DE3529684A1

DE3529684A1 - Soot filter for diesel engines

Info

Publication number: DE3529684A1
Application number: DE19853529684
Authority: DE
Inventors: Rudi Redmer
Original assignee: WENGENRODT FA
Current assignee: WENGENRODT FA
Priority date: 1985-08-20
Filing date: 1985-08-20
Publication date: 1987-02-26

Abstract

In a ceramic filter for the removal of soot from the exhaust gases of diesel engines, in which a plurality of porous ceramic surfaces mechanically retain the soot, in order to achieve removal of the soot using low electrical powers, partial segments of the filter are provided with electrical heating elements and the exhaust gas flow passing through the partial segments is electrically heated in successive segments to the combustion temperature of the soot.

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Filter zur Entrußung der Abgase von Dieselmotoren, bei dem eine Vielzahl von porösen keramischen Flächen den Ruß mechanisch zurückhalten.The invention relates to a ceramic filter for Removal of exhaust gases from diesel engines, in which one Variety of porous ceramic surfaces soot hold back mechanically.

Filter der bekannten Art bestehen meist aus einem keramischen Filterkörper aus vielen, nebeneinander liegenden Kanälen, die an beiden Seiten, der Eingangsseite und der Ausgangsseite, gegeneinander versetzt durch Propfen verschlossen sind. Dadurch können die Abgase von der Eingangsseite des Filters in die Kanäle eintreten und die porösen Wandungen der Kanäle durchströmen. Sie treten sodann in die jeweils benachbarten Kanäle über und verlassen danach den Filter durch diese Kanäle an der Ausgangsseite. Durch die versetzte Abpfropfung an den beiden Filterenden wird somit eine sehr kleine Filteranordnung mit einer sehr großen Durchgangsfläche geschaffen.Filters of the known type usually consist of one ceramic filter body made of many, side by side lying channels on both sides of the Input side and the output side, against each other are closed by plugs. Thereby the exhaust gases can enter from the input side of the filter the channels enter and the porous walls of the Flow through channels. You then step into each neighboring channels and then leave the Filters through these channels on the output side. By the offset graft at the two filter ends thus a very small filter arrangement with a very large passage area created.

Solche Filter haben jedoch den Nachteil, daß der Ruß nach einiger Zeit die Filterfläche bedeckt und dadurch verschließt. Dadurch wird der Abgasstrom verringert und schließlich ganz abgestellt.However, such filters have the disadvantage that the soot after some time the filter surface covered and thereby closes. This reduces and finally turned off completely.

Es müssen deshalb Mittel angewendet werden, die den Ruß aus der Filterfläche entfernen. Dazu kann beispielsweise der Ruß auf etwa 600 Grad erhitzt werden, so daß er sich entzündet und dann mit dem Sauerstoffrestgehalt des Abgases verbrennt.Means must therefore be used to control the soot remove from the filter surface. You can do this, for example the soot is heated to about 600 degrees so that it ignites and then with the residual oxygen content of the Exhaust gas burns.

Die erforderliche Aufheizung erfolgt meist mittels eines im Abgaskanal angeordneten Gasbrenners, weil mit solchen Gasbrennern eine ausreichende Erwärmung des Abgasstromes erreicht werden kann.The required heating is usually done using a arranged in the exhaust gas burner, because with such Gas burners sufficient heating of the exhaust gas flow can be reached.

Der Aufwand für diese Anlagen ist beträchtlich, weil nicht nur Zündung und Abbrand unter den in dieser Umgebung ungünstigen Verhältnissen sicher erfolgen müssen. Es muß außerdem noch ein zweiter Energieträger, das Gas, mitgeführt werden. The effort for these plants is considerable because not just ignition and burnout among those in this Environment safely unfavorable conditions have to. There must also be a second one Energy carriers, the gas, are carried along.

Elektrische Heizungen sind andererseits zur Aufheizung weniger geeignet, weil dazu sehr hohe Stromstärken erforderlich sind. Das ist insbesondere bei ortsveränderlichem Betrieb, wie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, schon wegen der Erzeugung der elektrischen Energie, darüber hinaus aber auch wegen der hohen Ströme und der zu ihrer Steuerung benötigten Schaltelemente problematisch. Electric heaters, on the other hand, are for heating less suitable because it has very high currents required are. This is particularly the case with portable operation, such as at Motor vehicles, if only because of the generation of the electrical energy, but also because of high currents and those required to control them Switching elements problematic.

