CN102011630A - 排气后处理设备的过滤装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有过滤装置(1)的排气后处理设备，所述过滤装置具有至少两个相互独立的外壳(2)，其中在各自情况下设置至少一个微粒过滤元件(3、4)，从而形成两个烟尘过滤器(5、6)。可通过控制元件(10)关闭并且在圆周方向上闭合的无过滤元件通道管路(9)被设置在第一烟尘过滤器(5)中，所述通道管路(9)贯穿所述微粒过滤元件(3)延伸，其中至少第二烟尘过滤器(6)被连接在第一烟尘过滤器(5)的下游。

Description

排气后处理设备的过滤装置
技术领域
本发明涉及具有过滤装置的排气后处理设备，所述过滤装置具有至少两个相互分离的外壳，其中在各自情况下设置至少一个微粒过滤元件，从而在排气部分设置并形成两个烟尘过滤器。
背景技术
所述类型的排气后处理设备或过滤装置被设置在例如内燃发动机的排气部分中，并且其在例如内燃发动机是柴油发动机时被设计为用于柴油微粒过滤器。
DE 40 04 424 A1公开了用于清洁柴油发动机排气的设备，其中发动机的排气管路被分成两个分支管路，它们可以通过开关设备被选择性地关闭，其中一条分支管路经由烟尘过滤器形成末端管路，所述分支管路在烟尘过滤器的下游与作为旁通管路的另一分支管路再次合并。经烟尘过滤器导向的分支管路在高于发动机部分负载和处于全负载时借助开关设备被打开，所述开关设备可以随发动机负载而被致动。为了能够保证在实际中完全清洁排气，氧化催化转化器被安装在开关设备下游的旁通管路中或末端管路中。如果氧化催化转化器被安装在末端管路中，则它被所有排气横穿。
相反，DE 10 2004 049 511 A1涉及半主动热交换消声器，其下游设置了催化转化器。为避免在内燃发动机起动之后排气通过紧凑部件的热损耗，并且为避免在发动机处于运行温度时产生热损耗，在消声器中提供了两种不同流动路径，其中之一是绝热设计而另一流动路径被设计为使得排气被冷却。
DE 10 2005 019 466 A1相应地涉及用于内燃发动机排气系统的柴油微粒过滤器，该柴油微粒过滤器具有至少一个外壳和至少一个过滤器体。该过滤器设备包括液动串联设置的至少两个过滤器体。这两个过滤器体彼此间隔设置在共同的外壳中。在这些过滤器之间提供了腔室，在各自情况下外部连接管路展开进入腔室中。
微粒过滤器或烟尘过滤器形式的排气后处理设备需要通过燃尽捕集的烟尘微粒来定期再生。为了能够实施再生，需要将排气温度升高到高于例如550℃的值，以便启动捕集的烟尘微粒的燃尽过程。在稀燃内燃发动机例如柴油机中，如果烟尘过滤器被设置于靠近发动机，则仅在内燃发动机全负载下的正常运转期间达到所述温度水平。靠近发动机意味着烟尘或微粒过滤器被设置为足够靠近内燃发动机的排气出口，以保证排气在到微粒过滤器的流动路径上的热损耗在高温再生期间被最小化，同时获得期望的被动再生，所述期望的被动再生可以发生在烟尘过滤器实际运行期间例如200℃至350℃的温度窗中，实际运行期间也就是当它正在从排气中捕集并过滤微粒时。因为烟尘过滤器被设置为非常靠近排气出口，并且在此可供利用的安装空间非常小，所以设计参数即烟尘过滤器的尺寸和容积受到可供使用的安装空间的限制。此外，排气管路的设计(锥形、弯曲)可致使次优化的流动分配。这直接导致在高的通流(throughflow)流量下穿过烟尘过滤器的压力的极大下降，这对内燃发动机的燃料消耗具有不利的影响，特别是在所谓的自由驾驶期间。
发明内容
因此，本发明的目的是使用简单的手段改进在背景技术中指定类型的排气后处理设备或其过滤装置，使得尽管靠近发动机设置烟尘过滤器但仍避免对燃料消耗的不利影响。
根据本发明，该目的是通过具有过滤装置的排气后处理设备实现的，所述过滤装置具有至少两个相互独立的外壳，其中在各自情况下设置至少一个微粒过滤元件，从而形成两个烟尘过滤器，其中可通过控制元件关闭并且在圆周方向上闭合的无过滤元件通道管路被设置在第一烟尘过滤器内，所述通道管路仅穿过微粒过滤元件延伸，并且其中至少一个第二烟尘过滤器被连接在所述第一烟尘过滤器的下游。
