EP3472441A1 - Partikelfilter für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Partikelfilter für eine verbrennungskraftmaschine

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EP3472441A1
EP3472441A1 EP17729016.0A EP17729016A EP3472441A1 EP 3472441 A1 EP3472441 A1 EP 3472441A1 EP 17729016 A EP17729016 A EP 17729016A EP 3472441 A1 EP3472441 A1 EP 3472441A1
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EP
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channel
filter
flow
heating element
particle filter
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Dr Ing HCF Porsche AG
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    • F01N2430/00—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics
    • F01N2430/06—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics by varying fuel-air ratio, e.g. by enriching fuel-air mixture
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    • F01N2590/00—Exhaust or silencing apparatus adapted to particular use, e.g. for military applications, airplanes, submarines
    • F01N2590/11—Exhaust or silencing apparatus adapted to particular use, e.g. for military applications, airplanes, submarines for hybrid vehicles

Definitions

  • the invention relates to a particle filter for an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
  • Particle filter for internal combustion engines in particular for self-igniting
  • the particle filter is characterized in particular by the fact that a plurality of channels are arranged side by side, in particular parallel to one another, the channels being mutually closed.
  • the exhaust gas flowing in via a filter inlet flows through the particle filter in its
  • Extending direction in that it passes from a channel opened at the filter inlet into a channel opened at the filter outlet via a porous wall arranged between these two channels.
  • Solid particles of the exhaust gas are deposited in and / or on the wall. Since these particles reduce a free flow cross-section of the particulate filter and because the potential for excessive temperature increases in the particulate filter increases as the load increases due to exothermic soot burnup, these particles are to be removed from the particulate filter by a so-called regeneration, in other words by conversion of the soot particles.
  • the patent EP 2 161 420 B1 is a particle filter for a
  • Internal combustion engine can be removed, which is uncoated in areas of the channels in which predominantly solid particles accumulate.
  • a coated portion and an uncoated portion are formed in the channels, wherein the uncoated portion of a channel adjacent to the coated portion of another channel is formed.
  • Diesel engine formed internal combustion engine which has a coating for soot oxidation, the reaction temperature is below 500 ° C. This is done using preferred materials of the particulate filter, in the form of Reached alkaline earth metal compounds, an oxygen-storing substance and platinum, paladium or rhodium.
  • the object of the present invention is to provide an improved particulate filter for an internal combustion engine. This object is achieved by a particulate filter for a
  • a particulate filter according to the invention for an internal combustion engine has a filter body, wherein the filter body has a filter inlet which can be flowed through and a filter outlet which can be flowed through.
  • the filter body comprises at least one first channel through which can flow, with a first end facing the filter inlet and a second end facing the filter outlet, and a second channel through which the filter inlet faces formed third end and facing the filter outlet formed fourth end.
  • the second end and the third end are formed such that they can not be flowed through or flow through them to a certain extent, whereby the channels can be made into a flow-through channel section and a flow-through or in some way heavy
  • permeable channel section are articulated.
  • first channels are formed with obstructed or obstructed flow inlet at the filter inlet and second channels with obstructed or obstructed flow outlet at the filter outlet.
  • the channel wall is formed soot particles of the exhaust gas depositable.
  • an underflowable channel section is not necessarily a completely sealed and closed against any flow-through channel section to understand, but it is also a somewhat difficult to be flowed through channel section to understand -.
  • a so-called diffusion-open channel section in particular oxygen molecules can penetrate this difficult to flow through the channel section.
  • the first channel and / or the second channel has a heating element, wherein the heating element is arranged in the channel section of the channel which can not be flowed through.
  • the arrangement of the heating element in the flow-through channel section has several advantages. For example, a flow through the particle filter due to the
  • Heating element which has a flow resistance, not affected.
  • Another advantage is the use of, with regard to the flow, unused areas of the particulate filter to see: an increase in the reaction temperature for burning off the soot particles can be achieved while maintaining the original Size of the particle filter. In other words, this means that an intended installation space of the particle filter is maintained and, with respect to the construction space, no constructive one
  • the heating element is formed from a functional material which reacts exothermically when oxygen is stored. This means in other words that the heating element is quasi self-igniting.
  • the advantage lies in the fact that it requires only the heating element itself, without, for example, as known from the prior art, an aid in the form of an ignition device, such as.
  • the microwave generator to provide. It is merely the operation of the internal combustion engine to be adjusted so that due to a corresponding temperature of the exhaust gas and / or a corresponding composition of the exhaust gas, the exothermic reaction of the
  • the heating element by means of a change of a
  • Combustion air ratio of the exhaust gas for heat emission excitable This can be done by adding or reducing fuel or air
  • Combustion air ratio of the exhaust gas can be changed.
  • a so-called substoichiometric composition the one
  • Combustion air ratio with a value less than 1 corresponds or one
  • the heating element with the aid of a change of
  • Combustion air ratio of the exhaust gas of a combustion air ratio with a value less than 1, to a combustion air ratio with a value greater than 1 can be energized for heat dissipation.
  • This change in the combustion air ratio can be, for example, based on a load operation of the internal combustion engine at a low substoichiometric operation, for example.
  • Such operation of the internal combustion engine can, for example, already by a downhill or a deceleration of a motor vehicle with the
  • Heating element on an element cross section which corresponds to a cross section of the channel.
  • the heating element in addition to its temperature-increasing function, be used for one-sided sealing of the channel.
  • the heating element is formed at least on the basis of cerium oxide and / or cerium-zirconium mixed oxides. These oxides have, with appropriate nature and concentration, a pronounced oxygen storage capacity, which has a high
  • the heating element contains precious metals such as, for example, palladium and / or rhodium, this also gives them a direct oxygen storage capacity, at least in a certain temperature range.
  • the heating element of the first channel is formed of a first material and the heating element of the second channel is formed of a second material different from the first material.
  • the particle filters of the prior art have, in principle, a comparatively low reaction rate of the burning off of the soot particles. This can have the consequence that, for example, due to a nearly simultaneous in all filter areas
  • the highest temperature can be in the vicinity of the filter outlet of the particle filter. It is likely that even with z. B. 800 ° C, the burnup is relatively slow and so the released in the filter inlet heat of the burn is accumulated in the downstream areas, thus also in the area before the filter outlet, with the heat released there.
  • the advantage is given to bring about a rise in temperature in the region of the filter inlet, which depends on the temperature increase in the
  • Area of the filter outlet is different. It is advantageous to form the heating element in the region of the filter inlet of a first material, which only at present in the particulate filter deep and medium temperatures, up to, for example, about 800 ° C, heat
  • particulate filters which are highly loaded, e.g. Particulate filters, which have a large amount of soot particles to heat them from the filter outlet. If the burn-up or the regeneration were initiated at the filter outlet, the heat released there would really be released and not imposed in the upstream areas as a "thermal burden.” Under certain boundary conditions, in particular if flow velocities are not too high, then the so-called
  • the first material is designed for the reaction in a medium temperature range, and the second material for the reaction over another
  • a further increase of an efficient regeneration can be brought about with the aid of a further heating element, if this is arranged in the flow-through channel section.
