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DE102018114287B4 - Verfahren zur Herstellung zumindest eines Aschebildners für einen Partikelfilter einer Abgasanlage eines Ottomotors oder Dieselmotors - Google Patents

Verfahren zur Herstellung zumindest eines Aschebildners für einen Partikelfilter einer Abgasanlage eines Ottomotors oder Dieselmotors Download PDF

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Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Verfahren zur Herstellung zumindest eines Aschebildners (1) für einen Partikelfilter einer Abgasanlage eines Ottomotors oder Dieselmotors, aus einem mehrlagigen Wafer, der aschebildende Komponenten (2) oder Aschekomponenten oder Asche enthält, mit folgenden Merkmalen:- Bereitstellen einer streifenförmigen Mittellage (3) des Wafers und Einbringen einer Mehrzahl von Aufnahmelöchern (6) in die Mittellage (3),- Bereitstellen einer streifenförmigen Bodenlage (4) des Wafers und dauerhaftes Verbinden der Bodenlage (4) mit der Mittellage (3),- Befüllen der Aufnahmelöcher (6) der Mittellage (3) mit den aschebildenden Komponenten (2) oder den Aschekomponenten oder der Asche,- Bereitstellen einer streifenförmigen Decklage (5) des Wafers und dauerhaftes Verbinden der Decklage (5) mit der Mittellage (3),- Ausstanzen zumindest eines Aschebildners (1) aus dem Wafer, und- Einbringen einer Mehrzahl von Durchströmungsöffnungen (7) in diejenigen Bereiche des Aschebildners (1), in denen keine aschebildenden Komponenten (2) oder keine Aschekomponenten oder keine Asche vorhanden sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Aschebildners für einen Partikelfilter einer Abgasanlage eines Ottomotors oder Dieselmotors.
  • Die laufenden gesetzlichen Forderungen zur Verbrauchsreduktion und die gleichzeitige Verschärfung der Partikelgrenzwerte (Masse und Anzahl) stellen in einem zunehmenden Maße eine Herausforderung für die Entwicklung von Verbrennungsmotoren dar. Die Einhaltung zukünftiger Partikelgrenzwerte unter den geforderten Randbedingungen wird zukünftig einer Verbrauchsabsenkung im Wege stehen. Dieses führt dazu, dass in Zukunft fast alle Verbrennungsmotoren mit einem Partikelfilter ausgestattet werden müssen, wie dieses bei Dieselmotoren bereits heute der Fall ist.
  • In einem Partikelfilter wird der Ruß aus der Verbrennung abgeschieden und durch eine gezielte Regeneration des Filters wieder in gasförmige Bestandteile umgewandelt. Darüber hinaus verbleiben im Filter dauerhaft Aschebestandteile, die ihren Ursprung in Motoröl- und/oder Kraftstoffadditiven haben. Die derzeit verwendeten Partikelfilter weisen zwei Filterfunktionen auf. Dabei handelt es sich einerseits um eine Tiefenfiltration und andererseits um eine Oberflächenfiltration. Bei der Tiefenfiltration erfolgt das Abscheiden der Partikel in der Wand des Partikelfilters. Bei der Oberflächenfiltration erfolgt die Filtration auf der Oberfläche des Filters. Über die Laufzeit wird der Partikelfilter immer mehr vom Tiefenfilter zum Oberflächenfilter. Die Tiefenfiltration ist mit einem hohen Druckanstieg verbunden, da in diesem Fall die Permeabilität des Abgases besonders negativ beeinflusst wird. Sind die Poren in der Wand weitgehend mit Ruß belegt, lagert sich im Folgenden der Ruß vornehmlich auf der Wand ab. Diese Oberflächenfiltration führt zu einem moderaten Druckanstieg, der geringer als bei der Tiefenfiltration ist. Wird der Ruß im Filter nun regeneriert, so baut sich der Druck mit einem Hystereseverhalten ab, das heißt im ersten Schritt mit einem großen Druckabfall und anschließend mit einem moderaten Druckabfall.
