DE4313132C2 - Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern und Partikelfilter - Google Patents

Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern und Partikelfilter

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reinigung von Parti­ kelfiltern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und Partikelfilter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Partikelfilter in Auspuffsystemen von Brennkraftmaschinen, insbe­ sondere von Dieselmotoren, dienen zum Ausscheiden von Ruß und kondens­ ierbaren Bestandteilen aus dem Abgasstrom in das Filtermaterial. Mit zunehmender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine lagern sich mehr Be­ standteile im Filtermaterial ab, das Partikelfilter verstopft und der Abgasgegendruck steigt unzulässig an.
Um das Verstopfen von Partikelfiltern zu verhindern, ist es bekannt (siehe z. B. EP-A-0 346 803 und DE-A-40 41 917), das Filtermate­ rial durch Aufheizen und Abbrennen der gefilterten Bestandteile zu reinigen. Durch Aufheizen und Abbrennen des Filtermaterials werden allerdings hauptsächlich nur Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffver­ bindungen verbrannt.
Aus DE-A-22 06 675 ist eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas bekannt, an welche ein Druckmittel führendes Hochdruckrohr angeschlossen ist. Zum Entfernen von Feststoffen wird Druckmittel aus dem Hochdruckrohr auf das Filtermaterial der Vorrichtung gestrahlt. Das Druckmittel ist Luft oder Wasserdampf. Die Vorrichtung ist konstruktiv aufwendig. Um Luft oder Wasserdampf unter Hochdruck bereitzustellen, bedarf es hohen Energieeinsatzes. Die Beaufschlagung des Filtermaterials mit einem Hochdruckstrahl führt zur Veränderung der Verteilung des Filtermaterials oder zu dessen Zerstörung und in der Folge zur Verschlechterung oder zum Ausfall der Reinigungswirkung der Vorrichtung. Unverbrennbare Bestandteile, die vom Hochdruckstrahl nicht getroffen werden, können im Filtermaterial haften bleiben, so daß die Reinigung nach diesem Stand der Technik unvollständig ist.
Aus DE-A-3606079 ist ein Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern in Auspuffsystemen, insbesondere von Partikelfiltern in Dieselmotoren, bekannt. Gemäß diesem Stand der Technik enthält das Partikelfilter in einem von Abgas durchströmten Gehäuse Filtermaterial, das mittels einer Flüssigkeit gespült wird. Diesem Stand der Technik ist jedoch kein Hinweis auf ein Verbrennen des am Filtermaterial abgesetzten Ruß zu entnehmen, sondern abgesetzter Ruß wird nach einer Trockenreinigung mittels mechanischer Reibung in Flüssigkeit gespült, wobei das Ringfilter nur teilweise in die Flüssigkeit getaucht werden kann, da Abgaszufuhr- und -auslaßleitungen nicht verschließbar sind. Um trotzdem das Filtermaterial zu spülen, muß das Ringfilter gedreht werden, wozu eine zusätzliche Antriebsvorrichtung nötig ist. Durch die Drehung wird das Filtermaterial Zentrifugalkräften ausgesetzt, die zu einer Verteilungsänderung des Filtermaterials führen und somit dem Ziel der Erfindung einer schonenden Reinigung des Filtermaterials ohne zusätzliche mechanische Belastungen entgegenstehen.
Wird zur Minderung der Zentrifugalkräfte die Drehzahl des Ringfilters reduziert, dauert der Spülvorgang, während dem die Auspuffanlage nicht für ihren bestimmungsgemäßen Gebrauch bereit ist, entsprechend länger.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern zu schaffen, das einfach und effizient ist, eine möglichst lange Betriebszeit von Partikelfiltern ermöglicht und das Filtermaterial schont. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, Partikelfilter zu schaffen, die für dieses Verfahren besonders geeignet sind.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß einem Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und Partikelfiltern mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Erfindungsgemäß werden die am Filtermaterial angelagerten unverbrennbaren Bestandteile in einer Flüssigkeit gelöst, so daß sich dessen Reinigung ohne große mechanische Kräfte auf eng begrenzte Flächen des Filtermaterials oder auf den Partikelfilter insgesamt vollzieht.
