SE535454C2 - Partikelfilter för ett avgassystem hos en förbränningsmotor - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser ett partikelfilter. Partikelfiltret innefattar en forstafilterkomponent (4) som innefattar åtminstone en forsta kanal (5), som har eninloppsöppning (Sa) där avgaser leds in i den forsta filterkomponenten (4) och enutloppsöppning (5b) där avgaser leds ut från den forsta filterkomponenten (4), ochåtminstone en andra kanal (6) som har en utloppsöppning (6b) där avgaser leds ut frånden forsta filterkomponenten (4). Ett väggelement (7), som avskilj er den forsta kanalen(5) och den andra kanalen (6), innefattar passager som är dimensionerade så att desläpper igenom avgaser men inte partiklar. Partikelfiltret innefattar även en andrafilterkomponent (8) som är anordnat i en position så att det sträcker sig tvärs över denforsta kanalens utloppsöppning (5b) och den andra kanalens utloppsöppning (6b). Den andra filterkomponenten (8) är dimensionerad så att det släpper igenom avgaser men inte partiklar som leds ut från den forsta filterkomponentens utloppsöppningar (Sb, 6b). (Fig. 2)

Description

535 454 oxidationskatalysator anordnas uppströms partikelfiltret i avgasledningen.

Oxidationskatalysatom omvandlar kvävemonoxid i avgasema till kvävedioxid.

Förekomsten av kvävedioxid i avgaserna sänker även den temperatur vid vilken sotet förbränns.

Alla material i partiklarna, såsom exempelvis metaller, är inte brännbara. Det bildas därmed med tiden forrnationer av aska som täpper till de axiella passagerna i sidoväggarna mellan inloppskanalema och utloppskanalema. Det bildas även en askformation vid den slutna ändytan hos inloppskanalema. Partikelñltret måste således rengöras från aska med lämpliga intervall för att det inte ska tappa sin funktion.

Eftersom inloppskanalema har en sluten ände är det svårt att komma åt och lösgöra askan som fastnat på inloppskanalemas invändiga ytor. Rengöringsprocessen resulterar i ett slitage av de relativt dyra partikelfiltren.

US 2009/0293716 visar en anordning och en metod som möjliggör rengöring av flera partikelfilter av ovan nämnt slag samtidig.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett partikelfilter som kan rengöras relativt sällan och på ett enkelt sätt.

De ovan angivna syfiena uppnås med det inledningsvis närrmda partikelfiltret som kännetecknas av vad som anges i patentkravets 1 kännetecknande del. Partikelfiltret innefattar således en forsta ñlterkomponent och en andra filterkomponent. Den första filterkomponenten innefattar åtminstone en första kanal och en andra kanal som har utloppsöppningar i anslutning till den andra ñlterkomponenten. Därmed kan avgasema ledas längs två olika flödesvägar i den första filterkomponenten till den andra filterkomponenten. En första flödesväg innebär att avgaserna leds ofiltrerade genom den första filterkomponenten varefter partiklarna i avgaserna avskiljs i den nedströms belägna andra filterkomponenten. En andra flödesväg innebär att partiklarna i avgaserna avskiljs i den första filterkomponenten då de leds från den första kanalen till 10 20 25 30 535 454 den andra kanalen via passagema i väggelementet. l detta fall leds därefter avgaser, som således redan befriats från partiklar, genom den andra filterkomponenten.

Avgasema tar under drift den av de två flödesvägama som innebär minsta möjliga strönmingsmotstånd. Den första flödesvägens totala strömningsmotstånd bestäms huvudsakligen av strömningsmotståndet då avgaserna leds genom den andra filterkomponenten. Den andra flödesvägens totala strömningsmotstånd bestäms huvudsakligen av summan av strömningsmotståndet då avgaserna leds från den första kanalen till den andra kanalen och strömningsmotståndet då avgasema leds genom den andra filterkomponenten.

