DE10044893A1

DE10044893A1 - Partikelfilter für eine Dieselbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10044893A1
Application number: DE10044893A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kahmann; Andreas Ruhnke; Thorsten Duesterdiek
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2002-03-21

Abstract

Ein Partikelfilter für ein CRT-System zur Abgasreinigung einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem in dem Abgassystem angeordneten Partikelfilter weist einen im Inneren des Filters in Längsrichtung angeordneten Bypass auf. Dabei ist die Öffnung des Bypasses an einem Ort der vorderen Stirnfläche des Partikelfilters angeordnet, der nicht oder nur gering vom partikelbehafteten Abgas angeströmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für eine Dieselbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Dieselbrennkraftmaschinen erzeugen während ihres Betriebs aufgrund der Verbrennung Partikel, vorzugsweise Rußpartikel, die im Abgas von der Dieselbrennkraftmaschine ausgestoßen werden. Um ein Freisetzen dieser Partikel in die Umwelt zu vermeiden, wird im Abgasstrom einer Dieselbrennkraftmaschine mindestens ein Partikelfilter angeordnet, der die Rußpartikel aus dem Abgasstrom herausfiltert. Aufgrund der endlichen Aufnahmekapazität eines Partikelfilters muß dieser regeneriert werden, was im allgemeinen durch eine Oxidation der Rußpartikel, das heißt durch einen Abbrand, bewirkt wird.

Es sind nun zweierlei Regenerationsarten möglich. Einerseits kann der Partikelfilter in Intervallen, das heißt von Zeit zu Zeit nach Bedarf, regeneriert werden, indem beispielsweise als Funktion des Füllungsgrades des Partikelfilters ein Abbrand der Partikel initiiert wird. Dazu muß die Temperatur im Partikelfilter auf höher als die Entzündtemperatur der Rußpartikel von ca. 550°C angehoben werden. Dies kann beispielsweise durch geeignete Motorsteuermaßnahmen, die eine Erhöhung der Abgastemperaturen bewirken, erzielt werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung einer Heizung, vorzugsweise einer elektrischen Heizung, in dem Partikelfilter, die einen Abbrand der angesammelten Rußpartikel bewirkt. Um den Abbrand der Partikel zu erleichtern, ist ferner vorgeschlagen worden, dem Kraftstoff ein entsprechendes Additiv zuzusetzen, das eine Herabsetzung der Zündtemperatur der Rußpartikel bewirkt.

Andererseits ist es möglich, einen sogenannten kontinuierlichen Abbrand der Rußpartikel im Partikelfilter zu bewirken. Derartige Systeme werden als CRT-Systeme (CRT = Continuous Regeneration Trap) bezeichnet. Im allgemeinen umfassen CRT- Systeme neben dem Partikelfilter einen diesem vorgeschalteten Oxidationskatalysator, der die von der Dieselbrennkraftmaschine erzeugten Stickoxide NOx zu NO₂ aufoxidiert, wobei das in den Partikelfilter gelangende Stickstoffdioxid NO₂ zur Verbrennung der Rußpartikel zu Kohlendioxid CO₂ verwendet wird. Dabei müssen bestimmte Randbedingungen, nämlich eine Abgastemperatur von höher als 300°C und ein Massenverhältnis von NO₂ zu Partikel von größer als 8 eingehalten werden. Bei Abweichungen von diesen Randbedingungen muß der Partikelfilter des CRT-Systems durch eine entsprechende Maßnahme, beispielsweise Erhöhen der Temperatur bei gleichzeitigem Sauerstoffüberangebot, zwangsregeneriert werden, da er sonst aufgrund des Zusetzen mit Rußpartikeln blockiert.

Bei einer Zwangsregeneration des Partikelfilters, beispielsweise bei den diskontinuierlichen Verfahren, wird während der Regeneration das Abgas zur Vermeidung einer Überhitzung des Partikelfilters um den Partikelfilter durch einen Bypass geführt.

So ist aus der JP-A-61223215 ein im Abgasstrom angeordneter Partikelfilter bekannt, der zwei Bypassleitungen zur Umgehung des Partikelfilters aufweist. Ferner sind in dem System durch Steilglieder betätigbare Regelklappen angeordnet, die die Bypassleitungen entsprechend dem Betriebsmodus öffnen oder schließen, um das Abgas entsprechend durch den Partikelfilter oder die Bypassleitungen zu leiten.

