DE10003816A1 - Regenerierbarer Partikelfilter zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen regenerierbaren Partikelfilter zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen insbesondere von Dieselbrennkraftmaschinen. Dabei ist in einem Filtergehäuse (1) ein keramischer Filterkörper (4) zwischen einem Abgaszuführrohr (12) und einem Abgasableitungsrohr (3) angeordnet. Der Filterkörper (4) hat eine Vielzahl von über den Querschnitt waben- oder schachbrettförmig verteilter Kanäle (5, 6). Die Kanäle (5, 6) sind abwechselnd an ihren Enden verschlossen, so dass das Abgas nach Eintritt in eine Gruppe von Kanälen (6) durch die porösen Wände (9) zu der anderen Gruppe von Kanälen (5) strömen muss, um dann zum Abgasableitungsrohr (3) zu gelangen. Am verschlossenen Ende der zum Abgaszuführrohr (2) offenen Kanäle (6) sind elektrische Heizelemente (10) angeordnet. Sie entzünden bei Aufheizung die sich hier in besonderem Maße anhäufende Rußpartikelablagerung (13). Da in der Nähe der Heizelemente (10) kaum eine Gasströmung herrscht, erfolgt eine gute Verbrennung des Rußes und damit eine zuverlässige Regenerierung des Filters.

Description

Die Erfindung betrifft einen regenerierbaren Partikelfilter zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Einrichtung zur Reinigung der Ab­ gase von Dieselmotoren ist mit DE 38 24 578 C2 beschrie­ ben. Bei dieser Einrichtung ist innerhalb des Filterge­ häuses und in Strömungsrichtung vor dem Filterkörper eine elektrische Heizeinrichtung zum Aufheizen des einströmen­ den Abgases bis auf eine Temperatur, die ausreicht, die in den Kanälen des Filterkörpers abgelagerten Rußpartikel zu entzünden. Da die gesamte Abgasmenge auf die Zündtem­ peratur erwärmt werden muss, ist dazu eine erhebliche E­ nergiemenge erforderlich, die im Allgemeinen in einem Kraftfahrzeug nicht zur Verfügung steht.

Um bei einem weiteren bekannten Rußfilter für Dieselmotoren den Energieaufwand zur Erzielung der Zünd­ temperatur für den an keramischen Filtern abgelagerten Ruß zu reduzieren, wird mit DE 35 29 684 A1 vorgeschla­ gen, Teilsegmente des Filters mit elektrischen Heizungen zu versehen und die die Teilsegmente durchströmende Ab­ gasmenge segmentweise nacheinander elektrisch zur Entzün­ dungstemperatur des Rußes aufzuheizen.

Da auch bei diesem Rußfilter als wärmeübertra­ gendes Mittel von den elektrischen Heizungen zu den Ruß­ ablagerungen ein Gasstrom verwendet wird, werden auch hier sehr große Heizleistungen erforderlich, die darüber hinaus während des gesamten Regenerierungsprozesses er­ forderlich sind.

Mit DE 36 22 623 A1 ist eine Vorrichtung zum Beseitigen des von einem Abgasfilter einer Brennkraftma­ schine zurückgehaltenen Rußes beschrieben, bei dem die Zündung des auf dem Filter abgeschiedenen Rußes mittels elektrischem Stromfluss durch die Rußablagerung selbst erfolgt, in dem der abgeschiedene Ruß als Heizleiter wirkt.

Eine solche Vorrichtung arbeitet allerdings nur unzuverlässig, da die Konsistenz der Rußablagerung nicht immer gleichbleibend ist und somit auch unterschiedlich starke Ströme zum Aufheizen erforderlich sind.

Mit DE 39 02 812 C1 ist ein Elektroabscheider zur Abscheidung von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom von Verbrennungseinrichtungen bzw. Verbrennungsmaschinen und deren katalytisch eingeleitete Verbrennung mittels einer Elektroheizeinrichtung beschrieben. Als Heizeinrichtung wird hier ein um den äußeren Umfang eines Isolators für eine Hochspannungselektrode gelegte Heizleiter verwendet, dem zusätzlich eine thermostatisch geregelte Elektroheiz­ einrichtung zugeordnet ist, deren Oberfläche als Kataly­ sator ausgebildet ist.