  • the infiltrated channel section has a plug, wherein the heating element is designed to replace the plug completely or partially.
  • Particulate filters according to the prior art have plugs which serve only the purpose of sealing the channel. They are massive formed and have a relatively large length. For example. Lengths of the plugs of approx. 7 mm are usual for particle filters used or provided in the gasoline engine sector. A mass fraction of the plug is in the clogged filter inlet or
  • Filter outlet areas at about 60 - 70% Therefore, a complete or partial replacement of these plugs by a heating element made of a material with a high proportion of a storage component with high oxidation heat, to a sharp increase in temperature at a change in the operation of the internal combustion engine from rich operation to lean operation, for example in conjunction with a fuel cut.
  • a particularly efficient particle filter is thus realized.
  • Fig. 1 in a diagram a profile of the combustion air ratio ⁇ of exhaust gas and in a corresponding t-T diagram temperatures in one
  • Particle filter according to the prior art and in a particulate filter according to the invention temperature profiles at different positions of the particulate filter, determined by means of a simulation calculation
  • FIG. 2 shows an xT diagram of temperature profiles at different times in the particle filter according to the prior art and the particle filter according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a particle filter according to the invention
  • FIG Fig. 4 is an Ellingham diagram of the elements palladium and rhodium and their oxides.
  • An abrupt increase in temperature in a particulate filter 1 according to the invention is associated with an exothermic reaction of a material which has a high oxygen storage content at a change of operation of a non-illustrated
  • an internal combustion engine supplied air-fuel mixture is changed in their proportions.
  • a so-called rich operation which has a combustion air ratio ⁇ of the air-fuel mixture with a value less than 1
  • a lean operation which has a combustion air ratio ⁇ of the air-fuel mixture with a value greater than 1.
  • exhaust gas of the internal combustion engine which flows through the particle filter 1, an increased proportion of oxygen, which triggers the exothermic reaction.
  • a simultaneous fuel cut increases the oxygen content significantly, which also a significant increase in the temperature in the particulate filter 1 can be achieved.
  • Fig. 1 shows in the lower portion in a t- diagram a curve LI a
  • Combustion air ratio ⁇ over the time t before a known particle filter.
  • a sudden change in the combustion air ratio ⁇ from a value of approximately 0.95 here to a value significantly above 1 indicates a point in time
  • Temperature profiles of a particulate filter 1 according to the prior art and in the middle section of FIG. 1 are temperature profiles of a particulate filter 1 according to the invention shown.
  • the temperature profile TO corresponds to a so-called inlet temperature, ie the gas temperature before OPF.
  • the particle filter 1 according to the invention which is formed schematically according to FIG. 3, has flow-through channel sections 13 and channel sections 14 which can be passed through.
  • the temperature profiles T 1 and T 3 show a thermal behavior of the particle filter 1 in a plane near a filter inlet 3 or near a filter outlet 4 of FIG.
  • Particulate filter 1 ie in planes that cut through also unbearable channel sections 14.
  • the temperature profile T2 shows the thermal behavior of the
  • Particulate filter 1 near a center plane of the particulate filter 1, which is formed centrally between the planes of the filter inlet 3 and the filter outlet 4.
  • the temperatures Tl, T2, T3 in the particle filter 1 according to the prior art follow with a time delay, due to the heat capacity of the particulate filter 1 itself, the cooling inlet temperature TO.
  • the temperatures Tl, T2, T3 in the particulate filter 1 according to the invention show different courses.
  • the temperatures Tl, T3 of the planes with channel sections 14 which can be flowed through rise immediately after the change from the (slightly) rich to the lean mixture only imperceptibly decelerates violently, in this example by about 75 ° C.
  • these temperatures T 1, T 3 will also follow in time with the ever-decreasing inlet temperature TO.
  • FIG. 2 shows in an xT diagram temperature profiles at different times t0, t1, t2, t3, t4 before and after a change from a (slightly) rich load operation of the internal combustion engine to coasting with fuel cutoff in the direction of the flow axis of the particle filter 1 2, the temperature profiles t0, t1, t2, t3, t4 in the particle filter 1 according to the prior art and in the lower portion of FIG. 2 the temperature profiles t0, t1, t2, t3, t4 in FIG
  • the temperature curve tO corresponds to a course before the operating changeover.
  • the temperature profiles t1, t2, t3, t4 are temperature profiles after the changeover of operation, wherein the temperature profile tl is 20.2 sec, the temperature profile t2 is 21.2 sec, the temperature profile t3 is 22.2 sec and the temperature profile t4 is 23.2 sec
  • the particulate filter 1 according to the invention for the not shown
  • Internal combustion engine is formed in a schematic representation of FIG. 3.
  • the internal combustion engine which is embodied in the form of a direct-injection gasoline engine, exhaust gas containing soot particles is produced as a result of combustion of the air-fuel mixture.
  • the particle filter 1 has a filter body 2 with a filter inlet 3 which can be flowed through and a filter outlet 4 through which it can flow.
  • a filter inlet 3 which can be flowed through and a filter outlet 4 through which it can flow.
  • a plurality of through-flow channels 5, 6 are formed in the filter body 2.
  • the channels 5, 6 are formed along a longitudinal axis L extending, juxtaposed, wherein a
  • the channels 5, 6 have alternately on the filter inlet 3 and a closed at the filter outlet 4 end.
  • a first channel 5 and a second channel 6 the plurality of channels and the operation of the particulate filter 1 described.
  • the first channel 5 has a first end 7 facing the filter inlet 3 and a second end 8 facing the filter outlet 4.
  • the second channel 6 has a third end 9 facing the filter inlet 3 and a second end 9 facing the filter inlet 3
  • the second end 8 and the third end 9 are formed umströmströmbar.
  • the channel wall 11 is formed porous permeable to flow, wherein the
  • Soot particles of the exhaust gas flowing through the channel wall 11 on the channel wall 11 or - deposit The exhaust gas flows through the particle filter 1 in the direction of
  • the channels 5, 6 are closed at their unbroken ends 8, 9 by means of a plug 12.
  • that means that the channels 5, 6 each have a freely flow-through channel section 13 and a channel section 14 which can be flowed through.
  • the plug 12 has an element cross-section QE which corresponds to a cross-section Q of the channel 5; 6 corresponds. Since in the illustrated embodiment, the channels 5, 6 have an identical cross-section, the element cross-section QE also corresponds to a cross-section Q of the second channel 6. In a non-illustrated
  • the channels 5, 6 different cross-sections Q on.
  • the stopper 12 has an element cross-section QE designed to be adapted to the cross-section Q of the corresponding channel 5, 6.
  • the element cross-section QE of the plug 12 is constant over a length L of the plug 12 in the illustrated embodiment.
  • the element cross section QE could change over its length L. For example, in one does not specify
  • the illustrated embodiment of the plug 12 has a frusto-conical shape with a 5 on the length LE changing element cross-section QE, if the channel 5, 6 has a conical shape.
