DE102007063100A1 - Exhaust gas aftertreatment device for internal combustion engine, has filter elements, where storage capacity for soot particles of one of filter elements is larger or equal to storage capacity of another filter element - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die
Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung insbesondere
für eine nach dem Diesel-Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine
mit zwei in Reihe geschalteten Filterelementen. Eine solche Abgasnachbehandlungseinrichtung
ist aus der
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Abgasnachbehandlungseinrichtung erfolgt die eigentliche Abgasreinigung im Hauptfilter. Der Vorfilter hat eine deutlich geringere Abscheiderate und eine sehr viel kleinere Speicherkapazität für Ruß als der Hauptfilter.at the exhaust aftertreatment device known from the prior art the actual exhaust gas purification takes place in the main filter. The pre-filter has a much lower deposition rate and a much smaller one Storage capacity for soot as the main filter.
Die Speicherkapazität des Vorfilters ist so bemessen, dass erstens eine relativ kleine Energiezufuhr ausreicht, um den Vorfilter auf die zur Oxidation des Rußes erforderliche Temperatur aufzuheizen. Zweitens soll die durch die Oxidation des Rußes im Vorfilter verursachte Temperaturerhöhung des Abgases stromabwärts des Vorfilters ausreichend sein, um die Regeneration des Hauptfilters auszulösen. Der Vorfilter dient bei dieser Abgasnachbehandlungseinrichtung gewissermaßen als Heizeinrichtung für das Abgas, um bei Bedarf die Regeneration des Hauptfilters auslösen zu können.The Storage capacity of the prefilter is such that first, a relatively small supply of energy is sufficient to the pre-filter to the temperature required for the oxidation of the carbon black heat. Second, it is said to be due to the oxidation of the soot caused in the pre-filter temperature increase of the exhaust gas downstream of the prefilter be sufficient to the regeneration of the main filter. The pre-filter is used in this Exhaust after-treatment device in a sense as a heater for the exhaust gas to trigger the regeneration of the main filter if necessary to be able to.
Da viele Filterelemente heutzutage aus einem extrudierten keramischen Material bestehen und die Herstellung dieser extrudierten Filterelemente technischen und wirtschaftlichen Grenzen unterliegt, ist die Speicherkapazität des Hauptfilters begrenzt. Die Herstellung der Filterelemente ist besonders wirtschaftlich, wenn deren Durchmesser und Länge vergleichsweise klein sind. Mit zunehmender Querschnittsfläche und zunehmender Länge des Filterelements steigen die Herstellungskosten stark an.There many filter elements today from an extruded ceramic Material exist and the production of these extruded filter elements subject to technical and economic limits, is the storage capacity limited to the main filter. The production of the filter elements is particularly economical if their diameter and length comparatively are small. With increasing cross-sectional area and increasing Length of the filter element increase the cost of production strong.
Damit die Rußbeladung des Hauptfilters eine zulässige Grenze nicht überschreitet, muss der aus dem Stand der Technik bekannte Hauptfilter relativ häufig regeneriert werden, was sich negativ aus dessen Lebensdauer auswirkt.In order to the soot loading of the main filter a permissible Does not exceed the limit, must from the state of the Technique known main filter regenerated relatively frequently which has a negative effect on its lifetime.
