DE4230667C1 - Partikelfilter für eine Gasströmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für eine Gas­ strömung, insbesondere eine Abgasströmung, insbesondere Dieselmotoren-Partikelfilter, mit einem wenigstens einen Gaseinlaß und wenigstens einen Gasauslaß aufweisenden Ge­ häuse, in dem eine Filtereinrichtung und eine der Filter­ einrichtung zugeordnete Heizeinrichtung zum Erwärmen des zu filternden Gases auf Zündtemperatur der gefilterten Partikel angeordnet sind, und mit einer Steuerung, mittels welcher die Heizeinheiten nacheinander zu betätigen sind.

Sogenannte Diesel-Partikelfilter, also Partikelfilter für die Abgase von Dieselmotoren, mittels welcher insbesondere Rußpartikel aus den Abgasen herausgefiltert werden sollen, sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt, wobei je nach Ausbildung zum Teil unterschiedliche Abscheidever­ fahren eingesetzt werden.

Ein gemeinsames Problem aller bekannter Diesel-Partikel­ filter (und der für ihren Betrieb eingesetzten Verfahren) besteht darin, daß der bestimmungsgemäß abgeschiedene (ge­ filterte) Ruß im Verlaufe des Betriebes die Filteröffnun­ gen mehr und mehr zusetzt (und schließlich verstopft), was schließlich zu einem unzulässig hohen Strömungswiderstand für den dem Partikelfilter vorgeordneten Dieselmotor führt.

Als eigentliche Filterkörper für die hier in Rede stehen­ den Partikelfilter werden in großem Umfange sogenannte Monolithen aus Keramik (oder/und Metall) verwendet, die eine Vielzahl paralleler Kanäle für die Führung der zu reinigenden Gasströmung aufweisen, wobei diese Kanäle je­ weils an ihrem Einlaßende offen und an ihrem gegenüberlie­ gende Ende mittels eines Stopfens od. dgl. verschlossen sind, so daß das durch die Kanäle strömende Gas gezwungen ist, durch die porösen Seitenwände der Kanäle zu strömen und dabei jeweils in einen benachbarten Kanal gelangen, dessen offenes und geschlossenes Ende vertauscht ist, so daß das zu reinigende (filternde) Gas danach aus dem Fil­ terkörper herausströmen kann. Beim Durchströmen der Kanal­ wände werden die (Ruß-)Partikel zurückgehalten.

Weiterhin ist es bekannt, den Filterkörper aus gewickeltem Garn zu bilden, wobei - wie ausgeführt - die gleiche Pro­ blematik vorliegt.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß überdies als Abscheidemedien auch Flüssigkeiten verwendet werden, und daß mechanische Abscheider bekannt sind, welche elektri­ sche Felder erzeugen, die zu einer Agglomeration der ab­ zuscheidenden Partikel führen.

Um dem oben bereits angesprochenen Problem Herr zu werden und den bestimmungsgemäß im Filterkörper abgeschiedenen Ruß von Zeit zu Zeit zu entfernen, hat man sowohl bereits keramische Monolithen als auch Filtergarne mit einer kata­ lytischen Beschichtung versehen oder Additive hinzuge­ setzt, um die (normalerweise bei ca. 650°C liegende) Zünd­ temperatur der Rußpartikel herabzusetzen. Dabei ist jedoch allenfalls eine Verminderung der Ruß-Zündtemperatur auf ca. 400°C zu erreichen, was im allgemeinen jedoch nicht ausreicht, um einen sicheren, störungsfreien Dauerbetrieb zu erzielen.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß die oben angesprochene Problematik ersichtlich nicht gegeben ist, wenn die Tempe­ ratur der zu reinigenden (filternden) Gase (im Falle der Verwendung eines Dieselmotors also dessen Abgastemperatur) bereits wenigstens so groß wie die Zündtemperatur der Par­ tikel ist. Dieses ist jedoch allenfalls bei Vollastbetrieb der Fall, während die Abgastemperaturen im Teillastbetrieb erheblich niedriger sind.

