DE10043613A1 - Regenerierbare Filteranordnung zur Reinigung von Abgasen einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Regenerierbare Filteranordnung zur Reinigung von Abgasen einer Kolbenbrennkraftmaschine

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine regenerierbare Filteranordnung zur Reinigung von Abgasen einer Kolbenbrennkraftmaschine, die oxidierbare Partikel enthalten, mit einem porösen Partikelfilterkörper (11), dessen vom Abgas bespülte Oberfläche mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung versehen ist, und mit einem in einer ersten Zuleitung (12) angeordneten Oxidationskatalysator (13) und einer den Oxidationskatalysator (13) und einer den Oxidationskatalysator (13) umgehenden zweiten Zuleitung (14) zum Partikelfilterkörper (11), sowie mit einem ansteuerbaren Stellelement (15), durch das wahlweise durch Durchströmung der ersten Zuleitung (12) oder der zweiten Zuleitung (14) bewirkt werden kann.

Description

Für Kolbenbrennkraftmaschinen, die mit Dieselkraftstoff be­ trieben werden, ist es grundsätzlich bekannt, die anfallen­ den, Rußpartikel enthaltenden Abgase über eine Filtereinrich­ tung zu führen, um so die Partikelemission weitgehend zu ver­ hindern. Hierzu werden die Abgase über einen porösen Parti­ kelfilterkörper geleitet, der die im wesentlichen aus Kohlen­ stoff, d. h. Ruß bestehenden Partikel aus dem Abgasstrom her­ ausfiltert. Um ein Verstopfen des Partikelfilterkörpers zu vermeiden, muß dieser kontinuierlich oder auch diskontinuier­ lich regeneriert werden. Dies erfolgt in der Regel mittels thermischer Oxidation der auf der Filteroberfläche abgelager­ ten Rußteilchen, was jedoch eine Temperatur von mindestens 550°C bishin zu 600°C erfordert. Da diese hohen Abgastempera­ turen im normalen Fahrbetrieb einer mit Dieselkraftstoff be­ triebenen Kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einer Kol­ benbrennkraftmaschine mit einer Schwungmasse von über 1600 kg und einem Motorhubraum unter 2,5 Liter nur selten erreicht werden kann, sind Zusatzmaßnahmen erforderlich, die eine Re­ generation des Partikelfilterkörpers, d. h. ein Abbrennen der Rußablagerungen auf der Filteroberfläche bei möglichst allen Betriebszuständen des Fahrzeugen bewirken.
Als regenerationsunterstützende Maßnahmen sind verschieden aktive oder auch passive Maßnahmen bekannt, so beispielsweise die zusätzliche Zufuhr von Heizenergie zum Partikelfilterkör­ per über einen Zusatzbrenner zur Aufheizung der Abgase oder elektrische Heizelement zur Aufheizung der Filteroberfläche oder passive Möglichkeiten, wie die Verwendung von Kraftstof­ fadditiven, katalytisch beschichteten Partikelfilterkörpern oder auch durch eine zusätzliche kurzzeitige Erhöhung der Kraftstoffzufuhr.
Durch Kraftstoffadditive kann die vorstehend angegebene Ruß­ zündtemperatur zwar abgesenkt werden, so daß der Selbstab­ brand der Rußablagerungen auf dem Partikelfilterkörper in Verbindung mit einer katalytischen Beschichtung der Filter­ oberfläche auch bei niedrigeren Abgastemperaturen erreicht wird. Die Verwendung von Kraftstoffadditiven hat jedoch den Nachteil, daß sie als zusätzlicher Betriebsstoff im Fahrzeug mitgeführt und sehr genau dem Dieselkraftstoff zudosiert wer­ den müssen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sich die Rückstände der Additive als Oxidasche im Filter ablagern und in regelmäßigen Abständen aufwendig entsorgt werden müssen.
