DE10023787A1

DE10023787A1 - Partikelfilter und Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE10023787A1
Application number: DE10023787A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ruhnke; Thorsten Duesterdiek; Gerhard Kahmann; Pascal Dore
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2001-11-22
Also published as: FR2808839A1; FR2808839B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für eine Abgasreinigungsanlage von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Filterelement aus Siliziumcarbid sowie ein Verfahren zur Regeneration eines solchen Partikelfilters. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass ein elektrisches Heizelement (18) aus Siliziumcarbid dem Filterelement (16) zugeordnet ist. DOLLAR A Gemäß dem Verfahren ist vorgesehen, dass eine Regeneration des Partikelfilters (10) durch Anlegen einer Spannung an ein elektrisches Heizelement (18) aus Siliziumcarbid, das dem Filterelement (16) zugeordnet ist, eingeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für eine Abgasreinigungsanlage von Verbrennungskraftmaschinen mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen sowie ein Verfahren zur Regeneration eines solchen Partikelfilters nach den im Oberbegriff des Anspruchs 9 genannten Merkmalen.

Zur Reinigung eines Abgases von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere selbstzündenden Motoren, ist es bekannt, sogenannte Abgasreinigungsanlagen in einem Abgasstrang zu installieren. Derartige Abgasreinigungsanlagen können Katalysatorsysteme als auch Partikelfilter umfassen. Letztere besitzen insbesondere bei Dieselmotoren erhebliche Bedeutung, da hier relativ hohe Rußemissionen auftreten können.

Die Partikelfilter werden üblicherweise samt eines sie umfassenden Gehäuses in den Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine integriert. Sie bestehen aus einem monolithischen oder segmentierten Filterelement, das von dem zu filternden Abgas durchströmt wird. Eine Porosität des Partikelfilters wird dabei in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu trennenden Komponenten und den strömungstechnischen Belangen gewählt. Der Partikelfilter wird im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine arretiert, beispielsweise unter Verwendung von sogenannten Quellmatten.

Bei entsprechender Porosität werden im Normalbetrieb Rußpartikel oberhalb einer bestimmten Größe im Partikelfilter zurückgehalten. Der akkumulierte Ruß im Partikelfilter muss in regelmäßigen Abständen - um ein Zusetzen des Filters zu verhindern - entfernt werden. Eine solche Regeneration erfolgt üblicherweise durch Oxidation mit Luftsauerstoff, erfordert allerdings eine Zündtemperatur von mindestens 550°C. Zwar kann die Zündtemperatur durch Zugabe von Additiven herabgesetzt werden, jedoch erfordert eine solche Maßnahme eine gesonderte Zugabeeinrichtung sowie Steuerungsverfahren für dieselbe. Soli die Regeneration ohne Zugabe von Additiven erfolgen, ist es zumindest notwendig, den Partikelfilter aus einem feuerfesten, hochtemperaturstabilen Material zu formen. Dies kann in bekannter Weise durch Einsatz von Siliziumcarbid (Karborund) erreicht werden, welches eine hohe chemische Stabilität und Oxidationsstabilität bei Temperaturen von weit über 1000°C besitzt.

