DE10062348A1 - Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters und Partikelfilter - Google Patents
Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters und PartikelfilterInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters sowie ein Partikelfilter vorgeschlagen, die zur Filterung von Rußpartikeln aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine dienen, wobei separate Teilbereiche des Filters nacheinander regeneriert werden. Eine periodisch durchgeführte Regeneration der verschiedenen Teilbereiche gewährleistet einen kontinuierlichen Filterbetrieb bei gleichzeitig energetisch effizienter Regeneration.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regeneration
eines Partikelfilters beziehungsweise von einem
Partikelfilter nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Aus der US 5 259 190 ist schon ein Partikelfilter bekannt,
der durch elektrische Beheizung regeneriert werden kann. Bei
diesem Filter wird im Falle der Regeneration eine
gleichmäßige Beheizung der gesamten Querschnittsfläche
erzielt, so dass alle Filterzellen gleichzeitig regeneriert
werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise das
erfindungsgemäße Partikelfilter mit den kennzeichnenden
Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den
Vorteil, dass eine sich selbst regelnde energetisch
effiziente Regeneration durch eine definierte Verteilung von
regenerierten, teilbeladenen und vollständig beladenen
Zellen des Partikelfilters gewährleistet ist. Die jeweils
maximal mit Ruß beladenen Zellen können gezündet werden und
brennen frei, die nicht vollständig beladenen sammeln
vorzugsweise Ruß, da sie wegen ihres geringeren
Strömungswiderstands von einem höheren Abgasanteil
durchströmt werden, bis auch sie voll beladen sind. Die
periodisch erfolgende Regeneration eignet sich insbesondere
für Nachrüstlösungen mechanischer Einspritzpumpen, da kein
Eingriff in das Einspritzsystem nötig ist, wie es
beispielsweise bei kraftstoffunterstützten
Regenerationsmechanismen der Fall ist. Dadurch, dass
periodisch jeweils die am meisten mit Rußpartikeln beladenen
Filterzellen regeneriert werden, wird Heizleistung gespart,
da mit Rußpartikeln beladene Filterzellen einen höheren
Strömungswiderstand aufweisen und somit relativ zu den
anderen Filterzellen von weniger Abgas durchströmt werden,
so dass weniger Energie zur thermischen Aktivierung des
Rußabbrandes bereitgestellt werden muss. Die Heizleistung
wird also zielgenau in einem jeweils genau definierten
Teilbereich und zu bestimmten Zeiten appliziert, und das
Verfahren stellt einen kontinuierlichen Filter- und
Motorbetrieb sicher.
Durch in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in
den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahren
beziehungsweise Partikelfilter möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Partikelfilter, Fig. 2 die
Querschnittsseitenansicht einer Filterzelle, Fig. 3a und b
ein Partikelfilter mit Heizelement beziehungsweise eine
Detailansicht des Heizelements, Fig. 3c eine
Heizvorrichtung mit fünf Teilbereichen sowie Fig. 4 die
Detailansicht eines alternativen Heizelements.
Fig. 1 zeigt ein Partikelfilter 1 mit einem Einlaßbereich 5
und einem Außlaßbereich 6. Das Partikelfilter besteht aus
Filterzellen 10, in denen das Abgas im Einlaßbereich 5
eindringen kann. Jede auf der Einlaßseite offene Filterzelle
10 ist an jeder ihrer Längsseiten im Einlaßbereich 5 einem
Verschlußelement 11 benachbart. Fig. 2 zeigt in einer
Querschnittsseitenansicht eine Filterzelle 10, die im
Einlaßbereich 5 offen und im Auslaßbereich 6 mittels eines
Verschlußelements 110 verschlossen ist. Auf der Einlaßseite
strömt Abgas 20 in die Filterzelle 10 ein und ist aufgrund
der Verschlußelemente gezwungen, entlang der mit dem
Bezugszeichen 30 markierten Strömungsrichtung durch die
Filterwand 25 hindurch zu treten und im Auslaßbereich 6 das
Partikelfilter zu verlassen (die Strömungsrichtung im
Auslaßbereich ist mit dem Bezugszeichen 21 versehen).
