolares Plasmafeld auf einer Wandseite vorzunehmen, während die zweite, gegenüberliegende Wandseite immer rein bleibt und daher auch kein Zusetzen von Poren, und damit kein Druckaufbau, stattfinden kann. Den durch die langfristig stattfindende Halbierung der Filterfläche tendenziell höheren Druck muss bei der Auslegung der Filtergröße und der Kanalabmessungen berücksichtig werden.The measures according to the invention therefore provide for the separation of the soot particles in the channels of the ceramic body not exclusively to be mechanical, but to use the electric field built up in the channels for the soot erosion also for the deposition of the soot particles, for which purpose a further electrode arrangement for previous charging of soot particles is provided. However, this measure alone is not yet sufficient to solve the problem of reduced creep strength described above. According to the invention is therefore also proposed to make the deposition of the soot particles in the wall-flow filter and the subsequent regeneration of the deposited soot through a unipolar plasma field on one wall side, while the second, opposite wall side always remains pure and therefore no clogging of pores, and so that no pressure build-up can take place. The pressure that tends to be higher as a result of the long-term halving of the filter surface must be taken into account when designing the filter size and the channel dimensions.
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht man, dass eine Wand der Kanäle vollkommen rein bleibt, und dem sie durchdringenden Gas einen gleich bleibend geringen Widerstand entgegensetzt. Die zweite Wand erhält zwar schneller einen höheren Russbelag und auch schneller einen irreversiblen Porenverschluss durch Ölasche und andere unverbrennbare Ablagerungen, aber der Druckverlust durch eine vollkommen reine Filterwand ist um so viel geringer, dass der anfangs geringere Druckverlust eines normalen Wall-flow-Filters nach wenigen 1000 km bereits eingeholt wird.With this method according to the invention it is achieved that a wall of the channels remains completely pure, and opposes the gas penetrating it a consistently low resistance. Although the second wall receives faster higher Russbelag and faster irreversible pore closure by oil ash and other incombustible deposits, but the pressure loss through a completely clean filter wall is so much lower that the initially lower pressure drop of a normal wall-flow filter after a few 1000 km already caught up.
Die Strömungsgeschwindigkeit v der Gasströmung in den Kanälen sowie die Driftgeschwindigkeit c, die vom Durchmesser d der Russpartikel abhängig ist, können dabei leicht bestimmt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit v wird im Zuge der Regelung des Filters ohnehin gemessen, um die angelegte Spannung zu regeln. Die Driftgeschwindigkeit c(d) der Russpartikel mit Durchmesser d ergibt sich wiederum aus der Beweglichkeit κ(d), der Ladungszahl z(d) und der Feldstärke E senkrecht auf die Kanalachse, wobei letztere durch die unipolaren Spannungsimpulse gegeben ist, sodass sich für die Driftgeschwindigkeit c(d) für Russteilchen mit dem Durchmesser d ergibt:
Die Beweglichkeit κ(d) und die Ladungszahl z(d) können für unterschiedliche Durchmesser d aus hinlänglich bekannten Tabellen abgelesen werden. Die durch die Ladungszahl z(d) quantifizierte Aufladung der Russpartikel ist durch die vorherige Aufladung mittels der Entladungselektrode bedingt. Die Feldstärke E ist in bekannter Weise direkt durch die angelegten Spannungsimpulse gegeben. Anhand der erfindungsgemäßen Merkmale kann somit die im jeweiligen Anwendungsfall notwendige Feldstärke E, und somit die an die Elektroden anzulegende Spannung, abgeleitet werden. Die erfindungsgemäße Einstellung der Driftgeschwindigkeit c, der Strömungsgeschwindigkeit v, der Kanalhöhe h und der Kanallänge L wird im Folgenden noch näher begründet werden.The mobility κ (d) and the charge number z (d) can be read for different diameters d from well-known tables. The charge of the soot particles quantified by the charge number z (d) is due to the previous charge by means of the discharge electrode. The field strength E is given in a known manner directly by the applied voltage pulses. On the basis of the features according to the invention, it is thus possible to derive the field strength E necessary in the respective application, and thus the voltage to be applied to the electrodes. The setting according to the invention of the drift velocity c, the flow velocity v, the channel height h and the channel length L will be explained in more detail below.
