DE3929939A1 - Abgaspartikelfilter fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaspartikelfilter für Brennkraftmaschinen.

STAND DER TECHNIK

Der Grad des Ausstoßes von Partikeln aus dem Betrieb von Brennkraftmaschinen hat in verschiedenen Ländern bereits eine gesetzliche Limitierung erfahren. Andere Länder werden sich dieser Entwicklung anschließen, wobei davon auszugehen ist, daß eine Verschärfung über die Emission zulässiger Grenzwerte von Abgaspartikeln stattfinden wird.

Bei der Partikelemission von Brennkraftmaschinen handelt es sich im wesentlichen um folgende Bestandteile:

• - Freischwebender Ruß
• - Im Ruß angelagerte Kohlenwasserstoffverbindungen und andere organische Substanzen
• - Sulfatverbindungen

Um hiergegen Abhilfe zu schaffen bietet sich die Möglichkeit an, stromabwärts des Verbrennungsmotors Abgaspartikelfilter einzubauen. Die üblichen, homogen aufgebauten Abgaspartikel­ filter brauchen eine feine Porosität, damit der gesamte zu erzielende Abscheidegrad genügend groß ausfällt. Wegen dieser feinen Porosität und der geringen Regenerationswahrscheinlich­ keit sind Filterbelegungen über längere Zeit nicht zu umgehen. Damit nun der von der Filterbelegung hervorgerufene Druckab­ fall in akzeptablen Grenzen bleibt, wird folgerichtig eine große Filteroberfläche vorgesehen. Diese ergibt aber unver­ meidlich eine große Filtermasse und, da man bei feiner Poro­ sität mit nahezu vollständigem Wärmeaustausch rechnen muß, eine große Zeitkonstante.

Was die Regenierung des belegten Abgaspartikelfilters anbe­ langt, so ist aus EP-A-00 10 384 eine Vorrichtung zur Be­ grenzung der Abgaspartikelemission bekannt geworden. Die hier gezeigte und beschriebene nicht aufgeladene Brennkraft­ maschine ist mit einem im Abgassystem plazierten Abgaspartikel­ filter bestückt. Durch Erhöhung der Abgastemperatur vor dem Filter wird dessen Regenerierung eingeleitet, indem eine Verbrennung der Rußablagerung auf der Oberfläche des Abgas­ partikelfilters erfolgt. Die Erhöhung der Abgastemperatur vor dem Filter geschieht durch Erhöhung des Brennstoff/Luft- Verhältnisses, d.h., die Lufteinlaßmenge erfährt eine Drosse­ lung. Um die Temperatur zu erhöhen, nimmt man hier bewußt eine negative Beeinflussung der Ladungswechselschleife, d.h. des Wirkungsgrades, mit einer entsprechenden Verschlechterung des Brennstoffverbrauches in Kauf.

Aus EP-A-00 72 059 ist bekannt, im Hochdruckteil des Abgas­ systems vor dem Lader, der hier eine Druckwellenmaschine ist, einen Abgaspartikelfilter anzuordnen. Tritt nun bei Teillast eine Verstopfung des Abgaspartikelfilters auf, so bewirkt dessen Druckverlust primär eine Behinderung des Gas­ wechels des Motors, was eine Reduktion der Nutzleistung zur Folge hat. Die Leistungseinbuße wird vom Fahrzeuglenker durch eine größere Brennstoffzuführung wettgemacht. Fordert der Fahrzeuglenker dem Fahrzeug genügend Leistung ab, so steigt die Abgastemperatur stark an und es kommt automatisch zu einem Abbrennen der im Filter abgelagerten Abgaspartikeln. Der bei dieser Schaltung zugrundegelegte Temperaturstoß kann auch durch eine kurzfristige Betätigung der Ladeluft­ klappe, des Abgasbypassventils oder der Rezirkulationsklappe erzielt werden. Beim Schließen der Ladeluft- oder Rezirkula­ tionsklappe resp. Öffnen des Abgasbypassventils wird kurz­ fristig die Ladeluftdichte und somit der Luftüberschuß ver­ ringert, was bei gleichbleibender Brennstoffzufuhrmenge die Abgastemperatur erhöht.