Häufig können auch bei motornaher Anordnung des Partikelfilters nicht die erforderlichen Zündtemperaturen im Normalbetrieb erreicht werden. Um dennoch eine Regeneration des Partikelfilters durchführen zu können, sind Verfahren und Einrichtungen bekannt, mit denen eine Abgastemperatur erhöht wird. Zum einen wird durch direkte Eingriffe in das Motormanagement eine Temperaturerhöhung erzwungen - was zumeist mit einer unerwünschten Momentenänderung und einem Kraftstoffmehrverbrauch erkauft wird. Zum anderen kann das Abgas auch direkt durch eine elektrische Konvektionsheizung beheizt werden, was allerdings aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Abgases und seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit nur mit einer erheblichen elektrischen Heizleistung wirkungsvoll erreicht werden kann. Auch ein Einsatz von sogenannten Brennern führt nur zu einer indirekten Aufheizung des Partikelfilters und es stellt sich daher zwangsläufig auch hier ein spürbarer Kraftstoffmehrverbrauch ein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Partikelfilter sowie ein Verfahren zur Regeneration desselben zur Verfügung zu stellen, mit dem die notwendigen Zündtemperaturen möglichst effektiv erreicht werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Partikelfilter für die Abgasreinigungsanlage von Verbrennungskraftmaschinen mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie durch das Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters mit den im Anspruch 9 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass ein elektrisches Heizelement aus Siliziumcarbid dem Filterelement zugeordnet ist, kann dieses direkt beheizt werden. Aufgrund des sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Siliziumcarbid kann das Heizelement direkt dem Filterelement zugeordnet werden, da selbst bei hohen Temperaturgradienten nur geringe Materialspannungen auftreten können. Siliziumcarbid ist zudem aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften besonders als Heizwiderstandsmaterial geeignet.

Nach dem Verfahren wird die Regeneration des Partikelfilters durch Anlegen einer Spannung an das elektrische Heizelement eingeleitet. Dabei liegt die Spannung bevorzugt in einem Bereich von 8 bis 12 V. Vorzugsweise kann hier auch auf die zumeist durch ein Bordsystem zur Verfügung stehende Spannung von 12 V zurückgegriffen werden. Weiterhin ist bevorzugt, die Vorgabe der Spannung in Abhängigkeit von einer Partikelfilterbelegung, einer Filtertemperatur, einer Abgastemperatur, einer gewünschten Zündtemperatur und/oder einem Abgasmassenstrom zu steuern. Auf diese Weise ist es möglich, die Spannung individuell den tatsächlichen Gegebenheiten im Bereich des Partikelfilters anzupassen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich das Heizelement über eine Längsachse des Partikelfilters oder koaxial hierzu. Das Heizelement kann dann röhren- oder stabförmig sein und insbesondere eine Querschnittsfläche von 1 bis 3 cm² besitzen. Ferner ist bevorzugt, das Heizelement in einem Bereich des Filterelementes anzuordnen, in dem eine hohe, insbesondere die höchste, Raumgeschwindigkeit des Abgases herrscht.

Wenn das Filterelement aus einzelnen Segmenten besteht, die miteinander verklebt sind, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Heizelement im Eckpunkt aneinander grenzender Segmente anzuordnen. Auf diese Weise kann ein Wärmeübergang zwischen dem stromdurchflossenen Heizerquerschnitt und den angrenzenden Segmenten optimiert werden.

Weiterhin ist bevorzugt, das Heizelement derart auszulegen, dass bereits bei einer elektrischen Heizleistung von P < 1 kW Heizelementtemperaturen von T < 500 C° erreichbar sind. Dies kann beinhalten, dass sich die Glühzone des Heizelementes nicht über die gesamte Filterlänge erstreckt. Häufig sind mit derartig geringen Heizleistungen bereits Oberflächentemperaturen am Heizelement von über 1000°C zu erreichen, wobei das angrenzende Filtermaterial auf Temperaturen von deutlich oberhalb 700°C erwärmt wird. Damit wird lokal die Zündtemperatur des auf dem Partikelfilter akkumulierten Rußes überschritten. Befindet sich auf dem Filter eine Mindestmenge Ruß, die je nach Filtervolumen zwischen 10 bis 20 g liegt, so führt die bei der lokalen Rußverbrennung freiwerdende Reaktionswärme zu einer Ausbreitung des Rußabbrandes über das gesamte Filtervolumen und damit zu einer vollständigen Regeneration.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Partikelfilters in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine;

Fig. 2 einen Schnitt entlang einer Längsachse des Partikelfilters und

Fig. 3 einen Schnitt quer zur Längsachse des Partikelfilters.

