EP2171228A1 - Verfahren zur regeneration wenigstens eines partikelagglomerators sowie kraftfahrzeug umfassend eine abgasnachbehandlungsanlage - Google Patents

Verfahren zur regeneration wenigstens eines partikelagglomerators sowie kraftfahrzeug umfassend eine abgasnachbehandlungsanlage

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EP2171228A1
EP2171228A1 EP08760613A EP08760613A EP2171228A1 EP 2171228 A1 EP2171228 A1 EP 2171228A1 EP 08760613 A EP08760613 A EP 08760613A EP 08760613 A EP08760613 A EP 08760613A EP 2171228 A1 EP2171228 A1 EP 2171228A1
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EP
European Patent Office
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internal combustion
combustion engine
exhaust gas
particle agglomerator
particle
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Jörg-Roman KONIECZNY
Rolf BRÜCK
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    • F01N2340/04—Arrangement of the exhaust system relative to a vehicle or parts thereof
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Definitions

  • Process for the regeneration of at least one particle agglomerator and motor vehicle comprising an exhaust aftertreatment system
  • the present invention relates to a method for the regeneration of at least one particle agglomerator of an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the invention also relates to a motor vehicle, comprising an internal combustion engine and an exhaust aftertreatment system, which is designed with at least one continuously regenerable particle agglomerator.
  • the invention relates in particular to the removal of soot particles of mobile internal combustion engines, such as diesel engines.
  • the particles entrained in the exhaust gas stream which essentially contain carbon
  • NO 2 nitrogen dioxide
  • particle agglomerators for example filters, particle separators and the like, in which the entrained particles are at least temporarily collected and deposited.
  • the particle agglomerator is heated to a level that is high enough (eg, above 800 ° C.) to react the carbon with oxygen introduced in the exhaust gas.
  • burners, heating elements, electrically heatable filters or an exothermic conversion of hydrocarbons can be used as a source of heat energy.
  • the so-called continuous regenerative conversion of particles relies on conversion of the carbonaceous particles at lower temperatures, for example below 400 ° C., using nitrogen dioxide.
  • CRT process continuous regenerative conversion of particles
  • nitrogen dioxide has a high affinity for carbon, so that contacts of the Nitrogen dioxide with the soot particles regularly forms carbon dioxide and nitrogen.
  • a practicable and cost-effective method for the regeneration of at least one particle agglomerator is to be specified, which in particular allows an on-demand passive regeneration.
  • a suitable device for such a method should be specified, which is characterized by a low pressure drop and a particularly high efficiency with small particles (for example, with a mean diameter of at most 500 nanometers).
  • the internal combustion engine is operated at least in an operating phase, that directly a sufficient proportion of nitrogen dioxide (NO 2 ) is generated in the exhaust gas to ensure a conversion of carbonaceous particles with the at least one particle agglomerator.
  • NO 2 nitrogen dioxide
  • the first particle agglomerator subsequently arranged in the internal combustion engine is regenerated in the manner proposed here. It is dispensed with a thermal regeneration, so that the reaction of carbonaceous particles takes place at temperatures below 400 0 C or even below 300 0 C.
  • the particle agglomerator may be designed in the manner of a filter, a particle separator or similar simple devices for temporarily stopping the particles.
  • the internal combustion engine is preferably a lean-burn engine, in which combustion predominantly takes place with excess air, for example in the case of the diesel engine or a so-called lean-burn engine.
  • a “regeneration phase” is understood to mean a time interval in which the amount of particles in the particle agglomerator is reduced, in particular by at least 20% by weight, optionally by at least 40% by weight or even by at least 80% by weight
  • Regeneration phase is understood to mean a time interval in which the amount of particles in the particle agglomerator is reduced, in particular by at least 20% by weight, optionally by at least 40% by weight or even by at least 80% by weight
  • Mechanisms of how the internal combustion engine can be regulated will be referred to in detail below, in which connection it is first proposed to use the internal combustion engine itself as a source of nitrogen dioxide for the regeneration of the particle agglomerator, so that additional sources of nitrogen dioxide, such as upstream oxidation catalysts , can be dispensed with.
  • the internal combustion engine is a proportion of nitrogen oxides (NO 2 ) in the range of 25 Vo 1 .-% to 60 vol .-% of all existing nitrogen oxides (NO x ).
  • the conditions in the combustion chamber of the internal combustion engine are adjusted so that the proportion of nitrogen oxides based on all generated nitrogen oxides reaches a significant range, in particular of more than 30 vol .-% or even 45 vol .-% (these ratios may possibly equally in Mo 1 .-% are used for regulation).
  • the 25% by volume can be used as the lower limit and / or as the mean value during the operating phase. It is also preferably proposed that the proportion of nitrogen dioxide does not substantially exceed 60% by volume, in order to still be able to generate sufficient power via the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine actively generates nitrogen dioxide (NO 2 ) up to at least one particle agglomerator alone.
  • NO 2 nitrogen dioxide
  • the exhaust aftertreatment system between the internal combustion engine and the particle agglomerator concerned has no means or measures for targeted enrichment of the exhaust gas with nitrogen dioxide.
  • the method, or the device are particularly easy to perform and a targeted regeneration of the particle agglomerator can be controlled by the corresponding operation of the internal combustion engine.
  • redox processes will not be able to be suppressed in the exhaust gas itself, but these are generally not suitable for effecting a corresponding active, significant generation of nitrogen dioxide.
  • the method can be formed so that in the operating phase, an increase in the proportion of a recirculated into the internal combustion engine exhaust gas flow is effected.
  • a - exhaust gas is (partially) fed back to the internal combustion engine, in particular before it reaches the at least one particle lagglomerator.
  • a targeted increase in the exhaust gas recirculation rate can lead to a significant increase in the nitrogen dioxide content in the exhaust gas and thus favor the regeneration proposed here.
