DE3046258A1 - DEVICE AND METHOD FOR TREATING A COMBUSTIBLE SOLID PARTICLE CONTAINING HOT EXHAUST FLOW - Google Patents
DEVICE AND METHOD FOR TREATING A COMBUSTIBLE SOLID PARTICLE CONTAINING HOT EXHAUST FLOWInfo
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Vorrichtung und Verfahren zum Aufbereiten eines brennbare Feststoffteilchen mitführenden heißenApparatus and method for processing a combustible solid particle entrained hot
AbgasstromsExhaust gas flow
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Vorrichtung und Verfahren zum Aufbereiten eines brennbare Feststoffteilchen tnitführenden heißenApparatus and method for processing a combustible solid particle containing hot
AbgasstromsExhaust gas flow
Bei Brennkraftmaschinen ist es erwünscht, die Abgase aufzubereiten, so daß diese bedenkenlos in die Atmosphäre abgegeben werden können. Bei manchen Brennkraftmaschinen, insbesondere dieselbetriebenen, ist eines der häufigsten Probleme das Vorhandensein von im Abgasstrom mitgeführten Feststoffteilchen.In internal combustion engines, it is desirable to process the exhaust gases, so that they can be released into the atmosphere without hesitation. In some internal combustion engines, particularly diesel-powered ones, one of the most common problems is the presence of air entrained in the exhaust gas stream Solid particles.
In der Hauptsache sind die Feststoffteilchen normalerweise Kohlenstoffteilchen. Sie entstehen durch die unvollständige Verbrennung des Kohlenwasserstoff-Kraftstoffs unter bestimmten Betriebsbedingungen des Motors. Allerdings trägt auch der Betriebs-Wirkungsgrad des Motors zu der Menge der erzeugten Kohlenstoffteilchen bei.The main thing is usually the particulate matter Carbon particles. They are caused by the incomplete combustion of the hydrocarbon fuel under certain engine operating conditions. However, the operating efficiency of the engine also contributes to that Amount of carbon particles generated.
Das Vorhandensein relativ großer Mengen von Kohlenstoffteilchen in einem Abgasstrom ist daraus ersichtlich, daß ein dunkler, rauchiger, unerwünschter Ausstoß erfolgt. Dieser Rauch ist nicht nur unschön, sondern er kann in großen Mengen auch gesundheitsschädlich sein.The presence of relatively large amounts of carbon particles in an exhaust gas stream can be seen from the fact that a dark, smoky, undesirable discharge ensues. This smoke is not only unsightly, it can also be in large amounts can also be harmful to health.
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Es sind Vorrichtungen bekannt, um den Gehalt an Feststoffteilchen in Abgasströmen zu beseitigen oder kleinzuhalten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß zwar die Feststoffteilchen mit einem geeignet ausgebildeten Filter beseitigt werden können; dabei ergibt sich aber schließlich eine Sättigung und/oder die Funktionsunfähigkeit des Filters infolge einer übermäßigen Ansammlung von Feststoffteilchen.Devices are known to measure the solid particle content to be eliminated or kept small in exhaust gas flows. However, it has been shown that although the Solid particles with a suitably designed filter can be eliminated; however, this ultimately results in saturation and / or inoperability of the filter due to excessive build-up of particulate matter.
Ls ist ferner bekannt, daß das Motorabgas-Aufbereitungsverfahren insgesamt beschleunigt werden kann, üies erreicht man, indem nicht nur der heiße Gasstrom durch ein Filtermittel geleitet wird, sondern das Filter mit einem Katalysator versehen wird, der die Verbrennung der zurückgehaltenen Teilchen beschleunigt.It is also known that the engine exhaust gas processing method can be accelerated overall, üies can be achieved by not only the hot gas flow through a filter medium is passed, but the filter is provided with a catalyst, which the combustion of the retained particles accelerated.
Es ist zu beachten, daß unter allen Betriebsbedingungen von Dieselmotoren Kohlenstoffteilchen erzeugt werden. Ferner ist zu beachten, daß Menge und Güte des Abgasstroms jeder Brennkraftmaschine sich entsprechend den Betriebskennlinien der Maschine ändern.It should be noted that carbon particles are generated under all operating conditions of diesel engines. It should also be noted that the amount and quality of the exhaust gas flow of each internal combustion engine are corresponding to the Change the operating characteristics of the machine.
