DE102014200534A1 - Two-stage particle filter arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Partikelfilteranordnung (1) für eine Brennkraftmaschine. Die Partikelfilteranordnung (1) besitzt einen ersten Partikelfilter (2) und einen stromabwärts des ersten Partikelfilters (2) angeordneten zweiten Partikelfilter (3). Dabei sind der erste und der zweite Partikelfilter (2, 3) in einem Abgasstrom (4) der Brennkraftmaschine angeordnet und dazu ausgebildet, in dem Abgasstrom (4) enthaltene Partikel herauszufiltern und abzulagern. Der erste und der zweite Partikelfilter (2, 3) weisen bei einer in dem jeweiligen Partikelfilter (2, 3) abgelagerten vorherbestimmten Gesamtmasse von herausgefilterten Partikeln und bei einem vorherbestimmten Massendurchsatz des Abgasstromes (4) eine jeweilige Druckdifferenz über den jeweiligen Partikelfilter (2, 3) auf. Erfindungsgemäß ist dabei eine erste Druckdifferenz über den ersten Partikelfilter (2) geringer als eine zweite Druckdifferenz über den zweiten Partikelfilter (3).
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einer in einem Abgasstrom (4) der Brennkraftmaschine angeordneten erfindungsgemäßen Partikelfilteranordnung (1).The invention relates to a particle filter arrangement (1) for an internal combustion engine. The particle filter arrangement (1) has a first particle filter (2) and a second particle filter (3) arranged downstream of the first particle filter (2). In this case, the first and the second particle filter (2, 3) are arranged in an exhaust gas flow (4) of the internal combustion engine and designed to filter out and deposit particles contained in the exhaust gas flow (4). The first and the second particle filter (2, 3) have a respective pressure difference across the respective particle filter (2, 3) at a predetermined total mass of particles filtered out in the respective particle filter (2, 3) and at a predetermined mass flow rate of the exhaust gas flow (4) ) on. According to the invention, a first pressure difference across the first particulate filter (2) is less than a second pressure difference across the second particulate filter (3).
A second aspect of the invention relates to a motor vehicle having an internal combustion engine and a particle filter arrangement (1) according to the invention arranged in an exhaust gas flow (4) of the internal combustion engine.
Description
Die Erfindung betrifft eine Partikelfilteranordnung für eine Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Partikelfilteranordnung.The invention relates to a particle filter arrangement for an internal combustion engine and a motor vehicle with such a particle filter arrangement.
Partikelfilter werden in Abgaswegen von Brennkraftmaschinen angeordnet, um in dem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Partikel aus dem Abgas herauszufiltern, bevor das Abgas in die Umwelt entlassen wird. Die Partikel stehen unter dem Verdacht, Krankheiten zu erregen, weshalb fortlaufend strengere Abgasbestimmungen eingeführt werden, die eine Filterung des Abgases vorschreiben. Ein prominentes Beispiel für derartige Partikelfilter stellen die Partikelfilter in diesel- und benzingetriebenen Kraftfahrzeugen dar, die die Feinstaubbelastung der Atemluft insbesondere in Städten verringern sollen. Um die Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben zu garantieren, müssen die Partikelfilter im Betrieb auf ihre korrekte Funktion überwacht werden.Particulate filters are arranged in exhaust gas passages of internal combustion engines in order to filter particulates contained in the exhaust gas of the internal combustion engine out of the exhaust gas before the exhaust gas is released into the environment. The particles are suspected of causing disease, which is why ever stricter exhaust gas regulations are introduced, which require a filtration of the exhaust gas. A prominent example of such particulate filters are the particulate filters in diesel and gasoline-powered motor vehicles, which are intended to reduce the particulate matter load of the respiratory air, especially in cities. In order to ensure compliance with the legal requirements, the particle filters must be monitored during operation for their correct function.
