DE102006041284A1

DE102006041284A1 - Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Regenerieren von durchströmten Parikelfiltern

Info

Publication number: DE102006041284A1
Application number: DE200610041284
Authority: DE
Inventors: Gerd Prof. Dr. Walter; Jens Dipl.-Ing. Strack; Christos Prof. Dr. Aneziris; Wolfgang Dipl.-Ing. Schärfl; Ernstwendelin Prof. Dr.-Ing. Bach; Rainer Dipl.-Ing. Sandig
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Priority date: 2006-09-02
Filing date: 2006-09-02
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2026-09-03
Also published as: DE102006041284B4

Abstract

Zur Reinigung rußpartikelbelasteter Abgase, wie sie zum Beispiel bei Dieselverbrennungsmaschinen entstehen, werden Partikelfilter meist in Form von keramischen Wabenkörpern eingesetzt. Mit steigender Beladung des Filters ist eine Regeneration notwendig. Wenn die Partikel brennbar sind, können sie erwärmt und dann oxidiert werden, so dass der Filter wieder frei ist. Da die Regeneration im Betriebszustand erfolgen soll, ist aufgrund der Wärmeverluste bei Durchströmung des Filters mit relativ kaltem Abgas ein hoher Energieeintrag in das Filtersystem notwendig. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sollen den Energiebedarf senken und das Abbrandverhalten optimieren. Das erfindungsgemäße Verfahren zum thermischen Regenerieren von durchströmten Partikelfiltern eines in einen partikerallel angeordneten Partikelfiltern, die nacheinander regeneriert werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Regeneration des Filters entgegen der Beladungsrichtung durchgeführt wird, indem in das zu reinigende System aus Filterelement, brennbaren Bestandteilen und Gas Energie zum Zünden und Abbrennen zugeführt und ein sauerstoffhaltiges Gas entgegen der Beladungsrichtung durch den Filter geleitet wird. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich zum Regenerieren von Rußpartikelfiltern, wie sie zum Beispiel im Abgasstrom von Dieselmotoren eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Regeneration von Filtern, die zum Reinigen von mit Feinstpartikeln belasteten Abgasen wie zum Beispiel denen einer Dieselverbrennungskraftmaschine verwendet werden.
Die Emission von Abgasen mit Feinstpartikelbelastung, die als gesundheitsschädlich angesehen wird, und die speziell bei Dieselmotoren festgestellt wird, sowie die daraus erfolgte Verschärfung der Abgasgesetzgebung haben zur Entwicklung zahlreicher Systeme zur Abgasreinigung geführt.
Bei diesen Systemen strömen die Abgase in der Regel durch einen Filter, meist ein keramischer Wabenkörper mit sehr geringen Porendurchmessern, welcher die Feinstpartikel zurückhält. Die kontinuierliche Beladung des Filters führt nach einer gewissen Beladungszeit zu einem Zusetzen der Poren des Filters, wodurch sich der Abgasgegendruck erhöht. Bei Abgasen, die im wesentlichen brennbare Bestandteile wie z.b. Ruß enthalten, wie es bei einem Dieselmotor der Fall ist, empfiehlt sich eine thermische Regeneration des Filters, bei dem der Filterkuchen mit einem sauerstoffhaltigen Gas oxidiert wird. Dieses Gas kann das Abgas bei einem Restsauerstoffgehalt selbst sein oder auch Luft.
Im Automobilbereich werden für die Reinigung der Abgase von Dieselmotoren meist katalysatorgestützte Systeme eingesetzt, durch welche die Zündtemperatur des Rußes, die im Bereich von 600 °C liegt, gesenkt wird, so dass der abgelagerte Ruß während des Betriebs ohne weitere Maßnahmen oxidiert wird. Für die Funktion dieser Systeme sind jedoch immer noch Abgastemperaturen notwendig, die im Kurzstreckenbetrieb und Stadtverkehr kaum oder nicht erreicht werden. Daher benötigen solche Systeme aus Sicherheitsgründen stets auch ein aktives Reinigungssystem, welches im Falle eines bestimmten Beladungsgrades eingeschaltet wird und den Filter regeneriert. Aktive Systeme, die die Filterregeneration nach Bedarf – meist in Abhängigkeit des Filtergegendrucks – einleiten, können auch ohne Katalysatoren für die Filterreinigung eingesetzt werden. Nachteilig an diesen Systemen ist, dass zum Start der thermischen Regeneration Energie meist in Form von Wärme in das System eingebracht werden muss, deren Bereitstellung zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs führt. Dies ist dann besonders energieaufwändig, wenn der Filter auch während der Regeneration die Abgase filtern muss und während des Erwärmungsvorganges von den relativ kalten Abgasen durchströmt und gekühlt wird.
