DE10029978A1

DE10029978A1 - Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselabgasen

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Publication number: DE10029978A1
Application number: DE10029978A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Elfinger; Stefan Schmidt; Karl Donnert; Juergen Klement; Wolfgang Hahnl
Original assignee: Zeuna Starker GmbH and Co KG
Current assignee: Arvin Industries Deutschland GmbH
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2002-01-10
Also published as: EP1167708B1; EP1167708A2; DE50104456D1; EP1167708A3

Abstract

Eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselabgasen, insbesondere zur Entfernung von Rußpartikeln, mit kontinuierlicher Filtration und diskontinuierlicher Regeneration, weist einen im Abgasstrom angeordneten Filterkörper (4), vorzugsweise einen keramischen Wabenfilter auf. Dem Filterkörper (4) ist anströmseitig ein elektrisches Heizelement (5) zugeordnet. Der keramische Filterkörper (4) weist in seiner stromeintrittsseitigen Oberfläche (8) nutartige Vertiefungen auf, in die das Heizelement (5) eingebettet ist.

Description

In den letzten Jahren wurde eine große Anzahl von Nachbehandlungssystemen zur Partikelverminderung auf ihr Einsatzpotential in Fahrzeugdieselmotoren untersucht.

Diese Nachbehandlungssysteme werden von G. Hüthwohl und G. Kroon: Dieselpartikelfilter, FW Heft 396- 1987 je nach Arbeitsweise in Verfahren mit

- kontinuierlicher Oxidation der freischwebenden Partikel im Abgas
- Abgaskatalysatoren
- Trägheitskraftabscheider
- Naßabscheideverfahren
- elektrostatische Abscheider
- Partikelsammlung und diskontinuierliche Filterregeneration

eingeordnet werden.

Für PKW-Dieselmotoren haben die Filterverfahren mit diskontinuierlicher Regeneration die größte Aufmerksamkeit erfahren.

Die Partikelfilter bestehen aus porösem Material, vorzugsweise aus Keramik. Unter Berücksichtigung von Abgasgegendruck, Rußspeicherung und Filterwirkung weist der keramische Wabenfilter das günstigste Verhalten auf.

Da der Strömungswiderstand der Partikelfilter mit steigender Rußbeladung ansteigt, ist eine regelmäßige Partikeloxidation (Filterregeneration) notwendig. Hierzu sind Temperaturen oberhalb 470 bis 600°C (Rußzündtemperatur) bei ausreichendem Restsauerstoffgehalt im Abgas erforderlich.

Ohne zusätzliche Maßnahmen werden entsprechende Abgastemperaturen nur in der Nähe der Vollast erreicht.

Es sind Zusatzmaßnahmen zu treffen, um die Filterregeneration zu gewährleisten.

Folgende Maßnahmen können nach G. Hüthwohl und G. Kroon allein oder in Kombination genutzt werden:

- Erhöhung der Abgastemperatur durch motorische Maßnahmen,
- Erhöhung der Abgastemperatur durch Sekundärenergie,
- direktes Entflammen der Rußschicht durch Sekundärenergie,
- Senkung der Rußzündtemperatur durch Katalysatoren oder chemische Zündhilfen.

Durch Sekundärenergiezufuhr kann man die Abgastemperatur soweit erhöhen, daß die Filterregeneration beginnt. Doch der erforderliche Leistungsbedarf liegt zwischen 9 kW/dm³ Hubraum (W. R. Wade u. a. Diesel Particulate Trap Regeneration Techniques SAE 810 118) und 14 kW/dm³ Hubraum (W. R. Wade u. a. Thermal and Catalytic Regeneration of Diesel Particulate Traps SAE 830 083).

Mit Verminderung des Abgasmassenstroms läßt sich der erforderliche Sekundärenergiebedarf auf ca. 1,7 kW/dm3 Hubraum (E. Pauli u. a. The Calculation of Regeneration Limits of Diesel Particulate Traps for Different Regeneration Methods SAE 840 075) bzw. 1,3 kW/dm3 Hubraum (V. D. Rao u. a. Advanced Techniques for Thermal and Catalytic Diesel Particulate Trap Regeneration SAE 850 014) absenken.