Partikelfilter verursachen im Betrieb einen gewissen Abgasgegendruck, der neben dem momentanen Massendurchsatz des den Partikelfilter durchströmenden Abgasstromes vor allem durch die in dem Partikelfilter abgelagerte Partikelmasse bestimmt wird. Es ist allgemein bekannt, dass dieser Abgasgegendruck als Druckabfall über den Partikelfilter gemessen werden kann. Aus dem gemessenen Druckabfall können Aussagen über die in dem Partikelfilter abgelagerte herausgefilterte Partikelmasse getroffen werden. Ebenfalls ist es möglich, durch Beobachtung des zeitlichen Verlaufs des Druckabfalls Aussagen über einen Gesundheitszustand des Partikelfilters zu machen. Beispielsweise weist ein über längere Betriebszeit unveränderter Gegendruck auf eine Schädigung des Partikelfilters hin, durch die keine oder zu wenig Partikelmasse aus dem Abgasstrom herausgefiltert wird.During operation, particulate filters cause a certain exhaust backpressure which, in addition to the instantaneous mass flow rate of the exhaust gas stream flowing through the particulate filter, is determined primarily by the particle mass deposited in the particulate filter. It is well known that this exhaust backpressure can be measured as a pressure drop across the particulate filter. From the measured pressure drop statements can be made about the particulate matter deposited in the particulate filter. It is also possible to make statements about a state of health of the particulate filter by observing the time course of the pressure drop. For example, an unchanged over longer operating time back pressure on damage to the particulate filter through which no or too little particle mass is filtered out of the exhaust stream.
Da ein Partikelfilter nur eine bestimmte Aufnahmefähigkeit für Partikel hat, wird die abgelagerte Partikelmasse durch aktive oder passive Regeneration oxidiert und somit abgebaut. Ein Regenerationszyklus kann durch hohe Abgastemperaturen ausgelöst werden, welche sich bei einer hohen Motorleistung oder durch bewusste Bereitung eines fetten Abgasgemisches, beispielsweise durch Nacheinspritzung von Kraftstoff, erreichen lassen. Die Regeneration senkt durch das Abbauen der abgelagerten Partikel auch den von dem Partikelfilter verursachten Abgasgegendruck wieder auf sein anfängliches Maß. Dies ist vorteilhaft, weil die Brennkraftmaschine gegen den Abgasdruck arbeiten muss, so dass die Leistung der Brennkraftmaschine bei gleichbleibendem Kraftstoffverbrauch beziehungsweise der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine sinkt. Aus diesem Grund werden auch Partikelfilter angestrebt, die einen möglichst geringen Abgasgegendruck verursachen. Dies kann beispielsweise durch Vergrößerung der Filteroberfläche des Partikelfilters, die bei gleicher Partikelmasse eine Verringerung der Dicke der auf der Filteroberfläche abgelagerten Schicht von Partikeln bewirkt. Dies macht es jedoch schwieriger, die korrekte Funktion des Partikelfilters zu überwachen, da im Beobachtungszeitraum nur entsprechend reduzierte Druckanstiege des Abgasgegendruckes zu verzeichnen sind.Since a particulate filter has only a certain absorption capacity for particles, the deposited particulate mass is oxidized by active or passive regeneration and thus degraded. A regeneration cycle can be triggered by high exhaust gas temperatures, which can be achieved with a high engine output or by deliberately preparing a rich exhaust gas mixture, for example by post-injection of fuel. The regeneration also reduces the exhaust backpressure caused by the particulate filter to its initial level by degrading the deposited particulates. This is advantageous because the internal combustion engine must work against the exhaust gas pressure, so that the power of the internal combustion engine decreases while maintaining fuel consumption or the efficiency of the internal combustion engine. For this reason, particulate filters are also sought, which cause the lowest possible exhaust back pressure. This can be achieved, for example, by enlarging the filter surface of the particle filter, which with the same particle mass causes a reduction in the thickness of the layer of particles deposited on the filter surface. However, this makes it more difficult to monitor the correct function of the particulate filter, since in the observation period only correspondingly reduced pressure increases in the exhaust back pressure are recorded.
Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, eine Partikelfilteranordnung einzuführen, die im Betrieb einen geringen Abgasgegendruck aufweist, aber dennoch eine zuverlässige Überwachung ihrer bestimmungsgemäßen Funktion zulässt.The invention therefore has for its object to introduce a particulate filter assembly, which has a low exhaust back pressure during operation, but still allows reliable monitoring of their intended function.
