DE69503203T2

DE69503203T2 - Dieselpartikelfiltervorrichtung

Info

Publication number: DE69503203T2
Application number: DE69503203T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kouza-Gun Kanagawa-Ken 253-01 Kawamura
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1994-08-29
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2015-08-30
Also published as: EP0699827A1; EP0699827B1; DE69503203D1; DE699827T1; US5651248A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diesel-Teilchenfiltervorrichtung zum Sammeln von Teilchen aus einem von einem Dieselmotor oder einer Dieselmaschine abgegebenen Abgas durch ein Filter, und zum Verbrennen derselben.
Die Verbrennung in einem Dieselmotor beruht auf der heterogenen Mischung, die durch Einspritzen eines Kraftstoffs in Luft hoher Temperatur und hohen Drucks erzeugt wird. Beim heterogenen Vermischen werden Luft und Kraftstoff nicht gleichförmig vermischt, anders als in einer homogenen Gasmischung. Daher verwandelt sich die Kohlenstoffkomponente im Kraftstoff in Ruß und HC infolge der hohen Verbrennungshitze, und diese werden zu Teilchen verklumpt, die nach außen abgegeben werden und dadurch eine Verunreinigung der Umgebung verursachen. Ein bekanntes Diesel-Teilchenfilter verwendet ein poröses Filter mit einer Steuereinrichtung für die Abgasemission, wodurch Gase aus Motoren und Maschinen behandelt werden, und dieses bekannte Filter weist eine große Fläche zum Sammeln von Teilchen auf. Um die auf dem Filter angesammelten Teilchen zu veraschen, ist das Teilchenfilter auf seiner Oberfläche mit einem Heizelement versehen, in das, wenn die Menge der angesammelten Teilchen einen vorbestimmten Bezugswert übersteigt, ein elektrischer Strom geleitet wird, um die Teilchen zu veraschen und dadurch das Filter zu regenerieren.
Die Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 256812/1990 beschreibt eine Teilchenfalle, die elektrisch regeneriert werden kann. Diese Teilchenfalle enthält einen gasdurchlässigen Träger, eine Anzahl von Faserschichten aus Keramikfaser und ein Heizelement, und die Faserschichten und das Heizelement sind in einem Raum vorgesehen, der sich radial vom gasdurchlässigen Träger erstreckt. Ein Abgas wird in Zwischenräume zwischen den Faserschichten geleitet, und die Teilchen im Abgas werden an einer Stelle nahe dem Heizelement gesammelt, wobei die gesammelten Teilchen durch Zuführen eines elektrischen Stroms zum Heizelement verascht werden. Das Material für die Keramikfasern wird ausgewählt aus Silika, Glas, Aluminiumoxid-Silika, Zirkonoxid-Silika (zirconia silica), Aluminiumoxid-Chromoxid (alumina chromia), Titanoxid (titania), Graphit, Siliziumkarbid und Aluminiumoxid-Boroxid-Silika. Die Keramikfaser wird direkt auf die Oberfläche des gasdurchlässigen Trägers oder des Heizelements geflochten oder um diese Oberfläche gewickelt.
Es ist erforderlich, daß das Diesel-Teilchenfilter kompakt ausgeführt wird, so daß es an einem Fahrzeug einfach montiert werden und Teilchen, wie Kohlenstoff, Ruß und HC, wirksam sammeln kann. Die Teilchen verbrennen leicht durch Reaktion mit Sauerstoff, erfordern jedoch hohe Verbrennungstemperaturen und können daher nur mit der Abgaswärme nicht vollständig verbrennen. Eine bekannte Diesel-Teilchenfiltervorrichtung ist mit zwei Filtern der gleichen Größe versehen, die parallel in einer Strömung eines Abgases angeordnet sind. Wenn ein Filter mit gesammelten Teilchen zugesetzt ist, wird das Abgas zum anderen Filter geleitet, während die für die Veraschung von Teilchen erforderliche Luft zum zugesetzten Filter geleitet wird, um das Filter zu erhitzen und die gesammelten Teilchen zu veraschen, wodurch das Filter regeneriert wird.
Wenn die Menge der vom Filter gesammelten Teilchen eine vorbestimmte Menge übersteigt, wird das Heizelement zum Erhitzen eingeschaltet. Es ist jedoch sehr schwierig, die Menge der vom Filter gesammelten Teilchen genau zu bestimmen. Das bekannte Verfahren mißt z. B. die Menge der gesammelten Teilchen indirekt durch Messung des Abgasdrucks mit einem Drucksensor, der in die Abgasströmung in Strömungsrichtung vor dem Filter eingebaut ist. Druck und Strömung des Abgases ändern sich jedoch in Abhängigkeit von der Belastung und Drehzahl des Motors, wodurch es schwierig wird, die genaue Teilchenmenge zu bestimmen. Der Abgas-Widerstandsdruck des Filters nimmt für eine volle Belastung und eine Teilbelastung unterschiedliche Werte an, wie durch A und B in Fig. 7 angegeben. Der zulässige Wert des Abgas-Widerstandsdruckes P des Filters bei hoher Motordrehzahl N&sub2; unterscheidet sich vom Widerstandswert des Abgas-Widerstandsdruckes P bei niedriger Drehzahl N&sub1;. In Fig. 7 entspricht die Drehzahl N&sub0; der Motordrehzahl im Leerlauf. Auch im Zustand A, in dem das Filter zugesetzt und nicht für seine Funktion geeignet ist, wird das Filter weiterhin verwendet, um regeneriert zu werden. Wenn danach auf den Motor plötzlich eine hohe Belastung ausgeübt wird, erhöht sich der Abgas-Widerstandsdruck, wobei er den zulässigen Wert plötzlich überschreitet mit dem Resultat, daß das Filter dem hohen Abgas-Widerstandsdruck nicht widerstehen kann.
