DE4111029C2 - Durch Freibrennen regenerierbarer Partikelfilter für die Abgase von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für die Reinigung des Abgases von Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Partikelfilter werden für die Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Fahrzeugen, die mit Dieselkraft­ stoff betrieben werden, benötigt, um die Rußpartikel, die gesundheits­ schädlich sind und eine hohe und gefährliche Umweltbelastung darstel­ len, herauszufiltern. Diese Partikelfilter sind in mehreren Ausfüh­ rungen bekannt. Bei der einen Ausführung erfolgt die Filterung des Abgases beim Durchströmen eines Keramikblockes (Monolithen), der eine Vielzahl von Durchgangskanälen aufweist, von denen schachbrettartig jeweils ein Kanal eintrittsseitig und ein Kanal austrittsseitig ver­ schlossen ist, so daß das Abgas in den einen Kanal einströmt, sodann durch den als Filter wirkenden umgebenden Monolithabschnitt in den benachbarten Kanal einströmt und diesen, von Rußpartikel befreit, ver­ läßt. Einen solchen Rußfilter beschreibt z. B. die DE-OS 32 17 357.

Eine andere Ausführungsart verwendet zur Partikelfilterung Filter­ kerzen. Diese Filterkerzen sind vorzugsweise als Wickelfilter ausge­ bildet. Dabei wird ein mit Abgasdurchtrittsöffnungen versehenes Trag­ rohr mehrlagig mit Filtermaterialfäden umwickelt, so daß ein mit einer Textilgarnspule vergleichbares Element entsteht. Eine derartige Anord­ nung zeigt z. B. die DE-OS 38 15 148 mit besonderer Darstellung der Lagerung der Filterkerzen in Halteplatten. Die Filterkerzen können auch durch einen Schlauchüberzug aus Filtermaterial über ein Tragrohr entsprechend der DE-OS 38 23 205 gebildet sein. Die Filterkerzen werden von außen nach innen durchströmt, das zu reinigende Abgas tritt durch das Filtermaterial in die Tragrohre, die eintrittsseitig ver­ schlossen sind ein, die Rußpartikel werden beim Durchströmen des gewickelten Filtermaterials zurückgehalten und das gereinigte Abgas strömt durch die Tragrohre in den Austrittstrichter und wird von dort abgeführt. Die Filterkerzen sind dabei von einheitlicher Bauform. An­ stelle der mit Abgasdurchtrittsöffnungen versehenen eintrittsseitigen Halteplatte kann auch ein Haltegitter angeordnet sein.

Während des Betriebes der Brennkraftmaschine erfolgt beim Durchströmen des Partikelfilters eine Aufrußung, d. h. das Filtermaterial setzt sich zunehmend mit Rußpartikeln zu, und der Ruß muß nach einer relativ geringen Betriebsdauer entfernt werden. Eine mechanische Entfernung scheidet praktisch aus, da hierzu der gesamte Filter ausgebaut und der Ruß entsorgt werden müßte. Man ist daher auf ein Freibrennen des ange­ reicherten Rußes angewiesen. Hierzu werden bei einem praktizierten Verfahren dem Abgas aus einem Vorratsbehälter Oxidationsmittel als Additive zugesetzt, so daß der gesammelte Ruß mit diesen die Rußzünd­ temperatur herabsetzenden und die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöhen­ den Mitteln in Kontakt kommt und bei relativ niedrigen Abgastemperatu­ ren abgebrannt werden kann. Diese Art des Freibrennens des angesammel­ ten Rußes hat jedoch den Nachteil, daß die Additive chemische Verbin­ dungen sind, die leicht entflammbar sind und das Abgas mit unerwünsch­ ten Bestandteilen anreichert, deren Umweltverträglichkeit noch nicht erwiesen ist. Man hat daher bereits versucht, einen Dieselbrenner als externe Wärmequelle anzuschließen, konnte mit der bekannten Anordnung aber nicht im Fahrbetrieb des Fahrzeuges die Filter regenerieren. Daher ist man bei dieser Lösung auf sehr große Filter angewiesen, um eine Speicherkapazität zu erhalten, die einen längeren Fahrbetrieb zwischen den Regenerationsphasen zuläßt. Diese Ruhepausenregeneration ist bei Fahrzeugen möglich, die im Intervallbetrieb arbeiten, z. B. Busse im innerstädtischen Betrieb. Für andere Fahrzeuge muß die Rege­ neration während des Fahrbetriebes erfolgen. Hierfür hat man z. B. zwei Filter parallel zueinander angeordnet und regeneriert jeweils einen der beiden Filter.