Heizleistungen oberhalb 1 kW sind in Fahrzeugen nur mit Brennern darzustellen. Brenner benötigen für einen sicheren Betrieb aufwendige Steuerungs- und Überwachungssysteme. Der durch ein Brennersystem mit Bypasssteuerung verursachte Kraftstoffmehrverbrauch beträgt im Regenerationszyklus nach V. D. Rao etwa 2%.

Es besteht daher das Ziel, den hohen Aufwand, der durch den Einsatz von Brennersystemen verursacht wird zu umgehen und die erforderliche Sekundärenergie durch das Bordnetz bereitzustellen.

Nach G. Hüthwohl und G. Kroon ist infolge der Auslegung des elektrischen Bordnetzes von Fahrzeugen die Filterregeneration mit elektrischen Heizsystemen problematisch, da nur kurzfristig Leistungen von maximal 1 kW realisierbar sind.

Technische Lösungsvorschläge mit elektrische Heizdrähten vor dem Filter US 5101095, US 4,404,795, US 4744216, DE 38 24 578 C2, Versuchsaufbau von G. Hüthwohl und G. Kroon, DE 195 30 749, DE 38 90 556, DE 197 48 561, auf der Filteroberfläche US 5,144,798, US 4516993 und Versuchsaufbau von G. Hüthwohl und G. Kroon, zwischen Filterplatten US 6,024,927, im Filterkanal EP 0857862 und im Filtermaterial eingebettet EP 275 372 sind bekannt.

Eigene Versuche haben die aus der Literatur bekannte Tatsache bestätigt: je höher die Filterbeladung mit Ruß, um so sicherer die Filterregeneration. Doch dem steht gegenüber, daß mit steigender Rußbeladung einerseits der Gegendruck der Abgasanlage ansteigt. Das führt zwangsläufig zu einem Kraftstoffmehrverbrauch des Fahrzeugs. Andererseits wird die Höhe der Filterbeladung durch die Festigkeit des Keramikwerkstoffs begrenzt. Hohe Filterbeladungen führen zu einer Filterregenertion mit hoher Reaktionstemperatur.

Die Keramikkörper sind häufig aus quaderförmigen Teilelementen zusammengefügt.

Filterhersteller geben eine Beladungsgrenze von 10 g pro dm³ Filtervolumen vor, um die Ausbildung von Filterrissen zu vermeiden.

Es besteht die Forderung, die Reaktionstemperatur zu kontrollieren und in Grenzen zu halten.

Nach eigenen Versuchen führen die bekannten Lösungsvorschläge nicht zum gewünschten Erfolg, mit einem minimalem Energieaufwand des elektrischen Bordnetzes bei gleichzeitig geringer Beladung des Filters mit Ruß eine sichere Regeneration einzuleiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselabgasen, insbesondere zur Entfernung von Rußpartikeln mit kontinuierlicher Filtration und diskontinuierlicher Regeneration, unter Verwendung eines keramischen Wabenfilters und einer elektrischen Heizelements zu entwickeln, die einerseits mit geringer elektrischer Energie des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges auskommt und andererseits eine sichere Filterregeneration schon bei geringer Rußbeladung ermöglicht

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselabgasen mit Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselabgasen besteht aus einem in ein Gehäuse, mit einem Abgaseintritt und einem Abgasaustritt, einem keramischen Filterkörper und einem abgaseintrittsseitig angeordneten Heizelement.

In die eintrittsseitige Oberfläche des Filterkörpers sind nutartige Vertiefungen eingearbeitet.

Die nutartigen Vertiefungen sind bei Filterkörpern, die aus mehreren quaderförmien Teilelementen 6 bestehen, so geführt werden, daß die Mehrzahl der Teilelemente an die Vertiefung angrenzen oder direkt von ihr durchzogen sind.

Breite und/oder Tiefe der nutartigen Vertiefung sind erfindungsgemäß größer als die Abmessungen des Heizelementes.

Die nutartigen Vertiefungen sind so ausgeführt, daß Öffnungen der angrenzende Filterkanäle geschlossen sind. Das Heizelement ist entweder als langgestreckter Heizdraht oder als Punktheizer ausgebildet.

