DE102010016600A1

DE102010016600A1 - Dieselpartikelfilter

Info

Publication number: DE102010016600A1
Application number: DE102010016600A
Authority: DE
Inventors: Xiaogang Dearborn Zhang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2010-12-02
Also published as: CN201891469U; US20100300082A1

Abstract

Eine Dieselpartikelfilter-Anordnung mit einem Gehäuse und einer Filterstruktur, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, zum Einfangen von Partikelmaterial in empfangenem Abgas, wenn derartiges empfangenes Abgas entlang einer Längsachse des Gehäuses durch das Gehäuse strömt. Die Filterstruktur weist Wände aus Partikel sammelndem, gasdurchlässigem Material auf. Die Wände lassen Teile des Abgases durch, während sie Partikelmaterial in einem derartigen durchströmenden Abgas einfangen. Die Wände sind schräg zur Richtung des empfangenen Abgases angeordnet (1).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Abgasbehandlungssysteme und insbesondere auf Dieselpartikelfilter, die in solchen Systemen verwendet werden.
HINTERGRUND
Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, weisen die meisten derzeitigen Dieselabgasbehandlungssysteme heute einen DOC (Dieseloxidationskatalysator), gefolgt von einem DPF (Dieselpartikelfilter), auf. Der DPF besitzt ein Substrat (manchmal als Substratziegel oder Ziegel bezeichnet), wobei das Auslassende am Einlasskanal abgeschlossen ist und das Einlassende am Auslasskanal abgeschlossen ist. Das Abgas strömt durch den Einlasskanal, durchquert die Wandaus Zellen und tritt dann durch den Auslasskanal aus. Die Partikel werden im Einlasskanal gefiltert.
Wie auch auf dem Fachgebiet bekannt ist, werden Partikelfilter in den Abgassystemen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren (Dieselpartikelfilter oder DPF), verwendet, um Partikelmaterial, das hauptsächlich aus Material auf Kohlenstoffbasis gebildet ist, einzufangen und zu entfernen. Wenn das Motorabgas durch den DPF hindurchströmt, werden die Partikel im Filter eingefangen und sammeln sich im Lauf der Zeit an. Dies führt zu einer Erhöhung des Widerstandes des Abgasstroms durch den DPF und daher zu einer Erhöhung des Gegendrucks am Motor. Diese Erhöhung des Gegendrucks hat einen nachteiligen Effekt auf den Motorbetrieb und insbesondere auf den Kraftstoffverbrauch. Um den Gegendruck auf annehmbare Niveaus zu verringern, wird der DPF durch Abbrennen der angesammelten Partikel, von denen die meisten brennbar sind, periodisch regeneriert.
Wie auf dem Fachgebiet ebenfalls bekannt ist, muss ein herkömmliches Cordierit- oder SiC-DPF-System einem Regenerationsprozess unterzogen werden, um Ruß auszubrennen, der an der DPF-Wandoberfläche gesammelt ist. Mit dieser Prozedur sind einige Probleme verbunden: 1. Ein Kraftstoffnachteil, da Dieselkraftstoff entweder durch Nacheinspritzung oder Abgasrohreinspritzung eingespritzt wird, um eine hohe Abgastemperatur zu erzeugen. Gewöhnlich liegt der Kraftstoffnachteil im Bereich von 3 bis 5%; 2. Ungleichmäßig verteilter Ruß, der sich aus einer schlechten Strömungsgleichmäßigkeit ergeben hat, führt zu einem hohen Temperaturgradienten innerhalb des DPF-Substrats und verursacht ein Haltbarkeitsproblem wie z. B. einen Ringabsprengausfall; und 3. Ein sehr niedriger oder sogar negativer NOx-Umwandlungs-Wirkungsgrad wird während der DPF-Regeneration festgestellt, gewöhnlich dauert sie mehr als 10 Minuten. Dies wird zu einem Problem für die Emissionsanforderungen der Stufe III.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird eine Dieselpartikelfilter-Anordnung geschaffen, die aufweist: ein Gehäuse und eine Filterstruktur, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, zum Einfangen von Partikelmaterial in empfangenem Abgas, wenn derartiges empfangenes Abgas entlang einer Längsachse des Gehäuses durch das Gehäuse hindurchströmt. Die Filterstruktur besitzt Wände aus einem Partikel sammelnden, gasdurchlässigen. Material; solche Wände lassen Teile des Abgases durch, während sie Partikelmaterial in einem solchen hindurchströmenden Abgas einfangen. Die Wände sind schräg zur Richtung des empfangenen Abgases angeordnet.
