DE60210631T2

DE60210631T2 - Verfahren zur Regenerierung einer Abgasfiltervorrichtung für Dieselmotoren und Vorrichtung dafür

Info

Publication number: DE60210631T2
Application number: DE60210631T
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Fayard
Original assignee: CRMT
Current assignee: Crmt Dardilly Fr; Fayard Jean-Claude Lyon Fr
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2022-08-08
Also published as: EP1421267B1; EP1421267A1; WO2003018971A1; FR2829180A1; FR2829180B1; DE60210631D1; ATE323219T1; CA2458983A1; CA2458983C; US20050000211A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Partikelfilter und im Spezielleren ein Verfahren zur Regenerierung einer Abgasfiltervorrichtung für Dieselmotoren.
Außerdem zielt die vorliegende Erfindung auch auf eine Filtervorrichtung ab, die dazu bestimmt ist, durch den Motor erzeugte Kohle- und Rußpartikel zurückzuhalten und diese regelmäßig zu verbrennen, um deren Anhäufung zu verhindern, wobei diese letzte Phase die Regenerierung darstellt, also den Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Entwicklung des Industriezeitalters hat für die Umwelt schwerwiegende Folgen hervorgebracht. Die umweltverschmutzenden Gewerbe, aber auch die Entwicklung des Fahrzeugbestands sind Ursprung für eine hohe Abgabe von Schadstoffen in die Atmosphäre, was deren Veränderung mit sich bringt. Diese Veränderung hat zwei Stellenwerte. Zunächst ist eine chemische Veränderung festzustellen. Diese spiegelt sich vor allem durch eine ständige Zunahme im Gehalt der Luft an von Kohlenstoff stammenden Verbindungen wider. Bei diesen Verbindungen handelt es sich insbesondere um Kohlenmonoxid (CO) und bestimmte unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die aus unvollständigen Verbrennungsvorgängen stammen. Das Vorhandensein dieser Verbindungen in der Atmosphäre stellt ein viel größeres, direktes Risiko für die Gesundheit dar. So ist CO ein sehr starkes Atemgift. Die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) wie Benzpyren, Benzanthracen oder auch Fluoranthren, die besonders in Rauchgasen, Ruß oder Auspuffgasen von Motoren stark vorhanden sind, sind anerkannt krebserregend.
Die Atmosphäre wird auch durch die Freisetzung von Feststoffpartikeln verändert. Diese Partikel sind in Abhängigkeit von ihrer Größe in Klassen eingeteilt. So sind die kleinsten von diesen, sie werden absetzungsunfähiger Feinstaub genannt, weil sie sich unter der Wirkung der Schwerkraft nicht am Boden absetzen können, für die menschliche Gesundheit am gefährlichsten, weil sie in die Lungenbläschen eindringen können. Im Übrigen verschmutzen sie die höchsten Schichten der Atmosphäre und sind somit verantwortlich für eine weltweite Umweltverschmutzung.
Im Hinblick auf diese alarmierende Feststellung versucht auch die öffentliche Hand sowohl auf nationaler als auch internationaler Ebene Vorschriften gegen die Um weltverschmutzung aufzustellen. Diese Vorschriften betreffen vor allem die Automobilindustrie. So müssen die Automobilmarken regelmäßig Veränderungen an ihren Fahrzeugen vornehmen, um sie mit diesen Vorschriften in Einklang zu bringen.
Außer der Herstellung neuer Motoren, die einen immer reduzierteren Kraftstoffverbrauch haben, wurde insbesondere die Entwicklung neuer Auspuffsysteme angestrebt, die die Emission unverbrannter umweltschädlicher Gase und Feststoffpartikel reduzieren sollen. So haben die Autobauer Abgaskatalysatoren bzw. Katalysatoren entwickelt, die im Allgemeinen aus einem Mantel aus rostfreiem Stahl, einer Wärmeisolierung und einem mit Edelmetallen wie Platin oder Rhodium imprägnierten wabenförmigen Träger bestehen. Diese Katalysatoren ermöglichen es vor allem, die Emissionen von polycyclischen Kohlenwasserstoffen und CO zu senken, und zwar anteilig in der Größenordnung von 50%. Sie haben jedoch keinerlei Auswirkung auf die Feststoffpartikelemissionen. Somit bringen diese Katalysatoren insbesondere auf dem Gebiet der Dieselmotoren, die zahlreiche Feststoffpartikel erzeugen, keine merkliche Verbesserung der Luftqualität.
Es wurden andere technische Mittel ausgearbeitet, um die Emission umweltschädlicher Partikel durch Fahrzeuge einzuschränken. Dies ist so im Falle des Partikelfilters. Dieser Filter ermöglicht es, die Gesamtmasse der von Dieselmotoren abgegebenen Partikel um 90% zu senken. Er ist noch wirksamer für den Rückhalt sehr feiner Partikel, denn der Rückhaltegrad kann bis zu 99% betragen.
