DE3436351C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von in einem Abgasfilter einer Brennkraftmaschine, insbe­ sondere einer Dieselbrennkraftmaschine abgeschiedenem Ruß unter Zugabe von Additiven zum Herabsetzen der Zünd­ temperatur während des Betriebes der Brennkraftmaschine. Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren erzeugen besonders unter Belastung erhebliche Mengen an Ruß. Dies ist bei Kraftfahrzeugen besonders auffällig. Deshalb wurde schon verschiedentlich versucht, den Ruß aus dem Abgas herauszufiltern und das Filter dadurch zu re­ generieren, daß der Ruß verbrannt wird. Dieses Ver­ brennen kann während des Betriebes einer Dieselbrenn­ kraftmaschine erfolgen, da sie mit einem Sauerstoffüber­ schuß betrieben wird, so daß im Abgas immer noch genügend Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht. Unter besonderen Betriebsbedingungen kann auch die Abgastempe­ ratur so hoch liegen, daß die Verbrennung einer Rußschicht auf dem Filter selbsttätig in Gang gesetzt wird, bevor das Filter zugesetzt ist. Solche Betriebsbedingungen sind jedoch häufig unerwünscht und auch von Zufällen abhängig. Deshalb ist man dazu übergegangen die Verbrennung der Ruß­ schicht auf dem Abgasfilter bewußt einzuleiten, insbesondere dann, wenn der Durchgangswiderstand des Filters auf einen vorbestimmten Wert angestiegen ist. Im einzelnen wird hier verwiesen auf die DE-A-30 07 642, in der ein solches Filter beschrieben ist, die DE-A-30 24 539, in der die Induzierung der Verbrennung mit Hilfe von Mikrowellen behandelt ist, die DE-A-31 11 228, aus der es bekannt ist, die Entzündungs­ temperatur mit Hilfe von Kupfer-I-chlorid als Rußentferner mit katalytischen Eigenschaften herabzusetzen. In der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 33 25 391.9 wird wei­ terhin vorgeschlagen, auf den auf dem Filter abgeschiedenen Ruß zusätzlich zum Kupfer-I-chlorid noch Ammoniumnitrat zuzu­ geben, wodurch die Temperatur zum Einleiten des Verbrennungs­ vorgangs noch weiter gesenkt werden kann und zwar auf eine Abgastemperatur von ungefähr 280° C. Aber auch diese ist häufig noch zu hoch. Ferner hat sich gezeigt, daß das Kupfer- I-chlorid, das sich als Kupferoxid auf dem Faserfilter nie­ derschlägt, bei längerer Betriebsdauer zu einer Verminderung der Durchlässigkeit des Filters führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der ein sicheres und problemloses Einleiten des Abbrennens des Filters erreichbar ist, ohne daß das Filter selbst dadurch beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zündung des Rußes hervorgerufen wird durch Zugabe von mindestens einem Oxi­ dationsmittel und/oder einer Vielzahl von Teilchen mindestens eines brennbaren Stoffes die zum Glühen bzw. Brennen gebracht und durch den Abgasstrom auf das Filter geleitet werden. Gemäß der Erfindung wird so vorgegangen, daß Bedingungen geschaffen werden, die das Entzünden des Rußes auf dem Filter an mehreren Stellen bzw. einer Vielzahl von einzelnen Stellen einleiten, von denen aus dann mit Hilfe des Sauerstoffs des normalen Abgasstromes die Verbrennungsfront sich immer weiter ausbreitet, bis sie im wesentlichen das gesamte Filter freigebrannt hat. Dies bedeutet, daß auf eine generelle Aufheizung des Abgasstromes bzw. des ge­ samten Filtergehäuses bis zum Erreichen der Zündtemperatur ver­ zichtet werden kann. Vielmehr werden auf dem Filter selbst zahl­ reiche Brennstellen erzeugt bzw. bereits erzeugte Brennkeime in die Rußschicht des Filters eingepflanzt und breiten sich auf diesem dann aus. Hierin liegt ein wesentlicher Unterschied zu einem aus der DE-A-28 15 365 bekannten Verfahren, bei dem ein in eine Brennkammer eingeleitetes entzündbares Gas periodisch er­ hitzt wird und das Abgas bis zum Erreichen der Zündtemperatur auf­ heizt.

Es werden vorzugsweise soviel Brennkeime bzw. Brennstellen er­ zeugt, daß, statistisch gesehen, 1 bis 500, insbesondere 5 bis 100 Brennkeime pro dm² der Filteroberfläche kommen. Selbst wenn davon einige erlöschen, ist die Anzahl noch groß genug, um ein Abbrennen des Filters einzuleiten. Die Brennkeime bzw. Brennstellen können punktweise oder auch flächenhaft gebildet werden, je nachdem ob die Additive feinverteilt oder in entsprechend größeren Portionen auf das Filter aufgebracht werden.