In einer Ausführungsform wird eine Dieselpartikelfilter-Anordnung geschaffen mit einem Gehäuse und einer Filterstruktur, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, zum Einfangen von Partikelmaterial in empfangenem Abgas, wenn solches empfangenes Abgas entlang einer Längsachse des Gehäuses durch das Gehäuse hindurchströmt. Die Filterstruktur bildet mehrere Kanäle, die durch Wände aus Partikel sammelndem, gasdurchlässigem Material getrennt sind. Die Wände lassen Teile des Abgases von einem der Kanäle zu einem anderen benachbarten der Kanäle durch, während sie Partikelmaterial in einem derartigen hindurchströmenden Abgas einfangen. Die Wände sind schräg zur Richtung des empfangenen Abgases angeordnet.
In einer Ausführungsform wird eine Dieselpartikelfilter-Anordnung geschaffen mit einem Gehäuse mit einem Einlass zum Empfangen eines Eilassstroms von Abgas von einem Dieselmotor und einer Filterstruktur, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die Filterstruktur ist zum Einfangen von Partikelmaterial im empfangenen Abgas vorgesehen, wenn derartiges empfangenes Abgas in einem Auslassstrom durch einen Auslass des Gehäuses hindurchströmt, wobei der Einlassstrom und der Auslassstrom entlang einer Längsachse des Gehäuses angeordnet sind. Die Filterstruktur bildet mehrere Kanäle zum Durchlassen von Teilen des empfangenen Abgases, wobei solche Kanäle durch poröse Wände aus Partikel sammelndem, gasdurchlässigem Material getrennt sind, wobei solche Wände Teile des Abgases von einem der Kanäle zu einem anderen benachbarten der Kanäle durchlassen, während sie Partikelmaterial in einem derartigen durchströmenden Abgas einfangen. Die Trennwände von jedem von derartigen Kanälen sind schräg zur Richtung des empfangenen Abgases angeordnet.
In einer Ausführungsform weisen die Kanäle einen Einlasskanalabschnitt und einen Auslasskanalabschnitt auf, wobei der Einlasskanalabschnitt stromaufwärts des Auslasskanalabschnitts liegt.
In einer Ausführungsform weist die Anordnung einen Hauptkanal zusätzlich zu den mehreren Kanälen auf, wobei ein derartiger Hauptkanal zwischen einer Innenwand des Gehäuses und der Filterstruktur angeordnet ist.
In einer Ausführungsform ist das Partikel sammelnde, gasdurchlässige Material Papier.
In einer Ausführungsform ist die Filterstruktur entnehmbar innerhalb des Gehäuses angebracht.
Die Details von einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung sind in den begleitenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Offenbarung sind aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen ersichtlich.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Seitenquerschnittsskizze einer Dieselpartikelfilter-Anordnung (DPF-Anordnung) gemäß der Offenbarung;
1A ist eine schematische Seitenquerschnittsskizze von einem von mehreren Kanälen, die in einer Filterstruktur verwendet werden, die in der Dieselpartikelfilter-Anordnung (DPF-Anordnung) von 1 verwendet wird;
1B ist eine schematische, perspektivische Skizze einer Dieselpartikelfilter-Anordnung (DPF-Anordnung) von 1;
2 ist eine schematische, perspektivische Skizze einer Filterstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung;
2A ist eine schematische, perspektivische Skizze eines beispielhaften von mehreren Kanälen, die in der Dieselpartikelfilter-Anordnung von 2 verwendet werden;
2B ist eine schematische, perspektivische Skizze des beispielhaften der mehreren Kanäle, die in der Dieselpartikelfilter-Anordnung von 2 verwendet werden, in auseinandergezogener Anordnung; wobei eine derartige Skizze einen Einlasskanalabschnitt und einen Auslasskanalabschnitt eines derartigen beispielhaften der mehreren Kanäle zeigt; Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen geben gleiche Elemente an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In den 1, 1A und 1B ist nun eine Dieselpartikelfilter-Anordnung (DPF-Anordnung) 10 gezeigt. Die Anordnung weist auf: ein zweiteiliges Gehäuse 12 mit einem Einlass 14 zum Empfangen eines Einlassstroms 16 von Abgas von einem Dieselmotor, nicht gezeigt; und eine Filterstruktur 18, die innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet ist, zum Einfangen von Partikelmaterial im empfangenen Abgas, wenn derartiges empfangenes Abgas in einem gefilterten Auslassgasstrom 20 durch einen Auslass 22 des Gehäuses 12 strömt. Der Einlassstrom 16 und der Auslassstrom 20 sind entlang einer Längsachse 24 des Gehäuses 12 angeordnet.
