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(11) |
EP 1 304 455 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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30.09.2009 Patentblatt 2009/40 |
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Anmeldetag: 17.10.2002 |
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(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
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Partikelfilter zum Reinigen von motorischen Abgasen
Particulate filter for purifying exhaust gases of internal combustion engines
Filtre à particules pour la purification de gaz d'échappement de moteurs
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE SK TR |
(30) |
Priorität: |
18.10.2001 DE 10151425
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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23.04.2003 Patentblatt 2003/17 |
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Patentinhaber: GM Global Technology Operations, Inc. |
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Detroit, MI 48265-3000 (US) |
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Erfinder: |
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- Zima, Peter, Dr.-Ing.
55130 Mainz (DE)
- Baican, Roman, Dr.rer.nat.
63071 Offenbach (DE)
- Mönnig, Ronny, Dipl.-Ing.
65183 Wiesbaden (DE)
- Peters, Bruce, Dr.
10133 Turin (DE)
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(74) |
Vertreter: Strauss, Peter |
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Adam Opel GmbH
Patentrecht, A0-02 65423 Rüsselsheim 65423 Rüsselsheim (DE) |
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Entgegenhaltungen: :
EP-A- 0 632 189 US-A- 4 512 786 US-A- 4 872 889
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JP-A- 05 163 929 US-A- 4 519 820
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelfilter zum Reinigen von motorischen
Abgasen, mit topfförmig ausgebildeten Einlasskanälen, die endseitig mit einem Einlasskanalboden
versehen sind und in welche partikelbeladene Abgase einströmen, sowie parallel benachbart
zu den Einlasskanälen angeordnete und hierzu umgekehrt topfförmig ausgerichtete Auslasskanäle,
welche je endseitig mit einem Auslasskanalboden versehen sind und welche die gereinigten
Abgase ableiten, wobei sich durch die Filterung an den porösen, durchströmten Wandabschnitten
seitens des Einlasskanals eine Partikelschicht absetzt, die zur Regeneration des Partikelfilters
über elektrische Heizmittel abbrennbar ist.
[0002] Partikelfilter dieser Art werden gewöhnlich dafür eingesetzt, den Partikelausstoß
bei Abgasen von Verbrennungsmotoren - insbesondere von Dieselmotoren - zu reduzieren.
Der technische Aufwand zur Erfüllung strenger Abgasnormen ist mit den gegenwärtigen
Möglichkeiten erheblich. So macht eine vorgeschriebene Reduzierung des Partikelausstoßes
um über 90 % die Ausrüstung von beispielsweise Dieselfahrzeugen mit Partikelfiltern
unerlässlich und erfordert zudem aktive Maßnahmen zur Erstickung. Hierfür ist nach
realistischen Schätzungen ein Kraftstoffmehrverbrauch von über 5% einzuplanen, weil
die in den Abgasstrom erforderlicherweise einzuschaltende Filteranordnung einen erhöhten
Energiebedarf verursachen. Der Energiebedarf steigt mit zunehmender Verrußung des
Partikelfilters, das heißt mit anwachsender Partikelschicht. Die Partikelschicht ist
jedoch durch Abbrennen beseitigbar, um den Partikelfilter insoweit wieder zu regenerieren.
[0003] Ein Partikelfilter ist aus der
US 6,101,793 bekannt. Der aus einem porösen Keramikmaterial bestehende Partikelfilter weist langgestreckte
topfförmig ausgebildete Einlasskanäle auf, in welche die vom Dieselmotor erzeugten
partikelbeladenen Abgase einströmen. Parallel benachbart zu den Einlasskanälen sind
Auslasskanäle angeordnet, welche die durch Filtern gereinigten Abgase an die Atmosphäre
ableiten. Die Auslasskanäle sind ebenfalls topfförmig ausgebildet, jedoch umgekehrt
zu den Einlasskanälen ausgerichtet. Bei dieser Anordnung erfolgt die Filterung bei
Durchströmen der porösen gemeinsamen Wandabschnitte, wobei sich seitens des Einlasskanals
eine Partikelschicht bildet. Die Einlasskanäle sowie die Auslasskanäle weisen hier
einen quadratischen Querschnitt auf. Die Bodenbereiche der topfförmigen Kanäle sind
durch diverse Stopfen gebildet, welche die Kanäle entsprechend ihrer vorstehend beschriebenen
Ausrichtung an einem Ende verschließen.
[0004] Zur Regeneration des Partikelfilters weist dieser weiterhin elektrische Heizmittel
auf, die filterausgangsseitig im Bereich der Öffnungen der Auslasskanäle angeordnet
sind. Ein in der nachfolgenden Abgasleitung zwischen dem Partikelfilter und der Atmosphäre
eingeschaltetes Gebläse wirkt zur Regeneration des Partikelfilters mit den elektrischen
Heizmitteln zusammen. Das Gebläse wird bei Stillstand des Dieselmotors während einer
definierten Zeitdauer eingeschaltet, so dass ein Luftstrom rückwärts über die aufgeheizten
elektrischen Heizmittel strömt, wodurch sich der Luftstrom erhitzt, so dass ein Abbrennen
der Partikelschicht einsetzt. Diese bekannte Lösung zur Regeneration des Partikelfilters
weist jedoch den Nachteil auf, dass zur Erzeugung des aufgeheizten Luftstromes ein
relativ hoher technischer Aufwand erforderlich ist.