Die Brennkeime werden insbesondere dadurch erzeugt, daß das Oxydationsmittel als solches auf die Rußoberfläche des Filters auftritt und auf den Auftreffstellen die Verbrennung des Rußes einleitet. Es können aber auch im Abgas schwebende, gegebenenfalls zudosierte brennbare Stoffe mit Hilfe des Oxydationsmittels ent­ zündet werden, bevor sie das Filter erreicht haben, und dann im brennenden Zustand auf die Rußoberflache auftreffen. Dem gegenüber ist das Ammoniumnitrat der älteren nicht veröffentlichten Anmel­ dung nicht als Oxydationsmittel im eigentlichen Sinne anzusehen.

Das Oxydationsmittel, insbesondere sämtliche Additive, die nach der Erfindung eingesetzt werden, sind vorzugsweise solche, die rückstandsfreie, d. h. ausschließlich flüchtige Verbrennungsprodukte ergeben. Das Oxydationsmittel und der brennbare Stoff werden vorzugsweise gleichzeitig, insbesondere gemeinsam, d. h. in Mischung miteinander zugegeben. Die Zugabe erfolgt vorzugsweise in fein verteilter Form. Zusätzlich be­ günstigt durch die Turbulenz des Abgases im Filtergehäuse wird dadurch eine gute Verteilung der Brennstellen entlang des Filters erreicht. Das Filter ist vorzugsweise ein ge­ wickeltes rohrförmiges Faserfilter der bekannten Art. Die Dosierung des Oxydationsmittels und/oder des brennbaren Stoffes kann auf das Filter bzw. auf die Filter gerichtet er­ folgen, um, falls gewünscht, die Auftreffrate der einzelnen Teilchen auf die Filteroberfläche innerhalb einer bestimmten Zeit zu erhöhen. Eine feine Verteilung von Oxydationsmittel und/oder brennbarem Stoff kann mit Hilfe einer Druckzerstäu­ bung mit oder ohne zusätzliche Luft erfolgen. Die Zugabe des brennbaren Stoffes und insbesondere des Oxydationsmittels er­ folgt mit besonderem Vorteil in Gegenwart von Wasser. Hierzu können die Stoffe in Wasser dispergiert und vorzugsweise ge­ löst sein. Es werden deshalb mit besonderem Vorteil in Wasser lösliche Oxydationsmittel bzw. brennbare Stoffe verwendet. Die Zudosierung in Wasser ist problemlos. Dasselbe gilt für die Aufbewahrung der Zugabestoffe in wäßrigem Medium. Dabei können die Konzentrationen der in Wasser gelösten Stoffe so eingestellt werden, daß sowohl der Gefrierpunkt als auch der Siedepunkt der Lösungen außerhalb der üblicherweise vor­ kommenden Temperaturbereiche liegen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden Rußteilchen, die im Abgas schweben, bevor sie das Filter erreicht haben, durch die Zugabe des Oxydationsmittels gezündet und wirken so ihrerseits als Brennkeime. Dieser Vorgang kann zusätzlich zur bewußten Verbrennung von zugegebenen brennbaren Stoffen mit Hilfe des Oxydationsmittels vorgenommen werden.

Die Oxydationsmittel sind insbesondere solche, die bei den ge­ gebenen Temperaturen stärker oxydierend wirken als Sauerstoff.

Es können verschiedenartige Oxydationsmittel verwendet werden, wobei flüssige oder in Wasser lösliche Oxydationsmittel bevorzugt sind. Besonders eignen sich Peruerbindungen, wie Wasserstoffper­ oxid und insbesondere Persäuren und hiervon wiederum die Per­ chlorsäure und ihre Verbindungen. In Mischung mit Perchlorsäure eignen sich besonders Perchlorate solcher Metalle, die kata­ lytische Eigenschaften bei der Verbrennung der Rußschicht be­ sitzen, insbesondere von Kupfer. Dabei wird das Kupfer, das auch in Form einer anderen Verbindung zugegeben werden kann, in der Menge so dosiert, daß der Verbrauch von bereits im Filter ent­ haltenem Kupfer kompensiert wird, also keine Überdosierung er­ reicht wird. Es wurde nämlich gefunden, daß die Kupferverbin­ dungen sich in erster Linie für die Verbrennung des Rußes nach erfolgter Zündung günstig auswirken und die Zündung durch das Oxydationsmittel und/oder die brennenden bzw. glühenden Keime erreicht werden kann.

