DE4446855A1 - Abgaspartikelbehandlungssystem zur Verwendung in Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgaspartikel­ behandlungssystem zur Benutzung in Verbrennungsmotoren, das dazu dient, im Abgas enthaltene Partikel aufzufangen und zu verbren­ nen.

Um hinsichtlich des Schutzes der Umwelt zu verhindern, daß im Abgas von Dieselmotoren enthaltene Abgaspartikel wie Ruß in die Atmosphäre abgegeben werden, wurden bisher verschiedene Typen von Abgaspartikelauffangfilter vorgeschlagen, die Filterelemente aus Keramik usw. enthalten, und in einem Auspuffsystem installiert wurden, um so Abgaspartikel aufzufangen und zu verbrennen.

Da das Filter mit der Ansammlung von Abgaspartikeln in den Verstopfungszustand gerät, der sich als Anwachsen des Druck­ verlustes auswirkt, ist bei solchen Auffangfiltern die Regenera­ tion des Filters durch Verbrennung der angesammelten Abgaspar­ tikel ein unverzichtbarer Arbeitsvorgang.

Zu diesem Zweck schlägt JP-A 58-8219 eine Heizung vor, die an jedem Filter­ element an seiner inneren Umfangsoberfläche angeordnet ist, und die mit elektrischer Energie versorgt wird, um zwangsläufig die im Filterelement angesammelten Abgaspartikel anzuzünden und zu verbrennen.

In Verbindung mit der Gestalt des Filterelements schlägt JP-A 2-42112 ein zylindrisches Filterelement aus leitfähiger, exo­ thermischer Keramik mit einem geschlossenen Ende vor, das in einem Gehäuse so untergebracht ist, daß die Auspuffgase von der inneren Oberfläche des Filterelements zu seiner äußeren Ober­ fläche gelangen, und das mit elektrischer Energie versorgt wird, um zwangsläufig die im Filterelement angesammelten Abgaspartikel anzuzünden und zu verbrennen.

JP-A 2-256812 schlägt ein zylindrisches Filterelement vor, das durch abwechselndes Wickeln einer keramischen Fiber und eines Heizdrahtes auf ein Trägerteil mit Gasdurchlässigkeit gebildet wird.

Jedoch erzeugen derartige konventionelle Abgaspartikel­ auffangfilter mit zylindrischen Filterelementen die folgenden Unzulänglichkeiten. Wenn eine Regenerationsheizung gleichförmig innerhalb jedes Filterelementes angeordnet ist, entweicht beim Heizen der Heizung durch Zufuhr von elektrischer Energie zur Regeneration Hitze von seinen beiden Seitenabschnitten zum Gehäuse, so daß die Temperatur des Filterelementes in seinem mittleren Abschnitt hoch und in seinen beiden Endabschnitten niedrig ist. Wenn die Temperatur auf einen Wert gesetzt wird, die passend ist für das Verbrennen der im mittleren Abschnitt angesammelten Abgaspartikel, dann passiert folglich unvoll­ kommene Regeneration an beiden Endabschnitten des Filter­ elementes, und seine gleichmäßige Regeneration mißlingt. Wenn hingegen die Temperatur auf einen Wert gesetzt wird, der passend ist für das Verbrennen der in den beiden Endabschnitten angesam­ melten Abgaspartikel, dann wird der mittlere Abschnitt über­ mäßiger Temperatur ausgesetzt, was der Heizung zugeführte elektrische Energie verschwendet und die Haltbarkeit des Filter­ elementes verschlechtert.

Falls die Heizung innerhalb des Filterelementes so angebracht wird, daß sie in den beiden Endabschnitten des Filterelementes dichter als in seinem mittleren Abschnitt ist, dann wird darüber hinaus die Temperaturdifferenz zwischen dem mittleren Abschnitt und den beiden Endabschnitten verbessert, wenn die Heizung durch Zufuhr von elektrischer Energie zur Regeneration erhitzt wird. Jedoch erscheint wegen der Tatsache, daß die Regeneration im mittleren Abschnitt schneller als in den beiden Endabschnitten durchgeführt wird, immer noch ein unvollkommener Regenerationsbereich in beiden Endabschnitten, wenn die Regene­ ration im mittleren Abschnitt beendet ist. Zur perfekten Regene­ ration in beiden Endabschnitten wird unnötige Heizung im mitt­ leren Abschnitt durchgeführt, was eine Verschwendung elektri­ scher Energie ist.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Ab­ gaspartikelbehandlungssystem zur Verwendung in einem Verbren­ nungsmotor vorzusehen, das gleichförmige Regeneration der Fil­ terelemente erlaubt, ohne elektrische Energie zu verschwenden.

Zusammenfassung der Erfindung

Nach der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Behand­ lung von Abgaspartikeln im Abgas eines Verbrennungsmotors vorgesehen, das im Abgaskanal angeordnet ist, und ein als Hohl­ zylinder geformtes Filter mit einem offenen und einem geschlos­ senen Ende, wobei das an einem Ende des Filters eingeleitete Abgas von der inneren Oberfläche des Filters zu seiner äußeren Oberfläche gelangt, ein Gehäuse zur Aufnahme des Filters und eine Einrichtung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr angeordnet ist zwischen dem Gehäuse und dem Filter mit einem vorbestimmten Abstand zwischen der inneren Oberfläche des Rohrs und der äußeren Oberfläche des Filters, und daß das Rohr Öffnungen enthält.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Abgaspartikelbehandlungssystems zur Verwendung in Verbrennungsmotoren nach der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Perspektivdarstellung des in Fig. 1 gezeigten Abgaspartikelbehandlungssystems;

Fig. 3 ist ein Längsschnitt des in Fig. 1 gezeigten Abgas­ partikelbehandlungssystems;

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Temperatur­ verteilung eines Filterelementes bei Regeneration zeigt;