Die Anhebung der Abgastemperatur vor dem Partikelfilterkörper zur Einleitung des Regenerationsbetriebes kann durch angepaß­ te Einspritzparameter, beispielsweise eine Nacheinspritzung im motorischen Betrieb oder auch eine Nacheinspritzung in die Abgasleitung in Verbindung mit einer exothermen Reaktion in einem dem Partikelfilterkörper motornah vorgeschalteten Oxi­ dationskatalysator bewirkt werden. Hierdurch lassen sich die Nachteile der Verwendung von Additiven zwar beseitigen. Ein katalytisch beschichtetes Partikelfilterkörper nutzt die an den Partikel angelagerten sowie die im Abgas vorhandenen gas­ förmigen Kohlenwasserstoffe zur exothermen Temperaturanhebung im Partikelfilterkörper durch katalytische Oxidation. Ein mo­ tornaher Oxidationskatalysator, der in Abgasstromrichtung dem katalytisch beschichteten Partikelfilterkörper vorgeschaltet und zur Einhaltung insbesondere der CO-Emissionsgrenzen beim Kaltstart erforderlich ist, oxidiert sowohl die an den Parti­ keln angelagerten Kohlenwasserstoffe als auch die gasförmigen Kohlenwasserstoffe bereits vor dem katalytisch beschichteten Partikelfilterkörper, so daß die Exothermie im Partikelfil­ terkörper erheblich eingeschränkt ist.
Zur Beseitigung dieser Nachteile ist erfindungsgemäß vorgese­ hen eine regenerierbare Filteranordnung zur Reinigung von Ab­ gasen einer Kolbenbrennkraftmaschine, die oxidierbare Parti­ kel enthalten, mit einem porösen Partikelfilterkör­ per, dessen vom Abgas bespülte Oberfläche mit einer kataly­ tisch wirkenden Beschichtung versehen ist, und mit einem in einer ersten Zuleitung zum Partikelfilterkörper ange­ ordneten Oxidationskatalysator und einer den Oxidationskata­ lysator umgehenden zweiten Zuleitung zum Partikelfil­ terkörper, sowie mit einem antreibbaren Stellelement, durch das wahlweise die Durchströmung der ersten oder der zweiten Zuleitung bewirkt werden kann. Insbesondere mit Hilfe einer derartigen Anordnung ist es nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren möglich, während der Regeneration des Partikelfilter­ körpers das Abgas am Oxidationskatalysator vorbeizuleiten und durch eine Erhöhung der Kraftstoffzufuhr, sei es in den Brennraum, sei es in das Abgasrohr, eine starke Kohlenwasser­ stoffanreicherung im Abgas zu bewirken. Diese mit Kohlenwas­ serstoffen angereicherten Abgase können nun für die Regenera­ tionsphase bei entsprechender Einstellung des Stellelementes über die zweite Zuleitung unter Umgehung des Oxidationskata­ lysators unmittelbar dem Partikelfilterkörper zugeleitet wer­ den, in dem dann die katalytische Umsetzung dieser Komponen­ ten erfolgt. Hierdurch wird die Abgastemperatur auf die Zünd- und Oxidationstemperatur der Rußpartikel angehoben, so daß die Rußschicht selbständig abbrennen kann. Gleichzeitig wird hierdurch die Abgastemperatur auf einen Wert oberhalb der zur Umsetzung der im Abgas enthaltenen gasförmigen Komponenten notwendigen katalytischen Anspringtemperatur (light-off- Temperatur) des katalytisch beschichteten Partikelfilterkör­ pers angehoben. Sinkt jedoch betriebsbedingt die Abgastempe­ ratur unterhalb der vorstehend erwähnten Anspringtemperatur, dann kann über das Stellelement die zweite Zuleitung ge­ schlossen und die erste Zuleitung geöffnet werden, so daß die Reduzierung der gasförmigen Schadstoffe im Oxidationskataly­ sator erfolgen kann.
Die Erfindung wird anhand schematischer Fließbilder von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffein­ spritzung in den Brennraum,
Fig. 2 eine Abwandlung der Kolbenbrennkraftmaschine gem. Fig. 1 mit Nacheinspritzung in den Abgasstrom.
