Partikelfilter für eine Abgasanlage

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für eine Abgasanlage, der insbesondere als motornaher Partikelaufnahmespeicher verwendet werden kann.

Ein solcher Partikelaufnahmespeicher ist aus dem deutschen

Gebrauchsmuster DE 20 2005 001 257 bekannt. Er dient dazu, einen Teil der im Abgasstrom enthaltenen Partikel, insbesondere Rußpartikel eines Dieselmotors, aus dem Abgas zu entfernen. Um den Partikelaufnahmespeicher zu regenerieren, wird ein NO ₂ -Oxidationseffekt verwendet, der darin besteht, die im Partikelaufnahmespeicher zurückgehaltenen Rußpartikel, die aus Kohlenstoff bestehen, mit NO ₂ im Abgas oxidieren zu lassen, so daß Stickstoff und CO ₂ entsteht. Diese Reaktion benötigt allerdings Temperaturen ab etwa 25O ⁰ C.

Aus dem genannten Gebrauchsmuster ist bekannt, den als

Partikelaufnahmespeicher wirkenden Partikelfilter möglichst nahe am Verbrennungsmotor anzuordnen, beispielsweise im Bereich des

Abgaskrümmers, so daß im Partikelfilter möglichst schnell die Temperaturen erreicht werden, die zum Beginn des Regenerationsprozesses notwendig sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Partikelfilter für die Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine dahingehend weiterzuentwickeln, daß die für den Beginn der Regeneration erforderliche Temperaturschwelle möglichst schnell überschritten wird.

Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck ein Partikelfilter für eine Abgasanlage vorgesehen, mit einem Gehäuse, einem Eingang, einem Ausgang und einem Filtersubstrat, das im Strömungsweg vom Eingang zum Ausgang angeordnet ist, wobei das Filtersubstrat ein Hohlkörper ist, dessen Innenraum mit dem Eingang in Strömungsverbindung steht, so daß der Strömungsweg vom Eingang durch das Filtersubstrat und dann zum Ausgang führt. Diese Gestaltung des Partikelfilters gewährleistet, daß der Abgasstrom, nachdem er in das Gehäuse des Partikelfilters eingetreten ist, zuerst mit dem Filtersubstrat in Berührung kommt und erst anschließend mit dem Gehäuse des Partikelfilters. Auf diese Weise kann der Abgasstrom zuerst das Filtersubstrat aufheizen, bevor er mit

dem Gehäuse in Berührung kommt, wodurch ihm eine vergleichsweise große Wärmemenge entzogen wird.

Um die zur Filterung zur Verfügung stehende Oberfläche zu vergrößern, kann gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, daß im Inneren des Filtersubstrates ein zweites Filtersubstrat angeordnet ist, das ebenfalls ein Hohlkörper ist, wodurch ein zweiter Strömungsweg aus dem Innenraum des ersten

Filtersubstrates durch das zweite Filtersubstrat in dessen Innenraum hinein und von dort zum Ausgang eröffnet ist. Auch bei dieser Ausgestaltung kommt der

Abgasstrom nicht unmittelbar mit dem Gehäuse des Partikelfilters in Kontakt, so daß eine unerwünschte Wärmeabfuhr verhindert ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß das Filtersubstrat ein Metallschaum ist. Dies ermöglicht, mit vergleichsweise geringem Aufwand eigenstabile Hohlkörper mit der gewünschten Porengröße zu erzeugen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:

- Figur 1 schematisch eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasanlage, die einen erfindungsgemäßen Partikelfilter enthält;

- Figur 2schematisch einen Schnitt durch den als Partikelaufnahmespeicher ausgebildeten Partikelfilter der Abgasanlage von Figur 1 ;

- Figur 3schematisch einen Schnitt durch das Filtersubstrat des Partikelfilters von Figur 2;

- Figur 4eine Draufsicht auf den beim Partikelfilter von Figur 2 verwendeten

Halter für das Filtersubstrat;

- Figur δschematisch einen Schnitt durch eine alternative Ausgestaltung des Partikelfilters;

- Figur θschematisch einen Schnitt durch die beim Partikelfilter von Figur 5 verwendeten Filtersubstrate;

- Figur 7eine Draufsicht auf den beim Partikelfilter von Figur 5 verwendeten Halter für die Filtersubstrate;

- Figur βschematisch eine weitere Ausgestaltung eines Partikelfilters;

- Figur θschematisch einen Schnitt durch die beim Partikelfilter von Figur 8 verwendeten Filtersubstrate;

- Figur 10eine schematische Draufsicht auf den Halter für die Filtersubstrate des Partikelfilters von Figur 8.

