DE10221174B4

DE10221174B4 - Abgasanlage für Dieselmotoren, die einen Partikelfilter aufweist

Info

Publication number: DE10221174B4
Application number: DE2002121174
Authority: DE
Inventors: Gert Dr. Gaiser; Peter Dr. Zacke
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: FR2839532A1; DE10221174A1

Abstract

Abgasanlage für Dieselmotoren, die einen Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktor (30) aufweist, der vereinigt einen Partikelfilter (8) und einen Gegenstrom-Wärmetauscher (2) für Wärmetausch zwischen von dem Partikelfilter (8) abströmendem Abgas (6) und zu dem Partikelfilter (8) zuströmendem Abgas (4) enthält,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktor (30) eine erste Trennwand (32b) aufweist, die als Partikelfilter ausgebildet ist und einen Abgas-Zuströmbereich von einem Abgas-Abströmbereich trennt;
und dass ein Bereich der ersten Trennwand (32b), wenn er mit Partikeln beladen ist, eine Wärmetausch-Trennwand bildet.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Abgasanlagen für Dieselmotoren, die einen Partikelfilter aufweisen, insbesondere einen thermisch regenerierbaren Partikelfilter.

Es ist am erstrebenswertesten, dass sich der Partikelfilter der Abgasanlage laufend regeneriert, im Wesentlichen durch Oxidation der ausgefilterten Partikel (die hauptsächlich aus Ruß und angelagerten unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Schwefelverbindungen bestehen). Bei einem Teil der Lastzustände des Dieselmotors ist das laufende Verbrennen der ausgefilterten Partikel relativ unproblematisch, insbesondere weil die Abgastemperatur vergleichsweise hoch ist (typisches Beispiel: Der Dieselmotor läuft mit hoher Drehzahl). Es gibt jedoch Lastzustände, in denen die Abgastemperatur relativ niedrig ist (typisches Beispiel: Der Dieselmotor läuft mit niedriger Drehzahl und unter hoher Lastanforderung), so dass nur ungenügendes Abbrennen der ausgefilterten Partikel stattfindet. Bisher hat man sich bemüht, diese Lastzustände dadurch in den Griff zu bekommen, dass ein Aufheizen des Abgases über das ansonsten in der Abgasanlage herrschende Temperaturniveau hinaus vorgenommen worden ist. Typische Beispiele hierfür sind das Einbringen von zusätzlichem Kraftstoff in die Abgasanlage (durch dessen Verbrennung eine Wärmezufuhr zu dem Abgas erfolgt) oder auch eine Zuordnung eines Brenners (in dem zusätzlicher Kraftstoff mit zusätzlich zugeführter Luft verbrannt wird) zu dem Partikelfilter. Auch eine katalytische Beschichtung des Partikelfilters ist bekannt, wodurch man die für ein thermisches Regenerieren des Partikelfilters erforderliche Temperatur verringern kann. Das Einbringen zusätzlicher Wärmeenergie in das Abgas verschlechtert die Gesamt-Energiebilanz des Dieselmotors erheblich. Mit katalytischer Beschichtung des Partikelfilters kann man nicht vermeiden, dass es immer noch Lastzustände des Dieselmotors gibt, bei denen die thermische Regeneration des Partikelfilters deutlich ungenügend ist.

Erster Gegenstand der Erfindung ist entsprechend dem Patentanspruch 1 eine Abgasanlage für Dieselmotoren, die einen Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktor aufweist, der vereinigt einen Partikelfilter und einen Gegenstrom-Wärmetauscher für Wärmetausch zwischen von dem Partikelfilter abströmendem Abgas und zu dem Partikelfilter zuströmendem Abgas enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktor eine erste Trennwand aufweist, die als Partikelfilter ausgebildet ist und einen Abgas-Zuströmbereich von einem Abgas-Abströmbereich trennt; und dass ein Bereich der ersten Trennwand, wenn er mit Partikeln beladen ist, eine Wärmetausch-Trennwand bildet.

Eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus DE 44 05 045 A1 bekannt.

Bei der Erfindung hat die erste Trennwand zwar zum einen die Funktion, als durchströmbarer Partikelfilter zu wirken. Zum anderen wird aber genutzt, dass eine beladene Partikelfilter-Trennwand mit gutem Erfolg als Wärmetausch-Trennwand arbeitet. Man hat also das Ergebnis, dass die Flächenanteile der Trennwand, die als Partikelfilter einerseits und die als Wärmetausch-Trennwand andererseits arbeiten, je nach der Menge der ausgefilterten und der oxidierten Partikel unterschiedlich groß sind. Der Begriff "Reaktor" stammt daher, dass insbesondere der Partikelfilter-Bereich auch der Ort der chemischen Reaktion zum Umwandeln der ausgefilterten Partikel ist.

