Untersuchungen zur Durchströmung, Beladung und Regeneration eines Diesel-Partikelfilters

Abstract

Aufgrund strenger gesetzlicher Vorgaben müssen Rußpartikel aus dem Abgas moderner Diesel-PKW durch Filtration abgeschieden werden. Durch den Aufbau einer Rußschicht auf der Oberfläche des Filters nimmt der Abgasgegendruck während des Fahrzeugbetriebs zu, so dass dieser in regelmäßigen Abständen durch Abbrand des eingelagerten Rußes regeneriert werden muss. Während des Rußabbrands kann es im Filter zu Temperaturüberhöhungen kommen, die zu dessen Zerstörung führen.

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist ein Diesel-Partikelfilter auf der Basis eines Filtermediums aus Sintermetall, welches durch die Sinterung eines Edelstahlgranulats auf einem Edelstahl-Streckgitter hergestellt wird. Das Sintermetall-Verbundmaterial wird zu keilförmigen Filtertaschen gefaltet, welche ringförmig um eine zentrale Dichtscheibe angeordnet und verschweißt werden. Die Formstabilität der einzelnen Taschen wird durch wellenförmig gefaltete Abstandshalter aus Blech gewährleistet.

Das komplexe Strömungsfeld, die Verteilung des Rußes und der Ablauf der thermischen Regeneration in diesem Filter können durch die in der Literatur vorhandenen Modelle für keramische Wabenfilter nicht beschrieben werden.

Grundlage der Untersuchungen ist das numerische Strömungsmodell einer Einzeltasche des Filters unter Verwendung der Strömungssimulationssoftware Fluent. Die Gültigkeit des Strömungsmodells wird durch Abgleich von berechneten Ergebnissen mit Druck- und Geschwindigkeitsmessungen in einem messtechnisch zugänglichen Strömungsexperiment an einer Einzeltasche verifiziert.

Eine Erweiterung des Strömungsmodells ermöglicht die Simulation des Rußschichtaufbaus auf der Taschenoberfläche. Hierzu wird angenommen, dass zu jedem Zeitpunkt die abgeschiedene Rußmenge zur Filtrationsgeschwindigkeit proportional ist, der Ruß also homogen im Abgas verteilt ist. Es wird gezeigt, dass wegen der geringen Größe der Rußteilchen diese Annahme eine zulässige Vereinfachung darstellt.

Die Ruß-Abbrandrate wurde in Abhängigkeit von der Temperatur und des Sauerstoffgehalts des Gases in einem Versuchsreaktor mit reduzierter geometrischer Komplexität in isothermen Abbrandversuchen gemessen. Die isotherme Prozessführung erlaubt die Untersuchung der Änderung der Abbrandrate während des Reaktionsfortschritts.

Aus der Kombination der Strömungssimulationssoftware, mit der die Komponenten-Erhaltungsgleichung für Sauerstoff gelöst wird, mit dem entwickelten Kinetikmodell ergibt sich ein Modell, welches die Simulation des Rußabbrands unter realen Bedingungen ermöglicht. Dieses berücksichtigt auch die Hemmung der Reaktion durch die lokale Abnahme der Sauerstoffkonzentration bei hohen Reaktionsraten.

Das Rußabbrand-Modell wird auf das Strömungsmodell des Diesel-Partikelfilters zur Simulation der Regeneration übertragen. Es zeigt sich, dass der numerische Aufwand für den technischen Einsatz - etwa zur Bewertung von Konstruktionsalternativen - sehr hoch ist. Darüber hinaus ist die Übereinstimmung von berechneten und während eines Motorprüfstandsversuchs gemessenen Temperaturen noch nicht zufriedenstellend. Als Ursache der Abweichungen wird das unterschiedliche kinetische Verhalten des Laborrußes im Vergleich zum realen Diesel-Ruß vermutet. Eine systematische Anpassung der Kinetikparameter an die Ergebnisse im Versuch ist aufgrund des zu hohen numerischen Aufwands nicht möglich.