Die Möglichkeit zur Erfassung der auf dem Filter angesammelten Teilchenmenge, wie Kohlenstoff, Ruß und HC, als Absolutwert gewährleistet die zuverlässigste Regenerierungs-Zeitsteuerung für das Filter und ist auch zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit des Filters erforderlich. Deshalb bestand die Aufgabe darin, einen Weg aufzuzeigen, um die auf dem Filter angesammelte Teilchenmenge als Absolutwert zu erfassen.
Ein Ziel der Erfindung ist die Lösung des oben erwähnten Problems, d. h. die Schaffung einer Diesel-Teilchenfiltervorrichtung, in der ein Hauptfilter zum Sammeln von Teilchen, wie Kohlenstoff, Ruß und HC, die in dem aus einem Dieselmotor oder einer Dieselmaschine austretenden Abgas enthalten sind, in eine Hauptleitung eingebaut ist und ein Unterfilter in das Hauptfilter eingebaut ist; in der Auf-Zu-Ventile in die Hauptleitung und die Unterleitung eingebaut sind und ein Teilchenansammlungssensor in die Abgasleitung auf der Einlaßseite des Hauptfilters eingebaut ist; und die das Hauptfilter in Abhängigkeit von durch diese Sensoren erfaßten Werten regenerieren kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Diesel-Teilchenfiltervorrichtung, in der der in die Abgasleitung auf der Einlaßseite des Hauptfilters eingebaute Teilchenansammlungssensor aus einem Erfassungsfilter mit dem gleichen Ventilationswiderstand wie das Hauptfilter gebildet ist; in der der Widerstand des Erfassungsfilters gemessen wird, um die Menge der angesammelten Teilchen als Absolutwert zu erfassen; und in der die auf den Oberflächen der Filter angeordneten Heizelemente in Abhängigkeit vom erfaßten Wert mit Strom versorgt werden, um die angesammelten Teilchen zu veraschen und dadurch das Filter zu regenerieren.
Die nicht vorveröffentlichte Europäische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 0 682 174 beschreibt eine Diesel-Teilchenfiltervorrichtung mit einem Hauptfilter großer Teilchensammelkapazität, das in eine Abgasleitung in einem Dieselmotor eingebaut ist. Ein Unterfilter ist mit einer kleinen Teilchensammelkapazität versehen, parallel zum Hauptfilter angeordnet und in die Abgasleitung eingebaut. Ferner ist ein Ventil zur Steuerung einer Abgasströmung zum Unterfilter vorgesehen. Heizelemente sind für das Hauptfilter und für das Unterfilter vorgesehen, um darin gesammelte Teilchen zu verbrennen.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Diesel- Teilchenfiltervorrichtung aufweist: ein Hauptfilter mit einer großen Teilchensammelkapazität und ein Unterfilter mit einer kleinen Teilchensammelkapazität, die beide in die Abgasleitung des Dieselmotors eingebaut sind; Ventile zum Öffnen und Schließen der Durchlässe im Hauptfilter bzw. Unterfilter; Heizelemente zum Veraschen von im Hauptfilter und Unterfilter gesammelten Teilchen; einen Teilchenansammlungssensor zum Erfassen der im Hauptfilter angesammelten Teilchenmenge; und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Ventile und der Heizelemente in Abhängigkeit vom Erfassungssignal aus dem Teilchenansammlungssensor.
Die Diesel-Teilchenfiltervorrichtung weist auf: ein in einen Abgaskanal eines Dieselmotors eingebautes Hauptfilter; ein in eine Bypassleitung im Hauptfilter eingebautes Unterfilter; ein Öffnungs-Schließ-Ventil zum Öffnen und Schließen des Hauptkanals; ein Bypassventil zum Öffnen und Schließen der Bypassleitung; an den Oberflächen des Hauptfilters und des Unterfilters angeordnete Heizelemente; einen Teilchenansammlungssensor, der in der Abgasleitung auf der Einlaßseite des Hauptfilters eingebaut ist und ein Erfassungsfilter enthält; einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Hauptfilters; und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Öffnungs-Schließ-Ventils, des Bypassventils und der Heizelemente in Abhängigkeit von den Erfassungssignalen aus dem Teilchenansammlungssensor und dem Temperatursensor zum Veraschen von angesammelten Teilchen.
Der Teilchenansammlungssensor weist vorzugsweise auf: ein Erfassungsfilter, dessen Ventilationswiderstand je Einheitsvolumen nahezu gleich demjenigen des Hauptfilters ist; Klemmen oder Anschlüsse eines an den Enden des Erfassungsfilters befestigten leitenden Metalls; und einen Widerstandssensor zum Messen des Widerstandes zwischen den Klemmen.
Wenn die Temperatur des Hauptfilters hoch ist, kann, auch wenn die Menge der angesammelten Teilchen gemäß der Erfassung durch den Teilchenansammlungssensor kleiner ist als die vorbestimmte Menge, eine Regenerierung des Hauptfilters gestartet werden. Wenn die Temperatur des Hauptfilters nie drig ist, kann eine Filterregenerierung nur gestartet werden, nachdem die Menge der gesammelten Teilchen gleich der oder größer als die vorbestimmte Menge geworden ist.
Diese Diesel-Teilchenfiltervorrichtung kann die Menge der im Hauptfilter gesammelten Teilchen genau erfassen durch den in die Abgasleitung auf der Einlaßseite des Filters eingebauten Teilchenansammlungssensor und in Abhängigkeit von der Menge der angesammelten Teilchen, d. h. in Abhängigkeit von Erfassungssignalen aus dem Teilchenansammlungssensor und dem Hauptfilter-Temperatursensor, den Heizelementen Strom zuführen, um die Teilchen zu veraschen, wodurch das Hauptfilter stets in einem sauberen Zustand gehalten wird.