Derartige als Partikelfilter verwendete zelluläre Strukturen
sind bereits bekannt und werden aus Keramikmaterial, zum
Beispiel aus Siliziumcarbid, gefertigt. Diese Anordnung
gewährleistet, dass das im Einlaßbereich 5 eintretende Abgas
zumindest einmal eine Filterwand 25 passieren muss, an der
sich im Abgas befindliche Rußpartikel ablagern können.
Fig. 3a zeigt die Seitenansicht eines Partikelfilters 1,
der im Einlaßbereich 5 eine Heizvorrichtung 32 aufweist. Die
Heizvorrichtung 32 weist eine vordere Kontaktschicht 33 und
eine hintere Kontaktschicht 34 auf. Die Heizvorrichtung 32
ist im Einlaßbereich 5 auf das Partikelfilter aufmontiert
und weist, wie in Fig. 3b ersichtlich, Gasdurchlässe 35
auf, die dem im Einlaßbereich 5 auf das Partikelfilter
strömende Abgas Zugang zu dem im Einlaßbereich 5 offenen
Filterzellen gewähren. In Fig. 3b ist hierbei ein
Ausschnitt 320 der Heizvorrichtung in perspektivischer
Seitenansicht dargestellt. Die Heizvorrichtung deckt die
gesamte Front des Partikelfilters 1 ab, mit Ausnahme der
vorgesehenen Gasdurchlässe 35, die sich schachbrettartig
über die gesamte Querschnittsfläche des Partikelfilters
verteilen. Zwischen den Gasdurchlässen 35 sind gestrichelt
markierte und zwischen den Kontaktschichten 33 und 34
befindliche Heizelemente 36 angeordnet, die über die
Kontaktschichten mit einem elektrischen Heizstrom
beaufschlagt werden können. Hierbei sind, wie in Fig. 3c
ersichtlich, separate Teilkontakte 331 bis 335 vorgesehen,
die durch elektrisch isolierende Bereiche 339 voneinander
getrennt sind. Die Gesamtheit der Teilkontakte 331 bis 335
bildet die vordere Kontaktschicht 33. Die den Teilkontakten
zugeordneten Heizelemente, die sich zwischen dem jeweiligen
Teilkontakt und der rückwärtigen Kontaktschicht 34 befinden,
können durch Anlegen einer Spannung zwischen der hinteren
Kontaktschicht 34 und dem betreffenden Teilkontakt mit einem
Heizstrom beaufschlagt werden.
Durch das Vorsehen separater Teilkontakte wird das
Partikelfilter, auf dem die Heizvorrichtung 32 montiert ist,
in voneinander unabhängig beheizbare Teilbereiche
unterteilt. Dadurch wird es möglich, die einzelnen zu
Teilbereichen zusammengefaßten Filterzellen, die in ihrer
Gesamtheit den Partikelfilter bilden, periodisch
nacheinander zu regenerieren, indem jeder Teilbereich eine
bestimmte Zeit lang mit einem Heizstrom beaufschlagt wird,
so dass der Teilbereich sich nach der Zündung infolge der
bereitgestellten Heizenergie selbsttätig mittels einer vom
Einlaß- zum Auslaßbereich wandernden Brennzone exotherm
freibrennt. Die Teilbereich werden in einer beliebigen
jedoch festen Reihenfolge zyklisch durch Beaufschlagung
eines Heizstroms gezündet. Dadurch unterscheiden sich die
Teilbereiche des Partikelfilters in definierter Weise in
ihrem Beladungszustand. Der zuletzt regenerierte Teilbereich
enthält so gut wie keine Rußpartikel, während der maximal
beladene Teilbereich als nächster gezündet wird. Der
mittlere Beladungszustand des Partikelfilters mit
Rußpartikeln wird in bekannter Weise durch den mittleren
Abgasdifferenzdruck zwischen Einlaß- und Auslaßbereich des
Partikelfilters und dem Abgasvolumenstrom gemessen. Die
Zündfrequenz beziehungsweise die Zeitperiode für die
Regeneration wird entsprechend dem Beladungszustand, d. h.
