DE10156191A1

DE10156191A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters

Info

Publication number: DE10156191A1
Application number: DE2001156191
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmidt
Original assignee: Zeuna Starker GmbH and Co KG
Current assignee: Arvin Industries Deutschland GmbH
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2003-05-28

Abstract

Bei einem Verfahren zum Regenerieren eines Rußfilters mit einem in Abgasstrom angeordneten Hauptfilterkörper, vorzugsweise einem keramischen Wabenfilter, in dem Ruß gesammelt wird, ist dem Hauptfilter eine Rußsammelvorrichtung bzw. ein Vorfilter vorgelagert, welcher in dem Zeitpunkt, in dem die Regeneration ausgelöst werden soll, den in der Rußsammelvorrichtung bzw. im Vorfilter gesammelten Ruß zumindest lokal auf mindestens Rußzündtemperatur erwärmt. Die Rußsammelvorrichtung bzw. der Vorfilter ist derart gestaltet, daß der darin verbrannte Ruß soviel Wärme freisetzt, daß das durchströmende Abgas mindestens auf Rußzündtemperatur erwärmt wird.

Description

In den vergangenen Jahrzehnten wurde eine große Anzahl von Nachbehandlungssystemen zur Verminderung der Partikelemission auf ihr Einsatzpotential für Fahrzeugdieselmotoren untersucht. Für PKW-Dieselmotoren haben die Filterverfahren mit diskontinuierlicher Regeneration die größte Aufmerksamkeit erfahren.
Die Filtration erfolgt in einem porösen Speichermedium. Unter Berücksichtigung von Abscheidegrad, Speichervermögen, Abgasgegendruck und Dauerhaltbarkeit weist der keramische Wabenfilter (wallflow filter) das günstigste Verhalten auf. Tiefenfilter aus Fasern, Sintermetall oder Schaumkeramiken haben bei gleicher Größe einen deutlich geringeren Abscheidegrad und kommen deshalb derzeit nicht zum Einsatz.
Mit steigender Rußbeladung steigt der Strömungswiderstand im Filter, was zu Leistungseinbuße und Kraftstoffmehrverbrauch führt. Deshalb ist es notwendig, den im Filter enthaltenen Ruß von Zeit zu Zeit zu oxidieren (Filterregeneration). Bei der Rußoxidation kommt es zur Freisetzung einer großen Wärmemenge innerhalb einer kurzen Zeit. Die freigesetzte Wärmemenge ist proportional zur im Filter gesammelten Rußmenge. Um eine Schädigung des Filtermaterials während der Regeneration zu vermeiden, darf eine gewisse Rußmenge nicht überschritten werden.
Die Rußoxidation setzt ein, wenn die Abgastemperatur die Zündtemperatur des Rußes übersteigt und ausreichend Sauerstoff im Abgas enthalten ist. Die Zündtemperatur des Rußes beträgt je nach Rußzusammensetzung zwischen 470 und 600°C. Durch die Zugabe von katalytisch wirkenden Additiven zum Kraftstoff kann die Zündtemperatur um etwa 100°C herabgesetzt werden.
Moderne Dieselmotoren erreichen die für die Rußverbrennung erforderliche Temperatur nur nahe der Vollast. Auch der Einsatz von katalytischer Beschichtung oder katalytischen Additiven ist nicht ausreichend, um eine Regeneration im gesamten Motorkennfeld zu gewährleisten.
Um eine Regeneration auch im unteren Teillastbereich zu ermöglichen, kann die Abgastemperatur durch motorinterne Maßnahmen, z. B. durch Nacheinspritzung, oder anderweitige Zufuhr von Sekundärenergie, z. B. mittels Brennern, erhöht werden. Dieses Verfahren ist aber mit einem hohen Energieverbrauch verbunden. Der erforderliche Leistungsbedarf liegt zwischen 9 kW/dm³ Hubraum (W. R. Wade u. a. Diesel Particulate Trap Regeneration Techniques SAE 810 118) und 14 kW/dm³ Hubraum (W. R. Wade u. a. Thermal and Catalytic Regeneration of Diesel Particulate Traps SAE 830 083).
Durch Verminderung des Abgasmassenstroms durch den Filter läßt sich der Bedarf an Sekundärenergie auf ca. 1,7 kW/dm³ Hubraum (E. Pauli u. a. The Calculation of Regeneration Limits of Diesel Particulate Traps for Different Regeneration Methods SAE 840 075) bzw. 1,3 kW/dm³ Hubraum (V. D. Rao u. a. Advanced Techniques for Thermal and Catalytic Diesel Particulate Trap Regeneration SAE 850 014) absenken. In einem weiteren Lösungsansatz wird vorgeschlagen, die erforderliche Erhöhung der Abgastemperatur durch vorübergehende Verringerung des Durchflußquerschittes zu erreichen.
Motorinterne Maßnahmen haben darüber hinaus den Nachteil, daß sie gerade im leerlaufnahen Motorkennfeld nicht in der Lage sind, eine ausreichende Temperatur zu erreichen. Lösungen mit Zusatzbrennern haben diesen Nachteil nicht, allerdings sind sie sehr teuer im Vergleich zu anderen technischen Lösungen.

