EP1304455B1 - Partikelfilter zum Reinigen von motorischen Abgasen - Google Patents

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EP1304455B1
EP1304455B1 EP02023261A EP02023261A EP1304455B1 EP 1304455 B1 EP1304455 B1 EP 1304455B1 EP 02023261 A EP02023261 A EP 02023261A EP 02023261 A EP02023261 A EP 02023261A EP 1304455 B1 EP1304455 B1 EP 1304455B1
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particulate
filter
heating means
particulate filter
exhaust
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Ronny Dipl.-Ing. Mönnig
Bruce Dr. Peters
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GM Global Technology Operations LLC
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Definitions

  • the present invention relates to a particulate filter for cleaning engine exhaust gases, with cup-shaped inlet channels, which are provided at the end with an inlet channel bottom and in which particle-laden exhaust gases, as well as adjacent parallel to the inlet channels arranged and this cup-shaped aligned outlet channels, which each end with a Outlet channel bottom are provided and which derive the purified exhaust gases, which settles through the filtering of the porous, flow-through wall portions of the inlet channel, a particle layer which is burned to regenerate the particulate filter via electrical heating means.
  • Particulate filters of this type are usually used to reduce the particulate emissions in the exhaust gases of internal combustion engines - especially diesel engines.
  • the technical effort to meet strict emission standards is significant with the current possibilities. For example, a more than 90% reduction in particulate emissions makes it essential to equip Diesel vehicles with particulate filters, for example, and also requires active measures to suffocate them.
  • additional fuel consumption of more than 5% is to be planned for this purpose, because the filter arrangement which is necessarily to be switched into the exhaust gas flow causes an increased energy requirement.
  • the energy requirement increases with increasing sooting of the particulate filter, that is with increasing particle layer.
  • the particle layer can be eliminated by burning in order to regenerate the particle filter in this respect.
  • a particle filter is out of the US 6,101,793 known.
  • the existing of a porous ceramic particulate filter has elongated pot-shaped inlet channels, in which flow the particle-laden exhaust gases generated by the diesel engine. Exhaust passages are arranged in parallel adjacent to the inlet channels, which discharge the filter-cleaned exhaust gases to the atmosphere.
  • the outlet channels are also cup-shaped, but aligned inversely to the inlet channels. In this arrangement, the filtering takes place when flowing through the porous common wall sections, forming a particle layer on the part of the inlet channel.
  • the inlet channels and the outlet channels here have a square cross-section.
  • the bottom portions of the pot-shaped channels are formed by various plugs which correspond to the channels close their orientation described above at one end.
  • this further comprises electrical heating means, which are arranged on the filter output side in the region of the openings of the outlet channels.
  • a fan which is switched on in the following exhaust pipe between the particle filter and the atmosphere cooperates with the electrical heating means for regeneration of the particle filter.
  • the fan is turned on at standstill of the diesel engine for a defined period of time, so that an air flow flows backwards over the heated electric heating means, whereby the air flow heats, so that burning of the particle layer begins.
  • the particle filter is constructed from an outer tubular filter part, in which an inner, smaller tubular filter part is coaxially inserted.
  • This second filter part is closed on the side inflicted by the particle-laden exhaust gases and thus forms a cup-shaped outlet channel.
  • the region formed between the second filter part and the first filter part is also to be regarded as a pot-shaped inlet channel.
  • a cylindrical tube-like shaped and provided with openings sieve-like heating means is arranged.
  • the passing by Particle-laden exhaust gases transport in a regeneration of the particulate filter, the heat generated by the electric heating means to the particle layer on, which thereby burns off.
  • the electrical heating means according to this prior art is integrated directly into the exhaust gas flow, so that no additional means for generating a heated air flow are required; However, the operation of the large-area cylinder-shaped heating means requires a fairly high energy consumption.
  • a generic particle filter is from the US 4 512 786 A known.
  • a cleaning device for purifying diesel exhaust gases is disclosed, which has a filter block for filtering exhaust particles in the exhaust system, wherein also a heating element for burning accumulated soot particles is provided.
  • the heating means are arranged in the channels running parallel in the filter block.
  • the invention includes the technical teaching of arranging the electrical heating means of a particulate filter in at least part of the outlet channels in the region of the outlet channel bottom in such a way that the thermal radiation emitted by the electrical heating means triggers burning off of the particle layer located in the adjoining inlet channels.
  • An advantage of the inventive arrangement of the electric heating means is that this does not disturb the flow of exhaust gas when it enters the particle filter. Since the electric heating means are located in a region of the outlet channels, which is not located in the region of the exhaust gas flow, the introduced electrical energy for heat generation is used much better. As a result, the heat given off by the electric heating means can be transferred to the adjacent filter walls mainly by heat radiation.
  • the ignition temperature for the particle layer depends on the distribution of soot, in particular on the layer thickness and the packing density as well as the soot quality over the filter length. Since the heat generated by the electrical heating means is transported on with the exhaust gas flow, the particle-layer-affected wall sections thereby heat up, which supports the regeneration of the particle filter.
  • the inventive arrangement of the electric heating means on the side of the purified exhaust gas also corrosion processes can be avoided as a result of soot and ash deposits sustainable.
  • the inventively designed particulate filter allows self-supporting regeneration, even immediately after a cold engine start in idle mode.
  • the electric heating means emit heat due to their high surface temperature, which is absorbed by the adjacent wall sections. This amount of heat starts the regeneration on the inlet side of the particulate filter. Part of the heat is released by turbulent flows in the outlet channels to the local wall sections, whereby a heating takes place.
