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Stand der Technik
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Dieselpartikelfilter,
die am Markt erhältlich sind, bestehen in der Regel aus
extrudierten keramischen Materialien oder Sintermetall. Aufgabe
eines Dieselpartikelfilters ist es, die im Abgas enthaltenen Rußpartikel
aus dem Abgas herauszufiltern und in dem Filterelement des Dieselpartikelfilters
zwischenzuspeichern. Die Rußpartikel bestehen im Wesentlichen
aus brennbaren Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffverbindungen. Nach
einer bestimmten Betriebszeit muss der Dieselpartikelfilter regeneriert werden,
da sich der Strömungswiderstand aufgrund der im Filter
gesammelten Rußpartikel erhöht hat und der Abgasgegendruck
unzulässig hohe Werte annimmt. Diese Regenerierung erfolgt
durch Oxidation der eingelagerten Rußpartikel, wobei Wärme
freigesetzt wird. Diese Wärmefreisetzung muss kontrolliert werden,
da es ansonsten zu unzulässig hohen Temperaturen im Partikelfilter
kommen kann, welche den Partikelfilter in seiner Haltbarkeit und
Gesamtfunktion beeinträchtigen oder sogar unbrauchbar machen können.
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Um
eine Regeneration einzuleiten, wird üblicherweise durch
eine geeignete Ansteuerung der Brennkraftmaschine die Temperatur
des Abgases so weit angehoben, dass ein Schwellwert für
die Oxidation der Rußpartikelfilter überschritten
wird. Diese Anhebung der Abgastemperatur kann beispielsweise durch
eine Nacheinspritzung oder eine geeignete Änderung des
Einspritzzeitpunkts erreicht werden. Allerdings hängt die
mögliche Temperaturanhebung und die dadurch ausgelöste
Regeneration in großem Umfang von dem Lastzustand und der
Drehzahl der Brennkraftmaschine ab. Ein bezüglich der Regeneration
kritischer Betriebszustand ist der Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine,
bei dem ein geringer Abgas- und Sauerstoffmassenstrom in das Filterelement 18 eintritt.
Noch dazu ist im Niedriglastbereich die Abgastemperatur relativ
niedrig, so dass es zu einer unvollständigen Regeneration
der Dieselpartikelfilter kommen kann und/oder die Regenerationsintervalle
sehr lang sind, was sich negativ auf den Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine
auswirkt.
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Ein
Grund für dieses ungenügende Regenerationsverhalten
ist, dass die Oxidation der eingelagerten Rußpartikelfilter
von der Mittelachse des Partikelfilters ausgehend zu den äußeren
Bereichen des Partikelfilters fortschreitet. Gleichzeitig findet
mit zunehmendem Fortschreiten der Regeneration, das heißt
wenn die Regeneration in den äußeren Bereichen
des Partikelfilters des Filterelements stattfindet, eine zunehmend
bessere Wärmeableitung radial nach außen, das
heißt in Richtung des Gehäuses der Filtereinrichtung
statt. Dadurch wird die Regeneration der äußeren
Bereiche erschwert. Die Regeneration vor allem der äußeren
Bereiche wird weiter dadurch erschwert, dass die Abgase, wenn sie
aus der Abgasleitung in den Partikelfilter einströmen,
ein in erster Näherung parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil
haben, wobei im Bereich der Mittelachse die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten
herrschen und diese in den Randbereichen Null absinkt. Des Weiteren
ist zwischen der Abgasleitung und einer Eintrittsfläche
eines Filterelements ein kegelstumpfförmiger Diffusor vorhanden,
bei dem es jedoch zu Ablösungen der Strömung kommt,
so dass sich in den äußeren Bereichen des Gehäuses
im Bereich der Eintrittsfläche vor dem Partikelfilter so
genannte Wirbelzonen bilden, die ebenfalls die Durchströmung
der äußeren Bereiche des Filterelements verringern.
