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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen beschichteten Dieselpartikelfilter
zur Entfernung von Rußpartikeln
aus Dieselabgasen, der einen Partikelfilter mit einer katalytisch
aktiven Beschichtung und einen Wärmetauscher
umfaßt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Filterung von Rußpartikeln aus
Dieselabgasen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilter.
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Wachsende
Mobilitätsansprüche und
eine steigende Fahrzeugdichte machen insbesondere in Ballungsgebieten
einen stärkeren
Immissionsschutz nötig.
Eine katalytische Nachbehandlung von Autoabgasen ist daher von stetig
wachsender Bedeutung.
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In
Abgasen von Motoren enthaltene Schadstoffe werden durch verschiedene
Katalysatortypen und Verfahren aus den Abgasen entfernt. Bei den Schadstoffen
handelt es sich um unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid,
Stickoxide und insbesondere Rußpartikel,
die den bekannten Feinstaub bilden.
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Bei
Dieselmotoren sind die Rohemissionen von Kohlenwasserstoffen und
Kohlenmonoxid sehr niedrig. Kritischer sind die im Vergleich zum
Ottomotor deutlich höheren
Partikelemissionen. Stetig strenger werdende Abgasnormen auch für Dieselmotoren zwingen
zu ständigen
Forschung und Entwicklung im Bereich der Motorentechnik und Katalysatortechnik.
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Zur
Reduzierung der Partikelemission werden bei Dieselmotoren Nachbehandlungssysteme
für das
Abgas eingesetzt, die im Wesentlichen aus Filtersystemen bestehen,
die zunächst
die festen Anteile an der Partikelphase auffangen und sammeln. Die im
Filter abgelagerten Partikel führen
zu einer Erhöhung
des Strömungswiderstandes
im Abgassystem, wodurch sich der Abgasgegendruck für den Motor
erhöht.
Mit zunehmender Partikelmenge kann dies in Abhängigkeit von Last und Drehzahl
zu einem Stillstand des Motors führen.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, kontinuierlich oder intermittierend
die im Filter abgelagerten Partikel zu beseitigen. Im Allgemeinen
werden die Partikel durch Oxidation entfernt, meistens mit Filtern,
die über
eine katalytisch aktive Beschichtung verfügen. Durch die Oxidation der
Partikel im Katalysator wird dieser regeneriert.
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Partikelfilter
werden je nach der Partikelherkunft Dieselpartikelfilter oder Rußpartikelfilter
genannt. Es gibt zwei Funktionsweisen von Partikelfiltern, die sich
grundsätzlich
unterscheiden. Bei einem Wandstromfilter wird das Abgas durch eine
poröse Wand
hindurchgeleitet, während
das Abgas bei Durchflußfiltern
an der inneren Oberfläche
des Filters entlang fließt.
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Bei
einem Wandstromfilter, auch „geschlossenes
System” genannt,
wird das mit Russpartikeln versetzte Abgas bei der Durchdringung
einer porösen
Filterwand gefiltert. Die Partikel bleiben dabei an der Oberfläche der
Filterwand hängen
oder verbleiben mittels Tiefenfiltration im Inneren der Filterwand. Für beide
Fälle gilt,
dass die Partikel nicht durch einen Siebeffekt hängen bleiben, d. h. die Löcher des Filters,
durch die das Abgas strömt,
müssen
nicht kleiner sein als die Partikel. Die Partikel werden stattdessen
durch Adhäsion
an der porösen
Filterwand festgehalten. Auch bei Oberflächenfiltern findet zu Beginn
eine Tiefenfiltration statt. Mit Belegung der inneren Filterflächen erfolgt
eine Deposition der Partikel auf der Filteroberfläche. Bei
der Tiefenfiltration lagern sich die Partikel nur in der inneren
Filterstruktur ab.
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Durchflußfilter,
auch bekannt als „Offene Systeme”, sind
bekannt. Typischerweise besteht ein Durchflußfilter aus dünnen Stahlfolien
mit gezielter Strömungsleittechnik,
in denen die Partikel vom Abgas getrennt und zur Anlagerung auf
die innere Oberfläche
des Filters gebracht werden. Bei genügend hohen Temperaturen werden
die dort angelagerten Partikel kontinuierlich oxidiert. Somit wird
der Filter kontinuierlich regeneriert
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Da
der Abgasstrom in einem Durchflußfilter keine feinporöse Wand
durchdringen muß,
ist der Druckabfall deutlich geringer als bei einem Wandstromfilter.