  • the rate of the recirculated stream is preferably in the range up to 60% by volume, in particular in a range from 20% by volume to 50% by volume.
  • a reduction in the combustion chamber temperature in the internal combustion engine is made in the operating phase. It has been found that combustion processes that are carried out at a lower temperature usually produce a high proportion of nitrogen dioxide in the exhaust gas.
  • the combustion chamber temperature is controlled for this purpose after a peak combustion temperature in a range below 450 0 C.
  • the exhaust aftertreatment system is designed for example with an exhaust gas turbocharger, which has a compression of the intake air flow result.
  • the boost pressure so the pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine, the fuel-air mixture is usually in the range of 30 to 50 bar.
  • an increase in the charge pressure be made, for example, by at least 15%, possibly even 25%, of the previously regulated charge pressure.
  • the oxygen content in the fuel-air mixture can be increased by a value of at least 1% and, in particular, regulated in a range from lambda 1.05 to 1.1 (about 1% oxygen or 2% oxygen).
  • combustion-air ratio (lambda) sets the actual air mass m ⁇ ⁇ uF ⁇ , actually available for combustion, in relation to the at least necessary stoichiometric air mass m ⁇ ⁇ uF ⁇ , stochi- omet ⁇ sch) required for complete combustion , This effect can also, in particular for a short time, lead to the desired generation of nitrogen dioxides.
  • the internal combustion engine be operated in such a way that carbonaceous particles with a mean diameter of at most 200 nanometers [nm] are produced in the exhaust gas.
  • the internal combustion engine is operated so that the average diameter is at most 100 nanometers.
  • this also preferably applies in an operating state of the internal combustion engine which does not coincide with the operating phase for regeneration of the particle agglomerator (regeneration phase).
  • the very small particles can be converted particularly favorably with the provided nitrogen dioxide to carbon dioxide and elemental nitrogen.
  • the outlet of the combustion chamber and the exhaust pipe are to be adjusted so that an excessive agglomeration of particles towards a size above the limit value mentioned here is avoided.
  • an active temperature increase of the exhaust gas is carried out.
  • the exhaust gas in the exhaust aftertreatment system is brought into contact with additional means for increasing the temperature so that, at the latest when contacting with the particles to be reacted, this has a setpoint temperature for the significant implementation of the CRT process.
  • the means of temperature Increasing include in particular (uncoated) (electrically operated) radiators, heat exchangers and the like.
  • a motor vehicle comprising an internal combustion engine and an exhaust aftertreatment system
  • an exhaust aftertreatment system which is designed with at least one continuously regenerable particle lagglomerator, wherein the internal combustion engine sole active nitrogen dioxide (N ⁇ 2) source up to at least one particle agglomerator and the at least one particle agglomerator is a bypass filter (also called a "semi-filter").
  • N ⁇ 2 sole active nitrogen dioxide
  • the motor vehicle proposed here can be operated in particular according to the method described here according to the invention, so that a non-thermal regeneration of the at least one particle agglomerator at desired operating phases is possible.
  • the motor vehicle proposed here is distinguished by its particularly simply constructed exhaust aftertreatment system, with a corresponding control of the internal combustion engine resulting in a reliable regeneration of the particle agglomerator so that clogging of the particle agglomerator and thus an increase in pressure via the particle agglomerator is avoided.
  • bypass filter is characterized in that it provides a plurality of flow paths for the exhaust gas, the exhaust gas (theoretically) the possibility has to flow the particle agglomerator, without coming into contact with a filter material, or to flow through this.
  • the bypass filter can be formed in the manner of a honeycomb body, which is designed for example with channel walls which are at least partially formed with a gas-impermeable material and optionally may additionally comprise a filter medium.
  • the gas-impermeable material (preferably a metal foil) is now executed with elevations, guide vanes, which at least partially close (or deflect) the channel and thus cause a deflection of at least part of the exhaust gas flow towards the channel wall (or the filter medium).
  • the elevations are formed so that they do not completely close the channel at any point, thus allowing a bypass flow past the survey.
  • a possible construction of such a bypass filter is apparent, for example, from WO 01/80978 A1 or WO 02/00326 A1, so that reference may be made in particular to these documents for explanation.
  • the at least one particle agglomerator in the flow direction of the exhaust gas at least a first zone and a second zone, wherein the second zone extends to a downstream end side and the second zone comprises an oxidation dationskatalysator.
  • the particle agglomerator can be subdivided into at least two zones extending in the axial direction and over the entire cross section of the particle agglomerator, wherein the downstream zone extending to the downstream end of the particle lagglomerator is provided with an oxidation catalytic converter ,
  • the first zone is preferably catalytically inactive - that is, for example, free of a coating.
  • the oxidation catalyst can be designed, for example, in the manner of a customary washcoat coating with a noble metal doping.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an exhaust aftertreatment system of a motor vehicle
  • FIG. 4 shows a cross section through a further embodiment of a particle agglomerator.
  • the motor vehicle 4 thus initially has an internal combustion engine 3, in particular a diesel engine, which has a plurality of combustion chambers 21 in which the supplied fuel-air mixture is burned and from which the exhaust gas is discharged through the exhaust gas conduit 19 into the environment becomes.
  • an internal combustion engine 3 in particular a diesel engine, which has a plurality of combustion chambers 21 in which the supplied fuel-air mixture is burned and from which the exhaust gas is discharged through the exhaust gas conduit 19 into the environment becomes.
  • an exhaust aftertreatment system 2 which has a branch for an exhaust gas recirculation 12 in the flow direction 7 after the internal combustion engine 3, so that controlled part of the exhaust gas flow can again be supplied to the combustion chambers 21 of the internal combustion engine 3. Further downstream in the direction of the flow direction 7, a particle agglomerator 1 is shown. This is followed downstream of a turbocharger 13, wherein the passage of the exhaust gas 13 at the same time a turbine is driven, the Air quantity, which is supplied via the intake manifold 20 of the internal combustion engine 3, compressed.