  • the heat generated by the electric heating means is better used for regeneration and prevents interruption of Rußabbrandes with a very high probability.
  • the self-supporting oxidation of the particle layer then proceeds in the flow direction of the exhaust gas to the gas outlet side and thus restores the original exhaust backpressure of the particulate filter in the unloaded state, that is without a particle layer.
  • each of the heating channels equipped outlet channels in each case unheated - that is equipped with no electrical heating means equipped outlet - on.
  • each exhaust passage it is not necessary for each exhaust passage to be equipped with an electrical heating means. With a square channel cross-section, the number of required electrical heating means can thus be reduced to 25% of the number of outlet channels.
  • the electrical heating means are operated with a pulse width modulated supply voltage to save electrical energy.
  • This pulse width modulated supply voltage needs to be maintained only over a short defined period of time, which starts the burning of the particle layer. After the start triggered by the electrical heating means, the further burning process continues automatically because of the exothermic reaction.
  • these are preferably formed in the manner of a coiled kantal wire.
  • the electrical heating means are advantageously at least partially connected in series with each other. Thus, a burn through of individual electrical heating means does not lead to the failure of the entire particulate filter. Individual groups of series-connected heating means enable a sector-by-sector heating of the particulate filter.
  • the electrical heating means are preferably arranged protruding from the associated outlet channel bottom in the outlet channel, and to the extent that an optimal blasting in the adjacent edge regions of the inlet channels can be achieved.
  • the electric heating means need not protrude very far into the outlet channel, in order to fulfill their function according to the invention.
  • the particle filter is constructed in two parts. This consists of a disc-shaped outlet kanaiboden side particulate filter cover part, on the contact side to a particulate filter main part, the heating means are attached.
  • the particle filter cover part thus fulfills the function of a support for the electrical heating means and on the other hand also serves to form the outlet channel bottoms.
  • Both parts of the particulate filter preferably consist of the same filter material and can be produced by separation.
  • the outlet channel bottoms can be formed by plug elements introduced into the particulate filter cover part accordingly.
  • the electrical heating means are preferably attached to the particulate filter cover part by gluing with a temperature-resistant adhesive. Alternatively, it is also conceivable to detachably insert the heating means into the outlet channel bottoms of the particle filter cover part, which ensures easier replacement in the event of repair.
  • the attached to the contact side of the particulate filter cover part heating means are preferably in corresponding recesses, so that when mounted heating means a overall flat contact side to the particle filter main part out.
  • the heating means can also be arranged projecting into outlet channel sections of the particle filter cover part in the direction of the inlet side and thus be placed entirely on the part of the correspondingly thicker particle filter cover part.
  • the heating means need not necessarily be arranged in a certain direction along an exhaust passage.
  • the length of the outlet duct sections of the particulate filter cover part should be slightly larger than the length of the heating elements themselves.
  • a flow gap can also be maintained between the particulate filter cover part and the main part of the particulate filter, wherein the ducting in the particulate filter main part should be offset relative to the particulate filter cover part by correspondingly introduced plug elements, in order to provide favorable flow guidance to accomplish.
  • the electrical wiring of the heating elements can be realized in an advantageous manner. In that regard, can be dispensed with a sealed joining of the two filter parts.
  • the inventively designed particulate filter can be used in accordance with a further measure improving the invention in the context of a filter assembly in which the particulate filter directly downstream of a nitrogen oxide Abscheidermodul.
  • the nitrogen oxide separator module comes into direct contact with the gas outlet side of the particulate filter.
  • the nitrogen oxide separator module is used for the Endstickung of the exhaust gas, wherein a desulfation can be advantageously carried out.
  • the exothermic energy released in the course of the regeneration of the particle filter can also be used for the regeneration of the downstream nitrogen oxide separator, thereby significantly improving the efficiency of the entire filter arrangement.
  • This simultaneous regeneration process of particulate filter and nitrogen oxide separator also significantly reduces the control engineering effort.
  • the purified exhaust gases leaving the heated particulate filter have a temperature of up to 700 ° C. With the exhaust gas flow, this heat is transported on to the nitrogen oxide separator module where it initiates regeneration in the form of desulfation. Desulfation removes sulfate deposits in the nitrogen oxide separator module due to a relatively high sulfur content of the diesel fuel and sulfur-containing components of the oil.
  • a further particle filter can be followed, which in turn can be followed by another nitrogen oxide separator module.
  • This further particulate filter is preferably unheated and provided with a catalytic coating.
  • the multiple arrangement significantly increases the efficiency of filtering.
  • the modular design of the filter assembly also offers significant energy advantages. Thus, the compact design, a heat integration to reduce energy consumption possible and at the same time the resulting during the regeneration of uncoated particulate filter gas components CO and HC are used directly for the regeneration of the subsequent nitrogen oxide Abscheidermoduls and thus degraded.
  • FIG. 1 constructed particulate filter assembly for purifying exhaust gases of a diesel engine comprises a partened in a housing heated particulate filter 2. On the input side into the particulate filter 2 enter particle-laden exhaust gases 3, which arise during operation of a - here not shown - diesel engine.
  • the particulate filter 2 is equipped with electric heating means 4 for regeneration, which will be described in more detail in the following place.
  • the cleaned exhaust gases leaving the heated particle filter 2 are fed to an adjacent nitrogen oxide separator module 5.
  • the nitrogen oxide separator module 5 is provided with a suitable catalyst material and serves to eliminate harmful nitrogen oxides contained in the exhaust gases.
  • the nitrogen oxide separator module 5 is followed by a further particle filter 6, which is here, however, unheated.
