DE10062348A1

DE10062348A1 - Process for regeneration of a particle filter and particle filter

Info

Publication number: DE10062348A1
Application number: DE2000162348
Authority: DE
Inventors: Rainer Buck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2002-06-20
Also published as: WO2002048513A1

Abstract

The invention relates to a method for regenerating a particulate filter and to a corresponding particulate filter, which serve to filter soot particulates out of exhaust gases of an internal combustion engine, whereby separate partial areas of the filter are regenerated in succession. A periodically performed regeneration of the various partial areas ensures a continuous operation of the filter with, at the same time, an energetically efficient regeneration.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters beziehungsweise von einem Partikelfilter nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Aus der US 5 259 190 ist schon ein Partikelfilter bekannt, der durch elektrische Beheizung regeneriert werden kann. Bei diesem Filter wird im Falle der Regeneration eine gleichmäßige Beheizung der gesamten Querschnittsfläche erzielt, so dass alle Filterzellen gleichzeitig regeneriert werden.The invention is based on a method for regeneration a particle filter or one Particle filter according to the genus of the independent claims. A particle filter is already known from US Pat. No. 5,259,190. which can be regenerated by electrical heating. at this filter becomes a in the case of regeneration uniform heating of the entire cross-sectional area achieved so that all filter cells regenerate at the same time become.

Advantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise das erfindungsgemäße Partikelfilter mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass eine sich selbst regelnde energetisch effiziente Regeneration durch eine definierte Verteilung von regenerierten, teilbeladenen und vollständig beladenen Zellen des Partikelfilters gewährleistet ist. Die jeweils maximal mit Ruß beladenen Zellen können gezündet werden und brennen frei, die nicht vollständig beladenen sammeln vorzugsweise Ruß, da sie wegen ihres geringeren Strömungswiderstands von einem höheren Abgasanteil durchströmt werden, bis auch sie voll beladen sind. Die periodisch erfolgende Regeneration eignet sich insbesondere für Nachrüstlösungen mechanischer Einspritzpumpen, da kein Eingriff in das Einspritzsystem nötig ist, wie es beispielsweise bei kraftstoffunterstützten Regenerationsmechanismen der Fall ist. Dadurch, dass periodisch jeweils die am meisten mit Rußpartikeln beladenen Filterzellen regeneriert werden, wird Heizleistung gespart, da mit Rußpartikeln beladene Filterzellen einen höheren Strömungswiderstand aufweisen und somit relativ zu den anderen Filterzellen von weniger Abgas durchströmt werden, so dass weniger Energie zur thermischen Aktivierung des Rußabbrandes bereitgestellt werden muss. Die Heizleistung wird also zielgenau in einem jeweils genau definierten Teilbereich und zu bestimmten Zeiten appliziert, und das Verfahren stellt einen kontinuierlichen Filter- und Motorbetrieb sicher.The method according to the invention or the Particle filter according to the invention with the characteristic In contrast, features of the independent claims have the Advantage of being self-regulating energetically efficient regeneration through a defined distribution of regenerated, partially loaded and fully loaded Particle filter cells is guaranteed. The each cells loaded with soot can be ignited and burn freely, collect the not fully loaded preferably soot because it is less Flow resistance from a higher proportion of exhaust gas flow through until they are fully loaded. The Periodic regeneration is particularly suitable for retrofit solutions for mechanical injection pumps, since none Intervention in the injection system is necessary as it is for example with fuel-assisted Regeneration mechanisms are the case. As a result of that periodically the most loaded with soot particles Filter cells are regenerated, heating power is saved, because filter cells loaded with soot particles have a higher one Have flow resistance and thus relative to the other filter cells have less exhaust gas flowing through them, so less energy for thermal activation of the Soot erosion must be provided. The heating power is therefore precisely defined in each case Partial and applied at certain times, and that Process represents a continuous filter and Engine operation safe.