Des Weiteren muss der Hauptfilter unter verschiedensten Betriebsbedingungen zuverlässig arbeiten, weil nahezu die gesamte Abgasnachbehandlung im Hauptfilter stattfindet. So ist es beispielsweise erforderlich, dass der Hauptfilter sowohl kleinste als auch größte Rußpartikel sicher herausfiltert. Der Abgasgegendruck des Hauptfilters darf in allen Betriebs- und Beladungszuständen einen vorgegebenen Grenzwert nicht übersteigen und außerdem muss der Hauptfilter den unterschiedlichen thermischen Beanspruchungen über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine bzw. der Abgasnachbehandlungseinrichtung standhalten.Of Further, the main filter must be used under a variety of operating conditions work reliably, because almost the entire exhaust aftertreatment takes place in the main filter. For example, it is necessary that the main filter is both smallest and largest Soot particles filter out safely. The exhaust back pressure of the Main filter may be used in all operating and loading conditions must not exceed a given limit and must also the main filter over the different thermal stresses the entire life of the internal combustion engine or the exhaust gas aftertreatment device withstand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nachbehandlungseinrichtung bereitzustellen, deren Speicherkapazität für Rußpartikel erhöht ist, bei dem die Häufigkeit der Regenerationen deutlich verringert wird und die noch dazu wirtschaftlich herstellbar ist.Of the Invention is based on the object, an aftertreatment device to provide their storage capacity for soot particles is increased at which the frequency of regenerations is significantly reduced and the most economically producible is.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine nach dem Dieselverfahren arbeitende Brennkraftmaschine umfassend ein erstes Filterelement und ein stromabwärts angeordnetes zweites Filterelement, wobei erstes Filterelement und zweites Filterelement in Reihe geschaltet sind, und wobei die Abscheiderate des ersten Filterelements kleiner als die Abscheiderate des zweiten Filterelements ist, dadurch gelöst, dass die Speicherkapazität des ersten Filterelements größer oder gleich der Speicherkapazität des zweiten Filterelements ist.The Object is according to the invention in an exhaust aftertreatment device for a working according to the diesel engine internal combustion engine a first filter element and a downstream second filter element, wherein first filter element and second filter element are connected in series, and wherein the deposition rate of the first Filter element smaller than the deposition rate of the second filter element is, solved that the storage capacity the first filter element is greater than or equal to the Storage capacity of the second filter element is.
Durch die Serienschaltung von mehreren Filterelementen, die in erster Näherung eine gleich große Speicherkapazität aufweisen, ist es möglich, die Gesamtspeicherkapazität der Abgasnachbehandlung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung zu vergrößern und dadurch die Zahl der erforderlichen Regenerationen entsprechend zu reduzieren. Eine gewünschte Gesamtspeicherkapazität der Abgasnachbehandlungseinrichtung für Ruß kann dadurch erreicht werden, dass mehrere kleine Filterelemente in Reihe geschaltet werden. Die gewünschte Gesamtspeicherkapazität ergibt sich dabei durch die Addition der Speicherkapazitäten der Filterelemente. Wegen der starken Abhängigkeit der Herstellungskosten von der Speicherkapazität ist es in vielen Anwendungsfällen wirtschaftlicher, mehrere kleine Filterelemente herzustellen und diese in Reihe zu schalten, um die gewünschte Gesamtspeicherkapazität zu erreichen.By the series connection of several filter elements, the first Approximation an equal storage capacity It is possible to have the total storage capacity the exhaust aftertreatment of the invention To increase exhaust aftertreatment device and thereby the number of required regenerations accordingly to reduce. A desired total storage capacity the exhaust aftertreatment device for soot can be achieved by having several small filter elements in series be switched. The desired total storage capacity results from the addition of storage capacities the filter elements. Because of the strong dependence of the Production cost of the storage capacity is in many Use cases more economical, several small filter elements and connect them in series to the desired one Total storage capacity to achieve.
Ein weiterer und sehr wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung ist, dass die einzelnen Filterelemente jeweils nur ganz spezifisch konfiguriert werden können. So kann beispielsweise ein stromaufwärts gelegen angeordnetes erstes Filterelement bezüglich seiner Filterfläche und der durchschnittlichen Porengröße so ausgelegt werden, dass insbesondere die großen Rußpartikel herausgefiltert werden und die stromabwärts angeordneten Filterelemente können dann eine kleinere Porengröße aufweisen, um auch die kleineren Rußpartikel sicher herauszufiltern. Dabei besteht für die stromabwärts angeordneten Filterelemente nicht die Gefahr, dass die feinporigen Filterelemente verstopfen, da die großen Rußpartikelfilter bereits in dem ersten Filterelement herausgefiltert wurden.Another and very important advantage of the exhaust aftertreatment device according to the invention is that the individual filter elements can each be configured only in a very specific manner. Thus, for example, an upstream arranged first filter element with respect to its filter area and the average pore size can be designed so that in particular the large soot particles are filtered out and the downstream filter elements can then have a smaller pore size to filter out the smaller soot particles safely. In this case, there is no risk that the fine-pored filter elements become clogged for the downstream filter elements, since the large soot particle filters are already in the first filter element were filtered out.