Um zu vermeiden, daß es im Verlaufe der Betriebszeit zu einer Verrußung eines Diesel-Partikelfilters kommt, hat man daher auch bereits Diesel-Partikelfilter mit einer Heizeinrichtung versehen, mittels welcher der gesamte dem Diesel-Partikelfilter von dem betreffenden Dieselmotor zugeleitete Abgasstrom auf eine oberhalb der Zündtempera­ tur liegende Temperatur erwärmt wird, wobei für derartige Heizeinrichtungen mit Treibstoff (Öl) betriebene Brenner, elektrische Widerstandsheizungen, Mikrowellenheizungen und katalytische Brenner verwendet worden sind. Dabei besteht jedoch die Problematik, daß häufig erhebliche Heizleistun­ gen erforderlich sind, um die Abgasströmung eines (mit entsprechend niedriger Abgastemperatur im Teillastbetrieb arbeitenden) Dieselmotors zuverlässig auf eine oberhalb der Zündtemperatur liegende Temperatur zu erwärmen. Dieses ist wiederum unkritisch, wenn man sich damit zufrieden gibt, die Reinigung des Partikelfilters im Stillstand durchzuführen, da man dann die Heizeinrichtung in der er­ forderlichen Größe dimensionieren und beispielsweise mit einem externen elektrischen Netz speisen kann, um die er­ forderliche Heizleistung aufzubringen. Will man jedoch die erforderliche Filterreinigung, die beispielsweise alle 8 bis 10 Std. erforderlich werden kann, auch während des (Motor-)Betriebes durchführen, wie diese beispielsweise bei Notstromaggregaten erforderlich sein kann, und die für die erforderliche Erwärmung der zu reinigenden Abgase we­ nigstens auf Zündtemperatur der Rußpartikel erforderliche Heizleistung von der vom Dieselmotor aufgebrachten Lei­ stung abzweigen, so reicht die während der Reinigungsphase verbleibende Leistung des Dieselmotors häufig nicht mehr aus, so daß man diesen bisher nicht selten erheblich grö­ ßer dimensionieren mußte, um während der Reinigungsphase (nach Abzug bzw. Abzweigen der erforderlichen Heizlei­ stung) noch eine hinreichend große Leistung zur Verfügung zu haben. Dieses ist ersichtlich in höchstem Maße unwirt­ schaftlich.

Aus der DE 37 12 333 A1 ist ein Partikelfilter der ein­ gangs beschriebenen Gattung bekannt, dessen Filtereinrich­ tung aus einer einzigen Filtereinheit besteht, welcher gaseintrittsseitig eine elektrische Widerstands-Heizein­ richtung zugeordnet ist, welche an der Filtereintrittssei­ te an der Filtereinheit anliegt, und deren schlaufenförmig gebogener Heizdraht mehrere Heizzonen bildet, die mittels einer Schalteinrichtung gesondert ein- und aus schaltbar sind, wobei die Filtereinheit während des Betriebes stets insgesamt von der Gasströmung beaufschlagt und durchströmt wird und die einzelnen Heizzonen während des Reinigungs­ betriebes nacheinander eingeschaltet werden.