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen Partikelfilter 10, wie er beispielsweise zur Reinigung eines Abgases eines Dieselmotors eingesetzt wird. Der Partikelfilter 10 ist im Abgasstrang 12 einer derartigen Verbrennungskraftmaschine angeordnet und soll die während einer Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches gebildeten Rußpartikel aus dem Abgas filtern. Porosität, Form und Speichervolumen derartiger Partikelfilter können den jeweiligen strömungstechnischen Notwendigkeiten angepasst werden.

Der Partikelfilter 10 wird mit Hilfe einer Quellmatte 14 verrückfest im Abgasstrang 12 montiert. Der Filter 10 kann dabei aus mehreren miteinander verklebten Filtersegmenten oder - wie hier dargestellt - aus einem monolithischen Filterelement 16 bestehen. Das Element 16 selbst ist aus Siliziumcarbid geformt, da dieses Material besonders feuertest und aufgrund seines niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sehr formstabil ist. Weiterhin zeichnet sich dieses Material durch seine hohe chemische Stabilität gegenüber den im Abgas vorliegenden gasförmigen, flüssigen und festen Bestandteilen aus. Über eine Längsachse des Filterelementes 16 erstreckt sich ein stabförmiges Heizelement 18. Das Heizelement 18 wird über sein vorderes Ende 20 mit Hilfe eines Kontaktierelementes 22 an Masse gelegt und an seinem hinteren Ende 24 durch ein weiteres Kontaktierelement 26 mit einer Spannungsquelle verbunden.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Längsachse durch den Partikelfilter 10. Anstelle des hier verwendeten Siliziumcarbid-Vollmaterials kann auch ein röhrenförmiges Heizelement 18 eingesetzt werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine Dimensionierung der Querschnittsfläche des Heizelementes 18 auf eine Fläche von 1 bis 3 cm² zu begrenzen. Auch das Heizelement 18 besteht - wie bereits erwähnt - aus Siliziumcarbid. Gegebenenfalls kann zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften auch eine Dotierung mit geeigneten anderen Elementen erfolgen. Um eine gute elektrische Kontaktierung der Enden des Heizstabes zu gewährleisten, sind die Stabenden mit geringem elektrischen Widerstand auszustatten. Aufgrund der im Wesentlichen gleichartigen Materialeigenschaften zwischen dem Heizelement 18 und dem Filterelement 16 sind auch bei hohen Temperaturgradienten nur geringe mechanische Spannungen zu erwarten. Eine Auslegung des Heizelementes kann dabei noch derart erfolgen, dass bereits bei einer elektrischen Heizleistung P < 1 kW Heizelementtemperaturen von T < 500°C erreichbar sind.

Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Partikelfilter 10. Das Heizelement 18 ist mittig im Radius des Filterelementes 16 angeordnet, befindet sich also auf dessen Längsachse. Es ist jedoch auch denkbar, das Heizelement 18 in anderen Bereichen des Filterelementes 16 anzuordnen. Aufgrund strömungstechnischer Überlegungen sollte sich das Heizelement 18 zumindest in den allermeisten Fällen koaxial zur Längsachse erstrecken. Selbstverständlich sind auch Mehrfachanordnungen von Heizelementen 18 denkbar. Darüber hinaus kann eine Auswahl des Montagepunktes auch derart erfolgen, dass das Heizelement 18 in einem Bereich des Filterelementes 16 angeordnet wird, in dem eine besonders hohe oder gar die höchste Raumgeschwindigkeit des Abgases zu erwarten ist.

Das Filterelement 16 kann als Monolith ausgeführt sein oder aus einzelnen Filtersegmenten 28 bestehen, die miteinander verklebt sind. Das Heizelement 18 sollte nach Möglichkeit im Eckpunkt aneinander grenzender Filtersegmente 28 - in diesem Fall von insgesamt vier Segmenten - angeordnet werden. Auf diese Weise kann eine Kontaktfläche zwischen dem Heizelement 18 und den Filtersegmenten 28 möglichst groß gehalten werden, so dass die Heizmaßnahme besonders effektiv durchgeführt werden kann.