Fig. 5 ist ein bruchstücksartiger Längsschnitt, der die Strömung des Abgases im Filterelement zeigt;

Fig. 6 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 3, die eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 7 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 1, die eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 8 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 6 des in Fig. 7 gezeigten Abgaspartikelbehandlungssystems;

Fig. 9 ist eine teilweise aufgebrochene Perspektiv­ darstellung, die das mit einer Heizung ausgerüstete Filter­ element zeigt;

Fig. 10 ist eine Perspektivdarstellung, die ein Beispiel einer oberen Öffnung in einem hohlzylindrischen Rohr zeigt;

Fig. 11 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 10, die ein anderes Beispiel einer oberen Öffnung in einem hohlzylindrischen Rohr zeigt;

Fig. 12 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 11, die noch ein anderes Beispiel einer oberen Öffnung in einem hohlzylindrischen Rohr zeigt;

Fig. 13 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 7, die eine vierte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 14 ist eine Unteransicht, die eine Strahlungsschildhülse zeigt;

Fig. 15 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 13, die eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 16 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 13, die eine sechste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 17 ist eine Vorderansicht, die die Strahlungsschildhülse zeigt, welche das mit einer Heizung ausgerüstete Filterelement abdeckt;

Fig. 18 ist eine Seitenansicht, die die in Fig. 17 dargestellte Strahlungsschildhülse zeigt, welche das mit einer Heizung ausgerüstete Filterelement abdeckt;

Fig. 19 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 4, die die Veränderung der Menge an unverbrannten Abgaspartikeln zeigt, wenn der Abstand zwischen dem Filterelement und der Strahlungs­ schildhülse variiert wird; und

Fig. 20 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 19, die die Veränderung der Menge an unverbrannten Abgaspartikeln zeigt, wenn das Emissionsvermögen ε der inneren Oberfläche der Strah­ lungsschildhülse variiert wird.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Mit Bezug auf die Zeichnungen wird eine detaillierte Beschreibung betreffend die bevorzugten Ausführungsformen eines Abgaspartikelbehandlungssystems zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung gegeben.

Fig. 1 bis 5 zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf Fig. 1 bis 3 verzweigt ein mit dem Auspuffkrümmer eines Motors 10 verbundener Abgaskanal 11 in einen ersten und einen zweiten Zweigkanal 11a, 11b, die stromabwärts wieder zusammenkommen.

Im ersten Zweigkanal 11a ist ein erstes Gehäuse 13a ange­ bracht, in dem die Filterelemente 12a, 12b mit Heizungen 16 parallel zu einander angeordnet sind. Ein erstes Schließventil 14a ist an der stromabwärtigen Seite der Filterelemente 12a, 12b angebracht, um so die Strömungsrate des in das erste Gehäuse 13a einströmenden Abgases E zu steuern.

Entsprechend ist im zweiten Zweigkanal 11b ein zweites Gehäuse 13b angebracht, in dem die Filterelemente 12c, 12d mit Heizungen 16 parallel zu einander angeordnet sind. Ein zweites Schließventil 14b ist an der stromabwärtigen Seite der Filter­ elemente 12c, 12d angebracht, um so die Strömungsrate des in das zweite Gehäuse 13b einströmenden Abgases E zu steuern.

Die Filterelemente 12a, 12b, 12c, 12d haben die Form eines an einem Ende geschlossenen Hohlzylinders, und sind so konstruiert, daß das Abgas E an der stromaufwärtigen Seite des Abaaskanals 11 von einem porösen, offenen Ende des Filterelementes eingeführt wird, und gezwungen wird, von der inneren Oberfläche des Filter­ elementes zu seiner äußeren Oberfläche zu gelangen, dabei mit den Wandoberflächen der in einem Wandabschnitt ausgebildeten Öffnungen zusammenzustoßen, und daran Abgaspartikel im Abgas E aufzufangen. Solche Filterelemente werden durch Wicklung von keramischer Fiber, keramischem Guß, Metallguß oder Ähnlichem gebildet.

Die Heizung 16, die zur Regenerierung der Filterelemente 12a, 12b, 12c, 12d durch Verbrennung der aufgefangenen Abgaspartikel mittels Erhitzung der Heizung 16 durch Zufuhr von elektrischer Energie dient, ist durch Einschreiben oder Eingraben an der inneren Oberfläche des Filterelementes angebracht. Für die Zufuhr elektrischer Energie zur Heizung 16 ist eine Elektrode 15 am geschlossenen Ende des Filterelementes angebracht, und wird elektrisch vom Gehäuse 13a, 13b isoliert nach außen geführt, zwecks Verbindung mit einer nicht gezeigten Energiequelle. Die Heizung 16 wird für eine vorbestimmte Zeitperiode, z. B. 5 Minuten, mit elektrischer Energie von der Energiequelle versorgt.

Die Schließventile 14a, 14b, die Elektromagnetventile usw. enthalten, werden abwechselnd geöffnet und geschlossen, um Abwechselung beim Auffangen und Regenerieren zu bekommen, das von den Filterelementen 12a, 12b und den Filterelementen 12c, 12d ausgeführt wird.

Hohlzylindrische Rohre 17a, 17b, 17c, 17d sind angebracht, um die äußeren Oberflächen der Filterelemente 12a, 12b, 12c, 12d mit einem vorbestimmten Abstand 18a, 18b, 18c, 18d relativ zur äußeren Wandoberfläche des Filterelementes abzudecken. Wie am Besten in Fig. 3 gesehen werden kann, wird die Wand des hohl­ zylindrischen Rohrs in der Nähe seiner beiden Endabschnitte mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 20 versehen, um so Abgas ohne Abgaspartikel an die Atmosphäre abzugeben.

Mit Bezug auf Fig. 4 bis 5 wird nun die Betriebsweise dieser Ausführungsform beschrieben.