  • the soot particles accumulate in the particle filter 1, wherein an effective flow cross section of the particle filter 1 reduces over time
  • this has at least one heating element 15, which is arranged in the channel section 14 which can be flowed through.
  • the heating element 20 15 consists of a functional material which reacts exothermically in the event of an excess of air, in other words gives off heat and thus leads to an increase in temperature in the particle filter 1.
  • the heating element 15 is in the form of the plug 12 and replaces it. Likewise, the heating element 15 could also be formed as part of the plug 12. It is formed from a material which is formed triggering an oxygen storage an exothermic reaction. In other words, that means that
  • Heating element 15 automatically releases heat due to its molecular structure, if an oxygen storage is formed. That means there is a
  • the material is a solid which may be present in at least two modifications. In rich operation of the internal combustion engine, it is at least partially in a reduced modification, the first modification before and goes in a lean operation of the internal combustion engine in an oxidized modification, the second modification.
  • This solid also called functional material, is preferably a mixed oxide of cerium and zirconium oxides with optionally further substances, such as, for example, metals and / or earth metals, lanthanum, presodymium, ytterium, and alumina.
  • the "less noble" noble metals palladium and rhodium which also directly have an oxygen storage capacity, but at higher temperatures, for example about 900 ° C., they do not oxidise, thus do not store, and retain their noble metallic state irrelevant, whether it is an exhaust gas with a rich composition corresponding to the rich operation or an exhaust gas with a lean composition corresponding to the lean operation of the
  • Rhodium would gem.
  • Fig. 4 can form rhodium oxide up to about 880 ° C and thus can behave subdued up to this temperature.
  • the functional material for the exothermic reaction may be formed in different temperature ranges.
  • a first material has a composition having a reducing / oxidizing ability in a low and medium temperature range up to about 700 ° C, for example, palladium.
  • a second material has a composition having an exothermic reaction additional in a high temperature range, such as TWC (three-way-catalyst) standard storage materials.
  • TWC three-way-catalyst
  • the first material is designed for the reaction at low and medium temperatures present in the particle filter 1
  • the second material is designed to react over all the temperatures present in the particle filter 1.
  • all plugs 12 can be replaced by a respective heating element 15, whereby the regeneration is improved.
  • a particle filter 1 with a plurality of heating elements 15, which are formed from a single material and / or a material mix are also targeted.
  • Positioning of the heating elements 15, on the inlet side or on the outlet side, can also be selected as a function of an installation situation of the particle filter 1, close to the engine or remote from the engine.
  • all plugs 12 of the particulate filter 1 are replaced by a respective heating element 15.
  • a further embodiment of the particle filter 1 according to the invention not shown in greater detail, has at the second end 8 the heating element 15 formed from the first material and at the third end 9 the heating element 15 formed from the second material.
  • Another not shown embodiment of the particulate filter according to the invention has at second ends and third ends, which are located farther from the central longitudinal axis, heating elements made of a first material. At the second ends and third ends, which are closer to the central longitudinal axis, it has heating elements made of a second material or no heating elements.
  • a further heating element 15 may be arranged. This could be formed from a further, different from the first material and the second material material. Ie. in other words, it is made of another material having an oxygen storage ability different from the first material and the second material. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Filterkörper (2), wobei der Filterkörper (2) einen durchströmbaren Filtereintritt (3) und einen durchströmbaren Filteraustritt (4) aufweist, und wobei der Filterkörper (2) zumindest einen durchströmbaren ersten Kanal (5) mit einem dem Filtereintritt (3) zugewandt ausgebildeten ersten Ende (7) und einem dem Filteraustritt (4) zugewandt ausgebildeten zweiten Ende (8), und einen durchströmbaren zweiten Kanal (6) mit einem dem Filtereintritt (3) zugewandt ausgebildeten dritten Ende (9) und einem dem Filteraustritt (4) zugewandt ausgebildeten vierten Ende (10) aufweist, und wobei das zweite Ende (8) und das dritte Ende (9) undurchströmbar ausgebildet sind, wobei die Kanäle (5, 6) in einen durchströmbaren Kanalabschnitt (13) und einen undurchströmbaren Kanalabschnitt (14) gliederbar sind, und wobei ein Strömungsübertritt eines den Filterkörper (2) durchströmenden Abgases ausgehend vom ersten Kanal (5) in den zweiten Kanal (6) über eine zwischen dem ersten Kanal (5) und dem zweiten Kanal (6) ausgebildete gemeinsame Kanalwand (11) erfolgt, und wobei die Kanalwand (11) Rußpartikel des Abgases abscheidbar ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist zur Steigerung einer im Partikelfilter (1) vorliegenden Reaktionstemperatur zur Abbrennung der Rußpartikel der erste Kanal (5) und/oder der zweite Kanal (6) ein Heizelement (15) auf, wobei das Heizelement (15) im undurchströmbaren Kanalabschnitt (14) des Kanals (5; 6) angeordnet ist.

Description

Partikelfilter für eine Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Partikelfilter für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für selbstzündende
Verbrennungskraftmaschinen, sind bekannt. Der Partikelfilter zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass mehrere Kanäle nebeneinander, insbesondere parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Kanäle wechselseitig verschlossen sind. Das über einen Filtereintritt einströmende Abgas durchströmt den Partikelfilter in seiner
Erstreckungsrichtung dadurch, dass es von einem am Filtereintritt geöffneten Kanal in einen am Filteraustritt geöffneten Kanal über eine zwischen diesen beiden Kanälen angeordnete poröse Wand tritt. Feste Partikel des Abgases lagern sich in und/oder auf der Wand ab. Da diese Partikel einen freien Strömungsquerschnitt des Partikelfilters reduzieren und weil das Potential für übermäßige Temperaturanstiege im Partikelfilter in Folge exothermen Rußabbrandes mit zunehmender Beladung ansteigt, sind diese Partikel aus dem Partikelfilter durch eine so genannte Regeneration, mit anderen Worten durch eine Konvertierung der Rußpartikel zu entfernen. Der Patentschrift EP 2 161 420 Bl ist ein Partikelfilter für eine
Verbrennungskraftmaschine entnehmbar, welcher in Bereichen der Kanäle, in denen sich überwiegend feste Partikel anlagern, unbeschichtet ist. Somit sind in den Kanälen jeweils ein beschichteter Abschnitt und ein unbeschichteter Abschnitt ausgebildet, wobei der unbeschichtete Abschnitt eines Kanals dem beschichteten Abschnitt eines weiteren Kanals benachbart ausgebildet ist.
Aus der Offenlegungsschrift EP 1 250 952 AI geht ein Partikelfilter für eine als
Dieselmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine hervor, welcher zur Rußoxidation eine Beschichtung aufweist, deren Reaktionstemperatur unterhalb von 500°C liegt. Dies wird mit Hilfe bevorzugter Materialien des Partikelfilters, in Form von Erdalkalimetallverbindungen, einer Sauerstoff speichernden Substanz und Platin, Paladium oder Rhodium erreicht.
