DE102011003019A1

DE102011003019A1 - Partikelfilter und Verfahren zur Reinigung eines Abgasstroms

Info

Publication number: DE102011003019A1
Application number: DE102011003019A
Authority: DE
Inventors: Yasser Mohammed Sayed Yacoub
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-07-26
Also published as: US20120186228A1; CN102606258A

Abstract

Ein Partikelfilter (4) für ein Abgassystem (1) eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgasweg (3), aufweisend einen Filter (5) und einen sekundären Filter (9), wobei im Normalbetrieb der Abgasweg (3) durch den Filter (5) verläuft und wobei bei einer Überbeladung des Filters (5) der Abgasweg (3) durch den sekundären Filter (9) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter und ein Verfahren zur Reinigung eines Abgasstroms, insbesondere betrifft die Erfindung die Reinigung oder Filterung von Abgasen eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs.
Die bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehenden Partikel wie zum Beispiel Ruß können zur Reduzierung von Abgasemissionen von einem Filter zurückgehalten werden. Dazu durchströmt der Abgasstrom einen Filter, in dem sich die Partikel anlagern.
Eine periodische Regenerierung des Filters ist notwendig, um die Partikelbeladung zu reduzieren und einen kontrollierten Pegel des Abgasgegendrucks zu gewährleisten.
Bei einer Überbeladung des Filters wirkt sich der erhöhte Abgasgegendruck negativ auf die Leistungsfähigkeit des Motors aus. Darüber hinaus kann bei einer hohen Ruß-Beladung die exotherme Wärme, die bei einer spontanen oder im Rahmen einer Regenerierung erzeugten Rußverbrennung erzeugt wird, Teile des Abgassystems beschädigen.
DE 102 06 805 A1 zeigt einen Rußfilter zur Reinigung von Abgasen, der eine Sollbruchstelle zur Reduzierung eines in dem Rußfilter herrschenden Abgasgegendrucks aufweist. Die Sollbruchstelle kann in einem Filterkörper des Filters und/oder in einer Bypaß-Leitung des Filters angeordnet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Reinigung von Abgasen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 beziehungsweise 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Partikelfilter für ein Abgassystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgasweg einen Filter und einen sekundären Filter, wobei im Normalbetrieb der Abgasweg durch den Filter verläuft und wobei bei einer Überbeladung des Filters der Abgasweg durch den sekundären Filter verläuft. Bei einer Überladung des Filters, der hier auch primärer Filter oder Hauptfilter genannt werden kann, wird der sekundäre Filter aktiviert, der nun den Abgasstrom filtert. Bei Überbeladung wird gemäß der Erfindung der Abgasstrom weiterhin gefiltert, so dass Emissionsvorschriften immer noch eingehalten werden und Schäden im Abgasnachbehandlungssystem vermieden werden. Der Abgasstrom kann bei Überbeladung des Filters nur durch den sekundären Filter oder durch den sekundären und zu einem gewissen Teil durch den (primären) Filter verlaufen. Neben der Überbeladung können so auch Fehlerzustände des Filters, bei denen sich der Abgasgegendruck erhöht, entschärft werden. Entsprechend kann der Modus, in dem der oder die sekundären Filter aktiviert sind, auch als Fehlersicherheits- oder Ausfallsicherheitsmodus bezeichnet werden. In diesem Modus kann der Filter regeneriert und/oder ein Filtertausch veranlaßt werden.
Der sekundäre Filter kann den Filter umgeben. Dies ist eine strömungstechnisch gute Anordnung, die zudem platzsparend und mit den gängigen Einbaumaßen kompatibel ist. Der Partikelfilter kann eine zylindrische Form haben, die gut mit dem rohrförmigen Abgassystem harmoniert.
Der sekundäre Filter kann ein Einlaßventil und ein Auslaßventil aufweisen. Mittels des Ventils oder einem ähnlichem Mittel wie einer Klappe oder sonstigen variablen Öffnung kann der sekundäre Filter aktiviert werden, das heißt dass von dem Normalbetrieb, in dem der Abgasstrom durch den Filter verläuft, in den Fehlersicherheitsbetrieb, in dem der Abgasstrom durch den sekundären Filter verläuft, umgeschaltet wird.
Das Einlaßventil und/oder das Auslaßventil können mit einer Feder vorgespannt sein. Mit der oder den Federn kann die Umschaltung auf einfache Art und Weise vorgenommen werden. Die Feder am Einlaßventil kann derart bemessen sein, dass sie bei einem bestimmten Abgasgegendruck den Weg für das Abgas in den sekundären Filter freigibt. Die Feder am Auslaßventil kann derart bemessen sein, dass sie den Weg für das Abgas aus dem sekundären Filter heraus freigibt, wenn der Druck in dem sekundären Filter höher ist als im Ausgangsbereich des Filters oder des Partikelfilters.
Im Bereich des sekundären Filters kann ein Drucksensor zur Feststellung der Beladung des sekundären Filters angeordnet sein. Damit kann eine Regenerierung des sekundären Filters, ein Austausch des Partikelfilters und/oder eine oder mehrere Statusmeldungen zum Beispiel an das Abgasnachbehandlungssystem und/oder das Motormanagement eingeleitet werden, um so die Integration in das Gesamtsystem zu verbessern.
Ein Sensor kann zur Erfassung der Stellung des Einlaßventils und/oder des Auslaßventils vorgesehen sein. Mit diesem Sensor kann der Betriebsmodus des Partikelfilters erfaßt und zur Information an weitere Systeme weitergegeben werden.
Ein Temperatursensor kann im Bereich des sekundären Filters angeordnet sein. Eine Temperaturmessung im Bereich des sekundären Filters kann zusammen mit einer Messung der Abgastemperatur zum Beispiel am Eingang des Abgassystems verwendet werden, um die Betriebsmodus zu detektieren.
Der Filter und/oder der sekundäre Filter können als Wandflußfilter oder als Durchflußfilter ausgebildet sein. Diese gängigen Filtertypen sind gut für den Partikelfilter geeignet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Reinigung eines Abgasstroms einer Verbrennungsanlage, insbesondere eines Motors eines Kraftfahrzeugs, die folgenden Schritte:

– Reinigen des Abgasstroms mit einem Filter,
– Umleiten des Abgasstroms durch einen sekundären Filter bei einer Überbeladung des Filters.

Die gleichen Vorteile und Modifikationen wie oben beschrieben gelten ebenfalls hier. Durch die Umleitung des Abgasstroms wird eine Beeinträchtigung oder Schädigung der Verbrennungsanlage durch Erhöhung des Abgasgegendrucks vermieden.
Die Überbeladung kann durch einen erhöhten Abgasgegendruck festgestellt werden. Die Feststellung kann über einen oder mehrere Sensoren geschehen. Andererseits kann die Überbeladung auch implizit durch die Mittel zur Umleitung des Abgasstroms festgestellt werden, beispielsweise durch das Umschalten oder Aktivieren des oder der Mittel zur Umleitung.
Bei einer Überbeladung des sekundären Filters kann dessen Filtereffizienz sinken und der Abgasgegendruck bei einem normalen Pegel bleiben. Dies hat den Vorteil, dass durch den sekundären Filter der Abgasgegendruck nicht erneut erhöht wird.
Der Filter kann regeneriert und/oder ein Filtertausch veranlaßt werden, wenn der Abgasstrom durch den sekundären Filter verläuft. So kann während der Laufzeit des sekundären Filters der Zustand des (primären) Filters wiederhergestellt werden.
Der Abgasstrom kann wieder durch den Filter verlaufen, wenn der Filter regeneriert und/oder ausgetauscht ist. Dadurch wird der Partikelfilter wieder in den normalen Betriebsmodus gebracht. Anschließend kann sich eine Regenerierung des sekundären Filters anschließen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben, in denen zeigen:
1 einen Filter gemäß der Erfindung im Normalbetrieb.
2 den Filter gemäß der Erfindung bei einer Überbeladung des Filters.
Die Zeichnungen dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränken diese nicht ein. Die Zeichnungen und die einzelnen Teile sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile.
1 zeigt einen Abgassystem oder Abgasnachbehandlungssystem 1 für einen Verbrennungsmotor beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. Durch eine Abgasleitung 2 strömt der von dem Verbrennungsmotor erzeugte Abgasstrom 3 in Richtung eines Ausmaßes oder Auspuffs.
In der in der Abgasleitung 2 ist ein Partikelfilter 4 angeordnet, der auch Bestandteil der Abgasleitung 2 oder des Abgassystems 1 sein kann. Der Partikelfilter 4 dient zur Filterung von Partikeln aus dem Abgasstrom 3, um Emissionen zu verringern. Der Abgasstrom 3 verläuft in dem Partikelfilter 4 entlang eines Abgaswegs 3, der das gleiche Bezugszeichen trägt wie der der Abgasstrom 3.
Für die Filterung enthält der Partikelfilter 4 einen Filter 5, der hier als Wandflußfilter ausgeführt ist. Stromaufwärts vor dem Filter 5 ist ein Eingangsbereich 6 des Partikelfilters 4 angeordnet, der den Querschnitt der Abgasleitung 2 auf den größeren Querschnitt des Filters 5 erweitert. Stromabwärts des Filters 5 ist ein Austrittsbereich 7 angeordnet, der den Querschnitt wieder auf den Querschnitt der Abgasleitung 2 verringert. Der Filter 5 und der Partikelfilter 4 insgesamt sind rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse 8 ausgebildet. Der Innenbereich des Filters 5 insbesondere Strömungskanäle und/oder Wände müssen nicht rotationssymmetrisch sein.
Der Filter 5 ist von einem sekundären Filter 9 umgeben, der ebenfalls wie der (primäre) Filter 5 Filterelemente 10, wie zum Beispiel Kanäle, Wände und/oder geeignetes Material, enthält. Der sekundäre Filter 9 ist von dem Filter 5 baulich getrennt, d. h. es findet keine Kommunikation des Abluftstroms 3 zwischen den beiden Filtern 5 und 9 statt.
