DE202014100157U1

DE202014100157U1 - Zweistufige Partikelfilteranordnung

Info

Publication number: DE202014100157U1
Application number: DE202014100157.3U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2024-01-16

Abstract

Eine Partikelfilteranordnung (1) für eine Brennkraftmaschine und mit einem ersten Partikelfilter (2) und einem stromabwärts des ersten Partikelfilters (2) angeordneten zweiten Partikelfilter (3), dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorbestimmten abgelagerten Partikelmasse in einem jeweiligen der Partikelfilter (2, 3) und bei einem vorbestimmten Massendurchsatz eines Abgasstromes der Brennkraftmaschine eine erste Druckdifferenz über den ersten Partikelfilter (2) geringer als eine zweite Druckdifferenz über den zweiten Partikelfilter (3) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Partikelfilteranordnung für eine Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Partikelfilteranordnung.
Partikelfilter werden in Abgaswegen von Brennkraftmaschinen angeordnet, um in dem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Partikel aus dem Abgas herauszufiltern, bevor das Abgas in die Umwelt entlassen wird. Die Partikel stehen unter dem Verdacht, Krankheiten zu erregen, weshalb fortlaufend strengere Abgasbestimmungen eingeführt werden, die eine Filterung des Abgases vorschreiben. Ein prominentes Beispiel für derartige Partikelfilter stellen die Partikelfilter in diesel- und benzingetriebenen Kraftfahrzeugen dar, die die Feinstaubbelastung der Atemluft insbesondere in Städten verringern sollen. Um die Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben zu garantieren, müssen die Partikelfilter im Betrieb auf ihre korrekte Funktion überwacht werden.
Partikelfilter verursachen im Betrieb einen gewissen Abgasgegendruck, der neben dem momentanen Massendurchsatz des den Partikelfilter durchströmenden Abgasstromes vor allem durch die in dem Partikelfilter abgelagerte Partikelmasse bestimmt wird. Es ist allgemein bekannt, dass dieser Abgasgegendruck als Druckabfall über den Partikelfilter gemessen werden kann. Aus dem gemessenen Druckabfall können Aussagen über die in dem Partikelfilter abgelagerte herausgefilterte Partikelmasse getroffen werden. Ebenfalls ist es möglich, durch Beobachtung des zeitlichen Verlaufs des Druckabfalls Aussagen über einen Gesundheitszustand des Partikelfilters zu machen. Beispielsweise weist ein über längere Betriebszeit unveränderter Gegendruck auf eine Schädigung des Partikelfilters hin, durch die keine oder zu wenig Partikelmasse aus dem Abgasstrom herausgefiltert wird.
Da ein Partikelfilter nur eine bestimmte Aufnahmefähigkeit für Partikel hat, wird die abgelagerte Partikelmasse durch aktive oder passive Regeneration oxidiert und somit abgebaut. Ein Regenerationszyklus kann durch hohe Abgastemperaturen ausgelöst werden, welche sich bei einer hohen Motorleistung oder durch bewusste Bereitung eines fetten Abgasgemisches, beispielsweise durch Nacheinspritzung von Kraftstoff, erreichen lassen. Die Regeneration senkt durch das Abbauen der abgelagerten Partikel auch den von dem Partikelfilter verursachten Abgasgegendruck wieder auf sein anfängliches Maß. Dies ist vorteilhaft, weil die Brennkraftmaschine gegen den Abgasdruck arbeiten muss, so dass die Leistung der Brennkraftmaschine bei gleichbleibendem Kraftstoffverbrauch beziehungsweise der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine sinkt. Aus diesem Grund werden auch Partikelfilter angestrebt, die einen möglichst geringen Abgasgegendruck verursachen. Dies kann beispielsweise durch Vergrößerung der Filteroberfläche des Partikelfilters, die bei gleicher Partikelmasse eine Verringerung der Dicke der auf der Filteroberfläche abgelagerten Schicht von Partikeln bewirkt. Dies macht es jedoch schwieriger, die korrekte Funktion des Partikelfilters zu überwachen, da im Beobachtungszeitraum nur entsprechend reduzierte Druckanstiege des Abgasgegendruckes zu verzeichnen sind.
Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, eine Partikelfilteranordnung einzuführen, die im Betrieb einen geringen Abgasgegendruck aufweist, aber dennoch eine zuverlässige Überwachung ihrer bestimmungsgemäßen Funktion zulässt.
Die Erfindung führt daher eine Partikelfilteranordnung für eine Brennkraftmaschine ein, die mit einem ersten Partikelfilter und einem stromabwärts des ersten Partikelfilters angeordneten zweiten Partikelfilter ausgestattet ist. Erfindungsgemäß ist bei einer vorbestimmten abgelagerten Partikelmasse in einem jeweiligen der Partikelfilter und bei einem vorbestimmten Massendurchsatz eines Abgasstromes der Brennkraftmaschine eine erste Druckdifferenz über den ersten Partikelfilter geringer als eine zweite Druckdifferenz über den zweiten Partikelfilter.
