DE102009014371A1 - Beheizbarer Vorfilter für Abgasreinigungsanlagen bei Dieselmotoren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für Dieselmotoren, umfassend ein Filtergehäuse (1) mit einem strömungsseitigen Einlass (2) und einem Auslass (4) für Abgase, einem im Abgasstrom im Gehäuseinneren (3) angeordneten Dieselpartikelfilter (10) und einem dem Dieselpartikelfilter (10) vorgeschalteten Vorfilter (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfilter (5) mit einem elektrischen Heizelement (8) ausgerüstet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Partikelvorabscheidung in einer Abgasreinigungsanlage, bei dem ein Vorfilter (5) in einem Filtergehäuse (1) vor einem Dieselpartikelfilter (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfilter (5) mit einem elektrischen Heizelement (8) ausgerüstet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für Dieselmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen dazugehörigen Vorfilter sowie ein Verfahren zur Partikelvorabscheidung in Abgasreinigungsanlagen.
  • Bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Motoren für Kraftfahrzeuge und Nutzmaschinen, entstehen für die Gesundheit des Menschen gefährliche Abgase, die unter anderem Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide enthalten. Um schädliche Umweltemissionen auch in der Kalt-Startphase oder bei noch niedrigen Abgastemperaturen so gering wie möglich zu halten, sind beheizbare Katalysatoranordnungen bekannt, welche die Temperatur von Abgasen erhöhen sollen (vgl. z. B. WO 98/10470 A ).
  • In Dieselmotoren werden Rußpartikelfilter eingesetzt, welche die in den Abgasen vorhandenen Rußpartikel entfernen. Ein Problem, welches hierbei auftaucht, ist, dass der Dieselpartikelfilter zu schnell beladen wird und sich zusetzt, wenn in ihm zu viele Rußpartikel gespeichert sind. Erst bei hohen Temperaturen (> 300°C) entzünden sich die Rußpartikel mit Hilfe des im Vorfilter gebildeten NO2, so dass der Filter regenerieren kann. Für die Regeneration ist es daher von besonderer Wichtigkeit, dass die Temperatur der Abgase ausreichend hoch ist, um die Rußpartikel im Filter für die Verbrennung zu zünden. Bei Erreichen der Zündtemperatur werden Kohlenstoff (C) und Kohlenstoffmonoxid (CO) mit Hilfe von Stickoxiden (NO2) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und ungefährlichen Stickstoffmonoxiden (NO) umgesetzt. Auf diese Weise können die katalytischen und thermischen Reaktionen im Filter ablaufen.
  • Bei Kurzstrecken oder in der Startphase eines Dieselfahrzeuges kann eine Regeneration des Filters aufgrund der nicht erreichten Zündtemperaturen nicht erfolgen, da dieser die zum Abbrennen der Rußpartikel erforderliche Temperatur nicht erreicht hat. Als Folge wird der Partikelfilter kontinuierlich bis zu seiner Kapazitätsgrenze beladen und die Abgasreinigungsanlage des Kraftfahrzeuges ist nach einiger Zeit nicht mehr funktionsfähig.
  • Um dieses Problem zu lösen, wurden bislang nach dem Stand der Technik passive und aktive Systeme bei Dieselpartikelfiltern und Katalysatoranordnungen eingesetzt. Bei aktiven Systemen wird zur Einleitung der Regeneration Wärmeenergie von außen zugeführt, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Bei solchen elektrisch beheizten Systemen besteht der Nachteil, dass der Energieaufwand für die Abgasbeheizung sehr hoch ist. Eine Versorgung über das Bordnetz ist wegen der hohen benötigten Stromstärken zumeist nicht ausreichend.
  • Passive Systeme sind nur begrenzt einsetzbar, weil bei Abgastemperaturen unterhalb von 280°C keine Regeneration stattfindet, was wiederum zu einem Beladen und Zusetzen des Filters mit Rußpartikeln führt.