Die Ergebnisse der Regenerationssimulation erlauben trotz der ungenauen Wiedergabe der lokalen Temperatur im Filter Aussagen qualitativer Gültigkeit über den Ablauf der Regeneration im Sintermetall-Partikelfilter. Temperaturunterschiede zu Beginn der Regeneration, welche aus der ungleichmäßigen Aufheizung der Filtertasche resultieren, bewirken lokal unterschiedliche Abbrandraten. Die Rußschicht brennt bevorzugt im radial innen gelegenen Bereich des Filters ab, während sie in der Nähe des Filtergehäuses deutlich langsamer abnimmt, so dass unvollständige Regeneration zu erwarten ist.

Due to increasingly strict vehicle emission legislation, soot particulates must be separated from the exhaust gas of modern diesel cars by means of filtration. The engine back pressure increases as a soot layer grows on the surface of the particulate filter. As a consequence, the filter must be regenerated by increase of the exhaust gas temperature above the soot ignition temperature, which causes its oxidation. During the filter regeneration peak temperature events can occur that cause damage to the filter structure.

In this work a diesel particulate filter made from sintered metal is investigated. The filter medium is a compound of a stainless steel wire mesh on which a stainless steel granulate is sintered. From this compound wedge-shaped pockets are folded and welded gas-tight. 50 to 70 pockets are arranged around a sealing disc and welded to each other and a supporting ring around them, resulting in a cylindrical filter. The exhaust gas enters and leaves the filter in the direction of the cylinder axis. The sealing disc and the welds between the pockets are at its downstream end. Between the pockets gaps are formed which open at the upstream side of the filter and narrow along its axis. Inside each filter pocket a folded sheet of stainless steel called spacer maintains its form stability.

The complex flow pattern, the soot distribution, and the temperature changes during the thermal regeneration in the filter cannot be predicted by the models currently available in the literature, as these treat ceramic wall flow filters exclusively.

The foundation of this investigation is the numerical flow model of a single filter pocket using the commercial CFD software Fluent. After an adaption of the turbulence models to allow for a combination with porous zones, the flow field inside the filter can be calculated. The flow model is validated by pressure and PIV velocity measurements in a flow experiment of a single filter pocket in a plexiglass flow channel.

An extension of the flow model allows for the simulation of the soot layer build-up on the filter pocket's surface. Proportionality of the locally deposited soot mass to the filtration velocity is the main assumption, which is equivalent to assuming homogeneous distribution of the soot in the exhaust gas. It can be shown that due to the soot particle's small size this assumption holds valid.

In an experimental reactor with reduced geometrical complexity the soot reaction rate with its dependency on temperature and oxygen concentration is experimentally investigated. Isothermal temperature control of the experimental runs allows for the investigation of the reaction rate's dependency on the reaction progress or, in other words, the fraction of remaining soot mass.

Combination of the kinetic model with the CFD software, which is used to solve the oxygen conservation equation, results in the complete soot layer combustion model. Mass transfer limitation of the reaction due to local depletion of the oxygen concentration at high reaction rates is thus accounted for. An influence of oxygen concentration gradients within the soot layer on the reaction rate can be neglected, as is shown in a theoretical investigation.

The soot layer combustion model is transferred to the flow model of the particulate filter to simulate its regeneration. It turns out that the numerical expense of the full-scale model is too high for technical applications, e.g. assessment of design alternatives. Moreover, the agreement between the resulting temperatures inside the filter pocket with measurements during an engine test bench experiment is still unsatisfactory. A cause for this discrepancy is suspected to lie in the slightly different kinetic properties of the artificial soot used in the laboratory experiments compared to those of real life diesel soot. Systematic adaption of the model's kinetic parameters to the measured temperatures is no option, again due to the high numerical expense of the simulation.

In spite of the quantitative inaccuracy of the simulation results some conclusions can be drawn from them concerning the regeneration behavior of the sintered metal diesel particulate filter. Temperature differences at the beginning of the regeneration, that result from the non-uniform convective heat up, lead to local differences in the soot combustion rates. Near the filter's central duct soot reacts rapidly, while toward the outside the reaction proceeds significantly slower. Incomplete regeneration of the filter can thus be expected, but could be avoided by design changes targeting at flow uniformity improvement.