Die Patentschrift US 7,691 ,339 B2 offenbart einen Partikelfilter für eine
Verbrennungskraftmaschine, welcher zur Reduzierung der sich im Partikelfilter anlagernden Rußpartikel Mikrowellenenergie nutzt. Dabei ist ein Mikrowellengenerator vorgesehen, welcher im Rußfilter aufgenommenes Mikrowellen-absorbierendes Material aufwärmt. Der Offenlegungsschrift DE 10 2006 032 886 AI ist ein Partikelfilter entnehmbar, der eine Funktionsmaterial-Beschichtung aufweist. Die zu durchströmenden Kanäle des Partikelfilters sind an ihren Wandoberflächen mit dem Funktionsmaterial beschichtet, wobei das Funktionsmaterial in einer exothermen Reaktion ausgehend von einer ersten Modifikation in eine zweite Modifikation übergeht und zu einer Erhöhung einer im Partikelfilter vorliegenden Temperatur führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Partikelfilter für eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Partikelfilter für eine
Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Ein erfindungsgemäßer Partikelfilter für eine Verbrennungskraftmaschine weist einen Filterkörper auf, wobei der Filterkörper einen durchströmbaren Filtereintritt und einen durchströmbaren Filteraustritt besitzt. Der Filterkörper umfasst zumindest einen durchströmbaren ersten Kanal, mit einem dem Filtereintritt zugewandt ausgebildeten ersten Ende und einem dem Filteraustritt zugewandt ausgebildeten zweiten Ende, und einen durchströmbaren zweiten Kanal, mit einem dem Filtereintritt zugewandt ausgebildeten dritten Ende und einem dem Filteraustritt zugewandt ausgebildeten vierten Ende. Das zweite Ende und das dritte Ende sind undurchströmbar oder in gewisser Weise schwer durchströmbar ausgebildet, wodurch die Kanäle in einen durchströmbaren Kanalabschnitt und einen undurchströmbaren oder in gewisser Weise schwer
durchströmbaren Kanalabschnitt gliederbar sind.
Hierdurch sind erste Kanäle mit versperrtem oder behindertem Strömungseintritt am Filtereintritt und zweite Kanäle mit versperrtem oder behindertem Strömungsaustritt am Filteraustritt ausgebildet. Ein Strömungsübertritt von den Partikelfilter durchströmendem Abgas, ausgehend vom ersten Kanal in den zweiten Kanal, erfolgt über eine zwischen dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal ausgebildete gemeinsame Kanalwand. Die Kanalwand ist Rußpartikel des Abgases abscheidbar ausgebildet.
Nachfolgend ist unter einem undurchströmbaren Kanalabschnitt nicht notwendiger Weise ein vollständig abgedichteter und gegen jegliche Durchströmbarkeit verschlossener Kanalabschnitt zu verstehen, sondern es ist darunter auch ein in gewisser Weise schwer durchströmbarer Kanalabschnitt zu verstehen - z. B. ein so genannter diffusionsoffener Kanalabschnitt, wobei insbesondere Sauerstoffmoleküle diesen schwer durchströmbaren Kanalabschnitt durchdringen können.
Zur Steigerung einer im Partikelfilter vorliegenden Reaktionstemperatur zur Abbrennung der Rußpartikel weist der erste Kanal und/oder der zweite Kanal ein Heizelement auf, wobei das Heizelement im undurchströmbaren Kanalabschnitt des Kanals angeordnet ist. Die Anordnung des Heizelements im undurchströmbaren Kanalabschnitt weist mehrere Vorteile auf. So wird bspw. eine Durchströmung des Partikelfilters aufgrund des
Heizelementes, welches einen Strömungswiderstand aufweist, nicht beeinträchtigt. Ein weiterer Vorteil ist in einer Nutzung der, hinsichtlich der Durchströmung, ungenutzten Bereiche des Partikelfilters zu sehen: eine Steigerung der Reaktionstemperatur zur Abbrennung der Rußpartikel kann erreicht werden unter Beibehaltung der ursprünglichen Größe des Partikelfilters. Das heißt mit anderen Worten, dass ein vorgesehener Bauraum des Partikelfilters erhalten bleibt und bzgl. des Bauraumes keine konstruktiven
Änderungsmaßnahmen vorzunehmen sind. Sofern bspw. die Kanäle des Partikelfilters beschichtet sind, kann dies zur Folgen haben, dass im Vergleich zu unbeschichteten Kanälen, ein Kanalquerschnitt des Kanals aufgrund der Beschichtung verkleinert wird. Damit jedoch dem unbeschichteten Partikelfilter entsprechende Durchströmbedingungen des die Beschichtung aufweisenden Partikelfilters erreicht werden können, ist der Kanalquerschnitt des Partikelfilters zu vergrößern, wodurch sich der benötigte Bauraum des die Beschichtung aufweisenden Partikelfilters ebenfalls vergrößert.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Partikelfilters ist das Heizelement aus einem Funktionsmaterial ausgebildet, welches bei einer Sauerstoffeinspeicherung exotherm reagiert. Das bedeutet mit anderen Worten, dass das Heizelement quasi selbstzündend ausgebildet ist. Der Vorteil ist darin zu sehen, dass es lediglich des Heizelementes selbst bedarf, ohne bspw. wie aus dem Stand der Technik bekannt, ein Hilfsmittel in Form einer Zündvorrichtung, wie bspw. dem Mikrowellengenerator, vorzusehen. Es ist lediglich der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine so anzupassen, dass aufgrund einer entsprechenden Temperatur des Abgases und/oder einer entsprechenden Zusammensetzung des Abgases die exotherme Reaktion des
Funktionsmaterials initiiert wird.
Bevorzugt ist das Heizelement mit Hilfe einer Änderung eines
Verbrennungsluftverhältnisses des Abgases zur Wärmeabgabe anregbar. Dazu kann durch Hinzufügen oder durch Reduzierung von Kraftstoff oder Luft das
Verbrennungsluftverhältnis des Abgases verändert werden. Insbesondere ist eine so genannte unterstöchiometrische Zusammensetzung, die einem
Verbrennungsluftverhältnis mit einem Wert kleiner als 1 entspricht oder eine
überstöchiometrische Zusammensetzung, die einem Verbrennungsluftverhältnisses mit einem Wert größer als 1 entspricht, durch einen so genannten fetten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine oder einen mageren Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erzielbar.
Bevorzugt ist das Heizelement mit Hilfe einer Änderung des
Verbrennungsluftverhältnisses des Abgases von einem Verbrennungsluftverhältnis mit einem Wert kleiner als 1 , zu einem Verbrennungsluftverhältnis mit einem Wert größer als 1 zur Wärmeabgabe anregbar. Diese Änderung des Verbrennungsluftverhältnisses lässt sich bspw. ausgehend von einem Lastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei einem auch nur gering unterstöchiometrischen Betrieb, bspw. bei einem Wert des
Verbrennungsluftverhältnisses von ca. 0,98 und einem sich daran anschließenden Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere mit einer Schubabschaltung erreichen.