[0005] Ein weiterer Partikelfilter ist aus der
US 5,782,941 bekannt, wobei hier zur Regeneration ein anderer technischer Weg beschritten wird.
Der Partikelfilter ist aus einem äußeren rohrförmigen Filterteil aufgebaut, in welches
ein inneres, kleineres rohrartiges Filterteil koaxial eingesetzt ist. Dieses zweite
Filterteil ist auf der von den partikelbeladenen Abgasen angeströmten Seite verschlossen
und bildet somit einen topfförmigen Auslasskanal. Der zwischen dem zweiten Filterteil
und dem ersten Filterteil gebildete Bereich ist ebenfalls als ein topfförmiger Einlasskanal
anzusehen. Hierin ist ein zylinderrohrartig geformtes und mit Durchbrüchen versehendes
siebartiges Heizmittel angeordnet. Die hieran vorbeiströmenden partikelbeladenden
Abgase transportieren bei einer Regeneration des Partikelfilters die vom elektrischen
Heizmittel erzeugte Wärme an die Partikelschicht weiter, welche hierdurch abbrennt.
Zwar ist das elektrische Heizmittel gemäß diesem Stand der Technik direkt in den Abgasstrom
integriert, so dass keine zusätzlichen Mittel zur Erzeugung eines aufgeheizten Luftstromes
erforderlich sind; gleichwohl erfordert der Betrieb des großflächigen zylinderförmig
ausgebildeten Heizmittels ein recht hohen Energieaufwand.
[0006] Ein gattungsgemäßer Partikelfilter ist aus der
US 4 512 786 A bekannt. Darin wird eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung von Dieselabgasen offenbart,
welche zum Filtern von Abgaspartikeln in der Abgasanlage einen Filterblock aufweist,
wobei ebenfalls ein Heizelement zum Verbrennen von angesammelten Rußpartikeln vorgesehen
ist. Dabei sind die Heizmittel in den parallel im Filterblock verlaufenden Kanälen
angeordnet.
[0007] Aus der
US 4 872 889 A ist es bekannt, in Einlasskanälen eines Filterelements Aussparungen (grooves) vorzusehen,
welche die Heizelemente tragen. Für eine thermische Isolierung der Heizelemente ist
Abschlussdeckel vorgesehen. Zur Stabilisierung der Lage der Heizelemente können zusätzliche
Aussparungen im Abschlussdeckel vorgesehen sein. Nachteil der Anordnung ist jedoch,
dass die Heizelemente direkt im Einlass des Abgases angebracht sind. Da elektrisch
leitender, graphitischer Kohlenstoff ein Hauptbestandteil des Abgases ist, ist ein
eine Kurzschlussgefahr mit dem anliegenden Heizdraht relativ hoch.
[0008] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Partikelfilter zum Reinigen von
Abgasen eines Verbrennungsmotors zu schaffen, welcher auf einfache Weise energiesparend
und mit hohem Wirkungsgrad regenerierbar ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung einen Partikelfilter bereit zu stellen, der eine Trennung zwischen Heizmittelträger
und Partikelfilterhauptteil ermöglicht.
[0009] Die Aufgabe wir ausgehend von einem Partikelfilter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen
Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
[0010] Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, die elektrischen Heizmittel eines
Partikelfilters in zumindest einem Teil der Auslasskanäle derart im Bereich des Auslasskanalbodens
anzuordnen, dass die von den elektrischen Heizmitteln abgegebene Wärmstrahlung ein
Abbrennen der in den angrenzenden Einlasskanälen befindlichen Partikelschicht auslöst.
