DE10206805A1

DE10206805A1 - Russfilter und Verfahren zur Reinigung von Abgasen

Info

Publication number: DE10206805A1
Application number: DE10206805A
Authority: DE
Inventors: Norbert Breuer; Bernd Schumann; Stefan Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2003-08-28
Also published as: EP1490586A1; WO2003071107A1; DE50209036D1; EP1490586B1

Abstract

Rußfilter zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungsanlage, insbesondere eines Motors eines Kraftfahrzeuges, mit Mitteln zur Reduzierung eines in dem Rußfilter herrschenden Abgasgegendruckes, wobei die Mittel zur Reduzierung des Abgasgegendruckes wenigstens eine Sollbruchstelle in einem Filterkörper des Filters und/oder in einer Bypass-Leitung des Filters aufweisen.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rußfilter zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungsanlage, insbesondere eines Motors eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren zur Reinigung von Abgasen.
Bei der Verbrennung von Kraftstoffen in Verbrennungsanlagen, insbesondere Motoren wie beispielsweise Dieselmotoren, können Rußpartikel entstehen. Zur Reduzierung der Partikelemissionen im Abgas werden Filter eingesetzt, durch die das Abgas hindurchströmt, und in denen entstandene Partikel zurückgehalten werden. Durch die mit dem Betrieb zunehmende Partikelmasse im Filterkörper steigt der Abgasgegendruck im Filterkörper jedoch kontinuierlich an. Es ist daher notwendig, den Filter nach einer gewissen Zeit zu regenerieren, das heißt die abgelagerten Rußpartikel zu entfernen. Dies kann beispielsweise durch Oxidation des Rußes bewerkstelligt werden. Hierzu ist ein geeignetes Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff, sowie die Erzeugung einer erforderlichen Zündtemperatur notwendig. Nach Zündung des Rußes läuft die Verbrennung bei definierter Auslegung der Filtereinheit kontinuierlich ab. Um die Zündtemperatur zu erreichen, kann, falls das Abgas nicht die notwendige Temperatur aufweist, das Abgas oder der Filter erhitzt werden. Alternativ hierzu können dem Kraftstoff katalytisch wirksame Additive beigemengt werden, die sich mit dem Ruß verbinden und die Zündtemperatur senken. Ebenso ist es möglich, den Filter katalytisch zu beschichten oder den Sauerstoff als Oxidationsmittel durch Stickstoffdioxid oder Ozon zu ersetzen. Auch durch diese Maßnahmen ist es möglich, die Zündtemperatur zu senken.
Sämtliche genannten Möglichkeiten zielen auf die Minimierung des Risikos einer Überbeladung des Filters ab, wodurch ein für den Motor kritischer Abgasgegendruck vermieden werden soll. Dennoch kann auch bei Vorsehen der genannten Maßnahmen nicht vollständig ausgeschlossen werden, dass es zu einer Überbeladung des Filters und somit möglicherweise zu einem Absterben des Motors kommt.

Aus der US 5,560,757 ist ein Partikelfilter für einen Dieselmotor bekannt. Im normalen Betriebszustand wird hierbei sämtliches den Filter beaufschlagendes Abgas durch den Partikelfilter gefiltert. Wenn jedoch ein Abgasgegendruck in dem Filter aufgrund von Ablagerungen von Partikel zu groß wird, wird ein Ventil geöffnet, so daß das Abgas wenigstens teilweise ungefiltert den Filter passieren kann. Diese Maßnahme ist zur Vermeidung von Schäden an dem Filter vorgesehen.

Aus der US 4,987,738 ist ebenfalls ein Rußfilter für Verbrennungsmotoren bekannt. Bei Erreichen eines bestimmten Druckes wird hierbei eine Bypass-Leitung geöffnet, so daß Abgas ohne Filterung am Rußfilter vorbeiführbar ist.

