DE102005023518B4

DE102005023518B4 - Verstopfungsfreies Filteraggregat mit hohem Wirkungsgrad

Info

Publication number: DE102005023518B4
Application number: DE102005023518A
Authority: DE
Inventors: Martin Votsmeier; Jürgen GIESHOFF; Thomas Kreuzer
Original assignee: Umicore AG and Co KG
Current assignee: Umicore AG and Co KG
Priority date: 2005-05-21
Filing date: 2005-05-21
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2025-05-22
Also published as: JP2008540933A; EP1902202A1; DE102005023518A1; WO2006125516A1

Abstract

Filteraggregat aus wenigstens zwei in einem Abstand hintereinandergeschalteten Filtereinheiten, die zur Entfernung von Ruß aus dem Abgas von Dieselmotoren nacheinander vom Abgas durchflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Filtereinheit einen oder mehrere Nebenschlüsse aufweist, die in zwei aufeinanderfolgenden Filtereinheiten seitlich gegeneinander versetzt sind und wobei zwischen den Nebenschlüssen der aufeinanderfolgenden Filtereinheiten ein verstopfungsfreier Strömungsweg besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein verstopfungsfreies Filteraggregat zur Entfernung von Ruß aus dem Abgas von Dieselmotoren.

Abgasanlagen mit einem Partikelfilter sind bekannt. Ein Problem beim Betrieb von Partikelfiltern ist die Erhöhung des Abgasgegendrucks durch den schon im Filter abgelagerten Ruß. Im ungünstigsten Fall kann der Gegendruck dabei so weit ansteigen, daß es zum Stillstand des Motors kommt. Konventionelle Rußfilter müssen daher von Zeit zu Zeit regeneriert werden, das heißt, der auf ihnen abgelagerte Ruß muß verbrannt werden. Bei einer hohen Rußbeladung kann es durch die Verbrennungswärme des Rußes zu einer Zerstörung des Filters kommen. Durch eine regelmäßige Regeneration wird dies verhindert.

Ruß verbrennt erst bei Temperaturen von etwa 600 °C. Die Zündtemperatur des Rußes kann zwar durch die Verwendung von katalytisch aktiven Kraftstoffadditiven oder durch katalytische Beschichtung des Filters auf etwa 400 °C reduziert werden, jedoch wird auch bei katalytischer Aktivierung die Zündtemperatur des Rußes nur in bestimmten Betriebszuständen des Motors erreicht. Um eine Verstopfung des Filters auszuschließen, muß die Rußbeladung des Filters durch die Motorsteuerung aufwendig überwacht und im Bedarfsfall durch eine aktive Erhöhung der Abgastemperatur eine Filterregeneration eingeleitet werden. Diese aktive Filterregeneration bedingt zwangsläufig einen erhöhten Kraftstoffverbrauch. Die für die Regenerationsmaßnahmen aufzuwendende Kraftstoffmenge wird zusätzlich durch die Unsicherheit bei der Berechnung der Filterbeladung und die dadurch notwendigen Sicherheitsreserven erhöht.

Die Abgasanlagen älterer Dieselfahrzeuge werden häufig nachträglich mit einem Partikelfilter ausgerüstet. Da diese Fahrzeuge nicht in der Lage sind, das nachgerüstete Filter aktiv zu regenerieren, verbleibt nur eine passive Regeneration bei Betriebsbedingungen mit hoher Last und hohen Abgastemperaturen. Da diese Betriebsbedingungen nur von Fall zu Fall auftreten und zum Teil auch über längere Zeiten völlig ausbleiben können, muß das Nachrüstfilter einen verstopfungsfreien Betrieb auch bei lange Zeit ausbleibender passiver Regeneration gewährleisten.

Die Gefahr einer Filterverstopfung kann durch ein sogenanntes offenes Filtersystem vermieden werden. Hier wird neben dem Strömungsweg durch das Filtermedium ein weiterer Strömungsweg zur Verfügung gestellt (Nebenschluß), der das Filtermedium umgeht. Mit zunehmender Rußbeladung des Filters nimmt der Gegendruck des Filters im Vergleich zum Nebenschluß zu; ein größerer Anteil der Gesamtströmung verlagert sich in den Nebenschluß und der weitere Anstieg der Filterbeladung wird verlangsamt. Auf diese Weise wird eine zu hohe Beladung des Filters und damit eine Zerstörung des Filters durch zu hohe Temperaturen bei der Regeneration verhindert. Selbst bei vollständiger Verstopfung des Filtermaterials kann das Abgas noch durch den Nebenschluß strömen, eine Verstopfung des Gesamtsystems ist nicht möglich.

