DE19701684A1 - Partikelfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Partikelfilter, das im Abgasstrom einer Die­ selbrennkraftmaschine angeordnet ist und ein Verfahren zum voll­ ständigen Regenerieren desselben.

Partikelfilter dienen zum Abscheiden von Rußpartikeln aus dem Ab­ gas von Dieselbrennkraftmaschinen. Mit wachsender Dicke des Parti­ kelbelags steigt der Abgasdruck vor dem Partikelfilter an. Ist ein be­ stimmtes Druckniveau erreicht, wird das Partikelfilter durch Abbren­ nen des Partikelbelags regeneriert. Dies geschieht üblicherweise durch Abgas von bestimmtem Druck und bestimmter Temperatur, das von der Dieselbrennkraftmaschine und von einem im Hauptstrom der Abgasleitung angeordneten Brenner geliefert wird.

In der EP-0 507 116 B1 wird für ein Partikelfilter mit Filterkerzen, die aus einem mit Filtermaterial belegten Tragrohr bestehen, vorgeschla­ gen, den beladungsunabhängigen Strömungswiderstand der Filterker­ zen über deren Länge unterschiedlich zu gestalten. Als Mittel dazu dient eine unterschiedliche Dicke des Filtermaterials, die durch koni­ sche Tragrohre bei zylindrischer Außenform der Filterkerzen verwirk­ licht wird. Die größere Dicke des Filtermaterials ist den bei der Re­ generation bevorzugten Partien der Filterkerzen zugeordnet, während die benachteiligten Partien einen geringeren Strömungswiderstand durch entsprechend geringere Dicke des Filtermaterials aufweisen, wodurch die Durchströmung mit heißen Regenerationsgas gefördert wird. Diese Lösung setzt voraus, daß die Regeneration immer in der geplanten Weise abläuft. Der komplexen Form des Temperatur- und Strömungsfelds in einem solchen Partikelfilter kann aber der vorlie­ genden Verteilung des Strömungswiderstands über die Oberfläche der Filterkerzen nicht gerecht werden. So wird es auch bei dieser Lö­ sung bevorzugte Regenerationsflächen mit geringem Strömungswi­ derstand geben, die eine vollständige Regeneration auch dieses Par­ tikelfilters verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Partikelfilter zu schaf­ fen, dessen Partikelbelag bei jeder Regeneration vollständig abge­ brannt wird.

Der nachfolgend vorgestellten Lösung dieser Aufgabe liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, daß eine für die Regenerierbarkeit eines Filters wichtige Kenngröße der Druckverlust Δρp_o des vollständig unbe­ ladenen Filters ist.

Beim Beladungsvorgang nach einer Regeneration ist Δρ_o bedeutungs­ los und iA. auch nicht meßbar, da bereits eine sehr geringe Anfangs­ beladung den Filterwiderstand deutlich erhöhen kann. Der Druckver­ lust Δρ_o im Reinzustand eines Filtermediums bzw. eines damit kon­ struierten Filters ist daher nur beim Durchströmen des Filters mit par­ tikelfreiem Meßgas bestimmbar.

Die außerordentliche Bedeutung von Δρ_o für den Verlauf einer Rege­ neration erkennt man an folgendem Rechenbeispiel:

Betrachtet werde ein flächenförmiges Filter der Oberfläche A, das normal zu dieser Oberfläche mit einer Geschwindigkeit ν durchströmt wird. Das Filter sei im Anfangszustand gleichmäßig beladen. Laminare Strömung und ein konstanter Betriebspunkt vorausgesetzt, kann man dann einen "Filterwiderstand" R₁ definieren:

Δρ = R₁.ν

für das vollständig unbeladene Filter definiert man genauso den Fil­ terwiderstand R₀:

Δρ_o = R₀.ν.

Betrachtet man nun ein Filter, bei dem eine Teilfläche A₀ bereits vollständig regeneriert ist, während die restliche Filterfläche A₁ = A- A₀ noch gleichmäßig beladen ist, so findet man aus der Bedingung für konstanten Druckverlust über die Teilflächen des Filters:

R₀.ν = R₁.ν₁.

