DE202010012800U1 - Gegenstromvorrichtung zur Rekuperation bei Partikelfiltersystemen - Google Patents

Gegenstromvorrichtung zur Rekuperation bei Partikelfiltersystemen Download PDF

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Abstract

Gegenstromvorrichtung zur Rekuperation bei Dieselpartikelfiltern, umfassend
– ein Gehäuse (10) mit
– einem inneren Mantel (14),
– einer vorderen Stirnfläche (26) und
– einer hinteren Stirnfläche (25),
– einen vorderen Einlass (11) für kaltes Abgas (16) und einen hinteren Einlass (12) für warmes Abgas (17),
– wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Gegenstromkammern (21, 23) bei denen die Abgase (16, 17) aneinander vorbeigeführt werden, wobei die Gegenstromkammern (21, 23) durch Trennwände (13) voneinander getrennt sind und jede Gegenstromkammer (21, 23) wenigstens eine Durchtrittsöffnung (18, 20) für die Abgasführung der Abgase (16, 17) von einem Abschnitt in einen weiteren Abschnitt aufweist,
– eine Zwischenwand (15) zur gasdichten Trennung der vorderen Abgaskammer (27) von der hinteren Abgaskammer (22),
– wenigstens eine Austrittsöffnung (24) für das kalte Abgas und wenigstens eine Austrittsöffnung (19) für das warme Abgas (17) am Gehäuse (10).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gegenstromvorrichtung zur Rekuperation bei Partikelfiltersystemen. Ferner betrifft die Erfindung ein Partikelfiltersystem, welches die erfindungsgemäße Gegenstromvorrichtung umfasst.
  • Partikelfiltersysteme oder Partikelfilteranordnungen dienen zum Filtern von Abgasen einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors, und verfügen über einen Einlass und einen Auslass mit wenigstens einem im Strömungspfad angeordneten Partikelfilter. Der Partikelfilter hat bei Dieselmotoren die Aufgabe, die in den Abgasen vorhandenen Rußpartikel zu entfernen. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen neigt er schnell zur Verstopfung. Daher ist man bestrebt, den Partikelfilter bei möglichst hohen Temperaturen zu betreiben, um eine Regeneration der im Filter gespeicherten Rußpartikel durchzuführen. Dazu ist es erforderlich, dass die für die Regeneration notwendige Zündtemperatur der Rußpartikel möglichst hoch ist, auch wenn der Dieselmotor mit nur niedrigen Lastanteilen betrieben wird. Wird der Dieselmotor nur bei geringer Last betrieben, so bleibt die Abgastemperatur bei diesem Betriebszustand entsprechend niedrig, so dass der Filter sich nicht regenerieren kann und die Rußpartikel im Filter verbleiben. Durch die starke Beladung des Filters und der gasführenden Kanäle mit Ruß kommt es zu Funktionsstörungen des Systems und des Motors (z. B. Leistungsverlust, Treibstoff-Mehrverbrauch) und erhöht zudem die Brandgefahr. Nach einiger Zeit ist das Kraftfahrzeug nicht mehr betriebsbereit und der Filter muss ausgetauscht oder aufwendig gereinigt werden.
  • Im Stand der Technik sind daher Systeme bekannt, mit denen versucht wird, die für die Betriebsfähigkeit und Regeneration des Partikelfilters erforderliche Mindesttemperatur sicherzustellen. Beispielsweise sind katalytische Beschichtungen vor oder im Filterbereich bekannt, um die für die Rußverbrennung erforderliche Zündtemperatur abzusenken. Meistens reichen jedoch diese Maßnahmen nicht aus, um den Zündvorgang einzuleiten, und zudem sind solche passiven Systeme wenig effektiv.
