DE19530966A1 - Diesel engine exhaust gas purification system with filter for soot particles - Google Patents

Diesel engine exhaust gas purification system with filter for soot particles

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DE19530966A1
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Abstract

Exhaust gas from diesel engine is purified by passing it into a chamber (2) contg. a filter (3) where it moves through filter walls (4) into outflow channels (5) and via an contact outlet (6) to atmos. The filter is heated by means of a burner unit (7) with hot gas chamber (12) from which gas passes through channels (13) and to the outlet with the exhaust gas. The hot gas channels can be integrated into the filter parts or can be formed by assembly of the filter parts. Air can be injected into burner chamber without being affected by exhaust gas counter - pressure.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung für Diesel-Brennkraftmaschinen, bestehend aus einer Filtereinrichtung zum Auffangen von Ruß- und Feststoffpartikeln und einer Brennereinrichtung zum Abbrennen der am Filter abgelagerten Rußpartikel.The invention relates to an exhaust gas purification device for diesel internal combustion engines, consisting of a filter device for collecting soot and solid particles and a burner device for burning off the soot particles deposited on the filter.

Eine Einrichtung dieser Art ist in der US-A 4,571,938 dargestellt und beschrieben. Deren Brennereinrichtung besteht aus einer Brennerdüse, die an einen Verdichter und eine Brennstoffpumpe angeschlossen ist. Der Luftverdichter fördert durch ein Luft­ regulierventil, das den Förderdruck in Abhängigkeit vom Abgasdruck im Bereich der Abgasrohre vor der Filtereinrichtung steuert.A device of this type is shown and described in US-A 4,571,938. Their Burner device consists of a burner nozzle connected to a compressor and a Fuel pump is connected. The air compressor delivers air regulating valve that regulates the delivery pressure depending on the exhaust gas pressure in the range of Controls exhaust pipes in front of the filter device.

In der DE-A-38 08 075 ist eine Rußfiltereinrichtung mit Brenner offenbart, die stromauf oder stromab des Filters eine Teilfläche des Filters erhitzt, wobei Filter und Brenner relativ zueinander bewegbar sind, so daß während eines Zyklus nacheinander alle Teilflächen erhitzt werden. Dieser Brenner muß in beiden Fällen gegen den Staudruck vor dem Filter arbeiten.DE-A-38 08 075 discloses a soot filter device with a burner which is upstream or downstream of the filter a portion of the filter is heated, filter and burner are movable relative to each other, so that all of them in succession during a cycle Partial surfaces are heated. In both cases, this burner must counteract the dynamic pressure the filter.

In der EP-A1-0100 547 ist eine Rußfiltereinrichtung offenbart, deren Filter von einem außerhalb des Abgasrohres angeordneten Brenner beheizt wird, und zwar nur dessen äußere peripheren Teile. Obwohl bei dieser Einrichtung nicht gegen den Staudruck gearbeitet werden muß, kann sie nicht wirkungsvoll arbeiten, da nur die peripheren Filterteile beheizt werden.In EP-A1-0100 547 a soot filter device is disclosed, the filter of one arranged burner outside the exhaust pipe is heated, and only its outer peripheral parts. Although not against back pressure at this facility must be worked, it can not work effectively because only the peripheral Filter parts are heated.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Abgasreinigungseinrichtung derart zu gestalten, daß eine vom Abgasgegendruck unabhängige Lufteinblasung bei Brennbetrieb erfolgen kann, wobei eine reduzierte Brennerleistung angestrebt werden soll, wodurch Brennstoffeinsparung erreicht und der Bauraum- und Bauteileaufwand verringert werden kann. Proceeding from this, the object of the invention is a generic one Exhaust gas purification device to design such that one of the exhaust gas back pressure independent air injection can take place during burning operation, whereby a reduced Burner performance should be aimed at, thereby achieving fuel savings and the Space and component costs can be reduced.  

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst worden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1 been solved. Advantageous further developments are specified in the subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.An embodiment of the invention is shown schematically in the drawing and is described below.

Die Zeichnung zeigt:The drawing shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Einrichtung; Fig. 1 shows a longitudinal section through the device;

Fig. 2a-c und 3a-c Querschnitte aus Fig. 1. Fig. 2a-c and 3a-c cross-sections in FIG. 1.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Abgasreinigungseinrichtung, welcher über einen Einlaß-Anschlußstutzen 1 ungereinigtes Abgas eines Dieselmotors (zeichnerisch nicht dargestellt) zugeführt wird. Das Abgas tritt über eine Abgaskammer 2 in einen Rußpartikelfilter 3 ein. Dieser Filter ist vorzugsweise aus porösem (gasdurchlässigem) Material (Metall oder Keramik) mit relativ guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Fig. 1 shows a longitudinal section through an exhaust gas purification device, which is supplied via an inlet connector 1 unpurified exhaust gas from a diesel engine (not shown in the drawing). The exhaust gas enters a soot particle filter 3 via an exhaust gas chamber 2 . This filter is preferably made of porous (gas-permeable) material (metal or ceramic) with relatively good thermal conductivity.

Der Filterkörper kann als Monolith hergestellt oder aus Einzelteilen zusammengesetzt sein, wie später noch erläutert wird. Die Materialstruktur ist so beschaffen, daß ein guter Kompromiß zwischen Gasdurchlässigkeit und Filtervermögen erreicht wird. Mit zunehmender Beladung des Filters 3 verringert sich durch Ablagerung der Partikel in den engen Poren die Gasdurchlässigkeit, wodurch sich ein erhöhter Abgasgegendruck aufbaut. Es ist deshalb erforderlich den Filter zu regenerieren. Bei den Partikeln im Diesel-Abgas handelt es sich zum weitaus größten Teil um Ruß, der sich durch Aufheizen des Filters auf <600°C verbrennen und damit beseitigen läßt. Bei der Dimensionierung des Filters ist eine bestimmte Reserve vorgesehen, damit die notwendige Regenerierung des Filters 3 nicht kontinuierlich, sondern aus Gründen der Energie-Einsparung in Intervallen erfolgen kann. The filter body can be produced as a monolith or be composed of individual parts, as will be explained later. The material structure is such that a good compromise between gas permeability and filtering capacity is achieved. With increasing loading of the filter 3 , the gas permeability is reduced due to the deposition of the particles in the narrow pores, as a result of which an increased exhaust gas back pressure builds up. It is therefore necessary to regenerate the filter. The vast majority of the particles in the diesel exhaust gas are soot, which can be burned by heating the filter to <600 ° C and thus eliminated. When dimensioning the filter, a certain reserve is provided so that the necessary regeneration of the filter 3 cannot be carried out at intervals, but for reasons of energy saving.

Das Abgas tritt von der Abgaskammer 2 durch poröse Filterwände 4 direkt in Abströmkanäle 5 und von diesen in einen in die Atmosphäre führenden Auslaßkanal 6 über. Dabei werden die Rußpartikel in den Filterwänden 4 zurückgehalten und das Abgas gereinigt.The exhaust gas passes from the exhaust gas chamber 2 through porous filter walls 4 directly into outflow channels 5 and from these into an outlet channel 6 leading into the atmosphere. The soot particles are retained in the filter walls 4 and the exhaust gas is cleaned.

Für die erwähnte Aufheizung des Filters 3 weist die Einrichtung eine Brennereinrichtung 7 auf, die aus einer Brennkammer 8 mit Brennstoffeinspritzung 9 und Lufteinblasung 10 sowie Zündeinrichtungen 11 etc. sowie einer Heizgaskammer 12 besteht, in die die Brennflamme/das Heizgas eingeblasen wird.For the heating of the filter 3 mentioned , the device has a burner device 7 , which consists of a combustion chamber 8 with fuel injection 9 and air injection 10 as well as ignition devices 11 etc. and a heating gas chamber 12 into which the combustion flame / the heating gas is blown.

Aus dieser Heizgaskammer 12 gelangt das Heizgas durch zur Heizgaskammer 12 offene Heizgaskanäle 13 über den Auslaßkanal 6 gemeinsam mit dem gereinigten Abgas des Dieselmotors in die Atmosphäre. Innerhalb der Heizgaskanäle 13 findet ein Wärmetausch zwischen Brennerflamme/Heizgas und Filter 3 statt, wodurch der Filter 3 auf die für die Regenerierung notwendige Temperatur aufgeheizt wird.From this heating gas chamber 12 , the heating gas reaches the atmosphere through heating gas channels 13 which are open to the heating gas chamber 12, via the outlet channel 6, together with the cleaned exhaust gas from the diesel engine. A heat exchange takes place between the burner flame / heating gas and filter 3 within the heating gas channels 13 , whereby the filter 3 is heated to the temperature necessary for the regeneration.

Fig. 2a-c zeigen Querschnitte des Filters 3 in verschiedenen Ausführungen, Fig. 2a rechteckig mit mehreren gleichmäßig verteilten Heizgaskanälen 13, die gemäß Fig. 3a in Filterteilstücken 14 angeordnet sein können, Fig. 2b rechteckig mit nur zwei Heizgas­ kanälen 13, die aus zusammengesetzten Filterteilstücken 15 gebildet werden, wie in Fig. 3b dargestellt ist, und Fig. 2c rund mit gleichmäßig verteilten Heizgaskanälen 13, die, wie in Fig. 3c dargestellt ist, in segmentförmig zusammengesetzten Filterteilstücken 16 angeordnet sein können. FIGS. 2a-c cross-sections of the filter 3 in different versions, Fig. 2a rectangular with a plurality of evenly distributed hot gas channels 13, which according to FIG. May be arranged in filter sections 14 3a, Fig. 2b rectangular channels with only two heating gas 13 from composite filter sections 15 are formed, as shown in Fig. 3b, and Fig. 2c round with uniformly distributed heating gas channels 13 , which, as shown in Fig. 3c, can be arranged in segmented filter sections 16 .

Die Heizgaskammer 12 kann durch eine nicht dargestellte Prallscheibe von einer Brennkammer 8 getrennt sein. Heizgaskammer 12 und Brennkammer 8 bilden einen Heizdom 17, der stromab der Filtereinrichtung angeordnet ist. Um diesen Heizdom 17 ist die Abgaskammer 2 konzentrisch angeordnet, wodurch eine Wärmeisolierung nach außen und Vorwärmung des Abgases erreicht wird. Ein Flammwächter 16 überwacht aus Sicherheitsgründen die Brennerfunktion. Auf die Darstellung der weiteren, für die Funktion des Brennersystems erforderlichen Peripherien, kann hier verzichtet werden, weil diese im Hinblick auf die Brennstoff- und Luftversorgung einschließlich der Zumessung, des Zündmoduls und der Steuerelektronik mit der Erfindung nichts zu tun hat. The heating gas chamber 12 can be separated from a combustion chamber 8 by a baffle plate, not shown. Heating gas chamber 12 and combustion chamber 8 form a heating dome 17 , which is arranged downstream of the filter device. The exhaust gas chamber 2 is arranged concentrically around this heating dome 17 , as a result of which thermal insulation to the outside and preheating of the exhaust gas is achieved. A flame monitor 16 monitors the burner function for safety reasons. The representation of the further peripherals required for the function of the burner system can be dispensed with here because these have nothing to do with the invention with regard to the fuel and air supply including metering, the ignition module and the control electronics.

Die Einrichtung zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:
Keine nennenswerte Auswirkung des je nach Filter-Beladungsgrad und Motordrehzahl veränderlichen Abgasgegendruckes auf die Druckverhältnisse in der Brennkammer 8.The facility has the following advantages:
No noteworthy effect of the exhaust gas back pressure, which varies depending on the filter loading level and engine speed, on the pressure conditions in the combustion chamber 8 .

Deshalb kann ein üblicher Luftverdichter mit ca. 50-100 mbar Förderdruck zur Versorgung der Brennereinrichtung 7 mit Brennluft eingesetzt werden und der Brennerbetrieb bei allen Betriebszuständen gewährleistet werden. Dieser Luftverdichter ist vorteilhafterweise als Strömungsmaschine ausgeführt.A conventional air compressor with a delivery pressure of approximately 50-100 mbar can therefore be used to supply the burner device 7 with combustion air and burner operation can be guaranteed in all operating states. This air compressor is advantageously designed as a turbomachine.

Die Brennerheizenergie wird über die Filterwände 4 auch auf den Abgasstrom übertragen, der durch die Abströmkanäle 5 strömt. Um das Abgasgemisch auf eine für die Einleitung der Regenerierung erforderliche Temperatur zu erwärmen, ist ein ent­ sprechender Energieeinsatz erforderlich. Nach Beginn der Regenerierung von der Heizgaskammerseite her durchläuft die Regenerierungszone den gesamten Partikelfilter 3, wobei die bei der Verbrennung der Rußpartikel freiwerdende Wärme zur Aufheizung des restlichen Filterkörpers 3 genutzt wird und beim Energieeinsatz durch Senkung der Heizleistung berücksichtigt wird.The burner heating energy is also transmitted via the filter walls 4 to the exhaust gas flow which flows through the outflow channels 5 . In order to heat the exhaust gas mixture to a temperature required to initiate regeneration, a corresponding use of energy is required. After the start of the regeneration from the heating gas chamber side, the regeneration zone runs through the entire particle filter 3 , the heat released during the combustion of the soot particles being used to heat up the remaining filter body 3 and being taken into account when using energy by reducing the heating power.

Durch die Anordnung der Brennereinrichtung 7 im Bereich des gefilterten Abgasstromes, also stromab des Filters, ist die Gefahr unzulässiger Rußablagerungen in der Brennereinrichtung 7, beispielsweise am Austritt der Brennnstoffeinspritzung 8, an der Zündeinrichtung 11 und dem Flammwächter 16 erheblich verringert.By arranging the burner device 7 in the area of the filtered exhaust gas flow, i.e. downstream of the filter, the risk of impermissible soot deposits in the burner device 7 , for example at the outlet of the fuel injection 8 , on the ignition device 11 and the flame monitor 16, is considerably reduced.

Aus den vorgenannten Vorteilen resultiert eine wesentlich erhöhte Betriebssicherheit.The aforementioned advantages result in significantly increased operational reliability.

Claims (4)

1. Abgasreinigungseinrichtung für Diesel-Brennkraftmaschinen, bestehend aus einer Filtereinrichtung zum Auffangen von Rußpartikeln und aus einer Brennereinrichtung zum Abbrennen der am Filter abgelagerten Rußpartikel, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dieselabgase über eine Abgaskammer (2) in den Filter (3) eintreten, durch Filterwände (4) in Abströmkanäle (5) und über einen Auslaßkanal (6) in die Atmosphäre und daß die Brennerflamme/das Brennerheizgas über eine Heizgaskammer (12) in durch im Partikelfilter angeordnete Heizgaskanäle (13) und den Auslaßkanal (6) in die Atmosphäre strömt.1. Exhaust gas purification device for diesel internal combustion engines, consisting of a filter device for collecting soot particles and a burner device for burning off the soot particles deposited on the filter, characterized in that the diesel exhaust gases enter the filter ( 3 ) through an exhaust gas chamber ( 2 ) Filter walls ( 4 ) in the discharge channels ( 5 ) and via an outlet channel ( 6 ) into the atmosphere and that the burner flame / burner heating gas via a heating gas chamber ( 12 ) into the heating gas channels ( 13 ) arranged in the particle filter and the outlet channel ( 6 ) into the atmosphere flows. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizgaskanäle (13) als eigenständige, integrierte Filterkanäle in Filterteilstücken (14, 16) angeordnet sind, die zusammengesetzt sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the heating gas channels ( 13 ) are arranged as independent, integrated filter channels in filter sections ( 14 , 16 ) which are composed. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizgaskanäle (13) durch zusammengesetzte Filterteilstücke (15) gebildet werden.3. Device according to claim 1, characterized in that the heating gas channels ( 13 ) are formed by composite filter sections ( 15 ). 4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgaskammer (2) konzentrisch um die in einem Heizdom (17) angeordnete Brennereinrichtung (7) angeordnet ist zur Wärmeisolierung nach außen und Vorwärmung des Dieselmotor-Abgases.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas chamber ( 2 ) is arranged concentrically around the burner device ( 7 ) arranged in a heating dome ( 17 ) for heat insulation to the outside and preheating of the diesel engine exhaust gas.
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