[0011] Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung der elektrischen Heizmittel liegt darin,
dass hierdurch die Abgasströmung beim Eintritt in den Partikelfilter nicht gestört
wird. Da sich die elektrischen Heizmittel in einem Bereich der Auslasskanäle befinden,
der nicht im Bereich der Abgasströmung gelegen ist, wird die eingebrachte elektrische
Energie zur Wärmeerzeugung deutlich besser genutzt. In Folge dessen kann die von den
elektrischen Heizmitteln abgegebene Wärme hauptsächlich durch Wärmestrahlung auf die
benachbarten Filterwände übertrawerden. Die Zündtemperatur für die Partikelschicht
hängt ab von der Rußverteilung, insbesondere von der Schichtdicke und der Packungsdichte
sowie der Rußqualität über die Filterlänge. Da mit der Abgasströmung die von den elektrischen
Heizmitteln erzeugte Wärme weitertransportiert wird, erwärmen sich hierdurch die partikelschichtbehafteten
Wandabschnitte, was die Regenerierung des Partikelfilters unterstützt. Durch die erfindungsgemäße
Anordnung der elektrischen Heizmittel auf der Seite des gereinigten Abgases können
zudem Korrosionsprozesse als Folge von Ruß- und Ascheablagerungen nachhaltig vermieden
werden. Der erfindungsgemäß ausgebildete Partikelfilter ermöglicht eine selbsttragende
Regeneration, auch unmittelbar nach einem Motorkaltstart bei Leerlaufbetrieb. Die
elektrischen Heizmittel strahlen aufgrund ihrer hohen Oberflächentemperatur Wärme
ab, die von den angrenzenden Wandabschnitten aufgenommen wird. Diese Wärmemenge startet
die Regeneration auf der Einlassseite des Partikelfilters. Zu einem Teil wird die
Wärme durch turbulente Strömungen in den Auslasskanälen an die dortigen Wandabschnitte
abgegeben, wodurch eine Erwärmung erfolgt. Dadurch wird die von den elektrischen Heizmitteln
erzeugte Wärme für die Regeneration besser genutzt und eine Unterbrechung des Rußabbrandes
mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit verhindert. Die sich selbst tragende Oxidation
der Partikelschicht schreitet dann in Strömungsrichtung des Abgases bis zur Gasauslassseite
fort und stellt damit den ursprünglichen Abgasgegendruck des Partikelfilters im unbeladenen
Zustand, das heißt ohne Partikelschicht, wieder her.
[0012] Um die Gesamtzahl der benötigten elektrischen Heizmittel zu reduzieren, grenzen gemäß
einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme an die mit elektrischen Heizmitteln
ausgerüsteten Auslasskanäle jeweils unbeheizte - dass heißt ohne elektrische Heizmittel
ausgerüstete Auslasskanäle - an. Um eine vollständige Regeneration des Partikelfilters
zu erzielen, ist es nicht erforderlich, dass jeder Auslasskanal mit einem elektrischen
Heizmittel ausgestattet ist. Bei einem quadratischen Kanalquerschnitt kann so die
Anzahl der benötigten elektrischen Heizmittel auf 25 % der Anzahl der Auslasskanäle
reduziert werden.
[0013] Vorzugsweise werden zur Einsparung elektrischer Energie die elektrischen Heizmittel
mit einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung betrieben. Diese pulsweitenmodulierte
Versorgungsspannung braucht nur über eine kurze definierte Zeitdauer aufrecht erhalten
werden, welche das Abbrennen der Partikelschicht startet. Nach dem über die elektrischen
Heizmittel ausgelösten Start läuft der weitere Abbrennprozess wegen der exothermen
Reaktion selbsttätig weiter. Durch die somit erzielte Minimierung des elektrischen
Energiebedarfs wird das Bordnetz eines dieselmotorisch betriebenen Fahrzeuges minimal
belastet.
[0014] Um eine effektive Wärmeabstrahlung der elektrischen Heizmittel sicherzustellen, sind
diese vorzugsweise nach Art eines gewendelten Kantal-Drahts ausgebildet. Die elektrischen
Heizmittel sind vorteilhafter Weise zumindest teilweise in Serie zueinander geschalten.
Somit führt ein Durchbrennen einzelner elektrischer Heizmittel nicht zum Ausfall des
gesamten Partikelfilters. Einzelne Gruppen von in Serie zueinander geschalteten Heizmitteln
ermöglichen eine sektorenweise Beheizung des Partikelfilters.
[0015] Die elektrischen Heizmittel sind vorzugsweise ausgehend vom zugeordneten Auslasskanalboden
in den Auslasskanal hineinragend angeordnet, und zwar soweit, dass ein optimales Abstrahlen
in die benachbarten Randbereiche der Einlasskanäle erzielt werden kann. Die elektrischen
Heizmittel brauchen insoweit nicht sehr weit in den Auslasskanal hineinragen, um ihre
erfindungsgemäße Funktion zu erfüllen.
[0016] Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist der Partikelfilter
zweiteilig aufgebaut. Dieser besteht aus einem scheibenförmigen auslasskanaibodenseitigen
Partikelfilterdeckelteil, an dessen Kontaktseite zu einem Partikelfilterhauptteil
die Heizmittel befestigt sind. Damit erfüllt das Partikelfilterdeckelteil zum Einen
die Funktion eines Trägers für die elektrischen Heizmittel und dient zum Anderen auch
zur Bildung der Auslasskanalböden.
[0017] Beide Teile des Partikelfilters bestehen vorzugsweise aus demselben Filterwerkstoff
und können durch Abtrennen erzeugt werden. Die Auslasskanalböden können durch entsprechend
in das Partikelfilterdeckelteil eingebrachte Stöpselelemente ausgebildet werden. Die
elektrischen Heizmittel sind am Partikelfilterdeckelteil vorzugsweise durch Kleben
mit einem temperaturbeständigen Klebstoff angebracht. Alternativ hierzu ist es auch
denkbar, die Heizmittel lösbar in die Auslasskanalböden des Partikelfilterdeckelteils
einzustecken, was eine leichtere Austauschbarkeit im Reparaturfall gewährleistet.