In Fig. 1 ist eine mit Dieselkraftstoff betriebene Vier- Zylinder-Kolbenbrennkraftmaschine 1 dargestellt, bei der über ein Common-Rail-System 2 der Dieselkraftstoff über entspre­ chend ansteuerbare Einspritzventile 3 eingespritzt wird. Die Einspritzventile 3 werden über eine Motorsteuerung 4 betä­ tigt.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist als aufgeladene Kol­ benbrennkraftmaschine ausgebildet, die beispielsweise mit ei­ nem Abgas-Turbolader 5 versehen ist, der eine Abgasturbine 6 aufweist, die über den Hochdruckteil 7.1 des Abgaskanal 7 be­ aufschlagt wird und die einen Lader 8 antreibt, durch den der Ladedruck im Luftzufuhrtrakt 9 erhöht wird.
Dem Niederdruckteil 7.2 des Abgaskanals 7 ist eine Fil­ teranordnung 10 nachgeschaltet. Die Filteranordnung 10 be­ steht im wesentlichen aus einem porösen Partikelfilterkörper 11 bekannter Bauart aus keramischen, pulvermetallurgischen oder metallischen Werkstoffen, dessen vom Abgas bespülte Oberfläche mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung ver­ sehen sind. Der Partikelfilterkörper 11 ist mit dem Nieder­ druckteil 7.2 des Abgaskanals über eine erste Zuleitung 12 verbunden, in der motornah ein Oxidationskatalysator 13 ange­ ordnet ist. Ferner ist eine zweite Zuleitung 14 vorgesehen, die den Oxidationskatalysator 13 umgeht und die ebenfalls mit dem Niederdruckteil 7.2 des Abgaskanals verbunden ist.
Im Übergangsbereich zwischen dem Niederdruckteil 7.2 der Ab­ gasleitung zur ersten Zuleitung 12 und zur zweiten Zuleitung 14 ist ein ansteuerbares Stellelement 15 vorgesehen, das mit einem Stellantrieb versehen ist, der über die Motorsteuerung 4 betätigbar ist. Damit ist es möglich, entsprechend den Vor­ gaben durch die Motorsteuerung die Abgase wahlweise über die Zuleitung 12 und den Oxidationskatalysator 13 dem Partikel­ filterkörper 11 zuzuführen oder aber unter Umgehung des Oxi­ dationskatalysators 13 über die zweite Zuleitung 14 direkt dem Partikelfilterkörper 11 zuzuführen.
Im Eintrittsbereich 16 zum Partikelfilterkörper 11 ist ein Temperaturfühler 17 vorgesehen, der ebenfalls auf die Motor­ steuerung aufgeschaltet ist, so daß in Abhängigkeit von der Temperaturlage der Abgase im Eintrittsbereich 16 auf das Stellelement 15 sowie auf die Kraftstoffeinspritzung unabhän­ gig von einem über die Motorsteuerung 4 anstehenden Last­ wunsch durch entsprechende Vorgaben der Motorsteuerung Ein­ fluß genommen werden kann.
Im Eintrittsbereich 16 zum Partikelfilterkörper 11 kann zu­ sätzlich noch ein Drucksensor 18 vorgesehen sein, über den der mit zunehmender Rußablagerung ansteigende Abgasgegendruck erfaßt und bei Überschreiten eines vorgebbaren Maximaldruckes über die Motorsteuerung 4 die Filterregeneration ausgelöst werden kann.
Während der Regenerationsphase, die periodisch oder aber auch, wie vorstehend angegeben, in Abhängigkeit vom Abgasge­ gendruck vorgenommen werden kann, wird durch eine Veränderung der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum eine starke HC- Anreicherung im Abgas erreicht. Durch die Anreicherung der HC- und CO-Konzentrationen, d. h. der exotherm oxidierbaren Komponenten im Abgas, erfolgt bei einer entsprechenden Stel­ lung des Stellelementes 15, die einen unmittelbaren Zustrom der Abgase über die zweite Zuleitung 14 zum Partikelfilter­ körper 11 bewirkt, eine katalytische Umsetzung dieser Kompo­ nenten über den katalytischen Kontakt mit der Filteroberflä­ che. Hierdurch wird die Temperatur der Rußschicht auf ihre Zünd- und Oxidationstemperatur angehoben, so daß die Ruß­ schicht selbständig abbrennt. Gleichzeitig wird hierbei die Abgastemperatur auf einen Wert oberhalb der zur Umsetzung gasförmiger Komponenten notwendigen Anspringtemperatur der katalytischen Beschichtung angehoben.