Zweiter Gegenstand der Erfindung ist entsprechend dem Patentanspruch 2 eine Abgasanlage für Dieselmotoren, die einen Partikelfilter und einen dem Partikelfilter zugeordneten Wärmetauscher für Wärmetausch zwischen von dem Partikelfilter abströmendem Abgas zu dem Partikelfilter zuströmendem Abgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktivierbarer und deaktivierbarer Bypass vorgesehen ist, der hinter dem Partikelfilter beginnt und den Wärmetauscher umgeht.

Eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 2 ist aus DE 101 37 050 A1 , Ausführungsbeispiel gemäß 7, bekannt. Dort ist ein aktivierbarer und deaktivierbarer Bypass vorgesehen, der allerdings vor dem Wärmetauscher beginnt und vor dem Partikelfilter endet und deshalb die Strö mungsseite des Wärmetauschers für das von dem Dieselmotor kommende, heisse Abgas vor dem Partikelfilter umgeht.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Bypass ist dann von besonderem Vorteil, wenn durch das Regenerieren des Partikelfilters und/oder durch andere katalytische Konverter dem hindurch strömendem Abgas so viel Wärme zugeführt wird, dass eine Übertragung eines Teils dieser Wärme auf das zuströmende Abgas die Gefahr einer Überhitzung des Partikelfilters und/oder anderer katalytischer Abgaskonverter mit sich bringt. Zum Aktivieren und Deaktivieren des Bypass hat man insbesondere eine Abgasklappe oder ein anderes Schaltelement für die Abgasströmung.

Bei beiden erfindungsgemäßen Lösungen regeneriert sich der Partikelfilter fortlaufend, wobei jedoch die Menge zusätzlich einzubringender Wärmeenergie, wenn überhaupt erforderlich, vergleichsweise gering ist. Durch den gegebenen Wärmetausch strömt – mindestens bei vielen Betriebsphasen des Dieselmotors – das Abgas mit höherer Temperatur dem Partikelfilter zu als es ohne den Wärmetausch der Fall wäre. Wenn man, was bevorzugt ist, zusätzlich eine Einrichtung vorsieht, mit der sich durch anderen Wärmeeintrag die Abgastemperatur an dem Partikelfilter erhöhen lässt, ist das erforderliche Ausmaß des Wärmeeintrags deutlich geringer als ohne den Wärmetauscher.

Die genannte erste Trennwand kann sich durch den Partikelfilterbereich und den gesamten Wärmetauschbereich des Partikelfilters-Wärmetausch-Reaktors erstrecken, so dass es überhaupt keine Trennwand im Wärmetauschbereich gibt, die nicht im weitgehend unbeladenen Zustand auch Partikelfilter-Trennwand wäre. Diese Ausführung verwirklicht das Prinzip, dass in einer Betriebsphase mit wenig Partikelanfall und mit von Haus aus guter Oxidation von ausgefilterten Partikeln normalerweise wenig oder gar kein Wärmetausch benötigt wird.

Es ist aber auch möglich, dass der Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktor eine strömungsundurchlässige, dem Wärmetausch dienende, zweite Trennwand aufweist. Besonders bevorzugt geht diese zweite Trennwand in die erste Trennwand über, so dass dennoch der zuvor geschilderte Mechanismus der Vergrößerung und Verkleinerung der Wärme tauschenden Fläche in Abhängigkeit von der Partikelbeladung ablaufen kann.

Vorzugsweise sind mehrere erste Trennwände, jeweils mit Strömungsraum dazwischen, und ggf. mehrere zweite Trennwände, jeweils mit Strömungsraum dazwischen, vorgesehen. Dabei ist die Ausführung vorzugsweise so, dass das zuströmende Abgas auf mehrere parallel durchströmte Strömungswege aufgeteilt wird und das abströmende Abgas, kommend aus mehreren parallel durchströmten Abgaswegen zusammengeführt und weitergeleitet wird. Eine technisch besonders einfache Möglichkeit, die vorstehend geschilderten Strömungsmuster zu erreichen, ist das Vorsehen eines mäanderförmig konfigurierten Einbauteils, welches mehrere Trennwände bildet. Es wird jedoch betont, dass die Erfindung keineswegs auf ebene Wärmetausch-Trennwände oder Partikelfilter-Trennwände beschränkt ist. Die Strömungswege können z.B. auch spiralförmig verlaufen, und es können z.B. Strömungswege mit Kreisringquerschnitt vorgesehen sein.

