EP1990097A2 - Wall-Flow-Filter mit unbegrenzter Zeitstandsfestigkeit - Google Patents

Abstract

Verfahren für den Betrieb einer Filteranordnung zum Abscheiden von Russpartikel aus einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch in Längsrichtung eines porösen Keramikkörpers (7) verlaufende Kanäle (5) des Keramikkörpers (7) hindurchgeleitet wird, wobei der Abgasstrom durch Poren der Wände der lediglich einseitig offenen Kanäle (5) des Keramikkörpers (7) durchtritt, und an den Keramikkörper (7) ein elektrisches Feld angelegt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass vor dem Einleiten des Abgasstroms in die Kanäle (5) des Keramikkörpers (7) eine Aufladung der Russpartikel erfolgt, und es sich bei jener Spannung, die an den Keramikkörper (7) angelegt wird, um unipolare Spannungsimpulse handelt, wobei die unipolaren Spannungsimpulse so gewählt werden, dass das Verhältnis der durch die Spannungsimpulse erzeugten Driftgeschwindigkeit (c) der aufgeladenen Russpartikel in Feldrichtung des erzeugten, elektrischen Feldes zur Strömungsgeschwindigkeit (v) der Gasströmung in den Kanälen (5) größer oder gleich dem Verhältnis des Zweifachen der Kanalhöhe (h) zur Kanallänge (L) ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb einer Filteranordnung zum Abscheiden von Russpartikel aus einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch in Längsrichtung eines porösen Keramikkörpers verlaufende Kanäle des Keramikkörpers hindurchgeleitet wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Bei dieser Art von Filtersystemen tritt der Abgasstrom durch Poren der Wände der lediglich einseitig offenen Kanäle des Keramikkörpers durch, wobei die Russpartikel zurück gehalten werden. In diesen so genannten "Wall-flow-Filter" erfolgt die Abscheidung der Russpartikel somit mechanisch. Für den Abbau der abgelagerten Russpartikel in den Kanälen des Keramikkörpers sind unterschiedliche Systeme bekannt, etwa mithilfe eines in den Kanälen des Keramikkörpers erzeugten Plasmas ("plasmaregenerierte Filtersysteme"). Hierzu wird an parallel zu den Kanälen verlaufenden Elektroden eine Spannung an den Keramikkörper zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen des Keramikkörpers, das jeweils normal zur Achse der Kanäle orientiert ist, angelegt. Elektrische Feldstärken von etwa 1 kV/cm in den Kanälen des Wabenkörpers sind dabei in der Regel ausreichend, um in den Kanälen ein Plasma zu erzeugen, das abgelagerte Russpartikel in gasförmige Substanzen umwandelt.
• Bei den heute in Verwendung befindlichen Wall-flow-Filtern, mit denen das Abgas von dieselgetriebenen Verbrennungskraftmaschinen von Russpartikel gereinigt wird, ist der größte Nachteil ihre beschränkte Zeitstandsfestigkeit. Durch Ölasche werden die porösen Wände des Keramikkörpers kontinuierlich zugesetzt, und es entsteht ein irreversibler Druckaufbau, der einen sehr aufwendigen Wechsel der Filtereinheit nach etwa 150.000 km bis 200.000 km notwendig macht. Überdies steigt durch den Druckaufbau auch der Treibstoffverbrauch deutlich an.
• Besonders kritisch wird dieses Problem in Zukunft, da der steigende Anteil von Biodiesel in den Dieselkraftstoffen diesen irreversiblen Druckaufbau beschleunigt. Der Phosphatanteil im Biodiesel wird durch die bei heutigen Systemen notwendige hohe Regenerationstemperatur zu Phosphor umgewandelt, der damit neben der Ölasche zu einem sehr schnell zunehmenden, irreversiblen Druckanstieg führt, der die heute erzielbaren Kilometerleistungen von 150.000 km bis 200.000 km nicht mehr ermöglicht. Diese Schwierigkeit gilt zurzeit nur in abgeschwächter Form für die mit einem Wechselstrom-Plasma regenerierten Wall-flow-Filter, wird aber dann schlagend, wenn der Anteil am Biodiesel im Treibstoff die 10%-Grenze überschreiten wird.
• Es ist daher das Ziel der Erfindung, durch ein geeignetes Verfahren die Zeitstandsfestigkeit von Filteranordnungen, die auf der Verwendung eines Keramikkörpers mit einseitig geschlossenen Kanälen basieren, zu erhöhen.
• Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren für den Betrieb einer Filteranordnung zum Abscheiden von Russpartikel aus einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch in Längsrichtung eines porösen Keramikkörpers verlaufende Kanäle des Keramikkörpers hindurchgeleitet wird, wobei der Abgasstrom durch Poren der Wände der lediglich einseitig offenen Kanäle des Keramikkörpers durchtritt, und an parallel zu den Kanälen verlaufenden Elektroden eine Spannung an den Keramikkörper zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen des Keramikkörpers, das im Wesentlichen normal zur Achse der Kanäle orientiert ist, angelegt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass vor dem Einleiten des Abgasstroms in die Kanäle des Keramikkörpers eine Aufladung der Russpartikel mithilfe einer weiteren Elektrodenanordnung erfolgt, und es sich bei jener Spannung, die an den parallel zu den Kanälen verlaufenden Elektroden angelegt wird, um unipolare Spannungsimpulse handelt, wobei die unipolaren Spannungsimpulse so gewählt werden, dass bei vorgegebener Kanalhöhe h in Feldrichtung und vorgegebener Kanallänge L das Verhältnis der durch die Spannungsimpulse erzeugten Driftgeschwindigkeit c der aufgeladenen Russpartikel in Feldrichtung des in den Kanälen erzeugten, elektrischen Feldes zur Strömungsgeschwindigkeit v der Gasströmung in den Kanälen größer oder gleich dem Verhältnis des Zweifachen der Kanalhöhe h zur Kanallänge L ist.
• Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sehen daher vor, die Abscheidung der Russpartikel in den Kanälen des Keramikkörpers nicht ausschließlich mechanisch erfolgen zu lassen, sondern das in den Kanälen für den Russabbrand errichtete, elektrische Feld auch für die Abscheidung der Russpartikel zu verwenden, wobei hierzu eine weitere Elektrodenanordnung zur vorherigen Aufladung der Russpartikel vorgesehen ist. Diese Maßnahme alleine ist jedoch noch nicht ausreichend, um das oben beschriebene Problem der reduzierten Zeitstandsfestigkeit zu lösen. Erfindungsgemäß wird daher auch vorgeschlagen, die Abscheidung der Russpartikel im Wall-flow-Filter und die anschließende Regeneration des abgeschiedenen Rußes durch ein unipolares Plasmafeld auf einer Wandseite vorzunehmen, während die zweite, gegenüberliegende Wandseite immer rein bleibt und daher auch kein Zusetzen von Poren, und damit kein Druckaufbau, stattfinden kann. Den durch die langfristig stattfindende Halbierung der Filterfläche tendenziell höheren Druck muss bei der Auslegung der Filtergröße und der Kanalabmessungen berücksichtig werden.
• Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht man, dass eine Wand der Kanäle vollkommen rein bleibt, und dem sie durchdringenden Gas einen gleich bleibend geringen Widerstand entgegensetzt. Die zweite Wand erhält zwar schneller einen höheren Russbelag und auch schneller einen irreversiblen Porenverschluss durch Ölasche und andere unverbrennbare Ablagerungen, aber der Druckverlust durch eine vollkommen reine Filterwand ist um so viel geringer, dass der anfangs geringere Druckverlust eines normalen Wall-flow-Filters nach wenigen 1000 km bereits eingeholt wird.
• Die Strömungsgeschwindigkeit v der Gasströmung in den Kanälen sowie die Driftgeschwindigkeit c, die vom Durchmesser d der Russpartikel abhängig ist, können dabei leicht bestimmt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit v wird im Zuge der Regelung des Filters ohnehin gemessen, um die angelegte Spannung zu regeln. Die Driftgeschwindigkeit c(d) der Russpartikel mit Durchmesser d ergibt sich wiederum aus der Beweglichkeit κ(d), der Ladungszahl z(d) und der Feldstärke E senkrecht auf die Kanalachse, wobei letztere durch die unipolaren Spannungsimpulse gegeben ist, sodass sich für die Driftgeschwindigkeit c(d) für Russteilchen mit dem Durchmesser d ergibt: $$\mathrm{c}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{=}\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{E}$$