  • Im Gegensatz zu Ruß lagert sich die Asche im Partikelfilter stets auf der Wand und nicht in der Wand ab. Hierdurch wird die Tiefenfiltration des Rußes grundsätzlich und irreversibel unterbunden, da der Ruß die Ascheschicht nicht durchdringen kann. Für den Druckanstieg mit steigender Rußeinlagerung bedeutet dies, dass sich über den gesamten Bereich ein linearer Zusammenhang ohne Hysterese einstellt. Die Güte der Bestimmung der Rußbeladung durch eine Gegendruckmessung wird dadurch signifikant verbessert, wodurch Rußregenerationsstrategien zielgerichteter und verbrauchsoptimaler gesteuert werden können.
  • Es ist bereits bekannt, bei der Herstellung einer Abgasanlage eines Ottomotors, die mit einem Partikelfilter ausgestattet ist, zwischen zwei zum Durchleiten von Abgasen vorgesehenen Bauteilen einen Aschebildner anzuordnen, der aschebildende Komponenten oder Asche enthält. Der Aschebildner fungiert darüber hinaus auch als Abstandselement, um diese Bauteile der Abgasanlage relativ zueinander zu positionieren. Nach dem Positionieren der mindestens zwei Bauteile mit dem zwischen diesen angeordneten Aschebildner werden die Bauteile dauerhaft miteinander verbunden. Es erfolgt dann beim ersten Aufheizen der Abgasanlage ein Verbrennen des Aschebildners. Dadurch werden die aschebildenden Komponenten freigesetzt und auf dem Partikelfilter abgeschieden. Dem Aschebildner kommt somit nicht nur die Funktion zu, während des Fertigungsprozesses sicherzustellen, dass die Bauteile der Abgasanlage richtig zueinander positioniert sind und insbesondere auch den erforderlichen Abstand zueinander einhalten. Da der Aschebildner aschebildende Komponenten enthält, verbrennt der Aschebildner beim ersten Aufheizen der Abgasanlage, so dass die aschebildenden Komponenten freigesetzt und auf dem Partikelfilter abgeschieden werden.
  • Die JP 2004-150 330 A offenbart einen Partikelfilter für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Aschebildner, der durch ein entflammbares Blatt aus einem luftdurchlässigen Papier gebildet ist und bei einem erstmaligen Aufheizen der Abgasanlage verbrennt.
  • Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Aschebildners für einen Partikelfilter einer Abgasanlage eines Ottomotors oder Dieselmotors zur Verfügung zu stellen, welches die Herstellung des zumindest einen Aschebildners auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Aschebildners mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung zumindest eines Aschebildners für einen Partikelfilter einer Abgasanlage eines Ottomotors oder Dieselmotors aus einem mehrlagigen Wafer, der aschebildende Komponenten oder Aschekomponenten oder Asche enthält, weist die nachfolgenden Merkmale auf:
    • - Bereitstellen einer streifenförmigen Mittellage des Wafers und Einbringen einer Mehrzahl von Aufnahmelöchern in die Mittellage,
    • - Bereitstellen einer streifenförmigen Bodenlage des Wafers und dauerhaftes Verbinden der Bodenlage mit der Mittellage,
    • - Befüllen der Aufnahmelöcher der Mittellage mit den aschebildenden Komponenten oder den Aschekomponenten oder der Asche,
    • - Bereitstellen einer streifenförmigen Decklage des Wafers und dauerhaftes Verbinden der Decklage mit der Mittellage,
    • - Ausstanzen zumindest eines Aschebildners aus dem Wafer, und
    • - Einbringen einer Mehrzahl von Durchströmungsöffnungen in diejenigen Bereiche des Aschebildners, in denen keine aschebildenden Komponenten oder Aschekomponenten oder Asche vorhanden sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des zumindest einen Aschebildners. Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Aschebildner kann zum Beispiel an einem Einlass eines Partikelfilters einer Abgasanlage eines Ottomotors/Dieselmotors oder an einem Auslass oder Einlass eines Katalysators der Abgasanlage angeordnet werden. Alternativ kann der Aschebildner auch zwischen dem Partikelfilter und dem Katalysator der Abgasanlage angeordnet werden. Beim ersten Aufheizen der Abgasanlage werden die aschebildenden Komponenten oder Aschekomponenten des Aschebildners freigesetzt und werden auf dem Partikelfilter abgeschieden. Ist der Aschebildner direkt vor dem Partikelfilter platziert, können die in dem Aschebildner enthaltenen aschebildenden Komponenten bei deren, Freisetzung nur auf den Partikelfilter wirken, so dass andere Motorkomponenten hiervon nicht betroffen sind. Die Ascheschicht kann insbesondere als Filterkuchen auf die Oberfläche der Kanalwände des Partikelfilters aufgebracht werden. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass der Partikelfilter nach dem ersten Aufheizen der Abgasanlage bereits seine volle Filtrationsrate erreicht. Die aschebildenden Komponenten oder Aschekomponenten, die nach dem Verbrennen die Ascheschicht bilden, bestehen vorzugsweise aus Elementen, die im späteren Betrieb nicht durch eine Oxidation oder eine generelle Ablösung wieder entfernt werden können. Solche Elemente sind zum Beispiel Ca, Mg, P, Zn, MgO, Al2O3 und CaO.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Mittellage aus Papier oder Pappe bereitgestellt wird. Es hat sich gezeigt, dass sich Papier oder Pappe, aus denen die Mittellage des Aschebildners hergestellt ist, besonders gut zur Aufnahme der aschebildenden Komponenten eignen. Vorzugsweise kann die Bodenlage aus Papier oder Pappe bereitgestellt werden. Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Decklage aus Papier oder Pappe bereitgestellt wird. Die aus Papier beziehungsweise Pappe hergestellten streifenförmigen Lagen zeichnen sich durch ihre hervorragenden Abbrandeigenschaften und durch eine einfache und kostengünstige Herstellung aus. So können die Lagen aus Papier beziehungsweise Pappe sehr einfach zugeschnitten werden. Alternativ ist es auch möglich, dass zumindest eine der Lagen aus Kunststoff hergestellt ist.
  • Um die dauerhafte Verbindung der drei Lagen besonders einfach herstellen zu können, wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Bodenlage und die Decklage durch Verkleben mit der Mittellage verbunden werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Aufnahmelöcher durch Ausstanzen in die Mittellage eingebracht werden. Dadurch wird eine besonders einfache Herstellung der Aufnahmelöcher in der Mittellage für das Einfüllen der aschebildenden Komponenten ermöglicht. Die Form der Aufnahmelöcher kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Denkbar sind zum Beispiel kreisrunde, länglich oval geformte oder auch mehreckige Aufnahmelöcher.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Durchströmungsöffnungen durch Ausstanzen in den zumindest einen Aschebildner eingebracht werden. Die Durchströmungsöffnungen können durch das Ausstanzen besonders einfach hergestellt werden. Die Form der Durchströmungsöffnungen kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Denkbar sind zum Beispiel kreisrunde, länglich oval geformte oder auch mehreckige Durchströmungsöffnungen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Aschebildner mit einer derartigen Kontur aus dem Wafer herausgestanzt wird, dass der Aschebildner als Abstandselement zwischen zwei zum Durchleiten von Abgasen vorgesehenen Bauteilen der Abgasanlage verwendbar ist. Wenn der zwischen den beiden zum Durchleiten von Abgasen vorgesehenen Bauteilen der Abgasanlage angeordnete Aschebildner als Abstandselement fungiert, ist er dazu geeignet, diese Bauteile relativ zueinander zu positionieren. Er ermöglicht ferner, dass der erforderliche Abstand der Bauteile zueinander eingehalten wird.
  • Vorzugsweise kann der zumindest eine Aschebildner mit einer ringförmigen oder kreisförmigen Kontur aus dem Wafer herausgestanzt werden. Insbesondere ein als Ring ausgebildeter Aschebildner eignet sich in vorteilhafter Weise als Abstandselement, das zwischen den beiden zum Durchleiten von Abgasen vorgesehenen Bauteilen der Abgasanlage angeordnet werden kann, so dass diese relativ zueinander positioniert und voneinander beabstandet werden können.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass mehrere Aschebildner aus dem Wafer herausgestanzt werden. Somit können mehrere Aschebildner auf einfache Weise und sehr kostengünstig aus einem einzigen Wafer hergestellt werden.
  • Die Verwendung des in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten Aschebildners in einer Abgasanlage eines mit einem Partikelfilter ausgestatteten Ottomotors bietet insbesondere folgende Vorteile:
    • - Es ist möglich, die Asche genau auf der Oberfläche des Partikelfilters aufzubringen.
    • - Die Ascheschicht kann bei entsprechender Ausstattung des jeweiligen Aschebildners mit aschebildenden Komponenten bezüglich ihrer Dicke und Zusammensetzung genau eingestellt werden.
    • - Die Tiefenfiltration wird gezielt unterbunden und damit kann eine klare Zuordnung zwischen Gegendruck und angelagertem Ruß hergestellt werden.
    • - Die Filtrationsrate heutiger Partikelfilter nimmt erst nach einer gewissen Laufzeit den gewünschten Wert an. Die Filtrationsrate erreicht durch die Verwendung des Aschebildners bereits direkt im Anschluss an das erste Aufheizen der Abgasanlage den geforderten Wert.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen
    • 1 ein Ablaufdiagramm, welches die Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Aschebildners für einen Partikelfilter eines Ottomotors oder Dieselmotors aus einem Wafer mit aschebildenden Komponenten veranschaulicht,
    • 2 eine vergrößerte, schematisch stark vereinfachte Schnittansicht eines Teils des Aschebildners, der mittels des in 1 gezeigten Verfahrens hergestellt worden ist.
  • Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Aschebildner 1, der aschebildende Komponenten 2 für einen Partikelfilter eines Ottomotors oder Dieselmotors enthält und der mittels des nachfolgend näher erläuterten Verfahrens hergestellt worden ist, dreilagig ausgeführt. Der Aschebildner 1 weist eine Mittellage 3, eine Bodenlage 4 und eine Decklage 5 auf, die miteinander verbunden sind.
  • Ein derartiger Aschebildner 1 wird aus einem Wafer in der nachfolgend beschriebenen Weise hergestellt. In einem ersten Schritt 100 wird eine streifenförmige Mittellage 3, die aus Papier oder Pappe hergestellt ist, bereitgestellt. In diese Mittellage 3 wird eine Mehrzahl von Aufnahmelöchern 6 zur Aufnahme der aschebildenden Komponenten 2 eingebracht. Vorzugsweise werden die Aufnahmelöcher 6 in die Mittellage 3 eingestanzt. Dadurch können die Aufnahmelöcher 6 in besonders einfacher Weise erzeugt werden. Die Form der Aufnahmelöcher 6 kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Denkbar sind zum Beispiel kreisrunde, länglich oval geformte oder auch mehreckige Aufnahmelöcher 6.
  • Nachfolgend wird in einem zweiten Schritt 101 eine Bodenlage 4 bereitgestellt, die ebenfalls streifenförmig ausgebildet ist und vorzugsweise aus Papier oder Pappe hergestellt ist. Die Bodenlage 4 wird in geeigneter Weise dauerhaft mit der Mittellage 3 verbunden. Vorzugsweise wird die Bodenlage 4 mit der Mittellage 3 verklebt.
  • In einem weiteren Schritt 102 werden die Aufnahmelöcher 6 der Mittellage 3 mit aschebildenden Komponenten 2 oder Aschekomponenten, wie zum Beispiel Mg, Ca, Al, Fe, MgO, CaO, Al2O3 oder FeO, befüllt. Die Schichtdicke der Mittellage 3 sowie die Anzahl und Größe der darin eingestanzten Aufnahmelöcher 6 definieren die Menge der aschebildenden Komponenten 2, die in der Mittellage 3 aufgenommen werden kann.
  • Nach dem Einbringen der aschebildenden Komponenten 2 in die Aufnahmelöcher 6 der Mittellage 3 wird in einem nachfolgenden Schritt 103 eine Decklage 5 bereitgestellt, die streifenförmig ausgebildet ist und vorzugsweise ebenfalls aus Papier oder Pappe hergestellt ist. Mittels der Decklage 5 werden die Aufnahmelöcher 6 der Mittellage 3 verschlossen. Die Decklage 5 kann insbesondere mit der Mittellage 3 verklebt werden. Dadurch wird ein dreilagiger Wafer zur Verfügung gestellt, in dem die aschebildenden Komponenten 2 verpackt sind.