Der Partikelfilter benötigt jedoch eine Regenerierung, die es ermöglicht, die festgehaltenen Partikel zu verbrennen. Die Partikel werden im Allgemeinen durch einen Filtereinsatz festgehalten, der Teil des Partikelfilters ist. Dieser Einsatz kann, um den hohen Temperaturen zu widerstehen, denen er ausgesetzt ist, aus einem porösen Körper aus Dichroit, Quarz oder Siliziumcarbid bestehen, der allgemein wabenartig aufgebaut ist, um eine maximale Filterfläche zu bieten.
Ein Hauptnachteil solcher Partikelfilter besteht jedoch in der unvollständigen Verbrennung der durch den Filtereinsatz zurückgehaltenen Partikel. Bei innerörtlichen Nutzungsbedingungen reicht die Temperatur, die die Auspuffgase erreichen, nämlich nicht aus, um deren Verbrennung hervorzurufen und das Verstopfen des Filters und somit seine Regeneration nennenswert einzuschränken. Ohne chemische Unterstützung beginnen die Kohlenstoffpartikel, die aus der Verbrennung des Kraftstoffs in Dieselmotoren stammen, erst über 500°C nennenswert zu oxidieren. Diese Temperaturen werden unter innerörtlichen Fahrbedingungen praktisch nie erreicht.
Es scheint also notwendig, auf ein chemisches Verfahren zurückgreifen zu müssen, um diese Partikel zu eliminieren. Es werden verschiedene technische Verfahrensweisen eingesetzt, um ihre Verbrennung zu erzielen.
Eine erste technische Verfahrensweise besteht darin, dem Filter vorgeordnet einen Katalysator zur Oxidation von in den Abgasen enthaltenem Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) anzuordnen, wobei dieser die Eigenschaft hat, die Verbrennung von Kohlenstoffpartikeln ab 250°C zu beschleunigen. Dieses Verfahren macht es jedoch notwendig, einen Kraftstoff zu verwenden, dessen Schwefelgehalt unter 50 ppm (Teilen auf eine Million) liegt, um eine ausreichende Umwandlungswirkung von NO zu NO₂ zu erhalten.
Diese Verfahrensweise, die „Continnous Regenerating Trap" (C.R.T.) genannt wird, vereint die Wirkungen des Partikelfilters und des Oxidationsfilters für das NO. Um einen guten Betrieb der Filter sicherzustellen, braucht dieses System eine regelmäßige Regenerierung, die den Druckverlust des Filters einschränkt, wobei das Risiko einer unkontrollierten und exothermischen Regenerierung ausgeschlossen wird.
Ein solcher Betrieb wird nur dann erzielt, wenn die Abgase oder der Verbrennungsbehälter während mindestens 30% der Betriebszeit des Fahrzeugs eine Temperatur über 300°C aufweisen.
Im gegenteiligen Fall entstehen heftige Reaktionen, die mit der übermäßigen Konzentration von Kohlenstoffpartikeln zusammenhängen, die den Filter verstopfen. Diese Reaktionen bestehen aus der zu schnellen Verbrennung einer großen Partikelmenge, was im Allgemeinen zu einer Zerstörung des Filters durch Wärmeschock führt, da die erreichten Temperaturen stellenweise sehr hoch sind.
Andere Verfahrensweisen greifen auf die Verwendung metallorganischer Zusätze zurück, die dem Kraftstoff beigemischt werden, wie Cer, Eisen, Strontium, Calcium usw. Diese Verfahrensweisen ermöglichen es, eine ähnlich Wirkung wie diejenige, die mit NO₂ erreicht wird, zu erzielen, wobei die Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Stoffe bei Temperaturen um die 300°C beschleunigt wird.
Ein erster Nachteil dieser Verfahrensweisen sind die unerschwinglichen Kosten für die verwendeten Zusätze.
Ein weiterer Hauptnachteil liegt darin, dass eine zusätzliche Beimengungsvorrichtung vorgesehen werden muss.
Noch ein weiterer Nachteil dieser Verfahrensweisen ist, dass sie eine noch stärkere Tendenz zur Verstopfung des Filters und somit zu den sich daraus ergebenden Reaktionen aufweisen, wenn die beim Betrieb erreichten Temperaturen nicht hoch genug sind, wobei die in den kohlenstoffhaltigen Substanzen vorhandenen Zusätze dazu beitragen, das Filtrationsmittel noch schneller zu verschmutzen.