  
• Die Beweglichkeit κ(d) und die Ladungszahl z(d) können für unterschiedliche Durchmesser d aus hinlänglich bekannten Tabellen abgelesen werden. Die durch die Ladungszahl z(d) quantifizierte Aufladung der Russpartikel ist durch die vorherige Aufladung mittels der Entladungselektrode bedingt. Die Feldstärke E ist in bekannter Weise direkt durch die angelegten Spannungsimpulse gegeben. Anhand der erfindungsgemäßen Merkmale kann somit die im jeweiligen Anwendungsfall notwendige Feldstärke E, und somit die an die Elektroden anzulegende Spannung, abgeleitet werden. Die erfindungsgemäße Einstellung der Driftgeschwindigkeit c, der Strömungsgeschwindigkeit v, der Kanalhöhe h und der Kanallänge L wird im Folgenden noch näher begründet werden.
• Anspruch 2 nennt eine bevorzugte Wahl für die Dauer der unipolaren Spannungsimpulse und schlägt vor, dass die unipolaren Spannungsimpulse eine Dauer unter 20µs aufweisen. Besonders vorteilhaft sind gemäß Anspruch 3 unipolare Spannungsimpulse mit einer Dauer zwischen 5µs und 15µs. Gemäß Anspruch 4 beträgt der zeitliche Abstand zwischen zwei unipolaren Spannungsimpulsen zwischen 50µs und 150µs.
• Eine weitere Schwierigkeit bei der Annäherung an optimale Abscheidegrade ergibt sich aus den sehr unterschiedlichen Betriebszuständen eines Verbrennungsmotors im Pkw. Es wird daher gemäß Anspruch 5 eine Regelung in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, bei dem der Differenzdruck des Abgasstromes am Keramikkörper gemessen wird, und oberhalb eines vorgegebenen Wertes des Differenzdrucks die Regelung der unipolaren Spannungsimpulse in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms in den Kanälen des Keramikkörpers erfolgt, und unterhalb dieses vorgegebenen Wertes die Regelung nur dann in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms in den Kanälen des Keramikkörpers erfolgt, wenn der Differenzdruck eine mit der Zeit zunehmende Tendenz aufweist, und andernfalls die Regelung unabhängig vom Differenzdruck erfolgt. Mithilfe dieser Maßnahme kann, wie noch näher ausgeführt werden wird, die Russverteilung im Kanal gelenkt werden, und insbesondere auch bei verschiedenen Gasgeschwindigkeiten konstant gehalten werden, indem die Feldamplitude zumindest zeitweise verringert wird, vorzugsweise bei kurzem aber sehr hohen Russanfall, während man die Feldamplitude in der verbleibenden Zeit direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit im Kanal regelt.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen hierbei die
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Keramikkörpers zur Entfernung von Russpartikel aus einem Abgasstrom,
• Fig. 2 eine Detailansicht von Fig. 1, wobei insbesondere die Anordnung der Kanäle ersichtlich ist,
• Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Geschwindigkeitskomponenten des Abgasstromes in einem Kanal des Keramikkörpers, und
• Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Regelung der Spannungsimpulse im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Keramikkörpers 7, bei dem es sich um einen Wabenkörper handelt. Dabei ist jeweils ein Keramikkörper 7 mit konvexer, nämlich elliptischer Umfangslinie dargestellt, er könnte aber auch andere Querschnittsformen aufweisen, etwa eine Trapezform. Der Keramikkörper 7 weist Kanäle 5 auf, die in Längsrichtung des Keramikkörpers 7 verlaufen, und an einer Stirnseite des Keramikkörpers 7 offen sind, und an der jeweils gegenüberliegenden Seite geschlossen. Somit tritt der Abgasstrom durch einen an der Eintrittsseite offenen, aber an dessen Austrittsseite verschlossenen Kanal 5 ein, und muss zum Verlassen des Keramikkörpers 7 durch die Innenwand des betreffenden Kanals 5 zum benachbarten Kanal 5, der an der Eintrittsseite verschlossen, aber an der Austrittsseite offen ist, hindurch treten.
• Gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 werden die Elektroden 1,2 jeweils durch eine Gruppe von Elektrodenkanälen 4, in denen jeweils zumindest teilweise entlang ihrer axialen Erstreckung eine elektrische Beschichtung 6 eingebracht ist, gebildet. Wie insbesondere aus der Fig. 2 ersichtlich ist, werden die Gruppen von Elektrodenkanälen 4 jeweils durch nebeneinander liegende Elektrodenkanälen 4 gebildet, sodass durch jede Gruppe von Elektrodenkanälen 4 eine ebene Elektrodenfläche 1,2 definiert wird. Es sind aber auch andere Ausführungen der Elektroden 1,2 möglich.
• Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, verlaufen die ebenen Elektrodenflächen 1,2 jeweils horizontal und parallel zueinander. Der Abstand zweier benachbarter Elektrodenflächen 1 und 2 beträgt vorzugsweise weniger als 40 mm, etwa 15-25 mm. Dadurch kann zwischen den Elektrodenflächen 1 und 2 ein homogenes elektrisches Feld sichergestellt werden, und zwar insbesondere in jenen Raumbereichen, die sich innerhalb des von jeweils zwei benachbarten Elektrodenflächen 1,2 begrenzten Raumbereiches des Keramikkörpers 7 befinden, der im folgenden auch als homogener Feldbereich bezeichnet wird. Der außerhalb des homogenen Feldbereiches liegende Bereich 3 des Keramikkörpers 7 verfügt in der Ausführungsform gemäß der Fig. 1 und 2 über eine dichtere Struktur, um deren strukturelle Belastbarkeit zusätzlich zu erhöhen.
• Zwei benachbarte Elektrodenflächen 1 und 2 sind jeweils gegenpolig kontaktiert, wobei in der Fig. 1 etwa die Elektrodenfläche 1 geerdet ist, und die Elektrodenfläche 2 mit bipolaren Spannungsimpulsen versorgt wird.
• Im Folgenden wird nun das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Zunächst wird die Funktion der Filteranordnung in einem späten Gleichgewichtszustand betrachtet, wie er etwa nach 50.000 km bis 100.000 km auftreten wird, und bei dem eine Wandseite durch Ölasche und Phosphor bereits weitgehend zugesetzt ist. Unter der Annahme, dass die gesamte in den Kanal 5 eingeströmte Abgasmenge durch die zweite, unbeladene Seite entweichen muss, ergibt sich als obere Abschätzung der Geschwindigkeitskomponente v_x der Strömungsgeschwindigkeit v des Abgases normal auf die Kanalachse zur freien Wand $${\mathrm{v}}_{\mathrm{x}}\mathrm{=}\mathrm{h}\mathrm{/}\mathrm{t}\mathrm{=}\mathrm{h}\mathrm{.}\mathrm{v}\mathrm{/}\mathrm{L}$$