Bei Anordnungen nur eines Partikelfilters mit mehreren Filterkerzen ist es auch bekannt, zur "Fahrregeneration", sobald sich eine höhere Belegung mit Rußpartikel z. B. über den Abgasgegendruck feststellen läßt, eine externe Wärmequelle zuzuschalten, die das zu reinigende Abgas soweit erhitzt (< 600°C), daß der Freibrennvorgang erfolgen kann. Dabei hat sich jedoch gezeigt, daß vor allem bei Lastzuständen mit geringem Abgasmassenstrom während der Regeneration die Filter­ kerzen nicht auf ihrer gesamten Länge frei gebrannt werden. Ursache hierfür ist, daß bereits ein Freibrennen der etwa vorderen Hälfte der Filterkerzen für einen ausreichend niedrigen Strömungswiderstand sorgt und damit der hintere Teil bzw. die äußersten Filterkerzen nicht ge­ nügend durchströmt werden. Aus dieser unvollkommenen Regeneration er­ geben sich immer kürzere Wiederaufrußungszeiten, die im ungünstigsten Fall zum Ausfall des Filters führen können. Versuche haben gezeigt, daß die Aufrußungszeit von z. B. 135 Minuten bei Erstaufrußung auf 15 bis 20 Minuten zurückging.

Um bei der Freibrennregenerierung eine wesentliche Verbesserung zu er­ zielen, hat man gemäß der DE 40 04 861 A1 bereits eine Verbesserung des Freibrennens dadurch erreicht, daß in dem Raum zwischen den Fil­ terkerzen sogenannte Überströmrohre angeordnet sind, über die das zu reinigende Abgas den Filterkerzen derart zugeführt wird, daß eine gleichmäßige Beaufschlagung über die gesamte Länge der Filterkerzen erreicht wird.

Es ist ferner aus der DE 38 36 697 A1 bereits eine gattungsgemäße Ein­ richtung bekannt, bei welcher die Halteplatten samt den Filterkerzen eine drehbewegliche Trommel bilden, so daß immer ein Segment dieser Trommel in einen Bereich geführt werden kann, in dem das Freibrennen erfolgt. Eine derartige Einrichtung ist sehr aufwendig, insbesondere hinsichtlich der Lagerung der drehbeweglichen Trommel und der Abdich­ tung gegen Umströmen durch ungereinigtes Abgas. Diese Probleme werden in dieser Druckschrift gelöst. Für den Serieneinbau sind solche Ein­ richtungen mit segmentweisem Freibrennen jedoch nicht geeignet.

Es ist ferner nach der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 40 26 375.4 ein gattungsgemäßes Partikelfilter bekannt, bei welchem über den Querschnitt des Gehäuses äquidistant verteilt Filterkerzen unterschiedlicher aktiver Länge angeordnet sind. Dabei ist unter "aktiver Länge" der mit Filtermaterial belegte Abschnitt der Filter­ kerze verstanden. Eine unterschiedliche aktive Länge kann dadurch gebildet werden, daß die Filtermaterialbelegung über die Länge der Filterkerze unterschiedlich ist, z. B. in Strömungsrichtung gesehen vorne stärker ist als im folgenden Bereich. Diese unterschiedlich starke Belegung kann bei den einzelnen Fil­ terkerzen verschieden sein, so kann im Randbereich des Filters eine andere Belegung gewählt werden als im zentralen (Mitten-) Bereich. Die Stärke der Belegung kann dabei entsprechend des Strömungsprofiles des zu reinigenden Abgases gewählt werden. Diese Anordnung verlangt für jedes Filter unterschiedlich belegte Filterkerzen, was zu einem großen Lagerbedarf an Filterkerzen führt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter aufzuzeigen, der eine Regeneration wäh­ rend des Fahrbetriebes ermöglicht und bei dem ein hoher Freibrenngrad über die gesamte beaufschlagte Filterlänge bei identischen Filterker­ zen über den gesamten Querschnitt des Filters erzielt wird, so daß die Wiederaufrußungszeit etwa konstant ist und der Erstaufrußungszeit ent­ spricht.

Die Lösung dieser Aufgabe ist ein gattungsgemäßes Partikelfilter, mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1.