Bei beiden oben gewürdigten Schaltungen führt das sporadische Regenerieren des Abgaspartikelfilters aber zwangsläufig zu einer periodisch anwachsenden Verstopfung des Filters und deshalb zu schlechtem thermodynamischem Verhalten des Motors. Das sporadische Regenerieren des Abgaspartikelfilters ist an sich ein zufälliges, unkontrolliertes Abbrennen der Ablage­ rungen und führt wegen der hohen Temperaturgradienten und Wärmespannungen zu einer Ermüdung des Materials und zur Zer­ störung des Filters. Darüber hinaus muß angenommen werden, daß der Widerstand und die große thermische Trägheit des Abgaspartikelfilters den Brennstoffverbrauch und die Fahr­ leistung verschlechtern, vor allem im transienten Bereich.

Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit einem hochdruckseitig vorgesehenen Abgaspartikelfilter muß davon ausgegangen werden, daß nach einem Kaltstart in der Regel 10-20 sec. verstrei­ chen, bis sich der Ladedruck aufgebaut hat. Zwar könnte diesem Nachteil durch Verringerung des Filtervolumens entgegengewirkt werden; allein führt diese Maßnahme zu einer unakzeptablen raschen Filterbelegung, die dann einen Gegendruckanstieg nach sich ziehen würde. Eine Vergrößerung der Porosität bringt, wie bereits in der Einleitung erwähnt, auch nicht die angestrebte Verbesserung, denn durch diese Maßnahme wird einerseits der Abscheidegrad herabgesetzt und anderer­ seits muß hinsichtlich der Wärmespeicherung mit einer unge­ nügenden Verbesserung gerechnet werden. Auch eine andere bekannt gewordene Vorkehrung, nämlich den Abgaspartikelfilter mit einem Bypass zu versehen, ist nach heutiger Akzeptanz trotz allem nicht mehr diskutabel: Tritt der Bypass während der Beschleunigungsphase in Funktion, so ist die Partikeler­ zeugung während dieser durch große Last gekennzeichneten Periode zwar höher als beim üblichen Betrieb, gesamthaft betrachtet werden die geltenden gesetzlichen Grenzwerte - trotz des nicht filtrierten Anteils - aber nicht überschritten, denn ein PKW fährt im üblichen Betrieb nur wenige Prozente der Zeit im Beschleunigungsbetrieb. Gegen diese Lösung spricht aber gewichtig die Möglichkeit, daß das System mißbräuchlich auf Bypass blockiert wird und so die gesetzgeberische Absicht unterlaufen werden könnte. Dessen ungeachtet muß immer noch in Betracht gezogen werden, daß die gesetzlichen Grenzwerte an Partikelemission fortlaufend restriktiv werden, so daß es nur eine Frage der Zeit ist, bis eine Bypass-Regelung überhaupt nicht mehr in Betracht kommen kann.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Abgaspartikelfilter der eingangs genannten Art während des ganzen Betriebes des Verbrennungsmotors eine integrale Filterung der Partikelemission zu erreichen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, das Abbrennen der ausgefilterten Partikelemission, im Sinne einer nach Bedarf von außen inii­ zierten Regenerierung des Abgaspartikelfilters, zu gewähr­ leisten. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, die Wärmesenk­ eigenschaft des Abgaspartikelfilters zu minimieren, damit ein allenfalls nachgeschalteter Lader rasch ansprechen kann.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß bei einem Schaumfilter, wie beispiels­ weise in SAE TECHNICAL PAPER SERIES, No. 841394 "Regeneration Process of Ceramic Foam Diesel-Particulate Traps" beschrieben wird, die Regeneration gegenüber andersartigen Filtern wesent­ lich besser abläuft, weil sich bei dieser Filterart ein einmal gestarteter Brand durch das ganze Filter hindurch ausbreiten kann: Dies im Gegensatz beispielsweise zu einem Zellenfilter, bei dem von Zelle zu Zelle eine starke Isolationswirkung vorherrscht, daher auch nur ein inselartiges Abbrennverhalten zu erwarten ist. Sitzt nun möglichst im Zentrum des Filters eine heizbare Einrichtung, so kann die für den Ruß benötigte Entzündungstemperatur fortlaufend aufgebracht werden, was ein stetiges Abbrennen ergibt; möglich ist es auch, die elektri­ sche Energie periodisch zuzuführen, beispielsweise dann, wenn der Filtergegendruck ein entsprechend hohes Maß erreicht hat.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Ausführungsart, hinsichtlich Porosität, zwei unterschiedliche Filterteile vorzusehen, der eine als Zentralfilterteil, der andere als Außenfilterteil. Soweit der Zentralfilterteil, mit seiner größeren Filterporosität und kleineren Masse, gegenüber dem Außenfilterteil einen kleineren Abscheidegrad aufweist, verlieren dort die Abgase wenig Temperatur, d.h., die Wärme­ senkeigenschaft des Abgaspartikelfilters wird somit gemildert, so daß ein nachgeschalteter Lader rasch ansprechen wird. Da somit die Abscheidung der Rußpartikeln vorerst primär im Zentralfilterteil stattfindet, wird sich hier, trotz des geringeren Abscheidegrades, rasch eine starke Ablagerung bilden. Der hierdurch entstehende Widerstand kann als Maß für die Zuführung der Energie zur heizbaren Einrichtung dienen, wobei als Sicherheit hierzu immer noch der Außenfilterteil zur Verfügung steht, der über eine längere Periode ohne Rege­ neration Rußpartikeln auszufiltern vermag.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Vorteil darin, daß der Abgaspartikelfilter von einer Halterung dergestalt ummantelt ist, daß mithin sich eine diffusorarti­ ge Abströmung einstellen kann.