dem Differenzdruck, eingestellt. Wenn also der
Abgasgegendruck hoch ist, wird die Zündfrequenz und somit
die "Rotationsfrequenz" des wandernden Regenerationsbereichs
erhöht. Die periodische Regeneration nutzt die Tatsache aus,
dass der Abgasvolumenstrom durch eine mit Ruß beladene Zelle
soweit sinkt, dass beim Zünden am Kopf der Zelle (in
Strömungsrichtung) die Reaktionszone in Strömungsrichtung
stabil durch die ganze Zelle wandert und nicht ausgeblasen
wird. Nach dem Zünden kann die Heizvorrichtung im
entsprechenden Teilbereich daher wieder abgeschaltet werden,
weil die Reaktion ihre Energie aus der exothermen Oxidation
der Rußpartikel gewinnt. Die Zündung erfolgt hierbei durch
eine örtliche elektrische Beheizung auf ca. 600°C, so dass
die angelagerte Rußschicht thermisch zur Oxidation angeregt
wird. Die einsetzende exotherme Reaktion frißt sich mit
einer bestimmten Geschwindigkeit durch die ganze Zelle. Die
Zündung eines Teilbereichs beansprucht hierbei typischer
Weise zwischen ein und zehn Minuten, während die
Periodendauer in Abhängigkeit des gemessenen
Abgasgegendrucks gewählt wird. Typischerweise wird der
Abgasdruck nach ca. 200 bis 500 km Fahrleistung so hoch,
dass dann eine Regeneration des betreffenden Teilbereichs
erfolgen muss. Fährt man also mit einer
Durchschnittsgeschwindigkeit von 100 km/h auf der Autobahn,
so wird jeder Teilbereich zeitlich versetzt nach ca. zwei
bis sechs Stunden regeneriert.
Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel mit fünf
Teilbereichen kann das Filter auch gröber oder feiner
unterteilt sein, z. B. in zwei bis zwanzig, insbesondere in
zwei bis zwölf Teilbereiche. Es kann alternativ auch
vorgesehen sein, jede einzelne Partikelfilterzelle separat
ansteuerbar auszugestalten. Wird das Filter beispielsweise
in zwölf Teilbereiche partitioniert, so steht für jeden
Bereich bei einer angenommenen Regenerationsperiode von
sechs Stunden eine halbe Stunde zur Verfügung. Um die
Regeneration einzuleiten, müssen die Heizelemente des
entsprechenden Teilbereichs aber nur ca. eine bis fünf
Minuten beheizt werden, weil die Exothermie des Abbrands
genügend Energie liefert.
Zur Unterstützung der Regeneration kann es jedoch
vorteilhaft sein, die Heizelemente des betreffenden
Teilbereichs während der gesamten Regeneration mit Strom zu
beaufschlagen. In einer weiteren alternativen
Ausführungsform kann eine Heizvorrichtung auch ergänzend
oder alternativ zur Einbringung im Einlaßbereich auch im
Auslaßbereich vorgesehen sein. Alternativ zur Einteilung des
Partikelfilters in separate Teilbereiche mittels separat
ansteuerbarer Heizelemente kann das Filter auch aus physisch
getrennten Elementen bestehen, die gleichmäßig mit Abgas
beströmt werden. Diese Elemente sind entweder selbst
elektrisch leitend ausgeführt, so dass über die elektrisch
leitende Keramik ein Heizstrom in Strömungsrichtung des
Abgases geleitet werden kann, oder sie sind mit einer
leistungsfähigen elektrischen Heizung (Heizspiralen)
versehen, so dass sie in der oben beschriebenen Weise
zyklisch einzeln im Fahrbetrieb regeneriert werden können.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den Ausschnitt 400 einer
alternativen Ausführungsform der Heizvorrichtung 32. Die
vordere Kontaktschicht 33 ist durch vordere Matrixreihen 40,
die hintere Kontaktschicht 34 durch hintere Matrixreihen 45
ersetzt. Die Matrixreihen sind so angeordnet, dass zwischen
ihnen die Gasdurchlässe 35 angeordnet werden können. Mit 50
beziehungsweise 55 sind die elektrischen Ansteuerschaltungen
der vorderen beziehungsweise der hinteren Matrixreihen
markiert. Der Ansteueranschluß jeweils einer vorderen
beziehungsweise hinteren Matrixreihe ist mit dem Buchstaben
A beziehungsweise B markiert. Zwischen den vorderen und den
hinteren Matrixreihen befinden sich über diese Reihen
ansteuerbare Heizelemente. Beispielsweise kann das unter dem
mit AB markierten Bereich liegende Heizelement eingeschaltet
werden, wenn sowohl am Anschluß A als auch am Anschluß B
eine solche Spannung angelegt wird, dass die zugeordneten
Transistoren durchschalten und am Heizelement eine Spannung
von ca. 12 V anliegt.