  • In der DE 40 35 971 A1 wird daher vorgeschlagen, eine Heizeinrichtung zwischen keramischen und metallischen Teilkatalysatoren einzusetzen, um die Schadstoffemission in der Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors über eine lange Lebensdauer gleichbleibend gut zu reduzieren. Bei der Heizeinrichtung handelt es sich um einen elektrisch beheizbaren Wabenkörper, der aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bereits bekannt ist (vergleiche z. B. WO 98/10471 A ). Auch diese aktiv beheizbare Katalysatoranordnung führt lediglich zu einer Beheizung des Abgasstromes und erfordert einen dementsprechend hohen Strombedarf. Ein ähnliches System mit einem beheizbaren Wabenkörper ist auch in der DE 198 00 654 A1 beschrieben.
  • In der DE 10 2007 006 625 A1 wird ein Verfahren zur Verringerung des Anteils an Stickoxiden im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben, bei dem das Abgas zumindest teilweise in zumindest einem elektrisch beheizbaren Katalysatorträgerkörper aufgeheizt wird. Der Katalysatorträgerkörper ist vorzugsweise so ausgestaltet, wie in der WO 92/13636 A beschrieben. Es handelt sich hierbei um einen Wabenkörper, der insbesondere zur Verwendung als Träger für einen Katalysator im Abgassystem einer Brennkraftmaschine beschrieben ist. Auch hierfür erfolgt eine aktive Beheizung, welche aufgrund der Oberfläche des Wabenkörpers einen hohen Strombedarf erfordert.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasreinigungsanlage anzugeben, bei der die für die Regeneration erforderliche thermische und katalytische Reaktion bereits im Vorfilter eingeleitet wird und welche einen geringen Strombedarf erfordert, so dass ein Betrieb über das Bordnetz des Fahrzeugs möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasreinigungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage besteht aus einem herkömmlichen Filtergehäuse mit einem strömungsseitigen Einlass und Auslass für Abgase. In dem Gehäuse befinden sich wenigstens ein Dieselpartikelfilter und wenigstens ein vorgeschalteter Vorfilter, vorzugsweise ein Oxidationskatalysator (oftmals auch als Oxikat bezeichnet). Der Vorfilter ist erfindungsgemäß mit einem elektrischen Heizelement ausgerüstet, von dem bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Wärmeabgabe ausgeht, mit der sowohl die thermische als auch katalytische Reaktion im Vorfilter eingeleitet werden.
  • Diese vom Heizelement ausgehende Wärmestrahlung bildet ein vektorhaftes Wärmefeld aus, das sich infolge der ausgelösten Zündereignisse über die Oberfläche des Vorfilters ausbreitet. Die Wärmeübertragung erfolgt ferner über Wärmeleitung an den Kontaktflächen und durch Konvektion.
  • Das Heizelement ist vorzugsweise schlaufenförmig im Oxidationskatalysator integriert, um so eine möglichst große Oberfläche für die Wärmeabstrahlung zu erreichen. in einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement bügelförmig ausgeführt. Die beiden Schenkel des U-förmigen Bügels durchsetzen das Gestrick des Vorfilters für die Wärmeabgabe. In einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement plattenförmig ausgeführt. Dadurch wird eine große Oberfläche erzielt. In einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement in Spiralform ausgeführt. Die spiralförmige Ausführung hat den Vorteil, dass eine große Oberfläche erreicht wird. In einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement in Form einer Heizwand ausgeführt. Über die Heizwand erfolgt die Wärmeabgabe und damit die für die Ausbreitung der katalytischen und thermischen Reaktion erforderlichen Zündereignisse.
  • Das Heizelement ist über elektrische Anschlüsse mit Spannung versorgbar. Auf diese Weise kann von außen eine Spannung angelegt werden.
  • Bei dem Oxidationskatalysator handelt es sich vorzugsweise um ein gepresstes Edelstahlgestrick mit Edelmetallbeschichtung.