Die an der Kontaktseite des Partikelfilterdeckelteils befestigten Heizmittel liegen
vorzugsweise in korrespondierenden Ausnehmungen, so dass bei montierten Heizmitteln
eine insgesamt ebene Kontaktseite zum Partikelfilterhauptteil hin entsteht.
[0018] Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Heizmittel auch in Auslasskanalabschnitte
des Partikelfilterdeckelteils in Richtung der Einlassseite hineinragend angeordnet
und damit gänzlich seitens des entsprechend dickeren Partikelfilterdeckelteils platziert
werden. Damit wird eine bessere Führung der Heizmittel erzielt. Die Heizmittel müssen
nämlich nicht notwendigerweise in eine bestimmte Richtung entlang eines Auslasskanals
angeordnet sein. Die Länge der Auslasskanalabschnitte des Partikelfilterdeckelteils
sollte etwas größer sein als die Länge der Heizelemente selbst. Zwischen dem Partikelfilterdeckelteil
und dem Partikelfilterhauptteil kann zudem ein Strömungsspalt beibehalten werden,
wobei die Kanalführung im Partikelfilterhauptteil gegenüber dem Partikelfilterdeckelteil
durch entsprechend eingebrachte Stöpselelemente versetzt erfolgen sollte, um eine
günstige Strömungsführung zu schaffen. Über den bestehenden Strömungsspalt kann in
vorteilhafter Weise die elektrische Verdrahtung der Heizelemente realisiert werden.
Insoweit kann auf ein abgedichtetes Zusammenfügen beider Filterteile verzichtet werden.
[0019] Der erfindungsgemäß ausgebildete Partikelfilter kann gemäß einer weiteren die Erfindung
verbessernden Maßnahme im Rahmen einer Filteranordnung eingesetzt werden, bei welcher
dem Partikelfilter direkt ein Stickoxid-Abscheidermodul nachgeschaltet ist. Das Stickoxid-Abscheidermodul
kommt dabei direkt an der Gasauslassseite des Partikelfilters zur Anlage. Das Stickoxid-Abscheidermodul
dient der Endstickung des Abgases, wobei auch eine Desulfatation vorteilhaft durchgeführt
werden kann. Diese modulare Anordnung ermöglicht eine deutliche Einsparung an platinhaltigen
Beschichtungsmaterialien.
[0020] Durch die direkte Nachschaltung eines Stickoxid-Abscheidermoduls an einen beheizten
Partikelfilter kann die im Verlauf der Regeneration des Partikelfilters frei werdende
exotherme Energie gleichzeitig auch zur Regeneration des nachgeschalteten Stickoxid-Abscheiders
verwendet werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der gesamten Filteranordnung deutlich
verbessert. Durch diesen simultanen Regenerierungsprozess von Partikelfilter und Stickoxid-Abscheider
wird darüber hinaus auch der steuerungstechnische Aufwand deutlich verringert. Die
den beheizten Partikelfilter verlassenden gereinigten Abgase weisen eine Temperatur
von bis zu 700 C° auf. Mit der Abgasströmung wird diese Wärme zum Stickoxid-Abscheidermodul
weitertransportiert und leitet dort eine Regeneration in Form einer Desulfatation
ein. Mit der Desulfatation werden Sulfatablagerungen im Stickoxid - Abscheidermodul
beseitigt, die auf ein relativ hohen Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffes und schwefelhaltige
Bestandteile des Öls zurückzuführen sind.
[0021] Der vorstehend beschriebenen Filteranordnung kann ein weiterer Partikelfilter nachgeschaltet
werden, dem wiederum ein weiteres Stickoxid-Abscheidermodul folgen kann. Dieser weitere
Partikelfilter ist vorzugsweise unbeheizt und mit einer katalytischen Beschichtung
versehen. Die mehrfache Anordnung erhöht den Wirkungsgrad der Filterung erheblich.
Der modulare Aufbau der Filteranordnung bietet auch erhebliche energetische Vorteile.
So ist durch die kompakte Bauweise eine Wärmeintegration zur Senkung des Energiebedarfs
möglich und gleichzeitig können die bei der Regeneration unbeschichteter Partikelfilter
entstehenden Gaskomponenten CO und HC unmittelbar zur Regeneration des nachfolgenden
Stickoxid-Abscheidermoduls eingesetzt und damit abgebaut werden.
[0022] Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren
näher dargestellt. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer aus Partikelfiltern und Stickoxid-Abscheidermodulen
bestehende Filteranordnung,
- Fig. 2
- eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise eines erfindungsgemäß ausgebildeten Partikelfilters,
- Fig. 3
- eine schematische Draufsicht auf die eingangsseitige Stirnfläche des Partikelfilters,
- Fig. 4
- eine schematische Seitenansicht eines geteilt aufgebauten Partikelfilters mit hieran
angebrachten elektrischen Heizmitteln.