Durch in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahren beziehungsweise Partikelfilter möglich.By measures listed in the dependent claims are advantageous developments and improvements in the method specified in the independent claims or particle filter possible.

drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Partikelfilter, Fig. 2 die Querschnittsseitenansicht einer Filterzelle, Fig. 3a und b ein Partikelfilter mit Heizelement beziehungsweise eine Detailansicht des Heizelements, Fig. 3c eine Heizvorrichtung mit fünf Teilbereichen sowie Fig. 4 die Detailansicht eines alternativen Heizelements. Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. In the drawings Fig. 1 is a particle filter, Fig. 2, the cross-sectional side view of a filter cell, Fig. 3a and b, a particulate filter with a heating element or a detailed view of the heating element, Fig. 3c is a heating device with five sub-areas, and Fig. 4 shows the detail view of an alternative heating element.

Description of the embodiments

Fig. 1 zeigt ein Partikelfilter 1 mit einem Einlaßbereich 5 und einem Außlaßbereich 6. Das Partikelfilter besteht aus Filterzellen 10, in denen das Abgas im Einlaßbereich 5 eindringen kann. Jede auf der Einlaßseite offene Filterzelle 10 ist an jeder ihrer Längsseiten im Einlaßbereich 5 einem Verschlußelement 11 benachbart. Fig. 2 zeigt in einer Querschnittsseitenansicht eine Filterzelle 10, die im Einlaßbereich 5 offen und im Auslaßbereich 6 mittels eines Verschlußelements 110 verschlossen ist. Auf der Einlaßseite strömt Abgas 20 in die Filterzelle 10 ein und ist aufgrund der Verschlußelemente gezwungen, entlang der mit dem Bezugszeichen 30 markierten Strömungsrichtung durch die Filterwand 25 hindurch zu treten und im Auslaßbereich 6 das Partikelfilter zu verlassen (die Strömungsrichtung im Auslaßbereich ist mit dem Bezugszeichen 21 versehen). Fig. 1 shows a particle filter 1 with an inlet portion 5 and a Außlaßbereich. 6 The particle filter consists of filter cells 10 , into which the exhaust gas can penetrate into the inlet area 5 . Each filter cell 10 open on the inlet side is adjacent to a closure element 11 on each of its longitudinal sides in the inlet region 5 . FIG. 2 shows a cross-sectional side view of a filter cell 10 , which is open in the inlet area 5 and closed in the outlet area 6 by means of a closure element 110 . On the inlet side, exhaust gas 20 flows into the filter cell 10 and, due to the closure elements, is forced to pass through the filter wall 25 along the flow direction marked with the reference number 30 and to leave the particle filter in the outlet region 6 (the flow direction in the outlet region is indicated by the reference number 21 provided).

Derartige als Partikelfilter verwendete zelluläre Strukturen sind bereits bekannt und werden aus Keramikmaterial, zum Beispiel aus Siliziumcarbid, gefertigt. Diese Anordnung gewährleistet, dass das im Einlaßbereich 5 eintretende Abgas zumindest einmal eine Filterwand 25 passieren muss, an der sich im Abgas befindliche Rußpartikel ablagern können.Such cellular structures used as particle filters are already known and are made from ceramic material, for example from silicon carbide. This arrangement ensures that the exhaust gas entering the inlet area 5 must pass at least once a filter wall 25 on which soot particles located in the exhaust gas can be deposited.