In Figur 1 ist eine Diesel-Verbrennungskraftmaschine 1 gezeigt, der über eine Einspritzdüse 2 Dieselkraftstoff zugeführt wird. Die nötige Kraftstoffmenge wird bemessen von einer Steuereinheit 3, die mit Signalen von einem Luftmassenmesser 4, einem Drosselventil 5 und einem Druckdifferenzsensor 5' versorgt wird. Die Steuereinheit 3 wiederum steuert ein Abgasrückführventil 6 und einen Turbolader 7. Abgasseitig sind ein DeNOx-Katalysator 8 und ein Partikelfilter 9 vorgesehen.

Zusätzlich ist die Abgasanlage mit einem Partikelfilter 10 versehen, der als

Partikelaufnahmespeicher wirkt. Der Partikelaufnahmespeicher filtert nur einen Teil der Partikel aus dem Abgas, die via CRT-Effekt umgesetzt werden, um den (Haupt-)Partikelfilter 9 zu entlasten. Der Partikelfilter 10 ist vergleichsweise nah an der Verbrennungskraftmaschine 1 angeordnet, vorzugsweise unmittelbar anschließend an den Abgaskrümmer. Dies gewährleistet, daß der Abgasstrom, wenn er in den Partikelfilter 10 eintritt, eine vergleichsweise hohe Temperatur hat.

In Figur 2 ist der Partikelfilter 10 im Schnitt gezeigt. Er weist einen Eingang 12 auf, ein Gehäuse 14, in welches der Eingang 12 mündet, sowie einen Ausgang 16 vom Gehäuse. Im Inneren des Gehäuses 14 ist ein Filtersubstrat 18 angeordnet, welches als Hohlzylinder ausgeführt ist. Es besteht aus einem Metallschaum, der eigenstabil ist. Wie in Figur 3 zu sehen ist, ist das Filtersubstrat 18 ein Verbundbauteil, welches aus einem äußeren Einzelsubstrat 20 und einem inneren Einzelsubstrat 22 besteht, die beide fest miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Sintern. Die typische Porengröße des äußeren Substrats 20 beträgt 800 μm, und die typische Porengröße des inneren Filtersubstrats 22 beträgt 1200 μm. Das Filtersubstrat 18 ist außerdem mit einer

katalytisch wirksamen Beschichtung versehen. Dies ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt (siehe beispielsweise die europäische Patentanmeldung 1 515 012). Der Partikelfilter 10 ist somit eine Kombination aus einem Teilfilter und einem DOC.

Das Filtersubstrat 18 ist im Inneren des Gehäuses 14 so angeordnet, daß der

Innenraum des hohlzylindrischen Filtersubstrates unmittelbar mit dem Eingang 12 in Strömungsverbindung steht, während der Außenraum um das Filtersubstrat 18 herum unmittelbar mit dem Ausgang 16 des Partikelfilters 10 in Strömungsverbindung steht. Zu diesem Zweck ist das stromaufwärtige Ende des hohlzylindrischen Filtersubstrats 18 auf einem Bund 24 angeordnet, der beispielsweise als Verlängerung eines Eingangsrohres ausgebildet sein kann. Das stromabwärtige Ende des hohlzylindrischen Filtersubstrates 18 ist auf einem Auflagebund 26 angeordnet, der Teil eines Halters 28 ist. Der Halter 28 ist (abgesehen vom Auflagebund 26) allgemein scheibenförmig und stützt sich mit seinem Außenumfang auf der Innenseite des Gehäuses 14 ab. Mittig ist er mit einer Platte 30 versehen (siehe Figur 4), welche das stromabwärtige Ende des hohlzylindrischen Filtersubstrates 18 verschließt. Außerhalb des Radius, der vom Auflagebund 26 definiert ist, ist der Halter 28 mit mehreren Durchtrittsöffnungen 32 versehen.

