SE537493C2 - Förfarande för att dimensionera ett partikelfilter avsett för ett avgassystem hos en förbränningsmotor - Google Patents

Abstract

SAMMAN DRAG Foreliggande uppfinning avser ett forfarande for att dimensionera ett partikelfilter avsett for ett avgassystem hos en forbranningsmotor. Partikelfiltret innefattar en por6s kropp av kiseldioxidfibrer. Forfarandet innefattar stegen av att bestamma avgassystemets maximala avgasflode och darefter valja den porosa kroppens ytarea sa att foljande villkor uppfylls: FV = Qmax/A 1 m/s; vani FV = flode per ytarea Qmax= maximalt avgasflode i avgassystemet (m3/s); och A = den por6sa kroppens ytarea (m2), genom vilken avgasflOdet passerar Forfarandet innefattar vidare steget att valja mangden kiseldioxidfibrer sa att fOrhallandet fibermassa/maximalt avgasflOde i den porOsa kroppen är: mf/Qmax 500g/1 m3/s; vani mf = fibermassa Slutligen anpassas den porosa kroppens porositet sa att den är mindre an eller lika med 99,3%. Med forfarandet enligt uppfinningen är det mojligt att dimensionera ett kiseldioxidfiberfilter sa att en filtreringsgrad pa minst 99 % erhalls.

Description

Forfarande for aft dimensionera eft partikelfilter avsett for eft avgassystem hos en forbranningsmotor TEKNIKENS OMRADE Foreliggande uppfinning avser ett forfarande for aft dimensionera ett 10 partikelfilter avsett for ett avgassystem hos en forbranningsmotor. Uppfinningen avser aven ett partikelfilter som har dimensionerats enligt forfarandet samt en avgasledning som innefattar partikelfiltret.

UPPFINNINGENS BAKGRUND OCH KAND TEKNIK Dieseldrivna motorer forses med avgasreningsanordningar i syfte att minska utslapp av partiklar och skadliga gaser som f6rekommer i dieselmotorns avgaser. For aft reglera emissioner fran motorer till exempel i fordon finns det olika standarder och lagkrav som reglerar nivaer for tillAtna avgasutslapp.

Forbranningsmotorer kan innefattas i flera olika applikationer, till exempel i tunga fordon, s6som lastbilar eller bussar. Fordonet kan alternativt vara en personbil. Aven motorbatar, fartyg, farjor eller skepp, industrimotorer och/eller motordrivna industrirobotar, kraftverk, sAsom t.ex. ett elkraftverk som innefattar en dieselgenerator, lok eller annan applikation kan inbegripa en forbranningsmotor.

Partikelemissioner fran forbranningsmotorer, speciellt i dieseldrivna tunga fordon, kan reduceras med hjalp av ett partikelfilter. Ett partikelfilter innefattar en materialkropp av ett porost material. Det porosa materialet kan t ex utgoras av ett mineralbaserat material sasom kordierit eller keramiskt eller sintrat material. Med dessa filtermaterial är det mojligt all erh61Ia en hog 1 filtreringsgrad av partiklar fran ett avgasflode, och det är vanligt all en filtreringsgrad pa aver 99 % erhalls. Keramiska filter är ocksa effektiva i all avlagsna fina partiklar som är foretradesvis kolpartiklar med en diameter pa mindre an 100 nanometer (nm). Filter av denna typ kan typiskt regenereras spontant under driften av motorn genom all ansamlade partiklar, i huvudsak sot, tillats forbrannas sá aft filtret Mlles rent och darigenom kontinuerligt kan uppfylla sin filtrerande funktion. Nackdelen med dessa mineralbaserade, keramiska eller sintrade material är dock aft de har relativt stor termisk massa. De maste ocksa rengoras fran aska med lampliga intervall far all inte tappa sin funktion, eftersom det material i partiklarna som inte gar aft branna bort pa sikt tapper till passager i materialet. Vidare ar inte dessa material formbara pa ett enkelt satt och de ar svara all anpassa till tranga utrymmen.

