DE10046452A1

DE10046452A1 - Method and device for the regeneration of loaded soot filters

Info

Publication number: DE10046452A1
Application number: DE2000146452
Authority: DE
Inventors: Willi Mueller; Henning Von Watzdorf; Hans Houben
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2002-04-04
Also published as: EP1188907A3; EP1188907A2

Abstract

Verfahren zur Regeneration von beladenen Rußfiltern zur Filterung von Gasen und Abgasen, bei dem das (Ab)gas vor Durchtritt durch den Filter mit Heizmitteln aufgeheizt wird, wobei man mittels des Heizmittels (3) mindestens einen Abgasteilstrom innerhalb des Abgasrohres (1), das dem Filter (2) das zu filternde Abgas (6) zuführt, ausbildet und zusätzlich derart erhitzt, daß der Teilstrom des Abgases (6) in den Filter (2) mit höherer Temperatur als der des anderen Teilstroms eintritt.Process for the regeneration of loaded soot filters for filtering gases and exhaust gases, in which the (exhaust) gas is heated with heating means before it passes through the filter, with at least one partial exhaust gas flow within the exhaust pipe (1) that corresponds to the heating means (3) Filter (2) supplies the exhaust gas (6) to be filtered, forms it and additionally heats it in such a way that the partial flow of the exhaust gas (6) enters the filter (2) at a higher temperature than that of the other partial flow.

Description

Bekannterweise werden Gase und insbesondere Abgase, hier insbesondere Abgase von. Dieselmotoren, mit Rußfiltern gereinigt. Die mit Partikel beladenen Filter können dadurch regeneriert werden, daß die Gas- bzw. Abgastemperatur vor Eintritt in den Filter auf eine Temperatur erhöht wird, die eine Entzündung der im Filter gesammelten Partikel bewirkt und eine im Rußfilter sich ausbreitende Glimmverbrennung der Beladung unterhält. Die erforderliche Erhöhung der Abgastem peratur wird hierbei beispielsweise durch elektrische Zuhei zer erzielt.As is known, gases and in particular exhaust gases, here in particular exhaust gases from. Diesel engines, with soot filters cleaned. The filter loaded with particles can be regenerated that the gas or exhaust gas temperature before Entry into the filter is raised to a temperature that ignition of the particles collected in the filter and a glow combustion spreading in the soot filter Load maintains. The required increase in emissions temperature is here, for example, by electrical auxiliary zer achieved.

Da die Zündtemperatur der Partikel, mit dem der Filter beladen ist, abhängig ist von der Zusammensetzung der Ab gase, der Sauerstoffkonzentration, der Verwendung von Kraft stoffadditiven, von dem Filtermaterial, der Filtertemperatur und gegebenenfalls weiteren Parametern, gelingt es bei spielsweise bei Dieselmotoren nicht in allen Betriebszustän den, die zur Regeneration der beladenen Filter erforderliche Abgastemperatur zu erzielen bzw. zu erzeugen.Because the ignition temperature of the particles with which the filter is loaded, depends on the composition of the Ab gases, the oxygen concentration, the use of power additives, from the filter material, the filter temperature and possibly other parameters, it succeeds for example with diesel engines not in all operating states the one required to regenerate the loaded filter To achieve or generate exhaust gas temperature.

Bei der bekannten Zusatzheizung mittels elektrischem Zuheizer wird der Abgasstrom aufgeheizt; hierbei hat sich als nachteilig herausgestellt, daß insbesondere der energe tische Aufwand zur ausreichenden Aufheizung beispielsweise bei niedrigen Betriebszuständen eines Dieselmotors, sehr hoch ist; die notwendige elektrische Leistung ist oftmals nicht von den zur Verfügung stehenden Leistungsquellen zu erbringen.In the known additional heating by means of electrical The exhaust gas stream is heated up in the auxiliary heater; here has found to be disadvantageous that in particular the energetic table effort for sufficient heating, for example at low operating conditions of a diesel engine, very much is high; the necessary electrical power is often not from the available power sources provide.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regeneration von beladenen Rußfiltern, ins besondere von Rußfiltern von Dieselmotoren, zur Verfügung zu stellen, die weniger energieverbrauchend und einfacher als vorbekannt zu realisieren sind.The object of the invention is a method and Device for the regeneration of loaded soot filters, ins particular of diesel engine soot filters, available too make the less energy consuming and easier than are known to be realized.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 und der Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7 gelöst.The object of the invention is achieved by the method according to claims 1 to 3 and the device according to the Claims 4 to 7 solved.