Under drifistillfállen då den andra filterkomponenten är ny erhåller avgaser som leds längs den forsta flödesvägen och den andra lika stort strömningsmotstånd då de leds genom den andra filterkomponenten. Avgasema som flödesvägen ett leds längs den andra flödesvägen tillhandahåller därutöver ett strömningsmotstånd i den första filterkomponenten. Då den andra filterkomponenten är nytt är således första klart strörnningsrnotståndet längs den andra flödesvägen. Avgaserna leds i detta fall således strömningsmotståndet längs den flödesvägen lägre än huvudsakligen längs den första flödesvägen. Paitiklarna i avgasema fångas därmed upp i den andra filterkomponenten i ett område i anslutning till den första kanalens utloppsöppning. Med tiden ansarnlas aska från för-brända partiklar i detta område av den andra filterkomponenten. Askan täpper till passagerna genom den andra filterkomponenten i detta omrâde. Strönmingsmotståndet för avgaserna som leds längs den första flödesvägen ökar. Avgasflödet kommer därmed med tiden att övergå från den första flödesvägen till den andra flödesvägen. Då detta har skett svarar den första filterkomponenten för den huvudsakliga avskiljningen av partiklar från avgasema.

Efter en ytterligare tids användning börjar även den första filterkomponenten att täppas igen av aska. Partikelfiltrets ingående filterkomponenter behöver nu bytas ut eller renoveras. Eftersom partikelñltret ftmgerar så länge som en av nämnda filterkomponenter fungerar så kan utbytet eller renoveringen av filtren göras med tämligen långa mellanrum. Den första filterkomponenten har således en första kanal som är öppen i bägge ändar. Därmed kan aska som fastnat på ytan i den första kanalen 10 15 20 25 30 535 454 blåsas ut på ett relativt okomplicerat sätt och med ett litet slitage av de den första filterkomponenten.

Enligt en föredragen utföringsfonn av uppfmningen innefattar partikelfiltret fästorgan med vilket den andra filterkomponenten är lösgörbart monterbar i nämnda position.

Därmed kan den andra filterkomponenten och med fördel även den första filterkomponenten monteras och demonteras på ett tämligen enkelt sätt då det ska bytas ut eller renoveras. Den andra filterkomponenten innefattar med fördel en matta av ett fibermaterial. Fibrema är här anordnade så att det bildas passager som är dimensionerade så att avgaser men inte partiklar kan ledas genom fibermattan.

Fibermattan kan innehålla fibrer av kiseldioxid. Fibermattan kan altemativt innehålla fibrer av andra värmetåliga material. Nämnda fiberrnatta kan innehåller en beläggning av ett material som resulterar i en oxidationskatalys vid vilken kvävedioxid bildas åtminstone i områden där partiklarna ansamlas. En sådan beläggning kan vara ett tunt utvändigt skikt av en ädelmetall. Med hjälp av en sådan beläggning kan sot förbrännas vid en relativt låg temperatur. Partiklama som ansamlas i den andra filterkomponenten kan därmed väsentligen alltid erhålla en snabb förbränning.

Enligt en annan töredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar partikelfiltret ett stödelement som är anpassat att bilda ett stöd för den andra filterkomponenten då det är i ett monterat tillstånd. Den andra filterkomponenten ska således täcka över de första kanalemas utloppsöppningar och de andra kanalemas utloppsöppningar. Den andra filterkomponenten måste således anligga med ett relativt stort tryck mot utloppsöppningarna så att avgaser från någon utloppsöppning inte leds ut vid sidan av den andra filterkomponenten. I de fall då den andra filterkomponenten består av en flexibel fibermatta erfordras i regel att den andra filterkomponenten stagas upp med hjälp av åtminstone ett stödelement. Stödelementet kan innefatta en styv enhet med en struktur som innefattar genomgående hål som är anpassade att genomströmmas av avgaser som passerar genom den andra filterkomponenten. Ett sådant stödelement kan ha en nätstmktur, en gallerstrlilctur eller en bikakestruktur. 20 25 30 535 454 Enligt en arman föredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar den första filterkomponenten en kropp av ett poröst material. I detta fall har väggelementet en porös struktur med passager som sträcker sig mellan den första kanalen och den andra kanalen. Passagerna är dimensionerade så att de kan leda avgaser men inte partiklar mellan kanalema. Det porösa materialet kan vara ett keramiskt material eller ett sintrat material. Den första filterkomponenten innefattar med fördel flera första kanaler och flera andra kanaler som har en parallell sträckning mellan en forsta ändyta av den första filterkomponenten och en andra ändyta av den första filterkomponenten.