Vorzugsweise ist der Partikelfilter katalytisch beschichtet. Dies senkt die Temperatur, ab welcher eine thermische Regeneration des Partikelfilters möglich ist. Je niedriger diese Regenerations-Starttemperatur ist, bei desto mehr Betriebsphasen hat man Wärmetausch von dem abströmenden Abgas zu dem zuströmenden Abgas. Die katalytische Beschichtung kann auch so sein, dass sie die Oxidation von oxidationsfähigen Abgasbestandteilen, insbesondere CO und Kohlenwasserstoffe, fördert.

Vorzugsweise ist vor dem Partikelfilter ein katalytischer Konverter, besonders bevorzugt ein Oxidationskonverter, vorgesehen. Mittels des Oxidationskonverters lassen sich insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe, CO und NO oxidieren. Das durch Oxidation von NO entstehende NO_x kann im folgenden Partikelfilter zur Oxidation von Partikeln hilfreich sein (sog. CRT-Effekt, continuous regeneration trap). Den vorgeschalteten Konverter kann man vor dem Wärmetauscher, in dem Wärmetauscher oder zwischen dem Wärmetauscher und dem Partikelfilter positionieren, besonders bevorzugt im Wärmetauschbereich des Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktors.

Vorzugsweise ist nach dem Partikelfilter ein katalytischer Konverter, besonders bevorzugt ein Oxidationskonverter oder ein NO_x-Speicherkonverter, vorgesehen. Der Oxidationskonverter kann insbesondere der Oxidation von CO aus der Regeneration des Partikelfilters dienen. Für einen NO_x-peicherkonverter, der in dem hindurch strömenden Abgas vorhandenes NO_x für eine gewisse Zeit zwischenspeichern und dann bei kurzzeitigem Kohlenwasserstoff-Überschuss reduzieren und abgeben kann, wird normalerweise ein relativ enges Temperaturfenster benötigt, und dieses lässt sich bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage vergleichsweise leicht auffinden und zuordnen.

Der nachgeschaltete Konverter kann zwischen dem Partikelfilter und dem Wärmetauscher, oder in dem Wärmetauscher oder hinter dem Wärmetauscher positioniert sein, wobei es besonders bevorzugt ist, den nachgeschalteten Konverter in dem Wärmetauschbereich des Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktors zu positionieren. Die Positionierung nach dem Wärmetauscher ist unter energetischen Gesichtspunkten weniger günstig, weil dortige Temperaturerhöhung des Abgases durch Oxidation für die Energiebilanz der Kombination aus Partikelfilter und Wärmetausch verloren ist.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage eine Einrichtung vorgesehen, mit der sich eine Temperaturerhöhung des Abgases, anders als durch Wärmetausch zwischen abströmendem Abgas und zuströmendem Abgas, bewirken lässt. Hierfür kommen vorzugsweise alle diejenigen Möglichkeiten in Betracht, die für sich gesehen, also ohne die erfindungsgemäße Ausbildung der Abgasanlage, Stand der Technik sind: Insbesondere Eindosieren von Kraftstoff in das Abgas, Brenner zum Verbrennen von Kraftstoff, elektrisches Heizelement.

Die Temperaturerhöhungseinrichtung kann vor dem Wärmetauscher, in dem Wärmetauscher oder zwischen dem Wärmetauscher und dem Partikelfilter arbeiten. In vielen Fällen wird der Bereich zwischen dem Wärmetauscher und dem Partikelfilter (bis hin zur Auswirkung in dem Partikelfilter selbst), ganz besonders günstig sich auswirkend als Temperaturerhöhung in einem dem Partikelfilter vorgeschalteten Konverter, günstig sein, weil auf diese Weise die zusätzlich eingetragene Wärmeenergie am perfektesten in der Kombination von Wärmetauscher und Partikelfilter verbleibt.

Vorzugsweise besteht der Partikelfilter, insbesondere die erste Trennwand, aus Sintermetall. Sinterkeramik, Faservlies und gesintertes Faservlies sind gut brauchbare Alternativen. Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Erfindung der Partikelfilter nicht unbedingt in insgesamt durchströmbarer Weise ausgebildet sein muss. Man kann sog. wall flow Filter vorsehen, bei denen das Filtermaterial aus dem entlang strömenden Abgas Partikel aufnimmt.

Wenn man eine als Partikelfilter arbeitende, erste Trennwand und eine als Wärmetauscher arbeitende zweite Trennwand hat, kann man insbesondere damit arbeiten, dass ein strömungsundurchlässiges Blech z.B. durch Verschweißung mit einem durchströmbaren Flachmaterial längs eines Randes vereinigt wird. Man kann aber auch mit einem im Ausgangszustand überall porösen Flachmaterial arbeiten, welches auf einem Teil seiner Breite Poren schließend behandelt wird und danach ein perfektes Ausgangsmaterial zur Schaffung der ersten Trennwand und der zweiten Trennwand abgibt.

Bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage findet eine Art Wärmerückgewinnung statt. Wärme, die in der Kombination aus Partikelfilter und Wärmetauscher insbesondere durch Oxidation von Abgasbestandteilen produziert wird oder durch eine zusätzliche Temperaturerhöhungseinrichtung eingebracht wird, kann in hohem Ausmaß in dieser Kombination verbleiben und bei Betriebszuständen mit für die Regeneration ungenügendem Temperaturniveau des Abgases hilfreich eingesetzt werden, um den Partikelfilter zu regenerieren. Es wird betont, dass die genannte Kombination aus Wärmetauscher und Partikelfilter vorzugsweise eine enge körperliche Integration ist, insbesondere in Form einer Anordnung in einem gemeinsamen Gehäuse, noch stärker bevorzugt mit mindestens einer Trennwand, die zum Teil Wärmetausch-Trennwand und zum Teil Partikelfilter-Trennwand ist. Die genannte Kombination kann aber auch körperlich unintegriert sein, insbesondere in der Form eines Wärmetauschers mit eigenem Gehäuse und daran angeschlossen einem Partikelfilter (möglicherweise mit vorgeschaltetem Konverter und/oder nachgeschaltetem Konverter) in einem eigenen Gehäuse.

Insbesondere wenn man mit einer Trennwand (oder mehreren Trennwänden) arbeitet, die keinen strömungsundurchlässigen Bereich oder einen relativ kleinen strömungsundurchlässigen Bereich aufweist, erreicht man mit der erfindungsgemäßen Abgasanlage einen ganz neuartigen Selbstregelungseffekt. Wenn die so ausgebildete Abgasanlage in einem Betriebszustand mit hoher Abgastemperatur betrieben wird, werden ausgefilterte Abgaspartikel rasch durch fortlaufende Regeneration wieder beseitigt. Es kommt zu keiner Partikelbeladung großer Be ladungsdicke. Der ganze von Haus aus strömungsdurchlässige Teil der Trennwand bleibt strömungsdurchlässig. Wenn hingegen die Abgasanlage in einem für die Regeneration kritischen Betriebszustand betrieben wird, wird sich auf der von Haus aus strömungsdurchlässigen Trennwand (bzw. dem von Haus aus strömungsdurchlässigen Bereich der Trennwand) eine Partikelbeladung ausbilden, und zwar bevorzugt in demjenigen Bereich, der dem Zuströmende des Wärmetauschers am nächsten liegt, weil dort der Strömungswiderstand für das Hinüberströmen zu der Abströmseite des Wärmetauschers am geringsten ist. Die Partikelbeladung wird dort zu einer immer stärkeren Behinderung dieses Hinüberströmens führen. Im Ergebnis wird sich die Grenze zwischen weitgehend strömungsundurchlässigem Bereich und durchströmbarem Bereich immer weiter von der Eingangsseite des Wärmetauschers weg in Richtung zu dem von Haus aus als Filterbereich vorgesehenen Bereich verlagern. Durch diese Verlagerung nimmt jedoch die Größe der Wärme tauschenden Fläche zu! Der Wärmetausch intensiviert sich, und dies verbessert die Bedingungen für die Regeneration des als Partikelfilter dienenden Bereichs.

Die erfindungsgemäße Verbesserung der Bedingungen für die Regeneration des Partikelfilters führt auch dazu, dass die – über die Zeit gemittelte – Partikelbelagdicke in dem Partikelfilter geringer ist als ohne die erfindungsgemäße Ausbildung. Somit hat man im Mittel geringeren Druckverlust für das Abgas bei der Durchströmung des Partikelfilters erreicht. Dies senkt den Kraftstoffverbrauch des Dieselmotors.

Bei der Erfindung ist der Dieselmotor vorzugsweise der Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs. Es kann sich aber auch um einen Dieselmotor in anderen Einsatzfeldern handeln, z.B. für ein Stromerzeugungsaggregat, für eine Pumpe usw.