Som alternativ till materialen ovan har aven fibermaterial anvants i partikelfilter. I SE 535454 C2 visas ett partikelfilter som innefattar keramiskt eller sintrat material i kombination med kiseldioxidfibrer. Vidare visar EP1624165 ett partikelfilter med kiseldioxidfibrer som är belagda med iridium i kombination med platina och/eller palladium.

Fibermaterial har dock inte anvants i nagon st6rre utstrackning i partikelfilter hos en forbranningsmotor, eftersom det har varit svart all dimensionera filtret sa aft en tillracklig filtreringsgrad, till exempel 99 %, uppnas.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Det finns darfor fortfarande ett behov av aft vidareutveckla partikelfilter. Speciellt finns det eft stort behov av all kunna dimensionera ett partikelfilter, som innefattar en poros kropp av ett fibermaterial, sa att en filtreringsgrad pa atminstone 99 % kan uppnas.

Eftersom fibermaterialet är formbart är det relativt enkelt aft utforma ett filter med ett lagt mottryck och som kan anpassas till tranga utrymmen, till 2 exempel i en ljuddampare. Darfor är det onskvart att kunna anvanda fibermaterial aven i ett partikelfilter hos dieseldrivna motorfordon, men hittills har man inte kunnat sakerstalla att en tillracklig filtreringsgrad uppnas.

Det finns darfor ett behov av att kunna sakerstalla att en filtreringsgrad pa atminstone 99 % kan uppnas med ett partikelfilter som innefattar en poros kropp av fibermaterial. Genom att anvanda fibermaterial kan man minska utrymmesbehovet, samtidigt som tillracklig filtreringsgrad for avgasutslapp kan uppnas.

Kiseldioxidfibrer har visat sig vara mycket lampliga for att anvandas som ett fibermaterial i ett partikelfilter som material for den porosa kroppen.

Syftet med foreliggande uppfinning är saledes att tillhandahalla ett forfarande for att dimensionera ett partikelfilter som innefattar en poros kropp av kiseldioxidfibrer, och som har en filtreringsgrad pa atminstone 99 %. Samtidigt är filtret och den porosa kroppen formbara och utrymmesbesparande och har en lag termisk massa.

Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att tillhandahalla ett partikelfilter med en poros kropp av kiseldioxidfibrer som har dimensioner for att klara av filtreringsgraden pa atminstone 99 °A).

De ovan angivna syftena uppnas med det inledningsvis namnda forfarandet for att dimensionera ett partikelfilter som innefattar en poros kropp av kiseldioxidfibrer som kannetecknas av vad som anges i patentkrav 1.

Forfarandet innefattar stegen: a) att bestamma avgassystemets maximala avgasflode Qmax; b) valja den porosa kroppens ytarea sa att foljande villkor uppfylls: FV = Qmax/A 1 m/s; vani 3 FV = flode per ytarea Qmax= maximalt avgasflode i avgassystemet (m3/s); och A = den porosa kroppens ytarea (m2), genom vilken avgasflodet passerar c) att valja mangden kiseldioxidfibrer sa att forhallandet fibermassa/maximalt avgasflode i den porosa kroppen är: mf/Qmax ?1500g/1 m3/s; vani mf = fibermassa d) att anpassa att den porOsa kroppens porositet är mellan 95- 99%.

Forfarandet innefattar aven steget att valja all kiseldioxidfibrernas medeldiameter är foretradesvis mellan 5-20pm, varigenom en stor kontaktyta mellan fibrer och avgasflodets partiklar erhalles.

Den porosa kroppen har lampligtvis en tjocklek av minst 15 mm. Med denna tjocklek for den porosa kroppen tillsammans med ytarean och porositeten enligt kriterierna ovan sakerstalls att avgasflodet inte komprimerar den porosa kroppen vid hoga floden.