Den andra filterkomponenten anordnas här vid den andra ändytan i en position så att den sträcker sig över samliga utloppsöppningar i den andra ändytan.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs såsom ett exempel en fóredragen utfóringsforrn av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. l visar ett partikelfilter enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, Fig. 2 visar en snittvy av en del av partikelfiltret i Fig. 1 under ett initialt driftstillfalle och Fig. 3 visar en motsvarande snittvy av partikelflltret i Fig. l under ett senare drifistillfálle.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar en partikelfilter som är anordnat i ett avgassystem för en dieselmotor.

Avgassystemet innefattar en avgasledning 1 som leder avgaser från dieselmotom till en behållare 2 som innesluter partikelfiltret. Efter att avgaserna renats från partiklar i partikelfiltret leds de från behållaren 2 till en nedströms anordnad avgasledning 3.

Partikelfiltret innefattar en första filterkomponent 4 som består av en kropp som har en porös struktur. Den första filterkomponenten kan bestå av ett keramiskt material eller ett sintrat material. Den första filterkomponenten 4 innefattar ett stort antal parallella 10 20 25 30 535 454 kanaler. De parallella kanalerna sträcker sig mellan en första ändyta 4a och en andra åndyta 4b hos den första filterkomponenten 4. Kanalema utgörs av första kanaler 5 och andra kanaler 6. De första kanalerna S och de andra kanalema 6 är separerade från varandra medelst relativt tunna sidoväggar 7 av ovan nämnda porösa material. De porösa sidoväggama 7 innefattar axiella passager som har en storlek så de släpper igenom avgaser men inte partiklar. De första kanalema 5 har inloppsöppningar Sa vid den första ändytan 4a där avgaser mottas i den första filterkomponenten 4. De första kanalema 5 har utloppsöppningar Sb vid den andra ändytan 4b där avgaser leds ut från den första filterkomponenten 4. De andra kanalema 6 är försedda med stopporgan 6a vid den första ändytan 4a vilka förhindrar att avgasema leds in i de andra kanalema 6 vid den första ändytan 4a. De andra kanaler 6 är försedd med utloppsöppningar 6b vid den andra ändytan 4b där avgaser leds ut från den första filterkomponenten 4.

En andra filterkomponent 8 är anordnad i kontakt med den andra ändytan 4b hos den första filterkomponenten 4. Den andra filterkomponenten 8 är monterad i en position så att det sträcker sig tvärs över hela den andra ändytan 4b och därmed även över de första kanalemas utloppsöppningar 5b och de andra kanalemas utloppsöppningar 6b.

Den andra filterkomponenten 8 består av en fibermatta som innehåller fibrer av ett värmetåligt material. Materialet måste åtminstone kunna tåla den maximal avgastemperatiir som kan vara av storleken 700°C. Det värmetåliga materialet kan, exempelvis, vara kiseldioxid SiOz. Den andra filterkomponenten 8 har egenskapen att den släppa igenom avgaser samtidigt som den fångar upp partiklar. Ett stödelement 9 är anordnat på den sida av filtret 8 som inte är i kontakt med den andra ändytan 4b hos den första filterkomponenten 4. Stödelementet 9 innefattar en struktur med genomgående hål som är anpassade att genomströmmas av avgaser som har passerat genom den andra filterkomponenten 8. Stödelementet 9 kan ha en gallerstruktur, nätstruktur, bikakestruktur eller liknande. Ett ringformat fastorgan 10 är anpassat att hålla stödelementet 9 och den andra filterkomponenten 8 i en avsedd monteringsposition i behållaren 2.