Der brennbare Stoff ist vorzugsweise organischer Art. Es hat sich gezeigt, daß sich flüssige und feste insbesondere in Wasser lösliche organische Verbindungen eignen, insbesondere ein- oder mehrwertige Alkohole, Ketone, Hydroxyalkohole, ein- oder mehr­ wertige Carbonsäuren, sowie Hydroxycarbonsäuren, jeweils mit 3 bis 15, insbesondere 3 bis 10 Kohlenstoffatomen. Besonders bevorzugt sind feste brennbare organische Stoffe, die sich beim Erhitzen unter Bildung von Festprodukten zersetzen. Hierzu ge­ hören u. a. die Kohlenhydrate, insbesondere die Zucker, wobei wiederum diejenigen bevorzugt sind, die gut wasserlöslich sind.

Durch die Verwendung in wäßriger Lösung können Perchlorsäure und gegebenenfalls Perchlorate und der brennbare Stoff gefahr­ los in Form einer gemeinsamen Lösung eingesetzt und leicht gehandhabt werden.

Das Oxydationsmittel und der brennbare Stoff können in stöchiometrischen Mengen eingesetzt werden. Es kann auch mit einem bis zu 100%-igen Überschuß an Oxydationsmittel ge­ arbeitet werden.

Bei gemeinsamer Zugabe von Perchlorsäure und Rohrzucker werden besonders gute Ergebnisse erreicht, wenn mit 1 bis 4, vorzugs­ weise 2 bis 3 Mol Perchlorsäure pro Mol Zucker gearbeitet wird.

Die Gesamtmenge an eingesetztem Oxydationsmittel hängt in erster Linie von der Oberfläche des Filters ab, d. h. in der Regel von der Anzahl und Größe der Filterkerzen, und kann in einem weiten Bereich variieren. Normalerweise reichen Mengen von 0,1 bis 1 g Oxydationsmittel pro 100 cm² Filteroberfläche für die Zündung des Verbrennungsvorganges aus. Es werden besonders gute Ergeb­ nisse erreicht, wenn Oxydationsmittel, brennbarer Stoff, Kata­ lysator, insbesondere eine Kupferverbindung, und eine Chlor­ verbindung gemeinsam miteinander vorliegen.

Deshalb ist vorzugsweise mindestens ein Additiv, insbesondere das Oxydationsmittel und/oder die Kupferverbindung, eine Chlor­ verbindung, die mit Vorteil mindestens teilweise flüchtig ist.

Wenn in wäßriger Lösung gearbeitet wird, hängt die Konzentra­ tion hauptsächlich von der Handhabbarkeit und thermischen Stabilität der Mischung ab. Wird als Oxydationsmittel Per­ chlorsäure verwendet, dann liegt diese in der Dosierungs­ lösung in der Regel in einer Konzentration von 20 bis ca. 70 Gewichtsprozent, insbesondere 40 bis 70 Gewichtsprozent vor.

Gegenstand der Erfindung sind weiterhin ein Mittel sowie seine Verwendung zum Einleiten der Verbrennung von Ruß auf Abgasfilter.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder in Kombi­ nation miteinander verwirklicht sein.

Beispiel 1

Im Abgassystem eines 70-PS-Dieselmotors befindet sich ein Filtergehäuse mit 12 rohrförmigen Tiefen-Filtern aus Mineral­ fasern, die vom Abgas des Motors durchströmt werden. Die Filter besitzen an ihrer Oberfläche einen Niederschlag aus Kupferoxid.

In einem Vorratsbehälter befindet sich eine wäßrige Lösung von 60 Gewichtsprozent Perchlorsäure. Nachdem nach ca. 1- bis 2-stündiger Betriebsdauer des Motors der Durchgangswiderstand des Filters durch Absetzen von Ruß auf einen vorbestimmten Wert von 150 mbar angestiegen ist, werden ca. 20 ml der Per­ chlorsäurelösung durch mehrere Düsen unter Druck in das Filtergehäuse in Richtung auf die Filterkerzen eingesprüht. Dort bilden sich an zahlreichen Stellen glühende Nester, die sich innerhalb weniger Sekunden ausbreiten und zu einem Frei­ brennen des Filters führen. Versuche haben gezeigt, daß bei Abgastemperaturen von ca. 200° C ein zuverlässiges Anspringen der Verbrennung erreicht wird.

Beispiel 2

Beispiel 1 wird wiederholt, wobei anstelle der reinen Per­ chlorsäurelösung eine Lösung von 1 Gewichtsteil Perchlor­ säure (60%ig) und 1 Gewichtsteil Rohrzucker (40%ig) ver­ wendet wird. Die Lösung ist dabei so weit verdünnt, daß die Perchlorsäurekonzentration bei ca. 25 Gewichtsprozent liegt. Zusätzlich enthält die Lösung noch 5 Gewichtspro­ zent Kupferperchlorat. Nach dem Einsprühen der Lösung bildet sich ein heftiger Funkenregen, der vom Abgasstrom auf der Rußschicht des Filters niedergeschlagen wird und dort in im wesentlichen gleichmäßiger Verteilung zahlreiche Brennstellen erzeugt. Auch nach zahlreichen Wiederholungen des Zyklus laufen die Zündung und die Verbrennung der Ruß­ schicht zuverlässig ab.

