DE10324165A1

DE10324165A1 - Integration der Rückdruckleitung in einem Dieselpartikelfilter

Info

Publication number: DE10324165A1
Application number: DE2003124165
Authority: DE
Inventors: Uwe Winter
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16

Abstract

Partikelfiltersystem eines dieselmotorisch betriebenen Kraftfahrzeuges mit mindestens einem Partikelfilterelement (4), das in einem Filtergehäuse (3) untergebracht ist, welches über einen Abgaseingang (5) sowie einen Abgasausgang (6) in den Abgasstrang des Kraftfahrzeuges eingeführt ist, wobei Mittel zur Regeneration des Partikelfilterelements (4) vorgesehen sind und das Filtergehäuse (3) ein geschlossenes, das Partikelfilterelement (4) beinhaltendes Gehäuseinnenteil (10) aufweist, an welchem ein das Gehäuseinnenteil (10) zumindest teilweise schalenartig umgebenes Gehäuseaußenteil (11) derart angeordnet ist, dass zwischen dem Gehäuseinnenteil (10) und dem Gehäuseaußenteil (11) ein druckdichter Luftspalt (12) zur thermischen Isolation verbleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Partikelfiltersystem eines dieselmotorisch betriebenen Kraftfahrzeuges mit mindestens einem Partikelfilterelement, das in einem Filtergehäuse untergebracht ist, welches über einen Abgaseingang sowie einen Abgasausgang in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges eingefügt ist, wobei Mittel zur Regeneration des Partikelfilterelements vorgesehen sind.
Partikelbelastete Abgase eines Dieselmotors in einem Kraftfahrzeug werden gewöhnlich vor dem Ausstoßen in die Atmosphäre gefiltert, um die Partikel zurückzuhalten. Das hierfür verwendete Partikelfilterelement besteht aus einem porösen, mehrkammerigen abgasdurchströmten Werkstoff, an dessen zuströmseitiger Oberfläche sich die im Abgas enthaltenen Partikel absetzen und im Laufe der Zeit zu einer Rußschicht anwachsen. Da die Rußschicht die Durchflussrate des Abgases durch das Partikelfilterelement verringert, ist das Partikelfilterelement bei Erreichen einer maximalen Rußbeladung zu regenerieren, d. h. von dem sich angesammelten Ruß zu befreien. Die Regeneration erfolgt üblicherweise unter Mitwirkung chemischer Additiver und/oder einer katalytischen Beschichtung des Filters. Hierbei entzündet sich die Rußschicht ab der sogenannten Regenerationstemperatur und brennt unter Ablauf einer exothermen Reaktion ab, so dass das Partikelfilter element wieder annährend die maximale Durchflussrate zurückgewinnt. Der richtige Regenerationszeitpunkt und die notwendige Additivmenge werden gewöhnlich elektronisch in Abhängigkeit von Drücken und Temperaturen vor und nach dem Partikelfilterelement geregelt. So ist aus dem Druckunterschied vor und nach dem Partikelfilterelement dessen Beladungszustand mit Ruß ermittelbar, was gewöhnlich über eine Differenzdruckmessung erfolgt.
Aus der EP 0 158 887 A1 geht ein gattungsgemäßes Partikelfiltersystem hervor. Das in den Abgasstrang eingefügte Partikelfilterelement ist von einem geschlossenen Filtergehäuse umgeben, wobei im Bereich des Abgaseingangs sowie im Bereich des Abgasausgangs des Filtergehäuses jeweils eine Druckmessleitung abgeht, die zu einer entfernt angeordneten Druckerfassungseinrichtung zur Ermittlung des über das Partikelfilterelement abfallenden Druckes (Differenzdruck) führt. Die Druckerfassungseinrichtung dient zur Ermittlung des Druckverlustes, welcher durch das rußbeladene Partikelfilterelement entsteht. Die Druckerfassungseinrichtung ist Bestandteil einer Regenerierungssteuerung, welche aus dem ermittelten Differenzdruck durch Vergleich mit einem hinterlegten Grenzdruck die Regenerierung des Partikelfilterelements dann in Gang setzt, wenn der Grenzdruck erreicht ist.