Mit Bezug auf Fig. 5 strömt Abgas E bei Regenerierung der Filterelemente von der inneren Oberfläche des Filterelementes 12a zu seiner äußeren Oberfläche, und strömt dann durch den Zwischenraum 18a zwischen der äußeren Wandoberfläche des Filter­ elementes 12a und der Innenwand des hohlzylindrischen Rohrs 17a, und fließt zu den Durchgangslöchern 20, die in der Wand des hohlzylindrischen Rohres 17a in der Nähe seiner beiden Endab­ schnitte ausgebildet sind. So wird das Filterelement 12a mit Abgas E bedeckt, das das Filterelement 12a durchströmt hat, und von der Heizung 16 und der Verbrennung der Abgaspartikel, die sich vom mittleren Abschnitt des Filterelementes 12a zu seinen beiden Endabschnitten ausbreitet, erhitzt, wobei die Temperatur des Abgas es E sich bei seiner Strömung vom mittleren Abschnitt zu seinen beiden Endabschnitten erhöht. Dadurch wird, mit Bezug auf Fig. 4, die Temperaturdifferenz zwischen dem mittleren Ab­ schnitt des Filterelementes 12a und seinen beiden Endabschnitten infolge anwachsenden Wärmeisolationseffektes verbessert, wie durch die Kennliniekurve C verglichen mit dem Stand der Technik Bezügen (Kennlinienkurven A,B) angezeigt wird. Auf diese Weise kann die Wirksamkeit der Regeneration im äußeren Randabschnitt und in den beiden Endabschnitten des Filterelementes 12a, die schlechter war als in seinem mittleren Abschnitt, verbessert werden, ohne die der Heizung 16 zugeführte elektrische Energie zu erhöhen, wodurch die Verschwendung elektrischer Energie verhindert wird.

Fig. 6 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform ist im Wesentlichen dieselbe wie die erste Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß ein Drosselabschnitt 19 im Wesentlichen in der Mitte des hohlzylindrischen Rohrs 17a zur Abdeckung der äußeren Ränder des Filterelementes 12a angebracht ist.

Mit einer solchen Struktur kann die Temperaturbelastung des hohlzylindrischen Rohrs 17a, das dem Abgas mit bei Regeneration hoher Temperatur ausgesetzt ist, durch den Drosselabschnitt 19 aufgenommen werden, ohne eine Verformung des hohlzylindrischen Rohrs 17a zu bewirken, wenn es aus dünnem Blechmaterial gebildet wird. Auf diese Weise gibt es keine Verringerung des Zwischen­ raums 18a, der zwischen der äußeren Wand des Filterelementes 12a und der inneren Wand des hohlzylindrischen Rohrs 17a ausgebildet ist, was einen anwachsenden Druckverlust infolge Blockierens der Strömung des Abgases E und einen Bruch des Filterelementes 12a vermeidet.

Fig. 7 bis 12 zeigen eine dritte, bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf Fig. 7 ist ein Filter­ gehäuse 40 im mit dem Auspuffkrümmer eines (nicht gezeigten) Verbrennungsmotors verbundenen Abgaskanal 42 angeordnet, in dem poröse Filterelemente 41 in der Form z. B. eines Hohlzylinders und mit Heizungen 41a ausgerüstet parallel oder hintereinander angeordnet sind. Es sei bemerkt, daß ein einziges Filterelement im Filtergehäuse 40 angeordnet sein kann.

Das aus dem Motor kommende Abgas E wird vom offenen Ende des Filterelementes 41 an der stromaufwärtigen Seite des Abgases E in sein Inneres eingeleitet. Da das Filterelement 41 ein ge­ schlossenes Ende an der stromabwärtigen Seite des Abgases E wie später beschrieben hat, gelangt das Abgas E von der inneren Oberfläche des Filterelementes 41 zu seiner äußeren Oberfläche. Mit Bezug auch auf Fig. 8 werden auf dem Weg des Abgases E von der inneren Oberfläche des Filterelementes 41 zu seiner äußeren Oberfläche Abgaspartikel im Abgas E durch das Filterelement 41 aufgefangen. Das Filterelement kann aus gewickelter, keramischer Fiber, aus keramischem Guß, Metallguß oder Ähnlichem gebildet werden. Darüber hinaus kann das Filterelement 41 aus monoli­ thisch, in der Gestalt eines Hohlzylinders gebildeter Keramik hergestellt werden.

Die Heizung 41a ist an der inneren Oberfläche des in der Gestalt eines Hohlzylinders geformten Filterelementes 41 ange­ ordnet, um die vom Filterelementes 41 aufgefangenen Abgasparti­ kel mittels elektrischer Energie zu verbrennen. Die Heizung 41a enthält ein elektrisches Heizelement aus SUS, Fe-Cr-Al oder Ni- Cr-Fe, und weist eine Vielzahl von Durchgangslöchern 41b auf, die mit regelmäßigen Abständen, wie in Fig. 9 gezeigt, angeord­ net sind. In Fig. 8 ist die Heizung 41a als in die innere Ober­ fläche des Filterelementes 41, d. h., einer Strömungsoberfläche des Abgases E eingeschrieben angeordnet; alternativ kann sie innerhalb des Filterelementes 41 oder an seiner äußeren Ober­ fläche angeordnet sein. Wie am Besten in Fig. 9 zu sehen ist, ist eine Elektrode 41c zur Zufuhr von elektrischer Energie zur Heizung 41a am geschlossenen Ende 41e der Heizung 41a an der stromabwärtigen Seite des Abgases E angeordnet, und wird vom Gehäuse 40 elektrisch isoliert nach außen geführt. Auf der anderen Seite wird das offene Ende 41d der Heizung 41a, wie in Fig. 7 bis 8 gezeigt, an der stromaufwärtigen Seite des Abgases E durch das Filtergehäuse 40 mit Masse verbunden. Die Elektrode 41c ist mit einer (nicht gezeigten) Energiequelle verbunden. Beim Stoppen des Motors wird die Heizung 41a eine vorbestimmte Zeitperiode lang (z. B. 10 Minuten) von der Energiequelle mit elektrischer Energie versorgt.