Die Erfindung führt daher eine Partikelfilteranordnung für eine Brennkraftmaschine ein. Die Partikelfilteranordnung besitzt einen ersten Partikelfilter und einen stromabwärts des ersten Partikelfilters angeordneten zweiten Partikelfilter. Dabei sind der erste und der zweite Partikelfilter in einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordnet und dazu ausgebildet, in dem Abgasstrom enthaltene Partikel herauszufiltern und abzulagern. Der erste und der zweite Partikelfilter weisen bei einer in dem jeweiligen Partikelfilter abgelagerten vorherbestimmten Gesamtmasse von herausgefilterten Partikeln und bei einem vorherbestimmten Massendurchsatz des Abgasstromes eine jeweilige Druckdifferenz über den jeweiligen Partikelfilter auf. Erfindungsgemäß ist dabei eine erste Druckdifferenz über den ersten Partikelfilter geringer als eine zweite Druckdifferenz über den zweiten Partikelfilter.The invention therefore introduces a particle filter arrangement for an internal combustion engine. The particulate filter assembly has a first particulate filter and a second particulate filter disposed downstream of the first particulate filter. In this case, the first and the second particulate filter are arranged in an exhaust gas flow of the internal combustion engine and designed to filter out and deposit particles contained in the exhaust gas flow. The first and the second particle filter have a respective pressure difference across the respective particle filter at a predetermined total mass of particles filtered out in the respective particle filter and at a predetermined mass flow rate of the exhaust gas flow. According to the invention, a first pressure difference across the first particulate filter is less than a second pressure difference across the second particulate filter.
Die Partikelfilteranordnung der Erfindung besitzt den Vorteil, dass der zweite Partikelfilter den Abgasgegendruck im normalen Betrieb kaum erhöht, so dass im Normalfall nur ein geringer Abgasgegendruck vorliegt. Ist der erste Partikelfilter jedoch schadhaft, können Partikel durch den ersten Partikelfilter hindurchtreten und in den bis zu diesem Zeitpunkt gut durchlässigen zweiten Partikelfilter gelangen. Diese Partikel verstopfen den zweiten Partikelfilter in kurzer Zeit, so dass der Abgasgegendruck über die Gesamtanordnung schnell ansteigt. Der Ausfall des ersten Partikelfilters kann so einerseits für eine gewisse Zeit durch den zweiten Partikelfilter aufgefangen werden, insbesondere ermöglicht der zweite Partikelfilter jedoch die zuverlässige Detektion des Schadens des ersten Partikelfilters, woraufhin beispielsweise durch eine Anzeige oder dergleichen auf den Mangel hingewiesen und der Schaden durch Reparatur behoben werden kann. Die Partikelfilteranordnung erlaubt somit im störungsfreien Betrieb sehr geringe Abgasgegendrücke, wodurch die Leistung der Brennkraftmaschine nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt wird, Gleichzeitig wird jedoch eine zuverlässige Detektion von Fehlfunktionen der Partikelfilteranordnung ermöglicht.The particulate filter assembly of the invention has the advantage that the second particulate filter barely increases the exhaust backpressure in normal operation, so that normally there is only a small exhaust back pressure. However, if the first particulate filter is defective, particles can pass through the first particulate filter and enter the second particulate filter, which is well-permeable up to this time. These particles clog the second particulate filter in a short time, so that the exhaust back pressure across the entire assembly increases rapidly. The failure of the first particulate filter can be caught on the one hand for a certain time by the second particulate filter, but in particular allows the second particulate filter reliable detection of the damage of the first particulate filter, whereupon, for example, by a display or the like referred to the defect and the damage by repair can be corrected. The particulate filter arrangement thus allows very low exhaust back pressures in trouble-free operation, whereby the performance of the internal combustion engine is not or only slightly affected, but at the same time a reliable detection of malfunctions of the particulate filter assembly is possible.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der zweite Partikelfilter ohne abgelagerte Partikelmasse (also im unbeladenen Zustand) einen möglichst geringen Abgasgegendruck verursacht, so dass sein diesbezüglicher Beitrag in der Gesamtanordnung vernachlässigbar bleibt. Gleichzeitig sollte der Druckabfall über den zweiten Partikelfilter bei abgelagerter Partikelmasse (also im beladenen Zustand) möglichst hoch sein, so dass eine geringe Partikelmasse, die durch den ersten Partikelfilter hindurchgelangt innerhalb einer kurzen Zeit bereits einen messbaren Druckabfall verursacht. It is particularly advantageous if the second particle filter without deposited particulate mass (ie in the unloaded state) causes the lowest possible backpressure of the exhaust gas, so that its respective contribution in the overall arrangement remains negligible. At the same time, the pressure drop across the second particle filter should be as high as possible when the particle mass deposited (ie in the loaded state), so that a small particle mass that passes through the first particle filter already causes a measurable pressure drop within a short time.