Die Partikelfilteranordnung der Erfindung besitzt den Vorteil, dass der zweite Partikelfilter den Abgasgegendruck im normalen Betrieb kaum erhöht, so dass im Normalfall nur ein geringer Abgasgegendruck vorliegt. Ist der erste Partikelfilter jedoch schadhaft, können Partikel durch den ersten Partikelfilter hindurchtreten und in den bis zu diesem Zeitpunkt gut durchlässigen zweiten Partikelfilter gelangen. Diese Partikel verstopfen den zweiten Partikelfilter in kurzer Zeit, so dass der Abgasgegendruck über die Gesamtanordnung schnell ansteigt. Der Ausfall des ersten Partikelfilters kann so einerseits für eine gewisse Zeit durch den zweiten Partikelfilter aufgefangen werden, insbesondere ermöglicht der zweite Partikelfilter jedoch die zuverlässige Detektion des Schadens des ersten Partikelfilters, woraufhin beispielsweise durch eine Anzeige oder dergleichen auf den Mangel hingewiesen und der Schaden durch Reparatur behoben werden kann. Die Partikelfilteranordnung erlaubt somit im störungsfreien Betrieb sehr geringe Abgasgegendrücke, wodurch die Leistung der Brennkraftmaschine nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt wird, Gleichzeitig wird jedoch eine zuverlässige Detektion von Fehlfunktionen der Partikelfilteranordnung ermöglicht.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der zweite Partikelfilter ohne abgelagerte Partikelmasse (also im unbeladenen Zustand) einen möglichst geringen Abgasgegendruck verursacht, so dass sein diesbezüglicher Beitrag in der Gesamtanordnung vernachlässigbar bleibt. Gleichzeitig sollte der Druckabfall über den zweiten Partikelfilter bei abgelagerter Partikelmasse (also im beladenen Zustand) möglichst hoch sein, so dass eine geringe Partikelmasse, die durch den ersten Partikelfilter hindurchgelangt innerhalb einer kurzen Zeit bereits einen messbaren Druckabfall verursacht.
Vorzugsweise ist der zweite Partikelfilter unmittelbar stromabwärts des ersten Partikelfilters angeordnet. Beispielsweise können der erste und der zweite Partikelfilter innerhalb eines Gehäuses untergebracht sein. Hierfür kann ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse vorgesehen sein, dass durch Zu- und Ableitungen geringeren Durchmessers angeschlossen ist. Hierbei kann der zweite Partikelfilter auch vorteilhaft am Eingang oder innerhalb der Ableitung angeordnet sein, wobei er einen geringeren Durchmesser als der erste Partikelfilter aufweisen kann. Dies bewirkt eine höhere Dichte der abgelagerten Partikelmasse auf der Oberfläche des zweiten Partikelfilters, wodurch der gewünschte schnelle Anstieg des Druckabfalls über den zweiten Partikelfilter mit der abgelagerten Partikelmasse begünstigt wird. Aus demselben Grund kann der erste Partikelfilter auch eine erste Filteroberfläche und der zweite Partikelfilter eine zweite Filteroberfläche aufweisen, wobei die zweite Filteroberfläche geringer als die erste Filteroberfläche ist. Unter „Filteroberfläche“ ist hier die aktive Oberfläche des üblicherweise porösen oder faserigen Partikelfilters gemeint, die deutlich größer als die äußeren geometrischen Abmessungen des Partikelfilters sind.
Der zweite Partikelfilter ist vorzugsweise in räumlicher Nähe zu dem ersten Partikelfilter angeordnet, so dass während der Durchführung eines Regenerationszyklus des ersten Partikelfilters in dem zweiten Partikelfilter abgelagerte Partikel oxidiert werden. Die räumliche Nähe begünstigt einen hohen Hitzeeintrag auf den zweiten Partikelfilter, wenn die Regeneration des ersten Partikelfilters passiv, also als Nebeneffekt von hohen Abgastemperaturen aufgrund einer momentan hohen Leistung der Brennkraftmaschine, oder aktiv, also gezielt beispielsweise durch Nacheinspritzung von Kraftstoff, vorgenommen wird. Dazu muss gewährleistet sein, dass der zweite Partikelfilter so nahe an dem ersten Partikelfilter angeordnet ist, dass die Abgastemperatur des den zweiten Partikelfilter durchströmenden Abgases immer noch ausreichend hoch ist, um eine Regeneration des zweiten Partikelfilters zu bewirken.
Der erste Partikelfilter kann eine erste Länge und der zweite Partikelfilter eine zweite Länge aufweisen, wobei die zweite Länge geringer als die erste Länge ist. Die geringere Länge des zweiten Partikelfilters führt zu kurzen Abgaswegen durch den zweiten Partikelfilter, was den Druckabfall über den zweiten Partikelfilter für einen Partikelfilter ohne abgelagerte Partikel minimiert.
Der zweite Partikelfilter weist vorzugsweise keinen Kanal auf. Generell sollte die Anzahl von Kanälen in dem zweiten Partikelfilter so gering wie möglich sein, um einen möglichst geringen Druckabfall über den zweiten Partikelfilter im unbeladenen Zustand zu erreichen. Insbesondere kann der erste Partikelfilter eine erste Anzahl Kanäle und der zweite Partikelfilter eine zweite Anzahl Kanäle aufweisen, wobei die zweite Anzahl geringer als die erste Anzahl ist.
Der zweite Partikelfilter besteht bevorzugt aus einer porösen Scheibe besteht, beispielsweise aus einem porösen Keramikmaterial, einem Keramikschaum, einem Sintermetall, einem Metallschaum oder aus komprimierten Metallfasern. Die genannten Materialien eignen sich besonders für den Aufbau eines Partikelfilters mit den obengenannten Verhalten im beladenen und unbeladenen Zustand.