Für den Anteil des Gesamtvolumenstroms, der durch die regenerierte Filterfläche A₀, also V₀ = ν₀.A₀ fließt, findet man dann:

Daraus leitet sich folgende wichtige Erkenntnis ab:

Ist ein Filter auf einer nicht verschwindend kleinen Teilfläche bereits vollständig regeneriert, während es anderswo noch beladen ist, so kommt es zu einer signifikanten Umverteilung des Gesamtvolumen­ stroms, falls der Strömungswiderstand des regenerierten Filtermate­ rials sehr niedrig ist. Theoretisch geht im Fall R₀ = 0 der Gesamtvo­ lumenstrom dann durch die regenerierte Teilfläche. Dadurch sinkt der Abgasdruck vor dem Partikelfilter auf Null.

In einem solchen Fall wird es zunehmend schwerer oder ganz un­ möglich, die noch nicht regenerierten Teilflächen freizubrennen.

Da es praktisch in jedem Partikelfilter Bereiche gibt, die bei der Re­ generation durch Örtliche Unterschiede des Temperatur- und Strö­ mungsfeldes bevorzugt sind, also vorzeitig freigebrannt werden, ist eine Begrenzung der dann auftretenden Umverteilung der Regenera­ tionsgasströmung von großer Bedeutung für die Regenerierbarkeit eines Partikelfilters.

Ein nur teilweise regeneriertes Partikelfilter führt zur Verkürzung der Beladungsphase und dadurch zu einer unerwünschten Vermehrung der Regenerationszyklen sowie zur möglichen Überladung der nicht vollständig regenerierten Filterflächen mit der Gefahr der Zerstörung bei einer der folgenden Regenerationen.

Die gestellte Aufgabe wird nun dadurch gelöst, daß der Abgasdruck vor dem Partikelfilter während der Regeneration auf einem zum voll­ ständigen Abbrand der Partikel erforderlichen Wert gehalten wird. Es ist zwar bekannt, daß die Regeneration von Partikelfiltern durch eine Druck- und Temperaturerhöhung des Abgases eingeleitet wird, jedoch sinkt der Abgasdruck nach Freibrennen einer Teilfläche des üblichen Partikelfilters so stark ab, daß die Regeneration bald zum Erliegen kommt. Demgegenüber bleibt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der zum Abbrennen des Partikelbelages erforderliche Abgasdruck bis zum Abschluß der Regeneration erhalten.

Bei einem Partikelfilter zum Abscheiden von Rußpartikeln aus dem Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine, wobei das Partikelfilter in Ab­ hängigkeit von Betriebskenngrößen durch Abbrennen der Rußpartikel regenerierbar ist, wird eine vollständige Regeneration dadurch er­ reicht, daß der beladungsunabhängige Strömungswiderstand eines Filteraggregats über dessen gesamten Strömungsquerschnitt minde­ stens 5% vom Strömungswiderstandes des beladenen Partikelfilters an dessen Regenerationsschwelle beträgt. Dieser im gesamten Parti­ kelfilter wirksame beladungsunabhängige Strömungswiderstand be­ wirkt, daß bei der Regeneration auch die letzten noch vorhandenen Flächen mit Partikelbelag vom Abgas durchströmt und dadurch frei­ gebrannt werden. Auf diese Weise wird eine zu starke Bypaßströ­ mung durch die zuerst regenerierten Flächen des Partikelfilters und der damit verbundene Druckabfall des Regenerationsgases vermie­ den. Dabei spielt die Lage der zuerst regenerierten Fläche keine Rolle, da der beladungsunabhängige Strömungswiderstand des ge­ samten Partikelfilters angehoben ist.

Die dazu erforderliche Höhe des beladungsunabhängigen Strö­ mungswiderstands des Partikelfilters, der z. B. bis 10% des Strö­ mungswiderstands an der Regenerationsschwelle betragen kann, ist ein Kompromiß zwischen niedrigem Kraftstoffverbrauch der Diesel­ brennkraftmaschine und sicherer Regeneration des Partikelfilters.

In weiteren Ausbildungen der Erfindung sind Maßnahmen zur Erhö­ hung des beladungsunabhängigen Strömungswiderstands beschrie­ ben. Wenn als Filtermedium feste Wände aus porösem, hitzebestän­ digem Material vorgesehen sind, ist deren Strömungswiderstand durch deren Wandstärke, Porösität und Grad der Oberflächenversie­ gelung beeinflußbar. Wenn als Filtermedium gewickelte oder ge­ strickte Strukturen aus hitzebeständigen Fasern auf einem Trägerkör­ per angeordnet sind, ist der Strömungswiderstand durch die Dicke und Dichte der Strukturen und/oder durch Wandstärke, Porösität und Grad der Oberflächenversiegelung des Trägerkörpers beeinflußbar.