  

  wobei h die Kanalhöhe und t die Durchlaufzeit des Gases durch einen Kanal der Länge L ist: $$\mathrm{v}\mathrm{=}\mathrm{L}\mathrm{/}\mathrm{t}$$

  
• Damit der Russ nicht durch die Gasströmung in die falsche Richtung mitgerissen wird, muss die Driftgeschwindigkeit c(d) der aufgeladenen Russteilchen mit dem Durchmesser d in Feldrichtung größer oder gleich sein, als die Geschwindigkeitskomponente v_x gegen die Feldrichtung, also $$\mathrm{c}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{\ge }{\mathrm{v}}_{\mathrm{x}}$$

  
• Mit der Beweglichkeit κ(d), der Ladungszahl z(d) und der Feldstärke E_x senkrecht auf die Kanalachse ergibt sich die Driftgeschwindigkeit c(d) für Russteilchen mit dem Durchmesser d $$\mathrm{c}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{=}\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{E}$$

  
• Damit ergibt sich die Bedingung für das Abscheiden der Russteilchen auf der richtigen Seite mit $${\mathrm{v}}_{\mathrm{x}}\mathrm{=}\mathrm{h}\mathrm{.}\mathrm{v}\mathrm{/}\mathrm{L}$$

  

  zu $$\mathrm{k}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{E}\mathrm{\ge }\mathrm{h}\mathrm{.}\mathrm{v}\mathrm{/}\mathrm{L}$$

  
• Für das Gleichheitszeichen gilt, dass sich das Russteilchen in Bezug auf den Abstand zu den Kanalwänden praktisch nicht bewegt, da sich Driftgeschwindigkeit c(d) und die Geschwindigkeitskomponente v_x gerade aufheben. Soll das Teilchen dagegen die richtige Wand erreichen, so muss erfindungsgemäß gelten $$\mathrm{c}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{\ge }\mathrm{2}{\mathrm{v}}_{\mathrm{x}}$$

  

  oder $$\mathrm{c}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{/}\mathrm{v}\mathrm{\ge }\mathrm{2.}\mathrm{h}\mathrm{/}\mathrm{L}$$

  

  oder $$\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{E}\mathrm{\ge }2\mathrm{h}\mathrm{.}\mathrm{v}\mathrm{/}\mathrm{L}$$

  

  da das Teilchen im ungünstigsten Fall den doppelten Weg im Gas zurücklegen muss, wenn es ganz in der Nähe der nicht Russ tragenden Wand einströmt.
• Da Russteilchen je nach ihrem Durchmesser d unterschiedliche Beweglichkeiten κ(d) haben und unterschiedliche Sättigungsaufladungen z(d) erlauben, ergeben sich im elektrischen Feld E auch unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten c(d). Tabelle 1 zeigt bei zwei für ein Gleichfeld erreichbaren mittleren elektrischen Feldstärken (3kV/cm und 4 kV/cm) entsprechenden Driftgeschwindigkeiten c: Tabelle 1:

  Partikel-durchmesser	κ(d) /cm2/V.s/ (Beweglichkeit)	z(d) (Ladezahl)	κ(d).z(d)	κ(d).z(d).E (E = 3 kV/cm)	κ(d).z(d).E (E = 4 kV/cm)
  10 nm	6,3. 10-3	0,3	1,9. 10-3	5,7 cm/s	7,6 cm/s
  20 nm	1,3. 10-3	1	1,3. 10-3	3,9 cm/s	5,2 cm/s
  100 nm	1,0. 10-4	10	1,0. 10-3	3,0 cm/s	4,0 cm/s
  1 µm	5,4. 10-6	300	1,6. 10-3	4,8 cm/s	6,4 cm/s
  10 µm	5,4. 10-7	11 000	6,0. 10-3	18,0 cm/s	24,0 cm/s

• Tabelle 2 zeigt die für die vorliegenden Bedingungen notwendigen Kanalhöhen h bzw. mittleren Durchlaufzeiten t des Abgases durch die Kanäle 5 des unipolar betriebenen Wall-flow-Filters: Tabelle 2:

