DE102004001571B4

DE102004001571B4 - Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102004001571B4
Application number: DE200410001571
Authority: DE
Inventors: Alfred Neitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: DE102004001571A1

Abstract

Vorrichtung zur automatischen Regeneration eines Partikelfilters, auf der Basis eines wabenförmigen, porösen Filterkörpers mit nebeneinander liegenden Kanälen, die an den Filterenden wechselseitig verschlossen sind, aus Keramik oder Sintermetall, in der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine im Fahrzeug, wobei die Regeneration während des Motorbetriebes im Nebenstrom stattfindet, die angesammelten Rußpartikel mit Heißluft abgebrannt werden, diese Regenerationsluft der Ladeluft des Motors auf der Druckseite des Turboverdichters oder einer anderen Druckluftquelle entnommen wird und durch einen elektrischen Lufterhitzer auf die Zündtemperatur der abzubrennenden Rußpartikel gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaseintrittsebene des Filterkörpers als geschliffene Fläche ausgebildet ist, die nur durch die Öffnungen der Eintrittskanäle unterbrochen ist, dass ein auf dieser Fläche gleitender Luftverteiler einen Hohlraum enthält, der mindestens eine Luftaustrittsöffnung zur Gleitfläche aufweist und damit die Verbindung zu einer Teilmenge der überdeckten Filterkanäle herstellt, dass der Hohlraum sich bis in eine Hohlwelle des Luftverteilers fortsetzt, dass der Luftverteiler sich um die Mittelachse des...

Description

Im Automobilbereich (Pkw und Nkw) werden in dieselmotorgetriebenen Fahrzeugen Partikelfilter zur Abgasreinigung eingesetzt. Bekannt sind wabenförmige Filterkörper, die nebeneinander angeordnete Kanäle enthalten und aus porösen Keramikwerkstoffen (Lit.: Kurz, Eberspächer, Abgassysteme für Pkw, Verlag Moderne Industrie) oder aus porös gesinterten Metallen (MTZ, Motortechnische Zeitschrift 11/2003 5.914, „Bosch") hergestellt werden. Die Kanäle sind an den Enden des Filterkörpers wechselseitig verschlossen. Das Abgas kann also am Eintrittsende nur in die unverschlossenen Kanäle eintreten, die aber am anderen Ende blockiert sind. Das Gas muss durch die porösen Wände in die Nachbarkanäle übertreten, wo es in Richtung der offenen Enden abströmen kann. Abhängig von der Porosität der Wände werden im Gas vorhandene Rußpartikel bis weit über 90 % in den Eintrittskanälen zurückgehalten. Die sich an den Kanalwänden aufbauende Rußschicht erhöht stetig den Durchflusswiderstand und würde letzten Endes den Filter verstopfen. Die angesammelte Rußbeladung muss deshalb in gewissen Zeitabständen abgebrannt werden, um den Filter zu regenerieren.

Dazu muss während des Motorbetriebes die Abgastemperatur vor Filter auf über 500 °C angehoben werden, bis die zurückgehaltenen Partikel mit dem Restsauerstoffgehalt des Abgases reagieren, zünden und dann abbrennen. Diese Temperatur wird im Fahrbetrieb eines Dieselmotors selten erreicht. Deshalb sind Zusatzmaßnahmen verschiedener Art erforderlich.

Bei der aktiven Regeneration wird der Filter durch äußere Maßnahmen auf die Temperatur von 550 °C gebracht:

– Durch Installation eines Dieselbrenners vor dem Filter oder
– eine vom Motorsteuergerät veranlasste Kraftstoff-Nacheinspritzung in die Zylinder. In diesem Fall ist ein mit Edelmetallen beschichteter Oxidationskatalysator vor dem Partikelfilter erforderlich, um die aus den Zylindern austretenden, unverbrannten Kraftstoffanteile mit dem Restsauerstoff im Abgas reagieren zu lassen und so die Temperatur vor Filter zu steigern. In beiden Fällen ist der weiter verminderte Restsauerstoffgehalt im Abgas nachteilig für einen zügigen Rußabbrand.

Bei der passiven Regeneration wird die Zündtemperatur der Rußpartikel abgesenkt:

– Dem Kraftstoff werden katalytisch wirksame, mineralische Additive (z.B. Cerium) beigemischt. Die Additive lagern sich fein verteilt in der Partikelbeladung ab und lassen den Ruß bereits bei ca. 450 °C zünden und abbrennen. Nachteilig ist hierbei, dass die mineralischen Bestandteile in den Eintrittskanälen zurückbleiben und den Filter auf längere Sicht verstopfen. Additivvorrat und Dosiereinrichtung müssen im Fahrzeug vorhanden sein.
– Beim katalytischen Partikelfilter wird eine Edelmetallbeschichtung auf die Kanalwände aufgebracht. Dadurch wird die Rußzündtemperatur auf ca. 400 °C abgesenkt. Problematisch ist hier die sehr kleine Kontaktfläche zwischen der Partikelstruktur und dem Edelmetall, die eine katalytische Wirkung einschränkt.

