DE202005002101U1

DE202005002101U1 - Abgaspartikelfilter

Info

Publication number: DE202005002101U1
Application number: DE200520002101
Authority: DE
Original assignee: HJS Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: HJS Emission Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2005-02-11
Filing date: 2005-02-11
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2015-02-12

Abstract

Abgaspartikelfilter zum Entfernen von in dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors enthaltenen Partikeln (P_k, P_g), umfassend zumindest einen abgasdurchströmten Filterkörper (1, 1'), dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaspartikelfilter ein der anströmseitigen Filteroberfläche (4, 4') des Filterkörpers (1, 1') in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschaltetes Filterelement (5, 5') aufweist, durch das kleinere, im Abgasstrom mitgeführte Partikel (P_k) zurückgehalten und größere Partikel (P_g) durchgelassen werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaspartikelfilter zum Entfernen von in dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors enthaltenen Partikeln, umfassend zumindest einen abgasdurchströmten Filterkörper.
Abgaspartikelfilter dienen zum Zurückhalten von im Abgasstrom mitgeführten Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln. Eingesetzt werden derartige Abgaspartikelfilter vornehmlich zum Reinigen der Abgase von Dieselmotoren. Daher werden solche Abgaspartikelfilter auch als Dieselpartikelfilter bezeichnet. Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine akkumulieren sich auf der anströmseitigen Oberfläche des abgasdurchströmten Filterkörpers des Abgaspartikelfilters die im Abgasstrom mitgeführten Rußpartikel. Mit zunehmender Rußbeladung des Filterkörpers erhöht sich naturgemäß der Abgasgegendruck. Eine Erhöhung des Abgasgegendruckes kann ohne Leistungseinbuße des Dieselmotors jedoch nur bis zu einem bestimmten Maß toleriert werden. Daher muss die Rußbeladung des einen oder auch der mehreren Filterkörper eines solchen Abgaspartikelfilters von Zeit zu Zeit entfernt werden. Dieses erfolgt in aller Regel durch Abbrennen des akkumulierten Rußes, wobei ein solcher Rußabbrand aktiv durch Zuführen zusätzlicher thermischer Energie, etwa durch einen Brenner oder eine Heizung, ausgelöst wird oder passiv, dann jedoch über eine längere Zeitdauer hinweg, selbsttätig abläuft. Nach einem solchen Regenerationsprozess durch Rußabbrand verbleibt auf der anströmseitigen Filteroberfläche des Filterkörpers lediglich ein nicht brennbarer Ascherest zurück. Nach erfolgter Regeneration ist aufgrund der dann besseren Durchströmbarkeit des Filterkörpers der Abgasgegendruck wieder herabgesetzt.
Um bei zunehmender Rußbeladung der Filteroberfläche des Filterkörpers den damit verbundenen Anstieg des Abgasgegendruckes zu verringern, ist vorgeschlagen worden, dass die anströmseitige Filteroberfläche eine Strukturierung zur Vergrößerung der Filteroberfläche aufweist, beispielsweise eine Wellenstruktur. Durch Vergrößern der Filteroberfläche wird sodann der akkumulierte Ruß auf eine größere Fläche verteilt mit der Folge, dass die Dicke der Rußschicht bei gleichbleibender Akkumulationsrate verringert und somit die Rußschicht nur einen geringeren Abgasgegendruck bereitstellt. Auch wenn bei einer solchen Oberflächenvergrößerung die Dicke der Rußschicht zunächst geringer ist, egalisieren sich mit zunehmender Rußbeladung des Filterkörpers die oberflächenvergrößernden Strukturen, so dass bei zunehmender Rußbeladung die bei nur geringer Rußbeladung zu beobachtenden Vorteile nicht mehr oder nur noch untergeordnet zu beobachten sind.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Abgaspartikelfilter dergestalt weiterzubilden, dass der durch diesen bedingte Abgasgegendruck, insbesondere bei steigender Rußbeladung gegenüber vorbekannten Abgaspartikelfiltern reduziert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen gattungsgemäßen Abgaspartikelfilter gelöst, bei dem der Abgaspartikelfilter ein der anströmseitigen Filteroberfläche des Filterkörpers in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschaltetes Filterelement aufweist, durch das kleinere, im Abgasstrom mitgeführte Partikel zurückgehalten und größere Partikel durchgelassen werden.