Als Lösung wird in der Patentschrift DE 38 03 100 eine Vorrichtung beschrieben. In dieser wird der Ruß im Filter durch Zünden mit einer elektrischen Heizung abgebrannt. Um den Energiebedarf zu senken, wird in der zitierten Patentschrift der Abgasmassestrom für den Zeitraum der Regeneration auf 10 bis 30 % reduziert, wodurch weniger Wärme von der Heizquelle abgeführt wird. Durch eine Abgasklappe wird ein Großteil des Abgasstroms dabei von dem zu reinigenden Filterelement weg in einen Bypass ohne filternde Wirkung geleitet, was den Nachteil hat, dass während der Regeneration ungefilterte Abgase in die Umwelt gelangen, oder alternativ in einen zweiten Filter geleitet, woraus folgt, dass ein kompletter zweiter Filter installiert sein und mitgeführt werden muss.
Diese Vorrichtung funktioniert vor allem dann, wenn bei allen Fahrzuständen die reduzierte Abgasmenge einschließlich der idealen Sauerstoffmenge im Abgas auf den Regenerationsvorgang abgestimmt bleibt. Um die Regeneration bestmöglich steuern zu können, wird ein statischer Betriebspunkt, der Leerlauf, empfohlen. Die Einstellung des Abgasstroms durch die Abgasklappe im statischen Betriebspunkt des Leerlaufs ist sicher eine durchführbare und praktikable Methode.
Tatsache ist aber, dass ein Kraftfahrzeug höchst selten über einen Zeitraum von 8 Minuten, der in der Patentschrift für die Regeneration angegeben wird, sich im Leerlaufbetrieb befindet. Zudem sind die Forderungen der Automobilindustrie so, dass ein Filter in jedem Betriebszustand des Motors regeneriert werden können muss. Hier haben sich die genannten Abgasklappen, die zur Einleitung der in dem Patent genannten Verfahren notwendig sind, als sehr unpraktisch erwiesen. Einerseits muss die Klappenstellung dem Abgasstrom des jeweiligen Betriebspunktes stets angepasst werden, was eine Bestimmung der gesamten Abgasmenge vorausgesetzt, zudem ist eine exakte Regelung des Abgasstroms notwendig, die auch von Faktoren wie dem Filtergegendruck mit abhängen. Weiterhin muss auch der wechselnde Sauerstoffgehalt des Abgases in der Regelung mitberücksichtigt werden. Die hohen Anforderungen an die technische Umsetzung von Systemen mit Abgasklappen führten dazu, dass sich Systeme mit einer mengenstromregulierenden Abgasklappe im Bereich der heißen und auch schmutzbelasteten Abgasreinigung bis heute nicht durchsetzen konnten.