Häufig werden aktive und passive Regenerationsverfahren miteinander kombiniert. Bei allen handelt es sich um Vollstromverfahren, d.h. der Partikelabbrand erfolgt weitgehend gleichzeitig im gesamten, vom Abgas durchströmten Filter.

Bekannt ist auch ein Nebenstrom-Verfahren (Gebrauchsmuster G 87 01 816.0 ). Dabei ist die erforderliche Filterkapazität auf 2 Filter aufgeteilt, die während der Beladung parallel durchströmt werden. Zur Regeneration wird mit Hilfe eines Klappensystems der gesamte Abgasstrom durch nur einen Filter geleitet, während der zweite durch das Abgas eines Dieselbrenners im Nebenstrom regeneriert wird. Analog dazu wiederholt sich der Vorgang bei der Regeneration des ersten Filters, bevor beide wieder parallel geschaltet werden.

Wenn die Filterbeladung, gemessen am steigenden Druckabfall über Filter, eine festgelegte Grenze überschreitet, wird bei allen Systemen die Regeneration durch das elektronische Steuergerät ausgelöst und überwacht.

Diese Regenerationsverfahren sind im „Handbuch Dieselmotoren", Mollenhauer (Hrsg.), Springer-Verlag 1997, im Abschnitt 13.2.3.4 ausführlich beschrieben. Außerdem werden darin Regenerationssysteme mit elektrisch aufgeheizter Heißluft zitiert, sowie die Nebenstromregeneration durch einen kleineren Heißgasstrom in einem Filterelement gezeigt, während gleichzeitig das zweite Element das Motorabgas filtert.

Die Offenlegungsschrift DE 101 30 872 A1 befasst sich, allumfassend und abstrakt, ebenfalls mit einer Nebenstromregeneration, die bei einer der vielen Vorschlagsvarianten mit Hilfe eines Rotors erfolgt, der sich auf der Eintrittsebene eines zylindrischen Filterkörpers dreht. Dieser Rotor soll sowohl das zu filternde Motorabgas als auch das Regeneriergas auf jeweils einen Sektor der Filtereintrittsebene verteilen und fortschreitend die vom Abgasstrom unabhängige Nebenstromregeneration bewirken. Der Text enthält jedoch keine Anregung zum konstruktiven Handeln und die Figuren zeigen nur symbolische Strichzeichnungen ohne Hinweise auf reale Ausführungen. Danach wäre eine rotierende Struktur vorstellbar, die auf der einen Seite an zwei feststehende Gasleitungen gekoppelt ist und auf der anderen Seite die Gase an feste Filterkanäle laufend wechselnd weiterleitet. Der damit verbundene mechanisch-strukturelle Aufwand wäre sehr nachteilig für eine gewerbliche Verwendung. Die ebenfalls erwähnte, elektrisch erhitzte Regenerationsluft, sowie die in den Ansprüchen enthaltene Regeneration mit einem gegenüber dem Abgasstrom kleineren Gasstrom, bei gleichzeitigem Ablauf von Filterung und Regeneration, sind bereits durch das „Handbuch Dieselmotoren" oder das Gebrauchsmuster G 87 01 816.0 bekannt.

Das US Patent 4 641 496 beschreibt eine Regenerationseinrichtung mit einem sektorförmigen, definiert durchlässigen Schirm, der sich berührungsfrei vor der Filtereintrittsebene dreht und den Abgasstrom in dem abgedeckten Sektor des Filtermonolithen vermindert. Hinter dem Schirm ist ein elektrisches Heizelement befestigt, das sowohl den Eintrittsbereich der überdeckten Filterkanäle als auch den Abgasteilstrom aufheizt und die hinter dem Schirm liegenden Filterkanäle regenerieren lässt. Die Einrichtung ist für die Regeneration mit dem Restsauerstoff im Abgas angelegt und mit dem Nachteil behaftet, dass der Regeneriergas-Teilstrom nicht, unabhängig vom Hauptstrom, regelbar ist. Sie ist für eine, den Ansprüchen dieser Anmeldung zugrunde liegenden, Heißluftregeneration nicht geeignet.