Zum Verringern des Anstiegs des Abgasgegendruckes bei zunehmender Rußbeladung des Filterkörpers verfügt dieser Abgaspartikelfilter über ein der Filteroberfläche des Filterkörpers vorgeschaltetes Filterelement zum Zurückhalten kleinerer Partikel, während größere Partikel das Filterele ment passieren. Typischerweise handelt es sich bei diesem Filterelement um einen Oberflächenfilter, an dem die kleinerer mitgeführten Rußpartikel haften bleibe. Die durchgelassenen größeren Partikel akkumulieren auf der Filteroberfläche des Filterkörpers. Das Zurückhalten kleinerer Rußpartikel hat zum einen den Vorteil, dass die Packungsdichte der auf der Filteroberfläche des Filterkörpers akkumulierenden Rußpartikel relativ klein ist, mithin die Rußschicht ein großes Porenvolumen aufweist. Daher stellt diese, durch größere Rußpartikel aufgebaute Rußschicht dem anströmenden Abgas nur einen geringeren Gegendruck entgegen. Von Vorteil ist ferner, dass die ansonsten in die Poren des Filterkörpers eindringenden kleineren Rußpartikel nicht oder nur untergeordnet auf die Filteroberfläche auftreffen und somit die Gefahr eines Verstopfens einzelner Poren des Filterkörpers herabgesetzt ist. Auch dieses trägt dazu bei, den durch den Filterkörper bereitgestellten Abgasgegendruck bei einer Rußbeladung möglichst klein zu halten. Des Weiteren ist von Vorteil, dass die sich auf der anströmseitigen Oberfläche des Filterkörpers akkumulierende Rußschicht dünner bleibt, was sich ebenfalls positiv auf eine Verringerung des Abgasgegendruckes auswirkt.
Zweckmäßigerweise befindet sich das der Filteroberfläche des Filterkörpers vorgeschaltete, kleinere Partikel zurückhaltende Filterelement auf der Oberfläche des Filterkörpers oder ist in geringem Abstand zu diesem angeordnet. Bei einer solchen Ausgestaltung kommt bei dem erfindungsgemäßen Abgaspartikelfilter ein weiterer Vorteil zum Tragen. Dieser Vorteil tritt bei einer Regeneration ein und ist darin begründet, dass die kleineren, in Strömungsrichtung vor den größeren Partikeln zurückgehaltenen Rußpartikel sich leichter zum Durchführen eines Rußabbrandes entzünden lassen als größere Rußpartikel. Daher kann ein Rußabbrand bei einem solchen Abgaspartikelfilter, insbesondere wenn dieser für eine passive Regeneration ausgelegt ist, bei tieferen Temperaturen gezündet werden, wobei durch die beim Rußabbrand freiwerdende thermische Energie ein Zünden des Abbrandes der in Strömungsrichtung den kleineren Rußpartikeln nachgeschalteten größeren Rußpartikel unterstützt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das der Filteroberfläche vorgeschaltete Filterelement zum Zurückhalten kleinerer Rußpartikel eine oxidationskatalytische Beschichtung trägt, an der im Abgas mitgeführtes NO mit Sauerstoff zu NO₂ umgesetzt wird, das sodann mit den Rußpartikeln reagiert und diese oxidiert. Dieses trifft ohne weiteres für die an dem der Filteroberfläche vorge schalteten Filterelement anhaftenden kleineren Rußpartikeln zu. Ein Teil des an dem katalytisch beschichteten Filterelement gebildeten NO₂ wird jedoch nicht von den daran anhaftenden Rußpartikeln absorbiert, sondern mit dem Abgasstrom den an der Filteroberfläche des Filterkörpers akkumulierten größeren Rußpartikeln zugeführt. Somit dient ein solches oxidationskatalytisch beschichtetes, der Filteroberfläche vorgeschaltetes Filterelement auch zur Bereitstellung der für eine Regeneration des Abgaspartikelfilters notwendigen NO₂-Menge. Zweckmäßigerweise ist die Filteroberfläche des Filterkörpers selbst mit einer solchen oxidationskatalytischen Beschichtung ausgestattet, so dass die darauf auftreffenden größeren Rußpartikel das zum Herabsetzen der Rußzündtemperatur benötigte NO₂ erhalten. In einem solchen Fall dient das mit dem Abgasstrom an dem oxidationskatalytisch beschichteten Filterelement gebildete NO₂ vornehmlich zur Beschickung der an dem Filterkörper akkumulierten Rußpartikeln, die nicht unmittelbar auf der Oberfläche des katalytisch beschichteten Filterkörpers abgelagert sind.
