Untersuchungen zur Durchströmung, Beladung und Regeneration eines Diesel-Partikelfilters (2009)

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.