  • Der erfindungsgemäße Oxidationskatalysator mit Heizelement für Abgasreinigungsanlagen und das Verfahren zur Partikelvorabscheidung funktioniert folgendermaßen:
    Liegt die Abgastemperatur unterhalb der Zündtemperatur (< 280°C), lagern sich im Gestrick des Vorfilters Rußpartikelfilter ab. Mit Hilfe des erfindungsgemäß ausgebildeten Heizelementes ist es möglich, lokale Zündtemperaturen für die Verbrennung von Rußpartikeln zu erreichen, um die Verbrennungsreaktion bedarfsweise durch Beheizung des Heizelements einzuleiten. Diese Initialzündung reicht bereits aus, dass sich die einzelnen Verbrennungsvorgänge über die gesamte Gestrickstruktur ausbreiten. Es ist daher gar nicht erforderlich, dass die gesamte Oberfläche des Vorfilters beheizt wird. Dies hat wiederum den Vorteil, dass das erfindungsgemäße System mit wenig Energie auskommt und beispielsweise direkt vom Bordnetz versorgt werden kann. Es sind keine aufwendigen Leitungen oder Absicherungen für hohe Stromstärken notwendig. Es muss anfangs lediglich eine gewisse Anfangsenergie bereitgestellt werden, die jedoch weit geringer ist als der Energieaufwand aktiver Systeme.
  • Ist die Initialzündreaktion eingeleitet, breiten sich die einzelnen Zündereignisse über die gesamte Gestrickoberfläche aus. Hierbei beobachtet man zwei vorteilhafte Effekte: zum einen kommt es zu einer Verbrennung des Rußes und damit zur Regeneration im Vorfilter und im nachgeschalteten Hauptfilter. Als weiteren Effekt beobachtet man ferner die Erzeugung von Stickstoffdioxid (NO2), welches wiederum als Reaktionspartner für den Partikelfilter bei der Umsetzung von Kohlenstoff mit Stickstoffdioxid zu Kohlenstoffdioxid und Stickstoffmonoxid benötigt wird. Dies hat wiederum den Vorteil, dass die chemische Reaktion im Dieselpartikelfilter effizienter ablaufen kann. Bei der Bereitstellung ausreichend elektrischer Energie können die Rußpartikel auch ohne katalytischen Effekt und mit unbeschichteten Bauteilen gezündet werden. Durch die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage ist es möglich, eine Vorabscheidung von 50–60% der in dem Abgasstrom enthaltenen Rußpartikel zu erzielen. Dadurch wird die kapazitive Auslastung des nachgeschalteten Dieselpartikelfilters deutlich reduziert.
  • Zur Kontrolle und Steuerung der Partikelabscheidung in der Abgasreinigungsanlage findet vorzugsweise eine kontinuierliche Gegendruckmessung vor dem Filtersystem statt. Wird ein bestimmter Schwellenwert erreicht, so erfolgt die elektrische Zündung durch Anlegen einer Spannung an die elektrischen Kontakte des Heizelementes im Vorfilter. Wenn im Betriebszustand ausreichende Abgastemperaturen vorhanden sind (> 300°C), läuft die Regeneration ohne elektrische Beheizung/Zündung ab. Die Abgasreinigungsanlage funktioniert dann als passives System. Mit zunehmender Rußabscheidung im Filter steigt der Gegendruck an. Das Zeitfenster für die elektrische Zündung wird bei einem bestimmten Schwellenwert (z. B. ermittelt anhand des prozentualen Anteils der maximalen Beladungsmenge) geöffnet. Für die elektrische Zündung steht ein ausreichend langes Zeitfenster zur Verfügung, innerhalb dessen die Initialzündung stattfinden kann. Dadurch kann der Betriebszustand des Motors und der Verbrauch der aktuellen elektrischen Verbraucher berücksichtigt werden. Der Ruß wird inzwischen weiter im Filter abgeschieden. Zur Messung der Temperaturen sind Temperatursensoren im Vorfilter und/oder im Hauptfilter vorgesehen.