Während der Regenerationsphase erfolgt über das Filtergehäuse eine erhebliche thermische Abstrahlung nach außen, welche durch eine entsprechend höhere Regenerationsenergiezufuhr zu kompensieren ist. Außerdem treten in Folge der thermischen Abstrahlung während der Regenerierungsphase und dem nachfolgenden Abkühlen recht hohe Temperaturdifferenzen an der Oberfläche des Filtergehäuses auf, welche eine thermische Belastung des Materials zur Folge haben. Da das Filtergehäuse über seine gesamte Lebensdauer dicht sein muss, besteht ein recht hoher Anspruch an die Schweißgüte und Schweißausführung. Insbesondere der Übergangsbereich des Abgasrohres in den Abgaseingang des Filtergehäuses stellt eine Schwachstelle dar. Daneben sind auch die vom Filtergehäuse abgehenden Druckleitungen zur Differenzdruckmessung äußeren Umwelteinflüssen ausgesetzt, so dass diese korrosionsanfällig sind und darüber hinaus auch abreißgefährdet sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Partikelfiltersystem zu schaffen, das sich zum Einen durch einen energieeffizienten Betrieb und zum Anderen durch eine geringere Wärmebelastung des Dieselpartikelfiltermaterials sowie der Umgebung auszeichnet.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Partikelfiltersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Filtergehäuse ein geschlossenes, das Partikelfilterelement beinhaltendes Gehäuseinnenteil aufweist, an welchem ein das Gehäuseinnenteil zumindest teilweise schalenartig umgebendes Gehäuseaußenteil derart angeordnet ist, dass zwischen dem Gehäuseinnenteil und dem Gehäuseaußenteil ein druckdichter Luftspalt zur thermischen Isolation verbleibt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass in Folge des schalenartigen Aufbaus des Filtergehäuses die thermische Abstrahlung – vor allem beim Regenerieren – reduziert wird. Durch die verbesserte Isolation ergibt sich außerdem ein geringerer Regenerationsenergiebedarf, da die Betriebstemperatur im Inneren des Filtergehäuses insgesamt höher bleibt. Da durch das höhere Betriebsniveau weniger Exotherme benötigt werden, um die Temperatur auf das Rußzündniveau anzuheben, kann die sonst übliche Additivmenge oder die Edelmetallbeschichtung des Partikelfilterelements reduziert werden. Weil also durch die erfindungsgemäße Lösung Oberflächentemperaturen am Filtergehäuse von < 300° C erzielbar sind, wird die Wärme im Filtergehäuse gehalten und strahlt weniger in die Umwelt ab.
Die beste Isolationswirkung ergibt sich, wenn das Gehäuseinnenteil vollständig vom im Wesentlichen koaxial hierzu positionierten Gehäuseaußenteil umgeben ist. Somit ist das Gehäuseinnenteil vollständig von dem Luftspalt umgeben. Darüber hinaus reduzieren sich bei dieser bevorzugten Konstruktionsvariante die gewöhnlich geschweißten Verbindungsstellen zwischen dem Gehäuseinnenteil und dem Gehäuseaußenteil auf ein Minimum, so dass hiermit auch die Angriffsstellen für thermische Ermüdung oder Korrosion minimiert sind.