  • the exhaust gas has flowed further in the direction of flow 7, the exhaust pipe 19, for example all the way into an underfloor region of the motor vehicle 4, it is further freed of pollutants with further exhaust aftertreatment units 24.
  • the exhaust gas flows in the flow direction 7 an oxidation catalyst 11, a filter 22 and an SCR catalyst 23 (for the selective catalytic reaction of nitrogen oxide), wherein the exhaust gas is mixed before the SCR catalyst 23 with a reducing agent that only one corresponding reducing agent addition 25 is initiated.
  • the thus purified and reacted exhaust gas then flows finally through the exhaust pipe 19 into the environment.
  • the construction of the exhaust aftertreatment system 2 illustrated here permits, in particular, a discontinuous, targeted regeneration of the particle agglomerator 1 with nitrogen dioxides, which are provided specifically with the internal combustion engine 3.
  • FIG. 2 schematically and by way of example illustrates different courses of the nitrogen dioxide concentration of the exhaust gas produced by the internal combustion engine for regeneration of the particle agglomerator.
  • the abscissa 30 indicates the time while the ordinate 31 substantially illustrates the nitrogen dioxide concentration.
  • the nitrogen dioxide concentration is usually arranged below a predetermined regeneration field 28 during operation of the internal combustion engine 3. If regeneration of the particle agglomerator now takes place, then the nitrogen dioxide concentration in the exhaust gas is adjusted via a regeneration phase 29 or an operating phase of the internal combustion engine such that it is located in regeneration field 28. Should the requirements of the internal combustion engine Change (eg, performance query, load range, ...) or be completed, the regeneration of the particle agglomerator, the internal combustion engine 3 can be operated again with a lower proportion of nitrogen dioxide in the exhaust gas. Thus, a non-thermal regeneration of the particle agglomerator can be carried out discontinuously and at predetermined and / or calculated times.
  • the proportion of nitrogen dioxide in the exhaust gas is in principle regulated so that it is at regular intervals and / or permanently in the region of the regeneration field 28, as illustrated in particular by the second curve 27 shown in dashed lines.
  • FIG. 3 illustrates a detail of an embodiment variant of a particle agglomerator 1. It is designed with essentially smooth ultrafine wire layers 15 in the manner of a metallic nonwoven, between which structured metal foils 14 are provided, so that in the flow direction 7 or a corresponding axis of the particle agglomerator 1 along extending channels 16 form.
  • channel fences 17 are formed by guide surfaces 32 in the metal foil 14, which cause a (partial) discharge of the exhaust gas flow to Feinstdrahtlage 15.
  • the channel galleries 17 and the guide surfaces 32 are formed so that the channel 16 is not completely closed, but a side stream 33 remains possible.
  • a passage opening 18 is formed, which allows the passage of exhaust gas to adjacent channels 16.
  • the exhaust gas containing nitrogen dioxide (NO 2 ), carbon (C) and oxygen (O 2 ) enters the particulate lagglomerator 1 and reacts therein with the carbonaceous particles 5 contained therein the nitrogen dioxide is used, so that nitrogen monoxide (NO), nitrogen (N 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and oxygen (O 2 ) finally leave the particle agglomerator 1 again.
  • nitrogen monoxide (NO), nitrogen (N 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and oxygen (O 2 ) finally leave the particle agglomerator 1 again.
  • the probability of the reaction of nitrogen oxide and soot particles is significantly increased, so that relatively high conversion rates can be realized with low pressure loss of the exhaust gas and clogging of the particle agglomerator is reliably avoided.
  • FIG. 4 shows a particle agglomerator 1 which initially has a first zone 8 in the flow direction 7 and then a second zone 9 which extends as far as a rear end face 10.
  • the particle agglomerator 1 is designed over its entire length with smooth ultrafine wire layers 15 and structured metal foils 14, the metal foils 14 in adjacent channels 16 having mutually (oppositely disposed) tapered channel channels 17 which simultaneously allow a side stream 33 and a portion of the exhaust gas cause the fine wire layer 15.
  • the particles 5, preferably with a diameter 6 less than 200 nm are deposited in or on the walls (or the fine wire layer) of the particle agglomerator 1 and reacted with the nitrogen dioxide provided.
  • the first zone 8 has no oxidatively effective coating
  • the second zone 9 again generates in situ by means of a correspondingly provided oxidation catalytic converter 11 new nitrogen dioxide for regeneration of the particle agglomerator in the rear part.

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Description

Verfahren zur Regeneration wenigstens eines Partikelagglomerators sowie Kraftfahrzeug umfassend eine Abgasnachbehandlungsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration wenigstens eines Partikelagglomerators einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine und eine Abgasnachbehandlungsanlage, welche mit wenigstens einem kontinuierlich rege- nerierbaren Partikelagglomerator ausgeführt ist. Insoweit betrifft die Erfindung insbesondere die Beseitigung von Rußpartikeln mobiler Verbrennungskraftmaschinen, wie beispielsweise Dieselmotoren.