Fig. 3a zeigt die Seitenansicht eines Partikelfilters 1, der im Einlaßbereich 5 eine Heizvorrichtung 32 aufweist. Die Heizvorrichtung 32 weist eine vordere Kontaktschicht 33 und eine hintere Kontaktschicht 34 auf. Die Heizvorrichtung 32 ist im Einlaßbereich 5 auf das Partikelfilter aufmontiert und weist, wie in Fig. 3b ersichtlich, Gasdurchlässe 35 auf, die dem im Einlaßbereich 5 auf das Partikelfilter strömende Abgas Zugang zu dem im Einlaßbereich 5 offenen Filterzellen gewähren. In Fig. 3b ist hierbei ein Ausschnitt 320 der Heizvorrichtung in perspektivischer Seitenansicht dargestellt. Die Heizvorrichtung deckt die gesamte Front des Partikelfilters 1 ab, mit Ausnahme der vorgesehenen Gasdurchlässe 35, die sich schachbrettartig über die gesamte Querschnittsfläche des Partikelfilters verteilen. Zwischen den Gasdurchlässen 35 sind gestrichelt markierte und zwischen den Kontaktschichten 33 und 34 befindliche Heizelemente 36 angeordnet, die über die Kontaktschichten mit einem elektrischen Heizstrom beaufschlagt werden können. Hierbei sind, wie in Fig. 3c ersichtlich, separate Teilkontakte 331 bis 335 vorgesehen, die durch elektrisch isolierende Bereiche 339 voneinander getrennt sind. Die Gesamtheit der Teilkontakte 331 bis 335 bildet die vordere Kontaktschicht 33. Die den Teilkontakten zugeordneten Heizelemente, die sich zwischen dem jeweiligen Teilkontakt und der rückwärtigen Kontaktschicht 34 befinden, können durch Anlegen einer Spannung zwischen der hinteren Kontaktschicht 34 und dem betreffenden Teilkontakt mit einem Heizstrom beaufschlagt werden. Fig. 3a shows the side view of the particulate filter 1 which has a heater 32 in the inlet portion 5. The heating device 32 has a front contact layer 33 and a rear contact layer 34 . The heating device 32 is mounted on the particle filter in the inlet area 5 and, as can be seen in FIG. 3b, has gas passages 35 which allow the exhaust gas flowing onto the particle filter in the inlet area 5 to access the filter cells open in the inlet area 5 . In Fig. 3b a detail of this is the heater 320 shown in a perspective side view. The heating device covers the entire front of the particle filter 1 , with the exception of the gas passages 35 provided , which are distributed like a checkerboard over the entire cross-sectional area of the particle filter. Arranged between the gas passages 35 are heating elements 36 , which are marked with dashed lines and are located between the contact layers 33 and 34 and can be supplied with an electrical heating current via the contact layers. Here, as can be seen in FIG. 3c, separate partial contacts 331 to 335 are provided, which are separated from one another by electrically insulating regions 339 . The entirety of the partial contacts 331 to 335 forms the front contact layer 33 . The heating elements assigned to the partial contacts, which are located between the respective partial contact and the rear contact layer 34 , can be supplied with a heating current by applying a voltage between the rear contact layer 34 and the relevant partial contact.