Dieser vorbekannte Partikelfilter ist zunächst schon ein­ mal deshalb nachteilig, weil es aufgrund des unmittelbaren Kontaktes der Heizeinrichtung mit der Filtereinheit ins­ besondere in der Aufwärmphase (vor Erreichen des Behar­ rungszustandes) zu wärmetechnischen Problemen kommen kann. Wird nämlich die Heizeinrichtung eingeschaltet, so er­ reicht sie in kürzester Zeit bereits Betriebstemperatur und erwärmt den Kontaktbereich der zunächst auf Umgebungs­ temperatur befindlichen Filtereinheit entsprechend. Be­ steht die Filtereinheit in üblicher Weise aus einem Kera­ mikmaterial, so besitzt sie bekanntlich eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit mit der Folge, daß sich ihr ihrer Kontaktfläche mit der Heizeinrichtung benachbarter Bereich nach und nach durch Konvektion entsprechend er­ wärmt, während der übrige Abschnitt der Filtereinheit sich im wesentlichen noch auf Umgebungstemperatur befindet. Dieses kann insbesondere bei einem extrem spröden Material wie Keramik aufgrund der hierdurch verursachten Wärmespan­ nungen zu Rissen in der Filtereinheit führen, die sich im Verlaufe des weiteren Betriebes dann regelmäßig vergrößern und letztlich zu einer Zerstörung der Filtereinheit führen können.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß eine im wesentlichen flä­ chig ausgebildete Heizeinrichtung, die parallel zur Fil­ tereintrittsfläche ausgebildet bzw. angeordnet ist, rela­ tiv groß bzw. leistungsstark dimensioniert werden muß, um die Gasströmung auf dem kurzen Berührungsweg auf die ge­ wünschte Temperatur aufheizen zu können. Dieses ist im Hinblick auf die zu lösende technische Problematik - abge­ sehen von dem hierfür zu treffenden Aufwand - schon des­ halb nachteilig, weil die für die Reinigung aufzuwendende Leistung ja - wie ausgeführt - möglichst klein sein soll.

Schließlich hat es sich gezeigt, daß es in den Grenzberei­ chen zwischen einander benachbarten Heizzonen der Heizein­ richtung zu einer nur unvollkommenen Reinigung des Filters kommen kann. Dieses beruht vermutlich darauf, daß die Gas­ strömung dort nicht auf die gewünschte bzw. erforderliche Temperatur aufgeheizt wird. Behebt man diesen Mangel durch entsprechende (Über-)Dimensionierung, so wird die Gasströ­ mung aber in einem momentanen Reinigungsbereich im mitt­ leren Teil in an sich unnötiger Weise überhitzt.

Weiterhin ist eine Tandem-Diesel-Partikelfilteranordnung bekannt, die aus zwei parallelen Partikelfiltern besteht, wobei die gesamte Abgasströmung alternierend durch das eine oder das andere Partikelfilter geleitet und entspre­ chend aufgeheizt wird, um eine Filterreinigung während des Betriebes zu ermöglichen. Auch bei dieser bekannten Anord­ nung liegt jedoch ersichtlich die weiter oben beschriebene Problematik vor.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Partikelfilter insbesondere dahingehend zu ver­ bessern, daß es einerseits nicht zu den oben dargelegten wärmetechnischen Problemen kommen kann und andererseits eine gründliche, vollständige thermische Reinigung (ins­ besondere auch während des Betriebes) erzielbar ist, und zwar mit relativ geringer erforderlicher Heizleistung, so daß keine erhebliche Überdimensionierung der abgaserzeu­ genden Maschine erforderlich ist.

Die Lösung der vorstehenden Aufgabe besteht darin, daß in dem Gehäuse wenigstens eine Trennwand angeordnet ist, mit­ tels welcher die Gasströmung in wenigstens zwei Kanäle für jeweils einen Teilstrom aufzuteilen ist, daß die Filter­ einrichtung aus wenigstens zwei Filtereinheiten besteht, die jeweils in einem Kanal angeordnet sind und im wesent­ lichen den gleichen Querschnitt wie der betreffende Kanal aufweisen, und daß jedem Kanal im wesentlichen mittig eine der betreffenden Filtereinheit in Strömungsrichtung mit Abstand vorgeordnete Heizeinheit zugeordnet ist, mittels welcher der betreffende Teilstrom vor der betreffenden Filtereinheit wenigstens auf die Zündtemperatur der aus der betreffenden Filtereinheit zu entfernenden Partikel zu erwärmen ist, wobei bevorzugt vorgesehen ist, daß die zu reinigende Gasströmung vor Beaufschlagung des Filterkör­ pers nicht lediglich in zwei Teilströme aufgeteilt wird, sondern in mehr als zwei Teilströme, und zwar bspw. in fünf Teilströme, so daß während der Reinigungsphase desje­ nigen Abschnittes des Filterkörpers, der von der erwärmten Gas-Teilströmung beaufschlagt wird, lediglich ein entspre­ chender Bruchteil derjenigen Heizenergie erforderlich ist, wie sie bisher bei gleichzeitiger Reinigung des gesamten Filterkörpers und demgemäß Erwärmung der gesamten Abgass­ trömung auf Zündtemperatur erforderlich war.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, daß die Kanäle jeweils durch eine Wärmeisolierung voneinander getrennt sind, um die von der betreffenden Heizeinheit erzeugte Wärme im wesentlichen voll für die Reinigung der jeweiligen Filter­ einheit nutzen zu können, wobei es sich auch gerade unter diesem Gesichtspunkt als vorteilhaft herausgestellt hat, wenn die die Kanäle umgebende Wärmeisolierung sich nicht nur bis in den Bereich der Filtereinrichtung, sondern im wesentlichen bis zur Filteraustrittsfläche erstreckt.

