DE3803100A1 - Verfahren und vorrichtung zum regenerieren von russfiltern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren von Rußfiltern für Dieselmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Dieselmotoren emittieren erfahrungsgemäß drei- bis achtmal so viele Partikel wie vergleichbare Ottomotoren. Die Partikel bestehen überwiegend aus Kohlenstoff, an dem organische Substanzen höherer Molmasse angelagert sind. Diese Partikel sind unerwünscht. Ihre mutagene Wirkung ist nachgewiesen, eine Kanzerogenität wird vermutet. Die Partikel sind wegen ihrer Kleinheit lungengängig und werden deshalb als Auslöser von Lungenkrankheiten angesehen. Außerdem erhöhen die emittierten Partikel die Gesamtmenge an Schwebeteilchen in der Atmosphäre und tragen zur Smogbildung bei.

Eine hinreichende Absenkung der Partikelemission ist insbesondere bei Dieselmotoren mit größerem Hubraum durch motorinterne Maßnahmen alleine nach dem heutigen Stand der Technik kurzfristig nicht möglich. Es ist deshalb erforderlich, die Dieselabgase nachzubehandeln.

Von den möglichen Verfahren und Vorrichtungen zur Reinigung der Dieselabgabe haben sich für die Anwendung in Fahrzeugen bisher ausschließlich Filter durchsetzen können. Eines der in der Praxis gebräuchlichen Filtersysteme verwendet einen aus einer porösen Keramik extrudierten Wabenkörper als Filterelement. Die Poren in den Wabenwänden sind derart fein, daß die Partikel zurückgehalten werden. Mit zunehmender Betriebsdauer verstopfen die Poren, der Abgasgegendruck steigt, der Motor verliert an Leistung und der Kraftstoffverbrauch nimmt zu.

Aus diesem Grund müssen diese keramischen Filter rechtzeitig regeneriert werden. In der Praxis ist dies nach einer Betriebsdauer von ca. 5 Stunden der Fall. Dabei wird durch externe Zuführung von Wärmeenergie der ausgefilterte Kohlenstoff so weit erhitzt, daß er mit dem im Abgas enthaltenen Sauerstoff reagiert und verbrennt. Die Zündtemperatur liegt oberhalb 500 Grad C. Die Temperatur der Dieselabgase selbst bleibt in der Regel unter der Zündtemperatur bzw. erreicht sie zu selten und dann auch nur zu kurzzeitig.

Es sind verschiedene Methoden bekannt, um die für das Erreichen der Zündtemperatur benötigte Wärmeenergie zu erzeugen. Eine Methode verwendet dem Keramikkörper vorgeschaltete kraftstoff- oder gasbetriebene Brenner.

Nach einer anderen Methode wird heiße Luft durch das Filterelement hindurchgeblasen.

Eine dritte Methode ist beschrieben in der EP-A-02 20 588. Hier wird die Wärmeenergie von einem elektrisch beheizten Widerstand erzeugt. Außerdem wird im Bereich der Widerstandsheizung eine Kohlenstoff-Luft-Atmosphäre erzeugt, indem staubförmiger Kohlenstoff entweder aus einem externen Speicher zugegeben oder mit Hilfe von Preßluft aus dem Filter selbst aufgewirbelt wird. Dieses Kohlenstoff-Luftsauerstoff-Gemisch wird von der elektrischen Heizspirale gezündet und zündet anschließend die Rußschichten auf den Wandungen des Keramikfilters. Die so gebildete Flammenfront wandert dann mit der Abgasströmung durch das Filter.

Bekannt ist auch, auf das Rußfilter ein chemisches Oxidationsmittel aufzusprühen, welches die Verbrennungstemperatur des Rußes katalytisch erniedrigt.

Die bekannten Methoden ermöglichen zwar ein sehr schnelles Regenerieren der Rußfilter, üblicherweise in ca. 2 Minuten. Dabei steigt jedoch die Temperatur örtlich auf Werte bis über 1000 Grad C an. Diese Überhitzungszone wandert schnell durch den Filterkörper. Außerdem bilden sich erfahrungsgemäß sogenannte Zündnester, die zu einer weiteren örtlichen Überhitzung des Filterkörpers führen, schlimmstenfalls bis zur Schmelztemperatur des Materials. Man beobachtet deshalb immer wieder durch thermisch bedingte Spannungen verursachte Brüche des Filterkörpers, wenn dieser aus Keramik besteht. Der an der Bruchstelle gebildete Bypaß verringert die Filterwirkung.