Durch das Vorsehen separater Teilkontakte wird das Partikelfilter, auf dem die Heizvorrichtung 32 montiert ist, in voneinander unabhängig beheizbare Teilbereiche unterteilt. Dadurch wird es möglich, die einzelnen zu Teilbereichen zusammengefaßten Filterzellen, die in ihrer Gesamtheit den Partikelfilter bilden, periodisch nacheinander zu regenerieren, indem jeder Teilbereich eine bestimmte Zeit lang mit einem Heizstrom beaufschlagt wird, so dass der Teilbereich sich nach der Zündung infolge der bereitgestellten Heizenergie selbsttätig mittels einer vom Einlaß- zum Auslaßbereich wandernden Brennzone exotherm freibrennt. Die Teilbereich werden in einer beliebigen jedoch festen Reihenfolge zyklisch durch Beaufschlagung eines Heizstroms gezündet. Dadurch unterscheiden sich die Teilbereiche des Partikelfilters in definierter Weise in ihrem Beladungszustand. Der zuletzt regenerierte Teilbereich enthält so gut wie keine Rußpartikel, während der maximal beladene Teilbereich als nächster gezündet wird. Der mittlere Beladungszustand des Partikelfilters mit Rußpartikeln wird in bekannter Weise durch den mittleren Abgasdifferenzdruck zwischen Einlaß- und Auslaßbereich des Partikelfilters und dem Abgasvolumenstrom gemessen. Die Zündfrequenz beziehungsweise die Zeitperiode für die Regeneration wird entsprechend dem Beladungszustand, d. h. dem Differenzdruck, eingestellt. Wenn also der Abgasgegendruck hoch ist, wird die Zündfrequenz und somit die "Rotationsfrequenz" des wandernden Regenerationsbereichs erhöht. Die periodische Regeneration nutzt die Tatsache aus, dass der Abgasvolumenstrom durch eine mit Ruß beladene Zelle soweit sinkt, dass beim Zünden am Kopf der Zelle (in Strömungsrichtung) die Reaktionszone in Strömungsrichtung stabil durch die ganze Zelle wandert und nicht ausgeblasen wird. Nach dem Zünden kann die Heizvorrichtung im entsprechenden Teilbereich daher wieder abgeschaltet werden, weil die Reaktion ihre Energie aus der exothermen Oxidation der Rußpartikel gewinnt. Die Zündung erfolgt hierbei durch eine örtliche elektrische Beheizung auf ca. 600°C, so dass die angelagerte Rußschicht thermisch zur Oxidation angeregt wird. Die einsetzende exotherme Reaktion frißt sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch die ganze Zelle. Die Zündung eines Teilbereichs beansprucht hierbei typischer Weise zwischen ein und zehn Minuten, während die Periodendauer in Abhängigkeit des gemessenen Abgasgegendrucks gewählt wird. Typischerweise wird der Abgasdruck nach ca. 200 bis 500 km Fahrleistung so hoch, dass dann eine Regeneration des betreffenden Teilbereichs erfolgen muss. Fährt man also mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 100 km/h auf der Autobahn, so wird jeder Teilbereich zeitlich versetzt nach ca. zwei bis sechs Stunden regeneriert.By providing separate partial contacts, the particle filter on which the heating device 32 is mounted is subdivided into subregions which can be heated independently of one another. This makes it possible to periodically regenerate the individual filter cells, which form the particle filter in their entirety, one after the other by applying a heating current to each sub-area for a certain time, so that the sub-area is affected by the heating energy provided after ignition automatically burns exothermically by means of a burning zone migrating from the inlet to the outlet area. The sub-areas are ignited cyclically in an arbitrary but fixed order by applying a heating current. As a result, the partial areas of the particle filter differ in their loading state in a defined manner. The last regenerated section contains practically no soot particles, while the maximum loaded section is ignited next. The average state of loading of the particle filter with soot particles is measured in a known manner by the average exhaust gas differential pressure between the inlet and outlet areas of the particle filter and the exhaust gas volume flow. The ignition frequency or the time period for the regeneration is set in accordance with the loading condition, ie the differential pressure. So if the exhaust back pressure is high, the ignition frequency and thus the "rotation frequency" of the wandering regeneration area is increased. The periodic regeneration takes advantage of the fact that the exhaust gas volume flow through a cell loaded with soot drops so much that when ignited at the head of the cell (in the direction of flow), the reaction zone migrates stably through the whole cell in the direction of flow and is not blown out. After ignition, the heating device in the corresponding partial area can therefore be switched off again because the reaction derives its energy from the exothermic oxidation of the soot particles. Ignition takes place by local electrical heating to approx. 600 ° C, so that the deposited soot layer is thermally stimulated to oxidize. The onset of exothermic reaction eats through the whole cell at a certain rate. The ignition of a partial area typically takes between one and ten minutes, while the period is selected depending on the measured exhaust gas back pressure. Typically, the exhaust gas pressure becomes so high after approx. 200 to 500 km of driving that regeneration of the subarea in question must then take place. So if you drive on the motorway at an average speed of 100 km / h, each sub-area is regenerated at different times after approx. Two to six hours.

Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel mit fünf Teilbereichen kann das Filter auch gröber oder feiner unterteilt sein, z. B. in zwei bis zwanzig, insbesondere in zwei bis zwölf Teilbereiche. Es kann alternativ auch vorgesehen sein, jede einzelne Partikelfilterzelle separat ansteuerbar auszugestalten. Wird das Filter beispielsweise in zwölf Teilbereiche partitioniert, so steht für jeden Bereich bei einer angenommenen Regenerationsperiode von sechs Stunden eine halbe Stunde zur Verfügung. Um die Regeneration einzuleiten, müssen die Heizelemente des entsprechenden Teilbereichs aber nur ca. eine bis fünf Minuten beheizt werden, weil die Exothermie des Abbrands genügend Energie liefert.Deviating from the present embodiment with five The filter can also be coarser or finer in some areas be divided, e.g. B. in two to twenty, especially in two to twelve sections. Alternatively, it can be provided, each individual particle filter cell separately design controllable. For example, the filter partitioned into twelve sections, so stands for everyone Range with an assumed regeneration period of six hours and half an hour. To the To initiate regeneration, the heating elements of the but only about one to five Minutes are heated because of the exothermic nature of the burn provides enough energy.

Zur Unterstützung der Regeneration kann es jedoch vorteilhaft sein, die Heizelemente des betreffenden Teilbereichs während der gesamten Regeneration mit Strom zu beaufschlagen. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann eine Heizvorrichtung auch ergänzend oder alternativ zur Einbringung im Einlaßbereich auch im Auslaßbereich vorgesehen sein. Alternativ zur Einteilung des Partikelfilters in separate Teilbereiche mittels separat ansteuerbarer Heizelemente kann das Filter auch aus physisch getrennten Elementen bestehen, die gleichmäßig mit Abgas beströmt werden. Diese Elemente sind entweder selbst elektrisch leitend ausgeführt, so dass über die elektrisch leitende Keramik ein Heizstrom in Strömungsrichtung des Abgases geleitet werden kann, oder sie sind mit einer leistungsfähigen elektrischen Heizung (Heizspiralen) versehen, so dass sie in der oben beschriebenen Weise zyklisch einzeln im Fahrbetrieb regeneriert werden können. However, it can support regeneration be advantageous, the heating elements of the concerned Partial area during the entire regeneration with electricity apply. In another alternative Embodiment can also supplement a heater or alternatively to the introduction in the inlet area also in the Outlet area may be provided. As an alternative to dividing the Particle filter in separate sub-areas using separately controllable heating elements, the filter can also be made physically separate elements exist that are even with exhaust gas be energized. These elements are either themselves electrically conductive, so that over the electrically conductive ceramic a heating current in the flow direction of the Exhaust gas can be directed, or they are with a powerful electrical heating (heating coils) provided so that it is in the manner described above can be regenerated cyclically individually while driving.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den Ausschnitt 400 einer alternativen Ausführungsform der Heizvorrichtung 32. Die vordere Kontaktschicht 33 ist durch vordere Matrixreihen 40, die hintere Kontaktschicht 34 durch hintere Matrixreihen 45 ersetzt. Die Matrixreihen sind so angeordnet, dass zwischen ihnen die Gasdurchlässe 35 angeordnet werden können. Mit 50 beziehungsweise 55 sind die elektrischen Ansteuerschaltungen der vorderen beziehungsweise der hinteren Matrixreihen markiert. Der Ansteueranschluß jeweils einer vorderen beziehungsweise hinteren Matrixreihe ist mit dem Buchstaben A beziehungsweise B markiert. Zwischen den vorderen und den hinteren Matrixreihen befinden sich über diese Reihen ansteuerbare Heizelemente. Beispielsweise kann das unter dem mit AB markierten Bereich liegende Heizelement eingeschaltet werden, wenn sowohl am Anschluß A als auch am Anschluß B eine solche Spannung angelegt wird, dass die zugeordneten Transistoren durchschalten und am Heizelement eine Spannung von ca. 12 V anliegt. FIG. 4 shows a top view of the detail 400 of an alternative embodiment of the heating device 32 . The front contact layer 33 is replaced by front matrix rows 40 , the rear contact layer 34 by rear matrix rows 45 . The matrix rows are arranged such that the gas passages 35 can be arranged between them. The electrical control circuits of the front and rear matrix rows are marked with 50 and 55 respectively. The control connection of a front or rear matrix row is marked with the letters A or B. Between the front and the rear matrix rows there are controllable heating elements. For example, the heating element located under the area marked with AB can be switched on when a voltage is applied to both connection A and connection B such that the assigned transistors switch through and a voltage of approximately 12 V is applied to the heating element.