Die Anordnung des Heizelementes in der nutförmigen Vertiefung erfolgt derart, daß eine möglichst geringe Kontaktfläche zwischen der Oberfläche des Heizelementes und den Wandflächen der nutartigen Vertiefung entsteht.

Der Heizdraht wird vorzugsweise mittels Klammern in den Nuten befestigt. Punktheizer bilden eine Baueinheit mit ihrem Befestigungselement.

Die Anordnung gilt auch, wenn der Filterkörper als Monolith ausgebildet ist.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende:

Durch den Abgaseintritt strömt rußbeladenes Abgas der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu.

Die nutartige Vertiefung bildet einen partiellen Staubereich. Das Abgas, das der nutartigen Vertiefung zuströmend, kann hier nur erschwert den porösen Filterkörper passieren. Da in diesem Bereich auch die Filterkanäle verschlossen sind, wird das Abgas gezwungen, in die benachbarten Filterkanäle auszuweichen. Durch diese partielle Strömungsumlenkung wirkt auf die Partikel die Trägheitskraft derart, daß einen Teil der Partikel versucht, die ursprüngliche Bewegungsrichtung beizubehalten.

Der Ruß lagert sich erfindungsgemäß in den nutartigen Vertiefungen ab und bildet um das Heizelement einen isolierenden Schutzmantel.

Die isolierende Wirkung des Schutzmantels aus Ruß ist sowohl auf das zuströmende Abgas als auch auf den keramischen Filterkörper gerichtet, deren Temperaturen unterhalb der Rußentzündungstemperatur liegen.

Gleichzeitig erfolgt in der Umgebung des Heizelementes eine örtlich im Vergleich zur übrigen Filteroberfläche erhöhte Rußansammlung. Da der dadurch beeinflußte Anteil an der Filterfläche klein ist, kommt es zu keinem spürbaren zusätzlichen Gegendruckaufbau.

Der übrige Ruß lagert sich in bekannter Weise auf der Filteroberfläche, in den Filterkanälen und auf der anströmseitigen Oberfläche, ab.

Wird der Regenerationsvorgang prozeßbedingt eingeleitet, übersteigt die Temperatur des Heizelementes erfindungsgemäß schon bei geringer Energiezufuhr die Rußentzündungstemperatur. Der Ruß verbrennt von den Heizelementen ausgehend über den gesamten Filterkörper.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen in folgendem:

Der Ruß brennt beim Einsatz eines Heizdrahtes oder mehrerer Punktheizer in einer breiten Front. Unebenheiten des Filterkörpers, die durch den Fertigungsvorgang verursacht werden und die Flammenausbreitung behindern, werden durch die Nutführung ausgeglichen.

Ebenso werden die durch die Fügestellen der quaderförmigen Teilelemente verursachten Behinderungen überbrückt. Es kommt zu einem stabilen, betriebssicheren und nahezu vollständigen Rußabbrand im Filter. Die Einleitung der Regeneration schon bei einer geringen Rußbeladung sichert die Haltbarkeit des Filterkörpers. Gleichzeitig kann der Gegendruckaufbau geringer als bei herkömmlichen Regenerationsverfahren gehalten werden. Ein niedriger Gegendruck bewirkt eine Kraftstoffeinsparung.

Durch die Isolationswirkung des Rußes wird der Elektroenergiebedarf minimiert.

Das Bordnetz des Kraftfahrzeuges wird weniger belastet.

Ausführungsbeispiel

Anhand von Zeichnungen von zwei Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erklärt werden:

Fig. 1 Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselabgasen

Fig. 2 eintrittsseitige Stirnfläche des keramischen Filterkörpers mit Heizdraht

Fig. 3 Nut mit Heizdraht und Halteklammer

Fig. 4 eintrittsseitige Stirnfläche des keramischen Filterkörpers mit Punktheizer

Fig. 5 Nut mit Punktheizer

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht der Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselabgasen.

Die Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselabgasen besteht aus einem in ein Gehäuse 1, mit einem Abgaseintritt 2 und einem Abgasaustritt 3, einem keramischen Filterkörper 4 und einem abgaseintrittsseitig angeordneten Heizelement 5.