Ein derartiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine kann bspw. bereits durch eine Bergabfahrt oder eine Verzögerung eines Kraftfahrzeugs mit der
Verbrennungskraftmaschine erlangt werden. Dadurch ist bereits bei einem kurzzeitigen, z. B. aufgrund der Bergabfahrt oder einer Verzögerung realisierbaren Schubbetrieb, insbesondere mit einer Schubabschaltung, eine Temperatursteigerung aufgrund der Wärmeabgabe des Heizelementes im Partikelfilter herbeiführbar. Mit anderen Worten kann das Heizelement auf einen kurzzeitigen Magerbetrieb der
Verbrennungskraftmaschine, bspw. durch Schubabschaltung, mit einem heftigen
Temperaturanstieg reagieren. Der Vorteil ist, dass eine Motorsteuerung zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine nicht oder nur gering angepasst werden muss. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Partikelfilters weist das
Heizelement einen Elementquerschnitt auf, welcher einem Querschnitt des Kanals entspricht. Damit kann das Heizelement, neben seiner Temperatur erhöhenden Funktion, zur einseitigen Abdichtung des Kanals genutzt werden. Bevorzugt ist das Heizelement zumindest auf Basis von Ceroxid und/oder Cer-Zirkon- Mischoxiden ausgebildet. Diese Oxide weisen, bei entsprechender Beschaffenheit und Konzentration, eine ausgeprägte Sauerstoffspeicherfähigkeit auf, die eine hohe
Temperatursteigerung aufgrund der exothermen Reaktion realisieren lässt.
Sofern das Heizelement Edelmetalle wie bspw. Palladium und/oder Rhodium aufweist, ist auch durch diese, zumindest in einem bestimmten Temperaturbereich, eine direkte Sauerstoffspeicherfähigkeit gegeben. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Partikelfilters ist das Heizelement des ersten Kanals aus einem ersten Material ausgebildet und das Heizelement des zweiten Kanals aus einem, sich vom ersten Material unterscheidenden, zweiten Material ausgebildet. Der Vorteil ist die Ausbildung unterschiedlich hoher Temperatursteigerungen im Partikelfilter.
Die Partikelfilter des Standes der Technik weisen prinzipiell eine vergleichsweise niedrige Reaktionsgeschwindigkeit des Abbrennens der Rußpartikel auf. Dies kann zur Folge haben, dass, bspw. aufgrund einer in allen Filterbereichen nahezu gleichzeitig
einsetzenden Abbrennung einer an allen Stellen des Partikelfilters gleichen Rußbeladung, in Bereichen des Partikelfilters, welche ausgehend von einem Filtereintritt in Richtung eines Filteraustritts des Partikelfilters liegen, sehr hohe Temperatur vorliegen können, die unter Umständen zu einer Schädigung des Partikelfilters und/oder einer ggf.
vorhandenen Beschichtung führen können. Am höchsten kann in so einem Fall die Temperatur in der Nähe des Filteraustritts des Partikelfilters sein. Es ist anzunehmen, dass auch bei z. B. 800 °C der Abbrand relativ langsam ist und sich so die im Bereich des Filtereintritts freigewordene Wärme des Abbrandes sich in den stromabwärts befindenden Bereichen, somit ebenfalls im Bereich vor Filteraustritts, mit der dort frei werdenden Wärme akkumuliert. Somit ist mit dieser Ausgestaltung der Vorteil gegeben, im Bereich des Filtereintritts einen Temperaturanstieg herbeizuführen, der sich von dem Temperaturanstieg im
Bereich des Filteraustritts unterscheidet. Vorteilhaft ist es, das Heizelement im Bereich des Filtereintritts aus einem ersten Material auszubilden, welches nur bei im Partikelfilter vorliegenden tiefen und mittleren Temperaturen, bis bspw. ca. 800°C, Wärme
freigesetzt, zum Beispiel Palladium, und im Bereich des Filteraustritts das Heizelement aus einem zweiten Material auszubilden, welches auch für noch höhere im Partikelfilter vorliegenden Temperaturen Wärme freisetzt, zum Beispiel mit hohem Anteil an
Standardspeichermaterialien heutiger 3-Wege- Katalysatoren.
So wären bspw. insbesondere hoch beladene Partikelfilter, d.h. Partikelfilter, welche eine große Menge an Rußpartikeln aufweisen, diese ausgehend vom Filteraustritt zu erhitzen. Würde der Abbrand bzw. die Regeneration am Filteraustritt initiiert werden, würde die dort freigesetzte Wärme wirklich freigesetzt und nicht in den vorgelagerten Bereichen als „thermische Bürde" auferlegt. Unter gewissen Randbedingungen, insbesondere sofern Strömungsgeschwindigkeiten nicht zu hoch sind, würde dann die so genannte
Rußabbrandfront entgegen der Strömungsgeschwindigkeit in Richtung des Filtereintritts und in die dort ausgebildeten Bereiche des Partikelfilters hinein laufen. Daher kann es von Vorteil sein, wenn das erste Material zur Reaktion in einem mittleren Temperaturbereich ausgebildet ist, und das zweite Material zur Reaktion über einem weiteren
Temperaturbereich ausgebildet ist.
Eine weitere Steigerung einer effizienten Regenerierung kann mit Hilfe eines weiteren Heizelementes herbeigeführt werden, wenn dieses im durchströmbaren Kanalabschnitt angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der undurchströmbare Kanalabschnitt einen Stopfen auf, wobei das Heizelement den Stopfen vollständig oder teilweise ersetzend ausgebildet ist. Partikelfiltern gemäß dem Stand der Technik besitzen Stopfen, die lediglich dem Zweck dienen den Kanal dichtend abzuschließen. Sie sind massiv ausgebildet und weisen eine relativ große Länge auf. Bspw. sind für im Ottomotoren- Bereich eingesetzte bzw. vorgesehene Partikelfilter Längen der Stopfen von ca. 7 mm üblich. Ein Massenanteil der Stopfen liegt in den verstopften Filtereintritts- bzw.
Filteraustrittsbereichen bei ca. 60 - 70 %. Daher führt ein vollständiger oder teilweiser Ersatz dieser Stopfen durch ein Heizelement, hergestellt aus einem Material mit einem hohen Anteil einer Speicherkomponente mit hoher Oxidationswärme, zu einem heftigen Temperaturanstieg bei einer Betriebsumstellung der Verbrennungskraftmaschine von dem fetten Betrieb auf den mageren Betrieb, beispielsweise in Verbindung mit einer Schubabschaltung. Ein besonders effizienter Partikelfilter ist somit realisiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Es zeigen:
Fig. 1 in einem -Diagramm einen Verlauf des Verbrennungsluftverhältnisses λ von Abgas und in einem korrespondierenden t-T-Diagramm Temperaturen in einem
Partikelfilter gemäß dem Stand der Technik und in einem erfindungsgemäßen Partikelfilter Temperaturverläufe an unterschiedlichen Positionen des Partikelfilters, ermittelt mit Hilfe einer Simulationsrechnung,
Fig. 2 in einem x-T-Diagramm Temperaturverläufe zu verschiedenen Zeitpunkten im Partikelfilter gemäß dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Partikelfilter, Fig. 3 in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Partikelfilter, und Fig. 4 ein Ellingham-Diagramm der Elemente Palladium und Rhodium und deren Oxide.