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Aus
der
DE 100 62 348
A1 ist eine Filtereinrichtung bekannt, in deren Filterelement über
den gesamten Querschnitt im Bereich der Eintrittsfläche verschiedene
elektrische Heizeinrichtungen vorgesehen sind. Diese Heizeinrichtungen
können einzeln angesteuert werden, so dass nacheinander
verschiedene Teilbereiche des Filterelements während des Betriebs
der Brennkraftmaschine regeneriert werden können. Dabei
wird die Regeneration ausschließlich durch die elektrische
Heizeinrichtung ausgelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regeneration von Filtereinrichtungen
zu verbessern, die Regeneration auch in bislang ungünstigen Lastbereichen
der Brennkraftmaschine zu ermöglichen und zudem eine Vergleichmäßigung
der Regeneration über den gesamten Querschnitt des Filterelements
zu erreichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei
einer Filtereinrichtung, insbesondere zur Filterung von Abgasen
einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Gehäuse und mit
einem Filterelement, wobei das Filterelement eine Eintrittsfläche
und eine Austrittsfläche, eine erste Gruppe von Kanälen
und eine zweite Gruppe von Kanälen umfasst, und wobei die
erste Gruppe und die zweite Gruppe von Kanälen durch Filterwände
aus einem offenporigen Material getrennt sind, dadurch gelöst,
dass mindestens in Strömungsrichtung vor einem radial außen
liegenden Bereich der Eintrittsfläche eine elektrische
Heizeinrichtung angeordnet ist.
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Die
erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung ermöglicht
es, unabhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschine bei
Bedarf eine Regeneration einzuleiten. Dies kann insbesondere bei
langen Fahrten in einer Stadt mit sehr niedriger Last erforderlich
sein. Des Weiteren ist es mit Hilfe der elektrischen Heizeinrichtung
möglich, gezielt die Abgase, welche in den äußeren
Bereich des Filterelements strömen, vorzuwärmen,
so dass in diesem bezüglich der Regeneration kritischen äußeren
Bereich die Regeneration sicher und ausreichend schnell eingeleitet wird.
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Im
Ergebnis führt dies dazu, dass ein Verstopfen der äußeren
Bereiche wirkungsvoll verhindert werden kann. Des Weiteren verursacht
das Aktivieren der erfindungsgemäßen elektrischen
Heizeinrichtung naturgemäß einen erhöhten
Leistungsbedarf der Brennkraftmaschine, da die für die
elektrische Heizeinrichtung erforderliche Energie von einer Lichtmaschine
der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird. Diese Lastzunahme der
Brennkraftmaschine führt zwangsläufig zu einer
Verschiebung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine hin zu höheren Lastbereichen,
wodurch sich ebenfalls eine Anhebung der Abgastemperatur ergibt.
Auch dieser Effekt führt zu einer verbesserten Regeneration
des Filterelements. Außerdem kann bei höheren
Lasten der Brennkraftmaschine zusätzlich über
die Ansteuerung der Brennkraftmaschine die Abgastemperaturen noch
weiter angehoben werden.
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Im
Ergebnis ist somit eine zuverlässige Regeneration des Filterelements
in allen Lastzuständen der Brennkraftmaschine unabhängig
von diesen Lastzuständen möglich. Des Weiteren
wird die Regeneration auch in den äußeren Bereich
des Filterelements zuverlässig eingeleitet, so dass sich
auch bei langen Startfahrten oder langen Betriebszeiten mit niedriger
Last die Gefahr von Verstopfungen der außen liegenden Filterkanäle
reduziert wird.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
ist, dass sie in verschiedensten Brennkraftmaschinen vergleichsweise
einfach nachgerüstet werden kann, da es lediglich eines
zusätzlichen Ausgangs am Steuergerät bedarf, um
durch die Aktivierung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung
eine Regeneration auszulösen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
sich die elektrische Heizeinrichtung über den gesamten
Umfang des Filterelements erstreckt. Dadurch wird gewährleistet,
dass der gesamte äußere Bereich des Filterelements
mit vorgewärmten Abgasen beaufschlagt wird, wenn diese
Bereiche regeneriert werden sollen.