Andere Verfahrensweisen bestanden darin, Vorrichtungen auszuprobieren, die auf zusätzlichen Erwärmungseinrichtungen von der Art von Brennern, elektrischen Widerständen, usw., beruhten. Diese zusätzlichen Erwärmungseinrichtungen treten nur dann in Kraft, wenn der Einsatz den Beginn einer Verstopfung aufweist, was sich in einem zunehmenden Druckverlust ausdrückt. Eine solche Regenerierungseinrichtung tritt in Kraft, wenn der Motor läuft, d.h. wenn ein hoher Abgasaustrag vorhanden ist. Eine solche Vorrichtung erfordert somit eine hohe Wärmeleistung, um die Abgase und die Masse des Filtereinsatzes gleichzeitig auf die richtige Temperatur zu bringen.
Die WO-A-00/34632 beschreibt alle Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche 1 und 3.
Im Übrigen beschreibt die US-A-4,462,812 einen Partikelabscheider, der dazu bestimmt ist, im Auspuffkreislauf eines Dieselmotors zum Einsatz zu kommen, und der einen Filter umfasst, der in einer Kammer dieses Abscheiders so eingeschlossen ist, dass die ankommenden Abgase frei um den freien Teil dieses Filters zirkulieren können, um seine Außenfläche zu erwärmen und somit die Wärmebelastungen zu senken, die in diesem Filter während seines Betriebs und seiner Regeneration entstehen.
Schließlich betrifft die US-B-6,273,120 eine Vorrichtung, die es ermöglicht, ein flüssiges Reduktionsmittel in ein Reinigungssystem für die Abgase einzuleiten, und die eine Kammer zum Mischen dieses Reduktionsmittels mit einem Gas umfasst, die mit einer Übertragungsleitung für dieses Reduktionsmittel sowie einer Übertragungsleitung für dieses Gas in Verbindung steht, während eine Vorrichtung zum Regeln des Drucks in der Reduktionsmittelleitung in Abhängigkeit vom Druck des Gases in der Gasleitung vorgesehen ist.
In einem solchen technischen Kontext besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Regenerieren einer Filtervorrichtung bereitzustellen, das Abhilfe für die Nachteile der verschiedenen bestehenden Verfahrensweisen schafft, und darin besteht, Kohlenstoff- und Rußpartikel zu verarbeiten, die von Dieselmotoren abgegeben werden.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das jede drohende Partikelansammlung in der Filtervorrichtung und somit jegliches Risiko einer unkontrollierten Regenerierung verhindert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regenerierungsverfahren bereitzustellen, das keinen nennenswerten zusätzlichen Kraftstoffverbrauch und, allgemeiner, keine finanziellen Mehrkosten für den Benutzer nach sich zieht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regenerierungsverfahren bereitzustellen, das die Leistungen des Motors unangetastet lässt, vor allem durch die von dem Gegendruck hervorgerufenen Druckverluste, der durch die Abgase aufgrund eines Zusetzens der Filtervorrichtung auf den Motor ausgeübt werden.
Schließlich ist es eine letzte Aufgabe der Erfindung, eine Filtervorrichtung bereitzustellen, die die Umsetzung des erfindungsgemäßen Regenerierungsverfahrens zulässt.
Diese Aufgaben werden unter anderem von der vorliegenden Erfindung erfüllt, die in erster Linie ein Regenerierungsverfahren nach dem angefügten Anspruch 1 betrifft.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung, die die Umsetzung des erfindungsgemäßen Regenerierungsverfahrens zulässt. Diese Vorrichtung entspricht dem beigefügten Anspruch 3.
Die vorliegende Erfindung wird bei der Lektüre der folgenden Beschreibung verständlicher, die mit Bezug auf die Zeichnungen erstellt wurde, die auf keineswegs einschränkende Weise ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung darstellen:
1 stellt eine allgemeine Schemaansicht des Systems dar, das die Filtervorrichtung umfasst und die Durchführung des Regenerierungsverfahrens ermöglicht.
2 stellt eine Längsschnittansicht der Filtervorrichtung nach einer ersten Ausführungsform dar.
3 stellt eine Querschnittsansicht entlang der Achse II-II der in 3 im Längsschnitt dargestellten Filtervorrichtung dar.
4 stellt eine Variante dieser ersten Ausführungsform im Längsschnitt der Filtervorrichtung dar.
5 stellt eine Längsschnittansicht der Filtervorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform dar.
Das System, das die Durchführung des erfindungsgemäßen Regenerierungsverfahrens zulässt, ist schematisch in 1 nach einer bevorzugten Ausführungsform darge stellt. In diesem System wirken verschiedene mechanische Bauteile des Fahrzeugs zusammen, die einen Teil der Filtervorrichtung bilden oder auch nicht, und die an der Regenerierung dieser Vorrichtung beteiligt sind.