In der Offenlegungsschrift DE 38 08 075 A1 wird die Nebenstromregeneration eines Filtermonolithen mit Hilfe einer Heißgasquelle beschrieben, deren Öffnung einen Sektor der Filterstirnseite abdeckt und die dort abgedeckten Filterkanäle mit der Heißgasquelle verbindet. Die Filterstirnseite wird relativ zur festen Heißgasquelle kontinuierlich oder schrittweise bewegt. Das zylindrische Filterkörpergehäuse ist dazu drehbar an seinem Umfang auf Rollen gelagert. Der große Aufwand für die Drehbarkeit des Filterkörpers bezüglich Lagerung, Antrieb und seine Abdichtung gegen die feststehenden Gehäuseteile für die Abgas- Zu- und Abführung macht diese Lösung für eine gewerbliche Anwendung wenig akzeptabel.

Die Europäische Patentanmeldung EP 1 253 300 A1 betrifft eine Partikelfilter-Vollstromregeneration mit Katalysatormitteln. Der Katalysator-Filter-Anordnung ist im Abgasstrang eine Heizeinrichtung vorgeschaltet, die das vom Motor kommende Abgas auf die Katalysator-Anspringtemperatur aufheizt und dadurch eine diskontinuierliche Filter-Regeneration einleitet. Die erforderliche Heizwärme erzeugt ein Brenner, für dessen Luftbedarf unter verschiedenen Quellen auch die Abzweigung von Ladeluft, auf der Druckseite des Turboladers, vorgeschlagen wird. Für diesen Vollstrombetrieb muss der gesamte Abgasmassenstrom mit hoher Brennerleistung und dementsprechend hohem Luftbedarf aufgeheizt werden. Diese Brennerluft der Ladeluft zu entnehmen, würde den Motorbetrieb, zumindest im unteren bis mittleren Lastbereich, empfindlich beeinträchtigen und daher für eine kommerzielle Anwendung kaum zulässig sein. Für die weiter unten offenbarte Regeneration im Nebenstrom mit kleinstem Luftbedarf ist die minimale Ladeluftentnahme als noch kompensierbar anzusehen.

Aufgabenstellung

Es soll ein Partikelfiltersystem mit automatischer Regeneration entwickelt werden, ohne seltene und teure Edelmetalle wie Platin, Palladium und Rhodium zu verwenden. Der Dieselkraftstoff soll keine regenerationsspezifischen Additive enthalten, deren Rückstände den Filter verstopfen. Aufwendige Dieselbrenner sollen ebenfalls vermieden werden.

Erfindung

Ein Partikelfilter auf der Basis von bekannten, wabenförmigen Filterkörpern aus keramischen oder gesinterten, metallischen Werkstoffen nach dem Stand der Technik, wird während des Motorbetriebs, weitgehend kontinuierlich, mit Heißluft, jeweils in einer kleinen Anzahl der Filterkanäle gleichzeitig, im Nebenstrom regeneriert.

Das Eintrittsende des Filterkörpers ist als geschliffene Fläche ausgebildet, die nur durch die Öffnungen der Eintrittskanäle unterbrochen ist. Auf dieser Fläche gleitet ein Luft- verteiler, der eine kleine Anzahl der Eintrittskanäle überdeckt und diese der Abgasdurchströmung entzieht. Der Luftverteiler enthält einen Hohlraum, der zur Gleitfläche hin offen und mit einem Teil der überdeckten Eintrittskanäle verbunden ist. Um die vorher mit Partikeln beladenen Kanäle zu regenerieren, wird vorzugsweise Ladeluft des Motors auf der Druckseite des Turboverdichters entnommen, in einem elektrischen Lufterhitzer auf die erforderliche Ruß-Zündtemperatur gebracht, durch den Luftverteiler in die verbundenen Kanäle geleitet, wo der Ruß abgebrannt wird. Der Luftverteiler wird kontinuierlich oder schrittweise weiterbewegt, um die nächsten Kanäle zu regenerieren.