Aus der Literatur ist eine große Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen von offenen Filtersystemen bekannt. Ein Beispiel eines offenen Filters gibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 100 44 893 A1 . Diese Schrift beschreibt ein Partikelfilter zur Abgasreinigung einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem im Innern des Filters in Längsrichtung angeordneten Nebenschluß. Dabei ist die Öffnung des Nebenschlusses an einem Ort der vorderen Stirnfläche des Partikelfilters angeordnet, der nicht oder nur gering vom partikelbehafteten Abgas angeströmt wird. Eine ähnliche Anordnung wird auch in der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 879 938 A2 beschrieben.

Ein weiteres Beispiel eines offenen Filtersystems gibt die europäische Offenlegungsschrift EP 1 219 794 A1 . Sie beschreibt ein Wandflußfilter mit wechselseitig verschlossenen Strömungskanälen. Zur Sicherstellung eines verstopfungsfreien Betriebs sind einige der Verschlüsse teilweise geöffnet, so daß die betroffenen Strömungskanäle einen freien Durchtritt des Abgases erlauben. Die Anwendung einzelner geöffneter Kanäle als Nebenschluß in einem offenen Filtersystem wird ebenfalls im amerikanischen Patent US 4,464,185 beschrieben.

Ein weiteres Filtersystem mit mehreren hintereinander angeordneten Filterelementen beschreibt die US 4,512,147 . Durch ein mit Ventilen versehenen Nebenschluß kann das rußbeladene Abgas gezielt an einem stromaufwärts gelegenen Filterelement vorbeigeführt und durch ein stromabwärts gelegenes Filterelement geleitet werden.

Die EP 1 314 865 A2 beschreibt ein Abgasreinigungssystem für ein Motorrad, welches zwei hintereinander angeordnete Katalysatoren in Wabenform ohne Filterwirkung enthält. Zur Verminderung des Abgasgegendrucks bilden die zylindrischen Katalysatoren mit dem umgebenden Gehäuse jeweils eine Ringspalt, durch den das Abgas die Katalysatoren unbehandelt umströmen kann.

Der Hauptnachteil der zuvor beschriebenen offenen Filtersysteme liegt in der Tatsache, daß bei diesen Systemen auch im Normalbetrieb Abgas durch den Nebenschluß ungefiltert in die Umgebung entweicht. Mit diesen Filtersystemen kann daher häufig nicht die gewünschte Filterwirkung gewährleistet werden.

Dementsprechend besteht weiterhin der Bedarf für ein Filtersystem, welches einen verstopfungsfreien Betrieb ohne aktive Regeneration und mit gutem Filterwirkungsgrad ermöglicht.

Die Lösung dieses Problems erfolgt erfindungsgemäß durch das Hintereinanderschalten mehrerer Filterelemente mit geeignet angeordneten Nebenschlüssen für das Abgas, wobei die Nebenschlüsse im Falle der Verstopfung der Filter durch Ruß einen verstopfungsfreien Strömungsweg für das Abgas bilden.

Die Verwendung mehrerer hintereinandergeschalteter Filterelemente auch in Verbindung mit Nebenschlüssen für die einzelnen Filterelemente ist aus der Patentliteratur bekannt. So wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 55 093 A1 ein System bestehend aus zwei hintereinander angeordneten Filterelementen beschrieben. Ein Teilstrom wird in einem Nebenschluß an dem vorderen Filterelement vorbeigeführt und im hinteren Element gereinigt. Ein weiterer Teilstrom wird im vorderen Element gereinigt und in einem Nebenschluß an dem hinteren Element vorbeigeführt. Sehr ähnliche Systeme werden auch in den amerikanischen Patenten US 6,464,744 B2 und US 4,625,511 beschrieben.

Im amerikanischen Patent US 4,625,511 wird ein System mit zwei hintereinander angeordneten Filtern offenbart, wobei nur das erste Filter mit einem Nebenschluß versehen ist. Ein ähnliches System ist auch in der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 51 698 A1 beschrieben. Der Vorteil dieser Systeme besteht darin, daß eine gleichmäßigere Beladung der beiden Filter mit Ruß erreicht wird.