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Die
erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung umfasst
mindestens einen Heizwiderstand. Es ist jedoch in vielen Anwendungsfällen
vorteilhaft, wenn mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Heizwiderstände
vorgesehen sind. Dadurch sinkt die spezifische Belastung der Heizwiderstände
und die erfindungsgemäße Heizeinrichtung bleibt
auch nach Ausfall eines Heizwiderstands funktionsfähig.
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Um
die Anströmung des äußeren Bereichs des
Filterelements zu verbessern, ist in weiterer Ausgestaltung der
Erfindung vorgesehen, dass in Strömungsrichtung vor der
elektrischen Heizeinrichtung mindestens ein Leitbleich angeordnet
ist und dass das mindestens eine Leitblech die Abgase in den radial
außen liegenden Bereich der Eintrittsfläche lenkt.
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Damit
wird die radial unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilung des
in die Filtereinrichtung strömenden Abgases und die Ablösung
des Abgases von dem Diffusor im Gehäuse des Filterelements mindestens
teilweise kompensiert. Durch die dadurch erzielte gleichmäßigere
Anströmung des Filterelements über den gesamten
Querschnitt wird ebenfalls die Regeneration vergleichmäßigt
und das Zusetzen der im äußeren Bereich der Eintrittsfläche
liegenden Kanäle wirkungsvoll verhindert.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein
Verfahren zur Regenerierung eines Filterelements einer Filtereinrichtung
einer Brennkraftmaschine, wobei in einem ersten Schritt die Notwendigkeit
einer Regenerierung des Filterelements ermittelt wird und in einem
zweiten Schritt bei Bedarf die elektrische Heizeinrichtung der Filtereinrichtung
aktiviert wird.
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Dadurch
ist es möglich, auch bei ungünstigsten Lastzuständen
der Brennkraftmaschine zuverlässig eine Regeneration auszulösen.
Insbesondere ist es gezielt möglich, die Abgastemperatur
des Abgases, welches in die außen liegenden Kanäle
strömt, anzuheben. Diese Temperaturanhebung ist umso wirkungsvoller,
je geringer der Abgasstrom in den äußeren Bereich
des Filterelements ist, so dass hier ein gewisser Selbstregelungseffekt
eintritt. Wenn in den äußeren Bereichen ein großer
Abgasmassenstrom in das Filterelement einströmt, ist die
Temperaturanhebung weniger wichtig.
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Eine
alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass zusätzlich zur Aktivierung der
elektrischen Heizeinrichtung die Brennkraftmaschine so von einem
Steuergerät so angesteuert wird, dass die Abgastemperatur
ansteigt. Dadurch ist es möglich, auch im inneren Bereich
des Filterelements gezielt eine Regeneration auszulösen
und gleichzeitig wird der Bedarf an elektrischer Energie für
die elektrische Heizeinrichtung reduziert.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die elektrische Heizeinrichtung vom Steuergerät zeitlich
zuerst aktiviert wird und mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung die
Brennkraftmaschine so angesteuert wird, dass die Abgastemperatur
angehoben wird. Dadurch ist es möglich, zunächst
die Temperatur des äußeren Bereichs des Filterelements
zuerst anzuheben, so dass die Regeneration des äußeren
Bereichs etwa gleichzeitig oder vor der Regeneration des inneren
Bereichs des Filterelements beginnt. Dadurch kann die Dauer der
Regeneration verkürzt werden und es ergibt sich eine über
den gesamten Querschnitt des Filterelements sehr gleichmäßige
Regeneration.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1:
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine und des Abgastrakts,
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2:
ein Filterelement im Längsschnitt und
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3:
eine vergrößerte Darstellung des Filterelements
gemäß 2.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 trägt
eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Gesteuert
werden die Brennkraftmaschine 10 und die erfindungsgemäße
Heizeinrichtung der Filtereinrichtung 14 von einem Steuergerät 11.