Forfarandet innefattar dessutom foretradesvis steget att: e) valja den porosa kroppens volym sa att: SV = Qmax / V 150000; vani SV = space velocity, flode per volym Qmax= maximalt avgasflode i avgassystemet m3/s; och V = den porosa kroppens volym m3, genom vilken avgasflodet passerar. 4 Den porosa kroppens porositet anpassas all vara foretradesvis mellan 9599%. Pa detta satt optimeras filtrets dimensioner sa all den porosa kroppen inte är for hart eller last packad.

Uppfinningen avser aven ett partikelfilter som innefattar en poros kropp och den porosa kroppen är dimensionerad enligt forfarandet enligt uppfinningen.

Uppfinningen avser aven en avgasledning for en forbranningsmotor, till exempel i ett fordon, som innefattar ett partikelfilter med en poros kropp som är dimensionerad enligt fOrfarandet enligt uppfinningen.

Ytterligare egenskaper och fordelar med uppfinningen framgar av efterfoljande detaljerade beskrivning samt exempel.

DETALJERAD BESKRIVNING Definitioner Partikelfilter är en anordning som innefattar en poros kropp for ansamling av partiklar fran ett avgasflode.

Fibermaterial är ett material som bestar av fibrer. Fibrerna är langsmala, bojliga materialelement med relativt sma tvardimensioner.

Den porosa kroppen har en porositet, som definierar hur mycket luft eller tomrum den porosa kroppen innefattar. Porositeten kan bestammas med hjalp av den porOsa kroppens soliditet, a. Porositet = 1- a. Soliditeten är fibrernas volym/totala porosa kroppens volym. Fibrernas massa kan definieras utifran densiteten for ramaterialet for fibrerna. Densiteten f6r kiseldioxidfibrerna kan vara t.ex. 2200 kg/m3.

Den porosa kroppen har en ytarea A, som motsvarar den projicerade ytarean och är den yta genom vilken avgasflodet strommar.

Den porosa kroppen har en fibermassa mf som motsvarar den porosa kroppens vikt.

Filtreringsgrad, FE, är ett matt pa hur stor andel av antalet partiklar som filtreras bort med hjalp av filtret. Filtreringsgraden beraknas med hjalp av forhallandet mellan hur stort antalet partiklar i avgasflodet är efter respektive fOre filtrering enligt foljande formel: FE(%) = 100(1-PNefter/PNfore), dar PN = antalet partiklar Detaljerad beskrivning av utforingsformer Den porosa kroppen innefattar kiseldioxidfibrer (Si02) som fibermaterial och foretradesvis best& den porosa kroppen vasentligen enbart av kiseldioxidfibrer. Kiseldioxid är amorf (icke-kristallisk) och erhalls av kvarts eller tillverkas syntetiskt. Kiseldioxidfibrerna best& foretradesvis av vasentligen ren kiseldioxid.

Kiseldioxid har en hog smaltpunkt, ca 1700 °C, och lampar sig utmarkt for anvandning i ett partikelfilter hos en forbranningsmotor, dar avgasernas temperatur kan uppga till ca 1200°C. Kiseldioxidfibrer är taliga mot hoga temperaturer, temperaturchocker och manga kemikalier, bl. a starka syror, som kan finnas i avgasflodet.

Fibrerna har foretradesvis en medeldiameter pa 5-20 pm. Ju tunnare fibrer den porosa kroppen innefattar, desto storre formaga har den for aft mottaga partiklar fran avgasflodet. Fibermaterial av denna typ levereras till exempel av foretaget Saint Gobain Quartz, till exempel under varumarket Quartzel0 Wool. 6 Far att bilda en poros kropp kan fibrerna, som levereras till exempel i form av en fibermatta dar fibrerna ar slumpvis fordelade, packas eller komprimeras. Packningen kan utforas genom mekanisk packning, till exempel genom formpressning. Fibrerna i den bildade kroppen är slumpvis trasslade och bildar ett nat och sotpartiklar som kan ha en klibbig yta, kan darigenom bade fastna pa kiseldioxidfibrernas yta och bli fangade i det bildade fibernatet. Den porosa kroppen av kiseldioxidfibrer är formbar och kan anta nastan vilken form som heist och kan darigenom anpassas till olika applikationer.