Aus der DE-A-39 00 532 ist eine Abgasemissionsregelvorrichtung mit einem Partikelfilter und einem Bypass bekannt, wobei entsprechende Regelklappen hinter dem Bypass und vor dem Filter angeordnet sind, um den Abgasstrom je nach Betriebsmodus durch den Filter bzw. durch den Bypass zu führen. Auch hier werden die Regelklappen durch Stellglieder angetrieben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter für ein CRT-System einer Dieselbrennkraftmaschine zu schaffen, bei dem eine Zwangsregeneration nicht notwendig ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale eines Partikelfilters nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist der Bypass direkt im Innern dem Partikelfilter angeordnet, wobei der Eintritt in den Bypass in einem Gebiet der Stirnfläche des Filters liegt, das im normalen Betrieb nur sehr gering oder gar nicht angeströmt wird. Beispielsweise sind diese gering angeströmten Gebiete bei einer Anströmung der vorderen Stirnfläche des Partikelfilters und der Verwendung eines symmetrischen Anströmtrichters äußere Gebiete oder Randbereiche der vorderen Stirnfläche des Partikelfilters. Bei anderen Anströmtrichtern sind dies Gebiete außerhalb der Kernströmung. Es ist auch möglich, entsprechende Maßnahmen im Anströmtrichter zu ergreifen, beispielsweise durch Anbringen eines Ablenkbleches oder dergleichen, so daß die Eintrittsöffnung des Bypasses quasi im Windschatten liegt und die Strömung des anströmenden Abgases im Normalbetrieb von der Bypass-Öffnung ferngehalten wird.

Arbeitet der Partikelfilter eines CRT-Systems unter den entsprechenden Bedingungen für eine kontinuierliche Regeneration im CRT-Bereich, so ist der Gegendruck im Partikelfilter niedrig, das Abgas durchströmt im Kernstrom den Filter und tritt aus diesem mit einer stark verringerten Partikelanzahl wieder aus. Dabei liegt die Partikelreduzierung bei ca. 90%. Der Bypass wird in diesem Fall, da er in einem nicht angeströmten Bereich liegt, nicht durchströmt. Im Fall, daß das System nicht im CRT-Bereich arbeitet, erhöht sich aufgrund der Partikelakkumulation im Kernbereich des Partikelfilters der Gegendruck gegenüber dem anströmenden Abgas. Durch den dadurch entstehenden Rückstau vor der Eintrittsoberfläche des Partikelfilters wird nun auch der Bypass im früher strömungsarmen Gebiet aufgrund seines geringen Gegendrucks wirksam. Ein Teil des Abgases durchläuft daher den Bypass und strömt hinter dem Partikelfilter ungefiltert wieder aus. Die Partikelreduzierung des Filters kann sich dadurch während des Überlaufs auf bis zu 60% verschlechtern, aber es kann zu keiner Filterblockade kommen. Der Bypass im Partikelfilter kommt bei Fahrzuständen zum Einsatz, die zu einer überdurchschnittlichen Abgasgegendruckerhöhung führen, beispielsweise bei langsamen Stadtverkehr.

Als Partikelfilter können Wabenkörper verwendet werden, beispielsweise SiC-Filter oder Keramikmonolithfilter, mit wechselseitig verschlossenen Kanäle. Da der Verschluß der Kanäle als einer der letzten Schritte bei der Herstellung eines Filters durchgeführt wird, kann der Bypass hergestellt werden, indem in einem strömungsarmen Abschnitt des Filters die Verstopfung oder der Verschluß der durchgängigen Kanäle nicht aufgebracht wird. Bei handelsüblichen SiC-Segmenten hat der Bypass die rechteckige Form eines Segments, das 9 × 9 Zellen aufweist. Vorzugsweise beträgt Fläche der Eintrittsöffnung des Bypasses 1 bis 5% der gesamten vorderen Stirnfläche bzw. Eintrittsfläche des Filters. Die Form des Partikelfilters ist vorzugsweise rund, oval oder trioval, wobei sich die äußere Form nach den Begebenheiten der Einbauumgebung richtet.

Vorzugsweise kann der Partikelfilter mit integriertem Bypass als Bausatz hinter einem Serienkatalysator oder einschließlich eines verbesserten Katalysators als Nachrüstsatz unter jedes geeignete Fahrzeug gebaut werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines Partikelfilters für ein CRT-System mit integriertem Bypass wird nachfolgend anhand einer Figur erläutert, wobei der obere Teil der Figur den Bypass im Normalbetrieb, und der untere Teil der Figur das Verhalten des Bypasses bei außergewöhnlichen Fahrzuständen zeigt, die zu einer Erhöhung des Gegendrucks führen.