  • Aus diesem Grund werden oftmals auch aktive Systeme eingesetzt, welche durch eine gezielte Verbrennung von vor oder im Filtersystem eingespritzten Dieselkraftstoff (Brenner) die zur Partikelverbrennung thermische Energie bereitstellen. Der Energieverbrauch derartiger Systeme ist dementsprechend hoch.
  • Neben den genannten aktiven Systemen besteht ferner die Möglichkeit, die für die Regeneration erforderliche Zündtemperatur mit Hilfe eines Heizelementes zu erzeugen, welches in einem dem Dieselpartikelfilter vorgeschalteten Vorfilter (Oxidationskatalysator) angeordnet ist, um dadurch eine Kettenreaktion von Zündereignissen auszulösen, welche dazu führen, dass die Rußpartikel im Partikelfilter verbrannt werden (vgl. DE 10 2009 014 371 A1 ).
  • Sowohl den erstgenannten passiven als auch den aktiven Systemen mit deren zusätzlicher externer Wärmeeinbringung liegt das gleiche Problem zugrunde: die vorhandene Wärmeenergie reicht nicht aus, um zuverlässig einen Rußabbrand (Filterregeneration) sicherzustellen. Ferner ist der Vorgang aktiver Systeme energieaufwändig, da die Energie über das elektrische Bordnetz oder über die Verbrennung von Treibstoff zugeführt werden muss. Insbesondere bei der Entnahme von elektrischer Energie aus dem Bordnetz steht nur ein kurzes Zeitkontingent zur Verfügung, um die Regeneration durchzuführen.
  • Aus technischen Anwendungen sind Wärmetauscher bekannt, die Abwärme aus dem Verbrennungsprozess in die Zuluft für die Verbrennung einbringen, beispielsweise um die Ansaugluft eines Motors vorzuwärmen.
  • In dem für die vorliegende Erfindung nächsten Stand der Technik, der EP 1 801 372 A1 , wird als passives System eine Partikelfilteranordnung beschrieben, bei der die für die Regeneration erforderliche Zündtemperatur mittels Wärmeaustausch herabgesenkt wird. Hierbei wird von einem Temperaturgefälle zwischen den Abgasströmen Gebrauch gemacht, wofür bei der darin beschriebenen Vorrichtung drei Abschnitte vorgesehen sind, welche von den Abgasen durchströmt werden. Dabei werden die Abgase zunächst im Wesentlichen in Richtung Auslass geführt, später in Richtung Einlass und damit in Gegenrichtung zurückgeführt, und schließlich wieder in Richtung Auslass geführt. Die Abgasführung findet daher im Wesentlichen nach Art eines entarteten ”Z” statt. Der Dieselpartikelfilter ist in einem der Abschnitte angeordnet und wird umströmt.
  • Für den Wärmeaustausch ist in der EP 1 801 372 A1 ein Verteilungs- und Umlenkelement vorgesehen, welches einen ersten, vom Einlass kommenden Abgasstrom zum ersten Abschnitt der Leitung führt, und einen vom zweiten Abschnitt der Leitung ankommenden zweiten Abgasstrom zum dritten Abschnitt der Leitung umlenkt. Es wird bevorzugt eine sternförmige Umlenkung realisiert, bei der sich die verschiedenen Abgasströme überkreuzen, ohne dass diese sich vermischen. Die durch- oder überkreuzende Abgasführung bewirkt, dass sich das Verteilungs- und Umlenkelement erwärmt, und Wärme an das kältere Abgas abgibt.
  • Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass sich die verschiedenen Abgasströme lediglich mehrfach überkreuzen, ohne gezielt an Kontaktflächen vorbei zu strömen und deren Längen zur Wärmeübertragung zu nutzen, wodurch der vorgesehene Wärmeaustausch wenig effektiv verläuft. Ferner ist der konstruktive Aufwand für die gewollte sternförmige Umlenkung unverhältnismäßig hoch.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, um den Wärmeaustausch bei gleichzeitig überschaubarem konstruktivem Aufwand für Partikelfiltersysteme zu verbessern und bei der die Nachteile des zuvor genannten Standes der Technik vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gegenstromvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen wieder.