Die Erfindung eignet sich sowohl für unaufgeladene als auch für aufgeladene Brennkraftmaschinen. Bei den letzteren handelt es sich um Aufladung mit mechanischen Ladern, Abgasturboladern oder Druckwellenladern.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabenlösung sind des weiteren in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung des Abgases ist mit Pfeilen gekennzeich­ net. In den Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:

Fig. 1 einen Abgaspartikelfilter mit diffusorartiger Abströ­ mung und heizbarem Element und

Fig. 2 einen weiteren Abgaspartikelfilter mit diffusorarti­ ger Abströmung, heizbarem Element und unterschiedli­ chen Filterteilen.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt vereinfacht den Aufbau eines Abgaspartikelfilters 1. Der hier gezeigte aktive Filterteil 2, von der Außenform einer Parabel, ist im Rohrsystem des Abgases 3 aus dem Ver­ brennungsmotor verankert, dergestalt, daß sich durch den Filterteil 2 eine diffusorartige Abströmung 4 einstellen kann. Die in etwa parabelförmige äußere Ausgestaltung des Filterteils 2 weist anströmungsseitig eine Schulter 5 auf, welche in einer Ausnehmung 7 des Rohres 6 mittels beispiels­ weise eines Fixierungsmaterials 8 verankert ist. Selbstver­ ständlich kann es sich auch um eine mechanisch lösbare oder feste Verbindung handeln.

Die Wärmesenkeigenschaft des Abgaspartikelfilters 1 ist mit vorliegender Abströmung 4 soweit minimiert, daß ein allen­ falls nachgeschalteter Lader damit nicht negativ beeinflußt wird, denn die Leistung eines Laders hängt bekanntlich davon ab, wie hoch sich nach einem neuerlichen Start oder nach einer leistungsschwachen Fahrtperiode die Temperaturabsenkung der Abgasströmung 11 nach dem Abgaspartikelfilter 1 bemerkbar macht. Der ausgesparte Kern 9 des Abgaspartikelfilters 1 sorgt grundsätzlich dafür, daß der Abgasstrom 3 vom Motor eine weitgehende Kanalisierung zur Mitte erfährt. Dort ist ein elektrisch heizbares Element 10 plaziert, das die Tempe­ ratur für die Entzündung des ausgefilterten Rußes aufzubrin­ gen vermag. Daß hier ein Schaumfilter vorgesehen ist, hängt damit zusammen, daß dessen Regeneration gegenüber anderen Filterarten wesentlich besser abläuft: Beim Schaumfilter ist es so, daß ein einmal gestarteter Brand sich durch das ganze Filter auszubreiten vermag, dies im Gegensatz beispiels­ weise zu einem Zellenfilter, bei welchem von Zelle zu Zelle eine starke Isolationswirkung vorherrscht, welche nur ein inselartiges Abbrennverhalten ermöglicht.