Vorzugsweise ist der zweite Partikelfilter unmittelbar stromabwärts des ersten Partikelfilters angeordnet. Beispielsweise können der erste und der zweite Partikelfilter innerhalb eines Gehäuses untergebracht sein. Hierfür kann ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse vorgesehen sein, dass durch Zu- und Ableitungen geringeren Durchmessers angeschlossen ist. Hierbei kann der zweite Partikelfilter auch vorteilhaft am Eingang oder innerhalb der Ableitung angeordnet sein, wobei er einen geringeren Durchmesser als der erste Partikelfilter aufweisen kann. Dies bewirkt eine höhere Dichte der abgelagerten Partikelmasse auf der Oberfläche des zweiten Partikelfilters, wodurch der gewünschte schnelle Anstieg des Druckabfalls über den zweiten Partikelfilter mit der abgelagerten Partikelmasse begünstigt wird. Aus demselben Grund kann der erste Partikelfilter auch eine erste Filteroberfläche und der zweite Partikelfilter eine zweite Filteroberfläche aufweisen, wobei die zweite Filteroberfläche geringer als die erste Filteroberfläche ist. Unter „Filteroberfläche“ ist hier die aktive Oberfläche des üblicherweise porösen oder faserigen Partikelfilters gemeint, die deutlich größer als die äußeren geometrischen Abmessungen des Partikelfilters sind.Preferably, the second particulate filter is disposed immediately downstream of the first particulate filter. For example, the first and the second particulate filter can be accommodated within a housing. For this purpose, a substantially cylindrical housing may be provided, which is connected by supply and discharge lines of smaller diameter. In this case, the second particle filter may also advantageously be arranged at the inlet or within the outlet, wherein it may have a smaller diameter than the first particle filter. This results in a higher density of deposited particulate mass on the surface of the second particulate filter, thereby favoring the desired rapid increase in pressure drop across the second particulate particulate matter particulate filter. For the same reason, the first particulate filter may also have a first filter surface and the second particulate filter may have a second filter surface, the second filter surface being smaller than the first filter surface. By "filter surface" is meant here the active surface of the usually porous or fibrous particulate filter, which are significantly larger than the outer geometric dimensions of the particulate filter.
Der zweite Partikelfilter ist vorzugsweise in räumlicher Nähe zu dem ersten Partikelfilter angeordnet, so dass während der Durchführung eines Regenerationszyklus des ersten Partikelfilters in dem zweiten Partikelfilter abgelagerte Partikel oxidiert werden. Die räumliche Nähe begünstigt einen hohen Hitzeeintrag auf den zweiten Partikelfilter, wenn die Regeneration des ersten Partikelfilters passiv, also als Nebeneffekt von hohen Abgastemperaturen aufgrund einer momentan hohen Leistung der Brennkraftmaschine, oder aktiv, also gezielt beispielsweise durch Nacheinspritzung von Kraftstoff, vorgenommen wird. Dazu muss gewährleistet sein, dass der zweite Partikelfilter so nahe an dem ersten Partikelfilter angeordnet ist, dass die Abgastemperatur des den zweiten Partikelfilter durchströmenden Abgases immer noch ausreichend hoch ist, um eine Regeneration des zweiten Partikelfilters zu bewirken.The second particulate filter is preferably arranged in spatial proximity to the first particulate filter, so that particles deposited during the execution of a regeneration cycle of the first particulate filter in the second particulate filter are oxidized. The spatial proximity favors a high heat input to the second particulate filter when the regeneration of the first particulate filter is passive, ie as a side effect of high exhaust gas temperatures due to a momentarily high power of the engine, or active, so targeted, for example, by post injection of fuel. For this purpose, it must be ensured that the second particulate filter is arranged so close to the first particulate filter, that the exhaust gas temperature of the exhaust gas flowing through the second particulate filter is still high enough to cause a regeneration of the second particulate filter.
