DE102005040919A1

DE102005040919A1 - Partikelfilter mit Einrichtung zur Vermeidung der Filterverblockung

Info

Publication number: DE102005040919A1
Application number: DE102005040919A
Authority: DE
Inventors: Ralf Wirth; Manfred DÜRNHOLZ; Carsten Becker; Heinrich Duetsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-08
Also published as: WO2007025959A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Partikelfilter, insbesondere für Abgas einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine mit einem Innenrohr (12) und mit einem Flansch (14) mit Befestigungsöffnungen (16). Es ist ein Filterkörper (30) mit Strömungskanälen (38) vorgesehen, der vom Abgas in Längsrichtung (42) durchströmt wird. Der Filterkörper (30) enthält im Außenumfangsbereich eine Bypass-Schicht (46) mit Strömungskanälen (38).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Partikelfilter, insbesondere einen Partikelfilter für Abgas von selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen, der mit einer Einrichtung zur Vermeidung der Filterverblockung ausgerüstet ist.

Aus dem Stand der Technik sind Nachrüstlösungen für Partikelfilter, insbesondere für Dieselpartikelfilter im Kraftfahrzeugbereich bekannt. Diese Systeme können zum Beispiel als CRT^®-Systeme (CRT^® continuously regenerating trap) ausgebildet werden, die bereits bei Omnibussen im öffentlichen Nahverkehr eingesetzt werden. Diese CRT^®-Systeme werden nicht aktiv regeneriert, sondern werden kontinuierlich über den passiven NO₂-Effekt regeneriert. Demgegenüber würde eine aktive Regenerierung bedeuten, dass im Motorsteuergerät abgastemperatursteigernde Maßnahmen ausgelöst würden.

Bei kontinuierlich den passiven NO₂-Effekt nutzenden Systemen, werden die Fahrzeuge überwiegend im Betriebsbereich mit Abgastemperaturen zwischen 250°C bis 450°C betrieben. Sind die Temperaturen niedriger, was zum Beispiel im Stadtverkehr auftretenden häufigen Stop- and Go-Verkehr an der Tagesordnung ist, verblockt der Partikelfilter mit Ruß, so dass das Fahrzeug nicht mehr bewegt werden kann.

Alternativ zu den CRT^®-Systemen werden heute Rußfilterkats (Twin-Tec oder City-Filter) eingesetzt. Bei beiden Lösungen wird dem partikelbeladenen Abgas von selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen – im Gegensatz zum CRT^®-System – ein Bypass angeboten, durch welchen das rußbeladene Abgas ungehindert nach außen strömen kann. Daher können diese einen Bypass für das partikelbeladene Abgas darstellenden Systeme unter ungünstigen Randbedingungen, wie sie zum Beispiel im Stadtverkehr auftreten, bei entsprechender Auslegung nicht durch Rußpartikel verblockt werden. Damit liegen die Systemkosten erheblich niedriger, da ein Regenerationsmanagement entfällt.

Diese Systeme mit einem Bypass für das partikelbeladene Abgas weisen jedoch den Nachteil auf, dass aufgrund des Querschnittes des Bypasses der Filterabscheidegrad solcher Partikelfilter erheblich niedriger liegt.

Sowohl das CRT^®-System als auch das oben geschilderte Bypass-System werden über den NO₂-Effekt regeneriert. Ein Rußabbrand über O₂ erfordert Temperaturen die oberhalb von 600°C liegen und lässt sich insbesondere bei einer Unterfluranordnung eines Partikelfilters wie zum Beispiel eines Dieselpartikelfilters an einem Kraftfahrzeug nur nahe des Volllastbetriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine realisieren.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Partikelfilter bereitzustellen, der eine Bypass-Möglichkeit für das partikelbeladene Abgas aufweist, welche einen regenerativen Rußabbrand nicht oder nur unwesentlich beeinflusst.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Partikelfilter derart auszubilden, dass der im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildete Partikelfilter in seinem Außenumfangsbereich in ringförmig verlaufende aus Strömungskanälen gebildete Bypass-Fläche aufweist, welcher die der Filterung des partikelbeladenen Abgasstromes dienenden Filterkanäle ringförmig umschließt.

