DE10044923A1

DE10044923A1 - Heizbarer Partikelfilter für eine Dieselbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10044923A1
Application number: DE2000144923
Authority: DE
Inventors: Andreas Ruhnke; Gerhard Kahmann; Thorsten Duesterdiek
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2002-03-21

Abstract

Ein Partikelfilter für eine Dieselbrennkraftmaschine weist im Inneren des Filters mindestens ein Heizelement auf, das in Längsrichtung des Filters angeordnet ist. Dabei ist das Heizelement vorzugsweise etwa in der Filterlängsachse angeordnet und hat die Form eines Stabes mit einem Durchmesser von 20 mm.

Description

Die Erfindung betrifft einen heizbaren Partikelfilter zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Betrieb einer Dieselbrennkraftmaschine entstehen bei der Verbrennung im wesentlichen aus Ruß bestehende Partikel, die aus Umweltschutzgründen und aufgrund bestehender gesetzlicher Bestimmungen nicht in die Umwelt gelangen dürfen. Um dies zu vermeiden, wird im Abgasstrang einer Dieselbrennkraftmaschine mindestens ein Partikelfilter angeordnet, der die durch die Verbrennung entstandenen Rußpartikel aus dem Abgasstrom filtert. Dabei werden verschiedene Filtersysteme eingesetzt, vorzugsweise in der Form eines Wabenkörpers, wobei der Filter aus Segmenten zusammengesetzt sein kann oder durch einen Monolithen aus Metall oder Keramik gebildet wird.

Im allgemeinen weist ein derartiger Partikelfilter im Gegensatz zu durchgängigen Katalysatoren wechselseitig verschlossene Kanäle auf. Im Fall eines keramischen Monolithen muß so das partikelbeladene Abgas durch die unbeschichteten, porösen Wände des Wabenkörpers strömen und die Partikel lagern sich dann in den Poren der Wände ab. Je nach Porosität des Keramikkörpers schwankt der Wirkungsgrad der Filter zwischen 70% und 99%.

Um die volle Funktionsfähigkeit der Partikelfilter zu gewährleisten, müssen diese in gewissen Zeitabständen regeneriert werden, da die Aufnahmefähigkeit eines Partikelfilters an Rußpartikeln begrenzt ist. Ohne Regeneration setzt sich der Filter zu und verstopft. Bei einer Regeneration werden die Rußpartikel prinzipiell oxidiert, das heißt abgebrannt. Um einen derartigen Abbrand der Rußpartikel zu bewirken, muß entweder die Temperatur so weit erhöht werden, daß sie oberhalb der Zündtemperatur von Ruß liegt, nämlich 550-600°C, oder die Zündtemperatur muß durch Zusatz eines Additivs auf chemischem Wege herabgesetzt werden. Ferner muß ausreichend Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung stehen, was durch verschiedenen Maßnahmen erreicht werden kann. Der notwendige Sauerstoff kann auch in gebundener Form vorliegen, wie dies beispielsweise bei einem CRT-System (CRT = Continuous Regeneration Trap) der Fall ist.

Nachteilig bei der Herabsetzung der Ruß-Zündtemperatur durch die Beimengung von Additiven ist die durch die Additive hervorgerufene Ausbildung von Asche im Filter. Bei der Temperaturerhöhung auf oberhalb der Ruß-Zündtemperatur sind mehrere Verfahren üblich, beispielsweise die Erhöhung der Temperatur des Abgases durch verändertes Motormanagement, die Temperaturerhöhung des Abgases durch elektrische Konvektionsheizung, eine elektrische Beheizung der Filterstirnfläche oder ähnliches.

So ist aus der DE-A-37 12 333 ein Heizelement zur Heizung der Stirnfläche des Partikelfilterkörpers bekannt, wobei auf der Stirnfläche gesondert ein- und ausschaltbare Heizzonen aus Heizelementen ausgebildet sind, um die Heizung an die im Kraftfahrzeug vorhandene Stromversorgung anzupassen.