Under drift av dieselmotom leds avgaser genom avgassystemet. Då avgasema når behållaren 2 når de inledningsvis den första filterkomponenten 4. Avgasema leds in i 20 25 30 535 454 den första filterkomponenten 4, via inloppsöppningarna Sa, till de första kanalema 5.

Avgasema kan sedan ledas längs två möjliga flödesvägar. Enligt en första flödesväg leds avgasema genom hela de första kanalerna 5 och ut via dess utloppsöppningar 5b.

Avgasema leds därefter genom den andra filterkomponenten 8 där medföljande partiklar fastnar i den andra filterkomponenten 8 i anslutning till de första kanalemas utloppsöppningar 5b. Avgasema som befriats från partiklar leds därefter vidare i avgassystemet genom avgasledningen 3. Enligt en andra flödesväg leds avgaserna från de första kanalema 5, via de axiella passagerna i väggelementet 7, till angränsande andra kanaler 6. Avgasema passerar här igenom de axiella passagema i väggelementen 7 medan de medföljande partiklar fastnar. Avgasema som befriats från partiklar leds därefter ut från de andra kanalema 6 via dess utloppsöppningar 6b. Avgasema leds sedan genom den andra filterkomponenten 8. Efiersom avgasema redan befriats från partiklar kommer inga partiklar att fastna i den andra filterkomponenten 8 i anslutning till den andra kanalens utloppsöppning 6b. Avgasema leds därefter vidare i avgassystemet genom avgasledningen 3.

Då avgasema leds längs den första flödesvägen fastnar partiklarna i den andra filterkomponenten 8 i områden som är belägna utvändigt om de första kanalemas utloppsöppningar 5b. Då avgasema leds längs den andra flödesvägen fastnar partiklarna på ytor hos de första kanalema 5 i anslutning till de axiella passagema i väggelementen 7. För att erhålla en fortsatt god funktion måste sotet i partiklarna som fastnat i ovan nämnda områden förbrännas. Det kan ske genom att en brännare appliceras i avgassystemet i en position uppströms partikelfiltret. Brännarens uppgift är att vid behov värma upp avgasema till en temperatur så att sotet förbränns i partikelfiltret. Sotet i partiklarna antänds normalt vid en temperatur av cirka 600°C. I de flesta fall är det dock svårt att garantera en så hög avgastemperatur även med en brännare med en hög prestanda. Därför måste i regel sotets antändningstemperatur sänkas. Det kan ske genom att omvandla de olika förekommande typerna av kväveoxider NOX till kvävedioxid N02. Det finns huvudsakligen två metoder att utföra detta. Enligt en första metod CRT (Continuously Regeneration Trap) anordnas en oxidationskatalysator i avgassystemet i en position uppströms partikelfiltret. Sotet antänds i detta fall vid en betydligt lägre temperatur än 600°C i partikelfiltret. Enligt en 10 20 25 30 535 454 andra metod CSF (Catalytic Soot Filter) beläggs partikelfiltret med ett lämpligt beläggningsmaterial så att oxidationskatalysen från NOX till N02 sker direkt på de ytor där partiklarna ansamlas. Sotet antänds även i detta fall vid en betydligt lägre temperatur än 600°C. I detta fall kan lämpliga ornråden hos den andra filterkomponenten 8 förses med ett sådant beläggningsmaterial som kan vara ett tunt skikt av en ädelmetall. Därutöver kan man med olika tillsatsänmen i bränslet uppnå en sänkt antändningstemperatur vid cirka 350°C i ett partikelfilter.