  • Das erfindungsgemäße Prinzip zeichnet sich dadurch aus, dass die Initialzündtemperatur vor allem durch Wärmeübertragung über Strahlung erreicht wird. Auf diese Weise werden die Metalldrähte des Gestricks erhitzt und die gebundenen Rußpartikel gezündet und verbrannt. In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Heizelemente mit einer katalytischen Beschichtung beschichtet sind, beispielsweise einer Edelmetallbeschichtung.
  • Die Erfindung hat gegenüber bekannten Lösungen den Vorteil, dass der Dieselpartikelfilter mit kleineren Abmessungen dimensioniert werden kann, da der thermisch und katalytisch aktive Vorfilter einen Großteil der Filterung der Rußpartikel bereits in der Vorstufe des Partikelfilters übernimmt. Durch die geringeren Abmessungen des Dieselpartikelfilters werden die Herstellungskosten für die gesamte Abgasreinigungsanlage beachtlich gesenkt. Ferner kann die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage als „Plug&Plag”-System ausgestaltet sein. Dadurch können auch bereits bestehende Abgassysteme leicht ersetzt werden. Da die elektrische Beheizung nur dann eingeschaltet wird, wenn die Abgastemperatur unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes liegt, kann die Energieversorgung über das Bordnetz erfolgen. Durch die Wärmeabstrahlung wird ferner Energie gespart, da die Zuführung elektrischer Energie lediglich zeitweise für die Initialzündung erfolgen muss. Der Regenerationsvorgang verläuft nach Erreichen der Zündtemperatur selbständig weiter.
  • Die Erfindung wird in den nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 den Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage,
  • 2 das Prinzip der Selbstzündung durch Einleiten und Ausbreitung der katalytischen und thermischen Reaktion im Gestrickkatalysator.
  • In 1 erkennt man eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage. Diese besteht aus einem Filtergehäuse 1 mit einem strömungsseitigen Einlass 2 und einem Auslass 4 für Abgase. Im Filtergehäuse 1 ist stromabwärts ein Dieselpartikelfilter 10 als Keramikmonolith eingelagert. Dieser wird von einer Lagermatte 12 gehalten. Vor dem Dieselpartikelfilter 10 ist im Innenraum 3 des Filtergehäuses 1 ein Vorfilter 5 angeordnet. Dieser besteht in der gezeigten Ausführungsform aus einem gepressten Edelstahlgestrick mit Edelmetallbeschichtung. In dem Gestrick ist ein beheizbares Heizelement 8 integriert, bei dem es nach Anlegen einer elektrischen Spannung an den elektrischen Kontakten 9 zu einer Wärmeübertragung und Wärmestrahlung an der Oberfläche 7 des Heizelementes 8 in die Vorfilterstruktur kommt. Dadurch heizen sich die Metalldrähte des Gestrickes auf. Erreicht die Wärmestrahlung die Zündtemperatur zur Verbrennung der Rußpartikel, wird die Regeneration durch Verbrennung der Rußpartikel eingeleitet. Durch die Verbrennungsreaktion entsteht ein Wärmefeld, bei dem sich der Regenerationsvorgang über die gesamte Gestrickoberfläche des Vorfilters 5 ausbreitet. Gleichzeitig setzt auch die katalytische Wirkung ein, d. h. der Kohlenstoff der Rußpartikel wird zusammen mit Stickstoffdioxid zu Kohlenstoffdioxid und Stickstoffmonoxid umgesetzt. Das so gebildete Stickstoffdioxid wird ferner zur Regeneration des Dieselpartikelfilters 10 ausgenutzt. Durch die Verbrennung der Rußpartikel und das Einleiten der thermischen und katalytischen Reaktion im Vorfilter 5 wird der Dieselpartikelfilter 10 erheblich entlastet. Dadurch kann er in seiner Baugröße in kleineren Dimensionen gehalten werden.