Kiseldioxidfibrerna kan belaggas med ett katalytiskt material, sa som platina, for att oka formagan att oxidera till exempel NO vid laga temperaturer. Med en sadan belaggning kan sot forbrannas vid en relativt lag temperatur. Fibrerna kan belaggas genom att den porosa kroppen av kiseldioxidfibrer sprayas eller impregneras med det katalytiska belaggningsmaterialet. Andra metoder kan ocksa anvandas.

Face velocity, FV, som had aven kallas fist:ode per ytarea, är en parameter som anvands inom filtreringstekniken far att beskriva hastigheten hos ett avgasflode som strommar in i filtret. Face velocity bestams enligt foljande formel: FV = Qmax/A, vani Qmax = maximalt avgasflode (m3/s): A = den porosa kroppens ytarea (m2) Med ytarea menas hail den porosa kroppens projicerade ytarea. Det maximala vardet f6r FV enligt foreliggande uppfinning maste vara mindre an eller lika med 1 m/s. I det f6rsta steget av dimensioneringen av partikelfiltret, eller den porosa kroppen i filtret, maste avgassystemets maximala avgasflode Qmax bestammas. Detta avgasflode motsvarar motorns maximala 7 avgasflode och den porosa kroppen dimensioneras saledes utifran motorns maximala avgasflode.

Nar avgasflodet har bestamts är det mojligt all definiera vilken ytarea den porosa kroppen minst maste ha. Den porosa kroppens maximala ytarea bestams av partikelfiltrets konstruktion. Genom all dimensionera den porosa kroppens ytarea som en funktion av det maximala avgasflodet i avgassystemet och sa all FV är mindre eller lika med 1 m/s, kan man sakerstalla aft den porosa kroppen har sa stor yta aft hastigheten hos flodet genom filtret blir tillrackligt lag for all den porOsa kroppen ska klara av all bearbeta det maximala avgasflodet.

I ett nasta steg av dimensioneringsforfarandet valjs den porosa kroppens fibermassa. I enlighet med foreliggande uppfinning har man funnit aft med ett specifikt forhallande fibermassa till maximalt Nide i avgassystemet kan man, tillsammans med ovriga de dimensioneringsparametrarna, sakerstalla att man kan erhalla ett filter som har tillrackligt stor kapacitet aft uppna en filtreringsgrad pa atminstone 99 %. Enligt foreliggande uppfinning skall forhallandet fibermassa till maximalt Nide i avgassystemet vara minst 1,5 kg fibrer for ett avgasflode pa 3600 m3/h eller 1 m3/s.

Darfor kan man dimensionera fibrernas vikt i den porosa kroppen i filtret genom foljande forme!: 1500g/1 m3/s .?. Mf/Qmax, \tad rrlf = fibermassa Eftersom Qmax redan har bestamts i det forsta steget i forfarandet, kan det vidare utvecklas aft mf 1500g * Qmax / 1 m3/s 8 Baserat pa vardena for minsta ytarea A och minsta fibermassa mf erhaller man ett varde for den ytvikt g/m2 som ' Porositeten kan styras till exempel genom aft man varierar den porosa kroppens packningsgrad. Ju mer fibrerna packas, desto h6gre soliditet och darigenom lagre porositet far den porosa kroppen. Enligt foreliggande uppfinning skall porositeten vara mellan 95-99%, sá aft den porosa kroppen kan motsta trycket av avgasfloclet under drift, och pa detta satt undviks risken fOr att den porosa kroppen komprimeras av avgasflodet. Med en porositet Over 99.3%, finns risk for sadan komprimering. Fibrerna bor inte heller packas allfor hart och darfor är porositeten foretradesvis mellan cirka 95 °A. och 99 %.. Om porositeten ãr mindre an 95 % finns det risk for aft mottrycket i avgassystemet blir for Mgt och darigenom kan till exempel motorprestanda fOrsamras. Aven risken for aft fibrerna skadas akar.