Bei diesem durchströmten Abgaspartikelfilter 1 ist die zur Regeneration aufzubringende Wärmemenge auch relativ klein, so daß es sich beim heizbaren Element 10 um eine einfache Einrichtung handeln kann. Vorteilhaft ist es auch hier, dem Element 10 nicht ständig elektrische Energie zuzuführen, sondern lediglich periodisch, dann nämlich, wenn der Filter­ gegendruck ein entsprechend hohes Maß erreicht hat.

Fig. 2 zeigt eine weitergehende Variante eines Abgaspartikel­ filters 1. Der auch hier ausgesparte Filterteil erfaßt einen Außenfilterteil 2 a und einen Zentralfilterteil 2 b. Der ausge­ sparte Kern 9 hat auch hier, zur besseren Kanalisierung des Abgasstromes 3, die Form in etwa einer Parabel. Damit erfüllt diese Formgebung im vorliegenden Fall eine doppelte Funktion. Dadurch daß der Zentralfilterteil 2 b gegenüber dem Außen­ filterteil 2 a eine größere Porosität aufweist, wie die unter­ schiedliche Schraffur hilfsweise andeuten will, folgt die Abgasströmung 3 bei Inbetriebnahme oder nach einer Regenera­ tionsperiode dem Weg des geringsten Widerstandes, d.h., der größere Teil des Abgasstromes 3 wird vorerst durch den Zentral­ filterteil 2 b strömen. Die größere Porosität bewirkt hier darüber hinaus, daß der Wärmeaustausch und somit der Wärmever­ lust im Abgaspartikelfilter noch weiter minimiert wird. Natür­ lich wird auch die geringere Masse des Zentralfilterteils 2 b weniger Wärme speichern können, d.h., die Zeitkonstante dieses Filterteils ist somit von geringem Wert. Da der Abgaspartikel­ filter 1 an sich eine Wärmesenke ist, wie dies unter Fig. 1 eingehend erläutert wurde, wirken sich die beiden beschriebenen Effekte demzufolge, insbesondere gegenüber einem nachgeschal­ teten Lader, positiv aus. Es ist naheliegend, daß der Filte­ rungsgrad des Zentralfilterteils 2 b anfänglich, also bei Start, oder nach jeder Regenerationsphase in Abhängigkeit zu der hier vorgesehenen Porosität stehen wird. Allgemein gilt es, daß der hauptsächlich beim Beschleunigungsvorgang allenfalls stattfindende partielle Rußausstoß von sehr kurzer Dauer sein wird, denn der Zentralfilterteil 2 b, in dem primär die Rußabscheidung aus bekannten Gründen statt­ findet, wird sehr bald belegt sein, so daß sich der Abgasstrom 3 schon in der Beschleunigungsphase und dann in dem der Be­ schleunigungsphase folgenden Betrieb, wegen des im Zentral­ filterteil 2 b zunehmenden Widerstandes, den Weg über den größeren, noch nicht beschlagenen Außenfilterteil 2 a suchen wird. Dieser bietet an sich dann die Kapazität, für eine längere Periode ohne Regeneration der ausgefilterten Ruß­ partikeln auszukommen. Bei dieser Ausgestaltung des Abgas­ partikelfilters 1 ist es vorteilhaft, wenn die Zuführung der elektrischen Energie zum heizbaren Element 10 periodisch stattfindet, wenn der Filtergegendruck ein entsprechendes Maß aufweist. An sich ist die aufzubringende Energie klein: Dies hängt vom geringen Volumen des Zentralfilterteils 2 b ab sowie von der Tatsache, daß zur Entzündung der ausge­ filterten Rußpartikeln eine Temperatur von 500-550°C vorausgesetzt wird, sofern eine Sauerstoffkonzentration von 3-6% zur Verfügung steht. Da sich beim vorliegenden Schaum­ filterprinzip ein einmal gestarteter Brand durch das ganze Filter auszubreiten vermag, besteht mithin nicht die immanente Gefahr, daß der Zentralfilterteil 2 b gegenüber dem Außen­ filterteil 2 a eine größere Regenerations-Wahrscheinlichkeit hat. Allgemein ist hier zu sagen, daß die Regeneration dem Massenwirkungsgesetz nach Arrhenius folgt. Den vorgeschriebenen Normen entsprechend, muß die Porosität des Zentralfilterteils 2 b, der eine schwächere Abscheidung aufweist, ausgelegt sein. Fordert man zum Beispiel, daß bei regeneriertem Zustand 2/3 der Abgasmenge durch den Zentralfilterteil 2 b zu strömen hat und reduziert man seine Masse auf 10% des Außenfilter­ teils 2 a, so ist dies mit einer starken Verringerung des Durchströmungswiderstandes bzw. einer starken Erhöhung der Porosität in der Größenordnung von Faktor 20 aufzuwiegen, d.h. die mittlere Porengröße des Zentralfilterteils 2 b würde sich dann um 0,1 mm bewegen. Selbstverständlich wird die Porengröße dem jeweiligen konkreten Fall optimal angepaßt, wobei durch die hier vorgesehene autonome Heizeinrichtung 10 für die Regeneration des Abgaspartikelfilters 1 keine Kompromisse mehr mit dessen Porengröße eingegangen werden müssen, denn beim hier durchströmten Filter kann die Ent­ zündungstemperatur problemlos aufgebracht werden. Eine inter­ mittierende Regeneration ist deshalb anzustreben, damit nicht eine große Menge von teilverbrannten Rußpartikeln, die während einer kontinuierlichen Verbrennung entstehen könnten, den Weg über den Zentralfilterteil 2 b nach außen finden. Außenfilterteil 2 a und Zentralfilterteil 2 b können aus einem Guß hergestellt werden.