  • Die erfindungsgemäße Gegenstromvorrichtung zur Rekuperation bei Dieselpartikelfiltern umfasst ein Gehäuse mit einem inneren Mantel sowie einer vorderen und einer hinteren Stirnfläche. Der Mantel kann vorzugsweise von einem Rohr oder einem Rohrstück (z. B. Tragrohr) gebildet werden. Ferner verfügt die Vorrichtung über einen vorderen Einlass für kaltes Abgas und einen hinteren Einlass für warmes Abgas und wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Gegenstromkammern, bei denen die Abgase über eine Kontaktfläche ohne Vermischung aneinander vorbeigeführt werden, wodurch ein Wärmeaustausch zur Erwärmung des kalten Abgasstromes über den warmen Abgasstrom erzielt wird. Hierfür sind die Gegenstromkammern durch Trennwände voneinander getrennt. Jede Gegenstromkammer besitzt wenigstens eine Durchtrittsöffnung für die Abgasführung der Abgase von einem Abschnitt der Abgasführung in einen weiteren Abschnitt. Zur gasdichten Trennung der vorderen Abgaskammer, welche das kalte Abgas über den vorderen Einlass erhält, von der hinteren Abgaskammer, in welche das warme Abgas des hinteren Einlasses strömt, ist eine gasdichte Zwischenwand vorgesehen. Ferner verfügt die Vorrichtung über eine Austrittsöffnung für das kalte Abgas und wenigstens eine Austrittsöffnung für das warme Abgas am Gehäuse.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gegenstromkammern axial um das Gehäuse angeordnet. Dadurch erhält man mehrere Gegenstromkammern, welche über Kontaktflächen für den Wärmeaustausch der aneinander vorbeigeführten Abgasströme verfügen, wodurch auf wenig verfügbarem Platz ein maximaler Wärmeaustausch erfolgen kann. Durch die aneinander vorbeiströmenden Abgasströme der Verbrennungsgase aus dem Hauptfilter und die noch kalten Abgase des Motors wird ein Wärmeaustausch über die Trennwände erzielt, indem Wärmeenergie auf die kalten einströmenden Abgase übertragen wird. Somit erfolgt ein Wärmefluss von dem heißen Abgasstrom des Hauptfilters zu dem einströmenden Abgas der vorderen Abgaskammer.
  • Die Erfindung lässt die Wahl offen, die Kammerlängen und die Kammerhöhen je nach Anwendungsprofil auszugestalten, um die Kontaktflächen für die Gegenstromwärmeübertragung in optimaler Weise für den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen. Ferner kann der Wirkungsgrad durch eine Erhöhung der Anzahl der Gegenstromkammern erhöht werden, indem durch weitere Trennwände zusätzliche Kontaktflächen für den Wärmeaustausch geschaffen werden.
  • Die axiale Anordnung der Gegenstromkammern um das Gehäuse ermöglicht einen symmetrischen Aufbau, wodurch die Fertigung erleichtert wird. Ferner kann der vorzugsweise kreisrunde Querschnitt der Gegenstromvorrichtung in einfacher Weise mit der Geometrie des Hauptfilters kombiniert werden. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das verlängerte Kernrohr der Gegenstromvorrichtung als Tragrohr für einen dort angeordneten Vorfilter (z. B. Edelstahldrahtgestrick; Oxidationskatalysator) dient. Dadurch wird der Vorfilter nicht nur gehalten, sondern wird auch zur verbesserten Zündung durch das heiße Abgas im Rohrinneren aufgeheizt.