Daraus ergibt sich der Vorteil, daß das Filtermaterial durch die Rei­ nigung nicht zusätzlich mechanisch belastet und in seiner Dichte und Verteilung negativ beeinflußt wird. Da das Filtermaterial in der Flüs­ sigkeit gleichmäßig vollständig umspült ist, wirkt das erfindungsge­ mäße Reinigungsverfahren auf alle Reste unverbrennbarer Bestandteile, unabhängig von der Stelle, an der diese anhaften. Die Reinigung in einer Flüssigkeit ist daher besonders schonend und gründlich für das Filtermaterial.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Abbrennen des verschmutzten Filtermaterials zu kombinieren. Bei Dieselmotoren im Dauerbetrieb kann z. B. das Filtermaterial in Intervallen oder kon­ tinuierlich durch Abbrennen von Rußpartikeln gereinigt werden und die beim Abbrennen im Filtermaterial verbleibenden Rückstände werden bei Erreichen einer bestimmtem Konzentration durch Spülen des Filtermate­ rials in einer Flüssigkeit beseitigt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Er­ findung kann durch Trocknen des Filtermaterials mit Druckluft die Zeit bis zu dessen erneutem Einsatz im Partikelfilter verkürzt werden.
Die Reinigungswirkung der Flüssigkeit kann weiterhin dadurch deutlich verbessert werden, daß vor dem Spülen das Filtermaterial von der Be­ triebstemperatur im Auspuff oder von der Temperatur, die zum Abrennen der Rußpartikel an das Filtermaterial gelegt wird, abgekühlt wird, so daß die Spülflüssigkeit beim ersten Kontakt mit dem Filtermaterial nicht teilweise oder ungünstigenfalls vollständig verdampft.
Besondere praktische Vorteile können erzielt werden, indem das Filter­ material zum Reinigen aus dem Partikelfilter entfernt wird und, z. B. in einem externen Behälter, mit Flüssigkeit gespült wird. Das Filter­ material kann nach Reinigung und Trocknung wieder in das Partikel­ filter eingesetzt werden. Während ein Filtermaterial gereinigt wird, kann Ersatzfiltermaterial in das Partikelfilter eingesetzt werden, so daß die Betriebspausen der Brennkraftmaschine zur Reinigung des Fil­ termaterials verkürzt werden.
Die Unterbrechungszeiten der Brennkraftmaschine können vorteilhaft verkürzt werden, wenn das Filtermaterial in schnell ein- oder auszu­ bauenden Filterpatronen enthalten ist.
Sind im Motoröl Additivmetalle enthalten, die in Wasser leicht lösli­ che Salze und Oxide bilden, ist das erfindungsgemäße Verfahren mit kaltem Wasser besonders vorteilhaft durchzuführen. In diesem Fall hat kaltes Wasser eine ausreichende Lösewirkung auf die auf dem Filterma­ terial abgelagerte Motorölasche.
Sind im Motoröl Additivmetalle enthalten, die in Wasser schwer lösli­ che Salze und Oxide bilden, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer besonders gründlichen Reinigung, wenn das Filtermaterial aus vorzugsweise keramischem Garn in einem wäßrigen Lösungsmittel ge­ waschen wird, dem alternativ oder kombiniert folgende Stoffe zugesetzt werden:
  • 1. Komplex bildende Stoffe, z. B. Polyphosphate,
  • 2. Chelat bildende Stoffe, z. B. Ethylendinitrilotetraessigsäure und Derivate, Dinatriumdihydrogenethylendinitrilotetraacetat, Nitrilo­ triessigsäure, Tri- und Polycarbonsäuren (z. B. Zitronensäure), Kronenether,
  • 3. Ionen austauschende Stoffe, z. B. Zeolithe,
  • 4. anorganische Säuren, z. B. Salzsäure.
Gezielt können in Wasser schwer lösliche Verbindungen mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren aus dem Filtermaterial herausgelöst und dessen Reinigung weiter verbessert werden.
Die Ablösung von nicht verbrannten Rußteilchen kann verbessert werden, wenn der Spülflüssigkeit dispergierende Stoffe (Tenside) zugesetzt werden. Besonders vorteilhaft kann das Filtermaterial gereinigt wer­ den, wenn die Reinigungswirkung der Spülflüssigkeit durch die Anwen­ dung von Ultraschall unterstützt wird. Vorzugsweise strömt die Spül­ flüssigkeit entgegen der Strömungsrichtung des Abgases.
