DE10062348A1 - Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters und Partikelfilter - Google Patents

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

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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.