Der Abgasstrom A tritt durch den Eingang 12 in den Partikelfilter 10 ein, genauer gesagt in das Innere des hohlzylindrischen Filtersubstrates 18. Da dessen stromabwärtiges Ende von der Platte 30 verschlossen ist, muß der Abgasstrom A das Filtersubstrat 18 von innen nach außen durchströmen. Dabei wird ein Teil der im Abgas A enthaltenen Partikel im Filtersubstrat 18 zurückgehalten. Das gereinigte Abgas sammelt sich dann in dem das Filtersubstrat 18 umgebenden Ringraum zwischen dem Gehäuse 14 und dem Filtersubstrat 18 und strömt von dort durch die Durchtrittsöffnungen 32 zum Ausgang 16. Wesentlich an dem Strömungsweg für das Abgas A ist, daß es zuerst das Filtersubstrat 18 durchströmt, bevor es mit dem Gehäuse 14 des Partikelfilters in Berührung kommt. Das Filtersubstrat kann sich aufgrund seiner vergleichsweise geringen thermischen Masse sehr schnell aufheizen, während das Gehäuse 14 zum einen aufgrund seiner thermischen Masse und zum anderen aufgrund der unvermeidbaren Kühlung durch die Umgebungsluft sich vergleichsweise langsam aufwärmt. Somit kann, insbesondere nach einem

Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 1 , das erzeugte Abgas das Filtersubstrat 18 vergleichsweise schnell erwärmen, da es nahezu ungekühlt mit diesem in Berührung kommt. Dadurch wird die für die Regeneration des Filtersubstrates notwendige Temperatur von etwa 25O ⁰ C mit dem erfindungsgemäßen Partikelfilter sehr schnell erreicht.

Für den gezeigten Partikelfilter kann ein Filtersubstrat verwendet werden, welches einen Durchmesser von knapp 60 mm bei einer Länge von knapp 180 mm aufweist. Der Innendurchmesser des Gehäuses 14 beträgt beispielsweise

110 mm. Die Dicke der Wand des Filtersubstrates 18 kann in der Größenordnung von 10 mm betragen.

In den Figuren 5 bis 7 ist eine zweite Ausführungsform eines Partikelfilters gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht darin, daß bei der zweiten Ausführungsform im Inneren des Filtersubstrates 18 ein zweites Filtersubstrat 40 angeordnet ist. Dieses ist ebenfalls ein Hohlzylinder aus Metallschaum, der einen doppelschichtigen Aufbau hat. Im Unterschied zum Filtersubstrat 18 ist hier jedoch die Schicht mit den größeren Poren auf der Außenseite angeordnet. Das zweite Filtersubstrat 40 ist konzentrisch innerhalb des ersten Filtersubstrates 18 angeordnet. Zu diesem Zweck ist eingangsseitig ein zweiter Bund 42 vorgesehen, der das stromaufwärtige Ende des zweiten Filtersubstrates 40 stützt und außerdem mittig den Zugang zum Innenraum des Hohlzylinders verschließt. Am stromabwärtigen Ende ist ein zweiter Auflagebund 44 am Halter 28 vorgesehen, auf dem das zweite Filtersubstrat 40 gelagert ist. Mittig ist eine Durchtrittsöffnung 46 vorgesehen.

Das in den Partikelfilter 10 einströmende Abgas strömt in den Ringraum ein, der innerhalb des ersten Filtersubstrates 18, jedoch außerhalb des zweiten Filtersubstrates 40 gebildet ist. Aus diesem Ringraum kann das Abgas entweder nach außen, also durch das erste Filtersubstrat 18, oder nach innen, dann durch das zweite Filtersubstrat 40, strömen und anschließend weiter zum Ausgang 16. Auch bei dieser Ausgestaltung kommt der Abgasstrom erst dann mit dem

vergleichsweise kalten Gehäuse 14 in Berührung, nachdem es das Filtersubstrat 18 durchströmt hat. Der durch das zweite Filtersubstrat 40 strömende Anteil des Abgasstromes kommt überhaupt nicht mit dem Gehäuse 14 in Berührung.

Aus strömungstechnischen Gründen ist der Querschnitt, durch den der Abgasstrom in den Ringraum zwischen den beiden Filtersubstraten 18, 40 einströmt, gleich dem Gesamtquerschnitt der Abgasanlage stromaufwärts des

Partikelfilters 10. Denselben Wert hat auch die Summe aus den Flächen der

Durchtrittsöffnungen 32 und der Durchtrittsöffnung 46.