Der Teilchenansammlungssensor erfaßt den Widerstand des Erfassungsfilters, um indirekt die im Hauptfilter angesammelte Teilchenmenge zu erfassen. Dies ermöglicht es, die im Hauptfilter angesammelte Teilchenmenge genau und schnell zu erfassen unabhängig vom Betriebszustand des Motors, auch wenn Änderungen der Motorbelastung oder Drehzahl den Druck des Abgases verändern. Dies ermöglicht wiederum eine genaue Erfassung der Regenerierungszeitsteuerung des Hauptfilters, und gestattet auch die Regenerierung des Hauptfilters in einer kurzen Zeitperiode, wodurch die Lebensdauer des Hauptfilters verbessert und der Verbrauch an elektrischer Energie reduziert wird. Wenn das Erfassungsfilter gleichzeitig mit den Filterkörpern regeneriert wird, kann die Abgasreinigung wiederholt durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die optimale Regenerierungszeit für das Hauptfilter erfaßt und die Häufigkeit der Verwendung des Hauptfilters erhöht werden kann, um die Reinigung des Abgases unter besten Bedingungen durchzuführen. Da die Regenerierungszeit für das Hauptfilter unabhängig vom Betriebszustand des Motors gesteuert werden kann, ist es möglich, Teilchen zuverlässig bei jedem Betriebszustand des Motors zu veraschen und die Sensoren zum Erfassen der Drehzahl unter Belastung des Motors wegzulassen.
Infolge des oben erwähnten Aufbaus kann die Diesel-Teilchenfiltervorrichtung kompakt und einfach ausgebildet werden, und ihre Funktion zur Verarbeitung von Abgas aus dem Dieselmotor ist sehr einfach und ermöglicht eine fortlaufende Kontrolle der Abgasemission. Diese Vorrichtung kann daher an Stellen mit begrenztem Raum, wie in Kraftfahrzeugen, eingebaut werden.
Was die Bedingungen zum Reinigen des Hauptfilters betrifft, hat eine erhöhte Gesamtfiltertemperatur die Vorteile, die für das Heizelement erforderliche elektrische Energie verringern zu können, um die im Filter angesammelte Teilchenmenge genau zu erfassen und dadurch die angesammelten Teilchen mit guter Zeitsteuerung zu veraschen, um die im Filter angesammelten Teilchen zuverlässig in einer kurzen Zeitspanne zu verbrennen und dadurch die Verwendungshäufigkeit des Hauptfilters zu vergrößern, um die im Filter angesammelten Teilchen zuverlässig bei jedem Betriebszustand des Motors zu veraschen. Wenn man dies bedenkt, ist die beste Zeitgebung zum Reinigen oder Regenerieren des Hauptfilters dann, wenn die Filtertemperatur höher ist als eine vorbestimmte Temperatur, und wenn das Hauptfilter mit Teilchen zugesetzt ist und einen erhöhten Widerstand aufweist. Wenn die Hauptfiltertemperatur hoch ist, wird, auch wenn die angesammelte Teilchenmenge, die vom Teilchenansammlungssensor erfaßt wird, niedriger ist als die vorbestimmte, einem Widerstandsdruck entsprechende Menge, welcher die Lebensdauer des Filters berücksichtigt, die Regenerierung des Hauptfilters gestartet, um das Hauptfilter in einer kurzen Zeitspanne zu regenerieren. Wenn die Temperatur des Hauptfilters niedrig ist, zeigt dies den Teillast-Betriebszustand an. In diesem Zustand wird die Regenerierungs steuerung derart durchgeführt, daß die Regenerierung nicht gestattet wird, bis die angesammelte Teilchenmenge, die vom Teilchenansammlungssensor festgestellt wird, einen Grenzwert erreicht, d. h. die vorbestimmte Menge übersteigt.
Da das Abgas parallel in das Hauptfilter und das Erfassungsfilter unter den gleichen Umständen strömt, sind die in einer Einheitsfläche des Hauptfilters und des Erfassungsfilters angesammelten Teilchenmengen gleich. Wenn Teilchen, wie Kohlenstoff, Ruß und HC, sich im Erfassungsfilter des Teilchenansammlungssensors sammeln, macht ein Füllen der Spalten im Erfassungsfilter durch Kohlenstoffteilchen das Filter elektrisch leitend, wodurch der elektrische Widerstand des Erfassungsfilters verkleinert wird. Der verkleinerte elektrische Widerstand wird durch den Widerstandssensor erfaßt, was eine Erfassung der angesammelten Teilchenmenge ermöglicht. Wenn das Erfassungsfilter eine vorbestimmte Teilchenmenge sammelt, sammelt auch der Filterkörper die gleiche vorbestimmte Teilchenmenge. Daher wird das Heizelement am Filterkörper eingeschaltet, um die angesammelten Teilchen zu veraschen und dadurch den Filterkörper zu regenerieren. Gleichzeitig wird dem Erfassungsfilter ebenfalls zur gleichzeitigen Regenerierung des Erfassungsfilters mit dem Hauptfilter Strom zugeführt.
Der Teilchenansammlungssensor enthält vorzugsweise ein Erfassungsfilter, dessen Ventilationswiderstand je Einheitsvolumen nahezu gleich demjenigen des Hauptfilters ist, Klemmen oder Anschlüsse eines leitenden Metalls, die an den Enden des Erfassungsfilters befestigt sind, sowie einen Sensor zum Messen des Widerstands zwischen den Klemmen.
Ferner kann das Erfassungsfilter aus einem keramischen porösen Material von SiC oder Zuschläge von Ti oder Ta enthaltendem SiC hergestellt werden, wobei die Anschlußteile mit einem Metall, wie Cu, Cr und Ni, imprägniert sind.