因此，至少两个烟尘过滤元件被有利地串联设置在排气管路中或排气部分中，从而尽管在高通流流量下也能够获得低压力下降，并且因此可结合由(多个)烟尘过滤器产生的升高反压来获得改进的燃料消耗。
有利的是第一烟尘过滤器被设置在第二烟尘过滤器的上游并靠近发动机。
在本发明的背景下，有利的是控制元件被设计为控制阀瓣，控制阀瓣可以在关闭通道管路的位置和打开通道管路的位置之间切换。显而易见，控制阀瓣可以被设计为连续关闭的元件，从而控制阀瓣可以完全打开通道管路或者在两个极端位置之间的中间位置以连续可变的方式打开通道管路，在各自情况下与发动机负载相对应。控制元件可以有利地被切换，从而通过阻塞通道管路，少量的排气流可以流动穿过第一烟尘过滤器的微粒过滤元件，并且然后由于串联连接穿过第二烟尘过滤器的微粒过滤元件。另一方面，控制元件可以被切换，从而通过打开通道管路，大量的排气流流动穿过所述通道管路并且穿过第二烟尘过滤器的微粒过滤元件。
由于第一烟尘过滤器仅由少量排气流横穿，也就是说在内燃发动机的低负载到中等负载下被横穿，因此所述第一烟尘过滤器可以被对应地设计为更小的容积和尺寸。这特别在靠近发动机的位置处可供使用的安装空间非常小的条件下是有利的。产生的反压主要由在低排气体积流量处的最大烟尘负载限定。这构成了在较低到中等发动机负载下的主过滤机构，由于靠近发动机的位置，这对在从排气流中捕集或过滤烟尘微粒期间的高被动程度再生以及在再生期间的高热水平和最小热损耗具有直接有利的影响。
在中等到较高发动机负载(也就是说在较高排气体积流量)下，流动穿过通道管路的排气流被引导穿过第二烟尘过滤器，第二烟尘过滤器与第一烟尘过滤器串联连接并且相对第一烟尘过滤器被设置为远离发动机。第二烟尘过滤器可以有利地被设置在无需折衷容积、尺寸和安装空间的位置处。因此，可能沿着排气管路将第二烟尘过滤器设置在底盘以下(under-floor)位置中的适当点处。因此，第二烟尘过滤器的容积和尺寸相对第一烟尘过滤器可以被设计为更大，以便能够对应地过滤较高排气体积流，同时还可能保证在较高排气体积流下的较低反压。
重要的是提供具有第一烟尘过滤器和第二烟尘过滤器的过滤器系统，第一烟尘过滤器用于较低通流流量而第二烟尘过滤器用于较高通流流量，以便降低在较高通流流量下过滤器系统两端的压降，其中由于被设置为靠近发动机的相对较小的烟尘过滤器(用于较低通流流量的过滤系统)，同时改进了再生效率。
附图说明
在从属权利要求中和以下的方法描述中公开了进一步有利的实施例。在附图中：
图1以示意性说明方式显示过滤装置，其中通道管路关闭，并且
图2以示意性说明方式显示过滤装置，其中通道管路打开。
在不同附图中，一般为相同的部件提供相同的参考符号，从而所述部件一般仅描述一次。
具体实施方式
图1和图2显示具有过滤装置的排气后处理设备1，所述过滤装置具有至少两个相互独立的外壳2，其中在各自情况下设置了至少一个微粒过滤元件3、4，从而在排气部分7中设置并形成了两个烟尘过滤器5、6。
排气部分7仅以部分说明并且其引导排气从内燃发动机(例如以柴油发动机形式)的排气出口首先至第一烟尘过滤器5，并且从这里经由连接件8至第二烟尘过滤器6。从第二烟尘过滤器6起，排气被引导进入排气部分7的末端件9，在该末端件中可以设置其他部件。排气体积流从内燃发动机(未示出)处继续，由指向箭头说明。连接件8仅以示例方式图示了其轮廓并且还可以具有适于安装状况的一些其他适当设计。
能够由控制元件10关闭并在圆周方向上闭合的无过滤元件通道管路9被设置在第一烟尘过滤器5之中或之内，该通道管路9仅穿过第一烟尘过滤器5中的微粒过滤元件3延伸，并且其中第二烟尘过滤器6被连接在第一烟尘过滤器5的下游。两个烟尘过滤器5和6以串联方式被连接在排气部分7中。
第一烟尘过滤器5的外壳2具有圆锥变宽进口侧11、大致圆柱形过滤区域12和圆锥变窄出口侧13。第二烟尘过滤器6的外壳2具有相似的设计，为此原因在此使用相同的参考符号。