Da es sich bei dem die größeren Rußpartikel durchlassenden Filterelement um ein solches handelt, was zum Durchlassen der größeren Rußpartikel eine relativ große Poren- bzw. Maschenweite aufweist, wird durch das Filterelement selbst der Abgasgegendruck nicht erhöht.
Zweckmäßigerweise wird man das Filterelement aus einem Drahtgewebe, einem Drahtgestrick oder einem Draht- oder Sintermetallvlies herstellen. Ist der Filterkörper aus einzelnen Filtertaschen zusammengesetzt, bietet es sich an, das Filterelement aus einem Drahtgestrick als Strumpf auszubilden, wobei in einem solchen Strumpf das einzelne Element, beispielsweise die Filtertasche angeordnet ist, und der das Filterelement darstellende Strumpf sodann beim Zusammenfügen der einzelnen Filtertaschen zum Ausbilden des Filterkörpers in die notwendige Verbindung mit eingebunden wird. Als typischer Werkstoff für ein solches Filterelement kann eine Fe-Cr-Al-Legierung eingesetzt werden.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 einen schematisierten Querschnitt eines Ausschnittes einer anströmseitigen Filteroberfläche eines Filterkörpers mit einem vorgeschalteten Filterelement gemäß einer ersten Ausgestaltung und
2 einen schematisierten Querschnitt eines Ausschnittes einer anströmseitigen Filteroberfläche eines Filterkörpers mit einem vorgeschalteten Filterelement gemäß einer weiteren Ausgestaltung.
Ein Filterkörper 1 verfügt über zahlreiche einzelne, in Strömungsrichtung des Abgases endverschlossene Filtertaschen. In 1 ist in einem Ausschnitt die anströmseitige Oberfläche einer solchen Filtertasche 2 gezeigt. Die Strömungsrichtung des Abgases ist durch den Blockpfeil in dieser Figur angegeben. Auf die anströmseitige Oberfläche des Filterkörpers 1 ist eine oxidationskatalytische Beschichtung aufgebracht. Die äußere Oberfläche 4 der oxidationskatalytischen Beschichtung 3 stellt somit die Filteroberfläche 4 der Filtertasche 2 bzw. des Filterkörpers 1 dar. In Strömungsrichtung des Abgases der Filteroberfläche 4 der Filtertasche 2 vorgeschaltet ist ein aus einem Drahtgestrick gebildeter Strumpf als Filterelement 5 vorgeschaltet. Das Filterelement 5 umgibt die Filtertasche 2 im Bereich ihrer anströmseitigen Oberfläche und ist an der Filtertasche 2 gehalten, indem der Strumpf zum Beispiel in den Schweißverbindungen gehalten ist, mit denen die Filtertasche 2 zum Erstellen des Filterkörpers 1 mit den benachbarten Filtertaschen verbunden ist.