Statt dessen kann das Erfassungsfilter aus einem Faserschichtmaterial von langen Keramikfasern aus SiC oder Ti oder Ta enthaltendem SiC und einem Metallnetz aus leitenden hitzebeständigen Stahldrähten bestehen, die auf die Oberfläche des Faserschichtmaterials aufgeschichtet sind. Die Drahtstäbe des Netzes sind zwischen den Klemmen oder Anschlüssen teilweise abgeschnitten.
Das Erfassungsfilter kann aus leitenden Si-Fasern oder porösem Material bestehen und weist an jedem Ende einen Sensor zum Messen des Widerstandes auf. Entweder der Filterkörper oder das faltenbalgartige Filter ist zylindrisch geformt und auf seiner Oberfläche mit dem Netz ausgestattet, das ein Heizelement bildet.
Wenn ein Netz von leitenden, hitzebeständigen Stahldrahtstäben, die teilweise abgeschnitten sind, auf die Oberfläche des Erfassungsfilters gelegt wird, wobei sich Kohlenstoffteilchen auf den abgeschnittenen Teilen der Drahtstäbe ansammeln, verringert sich der Widerstand des Erfassungsfilters, was die Erfassung der im Erfassungsfilter angesammelten Teilchenmenge ermöglicht. In dem aus porösem Keramikmaterial gebildeten Erfassungsfilter sammeln sich Kohlenstoffteilchen oder andere Teilchen in den Poren und verringern den elektrischen Widerstand des Erfassungsfilters, was wiederum eine Erfassung der im Erfassungsfilter angesammelten Teilchenmenge ermöglicht.
Wenn der Filterkörper aus einem Hauptfilter und einem Unterfilter geformt ist und die die Heizelemente bildenden Metallnetze auf der Abgas-Einlaßseite angeordnet sind, kann das Hauptfilter regeneriert werden, indem das Öffnungs-Schließ- Ventil geschlossen und das Bypassventil geöffnet wird, um eine kleine Menge des Abgases zum Hauptfilter zu leiten, und indem Strom zu den Metallnetzen zugeführt wird. Bei diesem Vorgang ist es möglich, Sauerstoff zum Veraschen der im Hauptfilter angesammelten Teilchen zuzuführen. Wenn das Bypassventil geschlossen wird, um das Abgas zum Hauptfilter zu leiten, strömt durch das Bypassfilter abgeleitetes Abgas durch das Unterfilter. Teilchen, die vom Unterfilter gesammelt werden, wenn das Hauptfilter regeneriert wird, werden daher zum Unterfilter geliefert. Da ferner das Unterfilter innerhalb des Hauptfilters eingebaut ist, ist der Gesamtfilteraufbau kompakt, und es wird ein Auskühlen des Unterfilters verhindert, da das Hauptfilter auf der Außenseite des Unterfilters angeordnet ist. Daher wird das Unterfilter erhitzt, indem dem am Unterfilter befestigten Metallnetz Strom zugeführt wird, um die im Unterfilter gesammelten Teilchen mit im abgeleiteten Abgas enthaltenem Sauerstoff zu veraschen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt der erfindungsgemäßen Diesel-Teilchenfiltervorrichtung;
Fig. 2 eine Draufsicht, welche eine Ausführungsform eines Teilchenansammlungssensors gemäß Fig. 1 darstellt;
Fig. 3 einen Schnitt eines weiteren Beispiels eines Erfassungsfilters im Teilchenansammlungssensor der Fig. 1;
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des Teilchenansammlungssensors der Fig. 1;
Fig. 5 einen vergrößerten Schnitt einer Ausführungsform eines Drahtstabes eines Netzes, das ein Heizelement in dem Diesel-Teilchenfilter der Fig. 1 bildet;
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm, welches die Wirkungsweise der Diesel-Teilchenfiltervorrichtung gemäß Fig. 1 darstellt; und
Fig. 7 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Abgasdruck am Filter und der Motor-Drehzahl und -belastung.
Mit Bezugnahme auf die Figuren wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Diesel-Teilchenfiltervorrichtung (nachfolgend als DPF-Vorrichtung bezeichnet) beschrieben.
Diese DPF-Vorrichtung ist in einem Abgassystem eines Dieselmotors oder einer Dieselmaschine vorgesehen und kann die Teilchen, wie Kohlenstoff, Ruß und Rauch, sammeln, die in einem Abgas enthalten sind, und die gesammelten Teilchen veraschen. Diese DPF-Vorrichtung weist ein Gehäuse 21 auf, das mit einem (nicht gezeigten) Abgasrohr eines Dieselmotors über Flansche 23 verbunden ist. In einer im Gehäuse 21 gebildeten Abgasleitung 22 sind ein Hauptfilter 1 und ein Unterfilter 2 zum Sammeln von Teilchen derart vorgesehen, daß sie voneinander durch einen Bypasszylinder 4 in Strömungsrichtung eines Abgases getrennt sind und konzentrisch parallel zur Strömung des Abgases von einer Einlaßseite zu einer Auslaßseite verlaufen. Das Filter 1 umfaßt einen inneren und äußeren Zylinder 19, 20, d. h. zylindrische Teile, die sich konzentrisch und parallel zu einer Abgasströmung und in zwei Schichten erstrecken. Die Innenwandfläche des Gehäuses 21 kann mit einer Wärmeschutzverkleidung 38 versehen sein.
Auf der Abgaseinlaß- und -auslaßseite der Abgasleitung 22 sind Abschirmplatten 24 vorgesehen, welche die Einlaß- und Auslaßseite der Abgasleitung 22 mit Ausnahme der Einlässe 15, 16 des Hauptfilters 1 und des Unterfilters 2 sowie die Auslässe 17, 18 derselben verschließen. Stromaufwärts eines Abgaseinlasses des Hauptfilters 1 ist ein zylindrisches Öffnungs-Schließ-Ventil 5 eingebaut, das so verschoben werden kann, daß es eine Hauptabgasleitung 12 öffnet oder verschließt. Das Öffnungs-Schließ-Ventil 5 wird durch ein Betätigungsorgan 36 betätigt, das durch einen Befehl aus einer Steuereinrichtung 10 angetrieben wird. Ein Stützrohr 13 ist mit der Abgas-Einleitseite des Unterfilters 2 verbunden, und es ist ein Bypassventil 9 zum Öffnen und Schließen einer Einlaßöffnung des Unterfilters 2 im Stützrohr 13 vorgesehen. Das Bypassventil 9 wird durch ein Betätigungsorgan 11 geöffnet und geschlossen, das durch einen Befehl von der Steuereinrichtung 10 angetrieben wird. Das Öffnungs-Schließ-Ventil 5 und das Bypassventil 9 können mit durchgehenden Bohrungen versehen sein, aus welchen eine kleine Menge des Abgases für die Regenerierung des Hauptfilters 1 und des Unterfilters 2 austritt, oder sie können in die Abgasleitung 22 und die Bypassleitung 14 derart eingebaut sein, daß das Gas abgeleitet wird.