In dieser Ausführungsform ist ein hohlzylindrisches Rohr 42a, wie in Fig. 7 bis 8 gezeigt, (das als eine Strahlungsschildhülse wirkt), angeordnet, um die äußere Oberfläche des Filterelementes 41 in einem vorbestimmten Abstand 43 relativ zur äußeren Wand des Filterelementes 41 abzudecken. Alternativ kann das hohl­ zylindrischer Rohr 42a in Übereinstimmung mit der Gestalt der äußeren Oberfläche des Filterelementes 41 gebildet werden.

Das Filterelement 41 ist so angeordnet, daß seine Achse im Wesentlichen horizontal liegt. Mit Bezug auf Fig. 1 und 10 hat das hohlzylindrischer Rohr 42a beim Abdecken der äußeren Oberfläche des Filterelementes 41 in vorbestimmtem Abstand 43 eine Vielzahl von oberen Öffnungen 42b und eine Vielzahl von unteren Öffnungen 41c in der Nähe seiner höchsten und seiner niedrigsten Abschnitte, in vertikaler Richtung gesehen, so daß sie im Wesentlichen parallel zur Achse des hohlzylindrischen Rohrs 42a liegen. Die Bereiche der oberen Öffnungen 42b werden an der stromaufwärtigen Seite des Abgases E als größer festgelegt.

Auf der anderen Seite werden die Bereiche der unteren Öffnungen 42c so festgelegt, daß sie im Wesentlichen gleiche Werte und gleichmäßige Verteilung in der Richtung der Achse des hohlzylindrischen Rohrs 42a haben, unabhängig von der Strömungs­ richtung des Abgases E. Ein Verbindungsrohr 44 ist in einem unteren Abschnitt im Inneren des Filtergehäuses 40 außerhalb des hohlzylindrischen Rohr 42a so angeordnet, daß es eine Verbindung des unteren Abschnitts des Inneren des Filtergehäuses 40 mit der Außenseite oder Atmosphäre erlaubt.

Als Nächstes wird die Betriebs- und Wirkungsweise dieser Ausführungsform beschrieben.

Zum Auffangen der Abgaspartikel strömt das Abgas E in das Filterelement 41 von der Öffnung an der stromaufwärtigen Seite des Abgases E ein, und gelangt durch die Durchgangslöcher 41b der Heizung 41a, die innere Oberfläche des Filterelementes 41 und seine äußere Oberfläche, durch die die Abgaspartikel im Abgas E aufgefangen werden. Dann wird der größte Teil des Abgases E nach Durchströmen des offenen Endes 42d des hohl­ zylindrischen Rohrs 42a, der oberen Öffnungen 42b und der unteren Öffnungen 42c in den Abgaskanal 42 an der stromab­ wärtigen Seite geleitet, und an die Atmosphäre abgegeben.

Bei Regeneration des Filterelementes 41, die nach Stoppen des Motors durchgeführt wird, wirkt das Filterelement 41 als eine Strahlungsschildhülse, die Stahlungshitze bereitstellt, um Abgaspartikel zu verbrennen, die im Filterelement 41 in der Nähe seiner äußeren Oberfläche angesammelt wurden. Darüber hinaus wird, sobald die Erhitzung der Heizung 41a begonnen wurde, eine Konvektion durch das erhitzte Gas im hohlzylindrischen Rohr 42a erzeugt, welches aufsteigt und vom oberen Abschnitt des offenen Endes 42d des hohlzylindrischen Rohrs 42a und seinen oberen Öffnungen 42b strömt. Luft niedriger Temperatur von außerhalb des Filtergehäuses 40 oder Frischluft wird in das hohlzylin­ drische Rohr 42a eingeleitet, indem es durch das Verbindungsrohr 44 und die unteren Öffnungen 42c gelang. Im Ergebnis wird Frischluft nach und nach ohne Bereitstellung einer Luftpumpe, eines Schließventils, usw. zugeführt, und die Verbrennung der Abgaspartikel kann kontinuierlich und stabil durchgeführt werden. Im Fall, daß die Kapazität des Filterelementes 41 relativ klein ist, kann Luft innerhalb des Filtergehäuses 40 und solche im Abgaskanal 42, d. h. Luft niedriger Temperatur, die nicht zur Verbrennung benutzt wird, auf des Basis des Konvektionseffektes für die Verbrennung bereitgestellt werden, ohne eine Anordnung zur Einführung von Außenluft durch ein Verbindungsrohr 44, usw., vorzusehen, die zufriedenstellende Regeneration des Filterelementes 41 ermöglicht.

Da die Bereiche der oberen Öffnungen als an der stromaufwär­ tigen Seite des Abgases E größer festgelegt wurden, kann Konvek­ tionsluft leicht durch das innere des hohlzylindrischen Rohrs 42a am Ende der stromaufwärtigen Seite des Abgases E, d. h., am linken Ende nach Fig. 7, gelangen, wo Konvektionsluft wegen hohen Belüftungswiderstandes schwierig einzuführen ist. Im Ergebnis wird der Grad der Verbrennung der Abgaspartikel in der Richtung der Achse des Filterelementes 41 gleichmäßiger gemacht, wodurch gleichmäßige Regeneration der Gesamtheit des Filter­ elementes 41 in kurzer Zeit ohne Erzeugung von großer ther­ mischer Beanspruchung, usw., ermöglicht wird.