Das Filterelement 5 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Oberflächenfilter konzipiert und dient zum Herausfiltern vor allem der kleineren Rußpartikel P_k aus dem anströmenden Abgasstrom. Die kleineren Rußpartikel P_k bleiben an dem Filterelement 5 aufgrund ihrer geringeren Masse und ihrer relativ großen Oberfläche adhäsiv hängen. Durch das Filterelement 5, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Lagen aufweist, von denen in der 1 lediglich eine Lage dargestellt ist, werden nicht alle kleineren, im Abgasstrom mitgeführte Rußpartikel P_k zurückgehalten, jedoch ein nennenswerter Anteil. Das Filterelement kann auch aus einer einzigen Lage bestehen, beispielsweise durch eine entsprechend ausgeführte Drahtwicklung. Die Maschenweite des Filterelementes 5 ist ausreichend groß, dass die größeren Rußpartikel P_g ohne weiteres durch das Filterelement 5 hindurchtreten können. Die Stärke des zum Ausbilden des Drahtgestrickes benutzten Drahtes beträgt zweck mäßigerweise 10 – 200 μm, insbesondere 40 – 60 μm und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 50 μm. Die Maschenweite des Filterelementes 5 entspricht typischerweise dem 5 – 20-fachen Drahtdurchmesser, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa dem 5-fachen Drahtdurchmesser. Die größeren Rußpartikel P_g lagern sich auf der Filteroberfläche 4 der Filtertasche 2 ab. Die Porengröße des zur Ausbildung der Filtertasche 2 eingesetzten Materials ist kleiner als dasjenige der Rußpartikel P_k, P_g. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Filtertasche aus einem Sintermetall hergestellt, wobei als Träger des Sintermetalls ein Streckmetall dient.
Wie in der 1 erkennbar, ist das Porenvolumen der sich auf der Filteroberfläche 4 akkumulierenden Rußschicht 6 relativ groß und die akkumulierte Rußschicht zudem relativ dünn, was unmittelbare Folge des Zurückhaltens der kleineren Rußpartikel P_k ist. Folglich ist der durch den Filterkörper 1 bei einer Rußbeladung dem Abgasstrom entgegenstehende Abgasgegendruck aufgrund der besseren Durchströmbarkeit des rußbeladenen Filterkörpers 1 verringert.
Das Filterelement 5 weist eine oxidationskatalytische Beschichtung auf. Sowohl an der Oberfläche des Filterelementes 5 als auch auf der Oberfläche der oxidationskatalytischen Beschichtung 3 der Filtertasche 2 wird im Abgas mitgeführtes NO und mitgeführter Sauerstoff zu NO₂ oxidiert. Das gebildete NO₂ wird von den Rußpartikeln P_k, P_g aufgenommen, wodurch ihre Zündtemperatur herabgesetzt wird. Ohne weiteres werden die unmittelbar an einer oxidationskatalytischen Beschichtung angelagerten Rußpartikel P_k, P_g mit einer ausreichenden NO₂-Menge versorgt, um die gewünschte Zündtemperaturerniedrigung zu erhalten. Das Filterelement 5 dient jedoch auch für die auf der Filteroberfläche 4 akkumulierten Rußpartikel P_g als dem Filterkörper 1 bzw. der Filtertasche 2 vorgeschalteter Oxidationskatalysator. Das an der Oberfläche des Filterelementes 5 gebildete NO₂ wird nur zum Teil von den an dem Filterelement 5 anhaftenden Rußpartikeln P_k absorbiert. Ein nicht unerheblicher Anteil des gebildeten NO₂ verlässt das Filterelement 5 und wird mit dem strömenden Abgas den auf der Filteroberfläche 4 akkumulierten Rußpartikeln P_g zugeführt, so dass auf diese Weise auch diejenigen Rußpartikel NO₂ anlagern können, die nicht an der oxidationskatalytisch beschichteten Filteroberfläche 4 anliegen oder in unmittelbarer Nähe dazu angelagert sind. Folglich dient das Filterelement 5 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht nur zur Ausbildung einer Rußschicht mit einem geringeren Abgasgegendruck, sondern dient auch dem Zweck des Bereitstellens einer ausreichenden NO₂-Menge, um eine passive Regeneration des Filterkörpers 1 zu unterstützen. Ein bei den an dem Filterelement 5 angelagerten kleineren Rußpartikeln P_k beginnender Rußabbrand setzt sich vor allem begünstigt durch die Strömung des Abgases fort in einen Rußabbrand der auf der Filteroberfläche 4 akkumulierten Rußpartikel P_g. Die bei einem Rußabbrand der kleineren Rußpartikel P_k frei werdende thermische Energie unterstützt eine Übertragung des begonnen Rußabbrandes auf die größeren Rußpartikel P_g.