Diese Lösung kann eine Verblockung eines Partikelfilters, wie zum Beispiel eines Partikelfilters für Abgas selbstzündender Verbrennungskraftmaschine im Stadtverkehr, wo es zu häufigen Stop- and Go-Situationen kommt, vermeiden. Dem Abgas wird ein Bypass zur Verfügung gestellt, wodurch dieses den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Partikelfilter durchströmen kann, ohne einen im Bereich höherer Temperaturen stattfindenden Rußabbrand, sei es durch O₂ oder sei es durch NO₂, zu behindern.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bypass-Schicht, welche insbesondere an einem austauschbaren Partikelfilter für Kfz-Nachrüstungen eingesetzt werden kann, liegt in einem hinsichtlich der auftretenden Prozesstemperaturen kälteren Bereich des Partikelfilters. Die Bypass-Schicht, über welche partikelbeladenes Abgas, das Innere des Partikelfilters nicht beeinträchtigend, durch den Partikelfilter geleitet werden kann, strömt in einen hinsichtlich der auftretenden Temperaturen, kälteren Bereich des Partikelfilters. Die im Inneren des Partikelfilters herrschenden, höheren Prozesstemperaturen, die zwischen 300°C bis 450°C liegen, ermöglichen den Rußabbrand im inneren Bereich des Partikelfilters.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten, Partikeltaschen aufweisenden Partikelfilters,
2 eine Draufsicht auf einen aus einem Canning entnommenen keramischen Filtereinsatz eines Partikelfilters und
3 eine vergrößerte Darstellung eines Strömungskanäle aufweisenden Partikelkörpers mit Strömungskanälen, die die Bypass-Schicht bilden und Strömungskanälen, die die Filterschicht bilden.
In der Darstellung gemäß 1 ist ein Partikelfilter 10 zu entnehmen, wie er insbesondere zur Nachrüstung von Omnibussen im öffentlichen Personennahverkehr eingesetzt wird. Der in 1 in schematischer Ansicht wiedergegebene Partikelfilter 10 umfasst ein Innenrohr 12, welches in axiale Richtung durch den Partikelfilter 10 verläuft. An einer Seite des Partikelfilters 10 ist ein Flansch 14 aufgenommen, der eine Anzahl von Bohrungen 16 zur Befestigung des Partikelfilters 10 im Abgastrakt einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine aufweist. Aus der perspektivischen Ansicht gemäß 1 geht hervor, dass am Innenrohr 12 des Partikelfilters 10 in Umfangsrichtung eine Vielzahl von Filtertaschen 18 nebeneinander liegend angeordnet sind. In der Anströmebene des Partikelfilters 10 liegend sind eine Vielzahl von Fügenähten 22 wiedergegeben, mit denen die Partikeltaschen 18 wechselseitig miteinander verbunden sind. Die Längserstreckung des Partikelfilters 10, des Innenrohrs 12 und der Filtertaschen 18 ist durch Bezugszeichen 20 kenntlich gemacht.
Bei dem in 1 dargestellten Partikelfilter liegt ein Abströmrohr koaxial zum Innenrohr 12 gemäß 1 und damit an einer Stelle innerhalb des Partikelfilters 10, an welchem die höchsten Prozesstemperaturen auftreten. Damit weist der in 1 dargestellte Partikelfilter 10 den gravierenden Nachteil auf dass der partikelbeladene Abgasstrom den Partikelfilter 10 an einer Bypass-Stelle verlässt, nämlich dem Abströmrohr, wo jedoch hin sichtlich der Temperatur optimale Bedingungen für einen Rußabbrand durch O₂ oder NO₂ herrschen.
Der Darstellung gemäß 2 ist eine Draufsicht auf einen keramischen Wabenkörper 30 zu entnehmen, dessen Anströmseite 36 von einem partikelbeladenen Gasstrom angeströmt wird. Die Längserstreckung des Wabenkörpers 30 gemäß der 2 ist durch Bezugszeichen 42 kenntlich gemacht. Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass der keramische Wabenkörper 30 von einer Zwischenschicht 44 umgeben ist. An den Enden der Zwischenschicht 44, im Bereich der Stirnseiten des keramischen Wabenkörpers 30, sind Strömungskanäle 38 der Bypass-Schicht 46 freigelegt, welche diejenigen der Strömungskanäle 38 überdecken, die weiter im Zentrum des keramischen Wabenkörpers 30 liegen.
3 zeigt in vergrößerter Darsicht einen Ausschnitt eines Kreisviertels eines keramischen Wabenkörpers 30, wie er in 2 in der Draufsicht wiedergegeben ist.
Aus der Darstellung gemäß 3 geht hervor, dass der keramische Wabenkörper 30 eine Filtermantelfläche 32 aufweist. In seinem Außenbereich 34 umfasst der keramische Wabenkörper 30 – der im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist – eine Bypass-Schicht 46. In Bezug auf die Symmetrieachse des keramischen Wabenkörpers 30 gemäß der Darstellung in 3 hat die Bypass-Schicht 46 einen Außendurchmesser d₂, welche dem Innendurchmesser der Filtermantelfläche 32 entspricht. Ebenfalls konzentrisch zur Symmetrieachse umfasst der keramische Wabenkörper 30 eine Anzahl von Strömungskanälen 38, die sich in die Zeichenebene erstrecken, welche eine Filterschicht 48 bilden. Die Filterschicht 48 hat in Bezug auf die Symmetrieachse des keramischen Wabenkörpers 30 des Partikelfilters 10 einen Außendurchmesser d₁. Die Hälfte der Differenz zwischen dem Durchmesser d₂ der Filtermantelfläche 32 und dem Außendurchmesser d₁ der Filterschicht 48 definiert die Dicke der Bypass-Schicht 46 ((d₂ – d₁)/2). Die ebenfalls Strömungskanäle 38 aufweisende Bypass-Schicht 46 umfasst Strömungskanäle 38, die ohne Strömungshindernis, d.h. ohne Stopfen (Plugs) ausgebildet sind. Dadurch ist der Strömungswiderstand in den Strömungskanälen 38 innerhalb der Bypass-Schicht 46 wesentlich geringer als der Strömungswiderstand innerhalb der durch die Strömungskanäle gebildeten Filterschicht 48. Die Strömungskanäle 38, die innerhalb der Filterschicht 48 liegen, sind wechselseitig mit Plugs oder Stopfen verschlossen, so dass das partikelbeladene Abgas gezwungen ist, durch die Kanalwände 40 der Strömungskanäle 38 zu penetrieren. Dabei lagern sich die im partikelbeladenen Abgas enthaltenen Partikel in diesen Kanalwänden 40 ab.
Entsprechend der Durchmesserdifferenz zwischen dem Durchmesser d₂ der Filtermantelfläche 32 abzüglich des Durchmessers d₁ der Filterschicht 48 ergibt sich eine Bypass-Schicht 46 aus Strömungskanälen 38, aus denen die Stopfen bzw. die Plugs entfernt sind.
Die Bypass-Schicht 46 erstreckt sich in vorteilhafter Weise am Außenumfang eines keramischen Wabenkörpers 30 und ist von der Filtermantelfläche 32 umschlossen. In diesem Bereich herrschen in Bezug auf die Temperatur im Inneren des Partikelfilters 10, kältere Temperaturen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, eine Bypass-Schicht 46 an der Außenmantelfläche eines keramischen Wabenkörpers 30 eines Partikelkörpers 10 zu schaffen, wird der Rußabbrand im Inneren, d.h. im Bereich des Innenrohrs 12 des Partikelfilters 10 nicht beeinträchtigt. Damit ist eine Bypass-Möglichkeit für das partikelbeladene Abgas geschaffen, zur Vermeidung der Verblockung eines Partikelfilters 10, welche in Bezug auf den Partikelfilter 10 dort liegt, wo dessen Temperaturen am kältesten sind.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird gewährleistet, dass der Rußabbrand im Bereich des Innenrohres 12, welches den Partikelfilter 10 in axiale Richtung entlang seiner Längserstreckung 42 durchzieht, nicht durch eine Verblockung der Strömungskanäle 38 verhindernden in Form einer Bypass-Schicht 46 ausgebildeten Bypass-Kanal beeinträchtigt wird. Durch die im Inneren des Partikelfilters 10 auch weiterhin herrschenden Temperaturen zwischen 250°C und 450°C ist ein kontinuierlicher Rußabbrand im Inneren des Partikelfilters 10 gewährleistet, der durch die Bypass-Schicht 46 nicht beeinträchtigt wird.