- Fig. 5
- eine schematische Seitenansicht eines geteilt aufgebauten Partikelfilters mit hieran
angebrachten elektrischen Heizmitteln in einer anderen Ausführungsform.
[0023] Eine gemäß Fig. 1 aufgebaute Partikelfilteranordnung zum Reinigen von Abgasen eines
Dieselmotors umfasst einen in einem Gehäuse langeordneten beheizten Partikelfilter
2. Eingangsseitig in den Partikelfilter 2 gelangen partikelbeladene Abgase 3, welche
beim Betrieb eines - hier weiter nicht dargestellten - Dieselmotors entstehen.
[0024] Der Partikelfilter 2 ist mit elektrischen Heizmitteln 4 zur Regeneration ausgestattet,
welche an nachstehender Stelle eingehender beschrieben werden. Die den beheizten Partikelfilter
2 verlassenden gereinigten Abgase werden einem angrenzenden Stickoxid-Abscheidermodul
5 zugeführt. Das Stickoxid-Abscheidermodul 5 ist mit einem geeigneten Katalysatormaterial
versehen und dient der Beseitigung von in den Abgasen enthaltenen schädlichen Stickoxiden.
Gemäß des dargestellten Ausführungsbeispiels ist dem Stickoxid-Abscheidermodul 5 ein
weiterer Partikelfilter 6 nachgeschaltet, der hier allerdings unbeheizt ist. Die Regeneration
dieses unbeheizten Partikelfilters 6 wird über die Heizmittel 4 des vorderen Partikelfilters
2 durch die Wärme aus der Partikeloxidation im Partikelfilters 2 mit übernommen. Die
hierfür benötigte Wärme wird über den Abgasstrom entsprechend weitergeleitet. Der
unbeheizte Partikelfilter 6 ist mit einer katalytischen Beschichtung versehen. Entsprechend
des hier dargestellten modulartigen Aufbaus folgt dem unbeheizten Partikelfilter 6
schließlich wiederum ein weiteres Stickoxid-Abscheidermodul 7. Die über diese alternierende
Filteranordnung gereinigten Abgase 8 gelangen nach Verlassen des Gehäuses 1 an die
Atmosphäre.
[0025] Gemäß Fig. 2 besteht der beheizbare Partikelfilter 2 aus topfförmig ausgebildeten
Einlasskanälen 9, sowie parallel benachbart zu den Einlasskanälen 9 angeordneten Auslasskanäle
10. Zur Bildung der Topfform sind die Einlasskanäle 9 endseitig mit einem Einlasskanalboden
11 versehen; die Auslasskanäle 10 sind eingangsseitig mit einem Auslasskanalboden
12 verschlossen. Durch ihre Ausrichtung strömen in die Einlasskanäle 9 die partikelbeladenen
Abgase 3 zur Filterung ein. Diese durchströmen die porösen Wandabschnitte 13, welche
durch die benachbarte Anordnung der Einlasskanäle 9 zu den Auslasskanälen 10 gebildet
werden, und gelangen durch die Auslasskanäle 10 hindurch als gereinigte Abgase 8 an
die Atmosphäre. In Folge der Filterung der partikelbeladenen Abgase 3 durch die porösen
Wandabschnitte 13 setzt sich seitens des Einlasskanals 9 eine Partikelschicht 14 an
den Wandabschnitten 13 ab.
[0026] Zur Regeneration des Partikelfilters 2 sind elektrische Heizmittel 15a, 15b vorgesehen,
die in den Auslasskanälen 10 im Bereich des Auslasskanalbodens 12 angeordnet sind.
[0027] Zur Einsparung elektrischer Energie werden die elektrischen Heizmittel 15a, 15b mit
einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung betrieben, welche durch eine Generatoreinheit
16, ausgehend von der Spannungsquelle 17 erzeugt wird. Die elektrischen Heizmittel
15 sind nach Art eines gewendelten Kantal-Drahts ausgebildet und sind ausgehend vom
zugeordneten Auslasskanalboden 12 in den Auslasskanal 10 hineinragend angeordnet.
[0028] Die von den elektrischen Heizmitteln 15 abgegebene Wärmestrahlung durchdringt die
Wandabschnitte 13 im Bereich der zugeordneten Auslasskanalböden 12, erwärmt die Beschichtung
bis auf die Aktivierungstemperatur und löst damit das Abbrennen der in den angrenzenden
Einlasskanälen 9 befindlichen Partikelschicht 14 aus.
[0029] Durch die den Partikelfilter 2 durchströmenden Abgase wird die Wärme entlang der
Partikelschicht 14 in Richtung der Einlasskanalböden 11 zum Abbrennen der gesamten
Partikelschicht 14 weitertransportiert, wobei das Abbrennen nach dem Start selbsttätig
erfolgt (exotherme Reaktion).