Es ist bekannt, dass die im Abgasstrom mitgeführten Partikel, die im Wesentli- chen Kohlenstoff enthalten, thermisch verbrannt oder mit Hilfe von extra in der Abgasnachbehandlungsanlage gebildetem Stickstoffdioxid (NO2) umgesetzt werden können. Zu diesem Zweck ist bekannt, Partikelagglomeratoren vorzusehen, beispielsweise Filter, Partikelabscheider und dergleichen, in denen die mitgeführten Partikel zumindest zeitweise aufgefangen und angelagert werden. Bei einer thermischen Regeneration wird der Partikelagglomerator so hoch erhitzt (z. B. bis oberhalb von 800 0C), dass eine Umsetzung des Kohlenstoffs mit im Abgas mit geführtem Sauerstoff einsetzt. Zu diesem Zweck können beispielsweise Brenner, Heizelemente, elektrisch beheizbare Filter oder eine exotherme Umsetzung von Kohlenwasserstoffen als Quelle für die Wärmeenergie herangezogen werden. Demgegenüber setzt die so genannte kontinuierlich regenerative Umsetzung von Partikeln (so genanntes CRT -Verfahren) auf eine Umsetzung der kohlenstoffhaltigen Partikel bei niedrigeren Temperaturen, beispielsweise unterhalb von 400 0C unter Einsatz von Stickstoffdioxid. Zu diesem Zweck ist bekannt, das vom Motor generierte Abgas über einen Oxidationskatalysator zu führen und damit Stickoxi- de, die im Abgas bereits enthalten sind, zu oxidieren, um ausreichend Stickstoffdioxid für die Umsetzung der Rußpartikel bereitstellen zu können. Das Stickstoffdioxid hat eine hohe Affinität zum Kohlenstoff, so dass sich bei Kontakten des Stickstoffdioxids mit den Rußpartikeln regelmäßig Kohlendioxid und Stickstoff bildet.
Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen mit Bezug auf den passiv rege- nerierbaren Partikelagglomerator (CRT -Verfahren) wird stromaufwärts des Parti- kelagglomerators oder direkt im Partikelagglomerator eine Oxidationsbeschich- tung vorgesehen. Diese, regelmäßige Platin-haltige, Beschichtung ist jedoch teuer und erfordert gegebenenfalls zusätzliche Abgasbehandlungseinrichtungen, die komplexere Abgasnachbehandlungssysteme zur Folge haben.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein praktikables und kostengünstiges Verfahren zur Regeneration wenigstens eines Partikelagglomerators angegeben werden, das insbesondere eine bedarfsgerechte passive Regeneration erlaubt. Zusätzlich soll auch eine für ein solches Verfahren geeignete Vorrichtung angegeben werden, welche sich durch einen geringen Druckabfall und einer besonders hohen Effektivität bei kleinen Partikeln (zum Beispiel mit einem mittleren Durchmesser von höchstens 500 Nanometer) auszeichnet.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, veranschaulicht weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regeneration wenigstens eines Partikelagglomerators in einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Verbrennungs- kraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wird die Verbrennungskraftmaschine zumindest in einer Betriebsphase so betrieben, dass direkt ein ausreichender Anteil an Stickstoffdioxiden (NO2) im Abgas erzeugt wird, um eine Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Partikel mit dem wenigstens einen Partikelagglomerator zu ge- währleisten.
Damit ist insbesondere gemeint, dass der in der Verbrennungskraftmaschine nachfolgend angeordnete erste Partikelagglomerator auf die hier vorgeschlagene Weise regeneriert wird. Dabei wird auf eine thermische Regeneration verzichtet, so dass die Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Partikeln bei Temperaturen kleiner 400 0C oder sogar unterhalb von 300 0C stattfindet. Grundsätzlich kann der Partikelagglomerator nach Art eines Filters, eines Partikelabscheiders oder ähnlichen einfachen Vorrichtungen zum zeitweise Aufhalten der Partikel ausgebildet sein. Bei der Verbrennungskraftmaschine handelt es sich bevorzugt um einen Mager- motor, bei dem überwiegend eine Verbrennung mit Luftüberschuss stattfindet, wie beispielsweise beim Dieselmotor oder einem so genannten Magermotor. Mit anderen Worten, wird hier also vorgeschlagen, die Verbrennungskraftmaschine, zumindest in einer bestimmten Betriebsphase (Regenerationsphase), wie beispielsweise bei einer Niederlast-Situation, so zu betreiben, dass von der Verbrennungs- kraftmaschine direkt ein ausreichend hoher Anteil an Stickstoffdioxiden erzeugt wird. Unter einer „Regenerationsphase" wird ein Zeitintervall verstanden, in dem die Partikelmenge im Partikelagglomerator reduziert wird, insbesondere um zumindest 20 Gew.-%, ggf. um zumindest 40 Gew.-% oder sogar um zumindest 80 Gew.-%. Zu den einzelnen Mechanismen, wie die Verbrennungskraftmaschine entsprechend geregelt werden kann, wird nachfolgend im Detail noch Bezug genommen. In diesem Zusammenhang wird also erst einmal vorgeschlagen, die Verbrennungskraftmaschine selbst als Stickstoffdioxidquelle zur Regeneration des Partikelagglomerators einzusetzen, so dass auf zusätzliche Stickstoffdioxid- Quellen, wie beispielsweise vorgelagerte Oxidationskatalysatoren, verzichtet wer- den kann. Bevorzugt ist dabei ein Verfahren, bei dem die Verbrennungskraftmaschine einen Anteil der Stickstoffdioxide (NO2) im Bereich von 25 Vo 1.-% bis 60 Vol.-% aller vorhandenen Stickoxide (NOx) liegt. Insbesondere werden also die Bedingungen im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine so eingestellt, dass der Anteil der Stickstoffdioxide bezogen auf alle generierten Stickoxide einen signifikanten Bereich erreicht, insbesondere von mehr als 30 Vol.-% oder sogar 45 Vol.-% (diese Verhältnisse können ggf. gleichermaßen in Mo 1.-% zur Regelung herangezogen werden). Dies betrifft gerade den Stickstoffdioxid-Anteil während der Betriebsphase, in der die Regeneration des Partikelagglomerators stattfindet. Die 25 VoL- % können dabei als Untergrenze und/oder als Mittelwert während der Betriebsphase herangezogen werden. Bevorzugt wird auch vorgeschlagen, dass der Stickstoffdioxid-Anteil 60 Vol.-% im Wesentlichen nicht überschreitet, um noch ausreichend Leistung über die Verbrennungskraftmaschine erzeugen zu können.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird auch vorgeschlagen, dass die Verbrennungskraftmaschine bis hin zum wenigstens einen Partikelagglomerator allein Stickstoffdioxid (NO2) aktiv generiert. Das bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Abgasnachbehandlungsanlage zwischen Verbrennungskraftmaschine und dem betroffenen Partikelagglomerator keine Mittel bzw. Maß- nahmen zur gezielten Anreicherung des Abgases mit Stickstoffdioxid aufweist. Damit kann das Verfahren, beziehungsweise die Vorrichtung, besonders einfach ausgeführt werden und eine gezielte Regenerierung des Partikelagglomerators durch den entsprechenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine geregelt werden. Selbstverständlich werden sich im Abgas selbst Redox- Vorgänge nicht un- terbinden lassen, diese sind jedoch regelmäßig nicht geeignet, eine entsprechende aktive, signifikante Stickstoffdioxid-Generierung zu bewirken.