Eine schlagartige Temperaturerhöhung in einem erfindungsgemäßen Partikelfilter 1 ist mit einer exothermen Reaktion eines Materials, das einen hohen Sauerstoffspeicheranteil aufweist, bei einer Betriebsumstellung einer nicht näher dargestellten
Verbrennungskraftmaschine von einem Last- auf einen Schubbetrieb herbeiführbar. Dabei wird eine der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Luft-Kraftstoffmischung in ihren Anteilen verändert. Bevorzugt ist ausgehend von einem so genannten fetten Betrieb, welcher ein Verbrennungsluftverhältnis λ der Luft-Kraftstoffmischung mit einem Wert kleiner 1 aufweist, in einen mageren Betrieb, welcher ein Verbrennungsluftverhältnis λ der Luft-Kraftstoffmischung mit einem Wert größer 1 aufweist, zu wechseln. Dadurch weist Abgas der Verbrennungsmaschine, welche den Partikelfilter 1 durchströmt, einen erhöhten Sauerstoffanteil auf, welcher die exotherme Reaktion auslöst. Eine gleichzeitige Schubabschaltung erhöht den Sauerstoffanteil wesentlich, wodurch ebenfalls eine deutliche Steigerung der Temperatur im Partikelfilter 1 erzielbar ist.
Fig. 1 zeigt im unteren Abschnitt in einem t- -Diagramm einen Verlauf LI eines
Verbrennungsluftverhältnis λ über der Zeit t vor einem bekannten Partikelfilter. Ein sprunghafter Wechsel des Verbrennungsluftverhältnisses λ von einem Wert von hier ca. 0,95 auf einen Wert von deutlich über 1 kennzeichnet einen Zeitpunkt der
Betriebsumstellung der Verbrennungskraftmaschine von Last- auf Schubbetrieb mit Kraftstoffabschaltung. Im oberen und mittleren Abschnitt der Fig. 1 sind in Abhängigkeit der Betriebsumstellung berechnete Temperaturverläufe Tl , T2, und T3 für verschiedene Positionen entlang einer Strömungsachse der Partikelfilter dargestellt. Im oberen Abschnitt sind die
Temperaturverläufe eines Partikelfilters 1 gemäß dem Stand der Technik und im mittleren Abschnitt der Fig. 1 sind Temperaturverläufe eines erfindungsgemäßen Partikelfilters 1 dargestellt. Der Temperaturverlauf TO entspricht einer so genannten Zulauftemperatur, also der Gastemperatur vor OPF.
Der erfindungsgemäße Partikelfilter 1 , welcher schematisch gemäß Fig. 3 ausgebildet ist, besitzt durchströmbare Kanalabschnitte 13 und undurchströmbare Kanalabschnitte 14. Die Temperaturverläufe Tl und T3 zeigen ein thermisches Verhalten des Partikelfilters 1 in einer Ebene nahe eines Filtereintritts 3 bzw. nahe eines Filteraustritts 4 des
Partikelfilters 1 , also in Ebenen, die auch undurchströmbare Kanalabschnitte 14 durchschneiden. Der Temperaturverlauf T2 zeigt das thermische Verhalten des
Partikelfilters 1 nahe einer Mittelebene des Partikelfilters 1 , welche mittig zwischen den Ebenen des Filtereintritts 3 und des Filteraustritts 4 ausgebildet ist.
Die Temperaturen Tl , T2, T3 im Partikelfilter 1 gemäß dem Stand der Technik folgen zeitverzögert, aufgrund der Wärmekapazität des Partikelfilters 1 selbst, der abkühlenden Zulauftemperatur TO. Die Temperaturen Tl , T2, T3 im erfindungsgemäßen Partikelfilter 1 zeigen andere Verläufe. Die Temperaturen Tl , T3 der Ebenen mit undurchströmbaren Kanalabschnitten 14 steigen unmittelbar auf den Wechsel vom (leicht) fetten zum mageren Gemisch nur unmerklich verzögert heftig an, in diesem Beispiel um ca. 75°C. Sobald eine exotherme Befüllung eines Sauerstoffspeichers in den undurchströmbaren Kanalabschnitten 14 abgeschlossen ist, folgen auch diese Temperaturen Tl , T3 zeitlich verzögert der stets kälter werdenden Zulauftemperatur TO.
Die Berechnungen erfolgten ohne Berücksichtigung eines Rußabbrandes. Nicht näher dargestellte Messungen zeigen, dass bei ca. 700°C des Partikelfilters 1 der Rußabbrand nur schleppend verläuft. Bei ca. 850°C ist eine Regeneration von eingelagertem Ruß deutlich erkennbar. Für den hier dargestellten Lastfall hat der Partikelfilter 1 ohne Ruß kaum regeneriert. Der erfindungsgemäße Partikelfilter 1 , aufweisend die
undurchströmbaren Kanalabschnitte 14, zündet den Rußabbrand jedoch so, dass dieser dann sich selbst beschleunigend bzw. erhaltend bis zur weitgehenden Regeneration abläuft. Fig. 2 zeigt in einem x-T-Diagramm Temperaturverläufe zu verschiedenen Zeitpunkten tO, tl , t2, t3, t4 vor und nach einem Wechsel von einem (leicht) fetten Lastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine in den Schubbetrieb mit Kraftstoffabschaltung in Richtung der Strömungsachse des Partikelfilters 1. Im oberen Abschnitt von Fig. 2 sind die Temperaturverläufe tO, tl , t2, t3, t4 im Partikelfilter 1 gemäß dem Stand der Technik und im unteren Abschnitt von Fig. 2 die Temperaturverläufe tO, tl , t2, t3, t4 im
erfindungsgemäßen Partikelfilter 1 dargestellt. Der Temperaturverlauf tO entspricht einem Verlauf vor der Betriebsumstellung. Die Temperaturverläufe tl , t2, t3, t4 sind Temperaturverläufe nach Betriebsumstellung, wobei der Temperaturverlauf tl 20,2 sec, der Temperaturverlauf t2 21 ,2 sec, der Temperaturverlauf t3 22,2 sec und der Temperaturverlauf t4 23,2 sec. einem
Temperaturverlauf über die Strömungsachse nach Betriebsumstellung entspricht.
Der erfindungsgemäße Partikelfilter 1 für die nicht näher dargestellte
Verbrennungskraftmaschine ist in einer schematischen Darstellung gemäß Fig. 3 ausgebildet. Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, welche in Form eines direkteinspritzenden Ottomotors ausgeführt ist, entsteht aufgrund einer Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches Rußpartikel enthaltendes Abgas.