In dieser DPF-Vorrichtung ist das Hauptfilter 1 und das Unterfilter 2 aus einem Filterkörper 3 gebildet, dessen Innen- und Außenflächen wenigstens auf der Abgas-Einlasseite mit Metallnetzen 6, 7 aus einem leitenden Material ausgestattet sind. Der Filterkörper 3 ist eine zylindrisch geformte Platte, die aus geschichteten langen Keramikfasern aus SiC oder Zuschläge, wie Ti oder Ta, enthaltendem SiC besteht. Wenn Abgas durch den Filterkörper 3 geleitet wird, werden die Teilchen im Abgas in sich überkreuzenden Bereichen zwischen den Fasern gesammelt. Wenn sich die Teilchen zwischen den Fasern sammeln, steigt der Abgasdruck stromaufwärts des Filterkörpers 3.
Das Metallnetz 6 ist auf der stromaufwärts gelegenen Seite bezüglich einer Abgasströmung des Hauptfilters 1 vorgesehen, und das Metallnetz 7 ist auf der stromabwärts gelegenen Seite bezüglich des Hauptfilters 1 vorgesehen. Die Metallnetze 6, 7 bestehen aus hitzebeständigem Stahl mit Korrosionsbeständigkeit und enthalten Ni, Cr und Al, und sie sind auf den Außen-. flächen der Filterkörper 3 vorgesehen und können am Hauptfilter 1 in geeigneter Weise durch Klammern befestigt werden. Wenn das Hauptfilter aus zwei zylindrischen Filtern gebildet ist, d. h. einem inneren und äußeren Filter 19, 20, kann eine Hauptabgas-Zuleitung 12, die auf der Abgas-Zuleitungsseite zwischen dem inneren und äußeren Zylinder 19, 20 ausgebildet ist, und eine Hauptabgas-Ableitung 35, die auf der Abgas-Ableitungsseite angeordnet und zum Ableiten des durch das Hauptfilter 1 strömenden Abgases geeignet ist, auf der Innenseite des inneren Zylinders 13 und auf der äußeren Seite des äußeren Zylinders 20 ausgebildet werden. Eine ausführliche Erläuterung wird z. B. für den äußeren Zylinder 20 gegeben. Die Netze 6, 7 werden an der inneren und äußeren Fläche des äußeren Zylinders 20 durch Heftklammern befestigt. Das auf der Innenfläche des äußeren Zylinders 20, d. h. auf der Zustromseite des Abgases, angeordnete Netz 6 ist aus einem leitenden Material gebildet und mit einer Klemme 30 versehen, so daß das Netz 6 als ein Heizelement arbeiten kann. Das auf der Außenfläche des äußeren Zylinders 20, d. h. auf der Abströmseite des Abgases, angeordnete Netz 7 muß nicht aus einem leitenden Material hergestellt werden. Die Netze 6, 7 haben die Funktion, den Filterkörper 3 zu halten.
Die Zuführung von Strom zum Netz 6 wird durch die Befehle aus der Steuereinrichtung 10 gesteuert, um die durch das Hauptfilter 1 gesammelten Teilchen zu veraschen. Das zwar nicht dargestellte Unterfilter 2 ist mit einem gleichen Netz versehen, wie sie am Hauptfilter 1 befestigt sind, um die im Unterfilter 2 gesammelten Teilchen zu veraschen. Die Netze 6, 7 erstrecken sich über die ganze Oberfläche auf der Zuströmseite des Hauptfilters 1 in der Abgasleitung 22 und über die ganze Oberfläche des Unterfilters 2 auf der Zuströmseite in der Bypassleitung 14 und sind über Elektrodenklemmen 30 mit der Steuereinrichtung 10 verbunden. Es wird bevorzugt, daß das Netz 6 aus einem Metall auf Nickelbasis hergestellt wird, um eine gleichförmige Erhitzung der Oberfläche des Hauptfilters 1 zu ermöglichen.
Das Netz 6 ist aus einem Drahtstab gebildet, der, wie in Fig. 5 gezeigt, aus einem Kernteil 31 aus N-Cr-Legierung, einem Zwischenteil 32 aus einem Material mit einem großen Widerstandstemperaturkoeffizienten, wie Ni, das den Kernteil 31 bedeckt, und einer Deckschicht 33 aus korrosionsbeständigem Al&sub2;O&sub3; oder ZrO&sub2; besteht, das den Zwischenteil 32 bedeckt.
Diese DPF-Vorrichtung weist einen Teilchenansammlungssensor 8 auf, der auf der Einlaßseite des Abgaskanals 22 eingebaut ist. Der Teilchenansammlungssensor 8 besteht, wie in den Fig. 2 oder 3 gezeigt, aus einem Sensorfilter 25, dessen Ventilationswiderstand je Einheitsvolumen nahezu gleich demjenigen des Filterkörpers 3 ist, aus Klemmen 26 leitenden Metalls, die an den Enden des Sensorfilters 25 befestigt sind, sowie aus einem (nicht gezeigten) Widerstandssensor, der in der Steuereinrichtung 10 vorgesehen ist, um den Widerstand zwischen den Klemmen 26 zu messen.
Das Sensorfilter 25, das in Fig. 2 gezeigt ist, besteht aus einem geschichteten porösen Keramikmaterial 25P aus SiC oder aus Zuschläge von beispielsweise Ti oder Ta enthaltendem SiC. Die Klemmenteile des Sensorfilters 25 sind mit Metallen, wie Cu, Cr und Ni imprägniert oder getränkt.