Avgasema i avgassystemet tar huvudsakligen den av de två flödesvägar genom partikelfiltret som innebär minsta möjliga strömningsmotstånd. Den första flödesvägens totala strömningsmotstånd bestäms huvudsakligen av avgasernas strömníngsmotstånd då de leds genom den andra filterkomponenten 8. Den andra flödesvägens totala strömningsmotstånd bestäms huvudsakligen av summan av leds 7 och strömningsmotståndet då de leds genom den andra filterkomponenten 8. Fig. 2 visar ett avgasemas strömningsmotstånd då de genom väggelementet driftstillfálle då en ny första filterkomponent 4 och en ny andra filterkomponent 8 har applicerats i behållaren 2. I detta fall är strömningsmotståndet för avgaser som leds genom den andra filterkomponenten 8 i anslutning till de första kanalemas utloppsöppningar Sb och i anslutning till de andra kanalemas utloppsöppningar 6b lika stort. För leds strömningsmotståndet genom väggelementet 7. l detta fall har således avgasema som avgaser som längs den andra flödesvägen tillkommer leds längs den forsta flödesvägen ett mindre strömningsmotstând än avgasema som leds längs den andra flödesvägen. I och med det leds en huvudsaklig del av avgasema längs den första flödesvägen. Partiklarna i avgasema fångas därmed huvudsakligen upp i den andra filterkomponenten 8 i områdena i anslutning till de första kanalemas utloppsöppningar 5b.

Sotet förbränns under drift på ett av ovan nämnda sätt. Allt material i partiklarna är dock inte brännbart sot utan det bildas ofrånkomligt med tiden formationer av aska i den andra filterkomponenten 8 i områdena i anslutning till de första kanalemas utloppsöppningar 5b. Fig. 3 visar sådana askfonnationer 12. Förekomsten av askformationema 12 gör att avgasernas strömningsmotstånd genom den andra 20 25 30 535 454 filterkomponenten 8 i anslutning till utloppsöppningama Sb ökar i takt med att nämnda askformation 12 ökar i storlek. Strömningsmotståndet för avgasema som leds längs den första flödesvägen ökar således under drift. Då strömningsmotståndet längs den första flödesvägen ökar kommer en allt större andel av avgasema att ledas längs den andra flödesvägen. Då askfomiationerna 12 är av den storlek som visas i F ig. 3 bildar de väsentligen en ogenomtränglig stoppyta i anslutning till utloppsöppningarna Sb.

Väsentligen hela avgasflödet leds nu längs den andra flödesvägen genom partikelfiltret.

Partiklama separeras nu från avgasema då de leds genom de axiella passagerna i väggelementet 7. Så småningom börjar även de axiella passagerna genom väggelementen 7 att täppas till av aska.

Då detta sker är det dags att renovera partikelfiltret. Behållaren 2 demonteras och öppnas på lämpligt sätt varefter det ringfonnade fästorganet 10 lösgörs. Därmed kan stödelementet 9 plockas ut liksom den andra filterkomponenten 8. Slutligen plockas den första filterkomponenten 4 ut ur behållaren 2. Den andra filterkomponenten 8 som inte är särskilt dyr att införskaffa kasseras. Den första filterkomponenten 4 som är betydligt dyrare att införskaffa renoveras. Den första filterkomponenten 4 har askforrnationer på sidoväggytorna i de första kanalema 5. De andra kanalema 6 är väsentligen rena från aska då avgasema redan har renats från partiklar då de når de andra kanalema 6. De första kanalema 5 har här både en inloppsöppning Sa och en utloppsöppning Sb. Därmed är det lätt att komma åt och rengöra de första kanalema från aska. Rengöringsprocessen kan innebära att askan lösgörs och transporteras ut från de första kanalema med hjälp av en kraftig stråle av ett lärnpligt lösningsmedel.

Den renoverade första filterkomponenten 4 monteras därefter åter på plats i behållaren 2. En ny andra filterkomponent 8 appliceras mot den första filterkomponentens andra ändyta 4b. Stödelementet 9 appliceras i kontakt med den andra filterkomponenten 8 i en avsedd position varefter de låses fast i monteringspositionen med hjälp av det ringforrnade fástorganet 10. Partikelfiltret är nu åter klart för att användas.