Auf besonders vorteilhafte Weise kann der Partikelfilter aufgeheizt werden, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit heißer Spülflüssig­ keit, insbesondere mit einer Temperatur zwischen 80 und 90°C, durchge­ führt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit einem Partikelfilter gemäß An­ spruch 10 besonders vorteilhaft durchführbar. Die Flüssigkeit, vor­ zugsweise Wasser oder Wasser mit Zusatzstoffen, wird z. B. mit Hilfe der an der Brennkraftmaschine ohnehin bereits vorgesehenen Wasserpumpe über einen Flüssigkeitszulauf in das Partikelfilter gepumpt, nachdem die Abgaszufuhr- und Abgasauslaßleitungen im Partikelfilter vorher wasserdicht verschlossen wurden. Die aus dem Filtermaterial gelösten Bestandteile verlassen mit der Flüssigkeit das Partikelfilter über einen Ablauf. Ist das Partikelfilter gereinigt, wird der Flüssigkeits­ zulauf abgeschaltet, und die Flüssigkeit im Partikelfilter fließt über einen Rücklauf ab.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Partikelfilter beheizbar, so daß die Temperatur im Partikelfilter bis zur Siedetemperatur der Spülflüssigkeit im Filtermaterial erhöht wer­ den kann.
Besonders vorteilhaft ist ein Partikelfilter mit einem Filtermaterial aus keramischem Garn, das in einem sauren wäßrigen Lösungsmittel von Ablagerungen vollständig gereinigt wird.
Das Gehäuse des Partikelfilters wird vorzugsweise mit einem ver­ schließbaren Entlüftungsventil versehen, so daß das Filtermaterial im Gehäuse mit der Spülflüssigkeit beaufschlagt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen er­ läutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Partikelfilter.
Fig. 1: Ein Partikelfilter 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dessen Innen­ raum Filtermaterial 3 enthalten ist. Das Gehäuse 2 ist im Querschnitt zylindrisch oder polygonal.
An eine Seitenwand 4 des Gehäuses 2 schließt eine Abgaszufuhrleitung 5 von einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt), vorzugsweise einem Dieselmotor, an. An eine gegenüberliegende Seitenwand 6 des Gehäuses 2 schließt eine Abgasauslaßleitung 7 an.
Die Seitenwand 6 des Gehäuses 2 ist an einer geodätisch hoch liegenden Stelle mit einem Flüssigkeitszulauf 8 verbunden. Die Seitenwand 4 des Gehäuses 2 ist ebenfalls an einer hoch liegenden Stelle mit einem Ent­ lüftungsventil 14 und an einer tiefliegenden Stelle mit einem Flüs­ sigkeitsablauf 9 verbunden. Die Abgaszufuhrleitung 5 und die Abgasaus­ laßleitung 7 können mit Verschlüssen 10 und 11 wasserdicht vom Innen­ raum des Gehäuses 2 isoliert werden. Verschlüsse 12, 13 sind am Flüs­ sigkeitszulauf 8 und Flüssigkeitsablauf 9 vorgesehen. Ein Verschluß 15 ist am Entlüftungsventil 14 vorgesehen.
Verfahren zur Reinigung des Partikelfilters
Während des normalen Betriebs der Brennkraftmaschine sind die Ver­ schlüsse 12, 13, 15 an dem Flüssigkeitszulauf 8, dem Flüssigkeitsab­ lauf 9 und dem Entlüftungsventil 14 geschlossen und die Verschlüsse 10, 11 an der Abgaszufuhrleitung 5 und der Abgasauslaßleitung 7 ge­ öffnet. Das Abgas strömt durch das Partikelfilter 1 und das Filterma­ terial füllt sich mit aus dem Abgas ausgeschiedenen Partikeln, so daß die Durchlässigkeit des Partikelfilters abnimmt und die Druckdifferenz im Abgas zwischen Abgaszufuhrleitung 5 und Abgasauslaßleitung 7 zu­ nimmt. Ein Meßwertaufnehmer (nicht dargestellt) registriert die Druck­ differenz und erzeugt bei Erreichen eines vorbestimmten Werts, vor­ zugsweise bezogen auf die Betriebsbedingungen des Motors (z. B. Lei­ stung oder Füllung, Drehzahl), ein Signal, daß das Partikelfilter ver­ stopft ist und gespült werden soll. Es ist aber auch möglich, daß der Betreiber der Brennkraftmaschine in regelmäßigen Intervallen die Durchlässigkeit des Partikelfilters 1 prüft und entscheidet, ob das Filtermaterial abzubrennen oder zu spülen ist.