Die Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand schematisiert zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert:
Die 1 bis 9 zeigen jeweils eine Kombination eines Partikelfilters und eines Wärmetauschers, wobei die Integration nicht so eng ist, dass eine Wärmetausch-Trennwand in eine Partikelfilter-Trennwand übergeht;
Die 10 bis 15 zeigen jeweils einen Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktor.
Der in 1 gezeichnete Teil einer Abgasanlage für Dieselmotoren fällt weder unter den Patentanspruch 1 noch unter den Patentanspruch 2. Die 1 dient dazu, den Grundaufbau der Abgasanlage zu erläutern.
Der in 1 gezeichnete Teil einer Abgasanlage für Dieselmotoren weist einen Wärmetauscher 2, dem Abgas gemäß Pfeil 4 zuströmt und von dem Abgas gemäß Pfeil 6 abströmt, und einen Partikelfilter 8 auf. Der Partikelfilter 8 ist in physischer Nähe zu dem Wärmetauscher 2 angeordnet. Es kann ein gemeinsames Gehäuse vorgesehen sein, muss aber nicht. Es gibt einen Strömungsweg 10 vom Ende der "kälteren Seite" 2a des Wärmetauschers 2 zu dem Partikelfilter und einen Strömungsweg 12 von dem Partikelfilter 8 zu der "wärmeren Seite" 2b des Wärmetauschers 2. Der Wärmetauscher 2 ist ein Gegenstrom-Wärmetauscher.
Der Partikelfilter 8 ist bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ein katalytisch beschichteter Partikelfilter. Wärmeenergie, die bei der fortlaufenden Regeneration des Partikelfilters 8 durch Oxidieren von ausgefilterten Partikeln frei wird, führt zu einer Temperaturerhöhung des Abgasstroms durch den Partikelfilter 8. Diese Wärmemenge kann zu einem sehr großen Teil in dem Wärmetauscher 2 zurückgewonnen werden, so dass das Abgas mit höherer Temperatur dem Partikelfilter 8 zuströmt als wenn kein Wärmetauscher vorhanden wäre.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ist der Partikelfilter 8 als katalytisch beschichteter Partikelfilter dargestellt, ebenso bei den meisten weiteren Ausführungsbeispielen. Es wird darauf hingewiesen, dass der Partikelfilter 8 in allen Fällen alternativ mit oder ohne katalytische Beschichtung sein kann.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich vorm Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch einen Bypass 14, der mittels einer Abgasklappe 16 wahlweise aktiviert oder deaktiviert werden kann. Der Bypass 14 umgeht die wärmere Seite 2b des Wärmetauschers. Der Bypass 14 wird aktiviert, wenn das dem Partikelfilter 8 zuströmende Abgas so heiß ist, dass man keine zusätzliche Aufheizung in dem Wärmetauscher 2 haben möchte.
Es wird betont, dass der in 2 eingezeichnete Bypass 14, der in analoger Form auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß 3 bis 9 eingezeichnet ist, nicht zwingend vorhanden sein muss. Er kann bei allen Ausführungsformen fehlen.
Die Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass zwischen dem Wärmetauscher 2 und dem Partikelfilter 8 ein katalytischer Oxidationskonverter 18 positioniert ist. Der Oxidationskonverter 18 hat die Funktion, unverbrannte Abgasbestandteile, insbesondere Kohlenwasserstoffe und CO, zu oxidieren. Dies bringt eine Temperaturerhöhung des Abgases mit sich. Ganz besonders im Fall des Vorhandenseins eines Oxidationskonverters vor dem Partikelfilter 8 kann der Partikelfilter 8 ohne katalytische Beschichtung ausgeführt werden.
Die Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 3 dadurch, dass in den Abgasstrom vor dem Oxidationskonverter 18 Kohlenwasserstoffe bzw. Kraftstoff eindosiert werden kann, siehe Pfeil 20. Die eindosierten Kohlenwasserstoffe verbrennen mit dem im Abgas vorhandenen Restsauerstoff und führen zu einer Temperaturerhöhung des Abgases, wobei die entsprechende zusätzliche Wärmemenge in dem Wärmetauscher 2 weitgehend zurückgewonnen wird. Das Eindosieren der Kohlenwasserstoffe erfolgt vorzugsweise nur in denjenigen Betriebsphasen, in denen ansonsten keine ausreichende Regeneration des Partikelfilters 8 ablaufen würde. Die Verbrennung der eindosierten Kohlenwasserstoffe erfolgt besonders gut mit dem Oxidationskonverter 18, ist aber nicht zwingend auf den Oxidationskonverter 18 angewiesen.
Die Ausführungsform gemäß 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 4 dadurch, dass statt eines nicht katalytisch beschichteten Partikelfilters 8 und eines vorgeschalteten Oxidationskonverters 20 ein katalytisch beschichteter Partikelfilter 8 vorgesehen ist. Die katalytische Beschichtung führt gleichsam dazu, dass der Partikelfilter 8 sowohl die Oxidation oxidierbarer Abgasbestandteile als auch das Oxidieren ausgefilterter Partikel leisten kann.