Z. B. kann der Temperaturbereich eines Dieselmotor-Abgasstrorns zwischen gering oberhalb Raumtemperatur und mehr als 649 0C schwanken. Wenn das Abgas ausreichend heiß ist, werden die in einem Filter aufgefangenenFor example, the temperature range of a diesel engine between low Abgasstrorns above room temperature and fluctuate more than 649 0 C. When the exhaust gas is sufficiently hot, it is collected in a filter
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Kohlenstoffteilchen verbrannt. Bei dieselbetriebenen Personenkraftwagen wird jedoch ein Betriebszustand des Motors, bei dem diese Regenerierung erfolgen kann, kaum erreicht.Carbon particles burned. With diesel-powered However, passenger cars hardly become an engine operating condition in which this regeneration can take place achieved.
Wenn eine Maschine im Dauerbetrieb unter solchen Bedingungen läuft, daß die Feststoffteilchen kontinuierlich erzeugt und im Filter aufgefangen werden, muß das die Feststoffteilchen aufnehmende Filterbett hin und wieder regeneriert werden.When a machine runs continuously under such conditions that the particulate matter is continuous are generated and collected in the filter, the filter bed absorbing the solid particles must back and forth can be regenerated again.
normalerweise besteht die Regenerierung darin, daß einfach der genügend Sauerstoff enthaltende heiße Abgasstrom in das Filterbett geleitet wird, um die darin zurückgehaltenen Kohlenstoffteilchen zu kontaktieren und zu entzünden bzw. zu veraschen. Bei der Verbrennung einer großen und gebundenen Kohlenstoff-Ansammlung können aber Temperaturen erzeugt werden, die weit über denen des Abgases liegen. Dies hat zur Folge, daß bei solchen überhohen Temperaturen das Filterbett bzw. der Filtereinsatz einen Wärmestoß, eine Beschädigung oder eine Formänderung erfahren kann.normally the regeneration consists in simply introducing the hot exhaust gas stream containing sufficient oxygen into the filter bed is passed to contact and ignite the carbon particles trapped therein or to incinerate. When burning a large and bound carbon accumulation, however Temperatures are generated that are far above those of the exhaust gas. This has the consequence that in such excessively high Temperatures the filter bed or the filter insert a thermal shock, damage or a change in shape can experience.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Abgasauf bereitungs-Vorrichtung und eines entsprechenden Verfahrens, wobei eine Filtereinheit Feststoffteilchen aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine abscheidet und das Filterbett durch Verbrennen der Feststoffteilchen periodisch regenerierbar ist; dabei erfolgt die Regenerierung während des Betriebs der Brennkraftmaschine unter Bedingungen, bei denen normalerweise keine für die Verbrennung ausreichenden Abgastemperaturen erzeugt werden, und die Beschaffenheit des Filterbetts wird nicht durch Wärmeschock oder Beschädigung gefährdet.The object of the invention is to create an exhaust gas preparation device and a corresponding method, wherein a filter unit separates particulate matter from the exhaust gas flow of an internal combustion engine and the filter bed can be periodically regenerated by burning the solid particles; regeneration takes place in the process during operation of the internal combustion engine under conditions in which normally none for the Combustion generated sufficient exhaust gas temperatures, and the nature of the filter bed will not endangered by thermal shock or damage.
Zur Erzielung einer befriedigenden oder begrenzten Kohlenstoff abscheidung aus einem Abgassystem ohne Beschädigung des Filters weist die Vorrichtung nach der Erfindung einen Reaktionsraum oder -abschnitt auf, der ein Katalysatorbett enthält, durch das wenigstens ein Teil des Abgasstroms geleitet wird. Dieses Katalysatorsegment kann entweder in das die Feststoffteilchen zurückhaltende Filterbett integriert oder diesem vorgeschaltet sein.To achieve a satisfactory or limited carbon separation from an exhaust system without damaging the filter, the device according to the invention has a Reaction space or section containing a catalyst bed through which at least a portion of the exhaust gas flow is directed. This catalyst segment can either be placed in the filter bed retaining the solid particles be integrated or upstream of this.
Um sicherzustellen, daß das Hauptfilterbett bzw. die Hauptfilterbetten ständig funktionsfähig ist, wird der Abgasstrom periodisch und regelmäßig auf eine Temperatur erwärmt, ♦To ensure that the main filter bed or the main filter beds is constantly functional, the exhaust gas flow periodically and regularly heated to a temperature, ♦
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• Λ-• Λ-
die über der für die Auslösung der Verbrennung zurückgehaltener Feststoffteilchen erforderlichen Temperatur liegt.the temperature above that required to initiate combustion of retained particulate matter lies.
Physikalisch erfolgt die Erwärmung dadurch, daß eine erwünschte Menge eines brennbaren Fluids direkt in den Abgasstrom eingespritzt wird. Dieser Brennstoff vermischt sich mit den Dieselabgasen, die Überschußsauerstoff enthalten. Wenn das Gemisch den Katalysator kontaktiert, findet eine exotherme Reaktion statt, wodurch die Abgastemperatur wenigstens auf die Verbrennungstemperatur der im Hauptfilterbett zurückgehaltenen Kohlenstoffteilchen erhöht wird.Physically, the heating takes place in that a desired amount of a combustible fluid is introduced directly into the exhaust gas flow is injected. This fuel mixes with the diesel exhaust gases, which contain excess oxygen. When the mixture contacts the catalyst, an exothermic reaction takes place, increasing the exhaust gas temperature at least to the combustion temperature of the carbon particles retained in the main filter bed is increased.
Somit wird das Hauptfilterbett regelmäßig in periodischen Zeitintervallen regeneriert. Wenn diese Behandlung in vorbestimmten Zeitabständen wiederholt wird, wird die Ansammlung von Kohlenstoffmengen, die sonst zum Zeitpunkt ihrer Verbrennung in einer Wärmebeanspruchung oder Beschädigung des Filterbetts resultieren würde, vermieden.Thus, the main filter bed is regular in periodic Time intervals regenerated. If this treatment is repeated at predetermined time intervals, the Accumulation of carbon that would otherwise occur at the time their combustion would result in thermal stress or damage to the filter bed, avoided.
Die Aufgabe der Erfindung wird also durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Patentansprüchen gelöst.The object of the invention is thus achieved by a device and a method according to the claims.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail, for example, with the aid of the drawing. Show it:
Fig. 1 einen Dieselmotor, mit dem die Filtervorrichtung zusammenwirkt; und1 shows a diesel engine with which the filter device cooperates; and
Fig. 2 einen größeren Querschnitt durch die Filtervorrichtung nach Fig. 1.FIG. 2 shows a larger cross section through the filter device according to FIG. 1.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird angenommen, daß die Brennkraftmaschine 10 oder Abgasquelle ein Dieselmotor ist. Bei diesem wird den verschiedenen Brennkammern sequentiell Luft aus einem Luftfilter durch einen Verteiler 12 zugeführt. Anschließend wird in jede Brennkammer Kraftstoff aus einer Kraftstoffpumpe 13 über ein Gasgestänge 14 eingespritzt.To simplify the description, it is assumed that the internal combustion engine 10 or exhaust gas source is a diesel engine. In this case, the various combustion chambers sequentially air is supplied from an air filter through a manifold 12. Then it is in each combustion chamber Fuel from a fuel pump 13 over a gas linkage 14 injected.
Der heiße Abgasstrom tritt aus dem Auspuffkrümmer 16 aus und gelangt durch ein Abgasrohr 18 zu einem Rauchfilter 17. In das Abgasrohr könnte zwar ein Auspufftopf eingebaut sein, dieser ist jedoch im vorliegenden Fall nicht von Bedeutung.The hot exhaust gas flow exits the exhaust manifold 16 and passes through an exhaust pipe 18 to a smoke filter 17. A muffler could indeed be built into the exhaust pipe be, but this is not important in the present case.
Nach dem Verlassen des Auspuffkrümmers 16 hat der Abgasstrom eine Temperatur im Bereich von ca. 93-64-9 C. Die genaue Temperatur hängt von den BetriebszuständenAfter exiting the exhaust manifold 16, the exhaust gas flow has a temperature in the range of approx. 93-64-9 C. The exact temperature depends on the operating conditions
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des Motors ab. Z. B. ist bei Niedrigdrehzahlen und im Leerlauf das Abgas relativ kühl oder nur gering erwärmt. Infolgedessen werden beim Eintritt des Abgasstroms in die Filtervorrichtung 17 die im Abgasstrom mitgeführten Teilchen in der Vielzahl von Durchlässen im Filterbett 19 zurückgehalten.of the engine. For example, at low engine speeds and when idling, the exhaust gas is relatively cool or only slightly heated. As a result, when the exhaust gas flow enters the filter device 17, those are carried along in the exhaust gas flow Particles in the plurality of passages in the filter bed 19 are retained.
Zwar besteht das Abgas primär aus einer Kombination von Gasen, es hat aber normalerweise einen ausreichenden Sauerstoffgehalt, um wenigstens eine begrenzte Verbrennung innerhalb des Abgasstroms selbst zu unterhalten.While the exhaust gas consists primarily of a combination of gases, it usually has a sufficient one Oxygen content to sustain at least limited combustion within the exhaust stream itself.
Die Filtervorrichtung 17 umfaßt im wesentlichen ein langes Metallgehäuse 21 mit gegenüberliegenden Endwänden 22 und 23, zwischen denen ein innerer Reaktionsraum gebildet ist. Dieser wird zu einem großen Teil von wenigstens einem Bett 19 eingenommen, das aus einem Material besteht, das für die Bildung einer Mehrzahl unregelmäßiger Durchlässe besonders geeignet ist.The filter device 17 essentially comprises a long metal housing 21 with opposing end walls 22 and 23, between which an inner reaction space is formed. This will to a large extent by at least occupied a bed 19 made of a material suitable for the formation of a plurality of irregular Passages is particularly suitable.
Die Funktion dieses Betts oder ähnlicher zusätzlicher Betten besteht darin, eine Reihe von Durchlässen zu bilden, die von dem Abgas durchströmt werden. Während dieses Durchströmens werden die im Abgasstrom mitgeführten Feststoffteilchen längs den verschiedenen Durchlaßwandungen zurückgehalten.The function of this bed or similar additional beds is to block a number of passages form through which the exhaust gas flows. During this flow, they are carried along in the exhaust gas flow Solid particles retained along the various passage walls.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Bett 19 aus einer siebähnlichen metallischen Masse wie Stahlwolle od. dgl. bestehen, die so geformt ist, daß sie den Reaktionsraum im wesentlichen ausfüllt.In one embodiment, the bed 19 can be made from a sieve-like metallic mass such as steel wool or the like. Are shaped so that they the Substantially fills the reaction space.
Erwünschtenfalls kann das Bett 19 an seinem Einlaß- und seinem Auslaßende mit gelochten Platten 26 und 27 oder anderen ähnlichen Querelementen ausgerüstet sein. Diese sind an der Wandung des Gehäuses 21 angeordnet, um das Bett oder mehrere Betten abzustützen oder zu haltern.If desired, the bed 19 at its inlet and its outlet end be equipped with perforated plates 26 and 27 or other similar transverse elements. These are arranged on the wall of the housing 21 in order to support or hold the bed or more beds.
Die Eintritts-Endwand 23 der Filtervorrichtung weist eine Einlaßöffnung 28 auf, durch die Abgas zur Eintrittsseite des Betts 19 eingeleitet wird. In ähnlicher Weise ist die austrittsseitige Platte 26 mit einer Austrittsöffnung 29 zum Abführen von das Bett verlassenden Gasen verbunden.The inlet end wall 23 of the filter device has an inlet opening 28 through which exhaust gas is introduced to the inlet side of the bed 19. In a similar way is the outlet-side plate 26 with an outlet opening 29 for discharging gases leaving the bed tied together.
Um eine optimale Filterwirkung auf den Abgasstrom zu erzielen, kann das Filterbett 19, wie erwähnt, aus einem geeigneten Medium bestehen, das die Feststoffteilchen aus dem Abgasstrom aufnimmt. Um Jedoch die anschließende Verbrennung der zurückgehaltenen Teilchen zu vereinfachen, kann das Filtermittel auf seiner Oberfläche mit einem geeigneten Katalysator, der die Oxidation von Kraftstoff und der brennbaren Teilchen beschleunigt, versehen sein .In order to achieve an optimal filter effect on the exhaust gas flow, the filter bed 19, as mentioned, can consist of one suitable medium that absorbs the solid particles from the exhaust gas flow. However, the subsequent To simplify combustion of the retained particles, the filter medium can have on its surface a suitable catalyst that accelerates the oxidation of fuel and the combustible particles be .
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Wenn das Filterbett 19 ohne Katalysator eingesetzt wird, ist an seinem Vorder- oder Eintrittsende ein Vorbehandlungs-Segment 19a angeordnet. Dieses umfaßt ein Katalysatormaterial, das die erwünschte Oxidation von Kraftstoff und Teilchen bewirken kann. Diese Vorfilterkammer 19a kann ein Teil des Filterbetts 19 oder ein davon gesondertes Segment sein.If the filter bed 19 is used without a catalyst, there is a pretreatment segment at its front or inlet end 19a arranged. This includes a catalyst material, which can cause the desired oxidation of fuel and particulates. This pre-filter chamber 19a can be part of the filter bed 19 or a segment which is separate therefrom.
Z. B. kann das Vorfilter-Segment 19a im Vorder abschnitt des Gehäuses 21 angeordnet sein, so daß es von den anströmenden Abgasen kontaktiert wird, sobald diese in das Filtergehäuse eintreten.For example, the pre-filter segment 19a can be sectioned in the front of the housing 21 so that it is contacted by the incoming exhaust gases as soon as they are in enter the filter housing.
Für die Vorerwärmung des Abgasstroms ist ein Einspritzsystem vorgesehen, das primär ein Vorrat eines brennbaren Brennstoffs in Verbindung mit einer Einheit zum Einführen einer dosierten Menge des Brennstoffs in den erwärmten Abgasstrom ist. Der Brennstoffvorrat kann flüssig oder gasförmig sein, um die erwünschte Vorwärmfunktion zu erzielen.For the preheating of the exhaust gas flow, an injection system is provided, which is primarily a supply of a combustible one Fuel in connection with a unit for introducing a metered amount of the fuel into the heated Exhaust gas flow is. The fuel supply can be liquid or be gaseous in order to achieve the desired preheating function.
Wie nachstehend erläutert wird, kann der Zusatzbrennstoff Dieselkraftstoff sein, der auch für den Antrieb der Brennkraftmaschine 10 verwendet wird. Alternativ kann es sich um ein komprimiertes Gas wie Propan od. dgl. handeln, das nur zum Zweck der Einspritzung in die VorfilterkammerAs will be explained below, the auxiliary fuel Be diesel fuel that is also used to drive the internal combustion engine 10 is used. Alternatively, it can be a compressed gas such as propane or the like. that only for the purpose of injection into the pre-filter chamber
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mitgeführt wird. Der zusätzliche Brennstoff kann also irgendeine einer Anzahl bekannter leichtflüchtiger Kohlenwasserstoff- oder andersartiger Substanzen sein, die fähig sind, in der Katalysatorkammer zu reagieren.is carried. Thus, the additional fuel can be any of a number of known more volatile Hydrocarbon or other substances capable of reacting in the catalyst chamber.
Das Injektionssystem umfaßt eine Pumpe 31 oder eine andere geeignete Dosiereinheit, deren Einlaßseite 32 mit dem Brennstoffvorrat 13 verbunden ist. Die Pumpe 31 ist ihrerseits mit einer Einspritzdüse 33 verbunden, die eine oder mehrere Austrittsöffnungen 37 aufweist, die am Vorderende der den Katalysator enthaltenden Vorfilterkammer 34 angeordnet sind.The injection system comprises a pump 31 or another suitable metering unit, the inlet side 32 of which with the Fuel supply 13 is connected. The pump 31 is in turn connected to an injection nozzle 33, the one or a plurality of outlet openings 37, which are located at the front end of the pre-filter chamber containing the catalyst 34 are arranged.
Wenn die Pumpe 31 periodisch von einer Einspritzdüsen-Stelleinheit 36 betätigt wird, gelangt eine dosierte Menge des brennbaren zerstäubten Brennstoffs direkt in die Vorfilterkammer 34, in der er sich durch den Kontakt mit dem erwärmten Abgas in Anwesenheit des oxidierenden Katalysators entzündet.When the pump 31 periodically from an injector actuator 36 is actuated, a metered amount of the combustible atomized fuel goes directly into the Pre-filter chamber 34, in which it is through contact with the ignited heated exhaust gas in the presence of the oxidizing catalyst.
Zur Erzielung der periodischen Abgaserwärmung ist die Stelleinheit 36 für die Pumpe 31 speziell so ausgelegt, daß die Pumpe zu regelmäßigen voreingestellten Zeiten betätigt wird. Diese Zeitintervalle können entweder auf der Grundlage des Kilometerstands des Motors oder der tatsächlichen Betriebszeit des Motors bestimmt werden.In order to achieve the periodic heating of the exhaust gas, the actuating unit 36 for the pump 31 is specially designed in such a way that that the pump is operated at regular preset times. These time intervals can be either on can be determined based on the mileage of the engine or the actual operating time of the engine.
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Die weitere Betätigung kann eine Funktion der Temperatur im Filtereinsatz sein. In jedem Fall soll mit der zeitlichen Einstellung des Einspritzvorgangs erreicht werden, daß unabhängig von den Motor-Betriebsbedingungen die Kohlenstoffteilchen periodisch in der Filtervorrichtung verascht werden. Die Abstände zwischen den Zeitintervdllen sind so bemessen, daß auch unter den ungünstigsten Motor-Betriebsbedingungen eine übermäßige Ansammlung von Kohlenstoffteilchen vermieden wird.Further actuation can be a function of the temperature be in the filter insert. In any case, the timing of the injection process should achieve that regardless of the engine operating conditions, the carbon particles periodically in the filter device to be incinerated. The intervals between the time intervals are dimensioned so that even under the most unfavorable engine operating conditions an excessive Accumulation of carbon particles is avoided.
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L e e r s eR e r s e
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