Durch die Matrixanordnung kann jede einzelne Filterzelle angesteuert werden. Hier ist also jede einzelne Filterzelle, die im Einlaßbereich des Filters geschlossen ist, als separater Teilbereich zu verstehen, der, jeweils zeitlich zu den anderen Teilbereichen versetzt, periodisch regeneriert wird. Dabei ist dieses Heizelement analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. 3 mit dem Keramikfilter fest verbunden.Each individual filter cell can be controlled by the matrix arrangement. Here, each individual filter cell, which is closed in the inlet area of the filter, is to be understood as a separate sub-area which is periodically regenerated, offset in time from the other sub-areas. This heating element is firmly connected to the ceramic filter analogous to the embodiment of FIG. 3.

Sind alle Matrixreihen auf einer Seite der Heizvorrichtung elektrisch miteinander verbunden, so kann die Heizvorrichtung zur zeilen- oder auch bereichsweisen Beheizung der Filterzellen verwendet werden. In einfacher Weise kann dies dadurch realisiert werden, dass die Keramik des Partikelfilters elektrisch leitend ausgeführt wird und somit das Partikelfilter selbst miteinander kurzgeschlossene hintere Matrixreihen 45 bildet. Die Heizvorrichtung besteht dann lediglich aus den vorderen Matrixreihen 40 sowie den eigentlichen Heizelementen, die mit ihren den vorderen Matrixreihen gegenüberliegenden Kontakten auf die Filterkeramik aufmontiert werden.If all the matrix rows on one side of the heating device are electrically connected to one another, the heating device can be used for row-by-row or area-wise heating of the filter cells. This can be achieved in a simple manner in that the ceramic of the particle filter is made electrically conductive and the particle filter itself thus forms short-circuited rear matrix rows 45 . The heating device then only consists of the front matrix rows 40 and the actual heating elements, which are mounted on the filter ceramic with their contacts opposite the front matrix rows.

Claims

1. A method for the regeneration of a particle filter for filtering soot particles from the exhaust gases of the internal combustion engine, in particular the diesel engine, of a motor vehicle, characterized in that separate partial areas of the filter are regenerated one after the other, each of the partial areas leading from an input area to an output area of the particle filter and the entirety of the sub-areas form the particle filter.

2. The method according to claim 2, characterized in that the particle filter in two to 20, especially two to is divided into twelve sections.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the subareas periodically be regenerated.

4. The method according to claim 3, characterized in that the time period of the regeneration depending on one medium load of the filter is selected.

5. The method according to claim 4, characterized in that the average load condition with evaluation of the average Exhaust gas differential pressure between the inlet and the outlet area of the particle filter is determined.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the regeneration of each Partial area by heating the partial area in progress brought.

7. The method according to claim 6, characterized in that the heating takes place electrically.

8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the heating takes place in the entrance area of the filter.

9. The method according to any one of claims 6, 7 or 8, characterized characterized that the heating of each Section lasts for about one to ten minutes.

10. Particulate filter for filtering soot particles from the exhaust gases of the internal combustion engine, in particular the diesel engine, a motor vehicle, with means for regenerating the filter, characterized in that the means ( 32 , 33 , 34 ) regenerate separate sub-areas of the filter one after the other, each of the Partial areas leads from an input area to an output area of the particle filter and the entirety of the partial areas form the particle filter.

11. Particulate filter according to claim 10, characterized in that that two to 20, especially two to twelve sub-areas are provided.

12. Particulate filter according to claim 10 or 11, characterized characterized that the means the sub-areas periodically drive.

13. Particulate filter according to claim 10, 11 or 12, characterized in that the means for each sub-area comprise separately controllable heating means ( 36 ).

14. Particulate filter according to claim 13, characterized in that that the heating means are electrical heating means.

15. Particle filter according to claim 13 or 14, characterized in that the means are arranged in the input region ( 5 ) of the filter.