Die Filterstruktur 18, hier poröses Papier, bildet mehrere Kanäle 30, 32, 34 zum Durchlassen von Teilen des empfangenen Abgasstroms 16. Die Kanäle 30, 32 und 34 weisen einen Einlass zum Empfangen des Gasstroms 16 und einen Auslass zum Auslassen des gefilterten Gasstroms 20 auf, wobei der Einlass stromaufwärts vom Auslass liegt.
Die Kanäle 34, wobei ein beispielhafter in 1A deutlicher gezeigt ist, sind durch poröse Wände 40 aus Partikel sammelndem, gasdurchlässigem Material voneinander getrennt. Jeder der Kanäle 34 weist einen Einlasskanalabschnitt 34I und einen stromabseitigen Auslasskanalabschnitt 34O, die durch einen Abschnitt einer Wand 40, der als Wand 40S angegeben ist, getrennt sind, wie in 1A deutlicher gezeigt, auf. Die Wände 40 lassen Teile des Abgases, das durch die Pfeile angegeben ist, von einem der Kanäle 34 zu einem anderen benachbarten der Kanäle 34 durch, während sie Partikelmaterial in einem solchen durchströmenden Abgas in der Trennwand 40S einfangen. Die Trennwand 40S von jedem von derartigen Kanälen 34 ist entlang einer Achse 38 angeordnet, die zur Längsachse 24 des Gehäuses 12 schräg ist (und daher zur Richtung des empfangenen Abgases schräg ist, wie in 1A gezeigt).
Insbesondere weist die Filterstruktur 18 einen Hauptkanal, d. h. einen Kanal 30, zusätzlich zu den mehreren Kanälen 32 auf, wobei ein solcher Hauptkanal 30 zwischen einer Innenwand 42 des Gehäuses 12 und der Filterstruktur 18 angeordnet ist. Abgas kann irgendwo strömen, um die Filterwand 40 zu durchströmen, es hängt davon ab, wie viel Druckverlust es erfährt. Die Strömung liegt immer in Richtung des Weges mit dem geringsten Druckabfall. Wenn das ganze Abgas am Ende des oberen Kanals 30 hindurchgetreten ist, besteht ein großer Druckverlust (die Russablagerung erzeugt einen noch viel höheren Druckverlust, wenn die Zeit vergeht); daher tritt ein Teil des Abgases in die Kanäle 34, spezieller den Einlasskanalabschnitt 34I, ein, und strömt durch die Trennwand 40S zum benachbarten Auslasskanalabschnitt 34O, wie durch die Pfeile 35 angegeben.
Wie vorstehend angegeben, ist das Partikel sammelnde, gasdurchlässige Material, d. h. die Wände 40, Papier. Ferner ist die Filterstruktur 18 entnehmbar innerhalb des trennbaren zweiteiligen Gehäuses 12 angebracht, wenn es erforderlich ist, die Filterstruktur 18 zu wechseln. Hier ist beispielsweise für einen Filter mit 0,2 m (Höhe) × 0,25 m (Breite) mit 100 Falten (Kanälen) die Gesamtoberfläche: 100 × 0,2 × 0,25 = 5 m², die Porosität des Faserpapiers kann größer sein als 80%, der DPF-Fallenwirkungsgrad kann 99,9% mit einem viel geringeren Druckverlust als ein herkömmlicher DPF erreichen.
In 2 ist nun eine alternative Ausführungsform der Dieselpartikelfilter-Struktur 18' gezeigt. Hier ist die Filterstruktur 18' eine zylindrische Filterstruktur mit mehreren Kanälen 34' und passt als entnehmbares Element in ein zylindrisches Gehäuse 12'. Ein beispielhafter der Kanäle 34' ist in 2A und 2B gezeigt. Es wird angemerkt, dass die Kanäle 34a' einen Einlasskanalabschnitt 34I und einen stromabseitigen Auslasskanalabschnitt 34O, die durch eine Trennwand 40S getrennt sind, aufweisen. Die Wände 40 lassen Teile des Abgases von einem der Kanäle 34a zu einem anderen benachbarten der Kanäle 34a durch die Trennwand 40S hindurch, während sie Partikelmaterial in einem derartigen durchströmenden Abgas einfangen. Die Trennwände 40S von jedem von derartigen Kanälen 34 sind verdreht und auch schräg zur Richtung des empfangenen Abgases (durch den Pfeil 16 angegeben). Hier weist der Faserpapier-DPF-Filter beispielsweise für einen Filter von 8'' × 12'' mit 100 Falten (Kanälen) eine Gesamtoberfläche von: 2 × 100 × 0,1 × 0,25 = 5 Quadratmeter auf und die Porosität des Faserpapiers kann größer sein als 80%, der DPF-Fallenwirkungsgrad kann 99,9% mit einem viel niedrigeren Druckverlust als ein herkömmlicher DPF erreichen.
Die Kanäle 34 können in einer beliebigen herkömmlichen Weise aneinander befestigt werden, wie z. B. mit Metallbändern, nicht dargestellt, wie sie verwendet werden, um die Latten in einer Holzregentolle aneinander zu befestigen.
Eine Anzahl von Ausführungsformen der Offenbarung wurde beschrieben. Selbstverständlich können trotzdem verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Folglich liegen andere Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche.