Auch erzeugt ein Dieselmotor 10, der über ein Versorgungssystem 14 aus einem Haupttank 12 mit Kraftstoff versorgt wird, im Betrieb Abgase. Diese Gase werden über eine (nicht dargestellte) Sammelleitung am Ausgang des Motors aufgefangen und mittels einer Abzugsleitung 16 abgezogen. Diese Leitung mündet wieder in einen Behälter 18 ein, der ein Verbrennungskatalysatorbetriebsmittel 20 und eine Filtereinrichtung 22 enthält. Im Bereich des Behälters 18 sind auch ein Temperaturfühler 24 und ein Druckfühler 26 angebracht. Diese Fühler haben die Aufgabe, die Temperatur und den Druck in unmittelbarer Nähe des Verbrennungskatalysatorbetriebsmittels zu messen. Die Daten bezüglich dieser Messwerte werden an ein elektronisches Steuergerät 28 übertragen und von diesem ausgewertet.
Das elektronische Steuergerät ist mit zwei Leitungen 30 und 32 verbunden und löst deren Öffnen aus. Die Leitung 30 verbindet einen zweiten Behälter 34 mit der Einspritzkammer 36. Der zweite Behälter 34 speist die Einspritzkammer 36 mit Dieselkraftstoff. Dieser wiederum wird durch den Haupttank 12 über ein Rohrleitungssystem 38 gespeist.
Die Leitung 32 verbindet ihrerseits den Motor 10 mit der Einspritzkammer 36. Sie ermöglicht es dem Motor 10, die Einspritzkammer 36 mit Druckluft zu speisen.
Das Öffnen der Leitungen 30 und 32 findet mittels zweier Elektroventile 31 und 33 statt, die vom elektronischen Steuergerät elektrisch angesteuert werden.
Eine Detailansicht des Behälters 18 im Längsschnitt ist in 2 dargestellt.
Im Behälter sind das Verbrennungskatalysatorbetriebsmittel 20 und die Filtereinrichtung 22 zusammengefasst. Das Verbrennungskatalysatorbetriebsmittel 20 besteht aus zwei Verbrennungskatalysatorbetriebsmitteleinsätzen 20a und 20b.
Diese Einsätze befinden sich vorzugsweise auf einer Metallunterlage, so dass sie einen Wärmeleitwiderstand erhalten, der so schwach wie möglich ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Einsätze vorzugsweise auf Platinbasis und sind der Ort einer Umwandlung des in den Abgasen enthaltenen Stickstoffmonoxids (NO) in Stickstoffdioxid (NO₂), der den Verbrennungskatalysator darstellt. Das entstandene NO₂ diffundiert bis zur Filtereinrichtung 22.
Die Filtereinrichtung 22 besteht aus dreidimensionalen Filtereinheiten. Vorteilhafter Weise sind diese Filtereinheiten wabenartig und aus Siliziumcarbid.
Nach einer ersten in 2 dargestellten Ausführungsform sind diese Filtereinheiten so zusammengestellt, dass sie den Körper eines Partikelfilters bilden. Somit besteht die Filtereinrichtung aus drei Partikelfiltern 22a, 22b und 22c. Diese so angeordneten Partikelfilter sind in 3 von oben gesehen dargestellt. Die Filter bestehen aus einem Körper 40 und einer Metallummantelung 42. Der Körper 40 ist durch den Zusammenbau mehrerer Filtereinheiten 44 gebildet, die durch ein Verbindungsstück 46 voneinander getrennt sind, dessen Aufgabe darin besteht, ihre Ausdehnung auszugleichen.
Der Behälter 18 umfasst in seinem unteren Teil eine Rückhaltekammer, die es ermöglicht, die Verweildauer der durch den Durchtritt durch die Filtereinrichtungen (Filtereinheiten oder Partikelfilter) gereinigten Abgase im Behälter zu verlängern.
Diese Verlängerung der Verweildauer der Abgase lässt diese die Filtereinheiten oder Partikelfilter und damit die Partikel selbst erwärmen. Dieses bemerkenswerte Merkmal ermöglicht es, die Letzteren auf einer Temperatur zu halten, die um einiges höher ist als die gewöhnliche Temperatur. Diese Temperatur kann die Temperatur erreichen, die ihre Verbrennung in Anwesenheit des Verbrennungskatalysators ermöglicht. In diesem Fall läuft die Regenerierung ohne Kraftstoffeinspritzung ab.
Eine Variante dieser Ausführungsform ist in 4 dargestellt. Nach dieser Variante sind die Partikelfilter 22a, 22b und 22c in der umgekehrten Richtung angeordnet. Die Vorrichtung umfasst dann einen besonderen Rückhaltebereich für die noch nicht gefilterten Abgase. Und zwar sind diese zwischen den Katalysatoreinsätzen und der Unterlage 48 der Filter enthalten, was diesen Abgasen eine längere Aufenthaltszeit vor ihrem Durchtritt durch die Partikelfilter lässt, die einerseits den Wärmeaustausch zwischen den Gasen und Filtern begünstigt und andererseits den Wärmeschwund durch einen Austausch mit dem Außenraum einschränkt.