  Partikel-durchmesser	κ(d).z(d).E (3 kV/cm)	h = 0,8 mm t ≥	h = 0,6 mm t ≥	κ(d).z(d).E (4 kV/cm)	h=0,8 mm t ≥	h=0,6mm t ≥
  10 nm	5,7 cm/s	28 ms	21 ms	7,6 cm/s	21 ms	16 ms
  20 nm	3,9 cm/s	41 ms	31 ms	5,2 cm/s	31 ms	23 ms
  100 nm	3,0 cm/s	53 ms	40 ms	4,0 cm/s	40 ms	30 ms
  1 µm	4,8 cm/s	33 ms	25 ms	6,4 cm/s	25 ms	19 ms
  10 µm	18,0 cm/s	9 ms	7 ms	24,0 cm/s	7 ms	5 ms

• Mit einer Durchlaufzeit von t = 20 ms können bereits Abgasmengen von 400 kg/h bei 550°C bei vertretbaren Filterquerschnitten diese Bedingungen erfüllen. Dieser Abgasmassenstrom von 400 kg/h entspricht einem Volllastbetrieb eines aufgeladenen Dieselmotors der unteren Mittelklasse. Ein Abscheidefeld E von 4 kV/cm kann also bei einer Kanalhöhe h von 0,6 mm auch bei Volllast alle Partikel bis auf die Größenklasse um 100nm entlang einer Abscheidewand auffangen. Da Partikel mit 100 nm Durchmesser nichts mehr zur Partikelzahl und noch nichts zur Partikelmasse beitragen, ist ein Filterbetrieb mit diesen Parametern durchaus akzeptabel, da bei diesen Temperaturen die Regeneration unter Plasma kontinuierlich und schnell abläuft.
• Somit ist ersichtlich, dass Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 100 nm die geringste Driftgeschwindigkeit c erreichen. Für diese sind in der Tabelle 3 zu einigen Kanalhöhen h notwendige Durchströmzeiten t angegeben, damit diese Teilchen die richtige Kanalwand erreichen können: Tabelle 3:

  Kanalhöhe (mm)	3 kV/cm	4 kV/cm
  0,6	40 ms	30 ms
  0,8	53 ms	40 ms
  1,0	66 ms	50 ms

• Die Schwierigkeit beim Betrieb eines Russfilters liegt dabei immer im Niedriglastbereich und wird insbesondere dann kritisch, wenn die Abscheidung des Filters auf eine hohe Motorleistung ausgelegt werden muss. Die höher motorisierten Mittelklassewagen unterscheiden sich zwischen Volllast und Stadtbetrieb im Gasvolumenstrom um etwa den Faktor 10. Ist der Filter nun so ausgelegt, dass alle Partikel bei Volllast über die Filterlänge L (üblicherweise 20 cm bis 25 cm) abgeschieden werden, so findet diese Abscheidung im Stadtbetrieb auf den ersten 20 mm bis 25 mm statt. Damit, und besonders bei tiefen Motortemperaturen, kann die Regeneration des Filters lokal überfordert sein. Besonders kritisch wird die Situation, wenn die N0x-Emission gegen mehr Russemission abgetauscht wird.
• Das Abscheidefeld kann daher proportional zu dem Gasvolumenstrom geregelt werden, damit sich die Russablagerung immer näherungsweise über die ganze Filterlänge L ausdehnt. Die entsprechende Regelgleichung kann aus der Beziehung $$\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{E}\mathrm{\ge }2\mathrm{h}\mathrm{.}\mathrm{v}\mathrm{/}\mathrm{L}$$

  

  abgeleitet werden, indem im Fall der Gültigkeit des Gleichheitszeichen die mittlere Gasgeschwindigkeit v in den Kanälen 5 ersetzt, wobei q der freie Gesamtquerschnitt aller Kanäle 5 darstellt $$\mathrm{v}\mathrm{=}\mathrm{V}\mathrm{/}\mathrm{q}$$

  

  V ist dabei der Gasvolumenstrom. Dadurch ergibt sich die Regelgleichung für die Abscheidefeldstärke E als Funktion des Gasvolumenstroms V $$\mathrm{E}\mathrm{=}\mathrm{\beta }\mathrm{.}\mathrm{V}$$

  

  mit der Regelkonstanten β $$\mathrm{\beta }\mathrm{=}\mathrm{2}\mathrm{h}\mathrm{/}\mathrm{q}\mathrm{.}\mathrm{L}\mathrm{.}\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)$$

  
• Wird noch die Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeit κ(d,T) und des Gasvolumenstroms V berücksichtigt, so ergibt sich für die Regelgleichung die Beziehung $$\mathrm{E}\left(\mathrm{d}\mathrm{T}\right)\mathrm{=}\mathrm{V}\left(\mathrm{d}\mathrm{T}\right)\mathrm{.2}\mathrm{h}\mathrm{/}\mathrm{q}\mathrm{.}\mathrm{L}\mathrm{.}\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\mathrm{T}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)$$