Statt dessen kann das Sensorfilter 25, wie in Fig. 3 gezeigt, aus zwei aufeinandergelegten Schichten bestehen, einer langfasrigen Keramikschicht 25F aus SiC oder Ti oder Ta enthal tendem SiC und einem porösen Keramikmaterial 25P. Das poröse Keramikmaterial 25P des Sensorfilters 25 ist entweder leitend oder nichtleitend und hat die Eigenschaft, daß nach dem Zusetzen seiner Poren mit Kohlenstoff und Teilchen dieses poröse Keramikmaterial 25P leitend wird und den elektrischen Widerstand erniedrigt. Die Verbindungsenden des Sensorfilters 25 mit den Klemmen 26 sind mit einem Metall, wie Cu, Cr und Ni imprägniert, um eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Sensorfilter 25 und dem Anschluß der Klemmen 26 zu gewährleisten. Ferner ist über die Oberfläche des Sensorfilters 25 ein Netz 34 aus hitzebeständigem Stahl gelegt, das elektrischen Strom leiten kann und dessen Drahtstäbe zwischen den Klemmen 26 teilweise abgeschnitten sind, wie in Fig. 4 gezeigt. Wenn sich daher Kohlenstoff und Teilchen ansammeln und die abgeschnittenen Abschnitte des Netzes 34 zusetzen, wird sein elektrischer Widerstand klein. Das Sensorfilter 25 kann auch aus leitenden SiC-Fasern hergestellt werden, an deren Enden Klemmen 26 befestigt sind. Dieser Aufbau vermeidet das Erfordernis der Verwendung des Netzes.
Durch den Teilchenansammlungssensor 8 erfaßte Information über die angesammelte Teilchenmenge wird zur Steuereinrichtung 10 gegeben. Die Steuereinrichtung 10 enthält einen Drehzahlsensor 27 zur Erfassung des Motorbetriebszustandes, d. h. der Drehzahl des Motors, einen Belastungssensor 28 zur Erfassung der Belastung des Motors und einen Temperatursensor 29 zur Erfassung der Abgastemperatur. Die Steuereinrichtung 10 empfängt diese Erfassungssignale entsprechend dem Motorzustand, bestimmt den Teilchenansammlungszustand, der dem erfaßten Teilchenansammlungswert entspricht und den Motorbetriebszustand darstellt, und steuert dadurch die Öffnungszeit des Öffnungs-Schließ-Ventils 5 und des Bypassventils 9, d. h. die Regenerierungszeitgebung für das Hauptfilter 1.
Als nächstes wird die Arbeitsweise der DPF-Vorrichtung durch Bezugnahme auf das Steuerablaufdiagramm der Fig. 6 erläutert. Wenn der Dieselmotor gestartet wird, wird das Abgas durch das Abgasrohr zur Abgasleitung 22 geliefert. In diesem Zeitpunkt wird das Öffnungs-Schließ-Ventil 5 geöffnet und das Bypassventil 9 geschlossen. Das Abgas wird vom Einlaß 15 der Abgasleitung 22 in die Hauptabgasleitung 12 geleitet, aus der es durch das Filter 1 strömt, das im Abgas enthaltene Teilchen, wie Ruß, Kohlenstoff und Rauch, sammelt und sauberes Gas zum Auslaß 17 strömen läßt. Die gesammelten Teilchen werden am Hauptfilter 1 angesammelt, und der Luftdurchlaßwiderstand des Hauptfilters 1 steigt zunehmend mit dem Verstreichen der Sammlungszeit. Das Abgas strömt auch durch den Teilchenansammlungssensor 8, der die im Abgas enthaltenen Teilchen mit dem Sensorfilter 25 sammelt. Die Steuereinrichtung 10 empfängt Erfassungssignale vom Teilchenansammlungssensor 8, Drehzahlsensor 27, Belastungssensor 28 und Temperatursensor 29 und schätzt die im Hauptfilter 1 angesammelte Teilchenmenge.
Um die im Sensorfilter 25 angesammelte Teilchenmenge zu erfassen, wird elektrischer Strom auf das Sensorfilter 25 gegeben, um den Widerstand Rx des Filters 25 zu messen, der auf die Steuereinrichtung 10 gegeben wird, die prüft, ob der Widerstand Rx kleiner ist als ein voreingestellter Widerstand R&sub1; (R&sub1; > Rx) (Schritt 40).
Wenn der erfaßte Widerstand Rx größer ist als der voreingestellte Widerstand R&sub1;, so wird entschieden, daß das Hauptfilter 1 nicht mit einer ausreichenden Teilchenmenge beladen ist und daß der Widerstand des Hauptfilters 1 noch hoch und eine Regenerierung des Hauptfilters 1 nicht erforderlich ist. So kehrt das Verfahren zum Ausgangsschritt zurück.
Wenn der erfaßte Widerstand Rx niedriger ist als der vorein gestellte Widerstand R&sub1;, zeigt dies an, daß das Hauptfilter 1 mit einer bestimmten Teilchenmenge beladen ist. Die Steuereinrichtung 10 prüft sodann, ob die Temperatur Tx des Hauptfilters 1 höher ist als die voreingestellte Temperatur T&sub1; (Schritt 41).
Wenn die Temperatur Tx des Hauptfilters 1 niedriger ist als die voreingestellte Temperatur T&sub1;, ist es erforderlich, eine große Menge elektrischer Energie dem Netz 6 des Heizelements zuzuführen, um die im Hauptfilter 1 gesammelten Teilchen zu erhitzen, so daß das Hauptfilter 1 nicht regeneriert wird und weiterhin Teilchen sammelt, bis die Grenze der Teilchenansammlungsmenge erreicht ist.
Dann wird geprüft, ob der Widerstand Rx des Sensorfilters 25 kleiner ist als der voreingestellte Grenzwiderstandswert R&sub2; (Schritt 42). Wenn der Widerstand Rx kleiner ist als der voreingestellte Grenzwiderstandswert R&sub2;, wird entschieden, daß das Hauptfilter 1 eine Teilchenmenge gesammelt hat, welche den Grenzwert erreicht, so daß das Verfahren zur Regenerierung des Hauptfilters 1 fortschreitet. Wenn der Widerstand Rx größer ist als der voreingestellte Widerstandswert R&sub2;, wird entschieden, daß das Hauptfilter 1 noch nicht eine Teilchenmenge gesammelt hat, welche den Grenzwert erreicht, so daß das Hauptfilter 1 weiterhin Teilchen sammelt, und das Verfahren schreitet zum Schritt 41 vor, ohne das Hauptfilter 1 zu regenerieren. Der Widerstandswert des Hauptfilters 1 ist umgekehrt proportional zu der angesammelten Teilchenmenge.