  • In 2 erkennt man den Ablauf der katalytischen und thermischen Reaktion. In der gezeigten Ausführungsform ist das Heizelement 8 im Gestrick 6 des Vorfilters 5 angeordnet. Die einzelnen Rußpartikel 11 sitzen gebunden am Gestrick 6. Wird die Zündtemperatur durch Erhitzen des Heizelementes 8 erreicht, führt die so entstehende Wärmestrahlung zum Verbrennen der am nächsten liegenden Rußpartikel 11. Das Verbrennen der Rußpartikel 11 bewirkt wiederum eine lokale Entzündung der in der Nachbarschaft liegenden Rußpartikel 11 und führt somit zur Ausbreitung der thermischen Reaktion vergleichbar einer Kettenreaktion. Gleichzeitig wird im Rahmen der katalytischen Reaktion Stickstoffdioxid gebildet, das sowohl bei der Umsetzungsreaktion im Dieselpartikelfilter als auch im Vorfilter selbst genutzt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 98/10470 A [0002]
    • - DE 4035971 A1 [0007]
    • - WO 98/10471 A [0007]
    • - DE 19800654 A1 [0007]
    • - DE 102007006625 A1 [0008]
    • - WO 92/13636 A [0008]

Claims (22)

  1. Abgasreinigungsanlage für Dieselmotoren, umfassend – ein Filtergehäuse (1) – mit einem strömungsseitigen Einlass (2) und• – einem Auslass (4) für Abgase, – einem im Abgasstrom im Gehäuseinneren (3) angeordneten Dieselpartikelfilter (10), – einem dem Dieselpartikelfilter (10) vorgeschalteten Vorfilter (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfilter (5) mit einem elektrischen Heizelement (8) ausgerüstet ist.
  2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Vorfilter (5) um einen Oxidationskatalysator handelt.
  3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) schlaufenförmig im Vorfilter (5) integriert ist.
  4. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) bügelförmig ausgeführt ist.
  5. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) plattenförmig ausgeführt ist.
  6. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) in Spiralform ausgeführt ist.
  7. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement in Form einer Heizwand ausgeführt ist.
  8. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass über elektrische Anschlüsse (9) eine elektrische Spannung an das Heizelement (8) anlegbar ist.
  9. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfilter (5) als Gestrickkatalysator mit Edelmetallbeschichtung ausgebildet ist.
  10. Vorfilter für Abgasreinigungsanlagen bei Dieselmotoren, bestehend aus einem gepressten Edelstahlgestrick (6) mit einem darin integrierten Heizelement (8).
  11. Vorfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Vorfilter um einen Oxidationskatalysator (5) handelt.
  12. Vorfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) schlaufenförmig im Vorfilter (5) integriert ist.
  13. Vorfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) bügelförmig ausgeführt ist.
  14. Vorfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) plattenförmig ausgeführt ist.
  15. Vorfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) in Spiralform ausgeführt ist.
  16. Vorfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement in Form einer Heizwand ausgeführt ist.
  17. Vorfilter nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass über elektrische Anschlüsse (9) eine elektrische Spannung an das Heizelement (8) angelebar ist.
  18. Vorfilter nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfilter als Gestrickkatalysator mit Edelmetallbeschichtung ausgebildet ist.
  19. Verfahren zur Partikelvorabscheidung in einer Abgasreinigungsanlage, bei dem ein Vorfilter (5) in einem Filtergehäuse (1) vor einem Dieselpartikelfilter (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfilter (5) mit einem elektrischen Heizelement (8) ausgerüstet ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Beheizung des Heizelementes (8) über eine kontinuierliche Gegendruckmessung kontrolliert wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20 dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines bestimmten Stellenwertes des Gegendruckes eine elektrische Zündung erfolgt, bei der eine elektrische Spannung über Kontaktelemente (9) an das Heizelement (8) des Vorfilters (5) angelegt wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorfilter gemäß einem der Ansprüche 10 bis 18 in das Filtergehäuse (1) angeordnet wird.
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