Der Partikelfilter 1 weist einen Filterkörper 2 mit einem durchströmbaren Filtereintritt 3 und einem durchströmbaren Filteraustritt 4 auf. Im Filterkörper 2 ist eine Vielzahl von durchströmbaren Kanälen 5, 6 ausgebildet. Die Kanäle 5, 6 sind sich entlang einer Längsachse L erstreckend, nebeneinander liegend ausgebildet, wobei eine
Durchströmung entlang der Längsachse L erfolgt.
Die Kanäle 5, 6 weisen abwechselnd ein am Filtereintritt 3 bzw. ein am Filteraustritt 4 verschlossenes Ende auf. Im Weiteren wird mittels eines ersten Kanals 5 und eines zweiten Kanals 6 die Vielzahl der Kanäle und die Funktionsweise des Partikelfilters 1 beschrieben.
Der erste Kanal 5 besitzt ein dem Filtereintritt 3 zugewandt ausgebildetes erstes Ende 7 und ein dem Filteraustritt 4 zugewandt ausgebildetes zweites Ende 8. Der zweite Kanal 6 weist ein dem Filtereintritt 3 zugewandt ausgebildetes drittes Ende 9 und ein dem
Filteraustritt 4 zugewandt ausgebildetes viertes Ende 10 auf. Das zweite Ende 8 und das dritte Ende 9 sind undurchströmbar ausgebildet. Ein Strömungsübertritt des Abgases vom ersten Kanal 5 in den zweiten Kanal 6 erfolgt über eine zwischen dem ersten Kanal 5 und dem zweiten Kanal 6 ausgebildete gemeinsame Kanalwand 11.
Die Kanalwand 11 ist strömungsdurchlässig porös ausgebildet, wobei sich die
Rußpartikel des die Kanalwand 11 durchströmenden Abgases an der Kanalwand 11 an- bzw. - ablagern. Das Abgas durchströmt den Partikelfilter 1 in Richtung der
eingezeichneten Pfeile.
Die Kanäle 5, 6 sind an ihren undurchströmbaren Enden 8, 9 mit Hilfe eines Stopfens 12 verschlossen. Das heißt mit anderen Worten, dass die Kanäle 5, 6 jeweils einen frei durchströmbaren Kanalabschnitt 13 und einen undurchströmbaren Kanalabschnitt 14 aufweisen.
Der Stopfen 12 weist einen Elementquerschnitt QE auf, welcher einem Querschnitt Q des Kanals 5; 6 entspricht. Da in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Kanäle 5, 6 einen identischen Querschnitt aufweisen, entspricht der Elementquerschnitt QE ebenfalls einem Querschnitt Q des zweiten Kanals 6. In einem nicht näher dargestellten
Ausführungsbeispiel weisen die Kanäle 5, 6 unterschiedliche Querschnitte Q auf. Das bedeutet, dass der Stopfen 12 einen dem Querschnitt Q des entsprechenden Kanals 5, 6 angepasst ausgebildeten Elementquerschnitt QE besitzt. Der Elementquerschnitt QE des Stopfens 12 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Länge L des Stopfens 12 konstant. Ebenso könnte sich der Elementquerschnitt QE über seine Länge L verändern. So weist zum Beispiel in einem nicht näher
dargestellten Ausführungsbeispiel der Stopfen 12 eine kegelstumpfförmige Form mit 5 einem sich über die Länge LE verändernden Elementquerschnitt QE auf, sofern der Kanal 5;6 eine konische Form besitzt.
Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine sammeln sich die Rußpartikel im Partikelfilter 1 , wobei ein effektiver Strömungsquerschnitt des Partikelfilters 1 über die Zeit reduziert
10 wird. Die Reduzierung des effektiven Strömungsquerschnitts führt zu einer Erhöhung eines Abgasgegendruckes der Verbrennungskraftmaschine, der zu einer Steigerung von Ladungswechselverlusten führen kann. Dies wiederum hätte bei konstanter Leistung eine Erhöhung eines Kraftstoffverbrauches der Verbrennungskraftmaschine oder bei gleichem Kraftstoffverbrauch eine Reduzierung der Leistung der Verbrennungskraftmaschine zur
15 Folge. Somit wird in Abhängigkeit einer so genannten Beladung des Partikelfilters 1 eine Regeneration des Partikelfilters 1 durchgeführt.
Zur Regeneration des Partikelfilters 1 weist dieser zumindest ein Heizelement 15 auf, welches in dem undurchströmbaren Kanalabschnitt 14 angeordnet ist. Das Heizelement 20 15 besteht aus einem Funktionsmaterial, welches bei einem Luftüberschuss exotherm reagiert, mit anderen Worten Wärme abgibt und somit zu einer Temperaturerhöhung im Partikelfilter 1 führt.
Das Heizelement 15 ist in Form des Stopfens 12 ausgebildet und ersetzt diesen. Ebenso 25 könnte das Heizelement 15 auch als Teil des Stopfens 12 ausgebildet sein. Es ist aus einem Material ausgebildet, welches bei einer Sauerstoffeinspeicherung eine exotherme Reaktion auslösend ausgebildet ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das
Heizelement 15 aufgrund seines Molekülaufbaus selbständig Wärme freisetzt, sofern eine Sauerstoffeinspeicherung ausgebildet ist. Das bedeutet, es erfolgt eine
30 Reaktionswärmefreisetzung. Das Material ist ein Feststoff, welcher in wenigstens zwei Modifikationen vorliegen kann. Im fetten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine liegt er zumindest teilweise in einer reduzierten Modifikation, der ersten Modifikation vor und geht in einem mageren Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in eine oxidierte Modifikation, der zweiten Modifikation über. Dieser Feststoff, auch Funktionsmaterial genannt, ist bevorzugt ein Mischoxid aus Cer- und Zirkonoxiden mit ggf. weiteren Stoffen, wie bspw. Metalle und/oder Erdmetalle, Lanthan, Präsodymium, Ytterium, sowie Aluminiumoxid. Auch eignen sich die„unedleren" Edelmetalle Palladium und Rhodium, welche auch direkt eine Sauerstoffspeicherfähigkeit besitzen. Bei höheren Temperaturen, zum Beispiel ca. 900 °C, oxidieren sie nicht, speichern somit auch nicht, und behalten ihren edlen metallischen Zustand bei. Dabei ist es irrelevant, ob es sich um ein Abgas mit einer fetten Zusammensetzung entsprechend dem fetten Betrieb oder um ein Abgas mit einer mageren Zusammensetzung entsprechend dem mageren Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine handelt. Rhodium würde gem. Fig. 4 Rhodiumoxid bis zu ca. 880°C bilden können und sich somit bis zu dieser Temperatur unedel verhalten können.