Der erste Partikelfilter kann eine erste Länge und der zweite Partikelfilter eine zweite Länge aufweisen, wobei die zweite Länge geringer als die erste Länge ist. Die geringere Länge des zweiten Partikelfilters führt zu kurzen Abgaswegen durch den zweiten Partikelfilter, was den Druckabfall über den zweiten Partikelfilter für einen Partikelfilter ohne abgelagerte Partikel minimiert.The first particulate filter may have a first length and the second particulate filter may have a second length, the second length being less than the first length. The shorter length of the second particulate filter results in short exhaust paths through the second particulate filter, which minimizes the pressure drop across the second particulate filter for a particulate filter without deposited particulates.
Der zweite Partikelfilter weist vorzugsweise keinen Kanal auf. Generell sollte die Anzahl von Kanälen in dem zweiten Partikelfilter so gering wie möglich sein, um einen möglichst geringen Druckabfall über den zweiten Partikelfilter im unbeladenen Zustand zu erreichen. Insbesondere kann der erste Partikelfilter eine erste Anzahl Kanäle und der zweite Partikelfilter eine zweite Anzahl Kanäle aufweisen, wobei die zweite Anzahl geringer als die erste Anzahl ist.The second particle filter preferably has no channel. In general, the number of channels in the second particle filter should be as low as possible in order to achieve the lowest possible pressure drop across the second particle filter in the unloaded state. In particular, the first particulate filter may have a first number of channels and the second particulate filter may have a second number of channels, the second number being less than the first number.
Der zweite Partikelfilter besteht bevorzugt aus einer porösen Scheibe besteht, beispielsweise aus einem porösen Keramikmaterial, einem Keramikschaum, einem Sintermetall, einem Metallschaum oder aus komprimierten Metallfasern. Die genannten Materialien eignen sich besonders für den Aufbau eines Partikelfilters mit den obengenannten Verhalten im beladenen und unbeladenen Zustand.The second particle filter preferably consists of a porous disk, for example of a porous ceramic material, a ceramic foam, a sintered metal, a metal foam or compressed metal fibers. The materials mentioned are particularly suitable for the construction of a particulate filter with the above-mentioned behavior in the loaded and unloaded state.
Die Partikelfilteranordnung kann mit einem stromaufwärts des ersten Partikelfilters angeordneten ersten Drucksensor und einem stromabwärts des zweiten Partikelfilters angeordneten zweiten Drucksensor ausgestattet sein, wobei der erste und der zweite Drucksensor mit einer Messeinheit verbunden sind, welche ausgebildet ist, eine Druckdifferenz über den ersten und den zweiten Partikelfilter zu bestimmen. Es ist nicht notwendig, zwischen den beiden Partikelfiltern einen weiteren Drucksensor anzuordnen.The particulate filter assembly may be equipped with a first pressure sensor disposed upstream of the first particulate filter and a second pressure sensor disposed downstream of the second particulate filter, wherein the first and second pressure sensors are connected to a measuring unit configured to provide a pressure differential across the first and second particulate filters to determine. It is not necessary to arrange a further pressure sensor between the two particle filters.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einer in einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordneten erfindungsgemäßen Partikelfilteranordnung.A second aspect of the invention relates to a motor vehicle having an internal combustion engine and a particle filter arrangement according to the invention arranged in an exhaust gas stream of the internal combustion engine.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to illustrations of exemplary embodiments. Show it:
Der zweite Partikelfilter
Für die nachfolgend anhand der
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples. Variations thereof may be derived by those skilled in the art without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Partikelfilteranordnung particulate filter assembly
- 22
- erster Partikelfilter first particle filter
- 33
- zweiter Partikelfilter second particle filter
- 44
- Abgasstrom exhaust gas flow
- 55
- erster Drucksensor first pressure sensor
- 66
- zweiter Drucksensor second pressure sensor
- 77
- Messeinheit measuring unit
- 88th
- Zuleitung supply
- 99
- Ableitung derivation
- 1010
- Gehäuse casing
Claims (10)
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