[0030] Gemäß Fig. 3 grenzen an die mit elektrischen Heizmitteln 15 ausgerüsteten Auslasskanäle
10a jeweils unbeheizte Auslasskanäle 10b an. Die unbeheizten Auslasskanäle 10b sind
gegenüber den beheizten Auslasskanälen 10a nicht mit einem elektrischen Heizmittel
15 versehen. Wie hier dargestellt, besitzen die Auslasskanäle 10 sowie die Einlasskanäle
9 einen quadratischen Querschnitt, so dass bei der gezeigten Anordnung der elektrischen
Heizmittel 15 lediglich 25 % der Auslasskanäle 10 mit einem elektrischen Heizmittel
15 zu versehen sind, um eine vollständige Regeneration des Partikelfilters 2 zu ermöglichen.
[0031] Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist der Partikelfilter 2 zweiteilig aufgebaut und besteht
aus einem einlassseitigen scheibenförmigen Partikelfilterdeckelteil 18, das eine Kontaktseite
20 aufweist, welche mit einem Partikelfilterhauptteil 19 in Kontakt tritt. Das Partikelfilterdeckelteil
17 dient vornehmlich der Befestigung oder Aufnahme der Heizmittel 15. Die Heizmittel
15 sind in diesem Ausführungsbeispiel durch Kleben mit einem temperaturbeständigen
Klebstoff mit dem Partikelfilterdeckelteil 18 verbunden. Um im befestigten Zustand
der Heizmittel 15 eine ebene Kontaktseite 20 zum Partikelfilterhauptteil 19 zu bilden,
sind die Heizmittel 15 innerhalb korrespondierender Ausnehmungen an der Kontaktseite
20 des Partikelfilterdeckelteils 18 eingelegt. Nach Zusammenfügen des Partikelfilterdeckelteils
18 mit dem Partikelfilterhauptteil 19 entsteht der erfindungsgemäße beheizbare Partikelfilter
2.
[0032] Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 5 sind die Heizmittel 15a in die einzelnen Auslasskanalabschnitte
10a des Partikelfilterdeckelteils 18a in Richtung der Einlassseite hineinragend angeordnet
und damit gänzlich seitens des entsprechend dickeren Partikelfilterdeckelteils 18a
platziert. Die Länge der Auslasskanalabschnitte 10a des Partikelfilterdeckelteils
18a ist etwas größer als die Länge der Heizelemente 15a. Zwischen dem Partikelfilterdeckelteil
18a und dem Partikelfilterhauptteil 19a besteht zudem ein Strömungsspalt 22, wobei
die Kanalführung im Partikelfilterhauptteil 19a gegenüber dem Partikelfilterdeckelteil
18a durch entsprechend eingebrachte Stöpselelemente 21a versetzt erfolgt, um eine
günstige Strömungsführung zu schaffen. Über den bestehenden Strömungsspalt 22 erfolgt
die elektrische Verdrahtung der Heizelemente 15a.
Bezugszeichenliste
[0033]
- 1
- Gehäuse
- 2
- Partikelfilter, beheizt
- 3
- Abgase, partikelbeladen
- 4
- Heizmittel
- 5
- Stickoxid-Abscheidermodul
- 6
- Partikelfilter, unbeheizt
- 7
- Stickoxid-Abscheidermodul
- 8
- Abgase, gereinigt
- 9
- Einlasskanal
- 10
- Auslasskanal
- 11
- Einlasskanalboden
- 12
- Auslasskanalboden
- 13
- Wandabschnitt
- 14
- Partikelschicht
- 15
- Heizmittel
- 16
- Generatoreinheit
- 17
- Spannungsquelle
- 18
- Partikelfilterdeckelteil
- 19
- Partikelfilterhauptteil
- 20
- Kontaktseite
- 21
- Stöpselelement
- 22
- Strömungsspalt
1. Partikelfilter zum Reinigen von motorischen Abgasen, mit topfförmig ausgebildeten
Einlasskanälen (9), die endseitig mit einem Einlasskanalboden (11) versehen sind und
in welche partikelbeladene Abgase (3) einströmen, sowie parallel benachbart zu den
Einlasskanälen (9) angeordnete Auslasskanäle (10), welche endseitig mit einem Auslasskanalboden
(12) versehen sind und welche die gereinigten Abgase (8) ableiten, wobei sich infolge
der Filterung an den dazwischenliegenden porösen, durchströmten Wandabschnitten (13)
seitens des Einlasskanals (9) eine Partikelschicht (14) absetzt, die zur Regeneration
über elektrische Heizmittel (15) abbrennbar ist, und die elektrischen Heizmittel (15)
in zumindest einem Teil der Auslasskanäle (10) derart auf der Seite des gereinigten
Abgases im Bereich des Auslasskanalbodens (12) angeordnet sind, dass die von den elektrischen
Heizmitteln (15) abgegebene Wärmestrahlung das Abbrennen der in den angrenzenden Einlasskanälen
(9) befindlichen Partikelschicht (14) auslöst,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelfilter zweiteilig aufgebaut ist, wobei der Partikelfilter aus einem Partikelfilterhauptteil
(19) und aus einem scheibenförmigen auslasskanalbodenseitigen Partikelfilterdeckelteil
(18) besteht, an der Kontaktseite (20) des Partikelfilterdeckelteils (18) zu dem Partikelfilterhauptteil
(19) die elektrischen Heizmittel (15) befestigt sind, und der Partikelfilterdeckelteil
(18) zur Bildung des Auslasskanalbodens (12) dient.