In dieser Ausführungsform wird eine Vielzahl von oberen Öffnungen 42b vorgesehen mit Blick auf Verträglichkeit zwischen Abstimmung eines Bereiches der Öffnungen mit hoher Genauigkeit und seiner Herstellbarkeit. Mit Bezug auf Fig. 11 kann die obere Öffnung alternativ als Schlitz ausgebildet werden. Ebenso können die unteren Öffnungen als Schlitz ausgebildet werden. Solch eine Struktur hat den Vorteil einer einfachen Bearbeitung. In dieser Ausführungsform sind ferner die oberen und unteren Öffnungen 42b, 42c in vertikaler Richtung angeordnet. Alternativ können sie in Querrichtung angeordnet werden. Mit Bezug auf Fig. 12 kann darüber hinaus eine Vielzahl von oberen Öffnungen 42b mit gleichem Durchmesser so angeordnet werden, daß der Abstand zur benachbarten Öffnung an der stromaufwärtigen Seite des Abgases E geringer ist.

Da die Öffnung des Verbindungsrohrs 44 im Filtergehäuse 40 am Ende an der stromaufwärtigen Seite des Abgases E, d. h. der linken Seite nach Fig. 7, angeordnet ist, wo Konvektionsluft wegen hohen Belüftungswiderstandes schwierig einzuführen ist, kann Konvektionsluft leicht durch das Innere des hohlzylin­ drischen Rohrs 42a gelangen, um einen gleichmäßigen Grad der Verbrennung von Abgaspartikeln in Richtung der Achse des Filter­ elementes 41 zu erhalten, was gleichmäßige Regeneration der Gesamtheit des Filterelementes 41 in kurzer Zeit ergibt. Ohne Benutzung einer Anordnung zur Einführung von Außenluft durch das Verbindungsrohr 44 wie in dieser Ausführungsform, kann dieselbe Wirkung erzielt werden durch eine Anordnung zur Einführung von Außenluft in das Filtergehäuse 40 über z. B. eine Öffnung, die in seinem unteren Abschnitt angebracht ist, und die mit der Atmosphäre kommuniziert. Darüber hinaus kann in Fällen, in denen wegen der relativ geringen Kapazität des Filterelementes 41 die Luft im Filtergehäuse 40 oder die Luft, die in das Filtergehäuse 40 über den Auspuffkanal 42 eingeführt wird, die Regeneration des Filterelementes 41 absichert, seine zufriedenstellende Regeneration auf der Basis des Konvektionseffektes erreicht werden, ohne eine Anordnung zur Einführung von Außenluft durch ein Verbindungsrohr 44, usw. Jedoch kann die Wirksamkeit der Regeneration durch Anordnen eines Verbindungsrohres, usw., verbessert werden. Darüber hinaus kann eine Verbindungs-/Unter­ brechungseinrichtung, wie etwa ein Schließventil, angebracht werden, um die Verbindung des Filtergehäuses 40 mit der Atmosphäre durch das Verbindungsrohr 44, usw., nur bei Regeneration des Filterelementes 41 zu zulassen.

Fig. 13 bis 14 zeigen eine vierte, bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf Fig. 13 ist die vierte Ausführungsform im Wesentlichen dieselbe wie die dritte Aus­ führungsform, außer daß die Einrichtung 111, die einen Auspuff­ drucksensor, usw., zur Erkennung eines Regenerierungszeitpunktes für ein Filterelement 104 enthält, in einem Auspuffkanal 101 auf der stromaufwärtigen Seite des Filterelementes 104 angeordnet ist. Es sei festgestellt, daß die Energiequelle in der dritten Ausführungsform nicht gezeigt wurde, aber in der vierten Aus­ führungsform gezeigt wird. Wie in Fig. 13 gezeigt, wird eine Elektrode 105a mit einer Batterie 112 über einen Heizungs­ treiberkreis 106 verbunden, der einen Regenerationsschalter 114, ein Regenerationszeitrelais 113, eine Regenerationswarnlampe 115, usw. enthält.

Mit Bezug auf Fig. 13 bis 14 wird die Betriebs- und Wirkungs­ weise dieser Ausführungsform beschrieben.

Zum Auffangen der Abgaspartikel ist festzustellen, daß das Abgas E von der inneren Oberfläche des Filterelementes 104 zu seiner äußeren Oberfläche gelangt, wodurch Abgaspartikel im Abgas E aufgefangen werden. Dann wird das Abgas nach außen durch einen Auspuffkanal 113, einen (nicht gezeigten) Schalldämpfer, usw. abgegeben. Wenn das Filterelement 104 in der Regenerations­ zeit ist, wird der Heizungstreiberkreis 106 nach Stopp des Motors aktiviert, um die Heizung 105 mit elektrischer Energie zu versorgen, und die Regeneration des Filterelementes 104 zu beginnen. Wenn insbesonders als Beispiel ein Ausgabewert des Auspuffdrucksensors größer als ein vorbestimmter Wert ist, bestimmt der Heizungstreiberkreis 106, daß das Filterelement 104 in der Regenerationszeit ist, und schaltet die Regenerations­ warnlampe an. Nach Beobachtung dieses Ereignisses schaltet der Fahrer den Regenerationsschalter manuell ein, um die Heizung 105 mit elektrischer Energie zu versorgen, und die Regeneration des Filterelementes 104 zu beginnen. Alternativ kann dieser Betrieb automatisch ausgeführt werden. D.h., wenn der Auspuffdruck größer als ein vorbestimmter Wert ist, wird die Heizung 105 automatisch mit elektrischer Energie versorgt, nachdem ein Zündschalter abgeschaltet wurde.

