DE19508804A1 - Exhaust gas soot filter for Diesel engines - Google Patents

Exhaust gas soot filter for Diesel engines

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Abstract

Exhaust gas soot filter system for Diesel engines where an integral burner, activated by the effects characterising fouling of the filter, burns off the soot to regenerate the filter. Burner (3) is fitted upstream of filter elements (5,6) and works under atmospheric conditions, i.e. independent of exhaust back pressure. The heat exchange stream (21) passes longitudinally across large contact areas of the filters.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rußfilteranordnung für Dieselmotoren mit einem im Abgasstrom angeordneten Partikelfilter und einem Brenner, der bei einer Vorgegebenen Beladung des Partikelfilters mit Partikeln (Ruß) betätigt wird und durch Temperaturerhöhung des Partikelfilters dessen Regeneration bewirkt, wobei die im Partikelfilter angelagerten Rußpartikel abbrennen.The invention relates to a soot filter arrangement for diesel engines with a Exhaust gas flow arranged particle filter and a burner, which at a Predetermined loading of the particle filter with particles (soot) is actuated and by increasing the temperature of the particle filter causes its regeneration, wherein burn off the soot particles accumulated in the particle filter.

Eine derartige Einrichtung ist zum Beispiel aus der US-PS 4,651,524 bekannt. Der Brenner wird mit Brennstoff und zusätzlicher Verbrennungsluft betrieben und befindet sich stromauf des Filterelementes im Abgasstrom. Dies bedeutet, daß der Brenner gegen den sich ausbildenden Abgasgegendruck stromauf des Abgasfilters arbeiten muß.Such a device is known for example from US Pat. No. 4,651,524. Of the Burner is operated with fuel and additional combustion air and is located upstream of the filter element in the exhaust gas flow. This means that the Burner against the developing exhaust gas back pressure upstream of the exhaust gas filter have to work.

Hierzu ist es erforderlich, die Verbrennungsluft soweit zu Verdichten, daß der Abgasgegendruck überwunden wird.For this it is necessary to compress the combustion air so far that the Exhaust back pressure is overcome.

Ein derartiger Luftverdichter ist aufwendig und teuer.Such an air compressor is complex and expensive.

Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, ein zweites Filterelement parallel zum ersten in den Abgasstrang einzuschalten und im Falle der Regeneration des einen Filterelementes den Abgasstrom über das zweite Filterelement zu leiten, so daß das erste Filterelement keinen Abgasgegendruck aufbauen kann.To avoid this, it is known to have a second filter element parallel to the first turn on in the exhaust system and in the case of regeneration of one Filter element to direct the exhaust gas flow over the second filter element, so that first filter element can not build up exhaust back pressure.

Eine solche Anordnung ist jedoch ebenfalls aufwendig und teuer.However, such an arrangement is also complex and expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rußfilteranordnung eingangs genannter Art darzustellen, um solch zusätzlichen Aufwand, sei es für den Luftverdichter oder für eine weitere Rußfilteranordnung zu vermeiden.The invention has for its object a soot filter arrangement at the beginning to represent such a kind of additional effort, be it for the Avoid air compressor or for another soot filter arrangement.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den im Hauptanspruch angegebenen Mitteln gelöst, Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben. This object is achieved according to the invention with those specified in the main claim Means solved, Advantageous refinements are in the further claims specified.  

In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigenThe invention is shown schematically in the drawing. Show it

Fig. 1 die erfindungsgemäße Rußfilteranordnung als Ausschnitt aus einem Abgasstrang; Fig. 1, the soot filter assembly of the invention as a section from an exhaust line;

die Fig. 2 den Schnitt A-A durch das Filterelement; Figure 2 is a section AA through the filter element.

die Fig. 3 einen Schnitt B-B durch das Filterelement; Figure 3 is a section BB through the filter element.

Fig. 4 Detail D in der Fig. 3 in Vergrößerung. Fig. 4 detail D in Fig. 3 in enlargement.