1, 2 und 3 zeigen beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Lösung, ohne die konstruktive Ausgestaltung vorwegzunehmen, die alle mechanischen, thermischen und elektrotechnischen Randbedingungen zu berücksichtigen hat.
Der Filterkörper, ein Keramikmonolith, (1) mit kreisförmigem Querschnitt ist nach dem Stand der Technik in einem Stahlblechmantel (2) „eingepackt". An der stirnseitigen Abgas-Eintrittsebene (3) liegt der Regenerationsluft-Verteiler (4) an, der, angetrieben von einer elektrischen Stelleinrichtung (5), um die Mittelachse des Filterkörpers (1), wie die Pfeile (6) anzeigen, gedreht wird, wobei die Drehrichtung gewechselt werden kann. Die Hohlwelle (7) des Luftverteilers (4) ist im Verteilergehäuse (8) gelagert, das außerdem den Filtermantel (2) abschließt. Das Verteilergehäuse (8) enthält auch den Rohabgaseintritt, symbolisiert durch die Pfeile (9) und führt das Abgas den nicht abgedeckten Kanälen (10) zu. Die Regenerationsluft wird der Ladeluft- Druckseite (11) des Turboverdichters (12) mit Hilfe des Ladeluft-Entnahmeventils (13) entnommen. Bei geöffnetem Ventil (13) strömt die Luft, angezeigt durch Pfeil (14), durch den regelbaren, elektrischen Lufterhitzer (15) und wird im Lufterhitzergehäuse (16) in die Verteilerhohlwelle (7) übergeleitet, von wo sie in den Luftverteiler (4) und in die verbundenen Filterkanäle (17) gelangt, wie Pfeile (18) verdeutlichen.
Die Form des Luftverteilers, die Anzahl der Luftaustritte und deren Gesamtquerschnitt richten sich nach Anzahl und Lage der Filterkanäle, die gleichzeitig regeneriert werden sollen. Eine beispielhafte Variante (19) zeigt 3. Die Breite der um einen Luftaustritt (20) umlaufenden Dichtfläche (21) soll etwas größer als das Eckmaß eines Filterkanals (10), (17) sein, um wechselseitiges Überblasen zwischen Abgas (9) und Regenerationsluft (18), je nach Druckdifferenz, zu vermeiden. Die erforderlichen Abdichtkräfte an der Dichtfläche (21) werden durch die vorgespannte Schraubenfeder (22) aufgebracht. Die thermisch, mechanisch und tribologisch beanspruchten Bauteile Luftverteiler (4) einschl. Hohlwelle (7) und Verteilergehäuse (8) sollten vorzugsweise aus faserverstärkten Keramiken oder Carbonfaser-Verbundwerkstoffen hergestellt werden.
Die Regeneration wird von einem elektronischen Steuergerät (23) ausgelöst, geregelt und überwacht. In diesem Gerät sind Kennfelder abgelegt, die in Verbindung mit den Signalen, mit (24) schematisch angedeutet, einer Vielzahl von Temperatur- und Drucksensoren im Filtersystem sowie Signalen von Motor-Sensoren dazu dienen, Befehle an Ladeluft-Entnahmeventil (13), Lufterhitzer (15) und Stelleinrichtung (5) zu generieren. Die elektrische Energie für die Regenerationseinrichtung wird dem Bordnetz des Fahrzeugs, verdeutlicht durch das Batteriesymbol (25), entnommen.
Der obere Lastbereich des Motors ist für die Regeneration günstig, da hohe Partikelfilter- und Ladelufttemperaturen die erforderliche elektrische Leistung des Lufterhitzers reduzieren, thermische Spannungen durch hohe Temperaturunterschiede im Filter vermindert werden und andererseits der niedrige Restsauerstoffgehalt im Abgas bedeutungslos ist. Wird die Anzahl der gleichzeitig zu regenerierenden Kanäle sehr klein gehalten, werden Luftbedarf und elektrische Heizleistung dementsprechend niedrig. Auch bei einem im unteren Lastbereich betriebenen Pkw-Motor mit niedriger Filtertemperatur wird der elektrische Leistungsbedarf den einer Fahrzeug-Außenbeleuchtung nicht übersteigen.
Ein neuzeitlicher Dieselmotor (26) ist fast ausnahmslos mit einem Turbolader (27) mit variabler Turbinengeometrie (VTG) oder Ladedruckregelventil (waste gate) ausgestattet, die gesteuert von der Motorelektronik, für angemessenen Ladedruck im Betriebsbereich des Motors sorgen. Die Entnahme eines Bruchteils des Ladeluftvolumenstromes für die Nebenstromregeneration des Partikelfilters ist daher als ausgleichbar anzusehen. Während des Motorleerlaufs wird eine Regeneration nicht stattfinden können. Das Ladeluft-Entnahmeventil (13) soll regelbar sein, um damit den Regenerationsluftdruck und die Luftmenge steuern zu können. Bei einem Saugmotor oder einem Sonderfall wäre eine andere Druckluftquelle einzusetzen. Schließlich ist hinzuweisen auf den Luftfilter (28) für die Verbrennungsluft des Motors und den Pfeil (29), der den gereinigten Abgasstrom nach Partikelfilter anzeigt.
Die Regeneration durch Heißluft hat im Vergleich zum gewerblich genutzten Stand der Technik den Vorteil, dass weder Edelmetalle noch Kraftstoffadditive benötigt werden und die Rußzündtemperatur niedriger als bei der Restsauerstoffregeneration liegt. Die Regeneration im Nebenstrom ermöglicht mit erheblich kleinerer Leistung, die das elektrische Bordnetz nicht überfordert, den Regenerationsprozess weitgehend fortlaufend während des Motorbetriebs zu führen. Nach Schätzung können alle Kanäle im Intervall von einer bis zwei Stunden einmal regeneriert sein. Zwar werden die Kanäle durch ihre unterschiedlichen Strömungswiderstände wegen der fortschreitenden Teilregeneration wechselnd ungleichmäßig beladen, vorteilhaft ist aber, dass der Filterwiderstand wenig ansteigt und eine kleinere abzubrennende Rußbeladung eines Filterkanals die Wärmefreisetzung und damit die thermischen Spannungen im Filter vermindert.