Durch die Matrixanordnung kann jede einzelne Filterzelle
angesteuert werden. Hier ist also jede einzelne Filterzelle,
die im Einlaßbereich des Filters geschlossen ist, als
separater Teilbereich zu verstehen, der, jeweils zeitlich zu
den anderen Teilbereichen versetzt, periodisch regeneriert
wird. Dabei ist dieses Heizelement analog zum
Ausführungsbeispiel der Fig. 3 mit dem Keramikfilter fest
verbunden.
Sind alle Matrixreihen auf einer Seite der Heizvorrichtung
elektrisch miteinander verbunden, so kann die
Heizvorrichtung zur zeilen- oder auch bereichsweisen
Beheizung der Filterzellen verwendet werden. In einfacher
Weise kann dies dadurch realisiert werden, dass die Keramik
des Partikelfilters elektrisch leitend ausgeführt wird und
somit das Partikelfilter selbst miteinander kurzgeschlossene
hintere Matrixreihen 45 bildet. Die Heizvorrichtung besteht
dann lediglich aus den vorderen Matrixreihen 40 sowie den
eigentlichen Heizelementen, die mit ihren den vorderen
Matrixreihen gegenüberliegenden Kontakten auf die
Filterkeramik aufmontiert werden.
Claims (15)
1. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters zur
Filterung von Rußpartikeln aus den Abgasen der
Brennkraftmaschine, insbesondere des Dieselmotors, eines
Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass separate
Teilbereiche des Filters nacheinander regeneriert werden,
wobei jeder der Teilbereiche von einem Eingangsbereich zu
einem Ausgangsbereich des Partikelfilters führt und die
Gesamtheit der Teilbereiche das Partikelfilter bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Partikelfilter in zwei bis 20, insbesondere zwei bis
zwölf Teilbereiche aufgeteilt ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche periodisch
regeneriert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Zeitperiode der Regeneration in Abhängigkeit eines
mittleren Beladungszustands des Filters gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der mittlere Beladungszustand unter Auswertung des mittleren
Abgasdifferenzdrucks zwischen dem Ein- und dem Auslaßbereich
des Partikelfilters bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration des jeweiligen
Teilbereichs durch eine Beheizung des Teilbereichs in Gang
gebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Beheizung elektrisch erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Beheizung im Eingangsbereich des Filters erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Beheizung des jeweiligen
Teilbereichs zirka ein bis zehn Minuten lang andauert.
10. Partikelfilter zur Filterung von Rußpartikeln aus den
Abgasen der Brennkraftmaschine, insbesondere des
Dieselmotors, eines Kraftfahrzeugs, mit Mitteln zur
Regeneration des Filters, dadurch gekennzeichnet, dass die
Mittel (32, 33, 34) separate Teilbereiche des Filters
nacheinander regenerieren, wobei jeder der Teilbereiche von
einem Eingangsbereich zu einem Ausgangsbereich des
Partikelfilters führt und die Gesamtheit der Teilbereiche
das Partikelfilter bilden.
11. Partikelfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass zwei bis 20, insbesondere zwei bis zwölf Teilbereiche
vorgesehen sind.
12. Partikelfilter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel die Teilbereiche periodisch
ansteuern.
13. Partikelfilter nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel für jeden Teilbereich
separat ansteuerbare Heizmittel (36) umfassen.
14. Partikelfilter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die Heizmittel elektrische Heizmittel sind.
15. Partikelfilter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel im Eingangsbereich (5) des
Filters angeordnet sind.
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