Anspruch 2 nennt eine bevorzugte Wahl für die Dauer der unipolaren Spannungsimpulse und schlägt vor, dass die unipolaren Spannungsimpulse eine Dauer unter 20µs aufweisen. Besonders vorteilhaft sind gemäß Anspruch 3 unipolare Spannungsimpulse mit einer Dauer zwischen 5µs und 15µs. Gemäß Anspruch 4 beträgt der zeitliche Abstand zwischen zwei unipolaren Spannungsimpulsen zwischen 50µs und 150µs.
Eine weitere Schwierigkeit bei der Annäherung an optimale Abscheidegrade ergibt sich aus den sehr unterschiedlichen Betriebszuständen eines Verbrennungsmotors im Pkw. Es wird daher gemäß Anspruch 5 eine Regelung in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, bei dem der Differenzdruck des Abgasstromes am Keramikkörper gemessen wird, und oberhalb eines vorgegebenen Wertes des Differenzdrucks die Regelung der unipolaren Spannungsimpulse in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms in den Kanälen des Keramikkörpers erfolgt, und unterhalb dieses vorgegebenen Wertes die Regelung nur dann in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms in den Kanälen des Keramikkörpers erfolgt, wenn der Differenzdruck eine mit der Zeit zunehmende Tendenz aufweist, und andernfalls die Regelung unabhängig vom Differenzdruck erfolgt. Mithilfe dieser Maßnahme kann, wie noch näher ausgeführt werden wird, die Russverteilung im Kanal gelenkt werden, und insbesondere auch bei verschiedenen Gasgeschwindigkeiten konstant gehalten werden, indem die Feldamplitude zumindest zeitweise verringert wird, vorzugsweise bei kurzem aber sehr hohen Russanfall, während man die Feldamplitude in der verbleibenden Zeit direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit im Kanal regelt.Another difficulty in the approach to optimal separation efficiency results from the very different It is therefore proposed according to
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen hierbei die
-
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Keramikkörpers zur Entfernung von Russpartikel aus einem Abgasstrom, -
Fig. 2 eine Detailansicht vonFig. 1 , wobei insbesondere die Anordnung der Kanäle ersichtlich ist, -
Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Geschwindigkeitskomponenten des Abgasstromes in einem Kanal des Keramikkörpers, und -
Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Regelung der Spannungsimpulse im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Fig. 1 a schematic representation of a cross section of a ceramic body for removing soot particles from an exhaust gas stream, -
Fig. 2 a detailed view ofFig. 1 in particular, the arrangement of the channels is evident, -
Fig. 3 a representation for explaining the velocity components of the exhaust gas flow in a channel of the ceramic body, and -
Fig. 4 a representation for explaining the regulation of the voltage pulses in the course of the inventive method.
Die
Gemäß der Ausführungsform der
Wie aus der
Zwei benachbarte Elektrodenflächen 1 und 2 sind jeweils gegenpolig kontaktiert, wobei in der
Im Folgenden wird nun das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Zunächst wird die Funktion der Filteranordnung in einem späten Gleichgewichtszustand betrachtet, wie er etwa nach 50.000 km bis 100.000 km auftreten wird, und bei dem eine Wandseite durch Ölasche und Phosphor bereits weitgehend zugesetzt ist. Unter der Annahme, dass die gesamte in den Kanal 5 eingeströmte Abgasmenge durch die zweite, unbeladene Seite entweichen muss, ergibt sich als obere Abschätzung der Geschwindigkeitskomponente vx der Strömungsgeschwindigkeit v des Abgases normal auf die Kanalachse zur freien Wand
Damit der Russ nicht durch die Gasströmung in die falsche Richtung mitgerissen wird, muss die Driftgeschwindigkeit c(d) der aufgeladenen Russteilchen mit dem Durchmesser d in Feldrichtung größer oder gleich sein, als die Geschwindigkeitskomponente vx gegen die Feldrichtung, also
Mit der Beweglichkeit κ(d), der Ladungszahl z(d) und der Feldstärke Ex senkrecht auf die Kanalachse ergibt sich die Driftgeschwindigkeit c(d) für Russteilchen mit dem Durchmesser d
Damit ergibt sich die Bedingung für das Abscheiden der Russteilchen auf der richtigen Seite mit