Nach einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Filtereinheiten 44 voneinander unabhängig. So ist jede Filtereinheit von den angrenzenden Filtereinheiten durch einen Zwischenraum getrennt, der ausreicht, um ihre Ausdehnung zuzulassen. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, weil sie es einerseits ermöglicht, die Wärmedehnungsspannungen vor allem im Falle einer heftigen Verbrennung von zurückgehaltenen Partikeln sehr deutlich zu senken, was die Gefahr stark einschränkt, dass die Filtereinheiten Schaden davontragen; andererseits ist die für die Wärmeübertra gung durch die Gase verfügbare Oberfläche erheblich vergrößert, was diese Wärmeübertragung umso mehr verstärkt.
Eine in 5 dargestellte Variante dieser zweiten Ausführungsform besteht darin, die Filtereinheiten 44 in der Filtervorrichtung spiegelverkehrt zu der in 4 dargestellten ersten Ausführungsform anzuordnen, wobei eine Halterung im unteren Teil angeordnet ist. Die Vorteile dieser Anordnung sind dieselben wie sie vorstehend in der Beschreibung von 4 aufgeführt wurden.
Nach einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei jeder Filtereinheit um einen Zylinder mit quadratischer Basis mit einer Breite und Tiefe von 35 mm und einer Länge, die von 150 bis 300 mm variiert.
In dem Falle, dass die Temperatur nicht ausreicht, um die Verbrennung der Partikel auszulösen, erfolgt die Regenerierung mittels der Kraftstoffeinspritzung.
Dazu wird die Temperatur in unmittelbarer Nähe des Katalysatorbetriebsmittels mit Hilfe des Fühlers 24 gemessen. Der gemessene Temperaturwert θ_m wird vom elektronischen Steuergerät abgefragt. Das Steuergerät vergleicht dann diesen Wert θ_m mit einem Referenzwert θ_r, der der Temperatur entspricht, bei der die Verbrennung des Kraftstoffs im Beisein des Katalysators vollständig erfolgt.
Wenn die gemessene Temperatur θ_m höher oder gleich dem Referenzwert θ_r ist, löst das elektronische Steuergerät das Öffnen der Elektroventile 31 und 33 aus. Dieses Öffnen bringt den Eintritt von Kraftstoff und Druckluft in die Kammer 36 mit sich. In der Kammer 36 vermischt sich der Kraftstoff mit der Druckluft, und das so gebildete Gemisch wird in vernebelter Form in der Gasablassleitung 16 verstäubt. Diese Verstäubung erfolgt über eine in der Wand der Kammer 36 ausgebildete Öffnung, der gegenüber sich eine an der Kammer befestigte Düse befindet, die es ermöglicht, einen unter Druck stehenden Vernebelungsstrahl zu erzielen. Nach einer Ausführungsform ist die Kammer 36 von der Art einer Luftdruck-Farbspritzpistole.
Wenn die durch das elektronische Steuergerät vorbestimmte notwendige Kraftstoffmenge eingespritzt wurde, wird die Versorgung mit Kraftstoff durch Schließen des Elektroventils 33 unterbrochen. Einzig die Versorgung mit Druckluft besteht weiter, so dass diese an Ort und Stelle des Gemischs in der Leitung 16 verstäubt wird. Diese fortgesetzte Versorgung mit Druckluft hat zum Ziel, jeglichen Kraftstoffrest in der Einspritzkammer 36 und der Leitung 16 zu beseitigen.
Das Fassungsvermögen des zweiten Behälters 34 ist so bestimmt, dass es dem maximalen Volumen des zur Regenerierung notwendigen Kraftstoffs entspricht. Auf diese Weise kann kein Mehrverbrauch an Kraftstoff stattfinden. Darüber hinaus ist dank dieser Ausführungsform die Häufigkeit der Regenerierungszyklen durch die Zeit eingeschränkt, die zum Füllen des zweiten Behälters 34 notwendig ist, wodurch ebenfalls entsprechender Mehrverbrauch an Kraftstoff vermieden werden kann.
Der in die Ablassleitung 16 eingespritzte Kraftstoff tritt in den Behälter ein und erfährt im Bereich des Katalysatorbetriebsmittels eine vollständige Verbrennung. Diese Verbrennung induziert eine deutliche Temperatursteigerung bis auf eine Temperatur θ_c, bei der die Verbrennung der Partikel vonstatten geht, die die Filtereinrichtung zusetzen. Die entstandenen NO₂-Moleküle beschleunigen diese Verbrennungsreaktion. So findet diese Reaktion bei einer niedrigeren als der normalen Temperatur statt. Bei dieser Verbrennung werden die Feststoffpartikel in Gas umgewandelt und ausgeleitet.