Die Zeitdauer der Zufuhr von elektrischer Energie zur Heizung 105 wird durch ein Zeitglied gesetzt. Vorzugsweise wird die Zeitdauer auf der Basis von Experimenten bezüglich Energie­ verbrauch, Haltbarkeit von Filter und Heizung, usw. festgesetzt. Nach Zufuhr von elektrischer Energie wird die Heizung 105 aufgeheizt, so daß im Filterelement 104 angesammelte Abgas­ partikel angezündet und verbrannt werden. Bezüglich der Art der Verbrennung von Abgaspartikeln in dieser Ausführungsform gilt, daß die Verbrennung sich grundsätzlich von der inneren Ober­ fläche des Filterelementes 104 zu seiner äußeren Oberfläche erstreckt, und gleichmäßig in der Richtung der Achse des Filterelementes 104 durchgeführt wird.

Als Nächstes wird die Betriebsweise eines hohlzylindrischen Rohrs oder Strahlungsschildhülse 107 beschrieben.

Um durch Nutzung von Strahlungshitze die Abgaspartikel zu verbrennen, die in der Nähe der äußeren Oberfläche des Filter­ elementes 104 wegen ungenügender Übertragung der von der Heizung 105 erzeugten Hitze unverbrannt geblieben sind, wird eine Strah­ lungsschildhülse 107 angebracht, um die äußere Oberfläche des Filterelementes 104 in einem vorbestimmten Abstand abzudecken.

Bei einer konventionellen Strahlungsschildhülse ohne Rege­ nerationsöffnungen 108 schränkt die Strahlungsschildhülse die natürliche Konvektion (das Phänomen, daß warme Luft aufsteigt, und kalte Luft herabfällt), die beim Aufheizen der Heizung 105 und beim Verbrennen der Abgaspartikel erzeugt wird, so daß bei fortschreitender Verbrennung der im Filterelement 104 angesam­ melten Abgaspartikel die Luft im Zwischenraum zwischen Strah­ lungsschildhülse und dem Filterelement 104 verdünnt wird, was den Nachteil bewirkt, daß die Verbrennung der Abgaspartikel selbst bei ausreichend angestiegener Temperatur fortzuschreiten aufhört.

Nach dieser Ausführungsform trägt die Anordnung einer Strah­ lungsschildhülse 107 mit oberen und unteren Regenerationsöff­ nungen 108, die, wie in Fig. 13 bis 14 gezeigt, im Wesentlichen in vertikaler Richtung angeordnet sind, zur Beschleunigung der natürlichen Konvektion im Zwischenraum zwischen der Strahlungs­ schildhülse und dem Filterelement 104 bei, so daß eine genügende Menge von Sauerstoff an der äußeren Oberfläche des Filterelemen­ tes 104 bereitgestellt wird, und Strahlungshitze wirkungsvoll angewendet wird, wodurch eine ausgezeichnete Verbrennung der in der Nähe der äußeren Oberfläche des Filterelementes 104 ange­ sammelten Abgaspartikel ermöglicht wird.

Es ist festzustellen, daß die Regenerationszeit durch Filter­ regenerierungszeiterkennungseinrichtungen erkannt werden kann, wie oben beschrieben.

Fig. 15 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die fünfte Ausführungsform ist im Wesentlichen dieselbe wie die vierte Ausführungsform, außer einer hinzugefügten Luftpumpe.

Mit Hinweis auf Fig. 15 wird die Luftpumpe 110 beschrieben.

Wenn Nebenluft zur Regenerierung auf der stromaufwärtigen Seite des Filterelementes 104, d. h. im Abgaskanal auf der Einlaßseite, durch die Luftpumpe in einer Weise ähnlich dem bekannten Stand der Technik zugeführt wird, dann kann die Wirksamkeit der Regenerierung durch natürliche Konvektion durch die Strahlungsschildhülse 107 nach der vorliegenden Erfindung verbessert werden. Da jedoch der Druckverlust innerhalb des Filterelementes 104 mit Fortschreiten seiner Regenerierung verändert (verringert oder wiederhergestellt) wird, verändert sich der Abgabedruck der Luftpumpe, was eine Veränderung (Zu­ nahme) der Menge der dem Filterelement 104 zugeführten Nebenluft bewirkt. Beim Durchströmen des Filterelementes 104 nimmt diese angewachsene Menge von Nebenluft Verbrennungshitze weg, was zum Problem der verringerten Verbrennungseffizienz der Abgasparti­ kel, d. h. der Regenerierungseffizienz des Filterelementes 104 führt.

Nach dieser Ausführungsform ist die Luftpumpe 110, wie in Fig. 15 gezeigt, auf der stromaufwärtigen Seite des Filter­ elementes 104 angebracht, um so Nebenluft an der unteren Seite der äußeren Oberfläche des Filterelementes 104 zuzuführen. Dies erlaubt eine Hinderung der Abgabeveränderung der Luftpumpe 110 mit dem Grad der Regeneration des Filterelementes 104, was zu einer Lösung des oben genannten Problems führt, daß die Verbren­ nungseffizienz der Abgaspartikel sich wegen der Tatsache verrin­ gert, daß die vergrößerte Menge der Nebenluft Verbrennungshitze wegnimmt.

Wegen der Anordnung der Strahlungsschildhülse 107 mit oberen und unteren Regenerationsöffnungen 108, die, wie in Fig. 13 bis 14 gezeigt, im Wesentlichen in vertikaler Richtung angeordnet sind, kann darüber hinaus natürliche Konvektion in ausgezeich­ neter Weise erzeugt werden. Insbesondere trägt die Anordnung der Luftpumpe 110 im unteren Abschnitt des Filtergehäuses 102 zur gleichmäßigen und effizienten Zufuhr von Nebenluft an beide Seitenabschnitte der äußeren Oberfläche des Filterelementes 104 durch die unteren Regenerationsöffnungen 108 in Übereinstimmung mit natürlicher Konvektion bei, ohne jede verschwenderische Abgabe zugeführten Nebenluft aus dem Auspuffkanal 103, was eine weitere Verbesserung der Regenerierungseffizienz des Filter­ elementes 104 ergibt. Mit anderen Worten kann Nebenluft gleichmäßig zur äußeren Oberfläche des Filterelementes 104 in Übereinstimmung mit natürlicher Konvektion zugeführt werden, ohne jede Störung der Luftströmung, die in konventionellen Strahlungsschildhülsen erzeugt wird, die keine Regenerations­ öffnungen 108 haben, und ohne jede verschwenderische Abgabe von zugeführter Nebenluft.