For aft ytterligare sakerstalla aft man med hjalp av den porosa kroppens dimensioner kan uppna en hog filtreringsgrad, kan aven den porosa kroppens "Space Velocity" (SV), eller flodeshastighet per volym, bestammas. Med hjalp av SV kan uppehallstiden for avgaserna i filtret styras. SV är inversen av gasens uppehallstid i filtret, och bestams enligt foljande formel: SV = QmaxN, vani Qmax = maximalt avgasflode (m3/s): V = den porosa kroppens volym (m3) 9 Det maximala vardet f6r SV enligt foreliggande uppfinning bor vara mindre eller lika med 150 000 1/s. Uppehallstiden bor darigenom lampligen vara 6,7 ps - 10 ps, och är foretradesvis cirka 7 ps.

Man har aven funnit att den porosa kroppen i ett partikelfilter foretradesvis bar ha en tjocklek av minst 15 mm av praktiska skal. Aven tunnare filter kan anvandas om filtret till exempel veckas.

Dimensionerna for den porosa kroppen i ett partikelfiberfilter enligt 10 foreliggande uppfinning sakerstaller aft en filtreringsgrad av minst 99 % uppnas.

Dimensioneringsexempel Nedan ges nagra exempel pa dimensioner for ett partikelfilter som innefattar en poros kropp enligt uppfinningen.

Ett forsta exempel illustrerar en applikation dar utrymmet far den porosa kroppen i partikelfiltret är begransat och den porosa kroppen kan ha en tjocklek pa hogst 25 mm. Det maximala avgasfloclet i systemet är 3600 m3/h (=1m3/s). Man kan da rakna all arean for den porosa kroppen maste vara minst 1m2. Volymen blir cla 0,025 m3. Fibermassan maste vara minst 1,5 kg (1.5 kg * 1(m3/s)). Densiteten for kiseldioxid är 2200 kg/m3 och den pothsa kroppen är packad till volymen 0,025 m3 varvid porositeten kan raknas genom 100% -(100*1,5 kg/(2200 kg/m3* 0,025 m3)%) = 97,3%.

Ett andra exempel illustrerar en applikation dar utrymmet for den porosa kroppen i partikelfiltret är begransat och den pothsa kroppen kan ha en tjocklek pa hogst 25 mm. Det maximala avgasflodet är 1800m3/h. Arean maste da vara minst 0.5 m2 och volymen är 0,0125 m3. Fibermassan maste vara minst 0.75 kg fibrer (1.5 kg*0.5(m3/s)). Porositeten raknas som ovan och är 98.6%.

Ett ytterligare exempel illustrerar en applikation där utrymmet f6r den por6sa kroppen i partikelfiltret är begransat och den porosa kroppen kan ha en tjocklek pa hogst 50 mm. Arean är vald till pa 1 m2 och det maximala avgasfloclet är 1800 m3/h. Detta ger en volym pa 0,050 m3, och vikten hos den porosa kroppen maste vara 0.75 kg fibrer (1.5kg*0.5(m3/s)). Porositeten kan raknas som ovan och är 98,6%.

Exempel pa filtreringsgradsmatningar For att mata att en filtreringsgrad pa 99 % uppnas, kan man anvanda en testcykel "World Harmonized Transient Cycle (WHTC)" (WHTC), som definieras i: "COMMISSION REGULATION (EU) No 582/2011", "Official Journal of the European Union". En WHTC testcykel är 1800 sekunder rang och innehaller transient drift for att mata emissioner fran fordon.

Filtreringsgraden kan sedan definieras genom matning av antalet partiklar per volymenhet avgaser fOre och efter filtret enligt formeln: FE(%) = 10011-PNefteRNfore), dar PN = antalet partiklar Exempel 1 En WHTC testcykel ordnas for att illustrera drift av lastbilar enligt standard.

For att bestamma nivan pa partiklar bade fore och efter filtret anvander man en matutrustning, AVL Particle counter, som raknar antalet partiklar per volymenhet avgaser. Filtreringsgraden raknas sedan enligt den ovan angivna formeln. 11 I testet upprepades WHTC cyklerna tills en stabil niva i partikelantalen efter filtret uppne'ddes. Mangden partiklar efter 10 WHTC cykler anses vara pa en stabil niva.

Tva filter tillverkades, vilka bagge bestod av en poros kropp av kiseldioxidfibrer av varumarket Quartzel® Wool. Vart och ett av filtren hade en form av ett tunt ratblock och dessa filter,anvandes i filtreringsgradsmatningarna. Filtret i Exempel la är avsett att illustrera ett jamforande exempel, och har dimensioner som är utanfor parametrarna enligt uppfinningen. Filtret i Exempel lb är ett filter som ãr dimensionerat enligt foreliggande uppfinning. Forhallandena och avgasflodena var lika far bade exemplen. Densiteten for den kiseldioxid som anvands i exempel ar 2200 kg/m3. 12 Exempel la Jamforande exempel Dimensionerna f6r filtret är: Ytarea:ca 0.9 m2 Tjocklek:25 mm Fibermassa: ca 990 g, Porositet:98 %.

Med detta filter uppnaddes en filtreringsgrad pa 95-97%, som är lagre an den onskade filtreringsgraden (99%). 13 Exempel lb Dimensionerna far filtret är: Ytarea:ca 0.9 m2 Tjocklek:25 mm Fibermassa: ca 1500 g, Porositet:97 %.

Med detta filter uppnaddes en filtreringsgrad pa ca 99-99.5% red an efter tva WHTC-cykler, som ãr lika med eller h6gre an den onskade filtreringsgraden (>990/0).

Den foregaende beskrivningen av de foredragna utforingsformerna av foreliggande uppfinning har tillhandahallits i syfte att illustrera och beskriva uppfinningen. De beskrivna utforingsformerna är inte avsedda aft vara uttommande eller begransa uppfinningen. 14

Claims (4)

PATE NTKRAV 1. Eft forfarande far att dimensionera ett partikelfilter avsett f6r ett avgassystem hos en forbranningsmotor, vilket partikelfilter innefattar en poros kropp av kiseldioxidfibrer, varvid forfarandet innefattar stegen: 1. att bestamma avgassystemets maximala avgasflode Qmax; 2. valja den porosa kroppens ytarea sa att foljande villkor uppfylls: FV = Qmax/A 1 m/s; vani

1. FV = flode per ytarea Qmax= maximalt avgasflode i avgassystemet (m3/s); och 2. A = den por6sa kroppens ytarea (m2), genom vilken avgasfloclet passerar; c) att valja mangden kiseldioxidfibrer sa att forhallandet fibermassa/maximalt avgasflode i den porosa kroppen är: mf/Qmax ?-1500g/1 m3/s; vani mf = fibermassa; d) att anpassa den por6sa kroppens porositet s6 att den är mellan 95-99%.

2. FOrfarandet enligt krav 1, varvid kiseldioxidfibremas medeldiameter valjs att vara mellan 5-20 pm.

3. Forfarandet enligt krav 1 eller 2, varvid forfarandet dessutom innefattar steget att utforma den porosa kroppen sA den har en tjocklek av minst 15 mm.

4. Forfarande enligt nagot av krav 1, 2 eller 3, varvid forfarandet dessutom innefattar steget: e) valja den porosa kroppens volym sá att: SV = ()max/ V 5 150000; vani SV = space velocity, flode per volym Qmax= maximalt avgasflode i avgassystemet m3/s; och V = den porosa kroppens volym m3, genom vilken avgasflodet passerar.