  • the regeneration of this unheated particulate filter 6 is taken over the heating means 4 of the front particulate filter 2 by the heat from the particle oxidation in the particulate filter 2 with.
  • the heat required for this purpose is forwarded accordingly via the exhaust gas flow.
  • the unheated particle filter 6 is provided with a catalytic coating.
  • the unheated particle filter 6 is finally followed by a further nitrogen oxide separator module 7.
  • the exhaust gases 8 purified via this alternating filter arrangement reach the atmosphere after leaving the housing 1.
  • the heatable particle filter 2 consists of pot-shaped inlet channels 9, as well as parallel adjacent to the inlet channels 9 arranged outlet channels 10.
  • the inlet channels 9 are provided at the end with an inlet channel bottom 11; the outlet channels 10 are closed on the input side with an outlet channel bottom 12. Due to their orientation, the particle-laden exhaust gases 3 flow into the inlet channels 9 for filtering.
  • a particle layer 14 is deposited on the wall sections 13 on the part of the inlet channel 9.
  • electrical heating means 15a, 15b are provided, which are arranged in the outlet channels 10 in the region of the outlet channel bottom 12.
  • the electric heating means 15a, 15b are operated with a pulse width modulated supply voltage, which is generated by a generator unit 16, starting from the voltage source 17.
  • the electric heating means 15 are designed in the manner of a coiled kangal wire and are arranged projecting from the associated outlet channel bottom 12 into the outlet channel 10.
  • the heat radiation emitted by the electrical heating means 15 penetrates the wall sections 13 in the region of the associated outlet channel bottoms 12, heats the coating to the activation temperature and thus triggers the burning off of the particle layer 14 located in the adjacent inlet channels 9.
  • the heat is transported along the particle layer 14 in the direction of the inlet channel bottoms 11 for burning off the entire particle layer 14, wherein the burning takes place automatically after the start (exothermic reaction).
  • each unheated outlet channels 10b adjacent to the equipped with electric heating means 15 outlet channels 10a each unheated outlet channels 10b.
  • the unheated exhaust ducts 10b are not provided with an electric heating means 15 with respect to the heated exhaust ducts 10a.
  • the outlet channels 10 and the inlet channels 9 have a square cross section, so that in the illustrated arrangement of the electric heating means 15 only 25% of the outlet channels 10 are to be provided with an electric heating means 15 to allow complete regeneration of the particulate filter 2 ,
  • the particle filter 2 is constructed in two parts and consists of an inlet-side disk-shaped particle filter cover part 18, which has a contact side 20 which comes into contact with a particle filter main part 19.
  • the particulate filter cover 17 mainly serves the attachment or Receiving the heating means 15.
  • the heating means 15 are connected in this embodiment by gluing with a temperature-resistant adhesive to the particulate filter cover member 18.
  • the heating means 15 are inserted within corresponding recesses on the contact side 20 of the particulate filter cover part 18. After joining the particle filter cover part 18 with the particle filter main part 19, the heatable particle filter 2 according to the invention is formed.
  • the heating means 15a are arranged in the individual outlet channel sections 10a of the particulate filter cover part 18a, projecting in the direction of the inlet side, and thus placed entirely on the side of the correspondingly thicker particulate filter cover part 18a.
  • the length of the outlet channel sections 10a of the particulate filter cover part 18a is slightly larger than the length of the heating elements 15a.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelfilter zum Reinigen von motorischen Abgasen, mit topfförmig ausgebildeten Einlasskanälen, die endseitig mit einem Einlasskanalboden versehen sind und in welche partikelbeladene Abgase einströmen, sowie parallel benachbart zu den Einlasskanälen angeordnete und hierzu umgekehrt topfförmig ausgerichtete Auslasskanäle, welche je endseitig mit einem Auslasskanalboden versehen sind und welche die gereinigten Abgase ableiten, wobei sich durch die Filterung an den porösen, durchströmten Wandabschnitten seitens des Einlasskanals eine Partikelschicht absetzt, die zur Regeneration des Partikelfilters über elektrische Heizmittel abbrennbar ist.
  • Partikelfilter dieser Art werden gewöhnlich dafür eingesetzt, den Partikelausstoß bei Abgasen von Verbrennungsmotoren - insbesondere von Dieselmotoren - zu reduzieren. Der technische Aufwand zur Erfüllung strenger Abgasnormen ist mit den gegenwärtigen Möglichkeiten erheblich. So macht eine vorgeschriebene Reduzierung des Partikelausstoßes um über 90 % die Ausrüstung von beispielsweise Dieselfahrzeugen mit Partikelfiltern unerlässlich und erfordert zudem aktive Maßnahmen zur Erstickung. Hierfür ist nach realistischen Schätzungen ein Kraftstoffmehrverbrauch von über 5% einzuplanen, weil die in den Abgasstrom erforderlicherweise einzuschaltende Filteranordnung einen erhöhten Energiebedarf verursachen. Der Energiebedarf steigt mit zunehmender Verrußung des Partikelfilters, das heißt mit anwachsender Partikelschicht. Die Partikelschicht ist jedoch durch Abbrennen beseitigbar, um den Partikelfilter insoweit wieder zu regenerieren.