Ziel der Erfindung ist es, die Auswirkungen einer Verstopfung eines Rußfilters, welche aufgrund des hieraus resultierenden Abgasgegendrucks zu einem Absterben des Motors führen kann, in möglichst einfacher und kostengünstiger Weise zu neutralisieren.

Dieses Ziel wird erreicht durch einen Rußfilter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Bereitstellung einer Sollbruchstelle in dem Filter und/oder in einer Bypass- Leitung des Filters ist es in besonders einfacher Weise möglich, bei Überschreiten eines bestimmten Abgasgegendrucks einer freien Abgaskanal zu schaffen, wodurch Beschädigungen des Rußfilters vermieden, und insbesondere ein Absterben des Motors verhindert werden kann.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rußfilters ist die Sollbruchstelle in dem Filter dadurch realisiert, daß wenigstens ein Filterkanal des Rußfilters einen Verschluß aufweist, der sich bei Erreichen eines bestimmten Abgasgegendruckes öffnet. Insbesondere kann in diesem Zustand wenigsten ein weiterer Filterkanal mit geschlossenem Verschluß verbleiben. Die Bereitstellung von Filterkanälen mit derartigen, unterschiedlich druckempfindlichen bzw. -belastbaren Verschlüssen ist in preiswerter Weise realisierbar. Ein derart ausgebildeter Rußfilter erweist sich in der Praxis als robust und zuverlässig.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rußfilters ist die Sollbruchstelle in der Bypass-Leitung als Berstplatte realisiert. Der Berstdruck einer derartigen Berstplatte kann in einfacher Weise an spezielle Anforderungen angepaßt werden.