Die Fig. 1 zeigt die Gesamtanordnung eines Rußfilters. Ein Zentralrohr 1 führt das Abgas von einer nicht dargestellten Dieselbrennkraftmaschine in Richtung des Pfeils 2 unter ringförmiger Umströmung eines Brenners 3, wobei durch die heißen Brenneraußenwände das Abgas vorgeheizt wird zu der Einströmseite 4 eines Rußfilters 5, der aus zwei Blöcken 5 und 6 aufgebaut sein kann, wobei sich zwischen diesen Blöcken ein Freiraum 7 befindet. Fig. 1 shows the overall arrangement of a soot filter. A central pipe 1 guides the exhaust gas from a diesel internal combustion engine (not shown) in the direction of arrow 2 with annular flow around a burner 3 , the exhaust gas being preheated by the hot outer walls of the burner to the inflow side 4 of a soot filter 5 , which can be constructed from two blocks 5 and 6 , with a free space 7 between these blocks.

Stromauf und stromab der Rußfilter sind die Anschlüsse eines Differenzdrucksensors 10 innerhalb des Abgasstranges angeordnet, wobei sich stromab des Rußfilters ferner ein Temperartursensor 11 befindet. Die Signale der Sensoren werden zusammen mit anderen Betriebsinformationen in einer zentralen Recheneinheit 12 verarbeitet. Der Brenner 3 wird mit verdichteter Zerstäuber- und Brennerluft über die Leitungen 13, 14 beaufschlagt, wobei ein oder zwei Verdichter 15 eingesetzt werden können. Dem Brenner 3 wird ferner von einer Brennstoffpumpe 16 über einen Wärmetauscher 17 und eine Brennstoffdosiereinheit 18 Brennstoff über eine Leitung 19 zugeführt. Die genannten drei Leitungen sind jeweils mit einem Abschaltventil versehen.Upstream and downstream of the soot filter, the connections of a differential pressure sensor 10 are arranged within the exhaust line, and there is also a temperature sensor 11 downstream of the soot filter. The signals from the sensors are processed together with other operating information in a central processing unit 12 . The burner 3 is supplied with compressed atomizing and burner air via the lines 13 , 14 , it being possible for one or two compressors 15 to be used. The burner 3 is also supplied with fuel via a line 19 from a fuel pump 16 via a heat exchanger 17 and a fuel metering unit 18 . The three lines mentioned are each provided with a shut-off valve.

Die Brennerluftleitung 14 steht mit einem Brennluftregler 20 zur Modulation der Brennerluft in Verbindung. The burner air line 14 is connected to a combustion air controller 20 for modulating the burner air.

Der Brenner 3 weist am Brennerausgang zwei Wärmetauscherzüge 21 auf, die in Längsrichtung den Abgasfilter 5 bzw. bei Aufteilung des Abgasfilters in zwei Blöcke beide Blöcke vollständig durchsetzen und stromab des Filters jeweils eine freie Austrittsfläche 22 aufweisen. Die Wärmetauscherzüge 21 werden von dem heißen Brennerabgas durchströmt und geben ihre Wärme mittels Wärmeleitung und Wärmestrahlung an die Filter 5, 6 ab.The burner 3 has two heat exchanger cables 21 at the burner outlet, which pass completely through the exhaust gas filter 5 in the longitudinal direction or, when the exhaust gas filter is divided into two blocks, and each have a free outlet surface 22 downstream of the filter. The heat exchanger trains 21 are flowed through by the hot burner exhaust gas and emit their heat to the filters 5 , 6 by means of heat conduction and heat radiation.

Wie ersichtlich, arbeitet der Brenner nicht gegen den sich stromauf des Filters 5 ausbildenden Abgasgegendruck, sondern gegen den stromab des Filters 5/6 im Bereich der Austrittsflächen 22 herrschenden Atmosphärendruck.As can be seen, the burner does not work against the exhaust gas counterpressure which forms upstream of the filter 5 , but against the atmospheric pressure prevailing downstream of the filter 5/6 in the region of the outlet surfaces 22 .

Wie aus der dem Schnitt A-A entsprechenden Fig. 2 ersichtlich, sind im Bereich des Partikelfilterblockes 5 in die Oberfläche des Wärmetauscherzuges 21 Kanäle 22 eingebracht.As can be seen from FIG. 2 corresponding to the section AA, 21 channels 22 are introduced into the surface of the heat exchanger train in the area of the particle filter block 5 .