Der isolierende Luftspalt zwischen dem Gehäuseinnenteil und dem Gehäuseaußenteil ist vorzugsweise zwischen 2 bis 5mm, besonders vorzugsweise zwischen 3 bis 4mm breit. Dieses Spaltmaß stellt den optimalen Kompromiss zwischen möglichst minimalen geometrischen Abmessungen des Filtergehäuses einerseits und einer möglichst guten Isolationswirkung andererseits dar.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass der Luftspalt zwischen dem Gehäuseinnenteil und dem Gehäuseaußenteil gleichzeitig auch als Messleitung für eine Differenzdruckmessung zur druckgesteuerten Ermittlung der Regenerationseffizienz und/oder des Regenerationszeitpunkts des Partikelfilterelements genutzt wird. Diese Integration der Isolierfunktion sowie der Messleitungsfunktion in den Luftspalt re duziert die Anzahl der erforderlichen Einzelteile des Filtergehäuses, was den Herstellungsaufwand entsprechend reduziert. Insbesondere kann die sonst übliche empfindliche, vom Filtergehäuse abgehende Druckmessleitung gänzlich entfallen.
Um den Ausgangsdruck des Filtergehäuses nach dem Partikelfilterelement mit dem Luftspalt zu verbinden, ist vorzugsweise im Bereich des Abgasausgangs in dem Gehäuseinnenteil eine entsprechende Öffnung vorgesehen. Zur Messung des im Innenraum des Filtergehäuses vor dem Partikelfilterelement anstehenden Eingangsdrucks kann eine im Bereich des Abgaseingangs nach außen führende Öffnung im Filtergehäuse eingebracht werden.
Der im Luftspalt anstehende Ausgangsdruck kann über eine neben der vorstehend beschriebenen Öffnung angeordneten weiteren, nach außen führenden Öffnung in dem Gehäuseaußenteil abgegriffen werden, so dass über beide Öffnungen ein Differenzdrucksensor anschließbar ist.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, den im Luftspalt anstehenden Ausgangsdruck über eine koaxial die Öffnung des Vordrucks umgebende und nach außen führende weitere Öffnung in dem Gehäuseaußenteil vorzusehen, welche insoweit einen ringartigen Querschnitt aufweist. Über beide koaxial zueinander angeordnete Öffnungen kann dann ein gemeinsamer Anschlussstutzen für den Differenzdrucksensor gebildet werden. Durch diesen insoweit gekoppelten Anschlussstutzen entfällt im Vergleich zur vorgenannten Ausführungsvariante die Schweißung für den ansonsten zweiten Anschlussstutzen, so dass hierdurch die Korrosionsanfälligkeit weiter minimiert ist.
Vorzugsweise ist der Differenzdrucksensor direkt am Filtergehäuse an dem gekoppelten Anschlussstutzen oder den beiden benachbart zueinander gelegenen Anschlussstutzen angeschlossen. Diese direkte Platzierung ist durch das über den Luftspalt thermisch isolierte Filtergehäuse möglich, da die thermische Restabstrahlung des Filtergehäuses nicht mehr zu einer thermischen Überbeanspruchung des Differenzdrucksensors führen kann.
Vorzugsweise wird das vom Differenzdrucksensor ermittelte elektrische Differenzdrucksignal eingangsseitig einer entfernt vom Filtergehäuse im Kraftfahrzeug angeordneten elektronischen Steuereinheit zur Überwachung der Regenerationseffizienz sowie zur Auslösung des Regenerationszeitpunkts für das Partikelfilterelement zugeleitet.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Partikelfiltersystems, und
2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Filtergehäuses.