Für das Gleichheitszeichen gilt, dass sich das Russteilchen in Bezug auf den Abstand zu den Kanalwänden praktisch nicht bewegt, da sich Driftgeschwindigkeit c(d) und die Geschwindigkeitskomponente vx gerade aufheben. Soll das Teilchen dagegen die richtige Wand erreichen, so muss erfindungsgemäß gelten
Da Russteilchen je nach ihrem Durchmesser d unterschiedliche Beweglichkeiten κ(d) haben und unterschiedliche Sättigungsaufladungen z(d) erlauben, ergeben sich im elektrischen Feld E auch unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten c(d). Tabelle 1 zeigt bei zwei für ein Gleichfeld erreichbaren mittleren elektrischen Feldstärken (3kV/cm und 4 kV/cm) entsprechenden Driftgeschwindigkeiten c:
Tabelle 2 zeigt die für die vorliegenden Bedingungen notwendigen Kanalhöhen h bzw. mittleren Durchlaufzeiten t des Abgases durch die Kanäle 5 des unipolar betriebenen Wall-flow-Filters:
Mit einer Durchlaufzeit von t = 20 ms können bereits Abgasmengen von 400 kg/h bei 550°C bei vertretbaren Filterquerschnitten diese Bedingungen erfüllen. Dieser Abgasmassenstrom von 400 kg/h entspricht einem Volllastbetrieb eines aufgeladenen Dieselmotors der unteren Mittelklasse. Ein Abscheidefeld E von 4 kV/cm kann also bei einer Kanalhöhe h von 0,6 mm auch bei Volllast alle Partikel bis auf die Größenklasse um 100nm entlang einer Abscheidewand auffangen. Da Partikel mit 100 nm Durchmesser nichts mehr zur Partikelzahl und noch nichts zur Partikelmasse beitragen, ist ein Filterbetrieb mit diesen Parametern durchaus akzeptabel, da bei diesen Temperaturen die Regeneration unter Plasma kontinuierlich und schnell abläuft.With a throughput time of t = 20 ms, exhaust gas quantities of 400 kg / h at 550 ° C with acceptable filter cross sections can fulfill these requirements. This exhaust gas mass flow of 400 kg / h corresponds to a full load operation of a supercharged diesel engine of the lower middle class. A deposition field E of 4 kV / cm can thus at a channel height h of 0.6 mm, even at full load all particles except for Size range around 100nm along a separation wall. Since particles with a diameter of 100 nm no longer contribute to the number of particles and still nothing to the particle mass, filtering with these parameters is perfectly acceptable, since regeneration under plasma proceeds continuously and rapidly at these temperatures.
Somit ist ersichtlich, dass Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 100 nm die geringste Driftgeschwindigkeit c erreichen. Für diese sind in der Tabelle 3 zu einigen Kanalhöhen h notwendige Durchströmzeiten t angegeben, damit diese Teilchen die richtige Kanalwand erreichen können:
Die Schwierigkeit beim Betrieb eines Russfilters liegt dabei immer im Niedriglastbereich und wird insbesondere dann kritisch, wenn die Abscheidung des Filters auf eine hohe Motorleistung ausgelegt werden muss. Die höher motorisierten Mittelklassewagen unterscheiden sich zwischen Volllast und Stadtbetrieb im Gasvolumenstrom um etwa den Faktor 10. Ist der Filter nun so ausgelegt, dass alle Partikel bei Volllast über die Filterlänge L (üblicherweise 20 cm bis 25 cm) abgeschieden werden, so findet diese Abscheidung im Stadtbetrieb auf den ersten 20 mm bis 25 mm statt. Damit, und besonders bei tiefen Motortemperaturen, kann die Regeneration des Filters lokal überfordert sein. Besonders kritisch wird die Situation, wenn die N0x-Emission gegen mehr Russemission abgetauscht wird.The difficulty in operating a soot filter is always in the low load range and is particularly critical when the deposition of the filter must be designed for high engine performance. The higher motorized mid-range cars differ between full load and city operation in the gas flow by about a factor of 10. If the filter is now designed so that all particles at full load over the filter length L (usually 20 cm to 25 cm) are deposited, so this deposition takes place in City operation at the first 20 mm to 25 mm instead. Thus, and especially at low engine temperatures, the regeneration of the filter can be locally overwhelmed. The situation becomes particularly critical when the N0x emission is exchanged for more soot emission.