  
• Für d kann der Durchmesser mit dem kleinsten Produkt aus κ(d).z(d) genommen werden, oder aber jener, deren Russpartikel gerade noch innerhalb der Filterlänge L abgeschieden werden sollen.
• Wenn nun das Abscheidefeld E mit dem Gasvolumenstrom V und der Temperaturkorrektur V(T)/κ(d,T) geregelt wird, ergibt sich die weitere Schwierigkeit, dass bei geringer werdender Abscheidefeldstärke E auch die Plasmatemperatur und damit die Regenerationsgeschwindigkeit geringer wird, und letztendlich die Konversion des Rußes ganz erlischt. Bei tiefen Temperaturen und hohem Russanfall darf das Abscheidefeld E daher nicht unter eine vorgegebene Schranke geregelt werden. Besonders gravierend wird dieses Problem bei kurzen Volllastbeschleunigungen mit einem durch längeren Teillastbetrieb kalten Motor.
• Erfindungsgemäß kann dieses Problem dadurch gelöst werden, dass bei hohem Russanfall ein entsprechend hohes Abscheidefeld E gesetzt wird, bei geringem Russanfall aber je nach Regenerationszustand des Filters zwischen hohem Feld und geringem Feld gewechselt wird, wobei vorzugsweise zu diesem Wechsel die Daten "hoher Russanfall" und "geringer Russanfall" sowie Gasmassenstrom aus dem Motorrechner über einen CANBUS an den Prozessor des Filters übertragen werden, oder der Wechsel wird direkt aus dem Motorrechner gesteuert, der dann Russmenge und Russverteilung im Filter selbst berechnet.
• Ist v die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in den Kanälen 5 des Wabenkörpers 7, so ergibt sich das erfindungsgemäße Regelprinzip dadurch, dass man die Geschwindigkeit v in mindestens zwei Intervalle teilt, wo für die größere Strömungsgeschwindigkeit die normale Regelgleichung gilt, während für die geringere Strömungsgeschwindigkeit nur die normale Regelgleichung gilt, wenn die Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit positiv oder annähernd Null ist, also die Geschwindigkeit mit der Zeit zunimmt oder konstant bleibt. Ist dagegen die Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit negativ, nimmt also die Strömungsgeschwindigkeit mit der Zeit ab, so wird das Feld E mit dem höchsten, unter den Nebenbedingungen von Plasmastrom und Temperatur erlaubten Wert E_max gefahren:
• Intervall I:

  v > v₁

  Die Regelgleichung lautet: $$\mathrm{E}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{=}\mathrm{h}\mathrm{.}\mathrm{V}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{/}\mathrm{q}\mathrm{.}\mathrm{L}\mathrm{.}\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\mathrm{T}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)$$

  

• Intervall II:

  v < v₁

  Die Regelgleichung lautet bei dv/dt ≥ 0 ebenfalls: $$\mathrm{E}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{=}\mathrm{h}\mathrm{.}\mathrm{V}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{/}\mathrm{q}\mathrm{.}\mathrm{L}\mathrm{.}\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\mathrm{T}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)$$

  

  v < v₁

  Die Regelgleichung lautet bei dv/dt < 0 dagegen: $$\mathrm{E}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{=}{\mathrm{E}}_{\max }$$

  

• Natürlich kann der Prozessor des Russfilters diese Steuerung auch selbst durchführen. Die einfachste Umsetzung erhält man durch eine Messung des vorzugsweise am Filter selbst auftretenden Differenzdrucks (p₁ - p₂), der in guter Näherung direkt proportional zu der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v in den Kanälen 5 des Wabenkörpers 7 ist, und dessen Zunahme oder Abnahme einen guten Rückschluss auf die Russemission des Motors erlaubt.
• Dadurch ergibt sich die erfindungsgemäße Umsetzung des Regelprinzips dadurch, dass man den am Filter oder einem anderen entsprechenden Strömungswiderstand auftretenden Differenzdruck (p₁ - p₂) in mindestens zwei Intervalle teilt, wo für den größeren Differenzdruck die normale Regelgleichung gilt, während für den geringeren Differenzdruck (p₁ - p₂) nur die normale Regelgleichung gilt, wenn die Ableitung des Differenzdrucks nach der Zeit positiv oder annähernd Null ist, also der Differenzdruck mit der Zeit zunimmt oder konstant bleibt. Ist dagegen die Ableitung des Differenzdrucks nach der Zeit negativ, nimmt also der Differenzdruck mit der Zeit ab, so wird das Feld E mit dem höchsten, unter den Nebenbedingungen des Plasmastroms und der Gastemperatur erlaubten Wert E_max gefahren:
• Intervall I:

  (p₁ - p₂) > Δp₁

  Die Regelgleichung lautet: $$\mathrm{E}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{=}\mathrm{h}\mathrm{.}\mathrm{V}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{/}\mathrm{q}\mathrm{.}\mathrm{L}\mathrm{.}\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\mathrm{T}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)$$

  

• Intervall II:

  (p₁ - p₂) < Δp₁

  Die Regelgleichung lautet bei
  d(p₁ - p₂) /dt ≥ 0 ebenfalls $$\mathrm{E}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{=}\mathrm{h}\mathrm{.}\mathrm{V}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{/}\mathrm{q}\mathrm{.}\mathrm{L}\mathrm{.}\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\mathrm{T}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)$$

  

  (p₁ - p₂) < Δp₁

  Die Regelgleichung lautet bei
  d(p₁ - p₂) /dt < 0 dagegen $$\mathrm{E}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{=}{\mathrm{E}}_{\max }$$

  

• Eine sehr zweckmäßige und effiziente Umsetzung dieser Regelprinzipien kann erfindungsgemäß so durchgeführt werden, dass die "Regelgröße" (p₁ - p₂), durch die der "Stellwert" E(T) entsprechend gestellt werden soll, gemeinsam mit dem "Stellwert" E(T) als mindestens zweispaltige "Regeltabelle" in den Prozessor eingelesen und von ihm verarbeitet wird. Diese Vorgangsweise braucht am wenigsten Rechenkapazität und entwickelt die größte Regelgeschwindigkeit, um Spannung und Feld in Echtzeit an die Emissionen des Motors anzupassen. Sollen implizite Abhängigkeiten von weiteren Größen ebenfalls berücksichtigt werden, so kann es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft sein, in die Tabelle mindestens eine zweite Regelgröße, also hier die Temperatur, einzulesen und dadurch die Möglichkeit zu schaffen, neben der Druckdifferenz eine weitere Regelebene für sehr unterschiedliche Temperaturen zu bekommen. Je nach Feinheit der Unterteilung für diese zweite Regelgröße erhalten wir weitere Spalten, in denen der Prozessor immer den entsprechenden Stellwert findet. Die Regeltabelle könnte dann folgendermaßen aussehen: Tabelle 4

  Regelwert 1	Regelwert 2	Stellwert 1 für T < T1	Stellwert 2 T2 < T < T1	Stellwert 3 für T2 < T
  (p1 - p2)n	Tn	En1	En2	En3
  (p1 - p2)n+1	Tn+1	En1+1	En2+1	En3+1
  . . .	. . .	. . .	. . .	. . .

• Ebenso geht der Prozessor bei dem Auffinden der Ableitung des Regelwertes nach der Zeit vor, indem er den Differentialquotient d(p₁ - p₂)/dt durch die Differenz zweier hintereinander einlaufender Regelwerte ersetzt, also $$\mathrm{d}\left({\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}\mathrm{-}{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}\right)\mathrm{/}\mathrm{dt}\mathrm{=}\mathrm{(}{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}\mathrm{-}{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{n}}\mathrm{-}\mathrm{(}{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}\mathrm{-}{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{n}\mathrm{-}\mathrm{1}}$$

  

  wobei die fehlende Normierung für den Regelvorgang unerheblich ist. Somit ergibt sich bei $$\mathrm{(}{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}\mathrm{-}{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{n}}\mathrm{-}\mathrm{(}{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}\mathrm{-}{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{n}\mathrm{-}\mathrm{1}}\ge 0\mathrm{ebenfalls}$$

  

  $$\mathrm{E}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{=}\mathrm{h}\mathrm{.}\mathrm{V}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{/}\mathrm{q}\mathrm{.}\mathrm{L}\mathrm{.}\mathrm{\kappa }\left(\mathrm{d}\mathrm{T}\right)\mathrm{.}\mathrm{z}\left(\mathrm{d}\right)$$

  

  und mit $$\mathrm{(}{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}\mathrm{-}{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{n}}\mathrm{-}\mathrm{(}{\mathrm{p}}_{\mathrm{1}}\mathrm{-}{\mathrm{p}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{n}\mathrm{-}\mathrm{1}}<0\mathrm{dagegen}$$