In dem Eingangsbereich 6 sind ein oder mehrere Einlaßventile 11 angeordnet, welche den Eingangsbereich 6 und damit die Abgasleitung 2 mit dem sekundären Filter 9 verbindet. Die Einlaßventile 11 können über einen inneren Umfang des sekundären Filters 9 verteilt sein.
In dem Austrittsbereich 7 sind ein oder mehrere Auslaßventile 12 angeordnet, welche den sekundären Filter 9 mit dem Austrittsbereich 7 und damit der Abgasleitung 2 verbinden. Die Auslaßventile 12 können analog zu den Einlaßventilen 11 ausgebildet und/oder angeordnet sein.
In dem sekundären Filter 9 ist ein Temperatursensor 13 zur Erfassung der Temperatur in dem sekundären Filter 9 vorgesehen. Der Temperatursensor 13 kann auch im Bereich des sekundären Filters 9 angeordnet sein, wie zum Beispiel an einer Außenwand des sekundären Filters 9 oder an dem Auslaßventil 12.
Weiterhin ist in dem sekundären Filter 9 ein Drucksensor 14 angeordnet, mit dem anhand von steigendem Druck die Beladung des sekundären Filters 9 festgestellt werden kann. Auch der Drucksensor 14 muß nicht direkt im sekundären Filter 9 angeordnet sein sondern kann zum Beispiel am Einlaßventil 11 angeordnet sein.
Ein oder mehrere Sensoren 15, von denen beispielhaft zwei Sensoren dargestellt sind, erfassen die Stellung des Einlaßventils 11 und/oder des Auslaßventils 12. Je nach Anzahl der Einlaßventile 11 und der Auslaßventile 12 können mehrere Sensoren 15 vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass ein oder mehrere Sensoren 15 lediglich die Stellung des oder der Einlaßventile 11 bzw. lediglich die Stellung des oder der Auslaßventile 12 erfassen.
Der Partikelfilter 4 ist mit den Sensoren 13, 14 und 15 dargestellt, selbstverständlich kann der Partikelfilter 4 ganz ohne Sensoren oder nur mit einer Teilmenge der genannten Sensoren ausgestattet sein.
Im folgenden wird anhand der 1 und 2 der Betrieb des Partikelfilters 4 beschrieben.
Wenn der Filter 5 voll funktionstüchtig ist, d. h. keine Beschädigung oder Überbeladung mit Partikeln vorliegt, befindet sich der Partikelfilter 4 in einem Normalbetrieb (1). In diesem Normalbetrieb befindet sich der von dem Partikelfilter 4 erzeugte Abgasgegendruck in einem normalen Bereich, der den Motor oder das Abgassystem nicht beschädigt oder die Leistung mindert. Der Abgasstrom 3, der durch die Abgasleitung 2 strömt, strömt zur Reinigung durch den Filter 5. Der Abgasweg 3 verläuft somit im Normalbetrieb durch den Filter 5.
Mit laufendem Betrieb des Verbrennungsmotors lagern sich immer mehr Partikel in dem Filter 5 ab, so dass die Beladung des Filters 5 mit Partikeln stetig zunimmt, wodurch sich der Strömungswiderstand des Filters 5 erhöht. Dadurch steigt der Abgasgegendruck an, bis er einen Wert erreicht, an dem die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors beeinträchtigt wird oder dem Verbrennungsmotor bzw. dem Abgassystem Beschädigungen drohen.
Nun wechselt der Partikelfilter 4 in einen in 2 dargestellten Fehlersicherheitsmodus, in dem der Abgasweg 3 d. h. der Fluß des Abgasstroms 3 durch den sekundären Filter 9 verläuft.
Auslöser für den Wechsel des Betriebsmodus kann der Abgasgegendruck des Filter 5 und damit des Partikelfilters 4 sein. Der Abgasgegendruck kann entweder durch einen nicht dargestellten Sensor zum Beispiel im Eingangsbereich 6 oder in der Abgasleitung 2 ermittelt werden. Überschreitet der Abgasgegendruck eine gewisse Schwelle, die vorgegeben und/oder veränderbar sein kann, öffnen sich die Einlaßventile 11, damit der Abgasweg durch den sekundären Filter 9 verläuft. Die Einlaßventile 11 können entweder fremd betätigt, etwa durch einen Motor oder eine Mechanik, oder selbst mit einem an oder in dem Ventil angeordneten Mechanismus, wie einer Feder, geöffnet und geschlossen werden. Bei der Variante mit der Feder kann der Sensor für den Abgasgegendruck entfallen, da das Ventil selbsttätig ab einem über die Federkraft eingestellten Abgasgegendruck öffnet.