In den Figuren 8 bis 10 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt. Für die bereits von vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insofern auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Der Unterschied zwischen der dritten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform besteht darin, daß bei der dritten Ausführungsform die beiden Filtersubstrate 18, 40 nicht als Zylinder mit konstantem Radius ausgeführt sind, sondern als hohle Kegelabschnitte, die in entgegengesetzten Richtungen ineinandergesetzt sind. Wie in Figur 8 zu sehen ist, ist der vom zweiten Filtersubstrat 40 gebildete Kegelabschnitt so in den vom ersten Filtersubstrat 18 gebildeten Kegelabschnitt eingesetzt, daß dessen Basisfläche etwa mit der Deckfläche des vom ersten Filtersubstrat 18 gebildeten Kegelabschnittes zusammenfällt. Dementsprechend ist am stromabwärtigen Ende auch nur ein Auflagebund 26 am Halter 28 erforderlich. Dieser Auflagebund dient innenseitig als Abstützung für das stromabwärtige, größere Ende des vom zweiten Filtersubstrat 40 gebildeten Kegelabschnitt und außenseitig zur Abstützung des kleineren Endes des vom ersten Filtersubstrats 18 gebildeten Kegelabschnittes.

Auch bei der dritten Ausführungsform strömt der Abgasstrom in den Raum zwischen den beiden Filtersubstraten 18, 40 ein. In gleicher Weise wie bei der zweiten Ausführungsform kann der Abgasstrom den Raum entweder nach innen verlassen, also durch das zweite Filtersubstrat 40 hindurch, oder nach außen, also durch das erste Filtersubstrat 18 hindurch.

Allgemein besteht der Vorteil der zweiten und der dritten Ausführungsform darin, daß bei etwa gleicher Packungsgröße eine größere Querschnittsfläche am

Filtersubstrat für die Durchströmung zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases durch das Filtersubstrat verringert werden, was zu einer höheren Wirksamkeit als Filter, zu einer höheren Wirksamkeit der katalytischen wirksamen Beschichtung und zu einem verringerten Druckverlust führt.

Als Alternative zum Metallschaum kann für die Filtersubstrate 18, 40 auch ein Keramikschaum verwendet werden.

Es ist nicht notwenig, einen DeNOx-Katalysator zu verwenden. Die Möglichkeiten, die sich durch den Partikelfilter 10 ergeben, sind die folgenden: Durch Wegfall des CRT-Effektes für den Hauptfilter besteht die Möglichkeit, die Strecke zwischen dem Partikelfilter 10 und dem (Haupt-)Partikelfilter 9 zu nutzen, um einen DeNOx-Katalysator anzuordnen. Alternativ gibt es die Möglichkeit, den CRT-Effekt zweimal zu nutzen, nämlich einmal im Partikelfilter 10 und dann noch einmal, wenn auch seltener (Temperatur ist niedriger) im (Haupt-)Partikelfilter 9, da der beschichtete Partikelfilter 10 das NO ₂ quasi recycelt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, den (Haupt-)Partikelfilter 9 entweder kleiner zu bauen, da er weniger Ruß filtern muß, oder ein günstigeres Substrat zu verwenden (z.B. Coderite) oder den (Haupt-) Partikelfilter 9 seltener heiß (also mit Sauerstoff plus Wärme) zu regenerieren.

Bezuαszeichenliste

1 Diesel-Verbrennungskraftmaschine

2 Einspritzdüse

3 Steuereinheit

4 Luftmassenmesser

5 Drosselventil

5' Druckdifferenzsensor

6 Abgasrückführventil

7 Turbolader

8 DeNOx-Katalysator

9 Partikelfilter

10 Partikelfilter/Partikelaufnahmespeicher

12 Eingang

14 Gehäuse

16 Ausgang

18 Filtersubstrat

20 äußeres Substrat

22 inneres Substrat

24 Bund

26 Auflagebund

28 Halter

30 Platte

32 Durchtrittsöffnung

40 zweites Filtersubstrat

42 zweiter Bund

44 Auflagebund

46 Durchtrittsöffnung