Die Filtereinrichtung ist nun wieder von Ablagerungen befreit und erlangt wieder ihre volle Filterkapazität.
Nach einer besonderen Ausführungsform kann der Messwert θ_m vom elektronischen Steuergerät genutzt werden, um die Temperatur der Partikel im Bereich der Filtereinrichtung zu bewerten. Wenn nämlich θ_m nahe an der Temperatur liegt, bei der die Partikelverbrennung ohne Kraftstoffnacheinspritzung erfolgen kann, kann der Rechner entscheiden, diese Nacheinspritzung nicht auszulösen, wodurch eine wesentliche Einsparung an Kraftstoff gemacht werden kann.
Nach einer Variante dieser Ausführungsform ist ein zusätzlicher Temperaturfühler in unmittelbarer Nähe der Filtereinrichtung vorgesehen, so dass die genaue Temperatur der Partikel ermittelt werden kann.
Eine dritte Betriebsart besteht darin, mit dem Temperaturfühler 24 und dem Druckfühler 26 gleichzeitig die Temperatur und den Druck im Bereich des Katalysatorbetriebsmittels zu messen. Der Druckwert P_m reflektiert den Grad der Verstopfung der Filtereinrichtung durch die Partikel. Wenn nämlich die Filtereinrichtung zugesetzt ist, ist es für die Abgase schwieriger, durch diese hindurchzugehen, und sie üben dann einen Gegendruck aus. Somit entspricht der Messwert P_m dem besten Mittel zur Kontrolle der Zusetzung der Filtereinrichtung. Das elektronische Steuergerät vergleicht den gemessenen Wert P_m mit einem Referenzwert P_r, der dem höchsten zulässigen Zusetzungsgrad der Filtereinrichtung entspricht. Wenn P_m größer oder gleich P_r ist, vergleicht das elektroni sche Steuergerät θ_m mit θ_r. Wenn θ_m höher oder gleich θ_r ist, löst das Steuergerät dann die Kraftstoffnacheinspritzung aus, die zur Regenerierung der Filtereinrichtung führt. Der Vorteil dieser Betriebsart ist, dass die Nacheinspritzung nur dann ausgelöst wird, wenn die Filtereinrichtung einen bestimmten Zusetzungsgrad erreicht hat, wodurch der Kraftstoffmehrverbrauch stark eingeschränkt werden kann.
BEISPIEL
Als nicht einschränkendes Beispiel wird nachstehend eine Filtervorrichtung dargestellt, die mit einem industriellen Fahrzeugmotor, dem Kompressormotor Renault VI 620-45 mit 10 Liter Hubraum und einer Leistung von 190 kW zum Einsatz kommt. Mit diesem Motor sind städtische Busse ausgestattet.
Die Filtervorrichtung besteht aus:

– zwei Katalysatoreinsätzen auf Platinbasis, die die Umwandlung von NO in NO₂ ermöglichen. Diese Einsätze, die einen Durchmesser von 7,5 Zoll haben und 3 Zoll lang sind, sind auf einer Metallunterlage parallel angebracht, wie in 2 dargestellt ist. Das Katalysatorvolumen wurde so bestimmt, dass der Umwandlungsgrad von NO in NO₂ über 85% liegt.
– drei parallel angebrachten IBIDEN-Partikelfiltern von der wabenförmigen Bauart aus Siliziumcarbid. Diese Filter haben einen Querschnitt von 162 cm² (Durchmesser 143,8 mm) und eine Länge von 254 mm.
– einem Kraftstoffeinspritzsystem mit einer wie vorstehend beschriebenen Einspritzkammer und einem zweiten Behälter mit einem Fassungsvermögen von 50 cm³. Der Austrag des Einspritzsystems beträgt 50 cm³ pro Minute. Dieser Austrag wurde so bestimmt, dass der durch die Nacheinspritzung hervorgerufene Temperaturanstieg der Abgase je nach den Nutzungsbedingungen zwischen 170 und 250°C liegt.
– einem elektronischen Steuergerät, das die Kraftstoffnacheinspritzung regelt. Eine Verzögerungsschaltung beschränkt die Dauer der Nacheinspritzung auf 1 Minute, und eine spezielle Programmierung des Steuergeräts ermöglicht es, alle 5 Minuten höchstens eine Nacheinspritzung zu erzielen.

Der Test wurde im Werk unter Bedingungen durchgeführt, die den städtischen Verkehrbedingungen entsprechen.
Das elektronische Steuergerät war so eingestellt, dass die Nacheinspritzung ausgelöst wird, sobald der Gegendruck 120 mB erreicht und die Temperatur der Gase über 300°C liegt.