Föreliggande partikelfilter har flera fördelar i förhållande till ett konventionellt partikelfilter. Eftersom den första filterkomponenten 4 används väsentligen först efter att den andra filterkomponenten 8 är ur funktion tar det en relativt lång tid innan 535 454 10 partikelfiltret behöver renoveras. Därmed kan renoveringen av partikelfiltret göras med tämligen långa tidsintervall. Eftersom den första filterkomponenten 4 har första kanaler 5 som är öppna i bägge ändar kan askformationer i de första kanalema S blåsas ut på ett relativt okomplicerat sätt. En sådan renovering tillhandahåller ett relativt litet slitage av den första filterkomponentens 4 ytor. Slutligen kan fibrema i den andra filterkomponenten 8 beläggas med ett lämpligt beläggningsmaterial, i form av en ädelmetall, så att oxidationskatalysen från NOX till NO; sker direkt på de ytor där partiklarna ansamlas vilket sänker sotets fórbränningstemperatur.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den beskrivna utfóringsforrnen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar.

Claims (10)

20 25 30 535 454 ll Patentkrav

1. l. Partikelfilter (l) för ett avgassystem som leder ut avgaser från en förbrärmingsmotor, varvid partikelflltret innefattar en första filterkomponent (4) som innefattar åtminstone en första kanal (5) som har en inloppsöppning (Sa) där avgaser leds in i den första filterkomponenten (4) och åtminstone en andra kanal (6) som har en utloppsöppning (6b) där avgaser leds ut från den forsta filterkomponenten (4), och ett väggelement (7) som avskiljer den första kanalen (5) och den andra kanalen (6) vilket innefattar passager som är dimensionerade så att de släpper igenom avgaser men inte partiklar, kännetecknad av att den första kanalen (5) även innefattar en utloppsöppning (5b) där avgaser leds ut från den första filterkomponenten (4) och att partikelfiltret (1) innefattar en andra filterkomponent (8) som är anordnad i en position så att det sträcker sig tvärs över den första kanalens utloppsöppning (Sb) och den andra kanalens utloppsöppning (6b) hos den forsta filterkomponenten (4), varvid den andra filterkomponenten (8) är dimensionerad så att det släpper igenom avgaser men inte partiklar som leds ut från den första filterkomponentens utloppsöppningar (Sb, 6b).

2. Partikelfilter enligt krav 1, kärmetecknad av att det innefattar fästorgan (10) med vilket den andra filterkomponenten (8) är lösgörbart monterbar i nämnda position.

3. Partikelfilter enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att den andra filterkomponenten (8) innefattar en matta av ett fibermaterial.

4. Partikelfilter enligt krav 3, kännetecknad av att nämnda fibermatta innehåller fibrer av kiseldioxid.

5. Partikelfilter enligt krav 3 eller 4, kännetecknad av att nämnda fibermatta innehåller en beläggning av ett material, som resulterar i en oxidationskatalys vid vilken kvävedioxid bildas, i områden där partiklama ansamlas. 15 20 535 454

6. Partikelfilter enligt något av kraven 3 till 5, kännetecknad av att det innefattar ett stödelement (9) som är anpassat att bilda ett stöd för den andra filterkomponenten (8) då det är i ett monterat tillstånd.

7. Partikelfilter enligt krav 6, kärmetecknad av att stödelementet (9) utgör en styv enhet med en struktur som innefattar genomgående hål som är anpassade att genomströmmas av avgaser som passerar genom den andra filterkomponenten (8).

8. Partikelfilter enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den första filterkomponenten (4) innefattar flera första kanaler (5) och flera andra kanaler (6) som har en parallell sträckning mellan en första ändyta (4a) och en andra ändyta (4b) av den första filterkomponenten (4).

9. Partikelfilter enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den första filterkomponenten (4) innefattar en kropp av ett poröst material.

10. Partikelfilter enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den första filterkomponenten (4) består av en kropp av ett keramiskt material eller ett sintrat material.