Wenn bei einer erhöhten Temperatur Tx das Hauptfilter 1 zu regenerieren ist, ist es nicht nötig, soviel elektrische Energie dem Netz des Heizelements zuzuführen, um die im Hauptfilter 1 gesammelten Teilchen zu veraschen, und das Hauptfilter 1 kann in einer kurzen Zeitspanne regeneriert werden. Die Regenerierung des Hauptfilters 1 wird daher sofort begonnen. Auch wenn die Temperatur Tx des Hauptfilters 1 niedrig ist, wird, wenn der Widerstand Rx des Hauptfilters 1 niedriger ist als der voreingestellte Grenzwiderstandswert R&sub2;, entschieden, daß das Hauptfilter 1 bereits Teilchen bis zum Grenzwert angesammelt hat. In diesem Fall wird das Hauptfilter 1 ebenfalls regeneriert.
Die Steuereinrichtung 10 führt eine Steuerung aus, um das Betätigungsorgan 11 anzutreiben und das Bypassventil 9 zu öffnen (Schritt 43), und gleichzeitig das Betätigungsorgan 36 anzutreiben, um das Öffnungs-Schließ-Ventil 5 zu schließen und dadurch die Hauptabgasleitung zu schließen (Schritt 44). Wenn das Bypassventil 9 geöffnet ist, strömt ein größerer Teil des Abgases durch die Bypassleitung 14 und das Unterfilter 2, wobei nur ein kleiner Teil des Abgases von der Abgasleitung 22 zum Hauptfilter 1 geleitet wird. Ferner gibt die Steuereinrichtung 10 einen Befehl aus, der die Zuführung von Strom durch die Elektrodenklemmen 30 zum Netz 6, eine Erhitzung des Netzes 6 und daher des Hauptfilters 1 bewirkt (Schritt 45). Die Temperatur Tx des Hauptfilters 1 wird durch den Temperatursensor 29 gemessen, und die Steuereinrichtung 10 prüft, ob die Temperatur Tx höher ist als die voreingestellte Temperatur T&sub2; (Schritt 46). Wenn die erfaßte Temperatur Tx niedriger ist als die voreingestellte Temperatur T&sub2;, wird entschieden, daß die angesammelten Teilchen nicht vollständig verascht sind. Das Verfahren kehrt daher zum Schritt 45 zurück, um die Zuführung von Strom zum Netz 6 des Heizelements fortzusetzen.
Wenn die erfaßte Temperatur Tx höher wird als die voreingestellte Temperatur T&sub2;, sind die Teilchen im Hauptfilter 1 gut verascht. Dieser Zustand wird daher für eine bestimmte Zeitdauer aufrechterhalten (Schritt 47). Wenn das Hauptfilter 1 erhitzt ist, werden die im Hauptfilter 1 gesammelten Teil chen in CO&sub2; und H&sub2;O umgewandelt und durch Anwendung von Luft verascht, die in der kleinen Menge des durch das Hauptfilter 1 strömenden Abgases enthalten ist, und sodann wird das erzeugte Gas aus dem Auslaß 17 entlassen und so die Regenerierung des Hauptfilters 1 beendet. Nach der Regenerierung des Hauptfilters 1 über eine bestimmte Zeitdauer wird die Stromzufuhr zum Netz 6 des Hauptfilters 1 unterbrochen (Schritt 48). Die Beendigung der Regenerierung des Hauptfilters 1 wird von der Steuereinrichtung auf Grundlage der Dauer und Berücksichtigung der angesammelten Teilchenmenge und des Motorlaufzustandes entschieden.
Das durch das Unterfilter 2 strömende Abgas wird von den darin enthaltenen Teilchen durch das Unterfilter 2 befreit. Die so gesammelten Teilchen sammeln sich im Unterfilter 2. Die Regenerierung des Sensorfilters 25 kann gleichzeitig mit der Regenerierung des Hauptfilters 1 durch Zuführen von elektrischem Strom auch zum Sensorfilter 25 durchgeführt werden, oder sie kann im Schritt 52 nach der Regenerierung des Unterfilters 2 durchgeführt werden. Die Regenerierung des Sensorfilters 25 wird wiederholt, bis der Widerstand Rx des Sensorfilters 25 größer ist als der Ausgangswiderstand R&sub0; (Schritt 53). Statt dessen verringern bei einem Aufbau, bei dem ein Metallnetz 34 aus leitendem hitzebeständigem Stahl über die Oberfläche des Sensorfilters 25 gelegt ist und die Drahtstäbe des Metallnetzes 34 zwischen den Klemmen 26 teilweise zerschnitten sind, auf den zerschnittenen Teilen der Drahtstäbe angesammelte und niedergeschlagene Kohlenstoffteilchen den Widerstand des Netzes 34 und ermöglichen eine Reinigung oder Regenerierung des Sensorfilters 25 durch Aufgabe von elektrischem Strom auf das Netz 34.
Wenn das Hauptfilter 1 vollständig regeneriert ist, aktiviert die Steuereinrichtung 10 das Betätigungsorgan 36, um das Öffnungs-Schließ-Ventil 5 und dadurch die Hauptabgasleitung 12 zu öffnen (Schritt 49). Gleichzeitig gibt die Steuereinrichtung 10 einen Befehl zum Antrieb des Betätigungsorgans 11, um das Bypassventil 9 und dadurch die Bypassleitung 14 zu schließen (Schritt 50). Wenn das Öffnungs-Schließ-Ventil 5 geöffnet und das Bypassventil 9 geschlossen ist, strömt das Abgas von der Abgasleitung 22 durch das Hauptfilter 1 und löst die normale Abgasbehandlung, d. h. die Teilchensammlung durch das Hauptfilter 1, aus. In diesem Zeitpunkt strömt eine sehr kleine Menge an Abgas durch eine durchgehende Bohrung oder einen Spalt im Bypassventil 9 in die Bypassleitung 14. Sodann wird das Heizelement des Unterfilters 2 eingeschaltet, um die im Unterfilter 2 angesammelten Teilchen zu veraschen, indem in der kleinen Menge des durch das Unterfilter 2 strömenden Abgases enthaltene Luft verwendet wird, um so das Unterfilter 2 zu regenerieren (Schritt 51). Dieses Diesel- Teilchenfilter wiederholt den obigen Betriebszyklus, um das Abgas kontinuierlich zu reinigen.