Claims

Vorrichtung zur automatischen Regeneration eines Partikelfilters, auf der Basis eines wabenförmigen, porösen Filterkörpers mit nebeneinander liegenden Kanälen, die an den Filterenden wechselseitig verschlossen sind, aus Keramik oder Sintermetall, in der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine im Fahrzeug, wobei die Regeneration während des Motorbetriebes im Nebenstrom stattfindet, die angesammelten Rußpartikel mit Heißluft abgebrannt werden, diese Regenerationsluft der Ladeluft des Motors auf der Druckseite des Turboverdichters oder einer anderen Druckluftquelle entnommen wird und durch einen elektrischen Lufterhitzer auf die Zündtemperatur der abzubrennenden Rußpartikel gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaseintrittsebene des Filterkörpers als geschliffene Fläche ausgebildet ist, die nur durch die Öffnungen der Eintrittskanäle unterbrochen ist, dass ein auf dieser Fläche gleitender Luftverteiler einen Hohlraum enthält, der mindestens eine Luftaustrittsöffnung zur Gleitfläche aufweist und damit die Verbindung zu einer Teilmenge der überdeckten Filterkanäle herstellt, dass der Hohlraum sich bis in eine Hohlwelle des Luftverteilers fortsetzt, dass der Luftverteiler sich um die Mittelachse des Filterkörpers dreht und mit seiner Hohlwelle in einem Verteilergehäuse drehbar gelagert ist, dass das Verteilergehäuse den Rohabgaseintritt enthält, das Abgas den nicht abgedeckten Filterkanälen zuführt und den Filtermantel am Ende abschließt.
Regenerationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle des Luftverteilers durch eine elektrische Stelleinrichtung angetrieben wird, wobei die Drehrichtung wechselbar ist, dass die Breite der um eine Luftaustrittsöffnung des Luftverteilers umlaufenden Dichtfläche größer ist als das Eckmaß eines Filterkanals, dass die für die gleitende Abdichtung zwischen Luftverteiler und Filterstirnseite erforderliche Dichtkraft als Axialkraft an der Hohlwelle durch eine vorgespannte Schraubenfeder aufgebracht wird, dass sich die Schraubenfeder an der Antriebswelle der Stelleinrichtung abstützt.
Regenerationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftentnahmeventil an der Druckluftquelle regelbar ausgestaltet ist und elektrisch betätigt wird, dass der elektrische Lufterhitzer regelbar ausgestaltet ist und in unmittelbarer Nähe der Hohlwelle des Luftverteilers angeordnet die durchströmende Luft durch geeignete Leitungsmittel in die Hohlwelle überleitet.
Regenerationsvorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronisches Steuergerät Befehle an das Luftentnahmeventil, den Lufterhitzer und die Stelleinrichtung ausgibt und dadurch eine Nebenstrom-Regeneration auslöst, regelt und überwacht, dass die Signale einer Anzahl von Druck- und Temperatursensoren im Filtersystem sowie von Sensoren des Motors im Steuergerät genutzt werden, um in Verbindung mit dort abgelegten Kenndaten, diese Befehle zu generieren.
Regenerationsvorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftverteiler so gestaltet ist, dass die kleinstmögliche Teilmenge der vorhandenen Filtereintrittskanäle gleichzeitig an der Nebenstrom-Regeneration teilnimmt und dass nach einer vollen Umdrehung des Luftverteilers alle Kanäle mindestens einmal regeneriert wurden.
Regenerationsvorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch, thermisch und tribologisch hoch beanspruchten Bauteile aus faserverstärkter Keramik oder Carbonfaser-Verbundwerkstoff hergestellt sind.