EP3472441B1

EP3472441B1 - Partikelfilter für eine verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: EP3472441B1
Application number: EP17729016.0A
Authority: EP
Inventors: Clemens Brinkmeier
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2020-12-30
Anticipated expiration: 2037-06-07
Also published as: JP6720351B2; JP2019523842A; DE102016110527A1; EP3472441A1; CN109312648A; CN109312648B; KR102139222B1; WO2017211468A1; KR20190015480A; US20190153920A1

Description

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 B1 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 A1 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 A1 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 Offenlegungsschrift DE 101 35 341 A1 offenbart einen Partikelfilter der mit einem Edelmetallkatalysator und mit einem Sauerstoff okkludierenden und abgebenden Mittel beschichtet ist. Durch den Wechsel des Sauerstoffgehalts im den Partikelfilter durchströmenden Abgas kann die Temperatur des Partikelfilters beeinflusst werden.
Der Offenlegungsschrift EP 1 857 947 A1 kann ein Verfahren zur Temperaturerhöhung von Abgasreinigungssystemen, insbesondere einem Partikelfilter und einer Stickoxidfalle, entnommen werden. Der Partikelfilter ist mit einer sauerstoffspeichernden Schicht versehen, eine Variation des Sauerstoffgehalts des den Filter durchströmenden Abgases führt zu einer exothermen Reaktion und damit zu einer Temperaturerhöhung des Filters.
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. Das Heizelement ist in einem Querschnitt des ersten Kanals und/oder des zweiten Kanals angeordnet, welcher orthogonal zu einer Längsachse ist entlang derer die Kanäle sich erstreckend ausgebildet sind und wobei das Heizelement unmittelbar vom Abgas beaufschlagt ist.
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.
Der undurchströmbare Kanalabschnitt weist 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 t-λ-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-λ-Diagramm einen Verlauf L1 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 T0 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 T1 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 T0. 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 T0.
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 t0, t1, 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 t0, t1, t2, t3, t4 im Partikelfilter 1 gemäß dem Stand der Technik und im unteren Abschnitt von Fig. 2 die Temperaturverläufe t0, t1, t2, t3, t4 im erfindungsgemäßen Partikelfilter 1 dargestellt.
Der Temperaturverlauf t0 entspricht einem Verlauf vor der Betriebsumstellung. Die Temperaturverläufe t1, t2, t3, t4 sind Temperaturverläufe nach Betriebsumstellung, wobei der Temperaturverlauf t1 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 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 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 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 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 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 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
L1: Verlauf
Q: Kanalquerschnitt
QE: Elementquerschnitt
T: Temperatur
T0: Zulauftemperatur
T1: erster Temperaturverlauf
T2: zweiter Temperaturverlauf
T3: dritter Temperaturverlauf
t: Zeit
t0: Temperaturverlauf vor Betriebsumstellung
t1: Temperaturverlauf nach Betriebsumstellung
t2: Temperaturverlauf nach Betriebsumstellung
t3: Temperaturverlauf nach Betriebsumstellung
t4: Temperaturverlauf nach Betriebsumstellung
λ: Verbrennungsluftverhältnis

Claims

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 durchströmbare n zweiten Kanal (6) mit einem dem Filtereintritt (3) zugewandt ausgebildeten dritten Ende (9) und einem dem Filteraustritt (4) zugewandt ausgebildeten vierten Ende (10) aufweist, 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, und wobei 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,
wobei das Heizelement (15) in einem Querschnitt (Q) des ersten Kanals (5) und/oder des zweiten Kanals (6) angeordnet ist, welcher orthogonal zu einer Längsachse (L), entlang derer die Kanäle (5, 6) sich erstreckend ausgebildet sind, und wobei das Heizelement (15) unmittelbar vom Abgas beaufschlagt ist, und wobei der undurchströmbare Kanalabschnitt einen Stopfen (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (15) den Stopfen (12) vollständig oder teilweise ersetzend ausgebildet ist.
Partikelfilter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (15) mit Hilfe einer Änderung eines Verbrennungsluftverhältnisses (λ) des Abgases zur Wärmeabgabe anregbar ist.
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.
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.
Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (15) zumindest aus Cer- und Zirkonoxiden und/oder deren Mischoxide ausgebildet ist.
Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (15) Palladium und/oder Rhodium aufweist.
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.
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.
Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein weiteres Heizelement (15) im durchströmbaren Kanalabschnitt angeordnet ist.