Die zuvor beschriebenen Konstruktionen aus mehreren hintereinandergeschalteten Filterelementen mit Nebenschlüssen für ein oder mehrere Filterelemente sind geschlossene Filtersysteme, das heißt, sie erfüllen nicht die Anforderung nach einem verstopfungsfreien Filtersystem. Vielmehr werden hier mehrere Filter in Reihe geschaltet. Die Verstopfung eines Filters führt zur Verstopfung des gesamten Systems.

Die vorliegende Erfindung offenbart ein offenes, und damit verstopfungsfreies, Filteraggregat mit gutem Filterwirkungsgrad für die Entfernung von Ruß aus dem Abgas von Dieselmotoren. Das Filteraggregat besteht aus wenigstens zwei in einem Abstand hintereinandergeschalteten Filtereinheiten, die nacheinander vom Abgas durchflossen werden. Das Filteraggregat ist dadurch gekennzeichnet, daß jede Filtereinheit einen oder mehrere Nebenschlüsse aufweist, die in zwei aufeinanderfolgenden Filtereinheiten seitlich gegeneinander versetzt sind und wobei zwischen den Nebenschlüssen der aufeinanderfolgenden Filtereinheiten ein verstopfungsfreier Strömungsweg besteht.

Jede Filtereinheit enthält also ein Partikelfilter und einen oder mehrere Nebenschlüsse, durch die ein Teil des Abgases ungefiltert die zugeordnete Filtereinheit passieren kann. Die Nebenschlüsse können sowohl im Innern des jeweiligen Partikelfilters oder extern angeordnet sein.

Erfindungsgemäß besteht zwischen den Nebenschlüssen zweier aufeinanderfolgenden Filtereinheiten ein verstopfungsfreier Strömungsweg, so daß auch für den Fall einer vollständigen Verstopfung der Filter das Abgas noch ungehindert über die Nebenschlüsse durch das Filteraggregat fließen kann. Die Nebenschlüsse zweier aufeinanderfolgender Filtereinheiten sind seitlich gegeneinander versetzt, so daß die Abgasanteile, die das vordere Partikelfilter durchströmt haben und gereinigt wurden, bevorzugt durch die Nebenschlüsse der nachfolgenden Filtereinheit strömen, während die Abgasanteile aus den Nebenschlüssen der vorderen Filtereinheit bevorzugt durch das hintere Partikelfilter strömen. Dadurch ist trotz der Nebenschlüsse in den einzelnen Filtereinheiten ein hoher Gesamtfilterwirkungsgrad bei vergleichbarem Abgasgegendruck wie bei konventionellen Filteranlagen gewährleistet.

Entscheidend für die Funktionsfähigkeit dieser Anordnung ist, daß eine direkte, verstopfungsfreie Strömungsverbindung zwischen den Nebenschlüssen der hintereinander angeordneten Filtereinheiten möglich ist. Nur durch diese direkte Strömungsverbindung zwischen den Nebenschlüssen zweier aufeinanderfolgender Filtereinheiten ist im Falle einer vollständigen Verstopfung der Partikelfilter stets noch eine freier Strömungsweg für die Abgase durch die Nebenschlüsse gewährleistet. Die Nebenschlüsse in den Filtereinheiten stellen also einen Notbetrieb mit noch zulässigem Abgasgegendruck sicher, wenn die Filterregeneration, sei es aktiv oder passiv, einmal ausfallen sollte.