Es gibt eine Reihe von technische Ausführungen, die sich in der Anordnung eines Heizelementes in Bezug des Filterkörpers unterscheiden:

- vor dem Filter: US 5101095, US 4,404,795, US 4744216, DE 382 42 478 C2, Versuchsaufbau von G. Hüthwohl und G. Kroon, DE 195 30 749, DE 38 90 556, DE 197 48 561,
- auf der Filteroberfläche: US 5,144,798, US 4516993 und Versuchsaufbau G. Hüthwohl und G. Kroon
- zwischen Filterplatten US 6,024,927
- im Filterkanal: EP 0857862 und
- im Filtermaterial eingebettet EP 275 372, DE 198 21 869.

Technische Konzepte, die auf dem Aufheizen des gesamten Filters basieren, benötigen in etwa genauso viel Energie wie Konzepte mit Anhebung der Abgastemperatur. Dies liegt an der sehr guten Wärmekopplung zwischen porösem Filtermaterial und Abgas.

Aus diesem Grund stehen derzeit Konzepte mit lokaler Entzündung der Rußpartikel im Vordergrund. Hierbei wird an einer oder mehreren Stellen örtlich begrenzt Energie in den abgelagerten Ruß eingeleitet und dieser zur Zündung gebracht. Unter bestimmten Randbedingungen pflanzt sich die so eingeleitete Verbrennung im Filter fort. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß nur sehr geringe Leistungen benötigt werden. In der Regel liegen sie unter einem Kilowatt und sind somit dem elektrischen Bordnetz zu entnehmen.

Grundvoraussetzung für dieses Verfahren ist der direkte Kontakt zwischen Heizelement und abgelagertem Ruß. Deshalb wäre es vorteilhaft, den Heizer im Inneren des Filters zu plazieren. Dies ist bei Wabenfiltern schwer realisierbar. Zum einen führt eine Heizzone im Filterinneren zu thermomechanischen Spannungen, zum anderen läßt sich ein Heizelement nur schwer ins Filterinnere einbringen, ohne den Wabenkörper nachhaltig zu schädigen. US 4,662,911 schlägt einen zweiteiligen Filter vor, dessen beide Teile mit direktem Kontakt gelagert sind und zwischen denen ein Heizelement angebracht ist.

In der Regel werden die Heizelemente an der Anströmseite des Filters plaziert. Damit sind allerdings zwei Nachteile verbunden. Zum einen lagert sich Ruß erst dann an der Stirnfläche ab, wenn im Filter sehr viel Ruß gesammelt ist. Damit steigt gleichzeitig die im Filter gespeicherte exotherme Energie, die während der Regeneration als Wärme freigesetzt wird. Außerdem wird bei hohem Abgasdurchsatz der Ruß von der Stirnseite ins Filterinnere abgetragen wird, so daß eine stirnseitige Zündung nicht möglich ist.