Nun wird der Abgasstrom 3 von dem sekundären Filter 9 gefiltert. Ähnlich wie die Einlaßventile 11 öffnen sich die Auslaßventile 12 mit steigendem Druck. Übersteigt der Druck in dem sekundären Filter 9 den Druck in dem Austrittsbereich 7, öffnen sich die mit Federn vorgespannten Auslaßventile 12, so dass der Abgasstrom 3 an dem Filter 5 vorbei zirkuliert. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass ein geringer Teil des Abgasstroms 3 weiterhin durch den Filter 5 zirkuliert.
Während der Abgasstrom 3 durch den sekundären Filter 9 verläuft, kann eine Regeneration des primären Filters 5 durchgeführt werden, um dessen Leistungsfähigkeit wiederherzustellen.
Der sekundäre Filter 9 ist dermaßen aufgebaut, dass bei einer Überbeladung des sekundären Filters 9 dessen Filtereffizienz sinkt und der Abgasgegendruck bei einem normalen Pegel bleibt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass auch bei einem längeren Betrieb des sekundären Filters 9 der Abgasgegendruck nicht so weit erhöht wird, dass die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors gemindert oder der Verbrennungsmotor beschädigt wird.
Darüber hinaus kann der Drucksensor 14 verwendet werden, um die Beladung des sekundären Filters 9 zu erfassen. Bei einer Überbeladung oder einer sich abzeichnenden Überbeladung des sekundären Filters 9 kann eine aktive Regeneration des sekundären Filters 9 eingeleitet werden. Weiterhin kann ein Überbeladungsmodus angezeigt werden und eine Regenerierung oder ein Filterwechsel eingeleitet werden. Welche Maßnahmen eingeleitet werden, kann abhängig gemacht werden von dem benötigten Öffnungsdruck für die Einlaßventile 11 und/oder die Auslaßventile 12. Daraus kann der Grad der Filterbeladung abgeleitet werden.
Auf ähnliche Weise kann mit den Sensoren 15 zur Erfassung der Stellung des Einlaßventils 11 und/oder des Auslaßventils 12 die Aktivierung des Fehlersicherheitsbetriebs festgestellt und eine entsprechende Reaktion veranlaßt werden.
Auch mittels des Temperatursensors 13 kann der Fehlersicherheitsbetrieb festgestellt werden. Dazu wird das Temperatursignal des Temperatursensors 13, beispielsweise der dynamische Verlauf des Signals, mit der Temperatur des Abgases an dem Eingang des Abgassystems 1 verglichen.
Wenn der Filter 5 regeneriert und/oder ausgetauscht ist, wobei je nach Bauart des Partikelfilters 4 der Filter 5 oder der komplette Partikelfilter 4 getauscht wird, verläuft der Abgasstrom wieder durch den Filter 5. Da der Abgasgegendruck bei einem ordnungsgemäßen Filter 5 wieder auf einem normalen Pegel ist, sind die Einlaßventile 11 für den sekundären Filter 9 geschlossen.
Entsprechend zeigen die Sensoren und die Statussignale wieder einen normalen Betrieb des Partikelfilters 4 an. Die Sensoren sind mit einer oder mehreren Steuereinheiten verbunden, die entweder exklusiv dem Partikelfilter 4 zugeordnet sind oder die Information über den Zustand des Partikelfilters 4 erhalten, wie zum Beispiel Steuergeräte für die Abgasnachbehandlung und/oder für das Motormanagement.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10206805 A1 [0005]