Zweckmäßigerweise sind Drucksensoren zur Messung eines stromabwärts und/oder stromaufwärts des Filters herrschenden Druckes, insbesondere zur Messung eines Differenzdruckes über dem Filter (Abgasgegendruck) vorgesehen. Derartige Drucksensoren werden bereits bei herkömmlichen Rußfiltern zur Gewährleistung einer effektiven Steuerung verwendet. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Rußfilters ist es beispielsweise möglich, bei Erreichen eines bestimmten Druckes stromabwärts oder stromaufwärts des Filterkörpers, bzw. einer vorbestimmbaren Druckdifferenz, eine mechanische oder elektronische Beaufschlagung der Sollbruchstelle vorzusehen, um diese bei Feststellung der genannten Druck- bzw. Druckdifferenzwerte zum Brechen bzw. Bersten zu bringen. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, relativ stabile Verschlüsse bzw. Berstplatten einzusetzen, da diese nicht unmittelbar durch Einwirkung eines herrschenden Druckes, sondern durch Zwischenschaltung geeigneter mechanischer oder elektrischer Mittel zum Brechen gebracht werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Aktivierung der Mittel zur Reduzierung des Abgasgegendrucks in dem Rußfilter einem Benutzer, insbesondere einem Fahrer eines Kraftfahrzeuges, zur Verfügung gestellt wird. Durch Überwachung der Aktivierung der Mittel zur Reduzierung des Abgasgegendrucks, d. h. des Zustandes der Sollbruchstellen, ist in einfacher Weise eine Onboard-Diagnose bezüglich der Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Rußfilters zur Verfügung gestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders dann in einfacher Weise zu realisieren, wenn als Mittel zur Reduzierung des Abgasgegendrucks Sollbruchstellen, wie sie insbesondere in den Ansprüchen 1 bis 5 beansprucht sind, verwendet werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt
Fig. 1 eine schematische, blockschaltbildartige seitliche Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rußfilters,
Fig. 2 eine vereinfachte stirnseitige Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rußfilters, und
Fig. 3 ein Schaubild zur Darstellung des Abgasgegendrucks als Funktion der Betriebsdauer eines Rußfilters.
In Fig. 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rußfilters dargestellt. Der Filter ist insgesamt mit 1 bezeichnet und weist einen Filterkörper 1a, eine Abgaszuleitung 2 und eine Abgasableitung 3 auf. Abgaszuleitung 2 und Abgasableitung 3 sind ferner mittels eines Bypass-Rohres 4 miteinander verbunden. Im Normalbetrieb des Filters ist ein Durchströmen des Bypass- Rohres 4 mit Abgas durch eine in das Bypass-Rohr 4 eingebrachte Berstplatte 10 verhindert.
Stromabwärts und stromaufwärts des Filterkörpers 1a sind in der Abgaszuleitung 2 bzw. Abgasableitung 3 Drucksensoren 6, 7 vorgesehen, deren Messwerte einer Auswerteeinrichtung 5 zur Feststellung des Abgasgegendrucks in dem Filterkörper 1a zuführbar sind. Die mittels der Einrichtung 5 erhaltenen Informationen sind einer Onboard-Diagnose-Einrichtung 8 zuführbar. Diese Einrichtung ist in der Lage, beispielsweise dem Benutzer eines Kraftfahrzeuges ein entsprechendes Signal bezüglich des Zustandes des Filters 1 zur Verfügung zu stellen.
Das mit der Berstplatte 10 ausgebildete Bypass-Rohr 4 stellt eine Einrichtung zur Notfreischaltung des Filters dar. Die Berstplatte 10 ist hierbei derart mit einer Sollbruchstelle eingerichtet bzw. dimensioniert, dass sie bei Auftreten eines bestimmten Abgasgegendruck-Grenzwertes bricht. In diesem Fall kann das Abgas am Filterkörper 1a vorbei von der Abgaszuleitung 2 in die Abgasableitung 3 strömen, wodurch sichergestellt wird, dass auch bei Verstopfung des Filters ein kritischer Abgasgegendruck und somit ein mögliches Absterben des Motors vermieden werden kann.
Da es gemäß der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform möglich ist, den Abgasgegendruck auch mittels der Einrichtung 5 zu messen, ist es denkbar, bei feststellen des Abgasgegendruck-Grenzwertes das Bersten der Berstplatte 10 mechanisch einzuleiten. Bevorzugt wird jedoch, die Berstplatte 10 derart auszubilden, daß sie bei Beaufschlagung mit dem genannten Abgasgegendruck-Grenzwert ohne Notwendigkeit zusätzlicher Maßnahmen bricht.
Es ist ebenfalls möglich, die Berstplatte 10 durch eine beispielsweise magnetisch gehaltene Klappe zu ersetzen, die bei Erreichen des Gegendruck-Grenzwertes von einer geschlossenen in einer offene Position übergeht. Eine derartige Magnetplatte kann beispielsweise derart ausgeführt sein, daß der Zustand "Magnetklappe auf" beispielsweise durch einen hervorstehenden Stift von außen detektierbar ist, so daß auch von außen der Zustand "Magnetklappe geschlossen" beispielsweise vom Werkstattpersonal durch Betätigung des Stiftes wieder eingestellt werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rußfilters ist in Fig. 2 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Sollbruchstelle direkt in den Filterkörper 1a eingearbeitet. Man erkennt in Fig. 3 zunächst dunkel gezeichnete Kanäle 20, 21 und 22. In diese Kanäle tritt Abgas aus der Abgaszuleitung 2 (siehe Fig. 1) ein. Die Seitenwände der Kanäle 20, 21, 22 sind insbesondere semipermeabel ausgebildet, so dass Abgas aus den Kanälen 20, 21, 22 in die benachbarten Kanäle 30 (weiß dargestellt) eintreten kann, wobei Rußpartikel in den Seitenwänden zwischen den Kanälen 20, 21, 22 und 30 zurückgehalten werden. Die Kanäle 30 kommunizieren mit der Abgasableitung 3 (siehe Fig. 1). Die Wände zwischen den Kanälen sind in Fig. 2 mit 20a bezeichnet.
Die Kanäle 20 sind jeweils mit stirnseitigen keramischen Verschlüssen ausgebildet, welche auch relativ hohen Drücken standhalten können. Die Kanäle 21, 22 sind ebenfalls mit keramischen Verschlüssen ausgebildet. Die Verschlüsse der Kanäle 21, 22 sind in Fig. 2 mittels fetter schwarzer Umrandung hervorgehoben. Diese Kanäle 21, 22 zeichnen sich dadurch aus, daß ihre keramischen Verschlüsse bereits bei geringeren Drücken, insbesondere dem bereits erwähnten Abgasgegendruck-Grenzwert, öffenbar bzw. zum Bersten bringbar sind. Dieses ist beispielsweise dadurch realisierbar, daß die keramischen Verschlüsse der Kanäle 21, 22 weniger Druckstabil sind als die Verschlüsse der Kanäle 20, so daß sich bei Erreichen des kritischen Abgasgegendruckes die keramischen Verschlüsse 21, 22 lösen (bzw. brechen) und die Abgaskanäle 21, 22 für ein direktes Durchströmen des Abgases freigegeben werden.
In Fig. 3 ist schließlich ein Schaubild zur Darstellung des Abgasgegendrucks als Funktion der Betriebsdauer eines Rußfilters dargestellt. Bei Erreichen eines bestimmten Abgasgegendruckes Δp₁ setzt typischerweise die übliche Regeneration des Rußfilters ein, wodurch der Abgasgegendruck verringert werden kann. Bei einer Fehlfunktion dieser Regeneration kann der Abgasgegendruck über den Wert der Δp₁ weiter ansteigen, so daß der kritische Abgasgegendruck (Abgasgegendruck-Grenzwert) Δp₂ erreicht werden kann. Um eine Überschreitung dieses Wertes zu vermeiden, geht das System in den Sicherheitsbetrieb über, in dem ein zusätzlicher Abgaskanal freigeschaltet wird, wie unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 im einzelnen beschrieben wurde.