Darüber hinaus ist es umständlich, ständig einen kraftstoffgespeisten Brenner, einen Vorratsbehälter für Kohlenstoffstaub oder Oxidationsmittel und gegebenenfalls einen Druckluftbehälter bzw. einen Kompressor mitführen zu müssen.

Auch die Bereitstellung ausreichender elektrischer Energie zum Aufheizen des Abgas-Kohlenstaub-Gemischs auf die Zündtemperatur wie oben erwähnt, ist jedenfalls in einem Fahrzeug recht problematisch, da die Heizspirale und alle weiteren Filterteile durch den relativ kalten Abgasstrom stark abgekühlt werden. Der in der oben genannten EP-A-02 20 588 gemachte Vorschlag, die Heizspirale sozusagen im Windschatten eines geeigneten Abdeckblechs anzuordnen, mag zwar die direkte Abkühlung der Heizspirale reduzieren; an der Abkühlung des Filterkörpers und der Rußschichten ändert dies nichts.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches nur wenig Wärmeenergie zum Erreichen der Zündtemperatur benötigt und welches vor allem einen kontrollierten Rußabbrand mit nur geringen Übertemperaturen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die vorliegende Erfindung verläßt den üblichen Weg, durch Zufuhr von viel Wärmeenergie und von viel Luftsauerstoff, sei es der Luftsauerstoff im Abgas, insbesondere im Leerlauf, oder sei es durch Zugabe von erhitzter Luft, die Regeneration zu starten und in Gang zu halten, und drosselt während der Regeneration die den Filterkörper durchströmende Abgasmenge auf einen sehr geringen Wert in der Größenordnung von 10-30% des Leerlauf-Abgasmassenstroms. Durch die Reduzierung der Abgasmenge wird die Abkühlung der Wärmequelle, bei der es sich gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung um eine elektrische Heizspirale handelt, aber auch des Filterkörpers und der Rußschichten, erheblich reduziert. Dadurch konnte bei einem Versuchsmodell der Energiebedarf zum Erreichen der Zündtemperatur zwischen 60 und 70% reduziert werden.

Schließlich wird durch die Reduzierung der Abgasmenge die Reaktionsgeschwindigkeit der Rußoxidation gemindert. Dadurch verlängert sich der Regenerationsvorgang, der, wie schon erwähnt, etwa alle 5 Stunden erforderlich ist, von ca. 2 Minuten auf ca. 8 Minuten; die dadurch erreichte Reduzierung der Temperaturen und Temperaturgradienten führt jedoch zu einer drastischen Reduzierung der thermischen Spannungen im insbesondere keramischen Filterkörper und erlaubt so längere Standzeiten sowie eine Vereinfachung der gasdichten Lagerung desselben.

Die Reduzierung der benötigten elektrischen Energie zum ausreichenden Aufheizen der Heizspirale auf die Zündtemperatur ermöglicht es, die Heizung aus der Bordbatterie zu betreiben. Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß für die Regeneration eines Rußfilters für einen Dieselmotor mit 3 l Hubraum nur noch eine elektrische Anschlußleistung von ca. 1,7 kW und insgesamt nur 7 Ah benötigt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es prinzipiell möglich, den Regenerationsvorgang in allen Lastbereichen durchzuführen. Die während der Regeneration den Rußfilter durchströmende Abgasmenge muß lediglich so eingestellt werden, daß die zum Aufrechterhalten einer kontrollierten Rußverbrennung erforderliche, relativ geringe Sauerstoffmenge zur Verfügung steht. Da der Sauerstoffgehalt von Dieselabgasen stark vom Lastzustand des Motors abhängig ist, läßt sich ein fester Wert praktisch nicht angeben. Wegen der definierten Verhältnisse bezüglich Sauerstoffgehalt, Temperatur und Abgasmassenstrom empfiehlt es sich, die Regeneration im Leerlauf durchzuführen. Dann kann die Regeneration auch statt mit einer Regelung mit einer einfachen Steuerung gesteuert werden.

Im einfachsten Fall genügt es, während der Regeneration einen entsprechenden Anteil des Abgases am Rußfilter vorbeizuleiten. Wird diese Aufteilung der Abgasströme zu Beginn des Regenerationsvorgangs fest eingestellt, dann wird sich die Menge an Abgas, die das Filter durchströmt, im selben Maß erhöhen, wie der Ruß oxidiert, und den regenerierten Teil des Filterkörpers in erwünschter Weise kühlen.

Wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die elektrisch erzeugte Wärme den Rußschichten im direkten Kontakt zugeführt, so ergibt sich mit geringstem Aufwand ein optimaler Zündeffekt. Die Reaktion wird schnell gestartet und der elektrische Energieverbrauch bleibt gering.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtungen anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Rußfilter, eingebaut in ein Gehäuse mit einer das zu reinigende Abgas zuführenden und einer das gereinigte Abgas abführenden Rohrleitung sowie mit einer Wärmequelle vor der angeströmten Stirnseite des Keramikkörpers gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 6.

Diese Lösung ist sehr einfach. Zu ihrer Realisierung können die herkömmlichen und bewährten Abgasklappen verwendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im Bypaß ein zweites Rußfilter eingesetzt, wobei die Abgasklappe außerhalb der Regeneration das Abgas auf beide Rußfilter verteilt. Diese Lösung verhindert, daß während der an sich sehr kurzen Regenerationsphase praktisch ungereinigtes Dieselabgas in die Atmosphäre gelangen kann. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß anstelle eines einzelnen großen Filterkörpers zwei kleinere verwendet werden können. Kleine Filterkörper sind relativ preiswerter und relativ weniger anfällig gegen thermische Spannungen als große Filterkörper.

Es versteht sich, daß sich das erfindungsgemäße Prinzip auch auf drei und mehr Filterkörper erweitern läßt.

Die von der Erfindung zur Erzeugung der Wärmeenergie bevorzugte elektrische Widerstandsheizung zeichnet sich durch besondere Einfachheit und Betriebssicherheit aus. Aufgrund der Reduzierung der Abgasmenge während der Regeneration ist auch die benötigte Anschlußleistung einfach zu beschaffen.

Falls der Heizwiderstand mit der Stirnseite des Filterkörpers in Kontakt steht, ist der Wärmeübergang optimal, die benötigte elektrische Leistung wird minimal.

Vorzugsweise weist die Widerstandsheizung eine Mehrzahl von parallelen Widerstandsdrähten auf. Auf diese Weise kann die benötigte elektrische Leistung auch vom Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit 12 Volt bzw. 24 Volt-Akkumulator bereitgestellt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Filterkörper ein keramischer Wabenkörper und die Drähte der Widerstandsheizung besitzen haarnadelförmig gebogene Schlingen, wobei diese Schlingen in die Kanäle der Wabenstruktur des Keramikkörpers eingesteckt sind. Dadurch haben die glühenden Widerstandsdrähte über eine längere Strecke direkten Kontakt mit den Rußschichten, so daß der Wärmeübergang vom Draht auf die Rußschicht optimal erfolgt.

Eine andere Filtervariante besitzt die Form eines Rohrstücks, das zwischen zwei Stirnblechen so montiert wird, daß das Abgas die Rohrwand durchströmt. Solche Filterkörper bestehen aus Schaumkeramik oder aus gewickelten und gepreßten Keramikfasern bzw. Metalldrähten. Bei dieser Filterform wird die Heizspirale bevorzugt vor der Innenwand angebracht.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann hinter dem Filterkörper ein Temperaturfühler angeordnet sein. Dieser Temperaturfühler mißt während der Regenerationsphase die Temperatur der das Filter verlassenden Gase. Damit ist es möglich zu erkennen, ob die Zündtemperatur überschritten wurde, der Regenerationsvorgang also abläuft. Damit ist es aber auch möglich, die Stellung der Abgasklappe zu regeln, um den Regenerationsvorgang mit kontrollierter Geschwindigkeit ablaufen zu lassen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können vor und/oder hinter dem Filterkörper Druckfühler angeordnet sein. Damit kann der Beladungszustand des Filters mit Ruß ermittelt und die Vollständigkeit des Regenerationsvorgangs überwacht werden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Abgasanlage mit einem Rußfilter und einer Einrichtung zur Regeneration desselben,

Fig. 2 eine Abgasanlage mit zwei parallelen Rußfiltern und Einrichtungen zur Regeneration derselben,

Fig. 3 eine energiesparende Ausgestaltung einer elektrischen Heizung und

Fig. 4 eine Abgasanlage mit einem zweiten Typ Rußfilter und einer Einrichtung zur Regeneration desselben.