Gemäß 1 ist ein von einem Dieselmotor 1 ausgehender Abgasstrang 2 mit einem Partikelfiltersystem ausgestattet, das ein in einem Filtergehäuse 3 untergebrachtes Partikelfilterelement 4 aufweist. Das Filtergehäuse 3 ist mit einem Abgaseingang 5 zum Einleiten der durch den Dieselmotor 1 erzeugten Abgase ausgestattet und besitzt auf der gegenüberliegenden Seite einen Abgasausgang 6, von dem aus das gereinigte Abgas im Abgasstrang weiter in Richtung Atmosphäre geleitet wird. Weiterhin besitzt das Partikelfiltersystem Mittel zur Regeneration des Partikelfilterelements 4, welche hier einen Differenzdrucksen sor 7 umfassen. Der Differenzdrucksensor 7 ist direkt an einen entsprechenden Anschlussstutzen am Filtergehäuse 3 angebracht. Der Differenzdrucksensor 7 ermittelt die Druckdifferenz, welche im Abgasstrang über das Partikelfilterelement 4 abfällt, um dessen Beladungszustand an Ruß zu ermitteln. Das Druckdifferenzsignal wird über eine elektrische Leitung 8 einer im Kraftfahrzeug entfernt angeordneten elektronischen Steuereinheit 9 eingangsseitig zugeleitet. Die elektronische Steuereinheit 9 dient zur Überwachung der Regenerationseffizienz und zur Auslösung des Regenerationszeitpunktes für das Partikelfilterelement 4, in dem bei Erreichen einer vorgegebenen Druckdifferenz, welche ein Maß für den Beladungszustand des Partikelfilterelements 4 an Ruß darstellt, eine Regeneration auslöst, in dem ein – hier nicht weiter dargestelltes – Regenerationssystem für ein Abbrennen des angesammelten Rußes innerhalb des Filtergehäuses 3 sorgt.
Bezug nehmend auf 2 weist das Filtergehäuse 3 ein Gehäuseinnenteil 10 auf, welches das Partikelfilterelement 4 beinhaltet. Das Gehäuseinnenteil 10 ist schalenartig von einem im Wesentlichen koaxial hierzu angeordneten Gehäuseaußenteil 11 umgeben, so dass dazwischen ein druckdichter Luftspalt 12 zur thermischen Isolation verbleibt. Sowohl das Gehäuseinnenteil 10 als auch das Gehäuseaußenteil 11 bestehen aus umgeformten Stahlblechen, die zur Bildung des gesamten Filtergehäuses 3 miteinander durch Schweißen verbunden sind. An dem Filtergehäuse 3 ist zulaufseitig ein an sich bekannter Oxidationskatalysator 13 vorgeschaltet. Der ca. 4 mm breite Luftspalt 12 zwischen dem Gehäuseinnenteil 10 und dem Gehäuseaußenteil 11 besitzt hier neben der thermischen Isolationsfunktion auch die Funktion einer Messwertweiterleitung für einen Druckwert. Hierfür ist in dem Gehäuseinnenteil 10 im Bereich des Abgasausgangs 6 eine Öffnung 14 vorgesehen. Die Öffnung 14 verbindet den abgasführenden Innenraum des Filtergehäuses 3 mit dem Luftspalt 12, so dass im Luftspalt 12 derselbe Druck ansteht, wie im Innenraum des Filtergehäuses 3. Demgegenüber ist im Bereich des Abgaseingangs 5 eine nach außen führende weitere Öffnung 15 vorgesehen, an der der Druck vor dem Partikelfilterelement 4 ansteht. Der dem gegenüber im Luftspalt 12 anstehende Druck nach dem Partikelfilterelement 4 steht an einer benachbart zur Öffnung 15 angeordneten zweiten Öffnung 14 im Gehäuseaußenteil 11 an. Über beide Öffnungen 14 und 15 ist ein – hier nicht weiter dargestellter – Differenzdrucksensor direkt am Filtergehäuse 3 platzierbar.
Im unteren Teil der 2 ist eine weitere Möglichkeit zum Anschluss des Differenzdrucksensors über einen Anschlussstutzen 16 dargestellt. (Diese Anschlussmöglichkeit kann alternativ zur vorstehend erläuterten und in der 2 im oberen Teil dargestellten Anschlussmöglichkeit verwendet werden). Der im Luftspalt 12 anstehende Druck wird hier über eine Öffnung 14' mit ringartigem Querschnitt ausgebildet. Durch die ringartige Öffnung 14' ragt eine weitere Öffnung 15', welche einen Durchgang durch das gesamte Filtergehäuse 3 schafft, um den vor dem Partikelfilterelement 4 anstehenden Druck bereitzustellen.