Gemäß seiner Zusammensetzung kann das Funktionsmaterial zur exothermen Reaktion in unterschiedlichen Temperaturbereichen ausgebildet sein. Bspw. weist ein erstes Material eine Zusammensetzung auf, mit einer Reduktions-/ Oxidationsfähigkeit in einem Tief- und Mitteltemperaturbereich bis ca. 700°C, bspw. Palladium. Ein zweites Material weist eine Zusammensetzung auf mit einer exothermen Reaktion zusätzlichen in einem hohen Temperaturbereich, wie bspw. TWC (Three-way-catalyst)-Standard-Speichermaterialien. Das heißt mit anderen Worten, dass das erste Material zur Reaktion bei im Partikelfilter 1 vorliegenden tiefen und mittleren Temperaturen ausgebildet ist, und dass das zweite Material zur Reaktion über sämtliche im Partikelfilter 1 vorliegenden Temperaturen ausgebildet ist. Selbstredend können sämtliche Stopfen 12 durch je ein Heizelement 15 ersetzt sein, wodurch die Regeneration verbessert wird.
Ebenso ist auch ein Partikelfilter 1 mit mehreren Heizelementen 15, die aus einem einzigen Material und/oder einem Materialmix ausgebildet sind zielführend. Die
Positionierung des bzw. der Heizelemente 15, eintrittseitig oder austrittseitig, kann auch in Abhängigkeit einer Einbausituation des Partikelfilters 1 , motornah oder motorfern, gewählt werden. In einem nicht näher dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Stopfen 12 des Partikelfilters 1 durch jeweils ein Heizelement 15 ersetzt. Ein weiteres, nicht näher dargestelltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Partikelfilters 1 weist am zweiten Ende 8 das Heizelement 15 ausgebildet aus dem ersten Material und am dritten Ende 9 das Heizelement 15 ausgebildet aus dem zweiten Material auf.
Ein weiteres nicht näher dargestelltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Partikelfilters weist an zweiten Enden und dritten Enden, die entfernter von der zentralen Längsachse liegen, Heizelemente aus einem ersten Material auf. An den zweiten Enden und dritten Enden, die näher zur zentralen Längsachse liegen, weist es Heizelemente aus einem zweiten Material oder gar keine Heizelemente auf.
Auch könnte im durchströmbaren Kanalabschnitt 13 ein weiteres Heizelement 15 angeordnet sein. Dieses könnte aus einem weiteren, sich vom ersten Material und vom zweiten Material unterscheidenden Material ausgebildet sein. D. h. mit anderen Worten, es besteht aus einem weiteren Material mit einer sich vom ersten Material und vom zweiten Material unterscheidenden Sauerstoffspeicherfähigkeit. Bezugszeichenliste
1 Partikelfilter
2 Filterkörper
3 Filtereintritt
4 Filteraustritt
5 Erster Kanal
6 Zweiter Kanal
7 Erstes Ende
8 Zweites Ende
9 Drittes Ende
10 Viertes Ende
11 Kanalwand
12 Stopfen
13 Durchströmbarer Kanalabschnitt
14 Undurchströmbarer Kanalabschnitt
15 Heizelement
L Längsachse
LE Länge
LI Verlauf
Q Kanalquerschnitt
QE Elementquerschnitt
T Temperatur
TO Zulauftemperatur
Tl erster Temperaturverlauf
T2 zweiter Temperaturverlauf
T3 dritter Temperaturverlauf
t Zeit
tO Temperaturverlauf vor Betriebsumstellung tl Temperaturverlauf nach Betriebsumstellung t2 Temperaturverlauf nach Betriebsumstellung t3 Temperaturverlauf nach Betriebsumstellung t4 Temperaturverlauf nach Betriebsumstellung λ Verbrennungsluftverhältnis

Claims

Patentansprüche
1. Partikelfilter für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Filterkörper (2), wobei der Filterkörper (2) einen durchströmbaren Filtereintritt (3) und einen
durchströmbaren Filteraustritt (4) aufweist, und wobei der Filterkörper (2) zumindest einen durchströmbaren ersten Kanal (5) mit einem dem Filtereintritt (3) zugewandt ausgebildeten ersten Ende (7) und einem dem Filteraustritt (4) zugewandt ausgebildeten zweiten Ende (8), und einen durchströmbaren zweiten Kanal (6) mit einem dem Filtereintritt (3) zugewandt ausgebildeten dritten Ende (9) und einem dem Filteraustritt (4) zugewandt ausgebildeten vierten Ende (10) aufweist, und wobei das zweite Ende (8) und das dritte Ende (9) undurchströmbar ausgebildet sind, wobei die Kanäle (5, 6) in einen durchströmbaren Kanalabschnitt (13) und einen undurchströmbaren Kanalabschnitt (14) gliederbar sind, und wobei ein Strömungsübertritt eines den Filterkörper (2) durchströmenden Abgases ausgehend vom ersten Kanal (5) in den zweiten Kanal (6) über eine zwischen dem ersten Kanal (5) und dem zweiten Kanal (6) ausgebildete gemeinsame Kanalwand (11) erfolgt, und wobei die Kanalwand (11) Rußpartikel des Abgases abscheidbar ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Steigerung einer im Partikelfilter (1) vorliegenden Reaktionstemperatur zur Abbrennung der Rußpartikel der erste Kanal (5) und/oder der zweite Kanal (6) ein Heizelement (15) aufweist, wobei das Heizelement (15) im undurchströmbaren Kanalabschnitt (14) des Kanals (5; 6) angeordnet und aus einem Funktionsmaterial ausgebildet ist, welches bei einer Sauerstoffeinspeicherung exotherm reagiert.
2. Partikelfilter nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (15) mit Hilfe einer Änderung eines Verbrennungsluftverhältnisses (λ) des Abgases zur Wärmeabgabe anregbar ist.
3. Partikelfilter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (15) mit Hilfe einer Änderung eines Verbrennungsluftverhältnisses (λ) des Abgases von einem Verbrennungsluftverhältnis (λ) mit einem Wert kleiner als 1 zu einem Wert größer als 1 zur Wärmeabgabe anregbar ist.
4. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (15) einen Elementquerschnitt (QE) aufweist, welcher einem Querschnitt (Q) des Kanals (5, 6) entspricht.
5. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (15) zumindest aus Cer- und Zirkonoxiden und/oder deren Mischoxide ausgebildet ist.
6. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (15) Palladium und/oder Rhodium aufweist.
7. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (15) des ersten Kanals (5) aus einem ersten Material ausgebildet ist und das Heizelement (15) des zweiten Kanals (6) aus einem sich vom ersten Material unterscheidenden zweiten Material ausgebildet ist.
8. Partikelfilter nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Material zur Reaktion bei im Partikelfilter (1) vorliegenden tiefen und mittleren Temperaturen ausgebildet ist, und das zweite Material zur Reaktion über sämtliche im Partikelfilter (1) vorliegenden Temperaturen ausgebildet ist.
9. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein weiteres Heizelement (15) im durchströmbaren Kanalabschnitt angeordnet ist.
10. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der undurchströmbare Kanalabschnitt einen Stopfen (12) aufweist, wobei das Heizelement (15) den Stopfen (12) vollständig oder teilweise ersetzend ausgebildet ist.
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