Die Erfindung wird an Hand der 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen
1: Erfindungsgemäßes Filteraggregat mit externen Nebenschlüssen: Strömungsverhältnisse bei Filtern mit geringer Rußbeladung
2: Erfindungsgemäßes Filteraggregat mit externen Nebenschlüssen: Strömungsverhältnisse bei Filtern mit hoher Rußbeladung
3: Filteraggregat von 1 mit Auslaß A des ersten Nebenschlusses in Strömungsrichtung des Abgases hinter Einlaß E des zweiten Nebenschlusses
4: Filteraggregat nach 1 mit in den Nebenschlüssen angeordneten Durchfluß-Wabenkörpern
5: Erfindungsgemäßes Filteraggregat aus zwei Wandflußfiltern mit internen Nebenschlüssen
6: Monolithisches Filteraggregat aus einzelnen miteinander verzahnten quaderförmigen Filterelementen
Das der Erfindung zugrundeliegende Funktionsprinzip kann gut anhand der in 1 dargestellten Ausführungsform verdeutlicht werden. 1 zeigt ein Filteraggregat (1), welches zwei Filtereinheiten (I) und (II) enthält. Jede Filtereinheit enthält ein Rußfilter (2), (3) und zugeordnete externe Nebenschlüsse (4) und (5). Die Nebenschlüsse sind seitlich zueinander versetzt angeordnet.
Durch diese Anordnung wird das in das Filteraggregat eintretende Abgas in einen ersten durch das Filter (2) fließenden Teilstrom (6) und in einen zweiten durch den Nebenschluß (4) fließenden Teilstrom (7) aufgespalten. Der erste Teilstrom wird durch das Filter entsprechend seinem Filterwirkungsgrad von seiner Rußfracht befreit, während der zweite Teilstrom ohne Filterung durch den Nebenschluß (4) fließt. Nach Durchströmen der ersten Filtereinheit (I) erfolgt eine gewisse Durchmischung des ersten mit dem zweiten Teilstrom des Abgases. Das durchmischte Abgas wird in der zweiten Filtereinheit in einen dritten (8) und vierten (10) Teilstrom aufgespalten. Der dritte Teilstrom fließt durch Rußfilter (3) und wird entsprechend seinem Filterwirkungsgrad von der verbliebenen Rußfracht befreit (11), während der vierte Teilstrom ungefiltert durch den Nebenschluß (5) fließt.
1 zeigt die Strömungsverhältnisse bei geringer Rußbeladung der Filter (2) und (3): der Hauptmassenstrom des Abgases geht durch beide Filter und wird mit hoher Effizienz vom Ruß befreit. 2 zeigt dagegen die Strömungsverhältnisse bei hoher Rußbeladung der Filter (2) und (3). Aufgrund des hohen Abgasgegendrucks der mit Ruß beladenen Filter wird der Hauptmassenstrom des Abgases durch die Nebenschlüsse an den Filtern vorbeigeleitet. Die Filterwirkung ist in diesem Fall gering.
Wird beispielhaft angenommen, daß erster und zweiter Teilstrom jeweils 50 % des gesamten Abgasmassenstromes ausmachen und im Filter (2) der erste Teilstrom vollständig vom Ruß befreit wird, so ergibt sich unter der weiteren Annahme einer vollständigen Durchmischung beider Teilströme vor Eintritt in die Filtereinheit (II) und ebenfalls hälftiger Aufteilung der Massenströme auf Nebenschluß (5) und Filter (3) eine Rußverminderung des aus dem Filteraggregat austretenden Abgases um 75 %.
Dieser Wert ändert sich während des Betriebs des Filteraggregats ständig. Je mehr Ruß sich in den Filtern ablagert, um so mehr verlagert sich die Abgasströmung auf die Nebenschlüsse. Das Verhältnis der Massenströme des ersten zum zweiten Teilstrom ändert sich dynamisch entsprechend des sich durch die Ablagerung des Rußes in Filter (2) ausbildenden Strömungswiderstandes. Entsprechendes gilt für das Verhältnis der Massenströme des dritten zum vierten Teilstrom. In dem Extremfall der Verstopfung beider Filter fließt das gesamte Abgas ungefiltert über die beiden Nebenschlüsse. Eine vollständige Verstopfung des Filteraggregats kann nicht eintreten. Die Dimensionierung der Nebenschlüsse wird vorzugsweise so vorgenommen, daß bei vollständiger Verstopfung der Filter der durch die Nebenschlüsse verursachte Abgasgegendruck einen zulässigen Wert nicht überschreitet.