  • Ein Partikelfilter ist aus der US 6,101,793 bekannt. Der aus einem porösen Keramikmaterial bestehende Partikelfilter weist langgestreckte topfförmig ausgebildete Einlasskanäle auf, in welche die vom Dieselmotor erzeugten partikelbeladenen Abgase einströmen. Parallel benachbart zu den Einlasskanälen sind Auslasskanäle angeordnet, welche die durch Filtern gereinigten Abgase an die Atmosphäre ableiten. Die Auslasskanäle sind ebenfalls topfförmig ausgebildet, jedoch umgekehrt zu den Einlasskanälen ausgerichtet. Bei dieser Anordnung erfolgt die Filterung bei Durchströmen der porösen gemeinsamen Wandabschnitte, wobei sich seitens des Einlasskanals eine Partikelschicht bildet. Die Einlasskanäle sowie die Auslasskanäle weisen hier einen quadratischen Querschnitt auf. Die Bodenbereiche der topfförmigen Kanäle sind durch diverse Stopfen gebildet, welche die Kanäle entsprechend ihrer vorstehend beschriebenen Ausrichtung an einem Ende verschließen.
  • Zur Regeneration des Partikelfilters weist dieser weiterhin elektrische Heizmittel auf, die filterausgangsseitig im Bereich der Öffnungen der Auslasskanäle angeordnet sind. Ein in der nachfolgenden Abgasleitung zwischen dem Partikelfilter und der Atmosphäre eingeschaltetes Gebläse wirkt zur Regeneration des Partikelfilters mit den elektrischen Heizmitteln zusammen. Das Gebläse wird bei Stillstand des Dieselmotors während einer definierten Zeitdauer eingeschaltet, so dass ein Luftstrom rückwärts über die aufgeheizten elektrischen Heizmittel strömt, wodurch sich der Luftstrom erhitzt, so dass ein Abbrennen der Partikelschicht einsetzt. Diese bekannte Lösung zur Regeneration des Partikelfilters weist jedoch den Nachteil auf, dass zur Erzeugung des aufgeheizten Luftstromes ein relativ hoher technischer Aufwand erforderlich ist.
  • Ein weiterer Partikelfilter ist aus der US 5,782,941 bekannt, wobei hier zur Regeneration ein anderer technischer Weg beschritten wird. Der Partikelfilter ist aus einem äußeren rohrförmigen Filterteil aufgebaut, in welches ein inneres, kleineres rohrartiges Filterteil koaxial eingesetzt ist. Dieses zweite Filterteil ist auf der von den partikelbeladenen Abgasen angeströmten Seite verschlossen und bildet somit einen topfförmigen Auslasskanal. Der zwischen dem zweiten Filterteil und dem ersten Filterteil gebildete Bereich ist ebenfalls als ein topfförmiger Einlasskanal anzusehen. Hierin ist ein zylinderrohrartig geformtes und mit Durchbrüchen versehendes siebartiges Heizmittel angeordnet. Die hieran vorbeiströmenden partikelbeladenden Abgase transportieren bei einer Regeneration des Partikelfilters die vom elektrischen Heizmittel erzeugte Wärme an die Partikelschicht weiter, welche hierdurch abbrennt. Zwar ist das elektrische Heizmittel gemäß diesem Stand der Technik direkt in den Abgasstrom integriert, so dass keine zusätzlichen Mittel zur Erzeugung eines aufgeheizten Luftstromes erforderlich sind; gleichwohl erfordert der Betrieb des großflächigen zylinderförmig ausgebildeten Heizmittels ein recht hohen Energieaufwand.
  • Ein gattungsgemäßer Partikelfilter ist aus der US 4 512 786 A bekannt. Darin wird eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung von Dieselabgasen offenbart, welche zum Filtern von Abgaspartikeln in der Abgasanlage einen Filterblock aufweist, wobei ebenfalls ein Heizelement zum Verbrennen von angesammelten Rußpartikeln vorgesehen ist. Dabei sind die Heizmittel in den parallel im Filterblock verlaufenden Kanälen angeordnet.
  • Aus der US 4 872 889 A ist es bekannt, in Einlasskanälen eines Filterelements Aussparungen (grooves) vorzusehen, welche die Heizelemente tragen. Für eine thermische Isolierung der Heizelemente ist Abschlussdeckel vorgesehen. Zur Stabilisierung der Lage der Heizelemente können zusätzliche Aussparungen im Abschlussdeckel vorgesehen sein. Nachteil der Anordnung ist jedoch, dass die Heizelemente direkt im Einlass des Abgases angebracht sind. Da elektrisch leitender, graphitischer Kohlenstoff ein Hauptbestandteil des Abgases ist, ist ein eine Kurzschlussgefahr mit dem anliegenden Heizdraht relativ hoch.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Partikelfilter zum Reinigen von Abgasen eines Verbrennungsmotors zu schaffen, welcher auf einfache Weise energiesparend und mit hohem Wirkungsgrad regenerierbar ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Partikelfilter bereit zu stellen, der eine Trennung zwischen Heizmittelträger und Partikelfilterhauptteil ermöglicht.
  • Die Aufgabe wir ausgehend von einem Partikelfilter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
  • Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, die elektrischen Heizmittel eines Partikelfilters in zumindest einem Teil der Auslasskanäle derart im Bereich des Auslasskanalbodens anzuordnen, dass die von den elektrischen Heizmitteln abgegebene Wärmstrahlung ein Abbrennen der in den angrenzenden Einlasskanälen befindlichen Partikelschicht auslöst.
  • Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung der elektrischen Heizmittel liegt darin, dass hierdurch die Abgasströmung beim Eintritt in den Partikelfilter nicht gestört wird. Da sich die elektrischen Heizmittel in einem Bereich der Auslasskanäle befinden, der nicht im Bereich der Abgasströmung gelegen ist, wird die eingebrachte elektrische Energie zur Wärmeerzeugung deutlich besser genutzt. In Folge dessen kann die von den elektrischen Heizmitteln abgegebene Wärme hauptsächlich durch Wärmestrahlung auf die benachbarten Filterwände übertrawerden. Die Zündtemperatur für die Partikelschicht hängt ab von der Rußverteilung, insbesondere von der Schichtdicke und der Packungsdichte sowie der Rußqualität über die Filterlänge. Da mit der Abgasströmung die von den elektrischen Heizmitteln erzeugte Wärme weitertransportiert wird, erwärmen sich hierdurch die partikelschichtbehafteten Wandabschnitte, was die Regenerierung des Partikelfilters unterstützt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der elektrischen Heizmittel auf der Seite des gereinigten Abgases können zudem Korrosionsprozesse als Folge von Ruß- und Ascheablagerungen nachhaltig vermieden werden. Der erfindungsgemäß ausgebildete Partikelfilter ermöglicht eine selbsttragende Regeneration, auch unmittelbar nach einem Motorkaltstart bei Leerlaufbetrieb. Die elektrischen Heizmittel strahlen aufgrund ihrer hohen Oberflächentemperatur Wärme ab, die von den angrenzenden Wandabschnitten aufgenommen wird. Diese Wärmemenge startet die Regeneration auf der Einlassseite des Partikelfilters. Zu einem Teil wird die Wärme durch turbulente Strömungen in den Auslasskanälen an die dortigen Wandabschnitte abgegeben, wodurch eine Erwärmung erfolgt. Dadurch wird die von den elektrischen Heizmitteln erzeugte Wärme für die Regeneration besser genutzt und eine Unterbrechung des Rußabbrandes mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit verhindert. Die sich selbst tragende Oxidation der Partikelschicht schreitet dann in Strömungsrichtung des Abgases bis zur Gasauslassseite fort und stellt damit den ursprünglichen Abgasgegendruck des Partikelfilters im unbeladenen Zustand, das heißt ohne Partikelschicht, wieder her.
  • Um die Gesamtzahl der benötigten elektrischen Heizmittel zu reduzieren, grenzen gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme an die mit elektrischen Heizmitteln ausgerüsteten Auslasskanäle jeweils unbeheizte - dass heißt ohne elektrische Heizmittel ausgerüstete Auslasskanäle - an. Um eine vollständige Regeneration des Partikelfilters zu erzielen, ist es nicht erforderlich, dass jeder Auslasskanal mit einem elektrischen Heizmittel ausgestattet ist. Bei einem quadratischen Kanalquerschnitt kann so die Anzahl der benötigten elektrischen Heizmittel auf 25 % der Anzahl der Auslasskanäle reduziert werden.
  • Vorzugsweise werden zur Einsparung elektrischer Energie die elektrischen Heizmittel mit einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung betrieben. Diese pulsweitenmodulierte Versorgungsspannung braucht nur über eine kurze definierte Zeitdauer aufrecht erhalten werden, welche das Abbrennen der Partikelschicht startet. Nach dem über die elektrischen Heizmittel ausgelösten Start läuft der weitere Abbrennprozess wegen der exothermen Reaktion selbsttätig weiter. Durch die somit erzielte Minimierung des elektrischen Energiebedarfs wird das Bordnetz eines dieselmotorisch betriebenen Fahrzeuges minimal belastet.
  • Um eine effektive Wärmeabstrahlung der elektrischen Heizmittel sicherzustellen, sind diese vorzugsweise nach Art eines gewendelten Kantal-Drahts ausgebildet. Die elektrischen Heizmittel sind vorteilhafter Weise zumindest teilweise in Serie zueinander geschalten. Somit führt ein Durchbrennen einzelner elektrischer Heizmittel nicht zum Ausfall des gesamten Partikelfilters. Einzelne Gruppen von in Serie zueinander geschalteten Heizmitteln ermöglichen eine sektorenweise Beheizung des Partikelfilters.
  • Die elektrischen Heizmittel sind vorzugsweise ausgehend vom zugeordneten Auslasskanalboden in den Auslasskanal hineinragend angeordnet, und zwar soweit, dass ein optimales Abstrahlen in die benachbarten Randbereiche der Einlasskanäle erzielt werden kann. Die elektrischen Heizmittel brauchen insoweit nicht sehr weit in den Auslasskanal hineinragen, um ihre erfindungsgemäße Funktion zu erfüllen.
  • Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist der Partikelfilter zweiteilig aufgebaut. Dieser besteht aus einem scheibenförmigen auslasskanaibodenseitigen Partikelfilterdeckelteil, an dessen Kontaktseite zu einem Partikelfilterhauptteil die Heizmittel befestigt sind. Damit erfüllt das Partikelfilterdeckelteil zum Einen die Funktion eines Trägers für die elektrischen Heizmittel und dient zum Anderen auch zur Bildung der Auslasskanalböden.