Die Filtereinrichtung besteht in an sich bekannter Weise bevorzugt aus Keramikmaterial, weil dieses bei relativ kleinem Volumen eine extrem große Filterfläche aufweist. Sie kann jedoch ersichtlich auch aus anderem Material (bei­ spielsweise "Filtergarn") bestehen.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Partikelfilter können die Filtereinheiten in Ausgestaltung mit einer katalytischen Beschichtung versehen sein, mittels welcher die Zündtempe­ ratur der zu entfernenden Partikel abzusenken ist, und/ oder der es kann wenigstens eine Oxidationsfiltereinheit mit einem Oxidationskatalysator vorgesehen sein, welche der sonstigen Filtereinrichtung nachgeordnet sein kann, um gasförmige Schadstoffe des austretenden Gases zu eliminie­ ren bzw. ihre Menge herabzusetzen.

Im übrigen ist bevorzugt eine Steuereinrichtung vorgese­ hen, mittels welcher die erforderliche Heiztemperatur der Heizeinrichtungen jeweils (singulär) unter Berücksichti­ gung der Gastemperatur und/oder des Strömungswiderstandes und/oder des Betriebszustandes der die Gasströmung erzeu­ genden Vorrichtung zu steuern bzw. einzustellen ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine schematisierte Zeichnung weiter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen er­ findungsgemäßen Diesel-Partikelfilter, dessen Filtereinrichtung aus fünf Filtereinheiten besteht, in Richtung der Schnittlinie I-I in Fig. 2 gesehen; und

Fig. 2 einen Schnitt durch den Partikelfilter gemäß Fig. 1 in Richtung der Schnitt­ linie II-II in Fig. 1 gesehen.

Die Zeichnung zeigt einen im ganzen mit 1 bezeichneten Partikelfilter für die Abgasströmung eines nicht darge­ stellten Dieselmotors, die in Richtung des Pfeiles 2 in den Gaseinlaß 3 eintritt, der im Gehäuse 4 des Partikel­ filters 1 ausgebildet ist.

Am oberen Endabschnitt des Partikelfilters 1 ist eine im ganzen mit 5 bezeichnete Heizeinrichtung angeordnet, die als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet ist und sich mit fünf Heizstäben 6 nach unten erstreckt.

Am unteren Endabschnitt des Gehäuses 4 ist eine aus fünf Filtereinheiten 7′ bestehende Filtereinrichtung 7 angeord­ net, welcher das zu reinigende Abgas zuströmt, welche den Partikelfilter am unteren Ende gemäß dem Pfeil 8 wieder verläßt.