Die Abgase der Brennkraftmaschine 10 werden über
ein Abgasrohr 12 abgeleitet, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet
ist. Mit dieser werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas
herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen
erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
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Die
Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16,
in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches,
insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Geometrie beschränkt,
die nur zur beispielhaften Erläuterung dient.
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In 2 ist
beispielhaft ein zylindrisches Filterelement 18 teilweise
geschnitten dargestellt. Die Hauptströmungsrichtung des
Abgases ist in 2 durch die Pfeile 20 angedeutet.
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Das
Filterelement 18 besteht aus einer Vielzahl parallel zu
einer Längsachse 26 verlaufenden Kanälen 28 und 30.
Die sogenannten Eintrittskanäle 28 sind an einer
Eintrittsfläche 22 offen und an einer Austrittsfläche 24 geschlossen,
während die sogenannten Austrittskanäle 30 an
der Eintrittsfläche 22 geschlossen sind und an
der Austrittsfläche 24 offen sind.
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Durch
diese Konfiguration wird das zu reinigende Abgas gezwungen, durch
die Filterwände 34 des Filterelements 18 hindurch
zu strömen, wie dies durch Pfeile 32 angedeutet
ist.
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3 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt des Filterelements 18 gemäß 2.
Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und
es gilt das bezüglich 2 Gesagte
entsprechend.
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In 3 ist
die Filtereinrichtung 14 geschnitten dargestellt. Gleiche
Bauteile werden mit den gleichen Bezugszeichen versehen und es gilt
das bezüglich der 1 und 2 Gesagte
entsprechend.
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In 3 ist
eine Mittelachse 36 der Filtereinrichtung 14 beziehungsweise
des Filterelements 18 als strichpunktierte Linie eingetragen.
Ausgehend von dieser Mittelachse 36 ist ein radial außen
liegender Bereich des Filterelements 18 mit dem Bezugszeichen 38 versehen.
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Da
das Filterelement 18 einen deutlich größeren
Durchmesser als das Abgasrohr 12 hat, umfasst das Gehäuse 16 der
Filtereinrichtung einen Diffusor 40. Wegen des in erster
Näherung parabelförmigen Geschwindigkeitsprofils
der Abgase in dem Abgasrohr 12, wird der äußere
Bereich 38 des Filterelements 18 verglichen mit
dem radial inneren Bereich des Filterelements 18 langsamer
vom Abgas angeströmt. Dadurch ist auch die Sauerstoffmasse, welche
dem äußeren Bereich 38 des Filterelements zugeführt
wird, geringer als im inneren Bereich. Das Gleiche gilt für
die im Abgas enthaltene Wärme, die zur Regeneration, zumindest
aber zum Auslösen einer Regeneration des im Filterelement 18 abgelagerten
Rußpartikel erforderlich ist.
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Um
diesen prinzipiellen Nachteil auszugleichen, ist erfindungsgemäß im
Diffusor 40 und zwar vor der Eintrittsfläche 22 des
Filterelements 18 eine ringförmige elektrische
Heizeinrichtung 42 vorgesehen. Die erfindungsgemäße
elektrische Heizeinrichtung 42 besteht im Wesentlich en
aus einem oder mehreren konzentrisch zur Längsachse 36 angeordneten
Heizwiderständen 43.
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Die
erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung ist
in Strömungsrichtung gesehen stromaufwärts vor
dem äußeren Bereich 38 des Filterelements 18 angeordnet.
Dadurch ist es möglich, durch Aktivieren der elektrischen
Heizeinrichtung 42 die Temperatur der Abgase gezielt im äußeren
Bereich 38 des Filterelements anzuheben. Dadurch wird die Regeneration
der Rußpartikel im äußeren Bereich 38 erleichtert
beziehungsweise überhaupt erst ermöglicht.