Eine derartige Einrichtung ist sehr bauaufwen­ dig und für ein Kraftfahrzeug kaum, wegen des erforderli­ chen Aufwandes, anwendbar.

Die EP 0 383 187 B1 beschreibt ein System zur Regenerierung eines Partikelfilters, bei dem mittels ei­ ner Luftpumpe elektrisch aufgeheizte Luft auf die Front­ seite des Filters gebracht wird. Der hier zu erbringende Aufwand ist erheblich und für ein übliches Kraftfahrzeug zu hoch.

Die DE 41 03 653 C1 beschreibt einen Rußab­ brennfilter aus einem porösen keramischen Werkstoff mit wechselseitig verschlossenen Abgaskanälen zum Filtern der Abgase von Dieselmotoren und mit einer an der Abgasaus­ trittsseite des Filters angeordneten Hochspannungszündan­ lage. Eine der Hochspannungselektroden liegt dabei ent­ lang der Abgaskanäle im Filter. Die andere Elektrode liegt an der Abgasaustrittsseite. Als Träger für die Elektroden dient der Verschluss der Abgaskanäle. Die Zün­ dung der Rußablagerungen erfolgt durch Funkenüberschlag zwischen den Elektroden. Nachteilig ist, dass für diesen Filter eine Hochspannungsgenerierung erforderlich ist und Vorkehrungen getroffen werden müssen, um das Berühren der Hochspannung führenden Teile durch Personen auszuschlie­ ßen.

Mit DE 198 24 285 A1 ist ein Rußfilter be­ schrieben, bei dem zur Herabsetzung der Zündtemperatur der Rußpartikel der keramische Filterkörper aus einem Gestrick hochfeiner Keramikfäden, die von einem warmfes­ ten Draht durchzogen sind, besteht und mit einer kataly­ tischen Beschichtung versehen sind. Ein derartiger Ruß­ filter senkt zwar die Zündtemperatur des Rußes. Ein ge­ zieltes Einsetzen der Regenerierung kann aber nur über die Steuerung der Abgastemperatur erreicht werden, was wiederum einen Eingriff in den motorischen Verbrennungs­ prozess erfordert. Ein solcher Rußfilter ist auch relativ teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen regenerierbaren Partikelfilter zum Entfernen von Rußpar­ tikeln aus Abgasen, insbesondere Abgasen von in Kraft­ fahrzeugen eingebauten Dieselmotoren zu schaffen, der mit relativ geringem Aufwand herstellbar und betreibbar ist, dessen Regenerierung mit einem vertretbaren an Bord eines Kraftfahrzeuges bereitstellbaren Energieaufwand gezielt gestartet werden kann und dessen Regenerierungsprozess nach dem Start ohne Zufuhr weiterer Fremdenergie abläuft.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merk­ malen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegen­ stand.

Bei einem gattungsgemäßen Partikelfilter tritt der Abgasstrom an einer Seite des Filterkörpers in die nach dieser Seite offenen Kanäle des Filterkörpers ein, durchströmt die Poren der Wände und gelangt so in die zur Abströmseite offenen Kanäle des Filterkörpers. Die im Ab­ gasstrom befindlichen Rußpartikel bleiben an der Oberflä­ che der porösen Wände innerhalb der zur Zuströmseite of­ fenen Kanäle zurück. Da die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases innerhalb dieser Kanäle bis zu deren verschlosse­ nen Enden stetig abnimmt, die Partikel in Folge ihrer Masse jedoch in geringerem Maße als das Gas ihre Ge­ schwindigkeit reduzieren, häufen sich die Rußpartikel am verschlossenen Ende des Kanals stärker an als an den wei­ ter zur Zutrittsöffnung liegenden Wandpartien.

Durch Anordnung von Heizelementen am hinteren verschlossenen Ende dieses Kanals kann die dort in ver­ stärktem Maße abgelagerte Menge von Rußpartikeln entzün­ det werden. Dies gelingt auch in sofern besser als bei bekannten Rußfiltern mit Heizeinrichtungen am Abgasein­ tritt, als das mit geringerer Temperatur als die Zündtemperatur in den Filterkörper einströmende Abgas nur mit geringer Intensität bis zum verschlossenen Ende des Ka­ nals vordringt und somit die Umgebung des Heizelementes nicht abkühlen kann. Nach Entzündung der am Heizelement anliegenden wesentlichen Menge der Rußpartikel erhöht sich die angrenzende Temperatur durch die Verbrennung der Rußpartikel weiterhin und der Verbrennungsvorgang setzt sich in der Rußpartikel-Ablagerung entlang der Wand des Kanals in Richtung zur Gaszuführungsöffnung fort. Das bei dieser Verbrennung im Wesentlichen entstehende CO2 und CO kann die poröse Wand des Filterkörpers passieren und wird in einem dem Partikelfilter nachgeschalteten Katalysator entgiftet.