第一烟尘过滤器5的微粒过滤元件3被设置在过滤区域12中。通道管路9仅贯穿微粒元件3延伸。在进口侧，通道管路9在它的进口侧14稍稍凸出到圆锥形设计的进口侧11中。在出口侧16，通道管路9稍稍凸出到圆柱形设计的出口侧13中。显而易见，可能的是通道管路9的出口侧16还有进口侧14在末端与微粒过滤元件3的表面齐平，或者与举例方式图示说明的相比，进一步凸出到出口侧13中或进口侧11中。重要的是通道管路9仅延伸穿过第一烟尘过滤器5的微粒过滤元件3并且通道管路9的进口侧14不延伸穿过进口侧11。第一烟尘过滤器5的有效过滤表面面积通过通道管路9或控制元件10的控制元件表面的有效表面面积(当控制元件10被切换至关闭位置17或在中间位置)被减少。
控制元件10被设计为可以在位置17(图1)或位置18(图2)之间切换的控制阀瓣，位置17阻塞或关闭通道管路9而位置18打开或完全开放通道管路9。显而易见，控制元件10还被设计为使得可通过连续可变方式假定在极端位置17和18之间的位置，从而根据发动机负载，通道管路9被完全关闭、部分关闭/打开或完全打开。控制元件例如可以被连接至内燃发动机的控制单元(ECU)。
控制元件10被设置在例如通道管路9的进口侧14。可想像的是控制元件10被设置在通道管路9的出口侧16或在进口侧14和出口侧16之间的适当位置处。
从图1的示例中可以看出，通道管路9被设置为使得它的中心轴线X与第一烟尘过滤器5的中心轴线X1一致，也就是说对齐。通道管路9在所说明的示图中被设计为圆柱形管道，但显而易见，如果有利的话还可具有其他适当的设计。
第一烟尘过滤器5被设置为靠近发动机。在本发明的背景下，靠近发动机意味着第一烟尘过滤器5被设置为足够靠近内燃发动机的排气出口，以保证在排气在到微粒过滤器的流动路径上的热损耗在高温再生期间被最小化，同时获得期望的被动再生，所述期望的被动再生可以发生在烟尘过滤器实际运行期间例如200℃至350℃的温度窗中，实际运行期间也就是当它正在从排气中捕集并过滤微粒时。
第一烟尘过滤器5被定尺寸或被设计为稍微小于第二烟尘过滤器6，这归因于靠近内燃发动机的非常小的安装空间容积。然而，第一烟尘过滤器5的小尺寸绝不是缺点；事实上，它不仅在安装空间条件方面有利而且在较低压降以及因此改进的燃料消耗方面都是有利的。这是因为，由于微粒过滤元件3仅在较低到中等发动机负载下由排气流横穿，第一烟尘过滤器5或其微粒过滤元件3的容积可能减小。这通过控制元件10来实现，控制元件10在较低到中等发动机负载下关闭通道管路9，如在图1中以举例方式说明的。
在此方面，在少量的排气体积流的情况下，通道管路9通过控制元件10关闭。排气流动穿过微粒过滤元件3，微粒过滤元件3过滤排气中的大部分微粒或烟尘。这构成了在较低到中等发动机负载下的主要过滤机构，由于第一烟尘过滤器5的位置靠近发动机，这对从排气流中捕集或过滤烟尘或微粒期间的高被动程度的再生以及在再生期间的高热水平和最小热损耗具有直接有利的影响。清洁的排气离开第一烟尘过滤器并沿排气部分7或其连接件8流动到第二烟尘过滤器6中。
如果通道管路9在中等到较高发动机负载下通过控制元件10打开(图2)，则主要是未清洁的排气流动穿过第一烟尘过滤器5，经连接件8沿通道管路9进入第二烟尘过滤器6，并且流动穿过第二烟尘过滤器6的微粒过滤元件4，微粒过滤元件4过滤排气中的微粒或烟尘。如果控制元件被切换至位置18，则第二烟尘过滤器6构成主过滤机构。显而易见，不流动穿过通道管路9的小部分排气可以流动穿过第一烟尘过滤器5的微粒过滤元件3，但这不是不利的。
如已经指出的，第二烟尘过滤器6被设计为在容积和尺寸方面大于第一烟尘过滤器5。这是可能的，因为第二烟尘过滤器6相对于第一烟尘过滤器5被设置为远离发动机，也就是说例如在车辆底盘以下沿着排气部分7设置。第二烟尘过滤器6可以被有利地设置在不必折衷容积、尺寸和安装空间的位置处。因此，第二烟尘过滤器6的容积和尺寸可以被设计为比第一烟尘过滤器5大，以便能够对应地过滤较高排气体积流，同时有可能保证在较高排气体积流量下的较低反压。
如上所述，控制元件10可以以可变方式在两个极端位置17和18之间切换其位置。因此，可能的是例如控制流动穿过第一烟尘过滤器5或其微粒过滤元件3并穿过通道管路9的期望的排气分配(优选地根据发动机负载)，从而可能通过第一烟尘过滤器5和/或第二烟尘过滤器6获得过滤程度的分配。同样地，第一烟尘过滤器可以被设计为所谓的“开放过滤元件”，其中当第一烟尘过滤器5的保持容积被耗尽时微粒不再从排气中被过滤。然后，从第一烟尘过滤器5中排出的排气和其中携带的微粒相应地由第二烟尘过滤器6处理并过滤。