1: Dieselmotor
2: Abgasstrang
3: Filtergehäuse
4: Partikelfilterelement
5: Abgaseingang
6: Abgasausgang
7: Differenzdrucksensor
8: Elektrische Leitung
9: Steuereinheit
10: Gehäuseinnenteil
11: Gehäuseaußenteil
12: Luftspalt
13: Oxidationskatalysator
14: Öffnung
15: Öffnung
16: Anschlussstutzen

Claims

Partikelfiltersystem eines dieselmotorisch betriebenen Kraftfahrzeuges mit mindestens einem Partikelfilterelement (4), das in einem Filtergehäuse (3) untergebracht ist, welches über einen Abgaseingang (5) sowie einen Abgasausgang (6) in den Abgasstrang des Kraftfahrzeuges eingefügt ist, wobei Mittel zur Regeneration des Partikelfilterelements (4) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtergehäuse (3) ein geschlossenes, das Partikelfilterelement (4) beinhaltendes Gehäuseinnenteil (10) aufweist, an welchem ein das Gehäuseinnenteil (10) zumindest teilweise schalenartig umgebendes Gehäuseaußenteil (11) derart angeordnet ist, dass zwischen dem Gehäuseinnenteil (10) und dem Gehäuseaußenteil (11) ein druckdichter Luftspalt (12) zur thermischen Isolation verbleibt.
Partikelfiltersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseinnenteil (10) vollständig vom im wesentlichen koaxial hierzu positionierten Gehäuseaußenteil (11) umgeben ist.
Partikelfiltersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (12) zwischen dem Gehäuseinnenteil (10) und dem Gehäuseaußenteil (11) im parallelverlaufenden Wandungsbereich zwischen 2 bis 5 mm beträgt.
Partikelfiltersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (12) zwischen dem Gehäuseinnenteil (10) und dem Gehäuseaußenteil (11) als Messleitung für eine Differenzdruckmessung zur druckgesteuerten Ermittlung der Regenerationseffizienz und/oder des Regenerationszeitpunktes des Partikelfilterelement (4) dient.
Partikelfiltersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuseinnenteil (10) im Bereich des Abgasausgangs (6) eine Öffnung vorgesehen ist, um den abgasführenden Innenraum des Filtergehäuses (3) nach dem Partikelfilterelement (4) mit dem Luftspalt (12) zu verbinden.
Partikelfiltersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Abgaseingangs (5) eine nach außen führende Öffnung (15) im Filtergehäuse (3) zur Messung des im Innenraum des Filtergehäuses (3) vor dem Partikelfilterelement (4) anstehenden Eingangsdrucks vorgesehen ist.
Partikelfiltersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der im Luftspalt (12) anstehende Ausgangsdruck über eine neben der Öffnung (15) angeordneten weiteren nach außen führenden Öffnung (14) in dem Gehäuseaußenteil (11) abgreifbar ist, so dass über beide Öffnungen (14,15) ein Differenzdrucksensor (7) anschließbar ist.
Partikelfiltersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der im Luftspalt (12) anstehende Ausgangsdruck über eine koaxial die Öffnung (15) umgebende und nach außen führende weitere Öffnung (14) in dem Gehäuseaußenteil (11) vorgesehen ist, die einen ringartigen Querschnitt aufweist.
Partikelfiltersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (14',15') einen gemeinsamen Anschlussstutzen für einen Differenzdrucksensor (7) bilden.
Partikelfiltersystem nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdrucksensor (7) direkt am Filtergehäuse (3) befestigt ist.
Partikelfiltersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Differenzdrucksensor (7) ermittelte elektrische Differenzdrucksignal eingangsseitig einer entfernt vom Filtergehäuse (3) im Kraftfahrzeug angeordneten elektronischen Steuereinheit (9) zur Überwachung der Regenerationseffizienz und/oder zur Auslösung des Regenerationszeitpunktes für das Partikelfilterelement (4) zugeht.
Partikelfiltersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseinnenteil (10) und das Gehäuseaußenteil (11) aus umgeformten Stahlblechen bestehen, welche zur Bildung des Filtergehäuses (3) miteinander durch Schweißen verbunden sind.