Die Erfindung wird am Beispiel einer üblichen Abgas anlage eines Dieselmotors in einem Kraftfahrzeug anhand der Fig. 1, 2 und 3 näher erläutert. Hierbei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit Rußfilter und der erfindungsgemäßen Teilstromaufheizung mit einem Heizband; undThe invention is explained in more detail using the example of a conventional exhaust system of a diesel engine in a motor vehicle with reference to FIGS. 1, 2 and 3. . Here, FIG 1 shows a schematic representation of an exhaust system with a soot filter and the partial stream heating the invention with a heating cable; and

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer gleichen Abgasanlage mit erfindungsgemäßer Teilstromaufheizung durch einen wabenförmigen Zuheizer. Fig. 2 is a schematic representation of the same exhaust system with partial flow heating according to the invention by a honeycomb heater.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Abgasanlage mit erfin dungsgemäßer Teilstromaufheizung durch eine weitere Ausfüh rungsform eines wabenförmigen Zuheizers. Fig. 3 is a schematic representation of a further preferred embodiment of an exhaust system with partial flow heating according to the invention by a further embodiment of a honeycomb auxiliary heater.

Erfindungsgemäß wird das Abgasrohr 1, in dem der Ruß filter 2 angeordnet ist, und durch das dem Rußfilter 2 das Abgas 6 zugeführt wird, durch Heizmittel in Form eines Teil stromzuheizers 3 in einen Bereich unterteilt, in dem ein Teilstrom des Abgases 6 zusätzlich erhitzt wird, während der andere Teilstrom ungehindert und ohne zusätzliche Erhitzung in den Filter 2 eintritt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist ein Heizband 4 vorgesehen, das beispielsweise etwa die Hälfte des Rohrquerschnitts ausfüllt und sich in Strömungs richtung erstreckende spaltenförmige Kanäle bildet, durch die der Abgasteilstrom unter Aufheizung hindurchtritt. Der verbleibende Bereich des Abgasrohres 1 bleibt von dem Teil stromzuheizer frei, so daß durch diesen Bereich des Rohres das Abgas 6 ohne zusätzliche Aufheizung in den Filter 2 eintreten kann.According to the exhaust pipe 1 , in which the soot filter 2 is arranged, and through which the soot filter 2 is supplied with the exhaust gas 6 , divided by heating means in the form of a partial current heater 3 into an area in which a partial flow of the exhaust gas 6 is additionally heated , while the other partial flow enters the filter 2 unhindered and without additional heating. In the embodiment according to FIG. 1, a heating tape 4 is provided which, for example, fills approximately half of the tube cross section and forms column-shaped channels extending in the flow direction, through which the partial exhaust gas stream passes under heating. The remaining area of the exhaust pipe 1 remains free from the part of the electricity heater, so that the exhaust gas 6 can enter the filter 2 through this area of the pipe without additional heating.

Der Teilstromzuheizer 3 in Form des Heizbandes 4 wird so dicht an die Eintrittsfläche des Rußfilters 2 gesetzt, daß sich der aufgeheizte Teilstrom und der nicht aufgeheizte Teilstrom praktisch nicht vermischen können. Dimensionierung und Heizleistung des Teilstromzuheizers 3 in Form des Heiz bandes 4 werden derart gewählt, daß der zusätzlich aufge heizte Abgasteilstrom mit einer solchen Temperatur in den Filter 2 eintritt, die geeignet ist, die Partikel zu entzün den, bzw. eine selbsttragende Glimmverbrennung der Beladung des Filters 2 zu initiieren.The partial flow heater 3 in the form of the heating tape 4 is placed so close to the inlet surface of the soot filter 2 that the heated partial flow and the unheated partial flow can practically not mix. Dimensioning and heating power of the partial flow heater 3 in the form of the heating band 4 are chosen such that the additionally heated exhaust gas partial flow enters the filter 2 at a temperature which is suitable for igniting the particles, or a self-supporting glow combustion of the load of the Initiate Filters 2 .