Claims

Partikelfilter für ein Abgassystem (1) eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgasweg (3), aufweisend einen Filter (5) und einen sekundären Filter (9), wobei im Normalbetrieb der Abgasweg (3) durch den Filter (5) verläuft und wobei bei einer Überbeladung des Filters (5) der Abgasweg (3) durch den sekundären Filter (9) verläuft.
Partikelfilter nach Anspruch 1, wobei der sekundäre Filter (9) den Filter (5) umgibt.
Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der sekundäre Filter (9) ein Einlaßventil (11) und ein Auslaßventil (12) aufweist.
Partikelfilter nach Anspruch 3, wobei das Einlaßventil (11) und/oder das Auslaßventil (12) mit einer Feder vorgespannt sind.
Partikelfilter nach Anspruch 1 bis 4, wobei im Bereich des sekundären Filters (9) ein Drucksensor (14) zur Feststellung der Beladung des sekundären Filters (9) angeordnet ist.
Partikelfilter nach Anspruch 3 bis 5, wobei ein Sensor (15) zur Erfassung der Stellung des Einlaßventils (11) und/oder des Auslaßventils (12) vorgesehen ist.
Partikelfilter nach Anspruch 1 bis 6, wobei ein Temperatursensor (13) im Bereich des sekundären Filters (9) angeordnet ist.
Partikelfilter nach Anspruch 1 bis 7, wobei der Filter (5) und/oder der sekundäre Filter (9) als Wandflußfilter oder als Durchflußfilter ausgebildet ist.
Verfahren zur Reinigung eines Abgasstroms (3) einer Verbrennungsanlage, insbesondere eines Motors eines Kraftfahrzeugs, mit den folgenden Schritten: – Reinigen des Abgasstroms (3) mit einem Filter (5), – Umleiten des Abgasstroms (3) durch einen sekundären Filter (9) bei einer Überbeladung des Filters (5).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Überbeladung durch einen erhöhten Abgasgegendruck festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei bei einer Überbeladung des sekundären Filters (9) dessen Filtereffizienz sinkt und der Abgasgegendruck bei einem normalen Pegel bleibt.
Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, wobei der Filter (5) regeneriert und/oder ein Filtertausch veranlaßt wird, wenn der Abgasstrom (3) durch den sekundären Filter (9) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 9 bis 12, wobei der Abgasstrom (3) wieder durch den Filter (5) verläuft, wenn der Filter (5) regeneriert und/oder ausgetauscht ist.