DE10044923A1 - Particle filter for diesel internal combustion engine, includes heating rod longitudinally arranged inside a ceramic monolith having interlocked channels - Google Patents
Particle filter for diesel internal combustion engine, includes heating rod longitudinally arranged inside a ceramic monolith having interlocked channelsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen heizbaren Partikelfilter zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a heatable particle filter for removing soot particles from the exhaust gas of a diesel internal combustion engine according to the preamble of claim 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.When operating a diesel engine, combustion occurs in the essential particles consisting of soot, for environmental reasons and due to existing legal regulations must not be released into the environment. To do this To avoid, there is at least one in the exhaust line of a diesel engine Particle filter arranged, which from the soot particles created by the combustion filters the exhaust gas flow. Various filter systems are used preferably in the form of a honeycomb body, the filter consisting of segments can be composed or by a monolith made of metal or ceramic is formed.
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%.In general, such a particle filter has in contrast to continuous ones Catalysts on mutually closed channels. In the case of a ceramic Monoliths must pass the particle-laden exhaust gas through the uncoated, porous Walls of the honeycomb body flow and the particles then settle in the pores of the Walls off. The efficiency of the filter fluctuates depending on the porosity of the ceramic body between 70% and 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.To ensure the full functionality of the particle filter, they must be in be regenerated at certain intervals, since the absorption capacity of a Particle filter is limited to soot particles. The filter clogs up without regeneration and clogged. In principle, the soot particles are oxidized during regeneration means burned down. In order to cause the soot particles to burn off in this way, either the temperature can be increased so far that it is above the ignition temperature of soot, namely 550-600 ° C, or the ignition temperature must be added by Additives are reduced chemically. Furthermore, must be sufficient Oxygen is available for combustion, what through different Measures can be achieved. The necessary oxygen can also be bound Form, as is the case with a CRT system (CRT = Continuous Regeneration Trap) is the case.
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.A disadvantage in the reduction of the soot ignition temperature by the addition of Additives is the formation of ash in the filter caused by the additives. at There are several methods of increasing the temperature to above the soot ignition temperature usual, for example the increase in the temperature of the exhaust gas by changing Engine management, the temperature increase of the exhaust gas by electrical Convection heating, electrical heating of the filter face or the like.
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.DE-A-37 12 333 is a heating element for heating the end face of the Particulate filter body known, which can be switched on and off separately on the end face Heating zones from heating elements are formed to the heating to that in the motor vehicle adapt existing power supply.
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.DE-A-44 08 763 shows an exhaust gas purification system of a diesel internal combustion engine several particle filters, each particle filter separately with an electric heater is equipped, which is realized by a cylindrical wire mesh heating.
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.Furthermore, DE-A-195 30 749 shows a device for removing soot particles the exhaust gas of a diesel engine with a heating element covering the end face irradiated of the particle filter, the heating element consisting of one or more Heating wires is formed.
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.Furthermore, devices are also known in which a Flame glow plug is arranged, the diesel fuel via a separate line Generation of a heating flame is supplied.
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.A disadvantage of the known methods is either their high electrical requirement Electricity that is difficult to apply on the part of the motor vehicle's power supply can be, or their necessary additional devices, such as the feed of separate fuel to a flame glow plug.
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. The invention is therefore based on the object of a particle filter for a To create diesel internal combustion engine in which a safe regeneration without Overloading the power supply of the motor vehicle can be carried out.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is solved by the features of claim 1. preferred Refinements and developments of the invention are the subject of Dependent claims.
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.According to the invention is in a particle filter for a diesel internal combustion engine inside of the monolith at least one heating element in the longitudinal direction of the particle filter arranged, the longitudinal direction corresponding to the exhaust gas flow direction.
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.The particle filter preferably has an axis of symmetry in the longitudinal direction and that The heating element is in this axis of symmetry, in particular in the longitudinal axis of the filter, arranged to achieve a uniform expansion of the burn.
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.In particular, the heating element has the shape of a thin rod with a Diameter of ≦ 20 mm in order to achieve the highest possible power density, i.e. H. locally high Temperature to get to the surface. The cross section of the heating element is preferably circular or oval.
Vorzugsweise setzt das Heizelement elektrische Energie PEL von mindestens 500 W und maximal 1,5 kW frei, was durch das Bordnetz des Kraftfahrzeugs aufgebracht werden kann.The heating element preferably releases electrical energy P EL of at least 500 W and a maximum of 1.5 kW, which can be applied by the vehicle electrical system.