Das Zünd- und Brennverhalten der Rußpartikel- Ablagerung kann weiterhin verbessert werden durch eine katalytische Beschichtung der Wände der das Abgas aufneh­ menden Kanäle des Filterkörpers mit einem Katalysator, der die Zündtemperatur von Dieselruß herabsetzt.

Ebenso ist es möglich, eine zu den Kanälen hin­ weisende Fläche der Heizelemente mit einer die Entzün­ dungstemperatur des Rußes reduzierenden katalytischen Be­ schichtung zu versehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nach­ stehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zei­ gen

Fig. 1 einen regenerierbaren Partikelfilter gemäß der Erfindung im Schnitt;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Schnittes durch einen Filterkörper des Partikelfilters nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht in Strömungsrichtung auf die Stirnseite des Filterkörpers nach Fig. 2;

Fig. 4 die vergrößerte Darstellung eines Ka­ nalendes des Filterkörpers mit Ruß­ partikel-Ablagerungen im Schnitt.

Ein Filtergehäuse 1 mit im Wesentlichen zylind­ rischer Form weist an einer Seite ein Abgaszuführungsrohr 2 und an der anderen Seite ein Abgasableitungsrohr 3 auf. Das Filtergehäuse 1 umschließt zwischen dem Abgaszuführ­ rohr 2 und dem Abgasableitungsrohr 3 einen keramischen Filterkörper 4. Der Filterkörper 4 hat eine Vielzahl von über den Querschnitt schachbrettartig verteilte in Strö­ mungsrichtung des Abgases ausgerichtete Kanäle 5, 6. Ein erster Teil dieser Kanäle 5 ist an ihren zum Abgaszuführ­ rohr 2 weisenden Ende mit Stopfen 7 verschlossen. Der an­ dere Teil der Kanäle 6, welche den ersteren Kanälen 5 je­ weils benachbart sind, ist an dem zum Abgasableitungsrohr 3 weisenden Ende mit Verschlussstücken 8 verschlossen. Die ersteren Kanäle 5 und die benachbarten anderen Kanäle 6 sind durch poröse Wände 9 voneinander getrennt. Die Verschlussstücke 8 sind mit in Richtung auf das Innere der Kanäle 6 gerichteten elektrischen Heizelementen 10 versehen. Zu den elektrischen Heizelementen 10 führen elektrische Leitungen 11, über welche die Heizelemente 10 mit elektrischer Energie versorgt werden können. Mit den Pfeilen 12 ist der Strömungsverlauf des Abgases durch den Filterkörper 4 dargestellt (Fig. 2).

In Fig. 4 ist eine Rußpartikelablagerung 13 in einem der zum Abgaszuführrohr 2 offenen Kanal 6 dargestellt.

Die Oberfläche 14 der Wände 9 der zum Abgaszu­ führrohr 2 offenen Kanäle 6 sowie die zu diesen Kanälen 6 hinweisende Fläche 15 der Heizelemente 10 sind mit einer katalytischen Beschichtung versehen, welche die Entzün­ dungstemperatur des Rußes reduziert. Eine solche Be­ schichtung ist beispielsweise mit DE 36 23 600 A1 angege­ ben.

Ein regenerierbarer Partikelfilter der be­ schriebenen Art ist bei einer Dieselbrennkraftmaschine zwischen dem Motor und einem Katalysator angeordnet. Das vom Motor kommende Abgas tritt durch das Abgaszuführrohr 2 in das Filtergehäuse 1 ein und gelangt in die zum Ab­ gaszuführrohr 2 hin offenen Kanäle 6 des Filterkörpers 4. Aus diesen Kanälen 6 durchdringt das Abgas die porösen Wände 9, um in die zum Abgasableitungsrohr 3 offenen Ka­ näle 5 des Filterkörpers 4 zu gelangen, wobei die im Ab­ gas mitgeführten Rußpartikel an den Wänden 9 zurückgehal­ ten werden. Dabei nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases innerhalb der ersten Kanäle 6 zunehmend ab, bis diese in der Nähe der Heizelemente 10 nahezu 0 ist. Die im Abgas mitgeführten Rußpartikel behalten infolge ihrer kinetischen Energie einen Teil ihrer Geschwindigkeit bei und bilden so eine Rußpartikelablagerung 13, die nahe des Heizelementes 10 mächtiger ist als an den weiter zum Ab­ gaszuführrohr 2 hin verlaufenden Oberflächen 14 der Wände 9.