Darüber hinaus kann das Verfahren so weiter gebildet werden, dass in der Betriebsphase eine Erhöhung des Anteils eines in die Verbrennungskraftmaschine zurückgeführten Abgasstromes bewirkt wird. Zu diesem Zweck ist die Abgasnachbehandlungsanlage beispielsweise mit einer so genannten Abgasrückführung (EGR = Exhaust Gas Recirculation) ausgeführt, so dass das von der Verbren-
- A - nungskraftmaschine erzeugte Abgas (teilweise) wieder der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, insbesondere bevor dieses den wenigstens einen Partike- lagglomerator erreicht. Eine gezielte Anhebung der Abgasrückführungsrate kann zu einer deutlichen Erhöhung des Stickstoffdioxid-Anteils im Abgas führen und damit die hier vorgeschlagene Regeneration begünstigen. Bevorzugt liegt die Rate des zurückgeführten Stromes im Bereich bis 60 Vol.-%, insbesondere in einem Bereich von 20 Vol.-% bis 50 Vol.-%.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird in der Betriebsphase eine Ab- Senkung der Brennraumtemperatur in der Verbrennungskraftmaschine vorgenommen. Es wurde festgestellt, dass bei Verbrennungsvorgängen, die mit geringerer Temperatur durchgeführt werden, üblicherweise ein hoher Stickstoffdioxid- Anteil im Abgas produziert wird. Insbesondere wird die Brennraumtemperatur zu diesem Zweck nach einer Spitzentemperatur der Verbrennung in einem Bereich unterhalb von 4500C geregelt.
Darüber hinaus wird auch als vorteilhaft erachtet, dass in der Betriebsphase, alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend genannten Möglichkeiten, eine Erhöhung des Ladedrucks in der Verbrennungskraftmaschine vorgenommen wird. In diesem Fall ist die Abgasnachbehandlungsanlage beispielsweise mit einem Abgasturbolader ausgeführt, der eine Verdichtung des angesaugten Luftstroms zur Folge hat. Der Ladedruck, also der Druck im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, des Brennstoff-Luft-Gemischs liegt üblicherweise im Bereich von 30 bis 50 bar. Für die Regenerationsphase wird nunmehr insbesondere vorgeschlagen, dass eine Erhöhung des Ladedrucks um beispielsweise mindestens 15%, ggf. sogar 25% des vorher geregelten Ladedruckes vorgenommen wird. Mit der Erhöhung des Ladedruckes wird auch die Spitzentemperatur der Verbrennung im Brennraum und damit die Stickstoffmonoxid-Bildung beeinflusst.
Zudem ist es auch möglich, in der Betriebsphase eine Erhöhung des Sauerstoffgehalts in der Verbrennungskraftmaschine vorzunehmen. Demnach wird die Verbrennung beispielsweise mit einem noch höheren Luftüberschuss durchge- führt. So kann der Sauerstoffgehalt im Brennstoff-Luft-Gemisch beispielsweise um einen Wert von mindestens 1 % angehoben und insbesondere in einem Bereich von Lambda 1.05 bis 1.1 (ca. 1% Sauerstoff bzw. 2% Sauerstoff) geregelt werden. Das so genannte Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) setzt die tatsäch- lieh für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse m<χuFτ, tatsächlich), ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse m<χuFτ, stochi- ometπsch)., die für eine vollständige Verbrennung benötigt wird. Auch dieser Effekt kann, insbesondere kurzzeitig, zu der gewünschten Generierung von Stickstoffdi- oxiden führen.
Für eine gleichermaßen effektive Umsetzung der kohlenstoffhaltigen Partikel bei gleichzeitig geringem Volumen des vorgesehenen Partikelagglomerators wird auch vorgeschlagen, dass die Verbrennungskraftmaschine so betrieben wird, dass im Abgas kohlenstoffhaltige Partikel mit mehrheitlich einem mittleren Durchmes- ser von höchstens 200 Nanometer [nm] erzeugt werden. Ganz besonders bevorzugt wird die Verbrennungskraftmaschine so betrieben, dass der mittlere Durchmesser höchstens 100 Nanometer beträgt. Grundsätzlich gilt dies bevorzugt auch in einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, der nicht mit der Betriebsphase zur Regenerierung des Partikelagglomerators (Regenerationsphase) übereinstimmt. Die sehr kleinen Partikel können besonders günstig mit dem bereitgestellten Stickstoffdioxid zu Kohlendioxid und elementarem Stickstoff umgesetzt werden. Für die Bereitstellung der Partikel dieser Größe, sind insbesondere der Auslass des Brennraumes sowie die Abgasleitung anzupassen, so dass eine übermäßige Agglomeration von Partikeln hin zu einer Größe oberhalb des hier genannten Grenzwertes vermieden wird.
Weiter wird auch vorgeschlagen, dass zumindest in der Betriebsphase eine aktive Temperaturerhöhung des Abgases durchgeführt wird. Damit ist insbesondere gemeint, dass das Abgas in der Abgasnachbehandlungsanlage mit zusätzlichen Mit- teln zur Temperaturerhöhung in Kontakt gebracht wird, so dass dies spätestens bei der Kontaktierung mit den umzusetzenden Partikeln eine Solltemperatur zur signifikanten Durchführung des CRT -Verfahrens aufweist. Die Mittel zur Temperatur- erhöhung umfassen insbesondere (unbeschichtete) (elektrisch betriebene) Heizkörper, Wärmetauscher und dergleichen. Die Idee der gezielten bzw. geregelten (nicht-katalytsichen und/oder katalytischen) Temperaturerhöhung des Abgases zur Verbesserung der Oxidation von Stickstoffmonoxiden in der Abgasnachbehand- lungsanlage kann generell wesentliche Vorteile bei der Durchführung des CRT- Verfahrens bringen - ist demnach ggf. auch unabhängig von dem hier erfindungsgemäß beschriebenen Verfahren erstrebenswert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine und eine Abgasnachbehandlungsanlage vorgeschlagen, welche mit wenigstens einem kontinuierlich regenerierbaren Partike- lagglomerator ausgeführt ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine alleinige aktive Stickstoffdioxid (Nθ2)-Quelle bis hin zum wenigstens einem Partikelagglo- merator und der wenigstens eine Partikelagglomerator ein Nebenstromfilter (auch „Semi-Filter" genannt) ist.
Das hier vorgeschlagene Kraftfahrzeug kann insbesondere nach dem hier erfindungsgemäß beschriebenen Verfahren betrieben werden, so dass eine nichtthermische Regenerierung des wenigstens einen Partikelagglomerators zu ge- wünschten Betriebsphasen möglich ist. Das hier vorgeschlagene Kraftfahrzeug zeichnet sich durch seine besonders einfach aufgebaute Abgasnachbehandlungsanlage aus, wobei eine entsprechende Steuerung der Verbrennungskraftmaschine eine sichere Regenerierung des Partikelagglomerators zur Folge hat, so dass ein Verstopfen des Partikelagglomerators und damit ein Druckanstieg über den Parti- kelagglomerator vermieden wird.
Im Wesentlichen wird bezüglich der Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine als alleinige (einzige), aktive Stickstoffdioxid-Quelle auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Bezüglich des hier vorgeschlagenen Partikelagglomerators wird spezifiziert, dass dieser einen Nebenstromfilter umfasst. Ein solcher Nebenstromfilter zeichnet sich dadurch aus, dass dieser eine Vielzahl von Strömungspfaden für das Abgas bereitstellt, wobei das Abgas (theoretisch) die Möglichkeit hat, den Partikelagglomerator zu beströmen, ohne mit einem Filtermaterial in Kontakt zu kommen, bzw. dieses zu durchströmen. Zu diesem Zweck kann der Nebenstromfilter nach Art eines Wabenkörpers ausgebildet werden, der beispielsweise mit Kanalwänden ausgeführt ist, die wenigstens teilweise mit einem gasundurchlässigen Material gebildet sind und optional zusätzlich ein Filtermedium umfassen können. Das gasundurchlässige Material (bevorzugt eine Blechfolie) ist nun mit Erhebungen, Leitschaufel, ausgeführt, die den Kanal zumindest teilweise verschließen (bzw. umlenken) und damit eine Ablenkung wenigstens eines Teils des Abgasstrom hin zur Kanalwand (bzw. dem Filtermedium) bewirken. Dabei sind die Erhebungen so ausgebildet, dass diese an keiner Stelle den Kanal vollständig verschließen, somit einen an der Erhebung vorbei strömenden Nebenstrom ermöglichen. Ein möglicher Aufbau eines solchen Nebenstromfilters geht beispielsweise aus der WO 01/80978 Al oder der WO 02/00326 Al hervor, so dass zur Erläuterung insbesondere auf diese Dokumente Bezug genommen wer- den kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Kraftfahrzeugs hat der wenigstens eine Partikelagglomerator in Strömungsrichtung des Abgases zumindest eine erste Zone und eine zweite Zone, wobei die zweite Zone sich bis an eine stromabwärts angeordnete Stirnseite hin erstreckt und die zweite Zone einen Oxi- dationskatalysator umfasst. Damit ist insbesondere gemeint, dass sich der Partikelagglomerator in mindestens zwei, in axialer Richtung und über den gesamten Querschnitt des Partikelagglomerators erstreckende Zonen unterteilen lässt, wobei die stromabwärts angeordnete, sich bis zum stromab wärtigen Ende des Partike- lagglomerators erstreckende Zone mit einem Oxidationskatalysator versehen ist. Dabei ist die erste Zone bevorzugt katalytisch inaktiv - also zum Beispiel frei von einer Beschichtung. Der Oxidationskatalysator kann beispielsweise nach Art einer üblichen Washcoat-Beschichtung mit einer Edelmetall-Dotierung ausgeführt sein.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nun anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen, diese aber nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 : eine erste Ausführungsvariante einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Kraftfahrzeugs,
Fig. 2: einen möglichen Verlauf der Stickstoffdioxid- Konzentration während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine,
Fig. 3: den Aufbau eines vorteilhaften Partikelagglomerators im Detail und
Fig. 4: einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines Partikelagglomerators.
Fig. 1 soll schematisch einen möglichen Aufbau für eine Abgasnachbehandlungsanlage 2 einer Verbrennungskraftmaschine 3 eines Kraftfahrzeugs 4 veranschaulichen, der grundsätzlich zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Das Kraftfahrzeug 4 weist somit zunächst eine Verbrennungskraftma- schine 3, insbesondere einen Dieselmotor, auf, der eine Mehrzahl von Brennräumen 21 hat, in denen das zugeführte Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt und von denen ausgehend das Abgas durch die Abgasleitung 19 in die Umgebung abgegeben wird.