Claims

Dieselpartikelfilter-Anordnung, die enthält: ein Gehäuse; eine Filterstruktur, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, um Partikelmaterial in empfangenem Abgas einzufangen, wenn derartiges empfangenes Abgas entlang einer Längsachse des Gehäuses durch das Gehäuse hindurchströmt, wobei eine solche Filterstruktur Wände aus Partikel sammelndem, gasdurchlässigem Material aufweist, wobei diese Wände Teile des Abgases durchlassen, während sie Partikelmaterial in einem solchen durchströmenden Abgas einfangen, wobei die Wände schräg zur Richtung des empfangenen Abgases angeordnet sind.
Dieselpartikelfilter-Anordnung, die enthält: ein Gehäuse; eine Filterstruktur, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, um Partikelmaterial in empfangenem Abgas einzufangen, wenn derartiges empfangenes Abgas entlang einer Längsachse des Gehäuses durch das Gehäuse hindurchströmt, wobei eine solche Filterstruktur mehrere Kanäle bildet, die durch Wände aus Partikel sammelndem, gasdurchlässigem Material getrennt sind, wobei diese Wände Teile des Abgases von einem der Kanäle zu einem anderen benachbarten der Kanäle durchlassen, während sie Partikelmaterial in einem solchen durchströmendem Abgas einfangen, wobei die Wände schräg zur Richtung des empfangenen Abgases angeordnet sind.
Dieselpartikelfilter-Anordnung, die enthält: ein Gehäuse mit einem Einlass zum Empfangen eines Einlassstroms von Abgas von einem Dieselmotor; eine Filterstruktur, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, um Partikelmaterial im empfangenen Abgas einzufangen, wenn derartiges empfangenes Abgas in einem Auslassstrom durch einen Auslass des Gehäuses strömt, wobei der Einlassstrom und der Auslassstrom entlang einer Längsachse des Gehäuses angeordnet sind, wobei eine solche Filterstruktur mehrere Kanäle zum Durchlassen von Teilen des empfangenen Abgases bildet, wobei diese Kanäle durch poröse Wände aus Partikel sammelndem, gasdurchlässigem Material getrennt sind, wobei diese Wände Teile des Abgases von einem der Kanäle zu einem anderen benachbarten der Kanäle durchlassen, während sie Partikelmaterial in einem derartigen durchströmenden Abgas einfangen, wobei die Trennwände jedes dieser Kanäle schräg zur Richtung des empfangenen Abgases angeordnet sind.
Filteranordnung nach Anspruch 3, wobei die Kanäle einen Einlasskanalabschnitt und einen Auslasskanalabschnitt aufweisen, wobei der Einlasskanalabschnitt stromaufwärts des Auslasskanalabschnitts liegt.
Filteranordnung nach Anspruch 2, wobei die Anordnung zusätzlich zu den mehreren Kanälen einen Hauptkanal aufweist, wobei dieser Hauptkanal zwischen einer Innenwand des Gehäuses und der Filterstruktur angeordnet ist.
Filteranordnung nach Anspruch 1, wobei das Partikel sammelnde, gasdurchlässige Material Papier ist.
Filteranordnung nach Anspruch 6, wobei die Filterstruktur entnehmbar innerhalb des Gehäuses angebracht ist.