Diese Kanäle 22 ermöglichen einem Teil des Abgasstromes den ungehinderten schnellen Durchtritt entlang der Oberfläche des Wärmetauscherzuges 21 in Richtung des Freiraums 7. Die Hauptmenge des Abgases wird durch die Filterelemente 5 geführt.These channels 22 allow part of the exhaust gas flow to pass unimpededly quickly along the surface of the heat exchanger train 21 in the direction of the free space 7 . The majority of the exhaust gas is passed through the filter elements 5 .

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weisen die Wärmetauscherzüge 21 einen rechteckigen Querschnitt auf und sind mit axialem Abstand zueinander angeordnet. Zwischen den Wärmetauscherzügen befindet sich ebenfalls ein Filterelement. Das Abgas kann auch in dieses Mittelelement einströmen, da die Abschlußwandung des Brenners 3 in ausreichender Entfernung von der Eintrittsebene in das Filterelement angeordnet ist. As can be seen from FIG. 2, the heat exchanger cables 21 have a rectangular cross section and are arranged at an axial distance from one another. There is also a filter element between the heat exchanger cables. The exhaust gas can also flow into this middle element, since the end wall of the burner 3 is arranged at a sufficient distance from the entry plane into the filter element.

Die Kanäle 22 an der Oberfläche der Wärmetauscherzüge 21 sind durch Stege 23 voneinander abgegrenzt und zum Beispiel durch Einfräsung im Oberflächenbereich der Wärmetauscherzüge 21 entstanden. Diese Stege 23 stehen im wärmeleitendem Kontakt mit den Filterelementen 5. Durch Anordnung der Kanäle 22 und deren Durchströmung mit dem relativ kalten Motorabgas wird vermieden, daß sich dies Filterelement 5, das nah am Brenner 3 liegt, überhitzt. Der stromab des Freiraums 7 angeordnete Partikelfilterblock 6 liegt mit seinem den Wärmetauscherzügen 21 zugewandten Oberflächen unmittelbar in wärmeleitendem Kontakt mit diesen und beläßt keinen freien Strömungsweg zwischen den Oberflächen, so daß in diesem Bereich ein starker Wärmeübergang möglich ist.The channels 22 on the surface of the heat exchanger cables 21 are delimited from one another by webs 23 and are formed, for example, by milling in the surface area of the heat exchanger cables 21 . These webs 23 are in heat-conducting contact with the filter elements 5 . By arranging the channels 22 and flowing them through with the relatively cold engine exhaust gas, it is avoided that this filter element 5 , which is close to the burner 3 , overheats. The particle filter block 6 arranged downstream of the free space 7 lies with its surfaces facing the heat exchanger cables 21 in direct thermal contact with them and leaves no free flow path between the surfaces, so that a strong heat transfer is possible in this area.

In diesen Bereichen hat sich innerhalb der Wärmetauscherzüge 21 das Brennerabgas bereits soweit abgekühlt, daß es zweckmäßig sein kann, zur zusätzlichen Optimierung des Wärmeüberganges zusätzliche Rippen 24, siehe Detail D in Fig. 4, innerhalb der Wärmetauscherzüge 21 anzubringen.In these areas, the burner exhaust gas has already cooled down within the heat exchanger cables 21 to such an extent that it may be expedient to provide additional ribs 24 , see detail D in FIG. 4, within the heat exchanger cables 21 for additional optimization of the heat transfer.

Wie aus Fig. 4 erkenntlich, sind die Partikelfilterblöcke 5 und 6 aus einzelnen Elementen 25 zusammengesetzt, die eine sinuswellenförmige Gestalt aufweisen und deren Wellenbögen sich zur Wärmeübertragung berühren und dabei zwischen sich Abgasströmungskanäle 26 ausbilden. Die Partikelfilterblöcke 5, 6, gebildet aus den einzelnen plattenförmigen Elementen 25, sind also schichtweise aufgebaut und die Wärmeübertragung erfolgt von den Wärmetauscherzügen 21 ausgehend mittels Oberflächenkontakt, wobei im Bereich des Partikelfilterblockes 5 der Wärmeübergang durch Auflage der Elemente 25 auf den Stegen 23 reduziert ist, um eine Überhitzung zu vermeiden. As can be seen from FIG. 4, the particle filter blocks 5 and 6 are composed of individual elements 25 , which have a sinusoidal wave shape and whose wave arches touch for heat transfer and thereby form exhaust gas flow channels 26 between them. The particle filter blocks 5 , 6 , formed from the individual plate-shaped elements 25 , are thus built up in layers and the heat transfer takes place from the heat exchanger cables 21 starting by means of surface contact, the heat transfer in the area of the particle filter block 5 being reduced by the elements 25 resting on the webs 23 , to avoid overheating.