  • In einem nächsten Schritt 104 wird der Wafer ausgestanzt, so dass der Aschebildner 1 in der gewünschten Kontur erhalten werden kann. Vorzugsweise können aus dem Wafer mehrere Aschebildner 1 ausgestanzt werden, so dass eine Mehrzahl von Aschebildnern 1 sehr einfach und kostengünstig aus einem einzigen Wafer hergestellt werden kann. Der (mindestens eine) aus dem Wafer ausgestanzte Aschebildner 1 wird in einem nachfolgenden Schritt 105 durch Ausstanzen einer Mehrzahl von Durchströmungsöffnungen 7 in denjenigen Bereichen, in denen keine aschebildenden Komponenten 2 vorhanden sind, gelocht. Diese Durchströmungsöffnungen 7 ermöglichen im Gebrauch des Aschebildners 1 eine wirksame Durchströmung des Aschebildners 1 mit heißen Abgasen. Die Form der Durchströmungsöffnungen 7 kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Denkbar sind zum Beispiel kreisrunde, länglich oval geformte oder auch mehreckige Durchströmungsöffnungen 7.
  • Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Aschebildner 1 mit einer derartigen Kontur aus dem Wafer herausgestanzt wird, dass der Aschebildner 1 als Abstandselement zwischen zwei zum Durchleiten von Abgasen, vorgesehenen Bauteilen der Abgasanlage verwendbar ist. Beispielsweise kann der zumindest eine Aschebildner 1 mit einer ringförmigen oder kreisförmigen Kontur aus dem Wafer herausgestanzt werden.
  • Der in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellte Aschebildner 1 kann insbesondere an einem Einlass eines Partikelfilters einer Abgasanlage eines Ottomotors oder an einem Einlass oder Auslass eines Katalysators der Abgasanlage oder zwischen dem Partikelfilter und dem Katalysator angeordnet werden. Nach dem ersten Start des Ottomotors brennt der Aschebildner 1 ab. Alternativ kann dieser Schritt auch mittels eines externen Brenners durchgeführt werden. In beiden Fällen werden dabei die aschebildenden Komponenten 2 freigesetzt, die dadurch vorzugsweise einen Filterkuchen für den Partikelfilter des Ottomotors oder Dieselmotors bilden können.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung zumindest eines Aschebildners (1) für einen Partikelfilter einer Abgasanlage eines Ottomotors oder Dieselmotors, aus einem mehrlagigen Wafer, der aschebildende Komponenten (2) oder Aschekomponenten oder Asche enthält, mit folgenden Merkmalen: - Bereitstellen einer streifenförmigen Mittellage (3) des Wafers und Einbringen einer Mehrzahl von Aufnahmelöchern (6) in die Mittellage (3), - Bereitstellen einer streifenförmigen Bodenlage (4) des Wafers und dauerhaftes Verbinden der Bodenlage (4) mit der Mittellage (3), - Befüllen der Aufnahmelöcher (6) der Mittellage (3) mit den aschebildenden Komponenten (2) oder den Aschekomponenten oder der Asche, - Bereitstellen einer streifenförmigen Decklage (5) des Wafers und dauerhaftes Verbinden der Decklage (5) mit der Mittellage (3), - Ausstanzen zumindest eines Aschebildners (1) aus dem Wafer, und - Einbringen einer Mehrzahl von Durchströmungsöffnungen (7) in diejenigen Bereiche des Aschebildners (1), in denen keine aschebildenden Komponenten (2) oder keine Aschekomponenten oder keine Asche vorhanden sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellage (3) aus Papier oder Pappe bereitgestellt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenlage (4) aus Papier oder Pappe bereitgestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklage (5) aus Papier oder Pappe bereitgestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenlage (4) und die Decklage (5) durch Verkleben mit der Mittellage (3) verbunden werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmelöcher (6) durch Ausstanzen in die Mittellage (3) eingebracht werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmungsöffnungen (7) durch Ausstanzen in den zumindest einen Aschebildner (1) eingebracht werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Aschebildner (1) mit einer derartigen Kontur aus dem Wafer herausgestanzt wird, dass der Aschebildner (1) als Abstandselement zwischen zwei zum Durchleiten von Abgasen vorgesehenen Bauteilen der Abgasanlage verwendbar ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Aschebildner (1) mit einer ringförmigen oder kreisförmigen Kontur aus dem Wafer herausgestanzt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aschebildner (1) aus dem Wafer herausgestanzt werden.
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