Die DE-A-44 08 763 zeigt ein Abgasreinigungssystem einer Dieselbrennkraftmaschine mit mehreren Partikelfiltern, wobei jeder Partikelfilter separat mit einer elektrischen Heizung ausgestattet ist, die durch eine zylindrische Drahtgeflechtheizung realisiert wird.

Ferner zeigt die DE-A-195 30 749 eine Vorrichtung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem Heizelement, das die Stirnfläche des Partikelfilters bestrahlt, wobei das Heizelement aus einem oder mehreren Heizdrähten gebildet wird.

Ferner sind noch Vorrichtungen bekannt, bei denen im Abgasstrom eine Flammglühkerze angeordnet ist, der über eine separate Leitung Dieselkraftstoff zur Erzeugung einer Heizflamme zugeführt wird.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist entweder ihr hoher Bedarf an elektrischem Strom, der seitens der Stromversorgung des Kraftfahrzeuges nur schwer aufgebracht werden kann, oder ihre notwendigen Zusatzeinrichtungen, wie beispielsweise die Zufuhr von separatem Kraftstoff an eine Flammglühkerze.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter für eine Dieselbrennkraftmaschine zu schaffen, bei dem eine sichere Regeneration ohne Überlastung der Stromversorgung des Kraftfahrzeuges durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist in einem Partikelfilter für eine Dieselbrennkraftmaschine im Inneren des Monolithen mindestens ein Heizelement in Längsrichtung des Partikelfilters angeordnet, wobei die Längsrichtung der Abgasströmungsrichtung entspricht.

Vorzugsweise weist der Partikelfilter in Längsrichtung eine Symmetrieachse auf und das Heizelement ist in dieser Symmetrieachse, insbesondere in der Filterlängsachse, angeordnet, um einen gleichmäßiges Ausdehnen des Abbrandes zu erreichen.

Insbesondere hat das Heizelement die Form eines dünnen Stabes mit einem Durchmesser von ≦ 20 mm, um eine möglichst hohe Leistungsdichte, d. h. lokal hohe Temperatur, an der Oberfläche zu erhalten. Der Querschnitt des Heizstabes ist vorzugsweise kreisförmig oder oval.

Vorzugsweise setzt das Heizelement elektrische Energie P_EL von mindestens 500 W und maximal 1,5 kW frei, was durch das Bordnetz des Kraftfahrzeugs aufgebracht werden kann.

Vorteilhafterweise wird durch die Dissipation der elektrischen Energie in dem genannten Leistungsbereich in einem Heizelement, das sich in etwa in der Längsachse des monolithischen Dieselpartikelfilters befindet, Wärme in einem kleinen Volumen freigesetzt. Durch diesen lokalen und konzentrierten Wärmeeintrag in der Filterlängsachse ergeben sich Oberflächentemperaturen des Heizelementes von ca. 1000°C. Daher wird in der Umgebung des Heizelements das Filtermaterial auf Temperaturen von deutlich oberhalb 700°C erwärmt und die Zündtemperatur von Ruß, die ca. 550-600°C beträgt, lokal überschritten. Befindet sich auf dem Filter eine Mindestmenge an Ruß, die je nach Filtervolumen zwischen 5 bis 20 g pro Liter Filtervolumen liegt, so führt die bei der lokalen Rußverbrennung freiwerdende Reaktionswärme zu einer Ausbreitung des Rußabbrandes über das gesamte Filtervolumen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Partikelfilter mit einem Heizelement, und

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Heizelement.