Claims

1. Rußfilter zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungsanlage, insbesondere eines Motor eines Kraftfahrzeuges, mit Mitteln zur Reduzierung eines in dem Rußfilter herrschenden Abgasgegendruckes, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Reduzierung des Abgasgegendruckes wenigstens eine Sollbruchstelle (21, 22; 10) in einem Filterkörper (1a) des Filters und/oder in einer Bypass- Leitung (4) des Filters aufweisen.

2. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sollbruchstelle in dem Filter dadurch realisiert ist, daß wenigstens ein Filterkanal (21, 22) des Filterkörpers (1a) einen Verschluß aufweist, der sich bei Erreichen eines Abgasgegendruck-Grenzwertes Δp₂ öffnet.

3. Rußfilter nach einen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Sollbruchstelle in der Bypass-Leitung (4) als Berstplatte (10) realisiert ist.

4. Rußfilter nach einer der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Drucksensoren (6, 7) zur Messung eines stromabwärts und/oder stromaufwärts des Filterkörpers (1a) herrschenden Druckes.

5. Rußfilter nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (5) zur Messung eines herrschenden Differenzdrucks über dem Filter (Abgasgegendruckes) auf der Grundlage der Meßergebnisse der Sensoren (6, 7) und/oder eine Einrichtung (8) zur Durchführung einer Onboard- Diagnose bezüglich der Funktionsfähigkeit des Filters (1).

6. Verfahren zur Reinigung von Abgasen in Verbrennungsanlagen, insbesondere Motoren eines Kraftfahrzeuges, mit folgenden Schritten:

- Feststellung der Aktivierung von Mitteln zur Reduzierung des Abgasgegendruckes in einem Rußfilter,

- Bereitstellung einer entsprechenden Information für den Benutzer der Verbrennungsanlage, insbesondere den Fahrer eines Kraftfahrzeuges.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Aktivierung der Mittel zur Reduzierung des Abgasgegendruckes die Feststellung eines Bruches einer Sollbruchstelle in einem Rußfilter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst.