EP1888887B1 - Russpartikelfilter mit katalytisch beschichtetem heizelement - Google Patents

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EP1888887B1 EP06761643A EP06761643A EP1888887B1 EP 1888887 B1 EP1888887 B1 EP 1888887B1 EP 06761643 A EP06761643 A EP 06761643A EP 06761643 A EP06761643 A EP 06761643A EP 1888887 B1 EP1888887 B1 EP 1888887B1
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    • F01N2250/00—Combinations of different methods of purification
    • F01N2250/02—Combinations of different methods of purification filtering and catalytic conversion

Definitions

  • Particulate filter of the aforementioned type are known from WO 02/102493 A2 known.
  • the burning off of the soot particles with heating coils is also known.
  • These burn-off systems all have the disadvantage that the heat impinges on the particles, so as to cause the soot particles to burn.
  • These systems require a lot of energy because the exhaust gas flow, a significant proportion of hot air, which is urgently needed to burn off the soot particles, enters the environment without reaction. Forcibly, the energy consumption is increased unnecessarily.
  • a continuous particle cleaning is provided in this new particulate filter, but it can be the heating element and or heating elements, without the housing to be opened, replaced, wherein the heating elements are designed so that they are partially used as a particulate filter. Furthermore, it is advantageous that the structural requirements in the arrangement and flexibility throughout the design and shape of the Soot particle filters are given. Another advantage of the innovation is that the particles act on the filter element are burned directly from the inside out. This has the consequence that compared to non-contact heat sources a significant amount of energy is saved.
  • Another recommended feature is to provide the housing with a thermal jacket from the inside to the outside, or to encase it from the outside with a thermal trouser. This in turn has the advantage of saving energy, since the exhaust heat is stored over a longer period of time and the housing can not be cooled by the wind. In addition, the risk of fire is reduced by heating the housing to the environment.
  • stabilization heating elements 8 For burning off and regenerating the soot particles, depending on the nature and structuring of the monolith and / or particulate filter element, appropriately fitted and shaped stabilization heating elements 8 are screwed from the outside onto the threaded openings 6, 7 located on the filter housing.
  • Fig.2 shows a heating element 8 in corkscrew mold 16, Figure 3 a heating element 8 with heating rods 17.
  • the stabilization heating elements can be inserted by means of a quick release.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rußpartikelfilter mit variabel gesteuerter Rußabbrennung und katalysatorischer Wirkung für Dieselmotoren und Ölheizungen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
  • Es ist eine ganze Vielfalt an Partikelfiltern und Oxidationskatalysatoren bekannt. Zum Beispiel werden die Rußpartikel mit Hilfe von metallischen und oder keramischen Filterkörpern durchströmt, um die in der Abgasströmung befindlichen Rußpartikel zu sammeln und sie anschließend mit Hilfe von elektrischer Beheizung abzubrennen. Auch werden chemische Mittel zum Zünden und Abbrennen der Rußpartikel verwendet.
  • Partikelfilter der vorgenannten Art sind aus der WO 02/102493 A2 bekannt. Auch das Abbrennen der Rußpartikel mit Heizspiralen ist bekannt. Diese Abbrennsysteme haben alle den Nachteil, dass die Wärmeeinwirkung auf die Partikel anströmt, um so die Rußpartikel zum Abbrennen zu veranlassen. Diese Systeme benötigen viel Energie, da durch die Abgasströmung ein wesentlicher Anteil der Warmluft, die zum Abbrennen der Rußpartikel dringend benötigt wird, ohne Reaktion in die Umwelt gelangt. Zwangsweise wird dadurch der Energieaufwand unnötigerweise gesteigert.
  • Auch aus der GB 2 134 407 A ist ein gattungsgemäßer Rußpartikelfilter bekannt.
  • Die Problematik bekannter Rußpartikelfilter liegt hauptsächlich darin, daß die Kombination zwischen Filtereinheit und der Abbrenntechnik, was die zeitliche Haltbarkeit angeht nicht gewährleistet ist. Entweder wird das Filtermedium bei zu hoher Abbrenntemperatur porös und /oder instabil. Bei der Alternative des Abbrennens der Rußpartikel mit Hilfe von chemischen Mittel, die die Abgastemperatur erhöhen, besteht die Gefahr, dass andere Schadstoffe in die Umwelt gelangen. Außerdem sind diese Rußpartikelfilter in der Abbrenntechnik so konzipiert, daß bei einer Störung der Heizeinheit das Reparieren mit viel Aufwand und hohen Kosten verbunden ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter der eingangs genannten Art zur Abgasreinigung für Brennkraftmaschinen, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, zu schaffen, der die Nachteile der bekannten Rußfilter beseitigt, und nicht nur über den gesamten Betriebs- oder Nutzungszeitraum einen hinreichend gleichbleibenden Rußabsorbtionswirkungsgrad aufweist, sondern auch wartungsfrei arbeitet. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, einen derartige Rußpartikelfilter technisch einfach und modular auszubilden.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen im kennzeichneten Teil des Schutzanspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Einzelheiten beansprucht.
  • Vorteilhaft ist bei diesem neuen Rußpartikelfilter nicht nur eine kontinuierliche Partikelreinigung vorgesehen, sondern es können das Heizelement und oder Heizelemente, ohne daß das Gehäuse zu öffnen, ausgewechselt werden, wobei die Heizelemente so ausgestaltet sind, dass sie teilweise als Partikelfilter Verwendung finden. Desweiteren ist vorteilhaft, dass die konstuktiven Voraussetzungen in der Anordnung und Flexibilität im gesamten Aufbau und Formgebung des Rußpartikelfilter gegeben sind. Ein weiterer Vorteil der Neuerung besteht auch darin, dass die beaufschlagten Partikel am Filterelement unmittelbar von innen nach außen abgebrannt werden. Das hat zur Folge, dass gegenüber berührungsfreien Heizquellen ein wesentlicher Teil an Energie eingespart wird.
  • Erfindergemäß ist es auch vorteilhaft, den katalytischen Teil in Verbindung mit dem Rußpartikelfilter in Reihe zu Schalten, und diese in einem Gehäuse unterzubringen das den Vorteil hat, das Aufheizvolumen und die Energie mehrmals zu benutzen. Ein weiteres empfehlenswertes Merkmal ist, das Gehäuse von innen nach außen mit einem Thermomantel zu versehen, oder von außen mit einer Thermohose zu ummanteln. Dies hat wiederum den Vorteil, Energie einzusparen, da die Abgaswärme über einen größeren Zeitraum gespeichert wird und das Gehäuse durch den Fahrtwind nicht abgekühlt werden kann. Außerdem wird die Brandgefahr durch Erhitzen des Gehäuses zur Umwelt hin verringert.
  • Im wesentlichen ist die Aufgabe der Erfindung darin zu sehen, dass die Heizeinheiten und deren Anordnung so gestaltet sind, dass sie als Partikelfilter Verwendung finden. So wird zum Beispiel, wenn ein Filtermedium aus einem Metallgestrüpp besteht, ein von aussen in das Filtermedium eingeschraubter korkenzieherähnlichem Stabilisatorheizkörper eingeschraubt, und/oder ein mit einem Schnellverschluß versehenen Stabilisatorheizkörper eingesteckt.
  • Aus den vorweg beschriebenen und nachfolgend detaillierten Erläuterungen ist es jedoch offensichtlich, dass die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung nur der Erläuterung dient und keine Beschränkung darstellt, da für den Fachmann zahlreiche Änderungen erkennbar und möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, und werden im folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
    • Fig.1 einen Rußpartikelfilter nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
    • Fig.2 ein Heizelement 8 in Korkenzieherform 16, eine Gewindeöffnung am Gehäuse 19, und einen Stromanschlußpol 15;
    • Fig.3 ein Heizelement mit Heizstäben 17, eine Gewindeöffnung am Gehäuse 19, und einen Stromanschlußpol 15;
    • Fig.4 ein Heizelement 8 mit Filterscheiben 18, eine Gewindeöffnung am Gehäuse 19, und einen Stromanschlußpol 15;
    • Fig.5 ein in einen Monolith 22 eingeführtes Heizelement 8 mit Filterscheiben 21;
    • Fig.6 ein in einen Monolith 22 eingeführtes Heizelement 8 mit Filterdrähten 20 bestückt;
    • Fig.7 ein Filtergehäuse 3 nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Monolith 22, Filterelement-Endstück 8 und Hülsenbestückung 23, und Spiralheizdrähten; und
    • Fig.8 Hülsen 23 und Spiralheizdraht.
  • Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Filtergehäuses 3, an dem sich ein Eingang 4 und ein Ausgang 5 befindet, Gewindeöffnungen zum Einschrauben der Heizelemente stirnseitig 6 und Gewindeöffnungen längseitig 7, eingeschraubte Heizelemente mit Stromanschlußpol 8, eine Vorkammer zur Filtereinheit 9, eine Zwischenkammer 10, eine Abschlußkammer 11, eine Thermoisolierung 12, einen Ausschnitt des katalytischen Teils 13, einen Ausschnitt einer Filtereinheit 14 und einen Stromanschlußpol 15.
  • An Fig.1 ist zu ersehen, dass sich an dem Filtergehäuse 3 ein Eingang 4 befindet, wo der Abgasstrom eines Dieselmotor in das Filtergehäuse eingeleitet wird. Dieser Abgasstrom wird über die Vorkammer 9 in den Monolith 13, der auch als Katalysator dient, eingeleitet. Nach Verlassen des Abgasstroms aus dem katalytischen Teil fließt er wiederum in eine Hohlkammer 10. Von da aus wird der Abgasstrom in den Partikelfilter 14 eingeleitet, und von dort aus durch Abschlusskammer 11 und Ausgang 5 in die Umwelt entlassen wird.
  • Zum Abbrennen und Regenerieren der Rußpartikel werden von außen je nach Beschaffenheit und Strukturierung des Monolith und/oder Partikelfilterelements dementsprechend bestückte und geformte Stabilisationsheizelemente 8 an den am Filtergehäuse befindliche Gewindeöffnungen 6, 7, eingeschraubt. Fig.2 zeigt ein Heizelement 8 in Korkenzieherform 16, Fig.3 ein Heizelement 8 mit Heizstäben 17. Außerdem können die Stabilisationsheizelemente mit Hilfe eines Schnellverschlusses eingesteckt werden.
  • Da aus technischer Sicht bei einem Monolithen, der aus Metall und/oder Keramik als Grundkörper gefertigt ist, keine Möglichkeit besteht, die durchlaufende Kanäle und/oder Öffnungen in Windungen und mit ringsumlaufende Nuten zu gestalten, werden je nach Bedarf, Keramikschnüre zu einem Bündel zusammengefügt und dann durch eine Drehung des Bündels in eine spiralenförmige Form gebracht, wie dies in Fig.8 gezeigt ist, in der Hülsen 23 und ein Spiralheizdraht 24 gezeigt sind. Dies ist möglich, da die Heizspiralen aus Materialien bestehen, die gleichzeitig als Zug- und Druckfeder dienen. Damit besteht die Gewähr, dass die ganze gebündelte Einheit bruchsicher und erschütterungselastisch zusammengehalden wird.
  • Es ist möglich, dass an einem Fahrzeug aus Freiraumgründen ein im Durchmesser größerer Partikelfilter nicht angebracht werden kann. Dann besteht die Möglichkeit, in Stabilisationsheizelementen wie aus Fig.4, Fig.5 und Fig.6 zu ersehen, in verschiedenen Abständen je nach Bedarf Filterscheiben 21, Filterdrähte 20 integriert sind. Dadurch kann ein verhältnismäßig schlanker Oxidationskatalysator und Partikelfilter an jedem Fahrzeug angebracht werden.

Claims (18)

  1. Rußpartikelfilter mit variabel gesteuerter Rußabbrennung und
    katalysatorischer Wirkung für Dieselmotoren und Ölheizungen, mit mindestens einem Filtergehäuse,(3) und einem Filterelement (13, 14), dadurch gekennzeichnet, dass der katalysatorische Teil (13) im Gehäuse (3) Keramikschnüre mit Keramikhülsen (23) aufweist, in denen sich Heizspiralen (24) aus zug- und druckfesten Materialien befinden, wobei die Keramikschnüre zu einem Bündel zusammengefügt und durch eine In-sich-Drehung des Keramikschnürenbündels spiralenförmig geformt sind.
  2. Rußpartikelfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikhülsen (23) mit katalysatorischer Wirkung beschichtet sind.
  3. Rußpartikelfilter nach Anspruch 1 oder 2 dadurch
    gekennzeichnet,
    dass das Filterelement ein Filtergestrüp (14) aufweist, in das Keramikschnüre und darin aufgenommene Heizspiralen (24) aufweisende Stabilisationsheizelemente in Korkenzieherform (16) eingeschraubt und/oder in Form von Stäben (17) eingeschraubt und/oder mit einem Schnellverschluß eingesteckt sind.
  4. Rußpartikelfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisationsheizelemente in verschiedenen Formgebungen (16, 17) ausgestaltet sind.
  5. Rußpartikelfilter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisationsheizelemente mit verschiedenartigen Filterscheiben (18) versehen sind.
  6. Rußpartikelfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterscheiben (18) an dem Stabilisationsheizelement aus verschiedenartigen Materialien zusammengesetzt sind.
  7. Rußpartikelfilter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisationsheizelemente mit den Filterscheiben (18) in ein Gehäuse (3) eingeschraubt und/oder mit einem Schnellverschluss versehen und eingesteckt sind.
  8. Rußpartikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Filtergehäuse (3) ein Filter mit katalysatorischer Wirkung und ein Rußpartikelfilter untergebracht sind.
  9. Rußpartikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Gehäuse Öffnungen (6, 7) mit und/oder ohne Gewinde befinden.
  10. Rußpartikelfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass sich am Gehäuse ein Ein- und Ausgang (4, 5) befindet.
  11. Rußpartikelfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Monolith, der mit quadratischen Öffnungen versehen ist, Keramikschnüre mit Heizspirale (24) eingebracht sind.
  12. Rußpartikelfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse von außen mit einer Thermohose überzogen ist.
  13. Rußpartikelfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse von innen zur Außenwelt hin mit hitzebeständigem Material (12) verkleidet ist.
  14. Rußpartikelfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Relais zur kontinuierlichen Steuerung der Aufheizphase der einzelnen Heizelemente vorgesehen ist.
  15. Rußpartikelfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Filtergehäuse an geeigneter Stelle eine Öffnung mit Ventil vorgesehen ist, an der eine benötigte Sauerstoffzufuhr eingeführt wird.
  16. Rußpartikelfilter einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisationsheizelemente mit einem Gewinde und/oder einem Schnellverschluß versehen sind.
  17. Rußpartikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Stabilisationsheizelementen im äußeren Bereich Anschlussmöglichkeiten (15) für eine Stromzufuhr befinden.
  18. Rußpartikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Gehäuseinneren Hohlkammern (9, 10, 11) befinden.
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