Die oben beispielhaft berechnete Rußverminderung kann weiter verbessert werden, wenn durch strömungstechnische Maßnahme sichergestellt wird, daß der dritte Teilstrom überwiegend durch den zweiten Teilstrom gebildet wird und seine Rußfracht in der zweiten Filtereinheit entsprechend ihrem Filterwirkungsgrad abgelagert wird, während der vierte Teilstrom überwiegend vom ersten, schon von Ruß befreitem, Teilstrom gebildet wird. Eine solche Maßnahme kann zum Beispiel darin bestehen, daß der Auslaß (A) des ersten Nebenschlusses (4) in das Filteraggregat in Strömungsrichtung des Abgases hinter den Einlaß (E) des zweiten Nebenschlusses (5) gelegt wird. Diese Anordnung von Aus- und Einlaß ist in 3 gezeigt. Hierdurch wird erreicht, daß im Normalbetrieb bei niedrigen Filterbeladungen die im vorderen Filter gereinigten Abgase bevorzugt durch den Nebenschluß des zweiten Filterelements abfließen während die Abgase aus dem vorderen Nebenschluß bevorzugt im hinteren Filter gereinigt werden.
Der Abgasgegendruck der beiden Nebenschlüsse wird bevorzugt so ausgelegt, daß für eine vorgegebene Soll-Beladung des Filteraggregates mit Ruß gerade 50 % des Abgases durch den vorderen und hinteren Nebenschluß fließt. Bei einer niedrigeren Filterbeladung vermindert sich der durch die Nebenschlüsse fließende Anteil des Abgases und somit auch der Rußdurchtritt durch das Filteraggregat. Ist die Filterbeladung größer als die Soll-Beladung, so fließt ein größerer Teil des Abgases durch die Nebenschlüsse und verläßt das System ungefiltert: der Rußdurchtritt durch das Filteraggregat vergrößert sich. Bei vollständiger Verstopfung der Filter verläßt das Abgas das Filteraggregat über beide Nebenschlüsse ungefiltert.
Der Gesamt-Filterwirkungsgrad des Filteraggregates hängt wesentlich von dem Grad der Vermischung der einzelnen Teilströme im Verbindungsstück zwischen dem Einlaß (E) des hinteren Nebenschlusses und dem Auslaß (A) des vorderen Nebenschlusses ab. Diese Vermischung kann durch geeignete Konstruktion minimiert werden, im einfachsten Fall zum Beispiel durch eine Verjüngung des Verbindungsstückes zwischen den beiden Nebenschlüssen.
Der maximale Gegendruck des Systems bei vollständig zugesetzten Filtern wird durch den Gegendruck der Nebenschlüsse bestimmt. Die Abhängigkeit des Gegendrucks der Nebenschlüsse vom Abgasmassenstrom wird durch die Art der Reibungsverluste in den Nebenschlüssen bestimmt. Turbulente Energieverluste führen zu einer quadratischen Abhängigkeit, während laminare Reibungsverluste zu einer linearen Abhängigkeit führen. Vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist es, wenn die Nebenschlüsse bei niedriger Filterbeladung, also niedriger Strömungsgeschwindigkeit im Nebenschluß einen möglichst großen Anteil der Abgase durch die Filterelemente lenken und bei verstopften Filterelementen, also hoher Strömungsgeschwindigkeit, einen möglichst niedrigen Gegendruck aufweisen. Diese Zielvorgabe wird am besten im Fall eines hauptsächlich laminaren Reibungsverlusts erfüllt. Ein laminarer Reibungsenergieverlust kann zum Beispiel durch den Einbau von Durchfluß-Wabenkörper (13) und (14) in die Nebenschlüsse erreicht werden. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Anordnung besteht in der Möglichkeit, diese zusätzlichen Durchfluß-Wabenkörper katalytisch zu beschichten und damit das Regenerationsverhalten des Systems gezielt positiv zu beeinflussen.
Das erfindungsgemäße Filteraggregat eignet sich besonders zur Nachrüstung von Dieselfahrzeugen mit einem Partikelfilter. Die nachgerüsteten Filter müssen auch ohne aktive Regeneration einen störungsfreien Betrieb über alle Betriebszustände des Motors und unbegrenzte Betriebsdauer ermöglichen. Das erfindungsgemäße Filteraggregat wird dieser Anforderung gerecht. Selbst bei völliger Verstopfung der Filter ist immer noch eine freie Strömung des Abgases durch die Nebenschlüsse möglich.