*Wie in dem zitierten Patent steht auch bei weiteren Erfindungen das Einsparen der Zündenergie als Zielstellung der Erfindung. So wird in PAT DE 100 62 348 eine Einrichtung angegeben, bei der direkt der Ruß durch Kontakt des Heizelements mit dem Ruß gezündet werden soll. Im PAT DE 40 28 720 wird mit den Mikrowellen die Energie direkt in den Filter bzw. Ruß eingekoppelt.*
Dieses Vorgehen hat jedoch den Nachteil, dass auch bei reduziertem Abgasstrom das kalte Abgas beim Durchströmen des Filters den Ruß so lange kühlt und eine Regeneration verhindert, bis es selbst die Zündtemperatur erreicht hat. Dies führt dazu, das im Anfangsbereich der ohnehin schon kleinen Kanäle bei einem Wabenfilter der Ruß nicht verbrannt wird, so dass die Gefahr besteht, dass sich die Kanäle verschließen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regenerieren von Filtern für die Partikelreinigung von Abgasen zu entwickeln, indem nur wenig Energie zur thermischen Regeneration eines Partikelfilters in das System eingebracht werden soll und welches ein Zusetzen der Kanäle verhindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Abgasstrom durch den Filter unterbrochen wird, ein auf den thermischen Regenerationsablauf optimierter Abgas- oder Luftmassestrom während des Zeitraumes der Regeneration entgegen der ursprünglichen Abgasrichtung durch den Filter geleitet wird und der Ruß, der Filter oder der Gasstrom auf Zündtemperatur erwärmt wird.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von anderen Systemen dadurch, dass der Abgasvolumenstrom durch den Filter bei laufendem Prozess unterbrochen wird und Luft oder Abgas in der der Beladungsrichtung entgegengesetzten Richtung durch den Filter geleitet wird.
Der Erwärmungsmechanismus der dem System die Energie zur Rußzündung zuführt, ist somit in Beladungsrichtung nicht mehr vor sondern nach dem Filter angeordnet. Durch die Unterbrechung des Abgasstroms ist das System vom Betriebspunkt des Abgas liefernden Systems weitgehend unabhängig. Damit die Abgase trotzdem weiter gefiltert abgeführt werden können, besteht das Filtersystem aus mehreren parallel angeordneten Filtern, welche nicht gleichzeitig sondern nacheinander regeneriert werden. Dies bedingt, dass jedes zu reinigende Filterelement vom Abgasstrom abgetrennt werden kann oder aus dem Abgasstrom hinaus in das Regenerationsmodul bewegt werden kann.
Die Durchströmung des Filters in der der Beladungsrichtung entgegengesetzten Richtung bietet den Vorteil, dass die zur Zündung des Rußes notwendige Energie direkt in den Filter oder Ruß eingeführt werden kann, ohne das Risiko einzugehen, dass die Rußkanäle im Anfangsbereich verschließen.
Eigene Berechnungen und Messungen haben gezeigt, dass durch die Luftströmung bei einem Energieeintrag in den Ruß bzw. den Filter die Rußtemperatur in Regenerationsrichtung stetig ansteigt. Strömt die Regenerationsluft also erfindungsgemäß entgegen der Beladungsrichtung durch den Filter, werden allenfalls die Bereiche am Rußkanalende aus Beladungsrichtung und nicht der Kanalanfang von der Regeneration ausgenommen.
Ein weiterer Vorteil dieser entgegengesetzten Strömungsrichtung ist, dass sich am Rußkanalende meist mehr Ruß angelagert hat, als am Kanalanfang, so dass die thermische Energie, welche bei der Rußoxidation frei wird, effektiv für die Regeneration nachfolgender Bereiche im Filter genutzt werden kann.
Der Energieeintrag in den Filter oder Ruß oder beides erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise durch Mikrowellen in den aus Regenerationsrichtung stirnseitigen Bereich des Filters. Er kann aber auch durch elektrische Widerstandbeheizung oder sonstige Verfahren erfolgen. Ebenfalls kann eine Erwärmung der Luft mit einem oder mehreren Gas- oder Ölbrennern vorgenommen werden. Die aus dem Filter nach der Regeneration austretende Luft wird dem Abgasstrom wieder zugeleitet.
Dies kann vor dem Filter erfolgen oder aber, wenn dem Filter ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet ist, kann dieser auch so in das Filtersystem eingebunden sein, dass der Oxidationskatalysator ebenfalls durch das heiße Regenerationsgas durchströmt wird, beziehungsweise das heiße Gas vor dem Katalysator so in den Abgasstrom eintritt, dass es auch die vom Abgas durchströmten Bereiche erwärmt. Je nach Betriebszustand des Motors kann dies zur Folge haben, dass die Abgastemperatur dadurch auf Betriebstemperatur des Katalysators angehoben wird, so dass die kontinuierliche Regeneration der anderen Filterelemente zusätzlich gefördert wird.