  • Beide Teile des Partikelfilters bestehen vorzugsweise aus demselben Filterwerkstoff und können durch Abtrennen erzeugt werden. Die Auslasskanalböden können durch entsprechend in das Partikelfilterdeckelteil eingebrachte Stöpselelemente ausgebildet werden. Die elektrischen Heizmittel sind am Partikelfilterdeckelteil vorzugsweise durch Kleben mit einem temperaturbeständigen Klebstoff angebracht. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, die Heizmittel lösbar in die Auslasskanalböden des Partikelfilterdeckelteils einzustecken, was eine leichtere Austauschbarkeit im Reparaturfall gewährleistet. Die an der Kontaktseite des Partikelfilterdeckelteils befestigten Heizmittel liegen vorzugsweise in korrespondierenden Ausnehmungen, so dass bei montierten Heizmitteln eine insgesamt ebene Kontaktseite zum Partikelfilterhauptteil hin entsteht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Heizmittel auch in Auslasskanalabschnitte des Partikelfilterdeckelteils in Richtung der Einlassseite hineinragend angeordnet und damit gänzlich seitens des entsprechend dickeren Partikelfilterdeckelteils platziert werden. Damit wird eine bessere Führung der Heizmittel erzielt. Die Heizmittel müssen nämlich nicht notwendigerweise in eine bestimmte Richtung entlang eines Auslasskanals angeordnet sein. Die Länge der Auslasskanalabschnitte des Partikelfilterdeckelteils sollte etwas größer sein als die Länge der Heizelemente selbst. Zwischen dem Partikelfilterdeckelteil und dem Partikelfilterhauptteil kann zudem ein Strömungsspalt beibehalten werden, wobei die Kanalführung im Partikelfilterhauptteil gegenüber dem Partikelfilterdeckelteil durch entsprechend eingebrachte Stöpselelemente versetzt erfolgen sollte, um eine günstige Strömungsführung zu schaffen. Über den bestehenden Strömungsspalt kann in vorteilhafter Weise die elektrische Verdrahtung der Heizelemente realisiert werden. Insoweit kann auf ein abgedichtetes Zusammenfügen beider Filterteile verzichtet werden.
  • Der erfindungsgemäß ausgebildete Partikelfilter kann gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme im Rahmen einer Filteranordnung eingesetzt werden, bei welcher dem Partikelfilter direkt ein Stickoxid-Abscheidermodul nachgeschaltet ist. Das Stickoxid-Abscheidermodul kommt dabei direkt an der Gasauslassseite des Partikelfilters zur Anlage. Das Stickoxid-Abscheidermodul dient der Endstickung des Abgases, wobei auch eine Desulfatation vorteilhaft durchgeführt werden kann. Diese modulare Anordnung ermöglicht eine deutliche Einsparung an platinhaltigen Beschichtungsmaterialien.
  • Durch die direkte Nachschaltung eines Stickoxid-Abscheidermoduls an einen beheizten Partikelfilter kann die im Verlauf der Regeneration des Partikelfilters frei werdende exotherme Energie gleichzeitig auch zur Regeneration des nachgeschalteten Stickoxid-Abscheiders verwendet werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der gesamten Filteranordnung deutlich verbessert. Durch diesen simultanen Regenerierungsprozess von Partikelfilter und Stickoxid-Abscheider wird darüber hinaus auch der steuerungstechnische Aufwand deutlich verringert. Die den beheizten Partikelfilter verlassenden gereinigten Abgase weisen eine Temperatur von bis zu 700 C° auf. Mit der Abgasströmung wird diese Wärme zum Stickoxid-Abscheidermodul weitertransportiert und leitet dort eine Regeneration in Form einer Desulfatation ein. Mit der Desulfatation werden Sulfatablagerungen im Stickoxid - Abscheidermodul beseitigt, die auf ein relativ hohen Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffes und schwefelhaltige Bestandteile des Öls zurückzuführen sind.
  • Der vorstehend beschriebenen Filteranordnung kann ein weiterer Partikelfilter nachgeschaltet werden, dem wiederum ein weiteres Stickoxid-Abscheidermodul folgen kann. Dieser weitere Partikelfilter ist vorzugsweise unbeheizt und mit einer katalytischen Beschichtung versehen. Die mehrfache Anordnung erhöht den Wirkungsgrad der Filterung erheblich. Der modulare Aufbau der Filteranordnung bietet auch erhebliche energetische Vorteile. So ist durch die kompakte Bauweise eine Wärmeintegration zur Senkung des Energiebedarfs möglich und gleichzeitig können die bei der Regeneration unbeschichteter Partikelfilter entstehenden Gaskomponenten CO und HC unmittelbar zur Regeneration des nachfolgenden Stickoxid-Abscheidermoduls eingesetzt und damit abgebaut werden.
  • Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
  • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer aus Partikelfiltern und Stickoxid-Abscheidermodulen bestehende Filteranordnung,
    Fig. 2
    eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise eines erfindungsgemäß ausgebildeten Partikelfilters,
    Fig. 3
    eine schematische Draufsicht auf die eingangsseitige Stirnfläche des Partikelfilters,
    Fig. 4
    eine schematische Seitenansicht eines geteilt aufgebauten Partikelfilters mit hieran angebrachten elektrischen Heizmitteln.
    Fig. 5
    eine schematische Seitenansicht eines geteilt aufgebauten Partikelfilters mit hieran angebrachten elektrischen Heizmitteln in einer anderen Ausführungsform.
  • Eine gemäß Fig. 1 aufgebaute Partikelfilteranordnung zum Reinigen von Abgasen eines Dieselmotors umfasst einen in einem Gehäuse langeordneten beheizten Partikelfilter 2. Eingangsseitig in den Partikelfilter 2 gelangen partikelbeladene Abgase 3, welche beim Betrieb eines - hier weiter nicht dargestellten - Dieselmotors entstehen.