Hierbei ist eine Abgasnachbehandlungsanlage 2 gezeigt, die in Strömungsrichtung 7 nach der Verbrennungskraftmaschine 3 eine Abzweigung für eine Abgasrückführung 12 aufweist, so dass geregelt ein Teil des Abgasstroms wieder den Brennräumen 21 der Verbrennungskraftmaschine 3 zugeführt werden kann. Weiter stromabwärts in Richtung der Strömungsrichtung 7 ist ein Partikelagglomera- tor 1 dargestellt. Diesem folgt weiter stromabwärts ein Turbolader 13, wobei beim Durchströmen des Abgases 13 gleichzeitig eine Turbine angetrieben wird, die die Luftmenge, die über den Ansaugtrakt 20 der Verbrennungskraftmaschine 3 zugeführt wird, verdichtet.
Nachdem nunmehr das Abgas in Strömungsrichtung 7 weiter die Abgasleitung 19, beispielsweise bis hin in einen Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs 4, geströmt ist, wird es mit weiteren Abgasnachbehandlungseinheiten 24 weiter von Schadstoffen befreit. Im hier veranschaulichten Fall durchströmt das Abgas in Strömungsrichtung 7 einen Oxidationskatalysator 11 , einen Filter 22 sowie einen SCR-Katalysator 23 (zur selektiven katalytischen Reaktion von Stickoxid), wobei das Abgas vor dem SCR-Katalysator 23 mit einem Reduktionsmittel vermengt wird, dass nur eine entsprechende Reduktionsmittel-Zugabe 25 eingeleitet wird. Das so gereinigte und umgesetzte Abgas strömt dann schließlich durch die Abgasleitung 19 in die Umgebung.
Der hier veranschaulichte Aufbau der Abgasnachbehandlungsanlage 2 erlaubt insbesondere eine diskontinuierliche, gezielte Regeneration des Partikelagglome- rators 1 mit Stickstoffdioxiden, welche gezielt mit der Verbrennungskraftmaschine 3 bereitgestellt werden.
In Fig. 2 sind schematisch und beispielhaft verschiedene Verläufe der Stickstoffdioxid-Konzentration des seitens der Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgases für eine Regenerierung des Partikelagglomerators veranschaulicht. Die Abszisse 30 bezeichnet dabei die Zeit, während die Ordinate 31 im Wesentlichen die Stickstoffdioxid- Konzentration veranschaulicht.
Bezüglich eines ersten Verlaufs 26 ist festzuhalten, dass die Stickstoffdioxid- Konzentration zumeist unterhalb eines vorgegebenen Regenerationsfeldes 28 während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine 3 angeordnet ist. Soll nun eine Regeneration des Partikelagglomerators stattfinden, so wird die Stickstoffdi- oxid-Kontzentration im Abgas über eine Regenerationsphase 29 bzw. eine Betriebsphase der Verbrennungskraftmaschine so eingestellt, dass diese in Regenerationsfeld 28 liegt. Sollten die Anforderungen an die Verbrennungskraftmaschine sich ändern (z. B. Leistungsabfrage, Lastbereich,...) oder die Regeneration des Partikelagglomerators beendet sein, kann die Verbrennungskraftmaschine 3 wieder mit einem geringeren Stickstoffdioxid- Anteil im Abgas betrieben werden. Damit kann ein diskontinuierlich und zu vorgegebenen und/oder berechneten Zeitpunkten eine nicht-thermische Regenerierung des Partikelagglomerators vorgenommen werden.
Darüber hinaus ist es aber auch möglich, dass der Stickstoffdioxid- Anteil im Abgas grundsätzlich so geregelt wird, dass dieser in regelmäßigen Abständen und/oder permanent im Bereich des Regenerationsfeldes 28 liegt, wie dies insbesondere durch den gestrichelt dargestellten zweiten Verlauf 27 veranschaulicht wird.
Fig. 3 veranschaulicht ein Detail einer Ausführungsvariante eines Partikelagglo- merators 1. Dieser ist mit im Wesentlichen glatten Feinstdrahtlagen 15 nach Art eines metallischen Vlieses ausgeführt, zwischen denen strukturierte Metallfolien 14 vorgesehen sind, so dass sich in Strömungsrichtung 7 bzw. einer entsprechenden Achse des Partikelagglomerators 1 entlang erstreckende Kanäle 16 bilden. Im Inneren dieser Kanäle 16 sind durch Leitflächen 32 in der Metallfolie 14 Kanalengstellen 17 gebildet, die eine (teilweise) Ableitung des Abgasstromes hin zur Feinstdrahtlage 15 bewirken. Dabei sind die Kanalengstellen 17 bzw. die Leitflächen 32 so gebildet, dass der Kanal 16 nicht vollständig verschlossen ist, sondern ein Nebenstrom 33 ermöglicht bleibt. Infolge des Ausstülpens der Leitflä- che 32 aus der Metallfolie 14 wird eine Durchtrittsöffnung 18 ausgebildet, die den Durchtritt von Abgas hin zu benachbarten Kanälen 16 ermöglicht.
Darüber hinaus wird in der Fig. 3 veranschaulicht, dass das Stickstoffdioxid (NO2), Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O2) enthaltende Abgas in den Partike- lagglomerator 1 eintritt und dort eine Umsetzung der darin enthaltenen kohlen- stoffhaltigen Partikel 5 mit dem Stickstoffdioxid einsetzt, so dass Stickstoffmono- xide (NO), Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2) und Sauerstoff (O2) schließlich den Partikelagglomerator 1 wieder verlassen. Mit Hilfe des Partikelagglomerators wird die Wahrscheinlichkeit der Reaktion von Stickoxid und Rußpartikel deutlich erhöht, so dass sich relativ hohe Umsatzraten bei geringem Druckverlust des Abgases realisieren lassen und ein Verstopfen des Partikelagglomerators sicher vermieden wird.