2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die mit elektrischen Heizmitteln (15) ausgerüsteten Auslasskanäle (10a) jeweils
unbeheizte Auslasskanäle (10b) angrenzen, um die Gesamtzahl der elektrischen Heizmittel
(15) zu reduzieren.
3. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einsparung elektrischer Energie die Heizmittel (15) mit einer pulsweitenmodulierten
Versorgungsspannung betrieben werden, welche zum Auslösen des Abbrennens der Partikelschicht
(14) während einer definierten Zeitdauer bereitgestellt wird.
4. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15) nach Art eines gewendelten Kantal-Drahts ausgebildet sind.
5. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen den Auslasskanalböden (12) zugeordneten Heizmittel (15) zumindest teilweise
in Serie zueinander geschalten sind.
6. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15) ausgehend vom zugeordneten Auslasskanalboden (12) in den Auslasskanal
(10) hineinragend angeordnet sind.
7. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15) durch Kleben mit einem temperaturbeständigen Klebstoff unlösbar
mit dem Partikelfilterdeckelteil (18) verbunden sind.
8. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15) die Auslasskanalböden (11) des Partikelfilterdeckelteils (18)
lösbar eingesteckt sind.
9. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Stöpselelemente (21) vorgesehen sind, welche zur Bildung der Auslasskanalböden (11)
die Auslasskanäle (10) verschließen.
10. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (15c) in Auslasskanalabschnitte (10a) des Partikelfilterdeckelteils
(18a) in Richtung der Einlassseite hineinragend angeordnet sind, wobei die Länge der
Auslasskanalabschnitte (10a) des Partikelfilterdeckelteils (18a) zumindest der Länge
der Heizelemente (15c) entspricht.
11. Partikelfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Partikelfilterdeckelteil (18a) und dem Partikelfilterhauptteil (19a)
ein Strömungsspalt (22) besteht, wobei die Kanalführung im Partikelfilterhauptteil
(19a) gegenüber dem Partikelfilterdeckelteil (18a) versetzt erfolgt.
12. Partikelfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die versetzte Kanalführung zwischen dem Partikelfilterhauptteil (19a) und dem Partikelfilterdeckelteil
(18a) über in der Stirnfläche des Partikelfilterhauptteils (19a) entsprechend eingebrachte
Stöpselelemente (21a) erfolgt.
1. A particulate filter for purifying combustion engine exhaust gases, comprising pot-shaped
intake ports (9) which are provided on the end side with an intake port floor (11)
and in which particulate-loaded exhaust gases (3) flow in, and exhaust ports (10)
which are arranged parallel adjacent to the intake ports (9), are provided on the
end side with an exhaust port floor (12) and discharge the purified exhaust gases
(8), with a particulate layer (14) being deposited as a result of the filtering on
the interposed porous wall sections (13) on the side of the intake port (9) which
are flowed through, which layer can be incinerated for regeneration via electric heating
means (15), and the electric heating means (15) being arranged in at least a part
of the exhaust ports (10) in such a way on the side of the purified exhaust gas in
the region of the exhaust port floor (12) that the thermal radiation emitted by the
electric heating means (15) triggers the incineration of the particulate layer (14)
disposed in the adjacent intake ports (9),
characterized in that
the particulate filter is arranged in two parts, with the particulate filter consisting
of a particulate-filter main part (19) and a disk-like particulate-filter cover part
(18) on the side of the exhaust port floor, with the electric heating means (15) being
fastened on the contact side (20) of the particulate-filter cover part (18) to the
particulate-filter main part (19), and the particulate-filter cover part (1) being
used for forming the exhaust port floor (12).
2. A particulate filter according to claim 1, characterized in that unheated exhaust ports (10b) are each adjacent to the exhaust ports (10a) provided
with electric heating means (15) in order to reduce the total number of electric heating
means (15).
3. A particulate filter according to claim 1, characterized in that for saving electric power the heating means (15) are operated with a pulse-width
modulated supply voltage which is provided for triggering the incineration of the
particulate layer (14) during a defined period of time.
4. A particulate filter according to claim 1, characterized in that the heating means (15) are arranged in the manner of a coiled Kantal wire.
5. A particulate filter according to claim 1, characterized in that the individual heating means (15) which are associated with the exhaust port floors
(12) are connected at least partly in series with one another.
6. A particulate filter according to claim 1, characterized in that originating from the associated exhaust port floor (12) the heating means (15) are
arranged to protrude into the exhaust port (10).
7. A particulate filter according to claim 1, characterized in that the heating means (15) are connected in a non-detachable manner with the particulate-filter
cover part (18) by gluing with a temperature-resistant adhesive.