Bei konventionell ausgelegten Filtern bietet sich eine Lösung an, bei der unmittelbar vor oder hinter dem Partikelfilter, das vorzugsweise als Wabenfilter ausgebildet ist, ein Widerstandskörper vom Durch­ messer des Wabenfilters angeordnet ist, dessen Strömungswider­ stand über seinem Querschnitt gleichmäßig, jedoch höher als der beladungsunabhängige Strömungswiderstand des Partikelfilters ist. Auf diese Weise können kostengünstige Serienfilter nachgerüstet werden. Außerdem kann der Gegendruck unterschiedlichen Verhält­ nissen durch entsprechende Auslegung des Widerstandskörpers an­ gepaßt werden.

Außerdem besteht die Möglichkeit, daß der Widerstandskörper aus dem Abgasstrom reversibel entfernbar ist. Dadurch läßt sich eine kompromißlose Auslegung des Strömungswiderstands des Wider­ standskörpers erreichen. Dieser kann, da er nur beim Regenerieren wirksam ist, hoch gewählt werden, ohne den Kraftstoffverbrauch der Dieselbrennkraftmaschine im Normal betrieb zu erhöhen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß bei einer stationären Regenerationsvorrichtung für Wechselfilter der Wi­ derstandskörper in der stationären Regeneriervorrichtung angeordnet ist und damit für eine beliebige Anzahl von Wechselfiltern nur einmal erforderlich ist.

Während der beladungsunabhängige Strömungswiderstand des Wechselfilters die übliche geringe Höhe aufweist, kann entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung der Strömungswiderstand des sta­ tionären Widerstandskörpers im Bereich des Strömungswiderstands des beladenen Wechselfilters liegen. Dadurch ist eine vollständige und rasche Regeneration des Wechselfilters möglich.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Strömungskanäle der Widerstandskörper laminare Strömungen auf­ weisen. Damit läßt sich erreichen, daß die gewünschte Beeinflussung der Strömungsverteilung im Filter, das selbst ebenfalls überwiegend laminar durchströmt wird, weitgehend unabhängig von der Größe der anderen Einflußparameter, wie Massenstrom, Temperatur, Viskosität, bleibt. Selbst im Fall von Regenerationsverfahren mit sehr geringem Gasdurchsatz, z. B. "Nebenstromregeneration", ist so der gewünschte Effekt erreichbar, ohne daß es zu unerwünscht großer Druckerhöhung im Beladungsbetrieb kommt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be­ schreibung und der Zeichnung, in der eine Ausführung der Erfindung schematisch dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 Längsschnitt durch ein Filteraggregat,

Fig. 2 Längsschnitt durch eine stationäre Regeneriervorrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Filteraggregat 1 mit einem Filtergehäuse 2, in dem ein Partikelfilter 3 mit einem nach- oder vorgeschalteten Widerstands­ körper 4 angeordnet sind. In dem Vorraum 5 mit einem Abgaseinlaß 6 für das Abgas der Dieselbrennkraftmaschine ist ein Brenner 7 zum Aufheizen desselben vorgesehen. Das gereinigte Abgas verläßt das Filtergehäuse 2 durch einen Abgasauslaß 8.

Das Partikelfilter 3 ist als Wickelfilter mit Filterkerzen oder - vorzugsweise - als Wabenfilter ausgebildet. In einer Ausführung ohne Widerstandskörper 4 weist das Partikelfilter einen beladungsunabhängigen Strömungswider­ stand von 5% bis 10% des Strömungswiderstands an der Regenerations­ schwelle auf, wodurch ein für die Regeneration erforderlicher Gasdruck während der gesamten Regeneration sichergestellt ist.

Bei Verwendung eines Widerstandskörpers 4 mit vergleichbarem Strö­ mungswiderstand, kommt ein handelsübliches Partikelfilter mit ca. 1% be­ ladungsunabhängigem Strömungswiderstand zum Einsatz. Die Wider­ standskörper 4 sind unmittelbar nach oder vor dem Partikelfilter 3 angeord­ net. Dadurch ist eine gleichmäßige Strömungsverteilung über den Quer­ schnitt des Partikelfilters 3 sichergestellt. Der Strömungswiderstand der Widerstandskörper 4 kann entsprechend den jeweiligen Einbaubedin­ gungen gewählt werden.