Die Partikelfilteranordnung kann mit einem stromaufwärts des ersten Partikelfilters angeordneten ersten Drucksensor und einem stromabwärts des zweiten Partikelfilters angeordneten zweiten Drucksensor ausgestattet sein, wobei der erste und der zweite Drucksensor mit einer Messeinheit verbunden sind, welche ausgebildet ist, eine Druckdifferenz über den ersten und den zweiten Partikelfilter zu bestimmen. Es ist nicht notwendig, zwischen den beiden Partikelfiltern einen weiteren Drucksensor anzuordnen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einer in einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordneten erfindungsgemäßen Partikelfilteranordnung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelfilteranordnung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelfilteranordnung; und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelfilteranordnung.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelfilteranordnung 1. Ein Abgasstrom 4 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine durchströmt die Partikelfilteranordnung 1, wobei er durch eine Zuleitung 8 zuerst zu einem in einem Gehäuse 10 angeordneten ersten Partikelfilter 2 gelangt, der in dem Abgasstrom 4 enthaltene Partikel aus dem Abgasstrom 4 herausfiltert und in sich ablagert. Stromabwärts des ersten Partikelfilters 2 ist ein zweiter Partikelfilter 3 vorgesehen, wobei der zweite Partikelfilter 3 bei dem ersten Ausführungsbeispiel in demselben Gehäuse 10 angeordnet ist wie der erste Partikelfilter 2. Der Abgasstrom 4 verlässt die Partikelfilteranordnung 1 durch eine Ableitung 9, wonach er entweder an eine Umgebung abgegeben oder wenigstens teilweise in einer Abgasrückführung einer Zuluft der Brennkraftmaschine beigemengt werden kann.
Der zweite Partikelfilter 3 besitzt in dem gezeigten Beispiel eine geringere Dicke als der erste Partikelfilter 2 und kann die oben genannten vorteilhaften Eigenschaften in freier Kombination untereinander aufweisen. Stromaufwärts des ersten Partikelfilters 2 und stromabwärts des zweiten Partikelfilters 3 können ein erster beziehungsweise ein zweiter Drucksensor 5 beziehungsweise 6 vorgesehen sein, die mit einer Messeinheit 7 zum Bestimmen eines Druckabfalls über die beiden Partikelfilter 2 und 3 verbunden sein können. Die Drucksensoren 5 und 6 können innerhalb des Gehäuses 10 oder stromauf- beziehungsweise -abwärts in der Zuleitung 8 beziehungsweise der Ableitung 9 angeordnet sein.
Für die nachfolgend anhand der 2 und 3 beschriebenen weiteren Ausführungsbeispiele gilt das zu 1 Gesagte, soweit nicht ausdrücklich abweichende Angaben gemacht werden.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelfilteranordnung 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der zweite Partikelfilter 3 an einem Eingang der Ableitung 9 der Partikelfilteranordnung 1 angeordnet ist und einen geringeren Durchmesser als der erste Partikelfilter 2 aufweist. Der geringere Durchmesser des zweiten Partikelfilters 3 bewirkt eine höhere Dichte der auf dem zweiten Partikelfilter 3 abgelagerten Partikelmasse, wodurch im Betrieb der Gesamtanordnung ein schnellerer Anstieg des Druckabfalls über den zweiten Partikelfilter 3 und damit über die Partikelfilteranordnung 1 mit zunehmender abgelagerter Partikelmasse vorteilhaft bewirkt wird. Der zweite Drucksensor 6 ist hier in der Ableitung 9 der Partikelfilteranordnung 1 angeordnet.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelfilteranordnung 1, bei dem der zweite Partikelfilter 3 innerhalb der Ableitung 9 der Partikelfilteranordnung 1 und stromabwärts des Eingangs der Ableitung 9 angeordnet ist. Zu den Vorteilen gilt das zum zweiten Ausführungsbeispiel Gesagte. Durch Wahl des Abstandes zwischen dem ersten Partikelfilter 2 und dem zweiten Partikelfiltern 3 kann die auf den zweiten Partikelfilter 3 während einer Regeneration des ersten Partikelfilters 2 einwirkende Wärme beeinflusst werden. Durch Erhöhen des Abstandes kann ein zu hoher Hitzeeintrag des in der Ableitung 9 räumlich gegenüber dem Gehäuse 10 komprimierten Abgasstromes 4 auf den zweiten Partikelfilter 3, der aus einem anderen Material beziehungsweise einer anderen Materialzusammensetzung aufgebaut und ein anderes inneres Gefüge aufweisen kann als der erste Partikelfilter 2, verhindert werden. Gleichwohl sollte der Abstand nicht so groß werden, dass eine gleichzeitige Regeneration des zweiten Partikelfilters 3 während einer Regeneration des ersten Partikelfilters 2 verhindert wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird, zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Partikelfilteranordnung
2: erster Partikelfilter
3: zweiter Partikelfilter
4: Abgasstrom
5: erster Drucksensor
6: zweiter Drucksensor
7: Messeinheit
8: Zuleitung
9: Ableitung
10: Gehäuse