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.Advantageously, the dissipation of the electrical energy in the above Power range in a heating element, which is approximately in the longitudinal axis of the monolithic diesel particulate filter, heat in a small volume released. This local and concentrated heat input in the The longitudinal axis of the filter results in surface temperatures of the heating element of approx. 1000 ° C. Therefore, the filter material is in the vicinity of the heating element Temperatures of significantly above 700 ° C and the ignition temperature of soot, which is approx. 550-600 ° C, locally exceeded. There is one on the filter Minimum amount of soot, depending on the filter volume between 5 to 20 g per liter Filter volume lies, so that leads with the local soot combustion Heat of reaction to spread the soot burn-off over the entire Filter volume.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.A preferred embodiment of the invention is described below with reference to the figures explained in more detail.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Partikelfilter mit einem Heizelement, und Fig. 1 shows a schematic cross section through a particle filter according to the invention with a heating element, and
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Heizelement. Fig. 2 shows a cross section through a heating element.
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 PEL in einem Leistungsbereich von 500 W < PEL 1,5 kW freisetzt und von dem eingezeichneten Strom Iel 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.In Fig. 1 1 comprises a particulate filter on a arranged in a housing 2 monolith 3 which is constituted for example by a ceramic monolith having alternately closed channels. An electrical heating element 4 is arranged approximately in the longitudinal axis or axis of symmetry of the monolith 3 , which releases electrical energy P EL in a power range of 500 W <P EL 1.5 kW and through which the drawn current I el flows. The diameter of the electrical heating element 4 is a maximum of 20 mm. Due to the local heat input in the small volume, surface temperatures of the heating element of approximately 1000 ° C. are achieved, so that in the vicinity of the heating element 4 the filter material of the monolith 3 heats up to temperatures of significantly above 700 ° C. As a result, the ignition temperature of the soot accumulated on the filter is locally exceeded. The supply of the electrical energy takes place via connecting lines 5 and 8 , the line 5 being connected to a housing bushing 6 which is usually supplied with 12 V. The other line 8 is connected to a ground contact 7 . The exhaust gas 9 , which contains particles, enters the monolith 3 in an exhaust gas funnel 10 formed by the housing 2 through the front end face 11 . The cleaned or filtered exhaust gas 12 emerges from the particle filter 1 via the rear end face 13 of the monolith 3 via a corresponding rear exhaust gas funnel 14 of the housing 2 .
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.The data for the heating element and the loading of the Particulate filter with soot on a cylindrical monolith with a length of approx. 20 cm and a diameter of approx. 15 cm can be burned off continuously.
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.
Fig. 2 shows a schematic cross section through a heating element 4. In the preferred embodiment, the heating element 4 is designed such that it has three regions 15 , 16 and 17 with different resistance values. The areas 15 and 17 each include one end of the heating element 4 and have a resistor R1. The central region 16 of the heating element 4 has a resistance R2 and forms the so-called glow zone of the heating element, since its resistance R2 is large compared to the resistance R1 of the end regions 15 , 17 , ie R2 »R1. In other words, the end regions 15 and 17 are so-called cold ends. In the case of such a heating element 4 , the electrical contacting via the connections 5 and T is not subjected to such a high thermal load and the electrical energy supplied is converted into heat even more “locally”. If the resistance values of the end regions 15 , 17 are different, ie R1 and R3, the following must apply to the resistance of the middle region 16 :
R2 »R1, R3.
11
Partikelfilter
particulate Filter
22
Gehäuse
casing
33
Monolith
monolith
44
Heizelement
heating element
55
Zuführung
feed
66
Gehäusedurchführung
Housing bushing
77
Massekontakt
mass contact
88th
Zuführung
feed
99
partikelbehaftetes Abgas
particle-laden exhaust gas
1010
Abgastrichter
exhaust funnel
1111
Vordere Stirnfläche
Front face
1212
Gefiltertes Abgas
Filtered exhaust gas
1313
Hintere Stirnfläche
Rear face
1414
Abgastrichter
exhaust funnel
1515
Endbereich Heizelement (Kaltende)
End area heating element (cold end)
1616
Mittlerer Bereich Heizelement (Glühzone)
Middle area of heating element (annealing zone)
1717
Endbereich Heizelement (Kaltende)
End area heating element (cold end)
Claims (8)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2000144923 DE10044923A1 (en) | 2000-09-12 | 2000-09-12 | Particle filter for diesel internal combustion engine, includes heating rod longitudinally arranged inside a ceramic monolith having interlocked channels |
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