Beispielsweise sind etwa 10 KW elektrischer Energie nötig, um das Abgas eines 50 KW Dieselmotors auf Brenntemperatur zu bringen. Das führt bei den herkömmlichen 12 V Bordnetzen dann zu Strömen von etwa 1000 A. Solche Werte lassen sich nicht mehr mit praktikablem Aufwand beherrschen.For example, about 10 KW of electrical energy is required around the exhaust gas of a 50 KW diesel engine to burning temperature bring to. This leads to the conventional 12 V Vehicle electrical systems then have currents of around 1000 A. Such values can no longer be done with practical effort dominate.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, den Abbrand der Rußbelegung des Filters zu erreichen, ohne daß hohe elektrische Ströme oder aufwendige Zusatzbrenner erforderlich sind.The invention has therefore set itself the task Burn the soot occupancy of the filter without reaching that high electrical currents or expensive Additional burners are required.

Sie löst diese Aufgabe dadurch, daß Teilsegmente des Filters mit elektrischen Heizelementen versehen sind und daß die die Teilsegmente durchströmende Abgasmenge segmentweise nacheinander elektrisch zur Entzündungstemperatur des Rußes aufheizbar sind. It solves this problem by sub-segments of the Filters are provided with electrical heating elements and that the amount of exhaust gas flowing through the sub-segments electrically one segment at a time Ignition temperature of the soot can be heated.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß einmal die elektrische Leistung um Faktoren verringert werden, daß aber auch der Filterkörper geschont werden kann. Wird nämlich der gesamte Ruß auf einmal verbrannt, erhitzt sich der Filterkörper sehr stark und es kommt zu Schmelz- und Bruchvorgängen. Hingegen entstehen bei segmentaler Erhitzung solche Belastungen nicht. Außerdem kühlt sich in den Pausen zwischen den Schaltzeiten der Filter schnell ab. Der Vorteil der elektrischen Aufheizung, ohne bewegliche Teile auszukommen, bleibt jedoch bestehen.The advantage of this arrangement is that once the electrical power is reduced by factors that the filter body can also be spared. If all of the soot is burned at once, the filter body heats up very strongly and it comes to Melting and breaking processes. On the other hand arise with segmental heating does not involve such loads. Furthermore cools down in the breaks between the switching times of the Filters off quickly. The advantage of electrical Heating remains without moving parts however exist.

Die Methode zum Betrieb des Filters besteht darin, daß die die Teilsegmente des Filters aufheizenden elektrischen Heizungen sequentiell eingeschaltet werden und daß diese Einschaltung in Intervallen wiederholt wird.The method of operating the filter is that which heat up the sub-segments of the filter electric heaters are switched on sequentially and that this activation is repeated at intervals becomes.

Das hat den Vorteil einer geringeren Belastung des Bordnetzes, vor allem der Batterie, deren Lebensdauer durch Stoßlasten besonders dann begrenzt wird, wenn keine Erholungspausen eingehalten werden können.This has the advantage of a lower load on the Electrical system, especially the battery, its lifespan is particularly limited by shock loads if no rest breaks can be observed.

Das Ruhe-Arbeitsverhältnis eines Intervalls liegt bei kontinuierlicher Arbeitsweise vorzugsweise bei etwa 10 : 1, die Zykluslänge etwa 2 Minuten.The resting employment relationship of an interval is included continuous operation preferably at about 10: 1, the cycle length is about 2 minutes.

Die Einschaltungen können aber nicht nur in festen Intervallen erfolgen, sondern auch durch einen Sensor, beispielsweise durch einen Drucksensor für Differenzdruck bestimmt werden. Wenn nämlich der Rußanfall gering ist, wie bei Dauerbetrieb unter Optimallast, kann die Entrußung erst nach einigen Stunden erforderlich werden, so daß die Anordnung in der Zwischenzeit ausgeschaltet bleiben kann. Stellt der Drucksensor nämlich einen Druckanstieg des strömenden Abgases über dem Filter fest und schaltet er dann einen Abbrandzyklus über den gesamten Filterquerschnitt, - also über alle Heizdrähte nacheinander -, ein, dann ist dadurch eine Regelung der Entrußung entstanden, die sich jeweils dem Bedarf anpaßt, also optimierbar geworden ist.The switch-ons can not only in fixed Intervals, but also by a sensor, for example by a pressure sensor for Differential pressure can be determined. If the Soot is low, as with continuous operation Optimal load, the debarking can only after some Hours are required, so that the arrangement in the Can remain switched off in the meantime. Does the Pressure sensor namely a pressure increase of the flowing Exhaust gas fixed over the filter and then it turns on Burn-up cycle across the entire filter cross-section, that is over all heating wires one after the other -, one, then this created a regulation of the exemption, which is adapts to the needs in each case, ie can be optimized is.