Die Filter werden immer dann thermisch regeneriert, wenn der Motor unter hoher Belastung mit hohen Abgastemperaturen betrieben wird. Zur Unterstützung der Regeneration können die Filter und die Nebenschlüsse katalytisch beschichtet sein. Dabei werden die Filter vorteilhafterweise mit einer die Rußzündtemperatur absenkenden Beschichtung und die Nebenschlüsse mit einer Oxidationsbeschichtung versehen. Zusätzlich kann vor das Filter ein Oxidationskatalysator angeordnet werden, der das im Abgas enthaltene Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid oxidiert. Stickstoffdioxid ist ein starkes Oxidationsmittel und kann den auf den Filtern abgelagerten Ruß auch schon bei relativ geringen Abgastemperaturen verbrennen.
Die zuvor geschilderte einfache Ausführungsform der Erfindung mit außen an den Filtern vorbeigeführten Nebenschlüssen besitzt den Nachteil, daß im Falle einer einmal eingetretenen Verstopfung der Filter der Abgasstrom vollständig durch die Nebenschlüsse erfolgt und die Filterelemente bei einer Regeneration deshalb sehr langsam von der Frontseite her durch Wärmeleitung aufgeheizt werden müssen. Vorteilhafter ist eine Integration der Nebenschlüsse direkt in die Filter, zum Beispiel im Fall eines Wandflußfilters durch einige offene Kanäle. Eine solche Ausführungsform der Erfindung zeigt 3. Bezugsziffer (20) bezeichnet ein Abgasreinigungsgehäuse, in dem zwei Wandflußfilter (21) und (22) hintereinander angeordnet sind. In beiden Filtern sind einige Strömungskanäle als Durchflußkanäle, das heißt als Nebenschluß-Kanäle, ausgebildet.
Die Nebenschluß-Kanäle werden zweckmäßigerweise so über die Filter verteilt, daß ein gleichmäßiges Aufheizen der Filter bei der Regeneration gewährleistet ist. Der Gesamt-Strömungswiderstand muß dabei über die Anzahl der offenen Kanäle eingestellt werden. Für ein gleichmäßiges Aufheizen des Filters bei der Regeneration ist eine höhere Zahl von offenen Kanälen vorteilhaft. Bei gegebenem Gesamt-Strömungswiderstand kann die Anzahl der offenen Kanäle erhöht werden, wenn der Strömungswiderstand der einzelnen offenen Kanäle heraufgesetzt wird. Zu diesem Zweck kann entweder der Durchmesser der offenen Kanäle kleiner gewählt werden als der Durchmesser der regulären Filterkanäle oder es können teilweise verstopfte Kanäle verwendet werden.
Erfindungsgemäß sind die Nebenschluß-Kanäle in zwei aufeinander folgenden Filtern geometrisch so angeordnet, daß das Abgas aus den Nebenschluß-Kanälen des vorderen Filters bevorzugt auf aktive Filterkanäle im hinteren Filter treffen und umgekehrt. Strömungssimulationsrechnungen der Erfinder zeigen, daß eine solche selektive Anströmung der Nebenschluß-Kanäle durch seitlich gegeneinander versetzt liegende Nebenschluß-Kanäle sehr einfach und effizient realisiert werden kann. Die Vermischung zwischen den einzelnen Teilströmungen beträgt dabei einige wenige Prozent.
Keramische Wandflußfilter werden in der Regel aus einzelnen quaderförmigen Elementen zusammengesetzt. Eine besonders günstige Ausführungsform unter Verwendung solcher quaderförmiger Filterelement zeigt 6. Die Filtereinheiten (I) und (II) befinden sich in einem Abgasreinigungsgehäuse (30) und bestehen jeweils aus mehreren quaderförmigen Filterelementen. Jedes Filterelement weist einige Nebenschluß-Kanäle auf, wobei die Nebenschluß-Kanäle in aufeinanderfolgenden Filterelementen erfindungsgemäß seitlich gegeneinander versetzt sind.