Wie oben beschrieben, können verschiedene Wirkungen erzeugt werden, wenn Nebenluft von unten zugeführt wird. Alternativ kann Nebenluft an der Oberseite, oder an der rechten oder linken Seite der äußeren Oberfläche des Filterelementes 104 zugeführt werden. Da Gas hoher Temperatur, das zum Verbrennen von Abgas­ partikeln benutzt wurde, vom Inneren der Strahlungsschildhülse 107 zu seiner oberen Außenseite auf der Basis des Effektes natürlicher Konvektion bewegt werden kann, wird also mit einer solchen Anordnung frisch zugeführte Nebenluft von relativ niedriger Temperatur abwärts bewegt, und nach und nach von unten an die äußere Oberfläche des Filterelementes 104 geführt. Es ist so zu verstehen, daß verglichen mit einer konventionellen Strah­ lungsschildhülse ohne Regenerationsöffnungen 108, die behinderte natürliche Konvektion aufweist, eine beachtliche Beschleunigung der Verbrennung von Abgaspartikeln mit einer geringeren Menge von Nebenluft erreicht werden kann.

In der vierten und der fünften Ausführungsform wird eine Vielzahl von Regenerationsöffnungen 108 vorgesehen. Alternativ können die Regenerationsöffnungen 108 zum Beispiel als Schlitz ausgebildet werden. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit. Ferner sind in diesen Aus­ führungsformen die Regenerationsöffnungen 108 im Wesentlichen in vertikaler Richtung angeordnet. Alternativ können sie in Quer­ richtung angeordnet werden.

Fig. 16 bis 18 zeigen eine sechste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die sechste Ausführungsform ist im Wesentlichen dieselbe wie die vierte Ausführungsform.

Mit Bezug auf Fig. 16 bis 17 ist ein Abstand C zwischen der äußeren Oberfläche des Filterelementes 204 und der inneren Ober­ fläche der Strahlungsschildhülse 205 auf einen Wert zwischen 5 und 15 mm festgesetzt. Ahnlich wie in der vierten Ausführungs­ form enthält der Heizungstreiberkreis 207 ein Regenerationszeit­ relais 209 zur Verbindung der Heizung 206 mit der Fahrzeugbat­ terie 208 für eine vorbestimmte Zeitperiode zur Zufuhr von elektrischer Energie, einen Regenerationsschalter 210 zum manuellen Anschalten des Zeitrelais 209, und eine Regenerations­ warnlampe 211 zum Warnhinweis auf den Regenerationszustand, usw.

Darüber hinaus ist der Drucksensor 212 im Auspuffkanal 201 an der stromaufwärtigen Seite des Filterelementes 204 angeordnet.

Als Nächstes wird die Betriebsweise dieser Ausführungsform beschrieben.

Falls der vom Drucksensor 212 innerhalb des Auspuffkanals 201 an der stromaufwärtigen Seite des Filterelementes 204 erkannte Auspuffdruck kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, ist der Druckverlust innerhalb des Filters klein, so daß festgestellt wird, daß das Filterelement 204 noch nicht in einem Regeneration verlangenden Zustand bezüglich der Menge der aufgefangenen Abgaspartikel ist (hiernach als Regenerationszeit bezeichnet), und kontinuierlich Abgaspartikel durch das Filterelement 204 aufgefangen werden.

Zu dieser Zeit wird Abgas E in das Innere des Filterelementes 204 vom Auspuffkanal 201 an der stromaufwärtigen Seite des Filterelementes 204 eingeführt, und strömt durch das Filter­ element 204, durch welches die im Abgas E enthaltenen Abgas­ partikel aufgefangen werden. Das zur Außenseite des Filter­ elementes 204 strömende Abgas E gelangt vom offenen Ende der Strahlungsschildhülse 205 an der stromabwärtigen Seite zum Auspuffkanal 203 an der stromabwärtigen Seite durch den Zwischenraum c zwischen Filterelement 204 und Strahlungsschild­ hülse 205. Dann wird das Abgas E an die Atmosphäre über einen (nicht gezeigten) Schalldämpfer, usw., abgegeben.

Falls andererseits der innerhalb des Auspuffkanals 201 an der stromaufwärtigen Seite des Filterelementes 204 durch den Druck­ sensor 212 erkannte Auspuffdruck größer als ein vorbestimmter Wert ist, wird festgestellt, daß daß Filterelement 204 in der Regenerationszeit ist, und Regeneration des Filterelementes 204 auszuführen ist.

Bei Regeneration des Filterelementes 204 wird der Regene­ rationsschalter 210 nach Stoppen des Motors angeschaltet, um so den Heizungstreiberkreis 207 zu starten. Bei angeschalteten Regenerationsschalter 210 wird insbesondere das Regenerations­ zeitrelais 209 aktiviert, um elektrische Energie zur Heizung 206 für eine vorbestimmte Zeitperiode zuzuführen. Wenn die Heizung 206 durch Zufuhr elektrischer Energie aufgeheizt wird, werden die im Filterelement 204 aufgefangenen Abgaspartikel durch Verbrennen beseitigt, und das Filterelement 204 regeneriert.