Dabei dienen zylindrische Stutzen an den Tragrohren der Befestigung in Halteplatten. Es hat sich als vor­ teilhaft erwiesen, daß der Öffnungswinkel des Tragrohrmantels 2 bis 10° beträgt, als besonders vorteilhaft erwies sich ein Öffnungswinkel von 3-5°. Der Übergang von dem eintrittsseitigen geringeren Durch­ messer auf den austrittsseitig größeren Durchmesser erfolgt in beson­ ders vorteilhafter Weise stetig, er kann jedoch auch in einzelnen Stufen erfolgen. In dieser Ausführung ist der Innendurchmesser jeder folgenden Stufe gleich dem Außendurchmesser der jeweils vorangegange­ nen Stufe. Das hat den Vorteil, daß insbesondere bei nicht zu großen Durchmesserunterschieden der Zusammenbau aus einzelnen zylindrischen, leicht herstellbaren Abschnitten erfolgen kann, wobei die einzelnen Rohre lagerhaltig sein können. In diese einzelnen Rohre sind außerdem die Abgasdurchtrittsöffnungen (rund oder als Schlitze) leicht ein­ bringbar. Um eine Durchströmung der Filterkerzen von außen nach innen zu erzielen, sind die Tragrohre ein­ seitig verschlossen. Die Zuströmung des zu reinigenden Abgases erfolgt dann in bekannter Weise durch Abgasdurchtrittsöffnungen in der ein­ trittsseitigen Halteplatte. Bei dieser Anordnung ist die Filterkerze eintrittsseitig verschlossen und die austrittsseitige Halteplatte ohne Abgasdurchtrittsöffnungen.

Durch die erfindungsgemäße konische Gestaltung der Tragrohre, mit einer kompensierenden Filtermaterialbelegung wird ein Partikelfilter erreicht, bei welchem im unbeladenen Filter­ zustand der Strömungswiderstand der Filterkerzen im in Durchströmungs­ richtung des Filters hinteren, aus­ trittsseitigen Bereich geringer ist als im vorderen, eintrittsseitigen Bereich. Daraus ergibt sich, daß ein größerer Abgasmassenstrom im hinteren, austrittsseitigen Filter­ bereich durchgesetzt wird, und zwar solange, bis sich durch die Rußbe­ ladung ein Gleichgewicht eingestellt hat. Bei der Regeneration durch die extern, z. B. durch einen angeschlossenen Brenner zugeführte Wärme, wird nun zunächst ebenfalls der eintrittsseitige, vordere Bereich auf­ geheizt und regeneriert. Aufgrund des ungleichen Strömungswiderstandes längs des Filters wird der austrittsseitige, hintere Filterbereich stärker vom heißen Abgas durchströmt und daher ebenfalls vollständig regeneriert. Bei der Auslegung des erfindungsgemäßen konischen Trag­ rohres wird berücksichtigt, daß längs der Filterkerze der Abgas­ volumenstrom zunimmt.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel vereinfacht und schematisch dargestellt. An diesem Beispiel wird die Anordnung nach­ folgend beschrieben, einschließlich von Weiterführungen. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Partikelfilter,

Fig. 2 einen Querschnitt an der mit B-B bezeichneten Stelle,

Fig. 3 einen Längsschnitt einer Filterkerze.

In der Fig. 1 ist die Durchströmung von außen nach innen dargestellt. In Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 mit einer Wärmeisolierung 2 gezeigt. Die Wärmeisolierung 2 hat die Aufgabe eine Wärmeabstrahlung zu verhindern, um die Freibrenntemperatur bei möglichst geringer Fremdwärmezufuhr zu halten und die das Partikelfilter umgebenden Bau­ teile vor unnötiger Erhitzung zu schützen. Das Gehäuse 1 weist in Durchströmrichtung vorne (eintrittsseitig) eine als Mischkammer wir­ kende erste Kammer 3 auf, der von der Stirnseite 4 des Gehäuses 1 und einer eintrittsseitigen Halteplatte 5 gebildet ist und an der vorzugs­ weise radial oder tangential ein Abgaseintrittsstutzen 6 angeordnet ist. An der Stirnseite 4 ist ferner ein Anschluß 7 für eine erforder­ liche externe Wärmezufuhr vorgesehen. Dieser Anschluß 7 gilt stellver­ tretend auch für einen geeigneten, unmittelbar an die Stirnseite 4 an­ gesetzten Brenner. Einen solchen geeigneten Brenner zeigt z. B. die DE 34 10 716 A1. Ein Beispiel einer externen Wärmezufuhr bei 7 zeigt z. B. die DE 35 45 437 A1. Stromabseitig (austrittsseitig) weist das Gehäuse 1 einen konischen Teil 8 auf, an den sich ein Abgasaustritts­ stutzen 9 anschließt. Stromabseitig ist in dem Gehäuse 1 eine aus­ trittsseitige Halteplatte 10 angeordnet, so daß sich zwischen dieser austrittsseitigen Halteplatte 10 und dem konischen Teil 8 eine zweite Kammer 11 bildet. Sowohl die erste Kammer 3 als auch die zweite Kammer 11 kann durch - nicht dargestellte - Zwischenböden mit Abgasdurch­ trittsöffnungen unterteilt sein, was insbesondere bei der ersten Kam­ mer 3 zweckmäßig sein kann, um eine vordere Mischkammer von einer fol­ genden Abgaszufuhr - oder Verteilungskammer abzutrennen.