Die Ausführungsform gemäß 6 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 5 dadurch, dass statt der Eindosierung von Kohlenwasserstoffen ein elektrisches Heizelement vorgesehen ist. Die Ausführungsform gemäß 7 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 5 dadurch, dass statt des Eindosierens von Kohlenwasserstoffen ein Brenner 24 vorgesehen ist, der Kohlenwasserstoffe bzw. Kraftstoff verbrennt, wobei in der Regel im Brenner zusätzlich Luft zugeführt wird. Die Funktion dieser Temperaturerhöhungseinrichtungen ist gleich wie an Hand der 4 und 5 beschrieben.
Die Ausführungsform gemäß 8 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 3 dadurch, dass zusätzlich ein dem Partikelfilter 8 nachgeschalteter, katalytisch beschichteter Oxidationskonverter 26 vorgesehen ist. Der Oxidationskonverter 26 dient in erster Linie der Oxidation von noch vorhandenem CO. Alternativ könnte dort ein NO_x-Speicherkatalysator vorgesehen sein.
Die Ausführungsform gemäß 9 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 8 dadurch, dass der vorgeschaltete Oxidationskonverter 18, der Partikelfilter 8 und der nachgeschaltete Oxidationskonverter 26 integriert in einem gemeinsamen Gehäuse vorgesehen sind. Es versteht sich, dass dies auch analog bei der Ausführungsform gemäß 4 möglich ist.
Temperaturerhöhungseinrichtungen 20, 22, 24 sind zwar nur bei den Ausführungsformen gemäß 4, 5, 6, 7 eingezeichnet, sie können aber auch bei allen anderen Ausführungsformen vorhanden sein. Ferner wird betont, dass die Temperaturerhöhungseinrichtung nicht unbedingt hinter dem Ausgang der kälteren Seite 2a des Wärmetauschers 2 arbeiten muss, sondern alternativ auch in der kälteren Seite 2a des Wärmetauschers 2 oder auch am Eintritt in die kältere Seite 2a des Wärmetauschers arbeiten kann.
Die Ausführungsformen gemäß 10 bis 15 unterscheiden sich von dem Ausführungsformen gemäß 1 bis 10 dadurch, dass der Partikelfilter 8 und der Wärmetauscher 2 zu einem Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktor 30 vereinigt sind. Eine schematisiert eingezeichnete Trennwand 32 wirkt in einem (in 10 unteren) Wärmetauschbereich des Reaktors 30 als Wärmetausch-Trennwand 32a und in einem (in 10 oberen) Partikelfilterbereich als Partikelfilter-Trennwand 32b.
Das von dem Dieselmotor kommende Abgas strömt gemäß Pfeil 4 der kälteren Seite des Wärmetauscherbereichs zu und verlässt den Reaktor 30 gemäß Pfeil 6 an der wärmeren Seite 2b des Wärmetauscherbereichs. Es handelt sich wiederum um einen Gegenstrom-Wärmetauscher.
Für ein möglichst einfaches Verständnis wird zunächst angenommen, dass die Wärmetausch-Trennwand 32a eine Länge L1 (in Strömungsrichtung gemessen) hat und dass die Partikelfilter-Trennwand 32b eine Länge L3 (gemessen in Verlängerung der Länge L1) hat. Auf die Länge L1 findet Wärmetausch zwischen abströmendem Abgas (rechts in 10) und zuströmendem Abgas (links in 10) statt. Auf die Länge L3 oder vorwiegend einen Teil davon findet Quer-Hinüberströmen durch die Partikelfilter-Trennwand 32b statt, wie mit den abbiegenden Pfeilen 34 symbolisiert. Wenn auf der wärmeren Seite 2b des Wärmetauschbereichs höhere Temperatur als auf der kälteren Seite 2a des Wärmetauschbereichs 2 herrscht, kann die Wärmemengendifferenz praktisch vollständig für den Reaktor 30 nutzbar gemacht werden. In 11 ist veranschaulicht, dass es bei für die fortlaufende Regeneration des Partikelfilterbereichs 8 ungünstigen Betriebszuständen dazu kommen kann, dass ein in 1 unterer Teilbereich der von Haus aus an sich durchströmbaren Partikelfilter-Trennwand 32b durch Beladung mit ausgefilterten Partikeln weniger strömungsdurchlässig bis hin zu überhaupt nicht mehr strömungsdurchlässig werden kann. Dieser Zustand wird sich am ehesten in demjenigen Teil der Partikelfilter-Trennwand 32b einstellen, der der Wärmetausch-Trennwand 32a benachbart ist, weil das Abgas wegen des kürzeren Strömungswegs in erster Linie hier quer strömen wird. Die zusätzliche Länge L2 der Trennwand, die jetzt gleichsam nicht mehr Partikelfilter-Trennwand sondern Teil der Wärmetausch-Trennwand 32a geworden ist, vergrößert die Fläche der Wärmetausch-Trennwand 32a und intensiviert somit den Wärmetausch. Die Regeneration der Partikelfilter-Trennwand 32b wird gefördert. Es stellt sich ein Gleichgewicht in der Länge L2 ein.