Es ist bekannt, dass die Zeit, während der die Temperatur der Abgase über 300°C liegt, damit die Regenerierung richtig vonstatten geht, länger als 30% der Nutzungszeit des Fahrzeugs betragen muss.
Die in diesem Beispiel beschriebene Vorrichtung ermöglicht es, eine Abgastemperatur zu erhalten, die ständig über 300°C liegt, wie auch immer die Ausgangstemperatur der Abgase sein mag.
So beträgt der Wert des nach jedem Regenerierungsvorgang der Filtervorrichtung gemessenen Gegendrucks 50 mB, was dem Wert des Gegendrucks entspricht, der an einer neuen Filtervorrichtung gemessen wird. Die Regenerierung der Vorrichtung ist somit vollständig.
Das erfindungsgemäße Regenerierungsverfahren und die dazugehörige Filtervorrichtung sind also besonders geeignet für die Verarbeitung von Abgasen der im Stadtverkehr üblichen Transportfahrzeuge. Die durch diese Fahrzeuge erzeugten Gase befinden sich nämlich allgemein auf einer niedrigeren Temperatur als derjenigen, die notwendig ist, um die Regenerierung der herkömmlichen Filtervorrichtungen zu ermöglichen, was ein Verstopfen dieser Vorrichtungen und somit ihren schnellen Verschleiß durch heftige Verbrennungsreaktionen mit sich bringt. Die mit der vorliegenden Technik erzielten Ergebnisse ermöglichen es jedoch, mit einer Mindestnutzungsdauer der Filtervorrichtung in Fahrzeugen dieser Art von 100 000 km zu rechnen.
Eine solche Technik könnte ebenfalls in Reisebussen eingesetzt werden. Da diese nämlich in höheren Drehzahlen arbeiten, haben die entstehenden Abgase weit höhere Temperaturen, die mehr als 500°C erreichen können. Das Problem der Filterregenerierung ist also weniger entscheidend. Allerdings verwenden die bestehenden Systeme im Allgemeinen metallorganische Zusätze, um die Verbrennung der Partikel zu beschleunigen, was hohe Betriebskosten erzeugt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, zusammen mit ihrem Regenerierungsverfahren, dieses Kostenproblem zu beheben.
Wenn auch die erfindungsgemäße Filtervorrichtung somit keine neuen technischen Bauteile umfasst, steht den Erfindern somit das Verdienst zu, verschiedene bestehende Techniken gewusst kombiniert und angepasst zu haben, um das Potential ihrer Wirkungen auszuschöpfen und eine Vorrichtung mit einem sehr hohen Wirkungsgrad zu erzielen, um die Emission umweltschädlicher Partikel zu bekämpfen, die von Dieselmotoren erzeugt werden, und um andererseits ausgezeichnete Ergebnisse bezüglich der Regenerierung von Filtern selbst bei Fahrzeugen zu erzielen, deren Motordrehzahlen es nicht ermöglichen, Abgase mit einer hohen Temperatur zu erlangen.

Claims

Verfahren zum Regenerieren einer Filtervorrichtung für von einem Dieselmotor erzeugte Abgase, wobei dieses Verfahren von der Art derer ist, bei denen Partikel, die an einer Filtereinrichtung (22) der Filtervorrichtung zurückgehalten werden, dank der Wirkung eines Verbrennungskatalysators (20) verbrannt werden, wobei die Filtereinrichtung (22) für die Abgase einem Betriebsmittel des Verbrennungskatalysators (20) nachgeordnet vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass es im Wesentlichen darin besteht, die heißen Abgase um die Filtereinrichtung (22) herum zurückzuhalten, um den Partikeln zumindest einen Teil der zu ihrer Verbrennung notwendigen Wärmeenergie zu liefern und die Partikel so zu verbrennen, dass die Filtervorrichtung regeneriert wird, und auch: – ein Betriebsmittel des Verbrennungskatalysators (20) in der Filtervorrichtung einzusetzen, – eine Temperatur θ_m in unmittelbarer Nähe des Betriebsmittels des Verbrennungskatalysators (20) zu messen, – θ_m mit einer Temperatur θ_m zu vergleichen, die der Temperatur entspricht, bei der die Verbrennung des Kraftstoffs unter Mitwirkung des Verbrennungskatalysators abgeschlossen ist, – wenn θ_m größer oder gleich θ_m ist, eine Kraftstoffnacheinspritzung in die Filtervorrichtung während einer bestimmten Dauer mittels einer Einspritzvorrichtung auszulösen, um eine Temperaturerhöhung der Partikel herbeizuführen, um ihre Verbrennung zu ermöglichen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es auch darin besteht: – einen Druck P_m in der unmittelbaren Nähe des Betriebsmittels des Verbrennungskatalysators (20) zu messen, wobei der Druck P_m den Grad der Zusetzung der Filtereinrichtung (22) durch die Partikel wiederspiegelt, – den Druck P_m mit einem Referenzdruck P_r zu vergleichen, der dem höchsten annehmbaren Zusetzungsgrad entspricht, – wenn P_m größer oder gleich dem Druck P_r ist, θ_m mit θ_r zu vergleichen, wenn θ_m größer oder gleich θ_r ist, die Kraftstoffnacheinspritzung auszulösen.