Versuche haben gezeigt, daß die Fortpflanzung der durch die Zündung eingeleiteten Verbrennung nur erfolgt, wenn dem Kraftstoff katalytische Additive beigegeben sind, wenn eine sehr große Rußmenge im Filter enthalten ist und wenn der Abgasmassenstrom klein ist, d. h. nur im unteren Motorenkennfeld. Bei höherem Massenstrom ist die Regeneration unvollständig bzw. bleibt ganz aus. Dieses Verfahren hat sich deshalb als unzuverlässig erwiesen.

Die Verwendung von Additiven hat zudem den Nachteil, daß sie bei der Regeneration zu Ascherückständen führt, die mit der Zeit den Filter verstopfen.

Die bekannten technische Verfahren und Vorrichtungen sind nicht geeignet, ohne übermäßig hohen Energieverbrauch im gesamten Motorkennfeld mit für das Filtermaterial unbedenklicher Rußkonzentration eine zuverlässige Regeneration einzuleiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere zur Entfernung von Partikeln mit kontinuierlicher Filtration und diskontinuierlicher Regeneration zu entwickeln, mit denen es möglich ist, einerseits mit einer geringen Energie auszukommen und trotzdem den Filter sicher zu regenerieren ohne ihn zu zerstören. Die Regeneration soll deshalb auch bei geringer Rußkonzentration im Filter möglich sein. Die Regeneration soll im gesamten Motorkennfeld möglich sein. Das Verfahren soll ohne Additive auskommen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Regenerieren eines Rußfilters mit Merkmalen nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 6.

Das Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere zur Entfernung von Rußpartikeln, sieht vor, daß vor dem Hauptfilter ein Rußdepot liegt, daß in der Sammelphase gefüllt wird. Die Regeneration wird erfindungsgemäß dadurch ausgelöst, daß dem Rußdepot soviel Aktivierungsenergie zugeführt wird, daß der Ruß im Depot verbrannt wird. Das Depot und die Heizeinrichtung sind so zu wählen, daß durch die freigesetzte Reaktionswärme die Abgastemperatur soweit erhöht wird, daß auch der Hauptfilter regeneriert. Das Verfahren kann mit katalytischer Filterbeschichtung kombiniert werden.

Die Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters besteht aus mindestens einem Gehäuse, mit Abgaseintritt und Abgasaustritt, einem ersten Filterkörper mit einem Abscheidegrad < 50% mit mindestens einer Heizvorrichtung sowie einem zweiten Filterkörper. Der zweite Filter ist größer als der erste.

Der erste Filterkörper kann aus porösem keramischen oder metallischem Material oder aus Fasern bestehen. Er kann auch als Elektroabscheider ausgeführt sein. Der zweite Filter ist vorteilhafter Weise ein keramischer Wabenkörper.

Die Heizvorrichtung kann in unterschiedlicher Art und Weise ausgeführt sein. Es kann das Filtermaterial selbst teilweise leitfähig sein, es können Heizelement in den Filterkörper ragen oder an dessen Stirnseite plaziert sein. Auch externe Energiequellen wie Mikrowellengeneratoren sind geeignet.

Beide Filterkörper können katalytisch beschichtet sein.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende:
In normalen Sammelbetrieb wird ein bestimmter Anteil der im Abgas enthaltenen Partikel in einem Vorfilter gesammelt. Die restlichen Partikel werden von einem nachgeschalteten Hauptfilter gesammelt. Der Abscheidegrad des Vorfilters ist kleiner als der des Hauptfilters, so daß der Großteil der Rußpartikel im Hauptfilter gesammelt werden. Abscheidegrad und Größe des Vorfilters ist so abgestimmt, daß im Vorfilter eine größere Rußdichte ist als im Hauptfilter.