Zum Abbrennen wird das Filtermaterial 3 oder das in den Partikelfilter eintretende Abgas von einem Heizmantel (nicht dargestellt) oder Heiz­ kerzen (nicht dargestellt) oder Brenner oder auf andere Weise auf die Entflammtemperatur der Rußpartikel erhitzt.
Von der erhöhten Temperatur zum Abbrennen kann das Partikelfilter 1 vor dem Spülen abgekühlt werden.
Die in dem Partikelfilter nach dem Abbrennen enthaltene Energie kann auch zum Erwärmen der Spülflüssigkeit verwendet werden.
Zum Spülen werden die Verschlüsse 10, 11, 12, 13 und 15 von Hand oder von einer Betätigungsvorrichtung (nicht dargestellt), die von dem Meß­ wertaufnehmer gesteuert sein kann, verstellt.
Zunächst werden die Abgaszufuhrleitung 5 und die Abgasauslaßleitung 7 mit den Verschlüssen 10, 11 wasserdicht vom Innenraum des Gehäuses 2 getrennt. Anschließend kann der Verschluß 12 am Flüssigkeitszulauf 8 und Verschluß 15 am Entlüftungsventil 14 geöffnet werden. Flüssig­ keit wird unter Druck, z. B. von einer Pumpe (nicht dargestellt) oder von einem höherliegenden Flüssigkeitsreservoir (nicht dargestellt) in den Innenraum des Gehäuses 2 gefördert, bis dieser gefüllt ist.
Die Spülflüssigkeit durchströmt das Filtermaterial 3 entgegen der Strömungsrichtung des Abgases. Der Verschluß 13 soll die Flüssigkeit im Gehäuse 2 des Partikelfilters 1 zurückhalten bis die Partikel aus dem Filtermaterial 3 gelöst sind und sich erst dann öffnen. Die ge­ lösten Partikel aus dem Filtermaterial 2 fließen über den Flüssig­ keitsablauf 9 aus dem Partikelfilter 1.
Bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit Motoröl mit Additivmetallen, die in Wasser leicht lösliche Salze und Oxide bilden, wird als Flüs­ sigkeit zur Reinigung des Filtermaterials vorzugsweise kaltes Wasser verwendet, das die Additivmetallsalze und -oxide löst. Soll während des Spülens das Partikelfilter aufgeheizt werden, kann vorzugsweise heißes Wasser mit einer Temperatur zwischen 80 und 90°C als Flüssig­ keit zur Reinigung des Filtermaterials verwendet werden. Ist das Fil­ termaterial mit in Wasser schwer löslichen Verbindungen, wie z. B. Calciumsulfat, verunreinigt, kann als Flüssigkeit zur Reinigung Wasser mit Zusatzstoffen verwendet werden, wobei als Zusatzstoffe vorzugs­ weise folgende Verbindungen zu verwenden sind:
  • 1. Komplex bildende Stoffe, z. B. Polyphosphate,
  • 2. Chelat bildende Stoffe, z. B. Ethylendinitrilotetraessigsäure und Derivate, Dinatriumdihydrogenethylendinitrilotetraacetat, Nitrilotriessigsäure, Tri- und Polycarbonsäuren (z. B. Zitronensäure), Kronenether,
  • 3. Ionen austauschende Stoffe, z. B. Zeolithe,
  • 4. anorganische Säuren, z. B. Salzsäure.