Das Abscheidefeld kann daher proportional zu dem Gasvolumenstrom geregelt werden, damit sich die Russablagerung immer näherungsweise über die ganze Filterlänge L ausdehnt. Die entsprechende Regelgleichung kann aus der Beziehung
Wird noch die Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeit κ(d,T) und des Gasvolumenstroms V berücksichtigt, so ergibt sich für die Regelgleichung die Beziehung
Für d kann der Durchmesser mit dem kleinsten Produkt aus κ(d).z(d) genommen werden, oder aber jener, deren Russpartikel gerade noch innerhalb der Filterlänge L abgeschieden werden sollen.For d, the diameter can be taken with the smallest product of κ (d) .z (d), or those whose soot particles are to be deposited just within the filter length L.
Wenn nun das Abscheidefeld E mit dem Gasvolumenstrom V und der Temperaturkorrektur V(T)/κ(d,T) geregelt wird, ergibt sich die weitere Schwierigkeit, dass bei geringer werdender Abscheidefeldstärke E auch die Plasmatemperatur und damit die Regenerationsgeschwindigkeit geringer wird, und letztendlich die Konversion des Rußes ganz erlischt. Bei tiefen Temperaturen und hohem Russanfall darf das Abscheidefeld E daher nicht unter eine vorgegebene Schranke geregelt werden. Besonders gravierend wird dieses Problem bei kurzen Volllastbeschleunigungen mit einem durch längeren Teillastbetrieb kalten Motor.If now the deposition field E with the gas volume flow V and the temperature correction V (T) / κ (d, T) is controlled, there is the further difficulty that with decreasing Abscheidefeldstärke E, the plasma temperature and thus the regeneration rate is lower, and ultimately the conversion of the soot completely disappears. At low temperatures and high soot accumulation, therefore, the deposition field E must not be regulated below a predetermined limit. This problem is particularly serious in short Full load accelerations with a cold engine that is cold for longer partial load operation.
Erfindungsgemäß kann dieses Problem dadurch gelöst werden, dass bei hohem Russanfall ein entsprechend hohes Abscheidefeld E gesetzt wird, bei geringem Russanfall aber je nach Regenerationszustand des Filters zwischen hohem Feld und geringem Feld gewechselt wird, wobei vorzugsweise zu diesem Wechsel die Daten "hoher Russanfall" und "geringer Russanfall" sowie Gasmassenstrom aus dem Motorrechner über einen CANBUS an den Prozessor des Filters übertragen werden, oder der Wechsel wird direkt aus dem Motorrechner gesteuert, der dann Russmenge und Russverteilung im Filter selbst berechnet.According to the invention, this problem can be solved by setting a correspondingly high deposition field E with a high amount of soot, but switching between high field and low field depending on the regeneration state of the filter with low sootfall, wherein the data "high sootfall" and "Low soot" and gas mass flow from the engine computer via a CAN bus to the processor of the filter to be transferred, or the change is controlled directly from the engine computer, which then calculates soot amount and soot distribution in the filter itself.
Ist v die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in den Kanälen 5 des Wabenkörpers 7, so ergibt sich das erfindungsgemäße Regelprinzip dadurch, dass man die Geschwindigkeit v in mindestens zwei Intervalle teilt, wo für die größere Strömungsgeschwindigkeit die normale Regelgleichung gilt, während für die geringere Strömungsgeschwindigkeit nur die normale Regelgleichung gilt, wenn die Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit positiv oder annähernd Null ist, also die Geschwindigkeit mit der Zeit zunimmt oder konstant bleibt. Ist dagegen die Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit negativ, nimmt also die Strömungsgeschwindigkeit mit der Zeit ab, so wird das Feld E mit dem höchsten, unter den Nebenbedingungen von Plasmastrom und Temperatur erlaubten Wert Emax gefahren:
- Intervall I:
- v > v1
- Die Regelgleichung lautet:
- Intervall II:
- v < v1
- Die Regelgleichung lautet bei dv/dt ≥ 0 ebenfalls:
- v < v1
- Die Regelgleichung lautet bei dv/dt < 0 dagegen:
- Interval I:
- v> v 1
- The rule equation is:
- Interval II:
- v <v 1
- The rule equation is also at dv / dt ≥ 0 :
- v <v 1
- The rule equation is at dv / dt <0, however:
Natürlich kann der Prozessor des Russfilters diese Steuerung auch selbst durchführen. Die einfachste Umsetzung erhält man durch eine Messung des vorzugsweise am Filter selbst auftretenden Differenzdrucks (p1 - p2), der in guter Näherung direkt proportional zu der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v in den Kanälen 5 des Wabenkörpers 7 ist, und dessen Zunahme oder Abnahme einen guten Rückschluss auf die Russemission des Motors erlaubt.Of course, the processor of the soot filter can also perform this control itself. The simplest reaction is obtained by measuring the differential pressure preferably occurring at the filter itself (p 1 -p 2 ), which in a good approximation is directly proportional to the mean flow velocity v in the
Dadurch ergibt sich die erfindungsgemäße Umsetzung des Regelprinzips dadurch, dass man den am Filter oder einem anderen entsprechenden Strömungswiderstand auftretenden Differenzdruck (p1 - p2) in mindestens zwei Intervalle teilt, wo für den größeren Differenzdruck die normale Regelgleichung gilt, während für den geringeren Differenzdruck (p1 - p2) nur die normale Regelgleichung gilt, wenn die Ableitung des Differenzdrucks nach der Zeit positiv oder annähernd Null ist, also der Differenzdruck mit der Zeit zunimmt oder konstant bleibt. Ist dagegen die Ableitung des Differenzdrucks nach der Zeit negativ, nimmt also der Differenzdruck mit der Zeit ab, so wird das Feld E mit dem höchsten, unter den Nebenbedingungen des Plasmastroms und der Gastemperatur erlaubten Wert Emax gefahren:
- Intervall I:
- (p1 - p2) > Δp1
- Die Regelgleichung lautet:
- Intervall II:
- (p1 - p2) < Δp1
- Die Regelgleichung lautet bei
d(p1 - p2) /dt ≥ 0 ebenfalls - (p1 - p2) < Δp1
- Die Regelgleichung lautet bei
d(p1 - p2) /dt < 0 dagegen
- Interval I:
- (p 1 -p 2 )> Δp 1
- The rule equation is:
- Interval II:
- (p 1 -p 2 ) <Δp 1
- The rule equation is at
d (p 1 -p 2 ) / dt ≥ 0 also - (p 1 -p 2 ) <Δp 1
- The rule equation is at
d (p 1 - p 2 ) / dt <0
Eine sehr zweckmäßige und effiziente Umsetzung dieser Regelprinzipien kann erfindungsgemäß so durchgeführt werden, dass die "Regelgröße" (p1 - p2), durch die der "Stellwert" E(T) entsprechend gestellt werden soll, gemeinsam mit dem "Stellwert" E(T) als mindestens zweispaltige "Regeltabelle" in den Prozessor eingelesen und von ihm verarbeitet wird. Diese Vorgangsweise braucht am wenigsten Rechenkapazität und entwickelt die größte Regelgeschwindigkeit, um Spannung und Feld in Echtzeit an die Emissionen des Motors anzupassen. Sollen implizite Abhängigkeiten von weiteren Größen ebenfalls berücksichtigt werden, so kann es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft sein, in die Tabelle mindestens eine zweite Regelgröße, also hier die Temperatur, einzulesen und dadurch die Möglichkeit zu schaffen, neben der Druckdifferenz eine weitere Regelebene für sehr unterschiedliche Temperaturen zu bekommen. Je nach Feinheit der Unterteilung für diese zweite Regelgröße erhalten wir weitere Spalten, in denen der Prozessor immer den entsprechenden Stellwert findet. Die Regeltabelle könnte dann folgendermaßen aussehen:
Ebenso geht der Prozessor bei dem Auffinden der Ableitung des Regelwertes nach der Zeit vor, indem er den Differentialquotient d(p1 - p2)/dt durch die Differenz zweier hintereinander einlaufender Regelwerte ersetzt, also
Natürlich kann erfindungsgemäß auch der Filterprozessor selbst die zur optimalen Abscheidung des Rußes notwendige Spannungssteuerung berechnen und durchführen, wenn der Motorprozessor die dazu notwendigen Signale, vorzugsweise Temperatur, Gasvolumenstrom oder Massenstrom, vorzugsweise auch AGR-Rate und Einspritzmenge, über ein Signalsystem, vorzugsweise über CANBUS, zur Verfügung stellt. Dabei ergibt sich auch ein weiterer Vorteil dadurch, dass der kleinere Filterprozessor schneller die notwendigen Spannungsänderungen ermittelt, und dadurch das durch Kapazitäten auf der Hochspannungsseite nur langsam regelbare Abscheidefeld E rechtzeitig auf den neuen Russanfall einstellen kann.Of course, according to the invention, the filter processor itself can calculate and carry out the voltage control necessary for the optimum separation of the soot, if the motor processor has the necessary signals, preferably temperature, gas volume flow or mass flow, preferably also EGR rate and injection quantity, via a signal system, preferably via CANBUS. provides. In this case, there is also a further advantage in that the smaller filter processor determines the necessary voltage changes more quickly, and thereby can adjust the deposition field E, which is only slowly controllable by capacitances on the high-voltage side, in time for the new soot accumulation.