Wird nun, z. B. von einer elektronischen Mo­ torsteuerung, erkannt, dass der Durchgangswiderstand des Abgases durch das Partikelfilter einen akzeptablen Wert überschreitet, dann werden die Heizelemente 10 mit elekt­ rischer Energie aufgeheizt bis zu einer Temperatur, bei der die Rußpartikelablagerung 13 entzündet wird, wobei gleichzeitig die Dieselbrennkraftmaschine in an sich be­ kannter Weise mit Luftüberschuss betrieben werden kann. Dabei kann die Zündung gleichzeitig an allen Heizelemen­ ten 10 erfolgen oder, um temporär mit geringerer elektri­ scher Leistung arbeiten zu können, auch in Gruppen oder einzeln nacheinander.

Da sich ein hoher Anteil der Rußpartikelablage­ rung 13 durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Parti­ kelfilters in unmittelbarer Nähe der Heizelemente 10 be­ findet, wird dieser große Anteil der Ablagerung auch ini­ tial gezündet. Die dabei zusätzlich entstehende Wärme führt dazu, dass der Abbrand entlang der Wände 9 des Fil­ terkörpers 4 entgegen der Abgasströmung in dem gezündeten Kanal 6 weiterläuft und sich dabei die Filterfunktion re­ generiert.

Die katalytische Beschichtung an den Oberflä­ chen 14 der Wände 9 des Filterkörpers 4 sowie der Fläche 15 der Heizelemente unterstützt die Filterregenerierung.

Die beim Abbrand der Rußpartikelablagerungen 13 entstehenden Gase durchdringen zusammen mit den sonstigen Abgasbestandteilen die Poren der Wände 9 und werden bei Erfordernis in einem dem Partikelfilter nachgesetzten Ka­ talysator aufbereitet.

Claims (4)

1. Regenerierbarer Partikelfilter zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen, insbesondere Abgasen von Dieselbrennkraftmaschinen, mit einem ein Abgaszu­ führrohr und ein Abgasableitungsrohr aufweisendes Filtergehäuse zwischen dem Abgaszuführrohr und dem Abgasableitungsrohr angeordneten keramischen Filter­ körper, der eine Vielzahl von über den Querschnitt waben- bzw. schachbrettartig verteilte in Strömungs­ richtung des Abgases verlaufende Kanäle aufweist, wobei jeweils abwechselnd ein Teil der Kanäle an dem dem Abgaszuführrohr zugewandten Ende und der andere Teil an dem dem Abgasableitungsrohr zugewandten Ende verschlossen ist, die Kanäle durch poröse Wände von­ einander getrennt sind und elektrische Heizelemente zur Aufheizung des am Filterkörper abgelagerten Ru­ ßes auf Entzündungstemperatur vorgesehen sind, da­ durch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (10) an den dem Abgaszuführrohr (2) abgewandten verschlosse­ nen Enden der Kanäle (6) im Filterkörper (4) ange­ ordnet sind.

2. Regenerierbarer Partikelfilter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (10) an der inneren Seite von Verschlussstücken (8) zum Ver­ schließen der dem Abgaszuführrohr (2) abgewandten Enden der Kanäle (6) befestigt sind.

3. Regenerierbarer Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (14) der Wände (9) zumindest der dem Abgaszuführrohr (2) offen zugewandten Kanäle (6) des Filterkörpers (4) mit einer die Entzündungstemperatur des Rußes redu­ zierenden katalytischen Beschichtung versehen ist.

4. Regenerierbarer Partikelfilter nach einem oder meh­ reren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu den Kanälen (6) hinweisende Fläche (15) der Heizelemente (10) mit einer die Entzündungstem­ peratur des Rußes reduzierenden katalytischen Be­ schichtung versehen ist.