Eine Regeneration des Partikelfilters 10 erfolgt durch Anlegen einer Spannung. Nach Möglichkeit sollten dabei Oberflächentemperaturen des Heizelementes 18 von zirka 1000°C lokal erreicht werden. In unmittelbarer Umgebung des Heizelementes 18 steigen dann die Temperaturen deutlich über 700°C an, so dass zumindest lokal die Zündtemperatur für den auf dem Partikelfilter 10 akkumulierten Ruß überschritten wird. Je nach Filtervolumen muss zusätzlich eine gewisse Mindestmenge an Ruß (üblicherweise zwischen 10 und 20 g) vorhanden sein, damit die bei der lokalen Rußverbrennung freiwerdende Reaktionswärme zu einer Ausbreitung des Rußabbrandes über das gesamte Filtervolumen führt.

Die Vorgabe der Spannung kann mit Hilfe eines hier nicht dargestellten Steuergerätes in Abhängigkeit von einer Partikelfilterbelegung, einer Filtertemperatur, einer Abgastemperatur, der gewünschten Zündtemperatur und/oder einem Abgasmassenstrom erfolgen. Alle diese Parameter ermöglichen eine den tatsächlichen Bedingungen nahegelegte Adaption der Spannung. Beispielsweise kann eine unnötig hohe Vorgabe der Spannung vermieden werden, wenn bereits mit geringerem Aufwand die gewünschte Zündtemperatur erreichbar ist. Die Regeneration wird im Allgemeinen periodisch durchgeführt. Einrichtungen und Verfahren zur Steuerung der Regeneration sind aus dem Stand der Technik bekannt und sollen daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Partikelfilter

12

Abgasstrang

14

Quellmatte

16

Filterelement (monolithisch oder segmentiert)

18

Heizelement

20

vorderes Ende

22

Kontaktierelement

24

hinteres Ende

26

Kontaktierelement

28

Filtersegmente

Claims

1. Partikelfilter für eine Abgasreinigungsanlage von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Filterelement aus elektrisch leitfähiger Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Heizelement (18), insbesondere aus derselben elektrisch leitfähigen Keramik, dem Filterelement (16) zugeordnet ist.

2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Heizelement (18) über eine Längsachse des Partikelfilters (10) oder koaxial hierzu erstreckt.

3. Partikelfilter nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (18) röhren- oder stabförmig ist.

4. Partikelfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (18) eine Querschnittsfläche von 1 bis 3 cm² besitzt.

5. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (18) in einem Bereich des Filterelementes (16) angeordnet ist, in dem bei einer gleichmäßigen Strömungskanalverteilung eine hohe, insbesondere die höchste, Raumgeschwindigkeit eines Abgases herrschen würde.

6. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (16) ein Monolith ist oder aus verschiedenen Segmenten besteht, die miteinander verklebt sind.

7. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (18) im Eckpunkt aneinander grenzender Filtersegmente (28) angeordnet ist, wenn der Filter (10) segmentiert ist.

6. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (18) so ausgelegt ist, dass bereits bei einer elektrischen Heizleistung P < 1 kW Heizelementtemperaturen von T < 500C° erreichbar sind.

9. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement zumindest teilweise einstückig zusammen mit dem Filterelement hergestellt ist.

10. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters für eine Abgasreinigungsanlage von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Filterelement aus elektrisch leitfähiger Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeneration des Partikelfilters (10) durch Anlegen einer Spannung an ein elektrisches Heizelement (18), das insbesondere aus der elektrisch leitfähigen Keramik ist, das dem Filterelement (16) zugeordnet ist, eingeleitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung der Bordspannung entspricht, insbesondere in einem Bereich von 8 bis 14 V, insbesondere bei 12-14 V, liegt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe der Spannung in Abhängigkeit von einer Partikelfilterbelegung, einer Filtertemperatur, einer Abgastemperatur, einer gewünschten Zündtemperatur und/oder einem Abgasmassenstrom erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration periodisch und/oder filterbelegungsabhängig durchgeführt wird.