Nach dem Spülen kann das Filtermaterial 3 mit Druckluft getrocknet werden.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern kann Filtermaterial, das vorzugsweise aus keramischem Garn besteht, während einer Betriebspause der Brennkraftmaschine über eine verschließbare Öffnung im Gehäuse aus dem Partikelfilter ent­ fernt, in einem separaten Behälter mit vorstehend beschriebenen Lö­ sungsmittel gereinigt und anschließend wieder in das Gehäuse einge­ setzt werden. Die dazu erforderlichen Betriebspausen der Brennkraft­ maschine können reduziert werden, indem während der Reinigung des Fil­ termaterials Ersatzfiltermaterial in das Gehäuse des Partikelfilters eingesetzt wird.
Das Filtermaterial ist vorzugsweise in einer oder mehreren Filterpa­ tronen enthalten, die schnell in ein Filtergehäuse ein- und auszubauen sind.

Claims (13)

1. Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern in Auspuffsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, wobei das Partikelfilter (1) Filtermaterial (3) in einem von Abgas durchströmten Gehäuse (2) enthält, und wobei das Filtermaterial (3) zur Reinigung mit einer Flüssigkeit gespült wird, gekennzeichnet durch Abbrennen von im Filtermaterial (3) abgesetzten Rußpartikeln, und durch Spülen des Filtermaterials (3) mit einer Flüssigkeit nach dem Abbrennen.
2. Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schließen des Gehäuses (2) nach dem Abbrennen der Rußpartikel, so daß Abgaszufuhr- und -auslaßleitungen (5, 7) wasserdicht geschlossen sind, Fördern von Flüssigkeit in das Gehäuse (2) über eine in das Gehäuse (2) mündende Flüssigkeitsleitung (8), bis das Gehäuse (2) gefüllt ist und Leeren des Gehäuses (2) von der Flüssigkeit über einen Flüssigkeitsablauf (9).
3. Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Trocknen des Filtermaterials (3) mit Druckluft nach dem Spülen.
4. Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Abkühlen des Partikelfilters (1) von einer erhöhten Temperatur, und anschließend Spülen des Filtermaterials (3) in einer Flüssigkeit.
5. Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch, Entnehmen des Filtermaterials (3) aus dem Gehäuse (2), Spülen des Filtermaterials (3) in einer Flüssigkeit und Einsetzen des gespülten Filtermaterials (3) in das Gehäuse (2).
6. Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein wäßriges Lösungsmittel ist, dem alternativ oder in Kombination folgende Stoffe zugesetzt sind:
  • 1. Komplex bildende Stoffe, z. B. Polyphosphate,
  • 2. Chelat bildende Stoffe, z. B. Ethylendinitrilotetraessigsäure und Derivate, Dinatriumdihydrogenethylendinitrilotetraacetat, Nitrilotriessigsäure, Tri- und Polycarbonsäuren (z. B. Zitronensäure), Kronenether,
  • 3. Ionen austauschende Stoffe, z. B. Zeolithe,
  • 4. anorganische Säuren, z. B. Salzsäure.
7. Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeit dispergierende Stoffe zugesetzt werden, und die Flüssigkeit entgegen der Strömungsrichtung des Abgases das Filtermaterial durchspült.
8. Verfahren zur Reinigung von Partikelfiltern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülflüssigkeit erwärmt wird.
9. Partikelfilter für ein Auspuffsystem von Brennkraftmaschinen mit einem vom Abgas durchströmten Gehäuse mit einer Abgaszufuhr- und einer Abgasauslaßleitung (5, 7) und darin angeordnetem Filtermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaszufuhr- und die Abgasauslaßleitung (5, 7) wasserdicht verschließbar sind und das Gehäuse (2) einen verschließbaren Flüssigkeitszulauf (8), einen verschließbaren Flüssigkeitsablauf (9) und ein Entlüftungsventil (14) aufweist.
10. Partikelfilter gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) von außen mit einem Heizmantel oder von innen mit Heizkerzen beheizbar ist.
11. Partikelfilter gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial (3) keramisches Garn aufweist.
12. Partikelfilter gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial (3) in einer oder mehreren schnell ein- oder auszubauenden Filterpatronen enthalten ist.
13. Partikelfilter gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) an einer geodätisch hochliegenden Stelle mit einem Entlüftungsventil (14) versehen ist und mit einem Verschluß (15) geöffnet und verschlossen werden kann.
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