Hier bietet sich als praktische Herstellungsart die Extrudier­ technik an. Es ist auch denkbar, die Filterteile einzeln herzustellen und sie anschließend dicht miteinander zusammen­ zufügen, wobei beim Schaumfilter in monolitischer Bauweise Partien mit unterschiedlicher Porosität hintereinander geschal­ tet werden können, und so die Möglichkeit geschaffen wird, den Einzelfall optimal zu erfassen. Der Kern 9 muß nicht notwendigerweise parabelförmig ausgebildet sein. Es sind auch andere, z.B. zylinderartige Formgebungen denkbar; auch die mittlere Lichte Weite ist variabel, beispielsweise könnte sie 1/3 des Durchmessers des Außenfilterteils 2 a betragen. Ausgehend von den zugrundegelegten Merkmalen, wonach der Zentralfilterteil 2 b gegenüber dem Außenfilterteil 2 a eine größere Filterporosität und eine kleinere Masse aufweist, d.h., der Zentralfilterteil 2 b erbringt gegenüber dem Außen­ filterteil 2 a einen kleineren Abscheidegrad, so ist die geo­ metrische Ausgestaltung der beiden Filter nicht unabdingbar mit einem Anströmungskern 9 vorzusehen. Nachdem die Abgas­ strömung sich stets den Weg des geringsten Widerstandes suchen wird, also vorerst den Zentralfilterteil 2 b beaufschlagen wird, bedarf es einer besonderen Kanalisierung, wie die Fig. 1 und 2 zeigen, nicht. Eine bündige Anströmungsseite zwischen den beiden Filterteilen 2 a, 2 b, d.h., ein zylinderförmiger Zentralfilterteil 2 b von gleicher Baulänge des Außenfilter­ teils 2 a, birgt somit keine Nachteile in sich, einzig das anströmungsseitige Zuführungsrohr muß hier so gehalten werden, daß sich dort ein sauberes Geschwindigkeitsprofil einstellt.

Claims (6)

1. Abgaspartikelfilter für Brennkraftmaschinen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der aktive Abgaspartikelfilterteil (2) ein Schaumfilter ist, dessen Anströmungskern (9) mit einem heizbaren Element (10) bestückt ist.

2. Abgaspartikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Abgaspartikelfilterteil (2) aus einem Außenfilterteil (2 a) und einem Zentralfilterteil (2 b) besteht, wobei der Zentralfilterteil (2 b) gegenüber dem Außenfilterteil (2 a) eine größere Filterporosität und eine kleinere Masse aufweist.

3. Abgaspartikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom (3) den Abgaspartikelfilterteil (2) diffusorartig durchströmt.

4. Abgaspartikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaspartikelfilterteil (2) im Kern in Anströmungs­ richtung eine strömungseinleitende Ausnehmung (9) aufweist.

5. Abgaspartikelfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Zentralfilterteils (2 b) 10-20% der­ jenigen des Außenfilterteils (2 a) ist.

6. Abgaspartikelfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungseinleitende Ausnehmung (9) parabelförmig ist.