In Fig. 1 weist ein Partikelfilter 1 ein in einem Gehäuse 2 angeordneten Monolithen 3 auf, der beispielsweise durch einen Keramikmonolithen mit wechselseitig verschlossenen Kanälen gebildet wird. Ungefähr in der Längsachse bzw. Symmetrieachse des Monolithen 3 ist ein elektrisches Heizelement 4 angeordnet, das elektrische Energie P_EL in einem Leistungsbereich von 500 W < P_EL 1,5 kW freisetzt und von dem eingezeichneten Strom I_el durchflossen wird. Der Durchmesser des elektrischen Heizelementes 4 beträgt maximal 20 mm. Durch den lokalen Wärmeeintrag in dem kleinen Volumen werden Oberflächentemperaturen des Heizelementes von ungefähr 1000°C erzielt, so daß in der Umgebung des Heizelementes 4 das Filtermaterial des Monolithen 3 sich auf Temperaturen von deutlich oberhalb 700°C erhitzt. Dadurch wird lokal die Zündtemperatur des auf dem Filter akkumulierten Rußes überschritten. Die Zuführung der elektrischen Energie geschieht über Verbindungsleitungen 5 und 8, wobei die Leitung 5 mit einer Gehäusedurchführung 6 verbunden ist, die mit üblicherweise 12 V beaufschlagt ist. Die andere Leitung 8 ist mit einem Massekontakt 7 verbunden. Das mit Partikeln behaftete Abgas 9 tritt in einem durch das Gehäuse 2 gebildeten Abgastrichter 10 durch die vordere Stirnfläche 11 in den Monolithen 3 ein. Das gereinigte bzw. gefilterte Abgas 12 tritt über die hintere Stirnfläche 13 des Monolithen 3 über einen entsprechenden hinteren Abgastrichter 14 des Gehäuses 2 aus dem Partikelfilter 1 aus.

Es konnte mit den oben angegebenen Daten für das Heizelement und die Beladung des Partikelfilters mit Ruß bei einem zylindrischen Monolithen mit einer Länge von ca. 20 cm und einem Durchmesser von ca. 15 cm ein durchgängiger Abbrand erzielt werden.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Heizelement 4. Datei ist in der bevorzugten Ausführungsform das Heizelement 4 so ausgebildet, daß es drei Bereiche 15, 16 und 17 mit unterschiedlichen Widerstandswerten aufweist. Die Bereiche 15 und 17 umfassen jeweils ein Ende des Heizelements 4 und haben einen Widerstand R1. Der mittlere Bereich 16 des Heizelements 4 hat einen Widerstand R2 und bildet die sogenannte Glühzone des Heizelements, da sein Widerstand R2 groß gegenüber dem Widerstand R1 der Endbereiche 15, 17 gewählt ist, d. h. R2 » R1. Mit anderen Worten, die Endbereiche 15 und 17 sind sogenannte Kaltenden. Bei einem derartigen Heizelement 4 wird die elektrische Kontaktierung über die Anschlüsse 5 und T thermisch nicht so hoch belastet und die zugeführte elektrische Energie wird noch "lokaler" in Wärme umgesetzt. Falls sie Widerstandswerte der Endbereiche 15, 17 unterschiedlich sind, d. h. R1 und R3, so muß für den Widerstand des mittleren Bereichs 16 gelten:
R2 » R1, R3.

Bezugszeichenliste

1

Partikelfilter

2

Gehäuse

3

Monolith

4

Heizelement

5

Zuführung

6

Gehäusedurchführung

7

Massekontakt

8

Zuführung

9

partikelbehaftetes Abgas

10

Abgastrichter

11

Vordere Stirnfläche

12

Gefiltertes Abgas

13

Hintere Stirnfläche

14

Abgastrichter

15

Endbereich Heizelement (Kaltende)

16

Mittlerer Bereich Heizelement (Glühzone)

17

Endbereich Heizelement (Kaltende)

Claims

1. Partikelfilter für eine Dieselbrennkraftmaschine mit einem Keramikmonolithen mit wechselseitig verschlossenen Kanälen, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Monolithen mindestens ein Heizelement in Längsrichtung angeordnet ist.

2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement in etwa in der Filterlängsachse angeordnet ist.

3. Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement die Form eines Stabes mit einem Durchmesser von 20 mm aufweist.

4. Partikelfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Heizelementes kreisförmig oder oval ist.

5. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement elektrische Energie P_EL von mindestens 500 W freisetzt.

6. Partikelfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement maximal 1,5 kW an elektrischer Energie freisetzt.

7. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) drei Bereiche (15, 16, 17) in Längsrichtung aufweist, wobei der Widerstand (R2) des mittleren Bereichs (16) groß gegenüber den Widerständen (R1) der beiden Endbereiche (15, 17) ist.

8. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter ein Gehäuse (2) aufweist.