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Des
Weiteren ist es auch möglich, durch das Aktivieren der
elektrischen Heizeinrichtung auch bei ungünstigen Lastzuständen
der Brennkraftmaschine eine Regeneration des Filterelements auszulösen. Dazu
tragen zwei Effekte, die sich gegenseitig unterstützen,
bei: Zum einen wird im äußeren Bereich 38 die
Abgastemperatur angehoben und zwar so weit, dass die Mindesttemperatur,
die zum Auslösen einer Regeneration erforderlich ist, überschritten
wird. Des Weiteren wird die Last der Brennkraftmaschine 10 erhöht,
da die elektrisch Energie der erfindungsgemäßen
elektrischen Heizeinrichtung 42 von einer Lichtmaschine
(nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 10 erzeugt werden
muss. Infolgedessen steigen Temperatur und Massenstrom der Abgase,
was die Regenration auch der innere Bereich des Filterelements 18 fördert.
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Gleichzeitig
ermöglicht die erfindungsgemäße Heizeinrichtung 42 eine
Verkürzung der Regeneration des Filterelements, da die
Regeneration sowohl im inneren Bereich als auch im äußeren
Bereich des Filterelements nahezu gleichzeitig beginnt. Bei herkömmlichen
Filterelementen ohne erfindungsgemäße elektrische
Heizeinrichtung beginnt die Regeneration immer im Bereich der Mittelachse 36 und schreitet
dann langsam nach außen fort. Damit kann durch die erfindungsgemäße
elektrische Heizeinrichtung 42 auch zuverlässig
gewährleistet werden, dass das gesamte Filterelement 38 gleichmäßig
regeneriert wird.
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Um
die Anströmung des äußeren Bereichs 38 des
Filterelements 18 zu verbessern, sind in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung im Diffusor 40 Luftleitbleche 44 angeordnet.
Diese Luftleitbleche 44 leiten die Abgase gezielt in den äußeren
Bereich 38 des Filterelements 18. Es hat sich
als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Luftleitbleche 44 und
die elektrische Heizeinrichtung zu einer Baugruppe zusammengefasst
werden. Dadurch ergeben sich erstens Kostenvorteile bei der Herstellung
und außerdem können die Luftleitbleche 44 gleichzeitig
noch als wärmeübertragende Fläche genutzt
werden. Dadurch wird der Wärmeübergang zwischen
der elektrischen Heizeinrichtung 42 und den Abgasen verbessert.
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In 4 ist
ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. In einem ersten Funktionsblock 46 wird
vom Steuergerät 11 der Brennkraftmaschine ermittelt,
ob die Filtereinrichtung 14 regeneriert werden muss. Diese Ermittlung
berücksichtigt in der Regel Informationen über
die Fahrtstrecke und Fahrdauer seit der letzten Regeneration, integrale
Geschwindigkeitsinformationen sowie Motorzustände (Last,
Drehzahl, Abgasmassenstrom und Abgasrückführungsrate)
sowie anderer Eingangswerte. Wenn vom Steuergerät 11 eine
kritische Beladung des Filterelements 18 ermittelt wurde,
wird in einem zweiten Funktionsblock 48 die elektrische
Heizeinrichtung 42 aktiviert. In einem dritten Funktionsblock 50 wird
gleichzeitig oder verzögert zu der Aktivierung der elektrischen Heizeinrichtung 42 die
Brennkraftmaschine 10 so angesteuert, dass die Temperatur
der Abgase angehoben wird. Dies kann beispielsweise durch eine Nacheinspritzung
oder eine Änderung von Einspritzzeitpunkt und/oder Einspritzdauer
während der Haupteinspritzung erfolgen.
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Nachdem
die Regeneration abgeschlossen ist, wird in einem vierten Funktionsblock 52 die
elektrische Heizeinrichtung 42 deaktiviert und die Temperaturanhebung
der Abgase der Brennkraftmaschine beendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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