Es wird betont, dass die an Hand der 11 beschriebene Ausführung so weit getrieben werden kann, dass die Trennwand 32 von Haus aus, also ohne jede Partikelbeladung, überhaupt keinen Wärmetausch-Trennwandbereich 32a besitzt. In diesem Zustand kann der Partikel enthaltende Abgasstrom insgesamt auf der gesamten Länge L1 + L3 zur Abströmseite hinüber strömen. Wenn in diesem Zustand ausreichende fortlaufende Regeneration stattfindet, braucht man auch keinen Wärmetausch. Erst in Betriebsphasen ohne ausreichende Regeneration wird sich beginnend im unteren Endbereich von L1 eine Partikelbeladung der Trennwand 32 aufbauen, so dass man dann funktionell durch Partikelbeladung einen nicht mehr quer durchströmten Wärmetausch-Trennwandbereich 32a hat.
Es wird betont, dass die bei den Ausführungsformen gemäß 10 und 11, weiter unten auch bei den Ausführungsformen gemäß 14 und 15, eingezeichnete einzige Trennwand 32 zwar funktioniert, dass es aber bei der technischen Ausführung in aller Regel günstiger ist, mehrere Trennwände 32 zu haben. 12 zeigt eine mögliche konkrete Ausführungsform. Eine Trennwand 32 ist mäanderförmig konfiguriert, wobei großflächige Wandabschnitte 36 eben sind und parallel zueinander liegen und wesentlich kleinere Wandbereich 38 die Wandbereiche 36 miteinander verbinden. Mit Pfeilen 40 ist angedeutet, wie Strömungsräume jeweils zwischen zwei benachbarten Trennwandbereichen 36 abwechselnd ein Strömungsraum mit Strömung von unten nach oben in 12 (z.B. mit Partikeln beladenes Abgas) und ein Strömungsraum mit Strömung von oben nach unten in 12 (z.B. Strömung nach dem Passieren des betreffenden Partikelfilter-Trennwandbereichs 32b) sind. Es versteht sich, dass die mäanderförmige Trennwandkonfiguration 32 als Einbauteil in einem Gehäuse befestigt ist, z.B. durch Verschweißen, wobei die in 12 offen gezeigten Längsränder von Strömungsräumen durch das Gehäuse geschlossen sind. Es versteht sich ferner, dass das umgebende Gehäuse oben in 12 geschlossen ist, damit wirklich Strömung durch die Trennwand 32 erzwungen wird. Unten in 12 muss das Gehäuse hingegen eine Gasverteilung für die nach oben durchströmten Strömungsräume und eine Gassammlung für die nach unten durchströmten Strömungsräume haben. Die Trennwand 32 kann, wie schon angedeutet, durch Vereinigung eines strömungsundurchlässigen Materialstreifens (unterhalb einer Trennlinie 42 in 12) und eines strömungsdurchlässigen Materialstreifens (oberhalb der Trennline 42 in 12) hergestellt sein. Alternativ kann die Herstellung zunächst aus einem durchweg strömungsdurchlässigen Materialstreifen erfolgen, der für den Wärmetausch-Trennwandbereich anschließend z.B. durch Porenschließen strömungsundurchlässig gemacht worden ist. Ferner ist es möglich, wie schon weiter vorn angedeutet, mit einem von Haus aus durchweg strömungsdurchlässigen Materialstreifen zu arbeiten.
Durch die 13a und 13b ist angedeutet, wie man die mäanderförmige Konfiguration abwandeln kann, nämlich z.B. durch dreieckförmig zick-zackartige Faltung oder durch Abrundung an den kleineren Verbindungsbereichen zwischen den ebenen Flächenbereichen 36.
Die Ausführungsform gemäß 14 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 10 oder 11 dadurch, dass in der kälteren Seite 2a des Wärmetauschbereichs 2 ein Oxidationskonverter 18 angeordnet ist, und in der wärmeren Seite 2b des Wärmetauschbereichs 2 ein weiterer katalytischer Abgaskonverter angeordnet ist, z.B. ein NO_x-Speicherkonverter.
Die Ausführungsform gemäß 15 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 10 bzw. 11 dadurch, dass eine Temperaturerhöhungseinrichtung vorgesehen ist, die mit Eindosieren von Kohlenwasserstoffen bzw. Kraftstoff arbeitet, siehe Pfeil 20. Andere Formen von Temperaturerhöhungseinrichtung, wie sie z.B. bei den Ausführungsformen gemäß 6 und 7 beschrieben worden sind, sind alternativ möglich. In 15 ist die Temperaturerhöhungseinrichtung so eingezeichnet, dass sie auf das Abgas vor dem Eintritt in den Reaktor 30 arbeitet. Alternativ möglich sind ein Arbeiten der Temperaturerhöhungseinrichtung in der kälteren Seite 2a des Wärmetauschbereichs 2 oder in etwa am Übergang zwischen dem Wärmetauschbereich 2 und dem Partikelfilterbereich 8.
Bei den Ausführungsformen gemäß 10 bis 15 ist der Partikelfilterbereich 8 teilweise als katalytisch beschichtet bezeichnet und teilweise nicht. Bei jeder der Ausführungsformen sind beide Ausführungsmöglichkeiten möglich.
Es wird betont, dass man bei jeder der Ausführungsformen gemäß 10 bis 15 alternativ auch einen gesteuerten Bypass analog Ausführungsform gemäß 2 vorsehen kann.
Vorzugsweise wird die Kombination aus Partikelfilter 8 und Wärmetauscher 2 bzw. der Reaktor 30 im Abgasstrang möglichst nah an dem Dieselmotor vorgesehen, damit das Abgas auf dem Weg vom Dieselmotor zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung wenig Wärme verliert.