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Eine
Möglichkeit
der Regeneration des Filters im Pkw-Bereich bietet die Kraftstoffnacheinspritzung,
so daß die
Abgastemperatur steigt und der Ruß verbrannt wird. Die Zündtemperatur
zum Verbrennen der Rußpartikel
wird durch die katalytisch aktive Beschichtung herabgesetzt. Ein
Nachteil dieser Ausführungsform
besteht darin, daß die
Temperatursteuerung problematisch ist, so daß die Lebensdauer der Katalysatoren
herabgesetzt wird.
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Ein
mögliches
Verfahren der Oxidation von Partikeln in Rußfiltersystemen offenbart die
DE-A-35 38 155 .
Zur Oxidation der Partikel wird Sekundärenergie mit Hilfe eines Widerstandsheizdrahts
zugeführt.
Dies wird zu dem Zeitpunkt durchgeführt, bei dem ein zündfähiges Kohlenstoffstaub/Luft-Gemisch vorliegt,
das umgesetzt werden kann. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht
darin, daß die
Rußpartikel nur
intermittierend und nicht kontinuierlich entfernt werden.
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In
der
DE-A-20 2005
001 257 wird das Problem aufgegriffen, daß für eine Regeneration
der Rußpartikelfilter
Sekundärenergie
zugeführt
werden muß,
wodurch aufwändigere
Vorrichtungen nötig sind
und zusätzliche
Energie aufgebracht werden muß.
Die Vorrichtung umfaßt
einen Partikelaufnahmespeicher, der so nahe am Motor angeordnet
ist, daß Temperaturen
oberhalb 230°C
erreicht werden. Bei dieser Temperatur oxidiert im Abgas vorhandenes
NO
2 die Rußpartikel, wobei Stickstoff
und CO
2 entstehen. Dieser NO
2-Oxidationseffekt
regeneriert im Betrieb des Dieselmotors wenigstens teilweise den
Rußpartikelfilter.
Nachteil dieses Partikelfilters ist die unvollständige Entfernung von Rußpartikeln.
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Die
Partikelfilter im Stand der Technik haben den Nachteil, daß Sekundärenergie
zugeführt
werden muß und
daß die
Sekundärenergie
insbesondere bei Kurzstreckenfahrten nicht schnell genug zugeführt werden
kann, so daß die
Oxidation der Rußpartikel
nicht stattfindet. Ferner haben diese Ausführungsformen im Stand der Technik,
die den NO2-Oxidationseffekt ausnutzen,
den Nachteil, daß die
Katalysatoren nahe am Motor angeordnet werden müssen, da hier benötigte Abgastemperatur
am höchsten ist.
Eine solche Anordnung ist aber aus Platzgründen mit Nachteilen behaftet.
Ferner besteht der Nachteil, daß die
Materialien der Dieselpartikelfilter, bei denen die Oxidation der
Rußpartikel
durch Zufuhr von Sekundärenergie
stattfindet, besonders temperaturbeständig sein müssen.
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Bei
Dieselmotoren hat der Abgasstrom eine geringere Temperatur. Für eine wirksame
Regenerierung des Partikelfilters ist ein verbessertes Wärmemanagement
daher von großer
Bedeutung.
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Im
Stand der Technik sind Vorrichtungen beschrieben, um eine Wärmerückgewinnung
zu betreiben. Die
US-A-2006
0 245 987 of fenbart einen Wärmetauscher, der einen ersten
Abgasstromabschnitt und einen zweiten Abgasstromabschnitt in Gegenrichtung
zum ersten umfaßt,
um Wärmeenergie
vom ersten Fluid, das durch den ersten Abgasstromabschnitt fließt, zum
zweiten Fluid zu übertragen,
das durch den zweiten Abgasstromabschnitt fließt. Beide Stromabschnitte sind
mit einem wärmeleitfähigen porösen Netzwerk
ausgefüllt,
das über
eine große Oberfläche verfügt, um einen
wirksamen Wärmeaustausch
vom ersten Abgasstromabschnitt zum zweiten zu ermöglichen.
Da beide Abgasstromabschnitte mit einem porösen Netzwerk ausgefüllt sind,
kann es aufgrund des Strömungswiderstandes
im porösen Filtermaterial
zu einem erhöhten
Druck zwischen Filter und Motor kommen. Ein Problem bei Abgasfilter ist
eine effektive Filterung, wobei der Druck vor dem Filter nicht zu
groß wird
und somit eine möglichst
geringe Druckdifferenz zwischen dem Raum vor und hinter dem Filter
vorliegt.
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Die
DE 602 13 844 T2 offenbart
eine Gasbehandlungsvorrichtung zur Behandlung eines Abgasstroms,
besonders eines Abgasstroms von einem Verbrennungsmotor, wobei mehrere
Partikelfilterelemente (siehe
1 der
DE '844 ), die in zwei aufeinanderfolgenden
Strömungsabschnitten
angeordnet sind, vom Abgas in unterschiedlichen Richtungen durchströmt werden,
wobei ein Wärmetausch
zwischen diesen Strömungsabschnitten
stattfindet. Im ersten Strömungsabschnitt
befindet sich ein erstes und ein zweites Partikelfilterelement,
wobei das zweite Element vor dem zweiten Strömungsabschnitt angeordnet ist.
Zwischen den beiden Strömungsabschnitten
kann gemäß der
DE '884 ein Wärmeübergang stattfinden. Ein ähnliches
System ist auch aus der
DE
600 16 218 T2 bekannt.
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Die
DE 103 01 138 A1 offenbart
eine platzsparende Abgasnachbehandlungseinheit mit ineinanderliegenden
Hin- und Rückstrombereichen
bei gleichseitigem Gasein- und -austritt.
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Die
JP 2005-188507 A offenbart
ebenfalls ein Abgasreinigungssystem mit mehreren Partikelfilterelementen.
Darin wird als Filtersubstrat jedoch ein Katalysatorbett mit einem
keramischen Katalysatorgranulat verwendet. Da gemäß der
JP '507 das zu behandelnde Abgas
jedoch durch das Katalysatorbett strömen muss, hat dieses Abgasreinigungssystem
Nachteile hinsichtlich des Strömungswiderstands.
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Der
Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Dieselpartikelfilter und
ein Verfahren bereitzustellen, bei denen im Abgas von Dieselmotoren
vorhandene Rußpartikel
ohne Sekundärenergiezufuhr kontinuierlich
entfernt werden, wobei der Druckabfall möglichst gering ist und trotzdem
die im Abgasstrom vorhandenen Rußpartikel effektiv gefiltert
werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Dieselpartikelfilter bei dem ein erstes Partikelfiltersubstrat
in einem ersten Strömungsabschnitt
und ein zweites Partikelfiltersubstrat in einer Krümmung nach
dem ersten Strömungsabschnitt und
vor einem zweiten Strömungsabschnitt
angeordnet sind, wobei der erste Strömungsabschnitt und der zweite
Strömungsabschnitt
teilweise durch eine wärmedurchlässige Wand
getrennt sind und die Führung eines
Abgases im zweiten Strömungsabschnitt
im Gegenstrom zu der Führung
des Abgases im ersten Strömungsabschnitt
verläuft,
wobei das zweite Partikelfiltersubstrat als Durchflussfilter ausgestaltet
ist. Vorteil dieses Dieselpartikelfilters ist ein verbessertes Wärmemanagement.
Bei dem erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilter
wird die exotherme Energie genutzt, die bei der Oxidation der Rußpartikel
an dem Partikelfiltersubstrat freigesetzt wird.
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Die
Ausnutzung der Energie unter Verwendung des Gegenstromprinzips ist
besonders effektiv. Das Gegenstromprinzip ist allgemein bekannt
von einem Liebig-Kühler,
bei dem ein Gasstrom zur Kondensation gebracht wird, in dem dieser
an einem Wärmetauscher
abgekühlt
wird, wobei das verwendete Kühlmedium
in entgegengesetzter Richtung an dem Wärmetauscher entlang strömt wie das
zu kondensierende Gas. Unter Verwendung dieses Gegenstromprinzips
wird eine besonders effektive Wärmeübertragung
erreicht.
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Aufgrund
des verbesserten Wärmemanagements
kann der erfindungsgemäße Dieselpartikelfilter
entfernt vom Motor am Unterboden eines Fahrzeugs angeordnet sein,
weil die im Dieselpartikelfilter entstehende Wärme genutzt wird. Ein kostenintensives
doppelwandiges Auspuffrohr zur besseren Wärmeisolierung muß nicht
notwendigerweise zwischen Dieselmotor und Dieseloxidationskatalysator
eingebaut werden.
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Die
wärmedurchlässige Wand
trennt die Strömungsabschnitte
teilweise, damit ein Abgasstrom aus dem ersten Strömungsabschnitt
in den zweiten Strömungsabschnitt
geführt
werden kann.
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Es
ist ferner überraschenderweise
gefunden worden, daß die
Temperatur im Dieselpartikelfilter niedriger sein kann. Somit wird
die Lebensdauer eines Dieselpartikelfilters erhöht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das erste Partikelfiltersubstrat als Wandstromfilter ausgestaltet.
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In
diesem Fall durchdringt der Abgasstrom das Partikelfiltersubstrat.
Das bedeutet, daß der
Abgasstrom auf der ersten Seite des Filters in diesen hinein strömt, durch
den porösen
durchlässigen
Filter hindurch strömt
und aus dem Filter auf der zweiten Seite heraus strömt. Wandstromfilter
haben zwar den Nachteil eines größeren Druckabfalls,
sorgen jedoch für
eine sehr effektive Filterung.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Partikelfiltersubstrat als Durchflußfilter ausgestaltet.
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In
dem Fall gleitet der Abgasstrom an der Partikelfiltersubstratoberfläche entlang
und/oder dringt nur wenig in das Partikelfiltersubstrat ein. Besonders
bevorzugt ist der Durchflußfilter
in der Krümmung,
d. h. nach dem ersten Strömungsabschnitt und
vor dem zweiten Strömungsabschnitt
angeordnet. In dem Fall stellt das Partikelfiltersubstrat gewissermaßen ein
Prallkörper
dar, auf den der Abgasstrom auftrifft und entlang seiner Oberfläche strömt.
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Bei
dieser Ausführungsform
absorbieren die im Abgasstrom enthaltenen Rußpartikel auf der Oberfläche des
Partikelfilters. Der Abgasstrom wird jedoch so geleitet, daß der durch
die Oxidation der Rußpartikel
erwärmte
Abgasstrom im Wesentlichen an der Oberfläche des Partikelfilters entlang
strömt.
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Der
Vorteil dieser Ausführungsform
liegt in einem geringeren Strömungswiderstand,
den der Abgasstrom im Dieselpartikelfilter überwinden muß.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Dieselpartikelfilter
drei Strömungsabschnitte,
wobei nach dem zweiten Strömungsabschnitt
ein dritter Strömungsabschnitt
und ein drittes Partikelfiltersubstrat vorhanden sind, wobei das
dritte Partikelfiltersubstrat nach dem zweiten Strömungsabschnitt
angeordnet ist, wobei der zweite und der dritte Strömungsabschnitt
teilweise durch eine wärmedurchlässige Wand
getrennt sind, und die Führung
eines Abgases im zweiten Strömungsabschnitt im
Gegenstrom zu der Führung
des Abgases im ersten Strömungsabschnitt
verläuft.
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Vorteile
dieser Ausführungsform
sind ein vorteilhaftes Wärmemanagement
und eine sehr effektive Filterung der Rußpartikel, wobei der Druckabfall im
Dieselpartikelfilter sehr gering gehalten wird.
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Damit
der Druckabfall im Dieselpartikelfilter sehr gering ist, ist das
dritte Partikelfiltersubstrat in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
als Durchflußfilter
ausgestaltet. Das dritte Partikelfiltersubstrat kann auch als Wandstromfilter
ausgestaltet sein.
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Die
Partikelfiltersubstrate können
bei Wandstromfiltern aus unterschiedlichen porösen Werkstoffen bestehen, die
meist aus Schäumen,
Fasern oder Pulver aufgebaut sind, die wiederum aus Keramiken oder
aus Metall bestehen. Übliche
Keramiken sind Mullit, Cordierit, Siliciumcarbid (SiC) und Aluminiumtitanat. Übliche Metalle
sind Eisen/Chrom-Legierungen, insbesondere die dem Fachmann bekannte
FeCrAlloy, oder Chrom/Nickel-Stähle.
Die porösen Wände können im
Filter auf unterschiedliche Art angeordnet sein. Bei Fasern und
Metallpulver werden eher flächige
Filterwände
verwendet, die in Form von Rohren, Taschen oder Bälgen angeordnet
sind. Die aus Keramikpulver hergestellten Filter bilden eine Kanalstruktur,
wobei die Kanäle
wechselseitig verschlossen sind. Dadurch wird das Abgas gezwungen,
die poröse
Keramikwand zu durchströmen.
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Die
Partikelfiltersubstrate des erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilters werden
bevorzugt aus einem Metallfiltersubstrat, einem Metallschaum, einem metallischen
Faservlies, wie es beispielsweise in den bekannten PM-Filterkatalysatoren
verwendet wird, einem gesinterten Pulver oder einem Wabenkörper gebildet.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
umfassen die Partikelfiltersubstrate die Materialien Mullit, Cordierit,
Siliciumcarbid oder Aluminiumtitanat. Ferner können metallische Substrate
wie Eisen/Chrom-Legierungen, insbesondere die dem Fachmann bekannte
FeCrAlloy, oder Chrom/Nickel-Stähle
verwendet werden.
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Diese
Partikelfilter und Partikelfiltersubstrate haben sich als besonders
vorteilhaft erwiesen.
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Die
Partikelfiltersubstrate umfassen in allen denkbaren Ausführungsformen
katalytisch aktive Beschichtungen. Diese Beschichtungen bestehen
aus Metalloxiden oder Mischoxiden mit einer erhöhten Sauerstoffspeicherkapazität (OSC).
Die Beschichtungen können
Edelmetalle wie Platin, Palladium, Gold oder Silber enthalten. Durch
diese Beschichtungen wird die Oxidation katalysiert, so daß die Rußpartikel
aus dem Abgasstrom entfernt werden. Die in den Dieselpartikelfiltern
verwendeten Filter weisen vorteilhafterweise eine hohe Oberfläche auf.
Die BET-Oberfläche
des die Beschichtung umfassenden Partikelfiltersubstrats ist größer 8 m2/g. Üblicherweise
beträgt
die BET-Oberfläche
zwischen 8 und 100 m2/g.
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Die
Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Filterung von Partikeln
aus Dieselmotorabgasen gelöst,
bei dem ein erfindungsgemäßer Dieselpartikelfilter
verwendet wird.
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In
einem bevorzugten Verfahren wird ein Abgasstrom in einem ersten
Strömungsabschnitt
entlang einer wärmedurchlässigen Wand
geführt,
wobei der Abgasstrom einen ersten Partikelfilter kontaktiert, an
dem die im Abgasstrom mitgeführten
Partikel unter Wärmeabgabe
oxidiert werden. Der durch die Oxidation erwärmte Abgasstrom wird in einem
zweiten Strömungsabschnitt
entlang der rückseitigen
Fläche der
wärmedurchlässigen Wand geführt, so
daß der im
ersten Strömungsabschnitt
entlang der Fläche des
Wärmetauschers
geführte
Abgasstrom im Gegenstromprinzip erwärmt wird.
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In
einem weiteren bevorzugten Verfahren kontaktiert der Abgasstrom
nach dem ersten Strömungsabschnitt
ein zweites Partikelfiltersubstrat, an dem die im Abgasstrom mitgeführten Partikel
unter Wärmeabgabe
oxidiert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das erste Partikelfiltersubstrat ein Wandstromfilter und das
zweite Partikelfiltersubstrat ein Durchflussfilter.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 den
schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilters.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Dieselpartikelfilter 100.
Aus Richtung des Motors strömt ein
Abgasstrom 102 durch den Einlaß 101 des Dieselpartikelfilters 100 und
strömt
durch einen ersten Strömungsabschnitt 103.
Währenddessen
kontaktiert der Abgasstrom das erste Partikelfiltersubstrat 108,
das als Wandstromfilter ausgestaltet ist. In der in 1 dargestellten
Ausführungsform
ist ein weiterer Wandstromfilter 108' dargestellt. An der Oberfläche der
Filtersubstrate, die erfindungsgemäß katalytisch aktive Materialien
an der Oberfläche
umfassen, findet die Oxidation der Rußpartikel statt, so daß der Abgasstrom 102 erwärmt wird.
Anschließend
kontaktiert der Abgasstrom ein zweites Partikelfiltersubstrat 109,
das in der in 1 dargestellten Ausführungsform
ein Durchflußfilter ist.
Anschließend
fließt
der Abgasstrom durch einen zweiten Strömungsabschnitt 104.
Der erste Strömungsabschnitt 103 und der
zweite Strömungsabschnitt 104 sind
durch die wärmedurchlässige Wand 106 teilweise
getrennt. Der Abgasstrom fließt
entlang der Wand 106. Dadurch wird bewirkt, daß der erwärmte Abgasstrom den
Abgasstrom im ersten Strömungsabschnitt 103 erwärmt. 1 zeigt
weitere Partikelfilter, an denen die Oxidation der Partikel stattfindet,
sowie eine weitere wärmedurchlässige Wand 107,
an denen die Wärmeübertragung
im Gegenstromprinzip stattfindet. Der durch den zweiten Strömungsabschnitt 104 fließende Abgasstrom 102 kontaktiert
ein drittes Partikelfiltersubstrat 110 und fließt durch
einen dritten Strömungsabschnitt 105.
Dabei findet eine Wärmeübertragung
statt.
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Das
Prinzip der Erwärmung
eines Abgasstromes vor dem Kontaktieren eines mit einer katalytischen
Beschichtung versehenen Partikelfilters unter Verwendung eines Wärmetauschers
kann, wie in dem Ausführungsbeispiel
gezeigt, in einem Dieselpartikelfilter mehrfach Anwendung finden.
Schließlich fließt der Abgasstrom
aus dem Dieselpartikelfilter 100.