Wie insbesondere aus Fig. 2 erkennbar ist (in welcher die Heizstäbe 6 der Heizeinrichtung 5 der besseren Übersicht halber fortgelassen worden sind), sind in dem Gehäuse 4 mehrere rohrförmige Trennwände 9 vorgesehen, welche die unteren Endabschnitte der Heizstäbe 6 jeweils konzentrisch umgeben und die gemäß dem Pfeil 1 in das Gehäuse 4 ein­ strömende Abgasströmung in fünf Teilströme aufteilen, wo­ bei die Trennwände 9 ersichtlich fünf Kanäle 10 bilden, in denen jeweils ein Teilstrom des Abgases geführt ist. Jedem Kanal 10 ist mithin eine Heizeinrichtung (im vorliegenden Falle ein Heizstab 6 der insgesamt mit 5 bezeichneten Heizeinrichtung) zugeordnet, mittels welcher der betref­ fende Teilstrom des Abgases auf die Zündtemperatur der aus der Filtereinrichtung 7 zu entfernenden Rußpartikel zu erwärmen ist, wobei darüber hinaus eine nicht dargestellte Steuerung vorhanden ist, mittels welcher die Heizstäbe 6 der Heizeinrichtung 5 nacheinander zu betätigen sind.

Zwischen den Kanälen 10 befindet sich jeweils eine Wärmei­ solierung 11.

Aus Fig. 1 ist erkennbar, daß sich die Kanäle 10 jeweils bis zur Filtereintrittsseite 12 erstrecken.

Bei der Filtereinrichtung 7 handelt es sich um einen sin­ gulären Keramik-Monolithen.

Die Arbeits- und Wirkungsweise des Partikelfilters 1 ist wie folgt:

Wenn eine Reinigung der Filtereinrichtung 7 von Rußpar­ tikeln erforderlich wird, so kann - vorzugsweise durch die nicht dargestellte Steuereinrichtung über ein Zeitrelais oder eine den Strömungswiderstand des Partikelfilters 1 messende Einrichtung gesteuert - die thermische Reinigung des Partikelfilters 1 erfolgen. Hierzu wird der aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung in fünf Teilströme aufge­ teilte Abgasstrom, eine Temperatur erwärmt, die hinrei­ chend sicher über der Zündtemperatur in der Rußpartikel von ca. 650°C liegt, allerdings nicht insgesamt, sondern bezüglich seiner Teilströme nacheinander. Es wird mithin die Heizeinrichtung 5 durch die Steuerung eingeschaltet, jedoch zunächst lediglich ein Heizstab 6 (beispielsweise der in Fig. 1 mit 6.1 bezeichnete Heizstab), so daß die durch den dem Heizstab 6.1 zugeordneten Kanal 10 strömende Abgas-Teilströmung entsprechend erwärmt wird und die zu dem Kanal 10 fluchtende Filtereinheit 7′ ihrerseits ent­ sprechend erwärmt wird mit der Folge, daß in diesem Fil­ terbereich die Rußpartikel verbrennen.

Sobald diese Filtereinheit 7′ gereinigt ist, wird ein an­ derer Heizstab (beispielsweise der in Fig. 1 mit 6.2 be­ zeichnete Heizstab) erwärmt, wobei der Heizstab 6.1 wieder ausgeschaltet wird und auch die übrigen Heizstäbe 6 ausge­ schaltet bleiben usf., bis nacheinander sämtliche Fil­ tereinheiten 7′ gereinigt sind und die Heizeinrichtung 5 wieder abgeschaltet wird.

Selbstverständlich können die Heizstäbe 6 ggf. auch grup­ penweise (beispielsweise zu zweit) eingeschaltet werden, wenn die entsprechende Heizleistung zur Verfügung steht, und es können ggf. auch sämtliche Heizstäbe 6 gleichzeitig eingeschaltet werden (beispielsweise dann, wenn die Reini­ gung aus irgendwelchen Gründen möglichst schnell erfolgen soll und der vorgeordnete Dieselmotor derzeit lediglich eine Teillast abgeben muß, so daß eine hinreichend große Leistung zur Verfügung steht).