Der Filterkörper 4 ist aus mehreren quaderförmigen Teilelementen 6 zusammengefügt. Die Fügestelle 15 kann mittel Hochtemperaturklebstoff hergestellt werden

An der äußeren Oberfläche ist die Kontur des Filterkörpers an das Gehäuse 1 angepaßt, Fig. 2 und Fig. 4.

In die eintrittsseitige Oberfläche 8 des Filterkörpers 4 sind nutartige Vertiefungen 9 eingearbeitet, die so geführt werden, daß die Mehrzahl der Teilelemente 6 an die Vertiefung 9 angrenzen oder direkt von ihr durchzogen sind.

Fig. 2 und 3 beschreiben ein erstes Ausführungsbeispiel.

Das Heizelement 5 ist als Heizdraht 16 ausgebildet. In einer vorteilhaften Ausführung kann der Heizdraht 16 aus mehreren Einzeldrähten, Litzen, zusammengefügt sein.

Breite 10 und Tiefe 11 der nutartigen Vertiefung 9 sind größer als der Durchmesser 12 des Heizdrahtes 16, Fig. 3.

Die Anordnung des Heizdrahtes 16 in der nutförmigen Vertiefung 9 erfolgt derart, daß eine möglichst geringe Kontaktfläche zwischen der Oberfläche des Heizdrahtes 16 und der Oberfläche 17 der nutartigen Vertiefung 9 entsteht.

Der Heizdraht 16 wird mittels Klammern 14 in den Nuten befestigt. In einer vorteilhaften Ausführung ist die Klammer 14 aus keramischen Material.

Fig. 4 und 5 beschreiben ein zweites Ausführungsbeispiel.

Das Heizelement 5 ist als Punktheizer 20 ausgebildet. In der nutartigen Vertiefung 9 sind mehrere Punktheizer 20 angeordnet.

In einer vorteilhaften Ausführung bildet das Befestigungselement 21 mit dem Punktheizer 20 eine Baueinheit. Das Befestigungselement 21 ist vorzugsweise aus keramischem Material Fig. 5 zeigt eine Baueinheit aus Punktheizer 20 mit Befestigungselement 21 in der nutartigen Vertiefung 9.

Claims

1. Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselabgasen, insbesondere zur Entfernung von Rußpartikeln, mit kontinuierlicher Filtration und diskontinuierlicher Regeneration, mit einem im Abgasstrom angeordneten Filterkörper, vorzugsweise einem keramischen Wabenfilter, dem Filterkörper 4 anströmseitig ein elektrisches Heizelement 5 zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Filterkörper 4 in seiner stromeintrittsseitigen Oberfläche 8 nutartige Vertiefungen 9 aufweist, in die das Heizelement 5 eingebettet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche zwischen der Oberfläche 16 des Heizelementes 5 und der Oberfläche 17 der nutartigen Vertiefung 9 ein Minimum bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß Nutbreite 10 und/oder Nuttiefe 11 größer als Breite 17 und/oder Tiefe 12 des Heizelementes 5 sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Führung der nutförmigen Vertiefung 9 in der stromeintrittsseitigen Oberfläche 8 so erfolgt, daß keramische Filterkörper 4, die aus quaderförmigen Teilelementen 6 bestehen, vorzugsweise die Mehrzahl der quaderförmigen Teilelemente 6 an die nutförmigen Vertiefung 9 angrenzen und/oder direkt mit ihr versehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Filterkörper 4 als Monolith ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement 5 als langgestreckte, die nutartige Vertiefung 9 in ihrer Länge ausfüllender Heizer, vorzugsweise als Heizdraht 16 und/oder als einzelner oder mehrere Punktheizer 20 ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement 5 mit Befestigungselementen 14, 21 in der nutförmigen Vertiefung 9 arretiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente 14, 21 mit dem Filterkörper 4 verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente 14 als Halteklammern ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselemente 21 und der Punktheizer 20 eine Baueinheit bilden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß sich die Längserstreckung der nutartige Veriefung 9 beim Einsatz Punktheizer 20 nur in unmittelbarer Umgebung der Punktheizer 20 ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht 16 aus mehreren Litzen besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement 21, 14 aus keramischen Material besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement 12 und der Punktheizer 20 aus keramischem Material bestehen.