In Fig. 1 erkennt man ein vom Dieselmotor kommendes, das zu reinigende Abgas führendes Rohr 1, ein in ein teilweise aufgeschnitten dargestelltes Gehäuse 2 eingebauter Rußfilter 4 aus einem Keramikkörper mit Wabenstruktur und mikroporösen Wänden und ein das gereinigte Abgas abführendes Rohr 3. Vor der angeströmten Stirnseite des Keramikkörpers 4 ist eine elektrische Heizspirale 5 dargestellt, mit deren Hilfe die Rußschichten im Filterkörper 4 auf die Zündtemperatur erhitzt werden können.

In das das Abgas zuführende Rohr 1 ist eine Abgasklappe 6 eingebaut. Während des normalen Betriebszustandes befindet sich die Klappe in der Stellung 6.0, so daß das gesamte Abgas den Filterkörper 4 durchströmt. Zu Beginn des Regenerationsvorganges wird die Klappe in die Stellung 6.1 gebracht, so daß der weitaus größte Teil des Abgases in eine Bypaßleitung 7 geleitet wird. Ein geringer Teil des Abgases in der Größenordnung von 10-30%, bezogen auf die Abgasmenge im Leerlauf des Motors, strömt weiterhin durch den Filterkörper 4. Diese geringe Abgasmenge ist kaum noch in der Lage, die Heizspirale 5 bzw. den Filterkörper 4 und die darauf abgelagerten Rußschichten abzukühlen, so daß die erforderliche Zündtemperatur schon mit relativ kleinen elektrischen Anschlußleistungen erreicht wird. Die Oxidation der Rußschichten erfolgt dann dank der geringen Sauerstoffmenge relativ langsam und kontrolliert, so daß nur relativ geringe Temperaturen und vor allem verringerte Temperaturgradienten auftreten. Dadurch werden das Keramikmaterial, aber auch das Gehäuse 2 thermisch weniger beansprucht, so daß die Lebensdauer derselben steigt und die gasdichte Lagerung des Keramikkörpers 4 im Gehäuse 2 mit einfacheren und preiswerteren Mitteln realisiert werden kann.

In Fig. 2 erkennt man eine aus zwei in ihrem Gehäuse 2.1, 2.2 angeordneten Rußfiltern 4.1, 4.2. bestehende Filteranlage. In die vom Motor kommende, das zu reinigende Abgas führende Leitung 1 ist wieder das Umschaltventil 6 eingesetzt, dessen Klappe jetzt drei Stellungen hat. Während des Normalbetriebs steht diese Klappe beispielsweise in der Mittelstellung 6.0. Dadurch wird der Abgasstrom auf beide Filterkörper 4.1, 4.2 aufgeteilt. Zur Regeneration wird die Klappe entweder in die Stellung 6.1 oder 6.2 geschwenkt, so daß der zu regenerierende Filterkörper 4.1, 4.2 nur noch die für die Regeneration erforderliche Abgasmenge erhält. Auf diese Weise gelangt auch während der Regenerationsphase kein ungereinigtes Abgas in die Atmosphäre.

Hinter den Filterkörpern 4.1, 4.2 sind Temperaturfühler 8.1, 8.2 angeordnet. Diese messen die Temperatur des den Filterkörper durchströmenden Abgases. Auf diese Weise kann erkannt werden, ob die für den Regenerationsvorgang typische Zündtemperatur überschritten wurde und wie lange dies der Fall war. Auch kann mit Hilfe der gemessenen Abgastemperatur die Klappenstellung eingeregelt werden, so daß der Regenerationsvorgang mit der gewünschten kontrollierten Geschwindigkeit abläuft.

Weiterhin lassen sich vor und hinter jeden Filterkörper 4.1, 4.2 Druckfühler 9.1, 9.2, 10.1, 10.2 anordnen. Auf diese Weise läßt sich die Druckdifferenz über die Filterkörper 4.1, 4.2 ermitteln und damit der Beladungszustand der Filterflächen mit Ruß. Sobald die Druckdifferenz einen bestimmten Wert überschreitet, wird entweder ein Signal angezeigt oder aber der Regenerationsvorgang vollautomatisch eingeleitet. Hierzu dient eine als Block symbolisierte elektronische Schaltung 11, die nach außen beispielsweise ein elektronisches Signal 12 abgibt.