  • Der Partikelfilter 2 ist mit elektrischen Heizmitteln 4 zur Regeneration ausgestattet, welche an nachstehender Stelle eingehender beschrieben werden. Die den beheizten Partikelfilter 2 verlassenden gereinigten Abgase werden einem angrenzenden Stickoxid-Abscheidermodul 5 zugeführt. Das Stickoxid-Abscheidermodul 5 ist mit einem geeigneten Katalysatormaterial versehen und dient der Beseitigung von in den Abgasen enthaltenen schädlichen Stickoxiden. Gemäß des dargestellten Ausführungsbeispiels ist dem Stickoxid-Abscheidermodul 5 ein weiterer Partikelfilter 6 nachgeschaltet, der hier allerdings unbeheizt ist. Die Regeneration dieses unbeheizten Partikelfilters 6 wird über die Heizmittel 4 des vorderen Partikelfilters 2 durch die Wärme aus der Partikeloxidation im Partikelfilters 2 mit übernommen. Die hierfür benötigte Wärme wird über den Abgasstrom entsprechend weitergeleitet. Der unbeheizte Partikelfilter 6 ist mit einer katalytischen Beschichtung versehen. Entsprechend des hier dargestellten modulartigen Aufbaus folgt dem unbeheizten Partikelfilter 6 schließlich wiederum ein weiteres Stickoxid-Abscheidermodul 7. Die über diese alternierende Filteranordnung gereinigten Abgase 8 gelangen nach Verlassen des Gehäuses 1 an die Atmosphäre.
  • Gemäß Fig. 2 besteht der beheizbare Partikelfilter 2 aus topfförmig ausgebildeten Einlasskanälen 9, sowie parallel benachbart zu den Einlasskanälen 9 angeordneten Auslasskanäle 10. Zur Bildung der Topfform sind die Einlasskanäle 9 endseitig mit einem Einlasskanalboden 11 versehen; die Auslasskanäle 10 sind eingangsseitig mit einem Auslasskanalboden 12 verschlossen. Durch ihre Ausrichtung strömen in die Einlasskanäle 9 die partikelbeladenen Abgase 3 zur Filterung ein. Diese durchströmen die porösen Wandabschnitte 13, welche durch die benachbarte Anordnung der Einlasskanäle 9 zu den Auslasskanälen 10 gebildet werden, und gelangen durch die Auslasskanäle 10 hindurch als gereinigte Abgase 8 an die Atmosphäre. In Folge der Filterung der partikelbeladenen Abgase 3 durch die porösen Wandabschnitte 13 setzt sich seitens des Einlasskanals 9 eine Partikelschicht 14 an den Wandabschnitten 13 ab.
  • Zur Regeneration des Partikelfilters 2 sind elektrische Heizmittel 15a, 15b vorgesehen, die in den Auslasskanälen 10 im Bereich des Auslasskanalbodens 12 angeordnet sind.
  • Zur Einsparung elektrischer Energie werden die elektrischen Heizmittel 15a, 15b mit einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung betrieben, welche durch eine Generatoreinheit 16, ausgehend von der Spannungsquelle 17 erzeugt wird. Die elektrischen Heizmittel 15 sind nach Art eines gewendelten Kantal-Drahts ausgebildet und sind ausgehend vom zugeordneten Auslasskanalboden 12 in den Auslasskanal 10 hineinragend angeordnet.
  • Die von den elektrischen Heizmitteln 15 abgegebene Wärmestrahlung durchdringt die Wandabschnitte 13 im Bereich der zugeordneten Auslasskanalböden 12, erwärmt die Beschichtung bis auf die Aktivierungstemperatur und löst damit das Abbrennen der in den angrenzenden Einlasskanälen 9 befindlichen Partikelschicht 14 aus.
  • Durch die den Partikelfilter 2 durchströmenden Abgase wird die Wärme entlang der Partikelschicht 14 in Richtung der Einlasskanalböden 11 zum Abbrennen der gesamten Partikelschicht 14 weitertransportiert, wobei das Abbrennen nach dem Start selbsttätig erfolgt (exotherme Reaktion).
  • Gemäß Fig. 3 grenzen an die mit elektrischen Heizmitteln 15 ausgerüsteten Auslasskanäle 10a jeweils unbeheizte Auslasskanäle 10b an. Die unbeheizten Auslasskanäle 10b sind gegenüber den beheizten Auslasskanälen 10a nicht mit einem elektrischen Heizmittel 15 versehen. Wie hier dargestellt, besitzen die Auslasskanäle 10 sowie die Einlasskanäle 9 einen quadratischen Querschnitt, so dass bei der gezeigten Anordnung der elektrischen Heizmittel 15 lediglich 25 % der Auslasskanäle 10 mit einem elektrischen Heizmittel 15 zu versehen sind, um eine vollständige Regeneration des Partikelfilters 2 zu ermöglichen.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist der Partikelfilter 2 zweiteilig aufgebaut und besteht aus einem einlassseitigen scheibenförmigen Partikelfilterdeckelteil 18, das eine Kontaktseite 20 aufweist, welche mit einem Partikelfilterhauptteil 19 in Kontakt tritt. Das Partikelfilterdeckelteil 17 dient vornehmlich der Befestigung oder Aufnahme der Heizmittel 15. Die Heizmittel 15 sind in diesem Ausführungsbeispiel durch Kleben mit einem temperaturbeständigen Klebstoff mit dem Partikelfilterdeckelteil 18 verbunden. Um im befestigten Zustand der Heizmittel 15 eine ebene Kontaktseite 20 zum Partikelfilterhauptteil 19 zu bilden, sind die Heizmittel 15 innerhalb korrespondierender Ausnehmungen an der Kontaktseite 20 des Partikelfilterdeckelteils 18 eingelegt. Nach Zusammenfügen des Partikelfilterdeckelteils 18 mit dem Partikelfilterhauptteil 19 entsteht der erfindungsgemäße beheizbare Partikelfilter 2.
  • Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 5 sind die Heizmittel 15a in die einzelnen Auslasskanalabschnitte 10a des Partikelfilterdeckelteils 18a in Richtung der Einlassseite hineinragend angeordnet und damit gänzlich seitens des entsprechend dickeren Partikelfilterdeckelteils 18a platziert. Die Länge der Auslasskanalabschnitte 10a des Partikelfilterdeckelteils 18a ist etwas größer als die Länge der Heizelemente 15a. Zwischen dem Partikelfilterdeckelteil 18a und dem Partikelfilterhauptteil 19a besteht zudem ein Strömungsspalt 22, wobei die Kanalführung im Partikelfilterhauptteil 19a gegenüber dem Partikelfilterdeckelteil 18a durch entsprechend eingebrachte Stöpselelemente 21a versetzt erfolgt, um eine günstige Strömungsführung zu schaffen. Über den bestehenden Strömungsspalt 22 erfolgt die elektrische Verdrahtung der Heizelemente 15a.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Gehäuse
    2
    Partikelfilter, beheizt
    3
    Abgase, partikelbeladen
    4
    Heizmittel
    5
    Stickoxid-Abscheidermodul
    6
    Partikelfilter, unbeheizt
    7
    Stickoxid-Abscheidermodul
    8
    Abgase, gereinigt
    9
    Einlasskanal
    10
    Auslasskanal
    11
    Einlasskanalboden
    12
    Auslasskanalboden
    13
    Wandabschnitt
    14
    Partikelschicht
    15
    Heizmittel
    16
    Generatoreinheit
    17
    Spannungsquelle
    18
    Partikelfilterdeckelteil
    19
    Partikelfilterhauptteil
    20
    Kontaktseite
    21
    Stöpselelement
    22
    Strömungsspalt

Claims (12)

  1. Partikelfilter zum Reinigen von motorischen Abgasen, mit topfförmig ausgebildeten Einlasskanälen (9), die endseitig mit einem Einlasskanalboden (11) versehen sind und in welche partikelbeladene Abgase (3) einströmen, sowie parallel benachbart zu den Einlasskanälen (9) angeordnete Auslasskanäle (10), welche endseitig mit einem Auslasskanalboden (12) versehen sind und welche die gereinigten Abgase (8) ableiten, wobei sich infolge der Filterung an den dazwischenliegenden porösen, durchströmten Wandabschnitten (13) seitens des Einlasskanals (9) eine Partikelschicht (14) absetzt, die zur Regeneration über elektrische Heizmittel (15) abbrennbar ist, und die elektrischen Heizmittel (15) in zumindest einem Teil der Auslasskanäle (10) derart auf der Seite des gereinigten Abgases im Bereich des Auslasskanalbodens (12) angeordnet sind, dass die von den elektrischen Heizmitteln (15) abgegebene Wärmestrahlung das Abbrennen der in den angrenzenden Einlasskanälen (9) befindlichen Partikelschicht (14) auslöst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Partikelfilter zweiteilig aufgebaut ist, wobei der Partikelfilter aus einem Partikelfilterhauptteil (19) und aus einem scheibenförmigen auslasskanalbodenseitigen Partikelfilterdeckelteil (18) besteht, an der Kontaktseite (20) des Partikelfilterdeckelteils (18) zu dem Partikelfilterhauptteil (19) die elektrischen Heizmittel (15) befestigt sind, und der Partikelfilterdeckelteil (18) zur Bildung des Auslasskanalbodens (12) dient.
  2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die mit elektrischen Heizmitteln (15) ausgerüsteten Auslasskanäle (10a) jeweils unbeheizte Auslasskanäle (10b) angrenzen, um die Gesamtzahl der elektrischen Heizmittel (15) zu reduzieren.
  3. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einsparung elektrischer Energie die Heizmittel (15) mit einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung betrieben werden, welche zum Auslösen des Abbrennens der Partikelschicht (14) während einer definierten Zeitdauer bereitgestellt wird.
  4. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15) nach Art eines gewendelten Kantal-Drahts ausgebildet sind.
  5. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen den Auslasskanalböden (12) zugeordneten Heizmittel (15) zumindest teilweise in Serie zueinander geschalten sind.
  6. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15) ausgehend vom zugeordneten Auslasskanalboden (12) in den Auslasskanal (10) hineinragend angeordnet sind.
  7. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15) durch Kleben mit einem temperaturbeständigen Klebstoff unlösbar mit dem Partikelfilterdeckelteil (18) verbunden sind.
  8. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15) die Auslasskanalböden (11) des Partikelfilterdeckelteils (18) lösbar eingesteckt sind.
  9. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Stöpselelemente (21) vorgesehen sind, welche zur Bildung der Auslasskanalböden (11) die Auslasskanäle (10) verschließen.
  10. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15c) in Auslasskanalabschnitte (10a) des Partikelfilterdeckelteils (18a) in Richtung der Einlassseite hineinragend angeordnet sind, wobei die Länge der Auslasskanalabschnitte (10a) des Partikelfilterdeckelteils (18a) zumindest der Länge der Heizelemente (15c) entspricht.
  11. Partikelfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Partikelfilterdeckelteil (18a) und dem Partikelfilterhauptteil (19a) ein Strömungsspalt (22) besteht, wobei die Kanalführung im Partikelfilterhauptteil (19a) gegenüber dem Partikelfilterdeckelteil (18a) versetzt erfolgt.
  12. Partikelfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die versetzte Kanalführung zwischen dem Partikelfilterhauptteil (19a) und dem Partikelfilterdeckelteil (18a) über in der Stirnfläche des Partikelfilterhauptteils (19a) entsprechend eingebrachte Stöpselelemente (21a) erfolgt.
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