Auch können die verschiedenen in Reihe hintereinander angeordneten Filterelemente hinsichtlich der auftretenden Temperatur bezüglich Material oder Filterbauart jeweils den dort herrschenden Bedingungen optimal angepasst werden, so dass in aller Regel die Anforderungen an die einzelnen Filterelemente geringer sind, als wenn ein großes Filterelement die gesamte Abgasnachbehandlung durchführen muss.Also the different ones can be arranged in series one behind the other Filter elements with respect to the temperature occurring Material or filter design in each case the prevailing conditions be optimally adjusted, so that usually the requirements to the individual filter elements are less than if a large Filter element perform the entire exhaust aftertreatment got to.
Eine besonders kompakte Bauweise stellt sich dann ein, wenn mindestens zwei Filterelemente direkt hintereinander angeordnet sind. Dann können diese Filterelemente in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden.A particularly compact design is then, if at least two filter elements are arranged directly behind one another. Then These filter elements can be in a common housing to be ordered.
Des Weiteren ist es möglich, dass bei mehreren direkt hintereinander angeordneten Filterelementen nur an einer Eintrittsfläche des stromaufwärts angeordneten Filterelements Verschlussstopfen für die Austrittkanäle vorhanden sind und an der Austrittsfläche des stromabwärts angeordneten Filterelements Verschlussstopfen für die Eintrittskanäle vorhanden sind. Dadurch wird die Zahl der benötigten Verschlussstopfen reduziert, was sich weiter positiv auf die Herstellungskosten und damit die Wirtschaftlichkeit der Abgasnachbehandlungseinrichtung auswirkt.Of Furthermore, it is possible that in several directly behind each other arranged filter elements only at an entrance surface the upstream filter element sealing plug for the exit channels are present and at the Exit surface of the downstream arranged Filter element Sealing plug for the inlet channels available. This will increase the number of plugs needed reduced, which further positively affects the production costs and so that the economy of the exhaust aftertreatment device effect.
Alternativ ist es auch möglich, dass zwei direkt hintereinander angeordnete Filterelemente jeweils an ihrer Eintrittsseite Verschlussstopfen und im Wechsel dazu an ihrer Austrittsseite Verschlussstopfen aufweisen und die Filterelemente so angeordnet werden, dass ein Austrittskanal des stromaufwärts angeordneten Filterelements in einen Eintrittskanal des stromabwärts angeordneten Filterelements mündet. Dadurch treten die zu reinigenden Abgase zweimal durch eine Filterwand, nämlich einmal durch eine Filterwand des ersten Filterelements und einmal durch eine Filterwand des zweiten Filterelements. Dadurch wird trotz einer vergleichsweise geringen Abscheiderate beider Filterelemente durch die Verkettung der beiden Filterelemente eine verbesserte Gesamtabscheiderate erzielt.alternative It is also possible that two directly behind one another Filter elements each at their inlet side sealing plug and in turn to have on its outlet side sealing plug and the filter elements are arranged so that an exit channel of the upstream filter element in a Inlet of the downstream filter element empties. As a result, the exhaust gases to be cleaned occur twice through a filter wall, namely once through a filter wall of the first filter element and once through a filter wall of the second Filter element. As a result, despite a comparatively low deposition rate both filter elements by the concatenation of the two filter elements achieved an improved overall deposition rate.
Auch wird die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlung robuster hinsichtlich Brüchen oder Rissen innerhalb eines Filterelements, da durch die Funktionsunfähigkeit eines Filterelements nicht sofort die gesamte Abgasnachbehandlungseinrichtung wirkungslos wird.Also is the exhaust gas aftertreatment according to the invention more robust in terms of breaks or cracks within one Filter element, since by the inability of a Filter element not immediately the entire exhaust aftertreatment device ineffective becomes.
Aufgrund der kleineren Volumina der einzelnen Filterelemente können auch die bei der Regeneration auftretenden thermischen Spannungen und Temperaturen besser beherrscht werden, so dass die Gefahr von Rissen und Beschädigungen der Filterelemente reduziert wird.by virtue of the smaller volumes of the individual filter elements can also the thermal stresses that occur during regeneration and temperatures are better controlled, so the risk of Cracks and damage to the filter elements reduced becomes.
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung kann letztendlich mit Filterelementen aller bekannten Bauarten hergestellt werden. Dazu gehören sogenannte Wallflowfilter aus bevorzugt sinterkeramischen Werkstoffen aber auch Filter aus keramischen Fasern oder Schäumen, metallischen Fasern, Partikeln oder keramischen Membranen.The Exhaust gas treatment device according to the invention can finally be made with filter elements of all known types become. These include so-called wallflow filters from preferred sintered ceramic materials but also filters made of ceramic fibers or foams, metallic fibers, particles or ceramic Membranes.