Die Figur zeigt im oberen Teil einen durch einen Monolithen 1 gebildeten Partikelfilter, dessen vordere Stirnfläche 2 von mit Partikel behaftetem Abgas 3 angeströmt wird. Aufgrund der Strömungsbedingungen, die beispielsweise durch die geometrische Ausgestaltung des Anströmtrichters des nicht dargestellten Gehäuses hervorgerufen werden, ergibt sich eine Anströmung der vorderen Stirnfläche in der Form eines symbolisch dargestellten Kernstroms 4. Gereinigtes Abgas 5 verläßt den Monolithen 1 an seiner hinteren Stirnfläche 10. Ferner weist der Monolith 1 einen im Monolithen 1 integrierten Bypass 6 auf, dessen Eintrittsöffnung 7 in der vorderen Stirnfläche 2 des Monolithen 1 in einem strömungsarmen oder strömungsfreien Gebiet angeordnet ist. Dieses wird symbolisch durch den Kernstrom 4 dargestellt, der die Eintrittsöffnung 7 des Bypasses 6 nicht anströmt. In der dargestellten Weise arbeitet der Partikelfilter im CRT- Bereich bei einem niedrigen Gegendruck im Kernstrom 4 des Monolithen 1.

Der untere Teil der Figur zeigt das System bei hohem Gegendruck im Kernstrom 4 des Monolithen 1, wobei der überdurchschnittlich erhöhte Abgasgegendruck im Monolithen durch den Fahrzustand des Kraftfahrzeugs bedingt ist. Aufgrund des Gegendrucks im Monolithen 1 verändert sich das Strömungsfeld vor der vorderen Stirnfläche 2 des Monolithen 1 und es kommt zu einem Rückstau. Aufgrund dieses Rückstaus in der Kernstromzone 4 gelangt partikelbehaftetes Abgas 8 in der Form eines Seitenstroms zur Eintrittsöffnung 7 des den Monolithen in Längsrichtung durchziehenden Bypasses 6. Der partikelbehaftete Abgasseitenstrom 8 durchtritt den Bypass und tritt als ungereinigte Abgasbestandteile 9 aus dem Monolithen 1 aus. Somit kann sich zwar die Partikelreduzierung während des Überlaufs auf bis zu 60% im Vergleich zur normalen 90%igen Filterung verschlechtern, aber es kann zu keiner Filterblockade kommen. Liegen motorseitig anschließend wieder CRT-Bedingungen vor, so erniedrigt sich der Gegendruck im Kernbereich 4 aufgrund der dann wieder stattfindenden Oxidation der Partikel wieder, so daß das System nach einiger Zeit wieder in den im oberen Teil der Figur dargestellten Zustand übergeht.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Monolith

2

Vordere Stirnfläche (Eintrittsfläche)

3

Partikelbehaftetes Abgas

4

Kernstrom

5

Gefiltertes Abgas

6

Bypass

7

Eintrittsöffnung

8

Partikelbehafteter Abgasseitenstrom

9

Ungereinigtes Abgas nach Filterung

10

Hintere Stirnfläche

Claims

1. Partikelfilter für ein CRT-System zur Abgasreinigung einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem in dem Abgassystem angeordneten Partikelfilter (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (1) ein in seinem Inneren in Längsrichtung angeordneten Bypass (6) aufweist.

2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (7) des Bypasses (6) an einem Ort der vorderen Stirnfläche (2) des Partikelfilters (1) angeordnet ist, der nicht oder nur gering vom partikelbehafteten Abgas (3) angeströmt wird.

3. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (1) durch einen Wabenkörper gebildet wird.

4. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (1) durch einen Monolithen gebildet wird.

5. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter wechselseitig verschlossene Kanäle aufweist.

6. Partikelfilter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (1) ein Keramik-Monolith ist.

7. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (6) durch eine Anzahl nicht verschlossener Kanäle gebildet wird.

8. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem durch eine Anzahl von Segmenten gebildeten Partikelfilter (1) der Bypass (6) durch ein Segment mit nicht verschlossenen Kanälen gebildet wird.

9. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Eintrittsöffnung (7) des Bypasses (6) 1%-5% der Eintrittsfläche (2) des Filters beträgt.