Ist der Hauptfilter so voll, daß eine Regeneration einzuleiten ist, wird dem Vorfilter Energie zugeführt, bis der Ruß verbrennt. Entscheidend ist dabei, daß der Vorfilter so auszulegen ist, daß die bei der Verbrennung frei werdende Energie ausreicht, das durchströmende Abgas über die Rußzündtemperatur zu erwärmen. Dies geschieht durch geeignete Wahl der Geometrie und des Abscheidegrades. Das erwärmte Abgas strömt anschließend in den Hauptfilter und löst dort die Regeneration aus.

Ausführungsbeispiele

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erklärt werden.

Fig. 1 Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters

Fig. 2 Vorfilter mit Heizelement im Inneren

Fig. 3 Punktbrenner

Fig. 4 Bypassanordnung

Fig. 5 Kaskadenanordnung

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters.

Die Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse 3, mit einem Eintritt 2 und einem Austritt 4 für das Abgas 1, einen Filterkörper 5 aus porösem Material als Vorfilter mit einem elektrischen Heizer 6 und einem Wabenfilter 7 als Hauptfilter.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Integration des Heizelements in den Vorfilter. Hier ist eine Glühkerze 8 in eine Bohrung 9 des porösen Filtermaterials eingeführt.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit einem Heißgasheizer 9, das so ausgelegt ist, daß nur ein Teil der Stirnfläche des Vorfilters 5 mit Heißgas bestrichen wird.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit Bypass 10 und Steuerungsklappe 11. Hier kann der Vorfilter 5 umgangen, wenn genügend Ruß im Vorfilter 5 gesammelt ist, aber keine Regeneration ausgelöst werden soll. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß unnötiger Gegendruck vermieden wird.

Fig. 5 zeigt eine Kaskadenanordnung. Mehrere Filterelemente 5a, 5b, . . . sind hintereinander angebracht, wobei ein Teil der Elemente mittels Heizelement 6a, 6b, gezündet werden können. Diese Anordnung ermöglicht es, erst die hinteren Elemente zu regenerieren und danach in Stufen die vorderen. Dadurch wird übermäßige Erwärmung des Abgases verhindert.

Die Vorteile der Erfindung sind folgende:
Die Einleitung der Regeneration erfolgt außerhalb des Hauptfilters in einem Vorfilter. Dies hat den Vorteil, daß der Vorfilter optimal auf die Regenerationsauslösung abgestimmt werden kann. Insbesondere hat er keine abgasreinigende Aufgabe.

Der Vorfilter wird so ausgelegt, daß er genügend Ruß sammelt, um die erforderliche Anhebung der Abgastemperatur zu erreichen. Da er kleiner ist als der Hauptfilter kann die Rußdichte im beladenen Zustand höher sein. Die während der Regeneration entstehenden Temperaturen sind aufgrund der geringen Größe des Vorfilters dennoch unkritisch. Aufgrund der hohen Rußdichte ist es einfacher, den Ruß mittels eines Heizelementes zu entzünden. Zudem ist es unproblematisch, ein Heizelement in einen Tiefenfilter einzubringen. So kann man einen Schaumkeramikfilter einfach anbohren und das Element in die Bohrung stecken, in einen Faserfilter kann man das Element sogar ohne Bohrung integrieren. Der geringe Abscheidegrad der Tiefenfilter ist in dieser Anwendung kein Nachteil, sondern sogar gewollt.

Der Vorfilter ist so ausgelegt, daß in ihm eine größere Rußdichte angesammelt wird. Dadurch ist gewährleistet, daß der Vorfilter immer voll ist, wenn eine Regeneration ausgelöst werden muß. Die Regeneration kann so kontrolliert ausgelöst werden.

Dadurch, daß der Hauptfilter durch das heiße Abgas regeneriert wird, ist die Verbrennung vollständig und gleichmäßig. Lokale Überladung und Temperaturspannungen des Filtermaterials werden verhindert.

Durch die Nutzung der im Vorfilter gesammelten Rußpartikel als Energiequelle kommt das System mit geringerer Energie aus als Brennersysteme, die ebenfalls eine Anhebung der Abgastemperatur bewirken.