Claims

Eine Partikelfilteranordnung (1) für eine Brennkraftmaschine und mit einem ersten Partikelfilter (2) und einem stromabwärts des ersten Partikelfilters (2) angeordneten zweiten Partikelfilter (3), dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorbestimmten abgelagerten Partikelmasse in einem jeweiligen der Partikelfilter (2, 3) und bei einem vorbestimmten Massendurchsatz eines Abgasstromes der Brennkraftmaschine eine erste Druckdifferenz über den ersten Partikelfilter (2) geringer als eine zweite Druckdifferenz über den zweiten Partikelfilter (3) ist.
Die Partikelfilteranordnung (1) des vorhergehenden Anspruchs, bei der der zweite Partikelfilter (3) unmittelbar stromabwärts des ersten Partikelfilters (2) angeordnet ist.
Die Partikelfilteranordnung (1) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Partikelfilter (2) eine erste Filteroberfläche und der zweite Partikelfilter (3) eine zweite Filteroberfläche aufweisen, wobei die zweite Filteroberfläche geringer als die erste Filteroberfläche ist.
Die Partikelfilteranordnung (1) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Partikelfilter (3) in räumlicher Nähe zu dem ersten Partikelfilter (2) angeordnet ist, so dass während der Durchführung eines Regenerationszyklus des ersten Partikelfilters (2) in dem zweiten Partikelfilter (3) abgelagerte Partikel oxidiert werden.
Die Partikelfilteranordnung (1) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Partikelfilter (2) eine erste Länge und der zweite Partikelfilter (3) eine zweite Länge aufweisen, wobei die zweite Länge geringer als die erste Länge ist.
Die Partikelfilteranordnung (1) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Partikelfilter (3) keinen Kanal aufweist.
Die Partikelfilteranordnung (1) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Partikelfilter (2) eine erste Anzahl Kanäle und der zweite Partikelfilter (3) eine zweite Anzahl Kanäle aufweist, wobei die zweite Anzahl geringer als die erste Anzahl ist.
Die Partikelfilteranordnung (1) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Partikelfilter (3) aus einer porösen Scheibe besteht, insbesondere aus einem porösen Keramikmaterial, einem Keramikschaum, einem Sintermetall, einem Metallschaum oder aus komprimierten Metallfasern.
Die Partikelfilteranordnung (1) eines der vorhergehenden Ansprüche, mit einem stromaufwärts des ersten Partikelfilters (2) angeordneten ersten Drucksensor (5) und einem stromabwärts des zweiten Partikelfilters (3) angeordneten zweiten Drucksensor (6), wobei der erste und der zweite Drucksensor (5, 6) mit einer Messeinheit (7) verbunden sind, welche ausgebildet ist, eine Druckdifferenz über den ersten und den zweiten Partikelfilter (2, 3) zu bestimmen.
Ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einer in einem Abgasstrom (4) der Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilteranordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.