Beispiel 3

Bei demselben Aufbau und dem gleichen Ablauf wie in Bei­ spiel 2 wird anstelle von Rohrzucker Glyzerin mit dem gleichen Gewichtsanteil verwendet. Auch in diesem Fall er­ gibt sich ein zuverlässiges Zünden und Abbrennen der abge­ setzten Rußschicht.

Beispiel 4

Bei Wiederholung des Beispiels 1 werden 20 ml einer wäßrigen Lösung von 50 Gewichtsprozent Kupferperchlorat anstelle der reinen Perchlorsäurelösung eingegeben. Auf der Oberfläche der von Ruß überzogenen Filterkerzen ergibt sich an vielen Stellen ein deutlicher Zündeffekt, der ein sicheres Abbrennen der Rußschicht zur Folge hat.

Beispiel 5

Ausgehend vom Motor und von der Abgasfilteranlage des Bei­ spiels 1 werden bei Erreichen des vorgegebenen Durchfluß­ widerstandes der Filterkerzen von 150 mbar ca. 20 ml einer wäßrigen Lösung von 40 Gewichtsprozent Zucker mit ca. 5 ml einer wäßrigen Lösung von 30 Gewichtsprozent Kupfer(II)­ chlorid stromauf der Filterkerzen in das Gehäuse des Abgas­ filters eingedüst. Es zeigt sich zunächst keinerlei Re­ aktion.

Nach Ablauf weniger Sekunden, innerhalb derer die einge­ düsten Wasseranteile verdampfen, werden ca. 20 ml einer wäßrigen Lösung von 60 Gewichtsprozent Wasserstoffper­ oxyd durch Düsen in das Filtergehäuse eingesprüht. Sofort entstehen auf den Filterkerzen zahlreiche Glühnester, und die Rußschicht brennt ab.

Claims (15)

1. Verfahren zum Entfernen von in einem Abgasfilter einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraft­ maschine, abgeschiedenem Ruß unter Zugabe von Additiven zum Herabsetzen der Zündtemperatur während des Betriebes der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung des Rußes hervorgerufen wird durch Zugabe von mindestens einem Oxidationsmittel und/oder einer Viel­ zahl von Teilchen mindestens eines brennbaren Stoffes, die zum Glühen bzw. Brennen gebracht und durch den Abgasstrom auf das Filter geleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig, insbesondere gemeinsam mit dem Oxydations­ mittel ein mindestens brennbarer Stoff zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zugabe in das Filtergehäuse, insbe­ sondere in Richtung auf das Filter erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel und/oder der brennbare Stoff in feiner Verteilung zugegeben werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen des brenn­ baren Stoffs durch das Oxydationsmittel gezündet werden, bevor sie das Filter erreichen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Oxydationsmittel und/oder brennbarer Stoff in wasserlöslicher Form zugegeben werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Oxydationsmittel und/oder brennbarer Stoff in wäßriger Lösung oder Dispersion zugegeben werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgas schwebende Ruß­ teilchen durch das Oxydationsmittel gezündet und in glühendem Zustand auf dem Filter niedergeschlagen werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel eine Perverbindung, insbesondere eine Persäure ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel Perchlorsäure und/oder eine Verbindung davon ist.

11 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbrennen des Rußes in an sich bekannter Weise in Gegenwart eines Kataly­ sators erfolgt und der Katalysator in Form eines Salzes der Persäure mit einem katalytische Wirkungen be­ sitzenden Metall, insbesondere Kupferperchlorat, er­ gänzt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als brennbarer Stoff ein organischer Feststoff verwendet wird, insbesondere ein solcher, der bei der Abgastemperatur, vorzugs­ weise der Verbrennungstemperatur nicht verdampft.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als brennbarer Stoff ein Kohlenhydrat, insbesondere ein Zucker verwendet wird.

14. Verwendung eines Oxydationsmittels, insbesondere in wäßriger Lösung, zur Zündung einer auf einem Abgas­ filter niedergeschlagenen Rußschicht.

15. Mittel zur Förderung der Verbrennung von Ruß auf einem Abgasfilter im Abgasstrom, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es mindestens ein Oxydationsmittel, mindestens einen bei den Abgastemperaturen durch das Oxydationsmittel entzündbaren brennbaren Stoff und gegebenenfalls mindestens einen die Verbrennung des Rußes begünstigenden Katalysator enthält.