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung des beanspruchten Abgaspartikelfilters, bei dem im Unterschied zu dem zu 1 beschriebenen Abgaspartikelfilter das Filterelement 5' unmittelbar auf der Filteroberfläche 4' des Filterkörpers 1' angeordnet ist. Gleiche Elemente sind bei der Ausgestaltung gemäß 2 mit gleichen Bezugsziffern versehen, die um ein ergänzt sind. Eine Selektion der auf der Filteroberfläche 4' akkumulierenden Rußpartikeln ist bei dieser in 2 gezeigten Ausgestaltung ebenso gegeben, wie bei dem zu 1 gezeigten Filterkörper 1.
Die Darstellung des Abgaspartikelfilters 1, 1' in den Figuren ist nicht maßstäblich. Des Weiteren ist die Darstellung der Rußpartikelselektion durch Vorschalten des Filterelementes 5, 5' idealisiert dargestellt. An dem Filterelement 5, 5' bleiben mitunter auch größere Rußpartikel hängen. Gleichwohl ändert dieses nichts an der vorbeschriebenen positiven Wirkung des Abgaspartikelfilters 1, 1'.
Aus der Beschreibung der Erfindung wird deutlich, dass das beschriebene Filterelement nicht nur zum Zurückhalten kleinerer Rußpartikel dient, sondern dass durch dieses Element ebenfalls eine Oberflächenvergrößerung der anströmseitigen Oberflächen des Filterkörpers vorgenommen wird.

1, 1': Filterkörper
2, 2': Filtertasche
3, 3': oxidationskatalytische Beschichtung
4, 4': Oberfläche
5, 5': Filterelement
6: Rußschicht
P_k: kleinere Rußpartikel
P_g: größere Rußpartikel

Claims

Abgaspartikelfilter zum Entfernen von in dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors enthaltenen Partikeln (P_k, P_g), umfassend zumindest einen abgasdurchströmten Filterkörper (1, 1'), dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaspartikelfilter ein der anströmseitigen Filteroberfläche (4, 4') des Filterkörpers (1, 1') in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschaltetes Filterelement (5, 5') aufweist, durch das kleinere, im Abgasstrom mitgeführte Partikel (P_k) zurückgehalten und größere Partikel (P_g) durchgelassen werden.
Abgaspartikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der Filteroberfläche (4, 4') des Filterkörpers (1, 1') vorgeschaltete Filterelement (5, 5') an die Filteroberfläche (4, 4') des Filterkörpers (1, 1') angrenzt oder sich in geringem Abstand dazu befindet.
Abgaspartikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (5, 5') ein Oberflächenfilter ist.
Abgaspartikelfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (5, 5') ein Drahtgewebe, -gestrick, etwa ein den Filterkörper oder einen Teil desselben einfassender Strumpf, - vlies oder dergleichen ist.
Abgaspartikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (5, 5') mehrlagig aufgebaut ist.
Abgaspartikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement einlagig aufgebaut ist.
Abgaspartikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (5, 5') eine oxidationskatalytische Oberfläche, insbesondere zum Umsetzen von im Abgasstrom enthaltenen NO und O₂ zu NO₂ aufweist.
Abgaspartikelfilter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtstärke des Filterelements (5, 5') 10 – 200 μm, insbesondere 40 – 60 μm beträgt und die Maschenweite des Filterelements (5, 5') der 5 – 20-fachen Drahtstärken entspricht.
Abgaspartikelfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (5, 5') aus einer Fe-Cr-Al-Legierung besteht.