在较高排气体积流量下，需要的再生温度(＞500℃)例如通过从内燃发动机中排出的排气的相对较高出口温度(中等到较高发动机负载)获得。

Claims (10)

1.一种具有过滤装置(1)的排气后处理设备，所述过滤装置具有至少两个相互独立的外壳(2)，其中在各自情况下设置至少一个微粒过滤元件(3、4)，从而形成两个烟尘过滤器(5、6)，
其中可以通过控制元件(10)关闭并且在圆周方向上闭合的无过滤元件通道管路(9)被设置在第一烟尘过滤器(5)中，所述通道管路(9)仅贯穿所述微粒过滤元件(3)延伸，其中至少第二烟尘过滤器(6)被连接在所述第一烟尘过滤器(5)的下游。
2.如权利要求1所述的排气后处理设备，其中所述烟尘过滤器(5、6)被串联地设置在排气部分(7)中。
3.如权利要求1或2所述的排气后处理设备，其中所述第一烟尘过滤器(5)被设置在所述第二烟尘过滤器(6)上游靠近发动机处。
4.如以上权利要求之一所述的排气后处理设备，其中所述第一烟尘过滤器(5)在容积和/或尺寸方面具有比所述第二烟尘过滤器(6)更小的设计，所述第二烟尘过滤器(6)被设置为相对所述第一烟尘过滤器(5)远离发动机。
5.如以上权利要求之一所述的排气后处理设备，其中所述控制元件(10)可以被切换，以便完全关闭或完全打开所述通道管路(9)。
6.如以上权利要求之一所述的排气后处理设备，其中所述控制元件(10)可以被切换，从而所述通道管路(9)能够以连续可变的方式在闭合位置(17)和打开位置(18)之间被切换。
7.一种控制穿过排气后处理设备的排气流动的方法，所述排气后处理设备具有过滤装置(1)，特别地，排气后处理设备是如以上权利要求之一所述的排气后处理设备，其中所述过滤装置(1)具有至少两个相互分离的外壳(2)，其中在各自情况下设置至少一个微粒过滤元件(3、4)，从而形成两个烟尘过滤器(5、6)，
其中通过设置在通道管路(9)中的控制元件(10)，其中所述通道管路(9)延伸穿过所述第一烟尘过滤器(5)的所述微粒过滤元件(3)，排气流可以根据发动机负载被控制，从而使得排气流流动或穿过所述第一烟尘过滤器(5)的所述微粒过滤元件(3)和/或穿过所述第二烟尘过滤器(6)的所述微粒过滤元件(4)。
8.一种控制排气流过包括第一过滤器和第二过滤器的排气后处理设备的方法，所述第一过滤器具有第一过滤元件和延伸穿过所述第一元件的无过滤通道，其中所述排气并行地流过所述第一过滤元件和所述无过滤通道，所述第二过滤器处于与所述第一过滤器的外壳分离的外壳中，其中所述第二过滤器包括第二过滤元件并且在排气流的方向上位于所述第一过滤器的下游，所述方法包括：
通过设置在所述第一过滤器中的控制元件响应于发动机负载调整流过所述第一过滤器和所述第二过滤器的排气量。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述控制元件被调整为在低发动机负载下关闭所述无过滤通道以使得所述排气能够仅流过所述第一过滤器和所述第二过滤器，以及打开所述无过滤通道至所述第二过滤器，从而与所述第一过滤器相比，更大部分的排气流过所述无过滤通道。
10.一种排气后处理设备，其包括：
处于第一外壳中的第一过滤器，所述第一过滤器包括：
第一过滤元件，
与所述第一过滤元件平行的无过滤元件通道，及
控制元件，其被配置为调整流过所述第一过滤元件和所述无过滤元件通道的排气量；以及
处于第二外壳中的第二过滤器，所述第二过滤器在来自柴油发动机的排气的方向上位于所述第一过滤器的下游，其中所述第一过滤器的容量和尺寸小于所述第二过滤器的容量和尺寸，且所述第一过滤器被布置为靠近所述发动机，其中所述控制元件被调整为在较低发动机负载下允许与所述无过滤元件通道相比更大部分的排气流过所述第一过滤器，以及在较高发动机负载下允许与所述第一过滤器相比更大部分的排气流过所述无过滤元件通道。
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