  • Die erfindungsgemäße Gegenstromkammer kann entweder einstückig oder aus mehreren Bauteilen aufgebaut sein. Vorzugsweise ist der Aufbau so gewählt, dass die einzelnen Gegenstromkammern und Abschnitte von den jeweiligen Bauteilen selbst gebildet werden. Beispielsweise kann der Mantelboden des Gehäuses von dem zentralen Tragrohr oder einem Teil davon gebildet werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zunächst das kalte Abgas von dem vorderen Einlass über die Durchtrittsöffnung in die erste Gegenstromkammer strömt und diese über die Austrittsöffnung wieder verlässt. Das warme Abgas wird über den hinteren Einlass über die Durchtrittsöffnung in die zweite Gegenstromkammer zur Austrittsöffnung geleitet. Da die beiden Gegenstromkammern nebeneinander liegen, kann über die Trennwand eine Wärmeübertragung stattfinden. Die Trennwand verfügt vorzugsweise über metallische Kontaktflächen, um einen möglichst effizienten Wärmeaustausch zu ermöglichen.
  • Das kalte Abgas strömt zunächst von der ersten Gegenstromkammer über den Dieselpartikelfilter und ermöglicht durch die Vorwärmung eine leichtere Zündung der in dem Filter eingelagerten Rußpartikel. Im Partikelfilter selbst wird der Abgasstrom erwärmt und, wie zuvor beschrieben, zur Gegenstromrichtung zurückgeführt.
  • Die Durchtrittsöffnungen für die Abgasströme sind vorzugsweise am inneren Mantel ausgebildet, die Austrittsöffnungen für das kalte Abgas und das warme Abgas sind zweckmäßigerweise an Stirnflächen des Gehäuses ausgebildet. Die Gegenstromkammern werden vorzugsweise von dem Mantelboden, den Stirnflächen und den Trennwänden gebildet.
  • Vorzugsweise befindet sich im Bereich des hinteren Einlasses ein Oxidationskatalysator, der zur Rekuperation beisteuert. Für die Aufheizung des Abgasstromes und somit Anhebung der Zündtemperatur ist vorzugsweise in oder an dem Oxidationskatalysator ein Heizelement angeordnet.
  • Die Erfindung umfasst ferner ein Partikelfiltersystem, das einen Einlass und einen Auslass für Abgase sowie wenigstens einen Partikelfilter umfasst, wobei das Partikelfiltersystem eine erfindungsgemäße Gegenstromvorrichtung umfasst. Vorzugsweise ist vor dem Partikelfilter ein Oxidationskatalysator mit einem Heizelement angeordnet. Bevorzugt wird der aus der Gegenstromkammer der Gegenstromvorrichtung herausströmende warme Abgasstrom über eine äußere Kammer entlang des Partikelfilters zum Auslass geleitet.
  • Die Erfindung wird in den nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine isometrische Darstellung der erfindungsgemäßen Gegenstromvorrichtung,
  • 2 ein Partikelfiltersystem, bestehend aus einem Partikelfilter und einer erfindungsgemäßen Gegenstromvorrichtung,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Partikelfiltersystems.