Die eintrittsseitige Halteplatte 5 ist vorzugsweise fest in dem Ge­ häuse 1 angeordnet, z. B. durch einen angeformten Winkelring 5a, kann aber auch bei einem geteilten Gehäuse zwischen Flanschen des Gehäuses angeordnet sein. Die austrittsseitige Halteplatte 10 kann ebenfalls einen angeformten Winkelring 10a aufweisen. Um thermisch bedingte Län­ genänderungen aufnehmen zu können, ist in einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform die austrittsseitige Halteplatte 10 mit ihrem angeformten Winkelring 10a in einem Schiebesitz in dem Gehäuse 1 angeordnet. Sie kann aber auch fest angeordnet sein, wenn die einzelnen Filterkerzen 12 einseitig beweglich, z. B. in der austrittsseitigen Halteplatte 10 angeordnet sind.

Zwischen den Halteplatten 5, 10 sind die erfindungsgemäß ausgestalte­ ten Filterkerzen 12 angeordnet. Diese sind aus einem Tragrohr 16 ge­ bildet, das über seiner Länge Abgasdurchtrittsöffnungen 17 aufweist, die vorzugsweise rund sind, aber auch als Schlitze ausgebildet sein können. Das Tragrohr 16 ist konisch ausgebildet, es weist eintrittsseitig einen geringeren Durchmesser auf als austrittsseitig. Eintrittsseitig kann ein zylindrischer Stut­ zen 18 und austrittsseitig ein zylindrischer Stutzen 19 angeformt sein (Fig. 3). Mit diesen Stutzen 18/19 sind die Filterkerzen 12 in den Halte­ platten 5, 10 gelagert und zumindest eintrittsseitig (18 in 5) befestigt, während die austrittsseitige Lagerung (19 in 10) als Schiebesitz ausgebildet sein kann. Das Tragrohr 16 ist in seinem konischen Bereich mit Filtermaterial 20 belegt. Die Belegung erfolgt derart, daß die Filterkerze 12 Zylinderform aufweist, d. h. eingangs­ seitig erfolgt eine stärkere Filtermaterialbelegung als austritts­ seitig.

In einer erprobten Aus­ führung weist die Filterkerze 12 folgende Abmessungen auf: Durchmesser eintrittsseitig 15 mm, Durchmesser austrittsseitig 34 mm, Länge 300 mm, Durchmesser der Abgasdurchtrittsöffnungen im Tragrohr 3 mm, Außen­ durchmesser der Filtermaterialbelegung 48 mm.

Wie aus der Fig. 2 erkennbar, sind die Filterkerzen 12 äquidistant über dem Durchschnitt des Gehäuses 1 angeordnet.

Die Tragrohre 16 eintrittsseitig verschlossen und austrittsseitig offen. Das zu reinigende Abgas wird über die Abgasdurchtrittsöffnungen 14 in der eintrittsseitigen Halteplatte 5 dem Raum zwischen den Filterkerzen 12 zugeführt und durchströmt diese Filterkerzen 12 von außen nach innen und verläßt die Filterkerzen 12 über deren offene Austrittsseite.

Claims (4)

1. Partikelfilter für die Reinigung des Abgases von Brenn­ kraftmaschinen mit Filterkerzen, die einseitig ver­ schlossen und in einem mit einer Eintrittskammer und einem Austrittstrichter versehenen Gehäuse zwischen Halteplatten angeordnet und jeweils aus einem mit Abgas­ durchtrittsöffnungen versehenen mit Filtermaterial be­ legten Tragrohr gebildet sind und denen aus einer Wärme­ quelle zusätzlich Wärme für die Regeneration durch Freibrennen zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkerzen (12) gleiche Form aufweisen und jedes der Tragrohre (16) sich von einem geringeren verschlos­ senen Durchmesser auf einen größeren offenen austritts­ seitigen Durchmesser erweitert und die Belegung jedes Tragrohres (16) mit Filtermaterial (20) derart erfolgt, daß die aus Tragrohr (16) und Filtermaterial (20) gebil­ dete Filterkerze (12) einen konstanten Außendurchmesser aufweist, und daß die Filterkerzen (12) von außen nach innen durchströmt werden.

2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel jedes Tragrohrmantels 2° bis 10°, vorzugsweise 3° bis 5° beträgt.

3. Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Übergang von dem geringeren Durchmes­ ser auf den größeren Durchmesser stetig erfolgt.

4. Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Übergang von dem geringeren Durchmes­ ser auf den größeren Durchmesser in mehreren Stufen er­ folgt, wobei der Innendurchmesser jeder folgenden Stufe gleich dem Außendurchmesser der vorangegangenen Stufe ist.