Claims

1. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung, welche aufweist:

ein Hauptfilter (1) mit einer großen Teilchensammelkapazität, das in eine Abgasleitung (22) in einem Dieselmotor eingebaut ist;

ein Unterfilter (2) mit einer kleinen Teilchensammelkapazität, das parallel zum Hauptfilter (1) angeordnet und in die Abgasleitung (22) eingebaut ist;

ein Ventil (5) zur Steuerung einer Abgasströmung zum Hauptfilter (1) und ein Ventil (9) zur Steuerung einer Abgasströmung zum Unterfilter (2);

am Hauptfilter (1) und am Unterfilter (2) vorgesehene Heizelemente (6) zum Verbrennen von im Hauptfilter (1) und im Unterfilter (2) gesammelten Teilchen;

einen Teilchenansammlungssensor (8) zur Erfassung der Menge von im Hauptfilter (1) angesammelten Teilchen; und

eine Steuereinrichtung (10) zum Steuern der Ventile (5, 9) und der Heizelemente (6) in Abhängigkeit von einem Erfassungssignal vom Teilchenansammlungssensor (8).

2. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die das Hauptfilter (1) und das Unterfilter·(2) bildenden Filterkörper (3) jeweils aus zufällig geschichteten keramischen Langfasern bestehen.

3. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Unterfilter (2) in eine im Hauptfilter (1) ausgebildete Bypassleitung (4) eingebaut ist und die Ventile aus einem Öffnungs-Schließventil (5), das die Hauptleitung (12) für das Hauptfilter (1) öffnet und schließt, und einem Bypassventil (9) bestehen, das die Bypassleitung (4) öffnet und schließt.

4. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Heizelemente (6) jeweils an den Oberflächen des Hauptfilters (1) und des Unterfilters (2) eingebaut sind.

5. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der Teilchenansammlungssensor (8) in die Abgasleitung (22) für das Hauptfilter (1) auf der Abgaseinlaßseite (15) eingebaut ist.

6. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die Steuereinrichtung (10) das Öffnungs-Schließventil (5), das Bypassventil (9) und die Heizelemente (6) in Abhängigkeit von Erfassungssignalen aus einem Temperatursensor (29) zur Erfassung der Temperatur des Hauptfilters (1) und aus dem Teilchenansammlungssensor (8) zum Veraschen gesammelter Teilchen steuert.

7. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Teilchenansammlungssensor (8) ein Erfassungsfilter (25) mit nahezu der gleichen Ventilation je Volumeneinheit wie das Hauptfilter (1), Klemmen (26) eines am Ende des Erfassungsfilters (25) befestigten leitenden Metalls und einen Widerstandssensor zum Messen des Widerstandes zwischen den Klemmen (26) aufweist.

8. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher das Erfassungsfilter (25) aus porösem Keramikmaterial gebildet ist, das aus SiC oder ein Additiv, wie Ti und Ta, enthaltendem SiC besteht, und die Klemmenteile (26) des Erfassungsfilters (25) mit einem Metall, wie Cu, Cr und Ni, imprägniert sind.

9. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher das Erfassungsfilter (25) aus einem faserbeschichteten Material mit zufällig geschichteten langen Fasern aus SiC oder Ti und Ta enthaltendem SiC und einem Metallnetz (34) aus leitendem hitzebeständigem Stahl besteht, das auf die Oberfläche des Faserschichtmaterials aufgeschichtet ist, wobei die Drahtstäbe des Metallnetzes (34) aus leitendem hitzebeständigem Stahl bestehen und auf die Oberfläche des Faserschichtmaterials aufgeschichtet sind und die Drahtstäbe des Metallnetzes (34) zwischen den Klemmen (26) teilweise abgeschnitten sind.

10. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher das Erfassungsfilter (25) aus leitenden SiC-Fasern besteht und ein Metallnetz (34) aufweist, das so geformt ist, daß die Drahtstabdichte des Netzes sich zu den Enden hin erhöht, sowie Sensoren an den Enden des Netzes zum Messen des Netzwiderstandes.

11. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher, wenn die Temperatur des Hauptfilters (1) hoch ist, eine Regenerierung des Hauptfilters (1) gestartet wird, auch wenn die vom Teilchenansammlungssensor (8) festgestellte Menge von angesammelten Teilchen kleiner ist als die vorbestimmte Menge.

12. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welcher, wenn die Temperatur des Hauptfilters (1) niedrig ist, eine Regenerierung des Hauptfilters (1) nur gestartet wird, wenn die vom Teilchenansammlungssensor (8) festgestellte Menge von angesammelten Teilchen gleich oder größer ist als die vorbestimmte Menge.

13. Diesel-Teilchenfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welcher das Hauptfilter (1) und das Unterfilter (2) aus einem zylindrischen Filter oder einem faltenbalgartigen zylindrischen Filter mit einem Metallnetz (6) besteht, das ein auf der Oberfläche jedes Filterkörpers (3) angeordnetes Heizelement bildet.