  

  $$\mathrm{E}\left(\mathrm{T}\right)\mathrm{=}{\mathrm{E}}_{\max }$$

  
• Natürlich kann erfindungsgemäß auch der Filterprozessor selbst die zur optimalen Abscheidung des Rußes notwendige Spannungssteuerung berechnen und durchführen, wenn der Motorprozessor die dazu notwendigen Signale, vorzugsweise Temperatur, Gasvolumenstrom oder Massenstrom, vorzugsweise auch AGR-Rate und Einspritzmenge, über ein Signalsystem, vorzugsweise über CANBUS, zur Verfügung stellt. Dabei ergibt sich auch ein weiterer Vorteil dadurch, dass der kleinere Filterprozessor schneller die notwendigen Spannungsänderungen ermittelt, und dadurch das durch Kapazitäten auf der Hochspannungsseite nur langsam regelbare Abscheidefeld E rechtzeitig auf den neuen Russanfall einstellen kann.
• Nachdem das Plasma im Filter ohnehin durch einen Mikroprozessor in Abhängigkeit von Temperatur, Restsauerstoff und vorzugsweise auch Feuchte und Russmenge geregelt wird, ist es von Vorteil, wenn dieser Prozessor auch Menge und Verteilung des abgelagerten Rußes berechnet, und danach sein Abscheidefeld E und insbesondere die zeitliche Aufteilung zwischen Ablagerungsfeldfeldstärke und Regenerationsfeldstärke regelt. Obwohl die Information dazu durch filtereigene Sensoren als auch durch filtereigene Analyse der Strom-Spannungskennlinien ermittelt werden kann, ist es besonders vorteilhaft, wenn aus dem Prozessor der Motorsteuerung, vorzugsweise über einen CANBUS, entsprechende Daten wie Abgasmassenstrom, Einspritzmenge, AGR-Rate, Restsauerstoff und Russemission dem Filterprozessor zugeleitet werden.
• Dieses erfindungsgemäße Verfahren für den Betrieb des Filters im Niedriglastbereich kann erfindungsgemäß weiter modifiziert werden, indem die zu seiner Umsetzung notwendige Vorrichtung in einer zweiflutigen Ausführung des Filters besteht, wobei im unteren Leistungsbereich nur ein Teilfilter mit dem Abgas beaufschlagt wird. Bei wiederholt hohem, aber kurzem Russanfall bei kaltem Motor (so genannter "Hausfrauenzyklus") kann vorzugsweise zwischen beiden Teilfiltern hin- und hergeschaltet werden, um den Ruß im jeweils abgeschaltetem System bei höherem Feld zu regenerieren, und im mit dem Abgasstrom beaufschlagten Teilfilter bei vorzugsweise niedrigerem Feld über den ganzen Filter verteilt zu sammeln.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit die Zeitstandsfestigkeit von Filteranordnungen, die auf der Verwendung eines Keramikkörpers mit einseitig geschlossenen Kanälen basieren, entscheidend erhöht werden.

Claims (5)

1. Verfahren für den Betrieb einer Filteranordnung zum Abscheiden von Russpartikel aus einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch in Längsrichtung eines porösen Keramikkörpers (7) verlaufende Kanäle (5) des Keramikkörpers (7) hindurchgeleitet wird, wobei der Abgasstrom durch Poren der Wände der lediglich einseitig offenen Kanäle (5) des Keramikkörpers (7) durchtritt, und an parallel zu den Kanälen (5) verlaufenden Elektroden (1,2) eine Spannung an den Keramikkörper (7) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes (E) in den Kanälen (5) des Keramikkörpers (7), das im Wesentlichen normal zur Achse der Kanäle (5) orientiert ist, angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einleiten des Abgasstroms in die Kanäle (5) des Keramikkörpers (7) eine Aufladung der Russpartikel mithilfe einer weiteren Elektrodenanordnung erfolgt, und es sich bei jener Spannung, die an den parallel zu den Kanälen (5) verlaufenden Elektroden (1,2) angelegt wird, um unipolare Spannungsimpulse handelt, wobei die unipolaren Spannungsimpulse so gewählt werden, dass bei vorgegebener Kanalhöhe (h) in Feldrichtung und vorgegebener Kanallänge (L) das Verhältnis der durch die Spannungsimpulse erzeugten Driftgeschwindigkeit (c) der aufgeladenen Russpartikel in Feldrichtung des in den Kanälen (5) erzeugten, elektrischen Feldes zur Strömungsgeschwindigkeit (v) der Gasströmung in den Kanälen (5) größer oder gleich dem Verhältnis des Zweifachen der Kanalhöhe (h) zur Kanallänge (L) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unipolaren Spannungsimpulse einer Dauer unter 20µs aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unipolaren Spannungsimpulse einer Dauer zwischen 5µs und 15µs aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen zwei unipolaren Spannungsimpulsen zwischen 50µs und 150µs beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruck des Abgasstromes am Keramikkörper (7) gemessen wird, und oberhalb eines vorgegebenen Wertes (Δp₁) des Differenzdrucks die Regelung der unipolaren Spannungsimpulse in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit (v) des Abgasstroms in den Kanälen (5) des Keramikkörpers (7) erfolgt, und unterhalb dieses vorgegebenen Wertes (Δp₁) die Regelung nur dann in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms in den Kanälen (5) des Keramikkörpers (7) erfolgt, wenn der Differenzdruck (Δp) eine mit der Zeit zunehmende Tendenz aufweist, und andernfalls die Regelung unabhängig vom Differenzdruck (Δp) erfolgt.

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