Für die Regeneration des Filters wird entweder Abgas mit einem Sauerstoffanteil von einigen Prozent oder vorzugsweise Luft verwendet, die durch einen Wärmetauscher vorgewärmt sein kann. Durch die Verwendung von Luft ist einerseits ein hoher Sauerstoffanteil und eine gute Rußoxidation gewährleistet, andererseits eine Unabhängigkeit vom Lastpunkt des Abgas liefernden Systems sichergestellt. Im folgenden wird die Vorrichtung beschrieben.
Die Vorrichtung besteht aus mehreren, mindestens zwei parallel angeordneten Gehäusen, die in einem Gesamtgehäuse zusammengefasst oder einzeln gestaltet sein können, in welchen je ein Filterelement angeordnet ist. Vorzugsweise wird ein keramischer Wabenkörper verwendet. Das Abgas wird aus der Abgasleitung über eine Zuführeinrichtung der Vorrichtung zugeführt und über eine Abführeinrichtung wieder an das Abgassystem weitergeleitet. In Abgasrichtung nach dem Filter befindet sich eine Absperrvorrichtung. Im Normalfall, dem Filtrationszustand ist die Absperrvorrichtung geöffnet, so dass das Abgas durch den Filter und dann gereinigt aus der Vorrichtung strömen kann. Im Regenerationsfall ist die Absperrvorrichtung geschlossen, so dass das Abgas durch den oder die verbleibenden nicht abgesperrten Filter strömen muss. Zwischen Filter und Absperrvorrichtung befindet sich eine Verteilerkammer. In diese wird durch eine Luftzuführung dann die Regenerationsluft geleitet. Die Vorrichtung ist so gestaltet „dass bei geschlossener Absperrvorrichtung der einzig mögliche Strömungsweg für die Luft der Weg entgegengesetzt der normalen Abgasströmung durch den Filter und weiter in die Abgaszuführeinrichtung ist. Die Abgaszuführeinrichtung ist so ausgeführt, dass das Regenerationsgas in den Abgasstrom geleitet werden kann. Die Vorrichtung kann auch so gestaltet sein, dass die Regenerationsluft vor dem Eintreten in den normalen Abgasstrom erst noch einen dem Filter vorgeschalteten Katalysator durchströmt oder direkt vor dem Katalysator dem Abgas zugeleitet wird. Weiterhin enthält die Vorrichtung eine Energiequelle. Dieses kann ein Mikrowellengenerator sein, der durch einen erfindungsgemäß vorzugsweise schräg an das Filtergehäuse angebrachten Hohlleiter, durch einen rechtwinklig angebrachten Hohlleiter oder durch einen anderen Wellenleiter seine Energie vorzugsweise so in die Vorrichtung einspeist, dass sie konzentriert in Beladungsrichtung am Filterende frei wird. Die Energiequelle kann aber auch eine elektrische Widerstandsheizung sein, die in Beladungsrichtung am Ende des Filters, im Filter oder in der Verteilerkamer angebracht sein kann. Die Energiequelle ist auch in Form eines Brenners ausführbar, der in der Verteilerkammer oder vor dem Lufteintritt zur Erwärmung der Regenerationsluft angebracht sein kann. Zusätzlich kann auch durch einen Wärmetauscher, der vor dem Eintritt der Regenerationsluft angeordnet ist, die Luft vorgewärmt werden.
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel soll die bevorzugte Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutern.