Claims

Abgasanlage für Dieselmotoren, die einen Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktor (30) aufweist, der vereinigt einen Partikelfilter (8) und einen Gegenstrom-Wärmetauscher (2) für Wärmetausch zwischen von dem Partikelfilter (8) abströmendem Abgas (6) und zu dem Partikelfilter (8) zuströmendem Abgas (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktor (30) eine erste Trennwand (32b) aufweist, die als Partikelfilter ausgebildet ist und einen Abgas-Zuströmbereich von einem Abgas-Abströmbereich trennt; und dass ein Bereich der ersten Trennwand (32b), wenn er mit Partikeln beladen ist, eine Wärmetausch-Trennwand bildet.
Abgasanlage für Dieselmotoren, die einen Partikelfilter (8) und einen dem Partikelfilter (8) zugeordneten Wärmetauscher (2) für Wärmetausch zwischen von dem Partikelfilter abströmendem Abgas (6) zu dem Partikelfilter zuströmendem Abgas (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktivierbarer und deaktivierbarer Bypass (14) vorgesehen ist, der hinter dem Partikelfilter (8) beginnt und den Wärmetauscher (2) umgeht.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Trennwand (32b) durch den Partikelfilterbereich (8) und den gesamten Wärmetauschbereich (2) des Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktors (30) erstreckt.
Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktor (30) eine strömungsundurchlässige, dem Wärmetausch dienende, zweite Trennwand (32a) aufweist.
Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trennwand (32a) in die erste Trennwand (32b) übergeht.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Trennwände (32b), jeweils mit Strömungsraum dazwischen, und ggf. mehrere zweite Trennwände (32a), jeweils mit Strömungsraum dazwischen, vorgesehen sind.
Abgasanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein mäanderförmig konfiguriertes Einbauteil vorgesehen ist, welches mehrere Trennwände (32) bildet.
Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) ein Gegenstrom-Wärmetauscher ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (8) katalytisch beschichtet ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Partikelfilter (8) ein katalytischer Konverter (18), vorzugsweise ein Oxidationskonverter, vorgesehen ist.
Abgasanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeschaltete Konverter (18) in dem Wärmetauschbereich (2) des Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktors (30) positioniert ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Partikelfilter (8) ein katalytischer Konverter (26), vorzugsweise ein Oxidationskonverter oder ein NO_x-Speicherkonverter, vorgesehen ist.
Abgasanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der nachgeschaltete Konverter (26) in dem Wärmetauschbereich (2) des Partikelfilter-Wärmetausch-Reaktors (30) positioniert ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der sich eine Temperaturerhöhung des Abgases bewirken lässt.
Abgasanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhungseinrichtung derart ausgeführt ist, dass sich eine Temperaturerhöhung des Abgases vor und/oder in dem Wärmetauscher (2) bewirken lässt.
Abgasanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhungseinrichtung derart ausgeführt ist, dass sich eine Temperaturerhöhung des Abgases nach dem Wärmetauscher (2), aber vor und/oder in dem Partikelfilter (8) bewirken lässt.
Abgasanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhungseinrichtung derart ausgeführt ist, dass sich eine Temperaturerhöhung in dem vorgeschalteten Konverter (18) bewirken lässt.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhungseinrichtung mit Eindosieren von Kraftstoff in das Abgas arbeitet.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhungseinrichtung einen Brenner (24) zum Verbrennen von Kraftstoff aufweist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhungseinrichtung ein elektrisches Heizelement (22) aufweist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (8), vorzugsweise die erste Trennwand (32b), aus Sintermetall besteht.
Abgasanlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trennwand (32b) aus porenschließend behandeltem Sintermetall besteht.