Jede Filtereinheit besteht aus kurzen (32), (34) und langen (31), (33) Filterelementen, die jeweils in einem schachbrettartigen Muster angeordnet sind. Die kurzen und langen Filterelemente sind dabei in den beiden aufeinanderfolgenden Filtereinheiten komplementär zueinander angeordnet, so daß eine Verzahnung der beiden Filtereinheiten (I) und (II) möglich ist. Die Verzahnung der hintereinanderliegenden Filter erhöht die mechanische Stabilität des gesamten Filteraggregats und führt zu einem monolithischen Aufbau. Hierdurch ist auch die geometrisch präzise relative Anordnung der offenen Kanäle auf einfache Weise gewährleistet. Das Gesamt-Filteraggregat kann dabei auch einige vollständig durchgehende Filter-Quader ohne Nebenschluß-Kanäle enthalten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die einzelnen Filterelemente durch entsprechend strukturierte Metallfolien mit integrierten Filtermaterialien gebildet. Auch hier müssen die Nebenschluß-Kanäle des jeweils vorderen und hinteren Filterelements geometrisch so angeordnet werden, daß eine erfindungsgemäße selektive Anströmung der Nebenschluß-Kanäle sichergestellt wird. Dies kann zum Beispiel auf einfache Weise erreicht werden, wenn die beiden Filterelemente aus spiralförmig aufgewickelten Wellblech-Lagen bestehen und die Nebenschluß-Kanäle im vorderen und hinteren Filterelement in radial versetzt liegenden Lagen angeordnet werden. Auch hier muß das System nicht zwangsläufig aus zwei getrennten Filter-Monolithen bestehen, sondern die jeweils vorderen und hinteren Filterelemente können zum Beispiel in radial variierender Länge ausgeführt sein, so daß die vorderen und hinteren Filterelemente zur Erhöhung der Stabilität des Systems miteinander verzahnt werden können.
Die geometrische Ausführung der Erfindung ist nicht auf die hier aufgeführten relative einfachen Geometrien beschränkt. Insbesondere bei der Ausführung als Metallfilter können die einzelnen Filterelemente auch in sehr komplexer Form angeordnet werden. Wichtig ist, daß erfindungsgemäß für eine große Anzahl der Filterkanäle jeweils ein Nebenschluß besteht und daß diese Nebenschluß-Kanäle geometrisch so verbunden sind, daß im Falle einer vollständigen Verstopfung der Filterelemente eine freie Durchströmung des Abgases durch die Nebenschluß-Kanäle möglich ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung verwendet katalytisch beschichtete Filterelemente. Dabei kann für die vorderen und hinteren Filterelemente eine unterschiedliche Beschichtung gewählt werden. Auch die Nebenschluß-Kanäle können katalytisch beschichtet sein. Dabei kann die gleiche oder eine unterschiedliche Beschichtung wie für die Filterkanäle gewählt werden. Zum Beispiel verläuft die Strömung im Fall eines voll beladenen Filters zu einem großen Teil durch die Nebenschluß-Kanäle. Es ist daher hilfreich, die Nebenschluß-Kanäle mit einem Oxidationskatalysator zu beschichten, um möglichst viel Exothermie bei der Regeneration zu erzeugen. Im Gegenzug ist es sinnvoll, die Beschichtung der Filterwände eher in Richtung einer erniedrigten Rußzündtemperatur hin zu optimieren.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei Verwendung von neuartigen hochporösen Filtermaterialien. Diese Materialien zeigen im vollständig unbeladenen Zustand nur eine mäßige Filtereffizienz. Die Filtereffizienz steigt dann im beladenen Zustand durch die Ausbildung eines Filterkuchens an. Ein Filtersystem gemäß der vorliegen Erfindung wird so ausgelegt, daß für eine vorgewählte ,Norm-Beladung' jeweils 50 % des Abgases durch den Nebenschluß und 50 % durch die Filtereinheiten geht. Der Gegendruck bei Norm-Beladung beträgt die Hälfte des bei vollständiger Beladung auftretenden Gegendrucks. Bei dieser Auslegung gehen beim unbeladenen Filter mehr als 80 % der Abgase durch beide Filterelemente so daß auch hier eine fast vollständige Rußabscheidung erreicht wird. Mit zunehmender Beladung des Filters sinkt dann zwar der Anteil des doppelt gefilterten Gases, dafür steigt aber die Filtereffizienz des porösen Filtermaterials. Auf diese Weise wird über den gesamten Normal-Betriebsbereich ein guter Abscheidegrad erreicht.