In Fig. 3 erkennt man in schematischer Darstellung eine besonders energiesparende Ausführung der elektrischen Heizung. Man erkennt im Schnitt die vom Abgas angeströmte Stirnseite eines Filterkörpers 4 mit den von porösen Wänden 4.1 begrenzten Filterkanälen 4.2. Die Kanalwände 4.1 sind mit Ruß 4.3 belegt. Vor der vom zu reinigenden Abgas angeströmten Stirnseite des Keramikkörpers 4 erkennt man die elektrische Heizung 5. Sie besteht aus zwei Anschlußelektroden 5.1, zwischen denen eine Vielzahl von Drähten 5.2 gespannt ist, von denen nur einer in der Zeichnung dargestellt ist. Der Widerstandsdraht 5.2 ist mit einer Reihe von haarnadelförmig gebogenen Schlingen 5.3 versehen. Diese Schlingen 5.3 werden in die stirnseitig offenen Kanäle 4.2 eingesteckt, so daß der glühende Draht 5.2 in direkten Kontakt mit den Rußschichten 4.3 kommt. Dadurch ist die Übertragung der Wärme auf die Rußschichten zum Erreichen der Zündtemperatur optimal. Außerdem werden die Drähte 5.2 im Bereich der Schlingen 5.3 mechanisch gestützt.

In Fig. 4 erkennt man in schematischer Darstellung eine Abgasanlage für Dieselmotoren mit einem rohrförmigen Filterkörper 4.4 aus Schaumkeramik oder aus gewickelten und gepreßten Keramikfasern oder Metalldrähten. Das Abgas durchströmt den Filterkörper 4.4 von innen nach außen, was durch gasdicht montierte Stirnbleche 2.4, 2.5 erreicht wird. Die elektrische Heizspirale 5.4 befindet sich in der zentralen Bohrung des Filterkörpers 4.4.

Es versteht sich, daß die in den Fig. 1, 2 und 4 gezeigte Abgasklappe 6 nicht nur in der das Abgas zuführenden Leitung 1, sondern ebensogut in der das gereinigte Abgas abführenden Leitung 3 eingesetzt werden kann.

Claims (14)

1. Verfahren zum Regenerieren von Rußfiltern (4) für Dieselmotoren während des Betriebs derselben, wobei zum Erreichen der Zündtemperatur des Rußes Wärmeenergie zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Regeneration die Mengen an Abgas, die das Rußfilter (4) durchströmen, stark, d.h. auf ca. 10-30% der Mengen, die den Motor im Leerlauf verlassen, reduziert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein entsprechender Anteil des Abgases am Rußfilter (4) vorbeigeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Rußfiltern (4.1, 4.2) umgeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie durch eine elektrische Widerstandsheizung (5) ins Filter (4) oder in den Abgasstrom kurz vor dessen Eintritt in das Filter (4) eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie den Rußschichten (4.3) im direkten Kontakt zugeführt wird.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Rußfilter (4), eingebaut in ein Gehäuse (2) mit einer das zu reinigende Abgas zuführenden und einer das gereinigte Abgas abführenden Rohrleitung (1, 3) sowie mit einer Wärmequelle (5) vor der angeströmten Stirnseite des Filterkörpers (4), dadurch gekennzeichnet, daß in eine der Abgas-Leitungen (1, 3) eine Abgasklappe (6) eingesetzt ist, die den größeren Teil der Abgasmenge während der Regeneration in einen Bypaß (7, 1.2) leitet, und daß zur Erzeugung der Wärmeenergie eine elektrische Widerstandsheizung (5) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypaß ein zweites Rußfilter (4.2) eingesetzt ist und daß die Abgasklappe (6) außerhalb der Regeneration das Abgas auf beide Rußfilter (4) verteilt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (5) mit der Stirnseite des Filterkörpers (4) in Kontakt steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (5) eine Mehrzahl von parallelen Widerstandsdrähten (5.2) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkörper (4) ein keramischer Wabenkörper ist, daß die Widerstandsdrähte (5.2) der Widerstandsheizung (5) haarnadelförmig gebogene Schlingen (5.3) besitzen und daß diese Schlingen (5.3) in die Kanäle (4.2) der Wabenstruktur des Keramikkörpers (4) eingesteckt sind.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkörper (4.4) die Form eines Rohrstücks besitzt, das zwischen Stirnwände (2.4, 2.5) derart montiert ist, daß der Abgasstrom die Rohrwand von innen nach außen durchströmt, und daß die Heizspirale (5.4) vor der Innenwand des Filterkörpers (4.4) montiert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkörper (4.4) aus Schaumkeramik oder aus gewickelten und gepreßten Keramikfasern oder Metalldrähten besteht.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Filterkörper (4) ein Temperaturfühler (8) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder hinter dem Keramikkörper (4) Druckfühler (9, 10) angeordnet sind.