Vorrichtung, die die Durchführung des Regenerierungsverfahrens nach Anspruch 1 oder 2 ermöglicht, umfassend ein Betriebsmittel des Verbrennungskatalysators (20), eine dem Betriebsmittel des Verbrennungskatalysators nachgeordnete Filtereinrichtung (22), eine dem Betriebsmittel des Verbrennungskatalysators vorgeordnete Kraftstoffeinspritzvorrichtung, wobei die Betriebsmittel des Verbrennungskatalysators und die Filtereinrichtungen in einem Reaktionsbehälter (18) im Strömungsweg der von einem Motor (10) erzeugten Abgase enthalten sind, sowie ein elektronisches Steuergerät (28) und mindestens einen Temperaturfühler (24), der im Inneren des Behälters (18) angebracht ist, um darin die Temperatur θ_m zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Abgasabzugsrohr (16) in Verbindung steht, und dass das elektronische Steuergerät (28) mit dem Temperaturfühler (24) verbunden ist, den gemessenen Wert θ_m mit dem Referenzwert θ_r vergleicht, und mittels des Einspritzsystems die Kraftstoffeinspritzung in das Abzugsrohr (16) auslöst, wenn der Messwert θ_m größer oder gleich dem Referenzwert θ_r ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, die die Umsetzung des Regenerierungsverfahrens nach Anspruch 2 ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Druckfühler (26) umfasst, der im Inneren des Behälters (18) angebracht ist, um darin den Druck P_m zu messen, und dass das elektronische Steuergerät (28) mit dem Druckfühler (26) verbunden ist, den gemessenen Wert P_m mit dem Referenzwert P_r vergleicht, und mittels des Einspritzsystems die Kraftstoffeinspritzung in das Abzugsrohr (16) auslöst, wenn der Messwert P_m größer oder gleich dem Referenzwert P_r ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung, die aus einer Gruppe von Filtereinheiten (44) besteht, in eine Abgasaufnahmekammer eingetaucht ist, wobei die Abgase die Filtereinheiten erhitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung aus mindestens zwei Partikelfiltern (22a, 22b) besteht, die einen Körper (40) umfassen, der von den Filtereinheiten (44) gebildet ist, die durch ein Verbindungsstück (46) und eine Metallummantelung (42) fest miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung in dem Abzugsrohr (16) einen Kraftstoffbehälter (34) und eine Einspritzkammer (36) für den im Behälter enthaltenen Kraftstoff umfasst.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzkammer (36) einerseits mittels einer ersten Leitung (30), die sie mit dem Behälter (34) verbindet, mit Kraftstoff, und andererseits mittels einer zweiten Leitung (32), die sie mit dem Motor (10) verbindet, mit Druckluft gespeist wird, wobei die Kammer eine Öffnung umfasst, durch die der Kraftstoff in die Filtervorrichtung eingespritzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (30 und 32), die die Kammer (36) des Einspritzsystems mit Kraftstoff und Druckluft speisen, jeweils ein Elektroventil (31 und 33) umfassen, das vom elektronischen Steuergerät gesteuert wird, wobei die Öffnung dieser Elektroventile den Eintritt von Kraftstoff und Druckluft in die Kammer (36) und somit die Einspritzung von Kraftstoff in das Abgasabzugsrohr herbeiführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (36) des Einspritzsystems mit einer der Öffnung zugewandten Düse ausgestattet ist, die es ermöglicht, den Kraftstoff in zerstäubter Form in das Abgasabzugsrohr (46) einzuspritzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinheiten (44) vorzugsweise aus Siliciumcarbid oder irgendeinem anderen gleichwertigen Werkstoff bestehen, dessen Struktur wabenartig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel des Verbrennungskatalysators aus mindestens einer Kartusche auf Basis von Platin oder irgendeines anderen gleichwertigen Werkstoffs besteht, der die Umwandlung des in den Abgasen enthalten Stickstoffmonoxids (NO) in Stickstoffdioxid (NO₂) beschleunigt, wobei das entstehende NO₂ die Verbrennungsreaktion der Partikel beschleunigt, die den Filter zusetzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fassungsvermögen des zweiten Behälters (34) vorzugsweise dem Höchstvolumen des Kraftstoffs entspricht, der bei der Nacheinspritzung eingespritzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfilter (22a und 22b) im Behälter (18) parallel eingesetzt sind.