Claims

Filteraggregat aus wenigstens zwei in einem Abstand hintereinandergeschalteten Filtereinheiten, die zur Entfernung von Ruß aus dem Abgas von Dieselmotoren nacheinander vom Abgas durchflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Filtereinheit einen oder mehrere Nebenschlüsse aufweist, die in zwei aufeinanderfolgenden Filtereinheiten seitlich gegeneinander versetzt sind und wobei zwischen den Nebenschlüssen der aufeinanderfolgenden Filtereinheiten ein verstopfungsfreier Strömungsweg besteht.
Filteraggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlüsse so dimensioniert sind, daß sie bei vollständig regeneriertem Filter 10 bis 50 % des Volumenstromes des Abgases aufnehmen.
Filteraggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinandergeschalteten Filtereinheiten jeweils ein Filter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wandflußfilter, Keramikschaumfilter, Metallschaumfilter, Metallfilter und Taschenfilter enthalten und die Nebenschlüsse durch Abgasleitungen gebildet sind, die seitlich an den jeweiligen Filtern vorbeigeführt sind.
Filteraggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlüsse mit laminaren Reibungsverlusten ausgerüstet sind.
Filteraggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Nebenschlüssen monolithische Durchfluß-Wabenkörper angeordnet sind.
Filteraggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter und/oder die Durchfluß-Wabenkörper katalytisch beschichtet sind.
Filteraggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter und/oder die Durchfluß-Wabenkörper mit einem Oxidationskatalysator beschichtet sind.
Filteraggregat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Beschichtung mit dem Oxidationskatalysator auf den Durchfluß-Wabenkörpern größer ist als auf den Filtern.
Filteraggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei hintereinandergeschalteten Filtereinheiten jeweils ein Wandflußfilter enthalten und die Nebenschlüsse dadurch gebildet sind, daß ein Teil der Strömungskanäle der Wandflußfilter als Durchflußkanäle ausgebildet sind.
Filteraggregat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Wandflußfilter untereinander das 1 bis 200-fache eines Kanaldurchmessers beträgt.
Filteraggregat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandflußfilter aus mehreren quaderförmigen Filterelementen unterschiedlicher Länge aufgebaut sind, von denen jedes Element einige Durchflußkanäle aufweist, wobei die Elemente unterschiedlicher Länge in den aufeinanderfolgenden Wandflußfiltern komplementär zueinander angeordnet und miteinander zur Bildung eines monolithischen Filteraggregats verzahnt sind.
Filteraggregat nach Anspruch einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandflußfilter und ihre Durchflußkanäle katalytisch beschichtet sind.
Verfahren zur Entfernung von Ruß aus dem Abgas eines Dieselmotors mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Leiten des Abgasstromes durch eine erste Filtereinheit mit Nebenschluß, wobei die Rußfracht eines ersten Teilstromes des Abgases in der ersten Filtereinheit entsprechend ihrem Filterwirkungsgrad abgelagert wird, während ein zweiter Teilstrom des Abgases die erste Filtereinheit über den Nebenschluß ungefiltert passiert und danach, b) Leiten des Abgasstromes durch eine zweite Filtereinheit mit Nebenschluß, wobei die Rußfracht eines dritten Teilstromes des Abgases in der zweiten Filtereinheit entsprechend ihrem Filterwirkungsgrad abgelagert wird, während ein vierter Teilstrom des Abgases die zweite Filtereinheit über den Nebenschluß ungefiltert passiert, wobei durch strömungstechnische Maßnahmen sichergestellt ist, daß der dritte Teilstrom überwiegend durch den zweiten Teilstrom gebildet wird und seine Rußfracht in der zweiten Filtereinheit entsprechend ihrem Filterwirkungsgrad abgelagert wird, während der vierte Teilstrom überwiegend vom ersten, schon von Ruß befreitem, Teilstrom gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom nach Verlassen der zweiten Filtereinheit über mindestens eine weitere Filtereinheit mit Nebenschluß geleitet wird, wobei die Aufteilung des Abgasstromes und die Rußablagerung wie in der ersten oder zweiten Filtereinheit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive Regeneration der Filtereinheiten eingeleitet wird, wenn der Massenstrom durch die Nebenschlüsse von anfänglich 5 bis 30 % durch die Rußbeladung auf 40 bis 70 % des gesamten Abgasmassenstromes angewachsen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlüsse der Filtereinheiten jeweils an der Filtereinheit vorbeigeführt sind.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Filtereinheiten und/oder Nebenschlüsse katalytisch beschichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlüsse der Filtereinheiten jeweils durch die Filtereinheiten hindurchgeführt sind.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Filtereinheiten und/oder Nebenschlüsse katalytisch beschichtet sind