In Ausführung der Erfindung sind mehrere elektrische Heizdrähte am Eingang des Filterkörpers vorgesehen.In the embodiment of the invention are several electrical Heating wires are provided at the entrance of the filter body.

Insbesondere sind diese Heizdrähte auf einem vom Filterkörper unabhängigen Heizungsträger angeordnet.In particular, these heating wires are on one of the Filter body independent heater carrier arranged.

Das ist ein Vorteil für die Filtermontage, weil die Heizdrähte mit den Zuleitungen am Träger fertig verschweißt werden können und der Heizungsträger bei der Montage in das Blechgehäuse, das vorzugsweise als Teil der Abgasleitung ausgebildet sein kann, dem eigentlichen Filterkörper beigepackt werden kann.This is an advantage for filter assembly because the Heating wires finished with the leads on the carrier can be welded and the heater bracket assembly in the sheet metal housing, which preferably as Part of the exhaust pipe can be formed, the actual filter body can be enclosed.

Die Anordnung der Heizdrähte auf dem Heizungsträger kann parallel (bei Rechteckquerschnitt des Filters) oder radial sein (bei zylindrischem oder elliptischem Filter).The arrangement of the heating wires on the heating element can be parallel (with rectangular cross section of the filter) or be radial (with cylindrical or elliptical filter).

In der Zeichnung, anhand derer die Erfindung erläutert wird, zeigtIn the drawing, based on which the invention is explained will show

Fig. 1 ein halb aufgeschnittenes Filtergehäuse mit Heizungsträger, Fig. 1 a semi-sliced filter housing with heating carrier,

Fig. 2 einen Querschnitt durch Filterkanäle, Fig. 2 shows a cross-section of filter channels,

Fig. 3 verschiedene Heizungsträger. Fig. 3 different heater supports.

In Fig. 1 ist in einem Gehäuse 10 einer Abgasleitung 11 ein keramischer Filterkörper 12 angeordnet. Das Abgas A durchströmt den Filterkörper aus poröser Keramik. Dabei werden die Rußteilchen zurückgehalten. Ein Heizrahmen 15 trägt mehrere Heizdrähte 160, 161. ., die mit vorzugsweise angeschweißten elektrischen Zuleitungen 170, 171, . . versehen sind. Die Heizdrähte werden bei Betrieb einzeln für etwa 10 bis 20 Sek aufgeheizt. Dadurch werden auf dem jeweils dem Heizdraht gegenüberliegenden Segment 120 des Filters 12 durch das aufgeheizte Abgas und die Strahlungswärme der dort befindliche Ruß entzündet und dieser brennt sodann unter dem Druck des Abgases in die Filterkanäle des Segmentes hinein. Dadurch werden die Kanäle dieses Segmentes freigebrannt. Es entsteht dadurch kein weiterer Abfall, weil der den Ruß bildenden Kohlenstoff rückstandsfrei verbrennt. Dabei sind im Abgas keine beweglichen Teile, wie Klappen oder Steuermittel erforderlich.In Fig. 1, a ceramic filter body 12 is arranged in a housing 10 of an exhaust pipe 11 . The exhaust gas A flows through the filter body made of porous ceramic. The soot particles are retained. A heating frame 15 carries a plurality of heating wires 160, 161 .. which with preferably welded-on electrical leads 170, 171,. . are provided. The heating wires are individually heated for about 10 to 20 seconds during operation. As a result, the soot located on the segment 120 of the filter 12 opposite the heating wire is ignited by the heated exhaust gas and the radiant heat, and the soot then burns under the pressure of the exhaust gas into the filter channels of the segment. This will burn the channels of this segment. There is no further waste because the carbon that forms the soot burns without residue. No moving parts such as flaps or control means are required in the exhaust gas.

Drucksensoren 20 können zur Überwachung des Filterzustandes verwendet sein. Ein Druckabfall entsteht erst, wenn der Widerstand durch Verrußung zu groß geworden ist.Pressure sensors 20 can be used to monitor the filter condition. A pressure drop only occurs when the resistance due to soot has become too great.

