Umlagerungsvorgänge von Partikelstrukturen in Wandstromfiltern

Partikelfilter sind heutzutage eine Standardkomponente in Abgasnachbehandlungssystemen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren und werden schon seit vielen Jahrzehnten erforscht. Die Filter wurden soweit optimiert, dass die geltenden Grenzwerte eingehalten werden. Doch trotz dieser ganzen Forschung sind noch nicht alle Fragen beantwortet. Insbesondere eine Kernfrage bleibt nach wie vor offen:

• Was passiert in einem Partikelfilter während dessen Regeneration?

An dieser zentralen Frage knüpft die Forschung der vorliegenden Arbeit an. Sie untersucht in situ mit hoher zeitlicher Auflösung die Umlagerungsvorgänge - den Schichtaufbruch, die Resuspension und den Transport - von Partikelstrukturen in einem einzelnen Ein- und Auslasskanal, welche auf der Geometrie eines Wandstromfilters beruhen. ... mehrDas Ziel ist es, ein neues fundamentales Verständnis für die Vorgänge in Partikelfiltern zu schaffen, die zwar schon lange bekannt sind, jedoch noch nie beobachtet wurden.
Mithilfe eines einsehbaren Modellfilterkanals, bei dem der komplette Einlasskanal während der Beladung und Regeneration beobachtet werden kann, werden erstmals Kenntnisse gesammelt, wie die Partikelschicht über die komplette Länge des Einlasskanals während der Regeneration aufbricht und welchen Einfluss die Parameter des Reaktiv-Inert-Verhältnisses der Partikelschicht und der Schichtdicke auf die Umlagerungsvorgänge haben.
Um die grundlegende reaktiv-inerte Partikelschicht zu bilden, wurden Asche- und Rußpartikeln unabhängig von einer motorischen Verbrennung synthetisiert und charakterisiert. Die generierten Asche- und Rußpartikeln verfügen über die gleichen Eigenschaften und chemische Zusammensetzung wie Partikeln aus der motorischen Verbrennung. Sie bieten jedoch den Vorteil, dass sich replizierbare Aerosole in größeren Mengen generieren lassen, sodass die Dauer des
Beladungsprozesses des Filters dadurch deutlich reduziert wurde.

Die Beobachtungen zeigen: Nach der Bildung der Partikelschicht werden die Rußpartikeln oxidert, die zunächst geschlossene Partikelschicht bricht auf, ihre Durchlässigkeit wird erhöht und zeitgleich wird ein Druckverlustabfall über dem Filter verursacht. Je höher der Reaktivanteil in der Partikelschicht ist, desto steiler ist der Druckverlustabfall. Der verbleibende Enddruckverlust korreliert linear mit der filtrierten Aschemasse.
Der Schichtaufbruch und die anschließenden Umlagerungsvorgänge werden vom Reaktiv-Inert-Verhältnis der Partikelschicht - dem Verhältnis der Asche- und Rußpartikeln - und auch deren Schichtdicke beeinflusst. Eine Erhöhung des Inertanteils der Partikelschicht führt zu einem späteren bzw. keinem Schichtaufbruch, wie bei einem Massenanteil von mindestens 50% Aschepartikeln in der Filterbeladung beobachtet wurde. Durch die Änderung der Adhäsionskräfte während der Regeneration werden Partikelstrukturen resuspendiert. Dazu muss eine aufgebrochene Partikelschicht vorliegen und eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit von v_{Gas} = 15 m\cdots^{-1} im Einlasskanal vorherrschen. Die Größe der resuspendierten Strukturen nimmt mit steigender Strömungsgeschwindigkeit zu. Jedoch können Resuspensionen auch losgelöst von Regenerationen entstehen: Dies geschieht allerdings nur bei inhomogenen Partikelschichten und bei - wie zuvor - ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Filterkanal.
Der Transport einer Partikelstruktur durch den Einlasskanal bis zum Kanalende dauert wenige Millisekunden. Die dabei erreichte Geschwindigkeit steht in direktem Zusammenhang mit der Größe und Form der resuspendierten Partikelstruktur, als auch mit ihrer Flugbahn.

Abschließend konnte erstmalig gezeigt werden, wie eine Partikelschicht aus reaktiven und inerten Partikeln über die komplette Länge eines Einlasskanals eines Partikelfilters in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern aufbricht. Die einhergehenden Resuspensionen und der Transport der Partikelstrukturen konnten beobachtet werden. Dabei zeigte sich, dass resuspendierte Strukturen bis an das Kanalende transportiert werden, sich dort erneut ablagern und so mit der
Zeit über die regelmäßigen Regenerationszyklen des Partikelfilters eine Kanalverfüllung bilden können.

Particulate filters are nowadays a standard component in exhaust gas aftertreatment systems for vehicles with combustion engines and have been the subject of research for many decades. The filters have been optimized to such an extent that the applicable limit values are met. However, despite all this research, not all questions have been answered. One key question in particular remains unanswered:

• What happens in a particulate filter during its regeneration?

This key question is the starting point for the research in this thesis. It investigates in situ with high temporal resolution the rearrangement processes - layer break-up, resuspension and transport - of particle structures in a single inlet and outlet channel based on the geometry of a wall-flow filter. ... mehrThe aim is to create a new fundamental understanding of the processes in particulate filters, which have been known for a long time but have never been observed.
Using a model filter channel in which the entire inlet channel can be observed during loading and regeneration, knowledge is gained for the first time on how the particle layer breaks-up over the entire length of the inlet channel during regeneration. In addition, the influence of the parameters of the reactive-inert ratio of the particle layer and the layer thickness on the rearrangement processes will be investigated.
To form the basic reactive-inert particle layer, ash and soot particles were synthesized and characterized independently of engine combustion. The generated ash and soot particles have the same properties and chemical composition as particles from engine combustion. However, they offer the advantage that replicable aerosols can be generated in larger quantities, which significantly reduces the duration of the filter loading process.

The experiments show: After the formation of the particle layer, the soot particles are oxidized. The initially closed particle layer breaks up and its permeability is increased. At the same time a decrease in pressure drop across the filter is caused. The higher the reactive content in the particle layer, the steeper the decrease in the pressure drop. The remaining final pressure drop correlates linearly with the filtered ash mass.
The layer break-up and the subsequent rearrangement processes are influenced by the reactive-inert ratio of the particle layer - the ratio of ash and soot particles - and also their layer thickness. An increase in the inert fraction of the particle layer leads to a later or no layer break-up, as was observed with a mass fraction of at least 50% of ash particles in the filter loading.
Particle structures are resuspended due to the change in adhesion forces during regeneration. This requires a broken up particle layer and a sufficiently high flow velocity of v_{Gas} = 15 m\cdots^{-1} in the inlet channel. The size of the resuspended structures increases with increasing flow velocity. However, resuspension can also occur independently of regeneration. However, this only occurs with inhomogeneous particle layers and sufficiently high flow velocities in the filter channel.
The transport of a particle structure through the inlet channel to the end of the channel takes a few milliseconds. The velocity achieved is directly related to the size and shape of the resuspended particle structure as well as its trajectory.

Finally, it was possible to show for the first time how a particle layer of reactive and inert particles breaks up over the entire length of an inlet channel of a particulate filter as a function of various parameters. The accompanying resuspension and transport of the particle structures could be observed. It was shown that resuspended structures are transported to the end of the channel, where they are redeposited and can thus form a channel filling over time via the regular regeneration cycles of the particulate filter.