1 Skizze der Vorrichtung mit parallel angeordneten Filtern
2 Skizze eines Filtermoduls mit Mikrowelleneinleitung
Die Vorrichtung (1) besteht aus mehreren, vorzugsweise drei parallel angeordneten Gehäusen (1), die in einem Gesamtgehäuse zusammengefasst sind. In jedes Einzelgehäuse ist je ein Filterelement (2) angeordnet. Vorzugsweise wird ein keramischer Wabenkörper verwendet. Das Abgas wird aus der Abgasleitung über eine Zuführeinrichtung (4) der Vorrichtung zugeführt und über eine Abführeinrichtung (5) wieder an das Abgassystem weitergeleitet. In Abgasrichtung nach dem Filter ist eine Verteilerkammer (6) angeordnet, an deren Ende sich eine Absperrvorrichtung (7) befindet. Während des Beladungszustandes ist die Absperrvorrichtung (7b) geöffnet, so dass das Abgas entsprechend den dick dargestellten Pfeilen durch den Filter und dann wieder aus dem System strömen kann. Im Regenerationsfall (linkes Element) ist die Absperrvorrichtung geschlossen (7a). Durch die Luftzuführung (8) wird dann die Regenerationsluft in die Verteilerkammer geleitet, aus der sie entgegengesetzt der Beladungsrichtung durch den Filter strömt (dünne Pfeile), in der Abgaszuführung (4) die Richtung ändert und mit dem Abgas durch die abgasdurchströmten Filter das System wieder verlässt.
Durch eine Beheizung (9) des Filters oder des Rußes in Regenerationsrichtung am Anfang des Filters wird die Energie für die Rußzündung in das System eingebracht. Der Filter (2) kann als keramischer Wabenkörper oder als in Reihe geschaltete Oxidationskatalysator-/Rußfilter-Anordnung ausgebildet sein.
Sofern die Beheizung wie im bevorzugten Fall der Erfindung mit Mikrowellen erfolgen soll (2), ist das Gehäuse (1) quaderförmig zu gestalten, der Filter (2) in eine mikrowellentransparente Isolierung (3) einzupacken und das Gehäuse (1) mit Lochblechen oder Gitter (12) gegen den Austritt von Mikrowellenstrahlung zu schützen. Die Mikrowellen, welche in einem Magnetron (10) erzeugt werden, werden vorzugsweise durch einen Hohlleiter (11) dem Gehäuse (1) zugeleitet, der im Winkel von 10 bis 80 ° zur Gehäusewand angeordnet ist.

1: Gehäuse
2: Filterelement
3: Isolierung
4: Zuführeinrichtung
5: Abführeinrichtung
6: Verteilerkammer
7: Absperrvorrichtung
7a: Absperrvorrichtung, geschlossen
7b: Absperrvorrichtung, geöffnet
8: Luftzuführung
9: Beheizung
10: Magnetron
11: Hohlleiter
12: Lochbleche oder Gitter

Claims

Verfahren zum thermischen Regenerieren von durchströmten Partikelfiltern eines in einen partikelbelasteten Abgasstrom angeordneten Systems aus parallel angeordneten Partikelfiltern, die nacheinander regeneriert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Regeneration des Filters entgegen der Beladungsrichtung durchgeführt wird, indem in das zu reinigende System aus Filterelement, brennbaren Bestandteilen und Gas Energie zum Zünden und Abbrennen zugeführt und ein sauerstoffhaltiges Gas entgegen der Beladungsrichtung durch den Filter geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zum Starten des Regenerationsvorganges durch Mikrowellen in den Ruß bzw. in den Filter eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter durch eine elektrische Widerstandsbeheizung in Regenerationsrichtung anströmseitig erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Regeneration verwendete Gas durch einen Brenner aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Regeneration verwendete Gas durch einen Wärmetauscher vorgewärmt wurde.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Zuleitung und Ableitung des Abgases, mehreren keramischen Wabenfiltern, die parallel in ein oder mehrere Gehäuse eingebaut sind, einer Energiequelle zum Einleiten der thermischen Regeneration, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Abgasströmung nach dem Filter eine Vorrichtung zum Einleiten von sauerstoffhaltigen Gasen und nach dieser eine Vorrichtung, die das zu reinigende Abgas am weiteren Durchströmen des Filters hindert, angeordnet sind und dass die Energiequelle eine zuerst auf den Endbereich des Filters gerichtete Anordnungsform für die Energieeinleitung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse und die Abgaszuführung eine Gestaltung aufweisen, die eine Zuleitung des Gases aus dem Regenerationsprozess in einen oder mehrere Filter, die nicht am augenblicklichen Regenerationsprozess teilnehmen, ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen durch einen Hohlleiter in das System eingekoppelt sind, der schräg in einem Winkel von 10° bis 80° an den Applikator angebracht ist.