In Fig. 2 ist dieser Vorgang im Einzelnen dargestellt: Das Abgas A tritt in die Einlaufkanäle 1200 ein, durchströmt dann die Stege 1201, die die Längswände der einzelnen Kanäle 1200 bilden und die aus Keramik einer solchen Porosität bestehen, daß die Rußteilchen des Abgasstromes abgefangen werden. Durch die Stege 1201, die diesen Ruß tragen, tritt das Abgas in die Auslaufkanäle 1205 ein und ist damit vom Ruß gereinigt. Die Kanäle sind in versetzter Anordnung durch Propfen 1202 verschlossen. Dadurch entsteht eine quer zum Abgasstrom liegende, aus vielen Einzelflächen bestehende Filterfläche. Die Heizelemente 160, 161. . heizen das Abgas A auf und es entsteht der gewünschte Abbrand an und in den Kanälen 1200, wenn die Temperatur von etwa 600 Grad erreicht worden ist. In FIG. 2 this process is shown as follows: The exhaust gas A enters the inlet channels 1200, then flows through the ridges 1201 which form the longitudinal walls of the individual channels 1200 and consisting of ceramics such porosity that the carbon black particles of the exhaust stream intercepted will. Through the webs 1201 , which carry this soot, the exhaust gas enters the outlet channels 1205 and is thus cleaned of the soot. The channels are closed in a staggered arrangement by plugs 1202 . This creates a filter surface that is transverse to the exhaust gas flow and consists of many individual surfaces. The heating elements 160, 161.. heat the exhaust gas A and the desired burn-up occurs on and in the channels 1200 when the temperature of about 600 degrees has been reached.

In Fig. 3 sind separate Heizungsträger dargestellt. In einem keramischen Rahmen 15 sind die Heizdrähte 160, 161. . einzementiert und werden durch vorzugsweise angeschweißte Drähte 170, 171. ., die zweckmäßig als bewegliche Litzen ausgebildet sind, mit einer Schaltung 18, die nacheinander die Heizdrähte 160, 161. . einschaltet, verbunden, so daß jeder Einzeldraht mit wesentlich geringerer Heizleistung als bisher die Zündtemperatur des Rußes erreicht. Die Drucksensoren 20 können dazu verwendet werden, den Zyklus zur jeweils aufeinanderfolgenden Erhitzung der Drähte einzuleiten, so daß eine selbstoptimierte Entrußung abläuft.In Fig. 3 separate heating carriers are illustrated. The heating wires 160, 161 are in a ceramic frame 15 . cemented and are preferably by welded wires 170, 171.. , which are expediently designed as movable strands, with a circuit 18 which successively connects the heating wires 160, 161.. switches on, connected, so that each individual wire with significantly lower heating power than previously reached the ignition temperature of the soot. The pressure sensors 20 can be used to initiate the cycle for successively heating the wires, so that a self-optimized deblocking takes place.

Die Heizungsträger 15 sind in ihrer Form dem Querschnitt der Abgasleitung angepaßt und können rechteckig oder quadratisch sein oder andere Formen aufweisen.The shape of the heating supports 15 is adapted to the cross section of the exhaust pipe and can be rectangular or square or have other shapes.

Claims

1. Ceramic filter for removing the exhaust gases from diesel engines, in which a large number of porous ceramic surfaces mechanically hold back the soot, characterized in that partial segments ( 120 ..) Of the filter ( 12 ) are provided with electrical heaters ( 160, 161.. ) and that the exhaust gas quantity (A ) flowing through the sub-segments ( 120 ) is electrically heated segment by segment to the ignition temperature of the soot.

2. Method of operating the filter according to claim 1, characterized in that the partial segments ( 120 ) of the filter ( 12 ) heating electrical heaters ( 160, 161 ... ) are switched on sequentially and that this switching on is repeated at intervals ( 18 ) .

3. Method according to claim 2, characterized in that the rest employment preferably about 10: 1 and that the interval is approximately 2 Minutes.

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the cycle length is determined by sensors ( 20 ), for example by differential pressure sensors, which trigger a circuit ( 18 ) for the consecutive activation of the heaters ( 160, 161 ... ).

5. Arrangement according to claim 1, characterized in that a plurality of electrical heating wires ( 160, 161 ...) are provided at the input of the filter body ( 12 ).

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the heating wires ( 160, 161 ... ) are arranged on a heating element ( 15 ) independent of the filter body ( 12 ).

7. Arrangement according to claim 1 to 6, characterized in that the filter ( 12 ) and the heater ( 15 ) is formed as part of the exhaust pipe ( 10, 11 ).

8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the heating wires ( 160, 161 ... ) on the heating support ( 15 ) are arranged in parallel (with a rectangular cross-section of the filter) or radially (cylindrical filter).