8. A particulate filter according to claim 1, characterized in that the heating means (15) are detachably inserted into the exhaust port floors (11)
of the particulate-filter cover part (18).
9. A particulate filter according to claim 1, characterized in that plug elements (21) are provided which seal the exhaust ports (10) for forming the
exhaust port floors (11).
10. A particulate filter according to claim 1, characterized in that the heating means (15c) are arranged in exhaust port sections (10a) of the particulate-filter
cover part (18a) to protrude in the direction of the intake side, with the length
of the exhaust port sections (10a) of the particulate-filter cover part (18a) corresponding
at least to the length of the heating elements (15c).
11. A particulate filter according to claim 10, characterized in that a flow gap (22) exists between the particulate-filter cover part (18a) and the particulate-filter
main part (19a), with the guidance of the port in the particulate-filter main part
(19a) occurring in an offset manner in relation to the particulate-filter cover part
(18a).
12. A particulate filter according to claim 11, characterized in that the offset guidance of the port between the particulate-filter main part (19a) and
the particulate-filter cover part (18a) occurs through plug elements (21a) introduced
accordingly in the face surface of the particulate-filter main part (19a).
1. Filtre à particules pour l'épuration de gaz d'échappement de moteur, avec des canaux
d'entrée (9) en forme de pot pourvus à leur extrémité d'un fond de canal d'entrée
(11) et dans lesquels pénètrent des gaz d'échappement chargés de particule (3), et
avec des canaux de sortie (10) disposés à proximité et parallèlement aux canaux d'entrée
(9), qui sont pourvus à leur extrémité d'un fond de canal de sortie (12) et qui évacuent
les gaz d'échappement purifiés (8), dans lequel, à la suite de la filtration, un couche
de particules (14) se dépose sur les sections de paroi (13) poreuses parcourues par
le flux qui se trouvent entre eux du côté du canal d'entrée (9) et peut être brûlée
par des moyens de chauffage électriques (15) en vue de la régénération, et les moyens
de chauffage électriques (15) sont disposés dans au moins une partie des canaux de
sortie (10) du côté des gaz d'échappement purifiés au niveau du fond du canal de sortie
(12) de telle sorte que la chaleur rayonnée par les moyens de chauffage électriques
(15) déclenche la combustion de la couche de particules (14) qui se trouve dans les
canaux d'entrée (9) contigus,
caractérisé en ce que le filtre à particules est construit en deux parties, le filtre à particules se composant
d'une partie principale de filtre à particules (19) et d'une partie de couvercle de
filtre à particule (18) en forme de disque située du côté du fond du canal de sortie,
les moyens de chauffage électriques (15) étant fixés sur la face de contact (20) de
la partie de couvercle du filtre à particules (18) vers la partie principale du filtre
à particules (19) et la partie de couvercle du filtre à particules (18) servant à
former le fond du canal de sortie (12).
2. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que des canaux de sortie (10b) non chauffés sont contigus aux canaux de sortie (10a)
équipés de moyens de chauffage électriques (15) afin de réduire le nombre total des
moyens de chauffage électriques (15).
3. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en vue d'économiser de l'énergie électrique, les moyens de chauffage (15) fonctionnent
avec une tension d'alimentation modulée en amplitude, qui est fournie pour déclencher
la combustion de la couche de particules (14) pendant une durée définie.
4. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (15) sont réalisés selon le type d'une spirale de Kanthal.
5. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (15) associés aux différents fonds de canal de sortie (12)
sont partiellement montés en série les uns avec les autres.
6. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (15) sont disposés de façon à dépasser dans le canal de sortie
(10) à partir du fond de canal de sortie (12) correspondant.
7. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (15) sont reliés de façon inamovible à la partie de couvercle
du filtre à particules (18) par collage avec un adhésif résistant à haute température.
8. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (15) sont insérés de façon amovible dans les fonds de canal
de sortie (11) de la partie de couvercle du filtre à particules (18).
9. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu des éléments formant bouchons (21) qui ferment les canaux de sortie (10)
pour former les fonds des canaux de sortie (11).
10. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (15c) sont disposés dans des segments de canal de sortie
(10a) de la partie de couvercle du filtre à particules (18a) de façon à dépasser en
direction du côté d'entrée, la longueur des segments de canal de sortie (10a) de la
partie de couvercle du filtre à particules (18a) correspondant au moins à la longueur
des éléments chauffants (15c).
11. Filtre à particules selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il existe entre la partie de couvercle du filtre à particules (18a) et la partie principale
du filtre à particules (19a) un intervalle d'écoulement (22), le passage des canaux
dans la partie principale du filtre à particules (19a) étant décalé par rapport à
la partie de couvercle du filtre à particules (18a).
12. Filtre à particules selon la revendication 11, caractérisé en ce que le passage décalé des canaux entre la partie principale du filtre à particules (19a)
et la partie de couvercle du filtre à particules (18a) passe par des éléments de bouchon
(21a) disposés de façon correspondante dans la face d'extrémité de la partie principale
du filtre à particules (19a).
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