Es sei noch darauf verwiesen, daß sich die Wärmeisolierung 11 bis zur Filteraustrittsfläche 13 erstreckt, um die ein­ zelnen Filtereinheiten 7′ während der Reinigung zweckmäßi­ gerweise von bzw. zueinander zu isolieren, wie diese wei­ ter oben bezüglich der Kanäle 10 bereits beschrieben ist.

Bezugszeichenliste

 1 Partikelfilter
 2 Pfeil (Eintritt der Abgasströmung)
 3 Gaseinlaß
 4 Gehäuse
 5 Heizeinrichtung
 6 Heizeinheiten (von 5) (= Heizstäbe)
 7 Filtereinrichtung
 7′ Filtereinheiten
 8 Pfeil
 9 Trennwände
10 Kanäle
11 Wärmeisolierung
12 Filtereintrittsseite
13 Filteraustrittsfläche

Claims (10)

1. Partikelfilter für eine Gasströmung, insbesondere eine Abgasströmung, insbesondere Dieselmotoren-Partikelfilter, mit einem wenigstens einen Gaseinlaß und wenigstens einen Gasauslaß aufweisenden Gehäuse, in dem eine Filtereinrich­ tung und eine der Filtereinrichtung zugeordnete Heizein­ richtung zum Erwärmen des zu filternden Gases auf Zündtem­ peratur der gefilterten Partikel angeordnet sind, und mit einer Steuerung, mittels welcher die Heizeinheiten nach­ einander zu betätigen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (4) wenigstens eine Trennwand (9) an­ geordnet ist, mittels welcher die Gasströmung in wenig­ stens zwei Kanäle (10) für jeweils einen Teilstrom aufzu­ teilen ist; daß die Filtereinrichtung (7) aus wenigstens zwei Filtereinheiten (7′) besteht, die jeweils in einem Kanal (10) angeordnet sind und im wesentlichen den glei­ chen Querschnitt wie der betreffende Kanal (10) aufweisen; und daß jedem Kanal (10) im wesentlichen mittig eine der betreffenden Filtereinheit (7′) in Strömungsrichtung mit Abstand vorgeordnete Heizeinheit (6) zugeordnet ist, mit­ tels welcher der betreffende Teilstrom vor der betreffen­ den Filtereinheit (7′) wenigstens auf die Zündtemperatur der aus der betreffenden Filtereinheit (7′) zu entfernen­ den Partikel zu erwärmen ist.

2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (10) jeweils durch eine Wärmeisolierung (11) voneinander getrennt sind.

3. Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die die Kanäle (10) umgebende Wärmeiso­ lierung (11) bis in den Bereich der Filtereinrichtung (7) erstreckt.

4. Partikelfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wärmeisolierung (11) bis zur Filteraustritts­ fläche (13) erstreckt.

5. Partikelfilter nach einem oder mehreren der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheiten (7′) in an sich bekannter Weise aus Keramikmaterial bestehen.

6. Partikelfilter nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche, bei welchem die Heizeinheiten als elek­ trische Widerstandsheizungen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheiten (6) als Heizstäbe ausgebildet sind.

7. Partikelfilter nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Parallelschal­ tung mehrerer Partikelfilter (1), wobei die einem/jedem Partikelfilter (1) zugeleitete Gasströmung bereits einen Bruchteil der gesamt zu reinigenden Gasströmung bildet.

8. Partikelfilter nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter­ einheiten (7′) mit einer katalytischen Beschichtung ver­ sehen sind, mittels welcher die Zündtemperatur der zu ent­ fernenden Partikel abzusenken ist.

9. Partikelfilter nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Filtereinrichtung (7) nachgeordnete, mit einem Oxidationskatalysator versehende Oxidationsfiltereinheit vorgesehen ist.

10. Partikelfilter nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrich­ tung, mittels welcher die Heiztemperatur der Heizeinheiten (6) jeweils unter Berücksichtigung der Gastemperatur und/ oder des Strömungswiderstandes und/oder des Betriebs Zustandes der die (Ab-)Gasströmung erzeugenden Vorrichtung zu steuern bzw. einzustellen ist.