In Fig. 4 ist ein Partikelagglomerator 1 dargestellt, der in Strömungsrichtung 7 zunächst eine erste Zone 8 und danach eine zweite Zone 9 aufweist, die sich bis hin zu einer rückwärtigen Stirnseite 10 erstreckt. Grundsätzlich ist der Partikelagglomerator 1 über seine gesamte Länge mit glatten Feinstdrahtlagen 15 und strukturierten Metallfolien 14 ausgeführt, wobei die Metallfolien 14 in benachbarten Kanälen 16 wechselseitig (entgegengesetzt angeordnete) sich verjüngende Kanalengstellen 17 aufweisen, die gleichzeitig einen Nebenstrom 33 zulassen und einen Teil des Abgases hin zur Feinstdrahtlage 15 bewirken. Auf diese Weise werden die Partikel 5, bevorzugt mit einem Durchmesser 6 kleiner 200 nm, in bzw. an den Wänden (bzw. der Feinstdrahtlage) des Partikelagglomerators 1 angelagert und mit dem bereitgestellten Stickstoffdioxid umgesetzt. Die erste Zone 8 weist dabei keine oxidativ wirksame Beschichtung auf, während die zweite Zone 9 durch einen entsprechend vorgesehenen Oxidationskatalysator 11 wieder neues Stickstoffdioxid zur Regeneration des Partikelagglomerators im hinteren Teil in-situ erzeugt.
Selbstverständlich können verschiedene Abwandlungen des hier vorgeschlagenen Systems ohne weiteres vorgenommen werden, ohne den hier beschriebenen Gedanken der Erfindung zu verlassen. So können beispielsweise andere Partike- lagglomeratoren eingesetzt werden, es ist aber auch möglich, den Partikelagglomerator 1 beispielsweise nach einem Turbo lader 13 zu positionieren. Auch die nachfolgenden Abgasnachbehandlungseinheiten 24 sind beliebig kombinierbar und ergänzbar. Außerdem kann die Erfindung auch mit einer anderen Verbrennungskraftmaschine betrieben werden - wie z. B. einen direkt einspritzenden Otto- Motor. Bezugszeichenliste
1 Partikelagglomerator
2 Abgasnachbehandlungsanlage
3 Verbrennungskraftmaschine
4 Kraftfahrzeug
5 Partikel
6 Durchmesser
7 Strömungsrichtung
8 erste Zone
9 zweite Zone
10 Stirnseite
11 Oxidationskatalysator
12 Abgasrückführung
13 Turbolader
14 Metallfolie
15 Feinstdrahtlage
16 Kanal
17 Kanalengstelle
18 Durchtrittsöffnung
19 Abgasleitung
20 Ansaugtrakt
21 Brennraum
22 Filter
23 SCR-Katalysator
24 Abgasnachbehandlungseinheit
25 Reduktionsmittelzugabe
26 erster Verlauf
27 zweiter Verlauf
28 Regenerationsfeld
29 Regenerationsphase Abszisse Ordinate Leitfläche Nebenstrom

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regeneration wenigstens eines Partikelagglomerators (1) einer Abgasnachbehandlungsanlage (2) einer Verbrennungskraftmaschine (3) eines
Kraftfahrzeuges (4), bei dem die Verbrennungskraftmaschine (3) zumindest in einer Betriebsphase so betrieben wird, dass direkt ein ausreichender Anteil an Stickstoffdioxiden (NO2) im Abgas erzeugt wird, um eine Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Partikeln (5) in dem wenigsten einen Partikelagglomera- tor (1) zu gewährleisten.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem die Verbrennungskraftmaschine (3) einen Anteil der Stickstoffdioxide (NO2) im Bereich von 25 Vol.-% bis 60 Vol.-% aller vorhandenen Stickoxide (NOx) liegt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem die Verbrennungskraftmaschine (3) bis hin zum wenigsten einen Partikelagglomerator (1) allein Stickstoffdioxid (NO2) aktiv generiert.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem in der Betriebsphase eine Erhöhung des Anteils eines in die Verbrennungskraftmaschine (3) zurück geführten Abgasstromes vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem in der Betriebsphase eine Absenkung der Brennraumtemperatur in der Verbrennungskraftmaschine (3) vorgenommen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem in der Betriebsphase eine Erhöhung des Ladedruckes in der Verbrennungskraftma- schine (3) vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem in der Betriebsphase eine Erhöhung des Sauerstoffgehaltes in der Verbrennungskraftmaschine (3) vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die Verbrennungskraftmaschine (3) so betrieben wird, dass im Abgas kohlenstoffhaltige Partikel (5) mit mehrheitlich einem mittleren Durchmesser (6) von höchstens 200 Nanometer erzeugt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem zumindest in der Betriebsphase eine aktive Temperaturerhöhung des Abgases durchgeführt wird.
10. Kraftfahrzeug (4) aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (3) und eine Abgasnachbehandlungsanlage (2), welche mit wenigstens einem kontinuierlich regenerierbaren Partikelagglomerator (1) ausgeführt ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine (3) alleinige aktive Stickstoffdioxid(NO2)-Quelle bis hin zum wenigstens einen Partikelagglomerator (1) ist und der wenigstens eine Partikelagglomerator (1) ein Nebenstromfilter ist.
11. Kraftfahrzeug (4) nach Patentanspruch 10, bei dem der wenigstens eine Partikelagglomerator (1) in Strömungsrichtung (7) des Abgases zumindest eine erste Zone (8) und eine zweite Zone (9) hat, wobei die zweite Zone (9) sich bis an eine stromabwärts angeordnete Stirnseite (10) hin erstreckt und die zweite Zone (9) einen Oxidationskatalysator (11) umfasst.
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