  • In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gegenstromvorrichtung 1 gezeigt. Diese besteht aus einem Gehäuse 10 mit einer vorderen Stirnfläche 26 und einer hinteren Stirnfläche 25. Das kalte Abgas 16 wird über einen Einlass 11 in eine vordere Abgaskammer 27 geleitet. Für den Wärmeaustausch sind mehrere, über Trennwände 13 voneinander getrennte Gegenstromkammern 21, 23 axial um das zentrale Tragrohr angeordnet. Der kalte Abgasstrom 16 wird zunächst von der vorderen Abgaskammer 27 über eine Durchtrittsöffnung 18, welche sich im Mantel 14 befindet, nach oben in die erste Gegenstromkammer 21 geleitet. Diese besitzt an der hinteren Stirnfläche 25 eine weitere Austrittsöffnung 24 für den durchgeleiteten Abgasstrom. Dieser wird über den nachfolgenden Partikelfilter 33 (nicht gezeigt) geleitet und dadurch aufgewärmt. Der über den Partikelfilter 33 durchströmende warme Abgasstrom 17 gelangt über den Einlass 12 wiederum zurück in die Gegenstromvorrichtung 1. Der Einlass 12 führt zunächst in eine hintere Abgaskammer 22, über die der warme Abgasstrom 17 über Durchtrittsöffnungen 20, welche ebenfalls am Mantel 14 ausgebildet sind, nach oben in die weitere, parallel zur benachbarten Gegenstromkammer 21 angeordnete Gegenstromkammer 23 geleitet wird. Es findet somit eine Abgasführung von einem äußeren Abschnitt in einen inneren Abschnitt statt und schließlich wieder zurück in einen äußeren Abschnitt, der jedoch von dem ersten Abschnitt gasdicht getrennt ist, wodurch ein effizienter Wärmeaustausch im Gegenstrom über die Trennwände 13 stattfinden kann. Von der Gegenstromkammer 23 verlässt der Abgasstrom die Gegenstromvorrichtung 1 über die Austrittsöffnung 19. Die vordere Abgaskammer 27 und die hintere Abgaskammer 22 sind durch eine Zwischenwand 15 voneinander getrennt.
  • In 2 ist ein erfindungsgemäßes Partikelfiltersystem gezeigt, bei dem im vorderen Abschnitt die erfindungsgemäße Gegenstromvorrichtung 1 vor einem Oxidationskatalysator 30 und einem Dieselpartikelfilter 33 angeordnet ist. Der kalte Abgasstrom 16 wird über den Einlass 11 zunächst in die vordere Abgaskammer 27 der Gegenstromvorrichtung 1 geleitet und gelangt dort über die Durchtrittsöffnung 18 nach oben in die erste Gegenstromkammer 21, die der Abgasstrom über die Austrittsöffnung 24wieder verlässt. Der Abgasstrom wird dann durch den Oxidationskatalysator 30 zum Dieselpartikelfilter 33 geleitet. In der gezeigten Ausführungsform ist in dem Oxidationskatalysator 30 ein Heizelement 32 angeordnet, um die Temperatur des aus der ersten Gegenstromkammer 21 herausströmenden Abgasstromes für die Regeneration zu erhöhen. Der warme Abgasstrom 17 gelangt über die hintere Abgaskammer 22 von dem inneren Abschnitt über die Durchtrittsöffnung 20 nach oben in die weitere Gegenstromkammer 23. Die Gegenstromkammer 21 für den kalten Abgasstrom 16 und die Gegenstromkammer 23 für den warmen Abgasstrom 17 sind über die Trennwand 13 voneinander getrennt. Über die Trennwand 13 erfolgt der Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip. Die um das Tragrohr erfolgte symmetrische kreisförmige Anordnung der Gegenstromkammern 21, 23 ermöglicht einen platzsparenden und zugleich effizienten Aufbau der erfindungsgemäßen Gegenstromvorrichtung 1. Je nach Anzahl der Gegenstromkammern 21, 23 kann die Effizienz des Wärmeaustauschers zusätzlich erhöht werden, indem zusätzliche Kontaktflächen für die Energieübertragung geschaffen werden.
  • Der warme Abgasstrom 17 gelangt, nachdem er von innen nach außen in die weitere Gegenstromkammer 23 geströmt ist, über die Austrittsöffnung 19 in eine äußere Kammer 39, welche den Abgasstrom am Partikelfilter 33 vorbeiführt, wobei eine weitere Aufrechterhaltung der Erwärmung erreicht wird. Schließlich gelangt der Abgasstrom zum Auslass 34 zum Auspuffsystem. Das ganze Partikelfiltersystem befindet sich in einem Gehäuse 31.