Je nach Lage der Filterelemente in der Abgasanlage können entsprechend den am Einbauort herrschenden Betriebsbedingungen die jeweils am besten geeigneten Filterelemente und -bauarten ausgewählt und eingesetzt werden.ever according to location of the filter elements in the exhaust system can according to the operating conditions prevailing at the installation site each selected the most suitable filter elements and types and be used.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung sieht vor, dass mindestens eines der Filterelemente stromaufwärts eines Abgasturboladers oder eines Kompressors der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dadurch kann, ein geeignetes Filtermaterial vorausgesetzt, schon bei den dort herrschenden sehr hohen Temperaturen die Rußpartikel aus dem Abgas herausgefiltert werden und teilweise sogar kontinuierlich oxidiert werden.A further embodiment of the exhaust gas aftertreatment device according to the invention provides that at least one of the filter elements is upstream an exhaust gas turbocharger or a compressor of the internal combustion engine is arranged. This may, assuming a suitable filter material, even at the very high temperatures prevailing there, the soot particles be filtered out of the exhaust and sometimes even continuously oxidized become.
Die
Einstellung der Abscheiderate des Filterelements kann durch den
freien hydrodynamischen Durchmesser das Filtermaterial, die Kanalgeometrie, die
Zelldichte, die Korngröße des Filterwerkstoffes und/oder
die Abmessungen der Filterelemente (
Die Größe der Poren des Filtermaterials, das Filtermaterial und/oder die Abmessungen des Filterelements eingestellt werden.The Size of the pores of the filter material, the filter material and / or the dimensions of the filter element are adjusted.
Des Weiteren ist es möglich, die Abscheiderate eines oder mehrerer Filterelemente mithilfe eines oder mehrerer Bypasskanäle zu reduzieren. Dies bedeutet, dass nicht das gesamte Abgas in diesem Filterelement gefiltert wird, sondern dass ein Teil des Abgases ungefiltert durch diese Bypasskanäle an dem eigentlichen Filterelement vorbei oder durch das Filterelement hindurchströmen kann. Dadurch wird die Gefahr des Verstopfens eines oder mehrerer Filterelemente vermieden, was sich positiv auf die Brennkraftmaschine auswirkt.Of Furthermore, it is possible the deposition rate of one or more Filter elements using one or more bypass channels to reduce. This means that not all the exhaust gas in this filter element is filtered, but that part of the exhaust gas is filtered unfiltered these bypass channels past the actual filter element or can flow through the filter element. Thereby There is a risk of clogging one or more filter elements avoided, which has a positive effect on the internal combustion engine.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Vorteile können sowohl Einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.Further Advantages and advantageous embodiments of the invention are the subsequent drawing, the description and the claims removable. All in the drawing, the description and the claims mentioned advantages can be both individually and in any combination be essential to the invention with each other.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:It demonstrate:
Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention
In
Bei
der in
In
Parallel
zu einer Längsachse
Der
Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also
in einen der Eintrittskanäle
Wie
sich aus dem Längsschnitt gemäß
In
Die
Speicherkapazitäten für Rußpartikel von erstem
Filterelement
Unter
der Abscheiderate A wird im Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung
das Verhältnis zwischen der Masse der in den Abgasen enthaltenen
Rußpartikel am Austritt des eine Filterelements
Die
Abscheiderate Ages der gesamten Abgasnachbehandlungseinrichtung
ergibt sich aus dem Produkt der Abscheiderate A1 des
ersten Filterelements
Das
erste Filterelement
Auch
ist es möglich, beispielsweise in dem ersten Filterelement
Des
Weiteren kann durch die Aufteilung der durch die verschiedene Porosität
der Filterelemente
In
Bei
diesem Ausführungsbeispiel weist lediglich das erste Filterelement
Bei
dem zweiten Filterelement
Es
ist selbstverständlich darauf zu achten, dass an dem Übergang
zwischen erster Austrittsfläche
Selbstverständlich
ist es auch möglich, nicht nur zwei Filterelemente
In
Bei
diesem Ausführungsbeispiel weisen die Filterelemente
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20120703 |