Im Vergleich zu bekannten Systemen mit elektrischer Zündung des Rußes ist dieses Verfahren wesentlich zuverlässiger und schonender, da die Regeneration im Hauptfilter über die Anhebung der Abgastemperatur ausgelöst wird.

Vorteilhaft ist katalytische Beschichtung beider Filter. Dadurch wird die Zündtemperatur um etwa 100°C herabgesetzt. Es wird weniger externe Energie benötigt, um den Vorfilter zu zünden. Außerdem muß das Abgas nicht so sehr erwärmt werden. Der Vorfilter kann in diesem Fall kleiner ausfallen.

Eine Variation des beschriebenen Systems ist die Kaskadenanordnung. Sie ermöglicht es, den Ruß stufenweise zu verbrennen, so daß die Abgastemperatur nicht zu sehr ansteigt.

Claims

1. Verfahren zum Regenerieren eines Rußfilters mit einem im Abgasstrom angeordneten Hauptfilterkörper, vorzugsweise einem keramischen Wabenfilter, in dem Ruß gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hauptfilter eine Rußsammelvorrichtung vorgelagert ist und daß eine Heizvorrichtung vorhanden ist, welche in dem Zeitpunkt, in dem die Regeneration ausgelöst werden soll, den in der Rußsammelvorrichtung gesammelten Ruß zumindest lokal auf mindestens Rußzündtemperatur erwärmt und daß die Rußsammelvorrichtung derart gestaltet ist, daß der in ihr verbrannte Ruß soviel Wärme freisetzt, daß das durchströmende Abgas mindestens auf Rußzündtemperatur erwärmt wird.

2. Verfahren zum Regenerieren eines Rußfilters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidegrad der Rußsammelvorrichtung kleiner als 50% ist.

3. Verfahren zum Regenerieren eines Rußfilters nach Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, daß Rußsammelvorrichtung und Filtermedium katalytisch beschichtet oder selbst katalytisch wirksam sind.

4. Verfahren zum Regenerieren eines Rußfilters nach Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußsammelvorrichtung mittels einer Bypassleitung umgangen wird, wenn sie genügend Ruß gespeichert hat und keine Regeneration ausgelöst werden soll.

5. Verfahren zum Regenerieren eines Rußfilters mit mehreren im Abgasstrom hintereinander angeordneten Filterkörpern, in denen Ruß gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkörper teilweise durch Heizvorrichtungen erwärmt werden kann und der enthaltene Ruß dadurch verbrennt, daß diese Heizvorrichtungen zeitlich versetzt ausgelöst werden und daß die Filterkörper so ausgefegt sind, daß die Abgastemperatur hinter diesen Filterkörpern infolge der Regeneration mindestens die Rußzündtemperatur erreicht.

6. Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters mit einem im Abgasstrom angeordneten Hauptfilterkörper, vorzugsweise einem keramischen Wabenfilter, in dem Ruß gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hauptfilter ein Vorfilter vorgelagert ist und daß eine Heizvorrichtung vorhanden ist, welche in dem Zeitpunkt, in dem die Regeneration ausgelöst werden soll, den in der Rußsammelvorrichtung gesammelten Ruß zumindest lokal auf mindestens Rußzündtemperatur erwärmt und daß die Rußsammelvorrichtung derart gestaltet ist, daß der in ihr verbrannte Ruß soviel Wärme freisetzt, daß das durchströmende Abgas mindestens auf Rußzündtemperatur erwärmt wird.

7. Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Abscheidegrad und Volumen des Vorfilters so gewählt ist, daß der im Vorfilter gesammelte Ruß eine größere Dichte aufweist als der im Hauptfilter gesammelte.

8. Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorfilter aus porösem Material wie Sintermetall, Fasern oder Schaumkeramik besteht.

9. Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ein elektrisches Widerstandselement ist.

10. Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement in den Vorfilter integriert ist.

11. Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ein Mikrowellengenerator ist.

12. Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement eine Heißgasquelle ist.

13. Vorrichtung zum Regenerieren eines Rußfilters nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorfilter ein Elektrofilter ist.