  • In 3 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Partikelfiltersystems gezeigt. Von einem Motor 40 gelangt das Abgas 16 über den Einlass 11 zur ersten Gegenstromkammer 21 und verlässt diese über Austrittsöffnungen 24 zum Oxidationskatalysator 30, in dem sich ein Heizelement 32 für eine zusätzliche Erwärmung befindet. Der Abgasstrom wird über den Partikelfilter 33 gereinigt und gelangt als heißer Abgasstrom 17 über den Einlass 12 in die Gegenstromkammer 23, in der er dann über die Austrittsöffnungen 19 nach außen in die äußere Kammer 39 am Partikelfilter 33 zum Auslass 34 vorbeigeführt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102009014371 A1 [0005]
    • - EP 1801372 A1 [0008, 0009]

Claims (12)

  1. Gegenstromvorrichtung zur Rekuperation bei Dieselpartikelfiltern, umfassend – ein Gehäuse (10) mit – einem inneren Mantel (14), – einer vorderen Stirnfläche (26) und – einer hinteren Stirnfläche (25), – einen vorderen Einlass (11) für kaltes Abgas (16) und einen hinteren Einlass (12) für warmes Abgas (17), – wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Gegenstromkammern (21, 23) bei denen die Abgase (16, 17) aneinander vorbeigeführt werden, wobei die Gegenstromkammern (21, 23) durch Trennwände (13) voneinander getrennt sind und jede Gegenstromkammer (21, 23) wenigstens eine Durchtrittsöffnung (18, 20) für die Abgasführung der Abgase (16, 17) von einem Abschnitt in einen weiteren Abschnitt aufweist, – eine Zwischenwand (15) zur gasdichten Trennung der vorderen Abgaskammer (27) von der hinteren Abgaskammer (22), – wenigstens eine Austrittsöffnung (24) für das kalte Abgas und wenigstens eine Austrittsöffnung (19) für das warme Abgas (17) am Gehäuse (10).
  2. Gegenstromvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstromkammern (21, 23) axial an dem Gehäuse (10) angeordnet sind.
  3. Gegenstromvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kalte Abgas (16) von dem vorderen Einlass (11) über die Durchtrittsöffnung (18) in die erste Gegenstromkammer (21) strömt und diese über die Austrittsöffnung (24) verlässt, und das warme Abgas (17) über den hinteren Einlass (12) über die Durchtrittsöffnung (20) in die zweite Gegenstromkammer (23) zur Austrittsöffnung (19) strömt.
  4. Gegenstromvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (18, 20) am Mantel (14) ausgebildet sind und der Mantelboden (14) von einem Rohr oder Rohrstück gebildet wird.
  5. Gegenstromvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (24) für das kalte Abgas an der vorderen Stirnseite (26) des Gehäuses (10) und die Austrittsöffnung (19) für das warme Abgas (17) an der hinteren Stirnseite (25) des Gehäuses (10) ausgebildet sind.
  6. Gegenstromvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstromkammern (21, 23) von dem Mantel (14), den Stirnflächen (25, 26) und den Trennwänden (13) gebildet werden.
  7. Gegenstromvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas von der Austrittsöffnung (19) in eine äußere Kammer (39) eines Partikelfiltersystems (30) geführt wird.
  8. Gegenstromvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des hinteren Einlasses (8) ein Oxidationskatalysator (30) angeordnet ist.
  9. Gegenstromvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an dem Oxidationskatalysator (30) ein Heizelement (32) angeordnet ist.
  10. Partikelfiltersystem, umfassend – einen Einlass (11) und einen Auslass (34) für Abgase, – wenigstens einen Partikelfilter (33), dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelfiltersystem eine Gegenstromvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
  11. Partikelfiltersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Partikelfilter (33) ein Oxidationskatalysator (30) mit einem Heizelement (32) angeordnet ist.
  12. Partikelfiltersystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Gegenstromkammer (23) der Gegenstromvorrichtung (1) herausströmende warme Abgasstrom (17) über eine äußere Kammer (39) entlang des Partikelfilters (33) zum Auslass (34) geleitet wird.
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