Es ist denkbar, die Widerstandskörper 4 aus dem Abgasstrom entfernbar zu gestalten. Dadurch ist deren Auslegung mit einem Strömungswiderstand im Bereich dessen an der Regenerationsschwelle möglich, was eine rasche und vollständige Regeneration garantiert, ohne Nachteile bezüglich Kraft­ stoffverbrauch im Normalbetrieb der Dieselbrennkraftmaschine in Kauf nehmen zu müssen.

Fig. 2 zeigt eine stationäre Regeneriervorrichtung 9. In deren Gehäuse 10 ist ein stationärer Widerstandskörper 11 und eine Vorkammer 12 angeord­ net, in die ein Regeneriergasgenerator 13 mündet. Dieser besteht im we­ sentlichen aus einem Luftgebläse und einer elektrischen Heizung.

An der stationären Regeneriervorrichtung 9 ist ein Wechselfiltergehäuse 14 mit einem Auslaß 15 befestigbar. Im Wechselfiltergehäuse 14 ist ein Wechselfilter 16 angeordnet. Der Strömungswiderstand des stationären Widerstandskörpers 11 liegt im Bereich des Strömungswiderstands des beladenen Wechselfilters 16. Dadurch ist eine sehr gleichmäßige Beauf­ schlagung des Wechselfilters 16 mit Regeneriergas und damit eine rasche und gründliche Regeneration ermöglicht. Durch die erfindungsgemäße Ge­ staltung der Partikelfilter 3 oder der Widerstandskörper 4, 11 wird eine vollständige Regeneration und damit die ursprüngliche Beladungszeit er­ reicht, da der Druck des Regenerationsgases aufgrund des erhöhten bela­ dungsunabhängigen Strömungswiderstands bis zur vollständigen Regene­ ration des Partikelfilters die dazu erforderliche Höhe aufweist. Auf diese Weise ist eine Steigerung der Lebensdauer des Partikelfilters ohne merk­ baren Kraftstoffverbrauchsanstieg der Dieselbrennkraftmaschine verwirk­ licht.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regeneration eines im Abgasstrom einer Diesel­ brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters durch Abbrennen der abgeschiedenen Partikel dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasdruck vor dem Partikelfilter (3) während der Regeneration auf einen zum vollständigen Abbrand der Partikel erforderlichen Wert gehalten wird.

2. Partikelfilter zum Abscheiden von Rußpartikeln aus dem Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine, wobei das Partikelfilter in Abhängig­ keit von Betriebskenngrößen durch Abbrennen der Rußpartikel rege­ nerierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der beladungsunabhängige Strö­ mungswiderstand eines Filteraggregats (1) über dessen gesamten Strömungsquerschnitt mindestens 5% vom Strömungswiderstand des beladenen Partikelfilters (3) an dessen Regenerationsschwelle be­ trägt.

3. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Filtermedium feste Wände aus porösem, hitzebeständigem Material vorgesehen sind, deren Strö­ mungswiderstand durch deren Wandstärke, Porösität und Grad der Oberflächenversiegelung beeinflußbar ist.

4. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Filtermedium gewickelte oder gestrickte Strukturen aus hitzebeständigen Fasern auf einem Träger­ körper angeordnet sind, wobei der Strömungswiderstand durch die Dicke und Dichte der Strukturen und/oder durch Wandstärke; Porösi­ tät und Grad der Oberflächenversiegelung des Trägerkörpers beein­ flußbar ist.

5. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor oder hinter dem Parti­ kelfilter (3), das vorzugsweise als Wabenfilter ausgebildet ist, ein Widerstandskörper (4) vom Durchmesser des Partikelfilters (3) ange­ ordnet ist, dessen Strömungswiderstand über seinen Querschnitt gleichmäßig, jedoch höher als der beladungsunabhängige Strö­ mungswiderstand des Partikelfilters (3) ist.

6. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (4) aus dem Abgasstrom reversibel entfernbar ist.

7. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer stationären Regenerations­ vorrichtung (9) für Wechselfilter (16) ein stationärer Widerstandskör­ per (11) angeordnet ist.

8. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand des statio­ nären Widerstandskörpers (11) im Bereich des Strömungswider­ stands des beladenen Wechselfilters (16) liegt.

9. Partikelfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle der Wider­ standskörper (4, 11) laminare Strömung aufweisen.