Die Regeneration der Rußfilteranordnung innerhalb der Partikelfilterblöcke 5, 6 erfolgt in der Weise, daß mittels des Differenzdrucksensors 10 der Druck stromauf und stromab der Partikelfilterblöcke erfaßt wird und unter Berücksichtigung eines Temperatursignals vom Temperatursensor 11 entsprechend dem aktuellen Beladungszustand des Partikelfilters vom Zentralprozessor 12 die Brennerfunktion eingeleitet wird und die erforderliche Heizleistung durch stufige oder gleitend modulierende Anpassung in Abhängigkeit von dem Signal des Temperatursensors mittels der Brennstoffdosiereinheit 18 und des Brennluftreglers 20 gesteuert bzw. geregelt wird.The soot filter arrangement within the particle filter blocks 5 , 6 is regenerated in such a way that the pressure upstream and downstream of the particle filter blocks is detected by means of the differential pressure sensor 10 and the burner function is initiated by the central processor 12 taking into account a temperature signal from the temperature sensor 11 in accordance with the current loading state of the particle filter and the required heating power is controlled or regulated by means of step-wise or slidingly modulating adaptation as a function of the signal from the temperature sensor by means of the fuel metering unit 18 and the combustion air regulator 20 .

Claims (16)

1. Rußfilteranordnung für Dieselmotoren mit einem im Abgasstrom angeordneten Partikelfilter und einem Brenner, der bei einer vorgegebenen Beladung des Partikelfilters mit Partikeln (Ruß) betätigt wird und durch Temperaturerhöhung des Partikelfilters dessen Regeneration bewirkt, wobei die im Partikelfilter angelagerten Rußpartikel abbrennen, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (3) gegen die in Strömungsrichtung stromab des Rußfilters (5, 6) liegende von Abgasgegendruck unabhängige atmosphärische Seite arbeitet und von mindestens einem von dem Brenner (3) ausgehenden Wärmetauscherzug (21) mit großer Oberfläche vollständig in Längsrichtung durchsetzt ist.1. Soot filter arrangement for diesel engines with a particle filter arranged in the exhaust gas flow and a burner, which is actuated at a predetermined loading of the particle filter with particles (soot) and causes its regeneration by increasing the temperature of the particle filter, the soot particles accumulated in the particle filter burning off, characterized in that the burner ( 3 ) works against the atmospheric side which is independent of exhaust gas back pressure in the flow direction downstream of the soot filter ( 5 , 6 ) and is completely penetrated in the longitudinal direction by at least one heat exchanger train ( 21 ) with a large surface area and starting from the burner ( 3 ). 2. Rußfilteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherzug (21) annähernd einen rechteckigen Querschnitt aufweist.2. Soot filter arrangement according to claim 1, characterized in that the heat exchanger train ( 21 ) has approximately a rectangular cross section. 3. Rußfilteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (5, 6) von zwei parallelen im Abstand zueinander angeordneten Wärmetauscherzügen (21) durchsetzt ist. 3. soot filter arrangement according to claim 2, characterized in that the particle filter ( 5 , 6 ) is penetrated by two parallel heat exchanger cables ( 21 ) spaced apart. 4. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (5, 6) selbst aus einzelnen plattenförmigen Elementen (25) schichtweise aufgebaut ist.4. Soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the filter ( 5 , 6 ) itself is built up in layers from individual plate-shaped elements ( 25 ). 5. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter aus zwei mit axialem Abstand unter Belastung eines Freiraumes (7) zueinander angeordneten Partikelfilterblöcken (5, 6) besteht.5. A soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the filter consists of two particle filter blocks ( 5 , 6 ) arranged at an axial distance from each other while loading a free space ( 7 ). 6. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (25) zwischen den Wärmetauscherzügen (21) und auf deren voneinander abgewandten Seiten angeordnet sind.6. Soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the elements ( 25 ) are arranged between the heat exchanger cables ( 21 ) and on their sides facing away from one another. 7. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (25) eine in Rußfilterlängsrichtung verlaufende, eine Durchströmung zulassende Oberfläche durch Ausbildung von Kanälen (26) aufweisen.7. A soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the elements ( 25 ) have a surface running in the longitudinal direction of the soot filter and permitting a flow through the formation of channels ( 26 ). 8. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (21) eine zur Wärmeübertragung optimierte Oberfläche durch sinuswellenförmige Gestaltung aufweisen. 8. soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the elements ( 21 ) have a surface optimized for heat transfer by sinusoidal wave design. 9. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Partikelfilterblock (5) zwischen Wärmetauscherzug (21) und Partikelfilter (5) Kanäle (22) zwischen Stegen (23) zur Durchströmung mit Motorabgas vorgesehen sind.9. soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the first particle filter block ( 5 ) between the heat exchanger train ( 21 ) and particle filter ( 5 ) channels ( 22 ) between webs ( 23 ) are provided for the flow of engine exhaust gas. 10. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (22) zwischen den als Wärmeleitbrücken dienenden Stegen (23) der Wärmetauscherzüge (21) gebildet sind.10. Soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the channels ( 22 ) are formed between the webs ( 23 ) serving as heat conducting bridges of the heat exchanger cables ( 21 ). 11. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Innenflächen der Wärmetauscherzüge (21) eine zur Wärmeübertragung optimierte Oberflächengestaltung durch querschnittsvergrößernde Rippen (24) im Bereich des zweiten Partikelfilterblockes (6) aufweisen.11. A soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least part of the inner surfaces of the heat exchanger cables ( 21 ) have a surface design optimized for heat transfer by means of ribs ( 24 ) which increase the cross section in the region of the second particle filter block ( 6 ). 12. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Wärmetauscherzüge (21) unmittelbar ohne Zwischenschaltung eines Abgasströmungsweges mit den anliegenden Oberflächen der Filterelemente (25) des zweiten Partikelfilterblockes (6) in wärmeleitender Verbindung stehen. 12. A soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the surfaces of the heat exchanger cables ( 21 ) are in heat-conducting connection directly without the interposition of an exhaust gas flow path with the adjacent surfaces of the filter elements ( 25 ) of the second particle filter block ( 6 ). 13. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Motor kommende Abgasstrom zur Abgasvorwärmung ringförmig um den Brenner (3) geführt wird, wobei das Abgas von einem Zentralrohr (1) aus einströmt.13 soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas stream coming from the engine for exhaust gas preheating is guided in a ring around the burner ( 3 ), the exhaust gas flowing in from a central tube ( 1 ). 14. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Oberflächen der Wärmetauscherzüge (21) und/oder den Elementen (25) die Wärmeübertragung mittels Beilagen optimiert ist.14 soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that between the surfaces of the heat exchanger cables ( 21 ) and / or the elements ( 25 ) the heat transfer is optimized by means of inserts. 15. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzdrucksensor (10) unter Erfassung der Drücke stromauf und stromab des Partikelfilters (5, 6) zur Erfassung des Filterbeladungszustandes in Verbindung mit einer elektronischen Verarbeitung (12) von Motorbetriebsinformationen die Brennerfunktion einleitet.15 soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that a differential pressure sensor ( 10 ) with detection of the pressures upstream and downstream of the particle filter ( 5 , 6 ) for detecting the filter loading state in connection with electronic processing ( 12 ) of engine operating information Initiates burner function. 16. Rußfilteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Heizleistung durch stufige oder gleitend modulierende Anpassung in Abhängigkeit von dem Signal eines Temperatursensors (11) mittels einer Brennstoffdosiereinheit (18) und eines Brennluftreglers (20) gesteuert/geregelt wird.16. Soot filter arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the required heating power is controlled / regulated by means of step-wise or slidingly modulating adaptation as a function of the signal from a temperature sensor ( 11 ) by means of a fuel metering unit ( 18 ) and a combustion air regulator ( 20 ) .
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