Nachdem das Plasma im Filter ohnehin durch einen Mikroprozessor in Abhängigkeit von Temperatur, Restsauerstoff und vorzugsweise auch Feuchte und Russmenge geregelt wird, ist es von Vorteil, wenn dieser Prozessor auch Menge und Verteilung des abgelagerten Rußes berechnet, und danach sein Abscheidefeld E und insbesondere die zeitliche Aufteilung zwischen Ablagerungsfeldfeldstärke und Regenerationsfeldstärke regelt. Obwohl die Information dazu durch filtereigene Sensoren als auch durch filtereigene Analyse der Strom-Spannungskennlinien ermittelt werden kann, ist es besonders vorteilhaft, wenn aus dem Prozessor der Motorsteuerung, vorzugsweise über einen CANBUS, entsprechende Daten wie Abgasmassenstrom, Einspritzmenge, AGR-Rate, Restsauerstoff und Russemission dem Filterprozessor zugeleitet werden.After the plasma in the filter anyway by a microprocessor as a function of temperature, residual oxygen and preferably humidity and soot amount is regulated, it is advantageous if this processor also calculates the amount and distribution of the deposited soot, and then controls its deposition field E and in particular the temporal distribution between deposition field strength and regeneration field strength. Although the information can be determined by the filter's own filter as well as by the filter's own analysis of the current-voltage characteristics, it is particularly advantageous if from the engine control processor, preferably via a CANBUS, corresponding data such as exhaust gas mass flow, injection quantity, EGR rate, residual oxygen and Russemission be fed to the filter processor.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren für den Betrieb des Filters im Niedriglastbereich kann erfindungsgemäß weiter modifiziert werden, indem die zu seiner Umsetzung notwendige Vorrichtung in einer zweiflutigen Ausführung des Filters besteht, wobei im unteren Leistungsbereich nur ein Teilfilter mit dem Abgas beaufschlagt wird. Bei wiederholt hohem, aber kurzem Russanfall bei kaltem Motor (so genannter "Hausfrauenzyklus") kann vorzugsweise zwischen beiden Teilfiltern hin- und hergeschaltet werden, um den Ruß im jeweils abgeschaltetem System bei höherem Feld zu regenerieren, und im mit dem Abgasstrom beaufschlagten Teilfilter bei vorzugsweise niedrigerem Feld über den ganzen Filter verteilt zu sammeln.This inventive method for the operation of the filter in the low load range can be further modified according to the invention by the necessary for its implementation device consists in a two-flow design of the filter, wherein in the lower power range, only a partial filter is acted upon with the exhaust gas. With repeated high, but short soot attack with a cold engine (so-called "housewife cycle") can preferably be switched back and forth between the two sub-filters to regenerate the soot in the off system at higher field, and in the acted upon with the exhaust stream sub-filter at preferably lower field over the entire filter to collect.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit die Zeitstandsfestigkeit von Filteranordnungen, die auf der Verwendung eines Keramikkörpers mit einseitig geschlossenen Kanälen basieren, entscheidend erhöht werden.With the method according to the invention, the creep rupture strength of filter arrangements based on the use of a ceramic body with channels closed on one side can thus be decisively increased.
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AT7312007A AT505129A1 (en) | 2007-05-10 | 2007-05-10 | WALL-FLOW FILTER WITH UNLIMITED TIMETABLE STRENGTH |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN108426806A (en) * | 2017-02-15 | 2018-08-21 | 帕拉贡股份公司 | particulate matter measuring apparatus and its operating method |
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2007
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-
2008
- 2008-05-09 EP EP20080450074 patent/EP1990097A2/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015159539A3 (en) * | 2014-04-15 | 2016-01-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Oil removal apparatus |
US10245594B2 (en) | 2014-04-15 | 2019-04-02 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Oil removal apparatus |
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AT505129A1 (en) | 2008-11-15 |
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