In der Nähe des Zwischenraums C zwischen äußerer Oberfläche des Filterelementes 204 und innerer Oberfläche der Strahlungs­ schildhülse vorkommende Luft oder Sauerstoff wird zum Verbrennen der Abgaspartikel benutzt. Falls der Abstand C kleiner als 5 mm ist, wird die Luft oder der Sauerstoff innerhalb des Zwischen­ raums C mit fortschreitendem Verbrennungsprozeß verdünnt, das zu einem schwierigen, weiteren Verlauf des Prozesses führt.

Falls andererseits der Abstand C größer als 15 mm ist, kann die Heizung 206 die an der inneren Oberfläche der Strahlungs­ schildhülse 205 haftende Abgaspartikel nicht verbrennen. Wegen des Mangels an von der inneren Oberfläche der Strahlungsschild­ hülse erzeugter Strahlungshitze, bleiben im Ergebnis Abgaspar­ tikel an der äußeren Oberfläche des Filterelementes unverbrannt.

Da der Abstand C auf einen Wert zwischen 5 und 15 mm festgesetzt wurde, wird nach dieser Ausführungsform die für die vollständige Verbrennung der Abgaspartikel erforderliche Menge an Luft oder Sauerstoff gesichert, weil der Abstand größer als 5 mm ist, und die Heizung kann die an der inneren Oberfläche der Strahlungsschildhülse 205 haftende Abgaspartikel verbrennen, weil der Abstand C kleiner als 15 mm ist, wodurch in exzellenter Weise die Strahlungsleistungsfähigkeit der inneren Oberfläche der Strahlungsschildhülse 205 erhalten wird, was eine voll­ ständige Verbrennung der an der äußeren Oberfläche des Filter­ elementes 204 aufgefangenen Abgaspartikel durch Strahlungshitze ergibt.

Fig. 19 zeigt die Veränderung der Menge der unverbrannten Abgaspartikel, wenn der Abstand C zwischen der äußeren Ober­ fläche des Filterelementes 204 und der inneren Oberfläche der Strahlungsschildhülse verändert wird. Aus Fig. 19 wird ver­ ständlich, daß, wenn der Abstand C zwischen 5 und 15 mm liegt, die Menge der unverbrannten Abgaspartikel wegen der oben beschriebenen verschiedenen Betriebsweisen und Effekte klein ist.

Zusätzlich zum Festsetzen des Abstandes C wird darüber hinaus das Emissionsvermögen ε der inneren Oberfläche der Strahlungs­ schildhülse 205, die dem Filterelement gegenüberliegt, auf einen Wert kleiner 0,1 festgesetzt, wodurch besonders ausgezeichnete Strahlungsleistungsfähigkeit erreicht wird. Fig. 20 zeigt die Veränderung der Menge unverbrannter Abgaspartikel, wenn das Emissionsvermögen ε der inneren Oberfläche der Strahlungsschild­ hülse 205 verändert wird. Aus Fig. 20 wird verständlich, daß, wenn das Emissionsvermögen ε kleiner als 0,1 ist, die Menge der unverbrannten Abgaspartikel kleiner ist. So kann mit Bezug auf Fig. 20 die Verbrennung der im Filterelement 204 aufgefangenen Abgaspartikel durch eine geringere Heizleistung als nach dem bekannten Stand der Technik erreicht werden, was eine Verringerung der Größe des Systems und des Energieverbrauchs ergibt.

Nach Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen, ist festzustellen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf sie beschränkt ist, und verschiedene Änderungen und Modifikationen sind möglich, ohne daß vom Geist der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.

Zum Beispiel ist in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Heizung an der inneren Oberfläche des Filterelementes angeordnet, was jedoch nicht eingrenzend ist, und eine andere Anordnung, wie etwa ein Brenner, kann angenommen werden. Da Regeneration des Filterelementes nach Stoppen des Motors durch­ geführt wird, kann darüber hinaus in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Einrichtung zum Heizen und Verbrennen der Abgaspartikel bei Regeneration von außen eingeführt werden.

Claims (12)

1. System zur Behandlung von Abgaspartikel in Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors, wobei das System im Auspuffkanal angeordnet ist und enthält: ein Filter, das die Form eines Hohlzylinders hat, mit einem offenen und einem geschlossenen Ende, wobei das Auspuffgas von einem Ende des Filters eingeführt wird, und von der inneren Oberfläche des Filters zu seiner äußeren Oberfläche gelangt, ein zur Aufnahme des Filters angeordnetes Gehäuse, und eine Einrichtung zur Erhitzung des Filters, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr zwischen dem Gehäuse und dem Filter angeordnet ist, mit vorbestimmtem Abstand zwischen der inneren Oberfläche des Rohrs und der äußeren Oberfläche des Filters, und daß das Rohr mit Öffnungen gebildet ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen des Rohrs die Form von Durchgangslöchern haben.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangslöcher in beiden Endabschnitten des Rohrs angeordnet sind.

4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangslöcher im oberen und im unteren Abschnitt des Rohrs angeordnet sind.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangslöcher von einander unterschiedliche Öffnungen haben, und so gebildet sind, daß sie an der einen Seite des Rohres größer sind.

6. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangslöcher dieselben Öffnungen haben, und so gebildet sind, daß der Abstand zwischen benachbarten Durchgangslöchern auf der einen Seite des Rohrs kleiner ist.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen des Rohrs die Form eines Schlitzes haben, mit einer größeren Breite auf der einen Seite des Rohrs.

8. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Einrichtung aufweist zur Kommunikation des Inneren des Gehäuses mit der Atmosphäre.

9. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Luftpumpe aufweist, zur Zufuhr von Luft zu dem Filter.

10. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft der Luftpumpe aus der äußeren Peripherie des Filters bereitgestellt wird.

11. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand zwischen der inneren Oberfläche des Rohrs und der äußeren Oberfläche des Filters zwischen 5 und 15 mm beträgt.

12. System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsvermögen der inneren Oberfläche des Rohrs kleiner als 0,1 bei 100°C ist.