Sinkt nun nach erfolgtem Rußabbrand oder auch betriebsbedingt die Abgastemperatur unterhalb der vorstehend erwähnten An­ springtemperatur, dann wird über das Stellelement 15 die zweite Zuleitung 14 geschlossen und die Zuleitung 12 zum Oxi­ dationskatalysator 13 geöffnet, so daß die Reduzierung der gasförmigen Schadstoffe im motornahen Oxidationskatalysator 13 erfolgen kann.
Die Ausführungsform gem. Fig. 2 ist grundsätzlich identisch mit der Ausführungsform gem. Fig. 1, so daß auf die vorste­ hende Beschreibung verwiesen werden kann.
Der Unterschied besteht bei dieser Ausführungsform darin, daß die HC-Anreicherung der Abgase nicht über die Kraftstoffzu­ fuhr zu den Brennräumen der Kolbenbrennkraftmaschine erfolgt, sondern über ein zusätzliches Einspritzventil 19, das über die Motorsteuerung 4 entsprechend ansteuerbar ist und über das Kraftstoff oder andere exotherm oxidierbare Stoffe, ins­ besondere Kohlenwasserstoffe, in den Niederdruckteil 7.2 der Abgasleitung vor dem Stellelement 15 eingespritzt wird.

Claims (7)

1. Regenerierbare Filteranordnung zur Reinigung von Abgasen einer Kolbenbrennkraftmaschine, die oxidierbare Partikel ent­ halten, mit einem porösen Partikelfilterkörper (11), dessen vom Abgas bespülte Oberfläche mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung versehen ist, und mit einem in einer ersten Zu­ leitung (12) angeordneten Oxidationskatalysator (13) und ei­ ner den Oxidationskatalysator (13) umgehenden zweiten Zulei­ tung (14) zum Partikelfilterkörper (11), sowie mit einem an­ steuerbaren Stellelement (15), durch das wahlweise durch Durchströmung der ersten Zuleitung (12) oder der zweiten Zu­ leitung (14) bewirkt werden kann.
2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (18) zur Erfassung der Partikelbelegung des Partikelfilterkörpers (11) vorgesehen ist.
3. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Motorsteuerung (4) vorgesehen ist, durch die zu einer vom Lastwunsch abhängigen Kraftstoffzufuhr zu­ sätzlich Kraftstoffmengen zur Anhebung der Abgastemperatur zuführbar sind.
4. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise im Eintrittsbereich (16) des Partikelfilterkörpers (11) ein Temperatursensor (17) zur Überwachung der Abgastemperatur vorgesehen ist, der mit der Motorsteuerung (4) verbunden ist.
5. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Stellelementes (15) mit der Motorsteuerung (4) in Wirkverbindung steht.
6. Verfahren zum Betrieb einer regenerierbaren Filteranord­ nung zur Reinigung von oxidierbaren Partikel enthaltenden Ab­ gasen einer Kolbenbrennkraftmaschine, wobei die Filteranord­ nung einen Oxidationskatalysator und einen katalytisch wir­ kenden Partikelfilterkörper aufweist, insbesondere Fil­ teranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Abgastemperaturen unterhalb von 650°C und/oder einem Überschreiten eines vorgegebenen Abgasgegen­ drucks vor dem Partikelfilterkörper und/oder während der Re­ generationsphase des Partikelfilterkörpers die Abgase nur durch den Partikelfilterkörper geleitet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Abgastemperatur auf Werte über 650°C zur Anrei­ cherung der Abgase mit CO und/oder HC zusätzlich Kraftstoff und/oder oxidierbare Stoffe zugeführt werden.
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