Claims

Partikelfilter, insbesondere für Abgase einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, mit einem Filterkörper (30) mit Strömungskanälen (38), der vom Abgas in Längsrichtung (20) durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (30) im Außenumfangsbereich eine Bypass-Schicht (46) mit Strömungskanälen (38) enthält.
Partikelfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (30) ein keramischer Wabenkörper ist.
Partikelfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (30) eine Filterschicht (48) mit wechselseitig verschlossenen Strömungskanälen (38) enthält, die von der Bypass-Schicht (46) umschlossen ist.
Partikelfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Schicht (46) in einem Durchmesser d₂ ausgeführt ist, der einem Innendurchmesser einer Filtermantelfläche (32) entspricht.
Partikelfilter gemäß der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht (48) in einem Durchmesser d₁ ausgeführt ist, der geringer ist, als der Durchmesser d₂ der Bypass-Schicht (46).
Partikelfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (38) der Bypass-Schicht (46) vom Abgas frei durchströmbar sind.
Partikelfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (30) an einem sich durch den Partikelfilter erstreckenden Innenrohr (12) aufgenommen ist.
Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Flansch (14) mit Befestigungsöffnungen (16) aufweist.
Filterkörper zur Filterung von Abgasen, insbesondere einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, mit Strömungskanälen (38), wobei der Filterkörper vom Abgas in Längsrichtung (20) durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (30) im Außenumfangsbereich eine Bypass-Schicht (46) mit Strömungskanälen (38) enthält.