Der Teilstromzuheizer 3, hier als Heizband 4 ausgebil det, kann vorteilhaft aus leitfähiger Keramik hergestellt sein; aber auch andere Heizelemente, beispielsweise auf Halbleiterbasis oder auf Metallbasis können Verwendung fin den.The partial flow heater 3 , ausgebil det here as a heating tape 4 , can advantageously be made of conductive ceramic; but other heating elements, for example based on semiconductors or based on metals, can also be used.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 entspricht im wesent lichen der gemäß Fig. 1, wobei die Bezugszeichen die vor gegebene Bedeutung besitzen; die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 dadurch, daß als Teilstromzuheizer 3 ein wabenförmiges Heizelement 5 verwen det wird, das ringförmig dem Abgasrohr innen und in unmit telbarer Nachbarschaft zur Eintrittsfläche des Filters 2 an liegt; auf diese Weise wird eine Vielzahl von sich in Strö mungsrichtung erstreckenden Kanälen zum Durchtritt eines ringförmigen Abgasteilstromes gebildet, der zusätzlich er hitzt wird, während ein rohrförmiger Kanal mittig im Rohr zum ungehinderten Durchtritt des anderen Abgasteilstromes verbleibt.The embodiment according to FIG. 2 corresponds essentially to that of FIG. 1, the reference numerals having the meaning given before; the present embodiment differs from that of FIG. 1 in that a honeycomb-shaped heating element 5 is used as the partial flow heater 3 , which is ring-shaped inside the exhaust pipe and in the immediate vicinity of the inlet surface of the filter 2 ; In this way, a plurality of channels extending in the flow direction is formed for the passage of an annular partial exhaust gas stream, which is additionally heated, while a tubular channel remains in the center of the tube for the unhindered passage of the other partial exhaust gas stream.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 3 wiedergegeben. Hierbei ist in einem rohrför migen Filtergehäuse 1 mit einem Durchmesser von etwa 15 cm der Partikelfilter 2 angeordnet. Vor diesem (bezogen auf die Strömungsrichtung des Motorabgases) ist ein wabenförmiger Teilstromheizer 4 zentrisch im Gehäuse 1 angeordnet; dieser Teilstromheizer 4 hat im vorliegenden Fall einen etwa qua dratischen Querschnitt und einer Kantenlänge von ungefähr 6 cm. Die elektrische Kontaktierung 3 ist beispielsweise stec kerförmig auf der Eintrittsfläche des Motorabgases 6 in den wabenförmigen Teilstromheizer 4 angeordnet.Another preferred embodiment of the invention is shown in FIG. 3. Here, the particle filter 2 is arranged in a rohrför shaped filter housing 1 with a diameter of about 15 cm. In front of this (based on the flow direction of the engine exhaust gas) a honeycomb-shaped partial flow heater 4 is arranged centrally in the housing 1 ; in the present case, this partial flow heater 4 has an approximately square cross section and an edge length of approximately 6 cm. The electrical contact 3 is, for example, plug-shaped on the inlet surface of the engine exhaust gas 6 in the honeycomb partial flow heater 4 .

Bei dieser Ausführungsform wird von einer Temperatur des Motorabgases 6 von etwa 100 Grad C ausgegangen; dieses Motorabgas 6 wird durch die Anordnung des wabenförmigen Teilstromheizers 4 in einen etwa ringförmigen Teilstrom unveränderter Temperatur geteilt, der seitwärts den Teil stromheizer 4 in Richtung auf den Partikelfilter 2 ohne zu sätzliche Erhitzung umfließt, sowie einen zweiten Teilstrom, der den wabenförmigen Teilstromheizer 4 unter Erhitzung auf beispielsweise etwa 650 Grad C durchtritt und mit dieser Temperatur in den Partikelfilter 2 eintritt.In this embodiment, a temperature of the engine exhaust gas 6 of approximately 100 degrees C is assumed; This engine exhaust gas 6 is divided by the arrangement of the honeycomb-shaped partial flow heater 4 into an approximately annular partial flow of unchanged temperature, which flows around the partial flow heater 4 in the direction of the particle filter 2 without additional heating, and a second partial flow which heats the honeycomb-shaped partial flow heater 4 to about 650 degrees C, for example, and enters the particle filter 2 at this temperature.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäß bevorzug ten Nutzung eines wabenförmigen Teilstromheizers, insbeson dere gemäß hier beschriebene Ausführungsform nach Fig. 3 besteht in seiner kompakten Form, die die Übertragung der elektrischen Leistung auf das Abgas in kleinem Volumen er möglicht, was wiederum relativ kleine Baugrößen des Parti kelfiltersystems erlaubt. A major advantage of the preferred use of a honeycomb-shaped partial current heater according to the invention, in particular according to the embodiment according to FIG. 3 described here, is its compact shape, which enables the transmission of electrical power to the exhaust gas in a small volume, which in turn enables relatively small sizes of the part kelfiltersystems allowed.

In Kenntnis dieses Lösungsprinzips ist es jedem Durch schnittsfachmann möglich, durch entsprechende Versuche die Dimension des Teilstromzuheizers 3 und dessen Heizleitung in Abhängigkeit von dem Querschnitt des Abgasrohres bzw. Fil tergehäuses 1, Menge, Eintrittstemperatur, Art und Belastung des Abgasstromes 6 zu bestimmen, ohne hierbei erfinderisch werden zu müssen.Knowing this principle of solution, it is possible for every average expert to determine the dimension of the partial flow heater 3 and its heating line depending on the cross section of the exhaust pipe or fil tergehäuses 1 , amount, inlet temperature, type and load of the exhaust gas stream 6 by appropriate tests, without doing so to have to be inventive.

Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfah ren bzw. an der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Um stand, daß die Aufteilung des Abgasstromes in einen zusätz lich aufzuheizenden Teilstrom und einen nicht zusätzlich aufzuheizenden Teilstrom durch konstruktive Ausbildung des Teilstromzuheizers 3 und dessen Anordnung im Abgasrohr ohne weitere Notwendigkeit einer Steuerung, Umleitung o. ä. des Abgasstromes ermöglicht wird. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ist der erkenntlich geringere Energiebedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung, weil nur ein Teilstrom aufge heizt werden muß. Die Erfindung ermöglicht die gezielte Entzündung der Partikel an einem bestimmten Bereich der Eintrittsfläche des aufgeheizten Abgases in den Filter und, hiervon ausgehend, das Freibrennen des gesamten Filters durch selbsttragende Verglimmung. Einfache Versuche ermögli chen zudem, in Abhängigkeit der vorgenannten Abgas- und Anlageparameter die Dimensionierung des Teilstromzuheizers 3 mit dem Ziel zu optimieren, den Energieverbrauch zur Initi ierung des Abbrandes des Filters zu minimieren.Particularly advantageous in the process according to the invention or in the device according to the invention is the order that the division of the exhaust gas flow into a partial flow to be additionally heated and a partial flow not to be additionally heated by constructive design of the partial flow heater 3 and its arrangement in the exhaust pipe without further need of a Control, diversion or the like of the exhaust gas flow is made possible. Another advantage of the invention is the noticeably lower energy requirement of the device according to the invention, because only a partial flow has to be heated up. The invention enables the targeted ignition of the particles at a specific area of the entry surface of the heated exhaust gas into the filter and, based on this, the free burning of the entire filter by self-supporting glowing. Simple experiments also make it possible, depending on the aforementioned exhaust gas and system parameters, to optimize the dimensioning of the partial flow heater 3 with the aim of minimizing the energy consumption for initiating the combustion of the filter.

Claims

1. A process for the regeneration of loaded Rußfil tern for filtering gases and exhaust gases, in which the (exhaust) gas is heated with heating means before it passes through the filter, characterized in that at least one partial exhaust gas flow within the exhaust pipe is heated by means of the heating means ( 3 ) ( 1 ), which supplies the filter ( 2 ) with the exhaust gas ( 6 ) to be filtered, forms and additionally heats such that the partial flow of the exhaust gas ( 6 ) enters the filter ( 2 ) at a higher temperature than that of the other partial flow.

2. The method according to claim 1, characterized in that the exhaust gas partial flow of higher temperature is heated to a sol surface temperature, which initiates a soot filter ( 2 ) from spreading glow combustion of the load of the soot filter ( 2 ).

3. The method according to claim 2, characterized in that channels for free passage of the exhaust gas ( 6 ) and channels for passage with additional heating of the exhaust gas are formed within the exhaust pipe ( 1 ).

4. Device for the regeneration of loaded Rußfil tern with heating means for heating the exhaust gas before passing through the filter, characterized in that in the exhaust pipe ( 1 ) which supplies the filter ( 2 ) to be filtered exhaust gas ( 6 ), heating means ( 3 ) are provided, which on the one hand divide the exhaust gas flow ( 6 ) into at least two partial flows, and on the other hand additionally heat at least one of the partial flows of the exhaust gas ( 6 ) before entering the filter ( 2 ), while the other partial flow heats the exhaust pipe ( 1 ) flows to the filter ( 2 ) without additional heating.

5. The device according to claim 4, characterized in that the heating means ( 3 ) is made of conductive ceramic, in particular conductive ceramic with PCT characteristics.

6. The device according to claim 5, characterized in that the heating means ( 3 ) is a heating tape ( 4 ) through which the exhaust pipe ( 1 ) is divided, the heating tape ( 4 ) in a region of the exhaust pipe ( 1 ) to form Column-shaped channels extending in the flow direction is arranged, while the other area of the exhaust pipe ( 1 ) remains for unhindered passage of the exhaust gas ( 6 ).

7. The device according to claim 6, characterized in that instead of the heating tape ( 4 ) a honeycomb heating element ( 5 ) is provided, which rests annularly on the inside of the exhaust pipe and in the immediate vicinity of the inlet surface of the filter ( 2 ), and wherein a plurality is formed by extending channels in the flow direction for the passage of an annular partial exhaust gas stream.

8. The device according to claim 4 and / or 5, characterized in that a honeycomb-shaped part current heater ( 4 ) in the filter housing ( 1 ) in the exhaust gas flow direction in front of the particle filter ( 2 ) is arranged centrally, which has a substantially square cross section and the heating the partial flow heater (4) passing through partial exhaust gas stream to about 650 degrees C, wherein the cross-sectional area of the partial flow heater (4) area about one fifth of the cross section of the tubular filter housing (1) by weight.