DE3545437A1 - Abgasreinigungsvorrichtung fuer dieselmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsvor­ richtung für Dieselmotoren, die einen Abgas-Rußfilter mit einem in einem Gehäuse abgestützten Filterkörper aufweist, der sich bei Erhöhung seiner Temperatur über den mittleren Betriebs-Abgastemperaturbereich hinaus durch Rußabbrand regeneriert.

Im Abgas von Dieselmotoren finden sich in mehr oder weni­ ger hoher Konzentration Rußpartikel, die umweltverschmutzend sind und sogar als potentiell gesundheitsgefährdend gelten, wenn sie in höherer Konzentration in der Atemluft vorhan­ den sind. Daher sind seit einiger Zeit Bemühungen im Gange, die Abgase von Dieselmotoren durch zumindest weitgehende Entfernung der Rußpartikel zu entgiften. Als technisch erfolgversprechendste Maßnahme hierzu sind Abgas-Rußfilter ins Auge gefaßt worden, die in ihrer Porosität so abgestimmt sind, daß sie die Rußpartikel weitgehend aus dem durchströ­ menden Abgas zurückhalten. Diese Rußfilter, die wegen der erforderlichen Temperaturfestigkeit gegenüber den üblichen Abgastemperaturen von Dieselmotoren häufig aus keramischem Werkstoff bestehen, haben jedoch die Tendenz, sich mit zunehmender Betriebsdauer zuzusetzen. Man hatte gehofft, daß die im Rußfilter abgefangenen Rußpartikel im praktisch gleichen Ausmaß wegbrennen, wie sich neue Rußpartikel an­ sammeln, insbesondere bei höheren Leistungszuständen des entsprechenden Dieselmotors. Es hat sich jedoch ge­ zeigt, daß sich diese Hoffnung zumindest bei einer Viel­ zahl von Dieselmotoren nicht erfüllt, insbesondere bei solchen, die nicht oder zu selten in Betriebszuständen mit relativ hohen Abgastemperaturen betrieben werden. Es kommt vielmehr zu einer immer stärkeren Ansammlung von Rußpartikeln im Rußfilter, der damit immer stärker in den Zustand unerwünscht hohen Abgas-Strömungswiderstands kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungs­ gemäße Abgasreinigungsvorrichtung mit effektiverer Rege­ nerierung, also effektiverem Rußabbau, des Abgas-Ruß­ filters zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein Brenner mit Verbrennungsluftgebläse vorgesehen ist, dessen Heißgasseite in Strömungsverbindung mit dem Abgas-Rußfilter steht, und daß der Filterkörper derart in seinem Gehäuse abgestützt ist, daß mindestens ein Großteil seiner Außenoberfläche bei Betrieb des Brenners von außen her aufgeheizt wird.

Erfindungsgemäß wird also dafür gesorgt, daß zur Regene­ rierung des Rußfilters an diesem über die betriebsnormalen Abgastemperaturen hinausgehende Temperaturen herrschen, die einen Rußabbrand ermöglichen, und daß die hinsichtlich der Regenerierung besonders kritischen Randbereiche des Rußfilters von seiner Außenoberfläche her (zusätzlich) aufgeheizt werden.

Der mittlere bzw. betriebsnormale Abgastemperaturbereich von Dieselmotoren liegt etwa in der Gegend von 200 bis 400°C, wobei Temperaturspitzen bei Betrieb im Bereich der Höchstleistung unberücksichtigt sind. Mit "Außen­ oberfläche" wird derjenige Bereich der äußeren Oberfläche des Rußfilters bezeichnet, der nicht Abgaseintrittsseite oder Abgasaustrittsseite ist. Es kann vorgesehen sein, daß mittels der erfindungsgemäßen Filterkörperabstützung nahezu diese gesamte Außenoberfläche des Filterkörpers von außen her aufgeheizt wird. Die Außenaufheizung erfolgt in der Regel indirekt durch eine dortige Fil­ terkörperummantelung hindurch. Der Brenner steht in der Regel mit der Zuströmseite des Abgas-Rußfilters in Strömungsverbindung. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Abgas-Rußfilters kann eine kombinativ als Schalldämpfer und Rußfilter wirkende Einheit ver­ fügbar gemacht werden.

Abgas-Rußfilter haben häufig eine im wesentlichen prisma­ tische Gestalt mit einer Abgaseintrittsseite und einer Abgasaustrittsseite und einem quer zur Abgas-Durchströ­ mungsrichtung gegebenem Querschnitt mit Kreisform, elliptischer Form, ovaler Form, rechteckiger Form, quadra­ tischer Form oder dergleichen. Der Ausdruck "prismatische Gestalt" soll auch Geometrien decken, bei denen die Ab­ gaseintrittsseite und/oder die Abgasaustrittsseite nicht rechtwinklig zur Durchströmungsrichtung des Rußfilters stehen und/oder bei denen die Außen(umfangs)fläche des Rußfilters in Richtung seiner Durchströmung fortschreitend in gewissen Grenzen variiert.

Zur Abstützung des Filterkörpers im Gehäuse des Abgas- Rußfilters gibt es, insbesondere bei den vorstehend ge­ nannten Geometrien, eine ganze Reihe von Möglichkeiten, die erfindungsgemäß eine Aufheizung der Außenoberfläche bzw. des Außenumfangs ermöglichen, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß ein äußeres Vorbeiströmen der Abgase an dem Filterkörper zumindest vorzugsweise zu vermeiden ist, um die effektive Abscheidung der Rußpartikel aus dem gesamten Abgasstrom sicherzustellen. So könnte man bei­ spielsweise den Filterkörper durch strebenartige Halte­ rungsteile in seinem Gehäuse mit umlaufendem Abstand abstützen und an einer Stelle eine strömungsverhindernde Barriere in dem Ringspalt zwischen dem Filterkörper und dem Gehäuse vorsehen. Besonders bevorzugt ist eine Ab­ stützung des Filterkörpers mittels mehrerer, in Strö­ mungsrichtung beabstandeter, ringartiger Halter, die Durchbrechungen in derartiger Zahl und Größe aufweisen, daß Gas hindurchströmen kann, und von denen jedoch einer geschlossen ist, um die vorstehend angesprochene freie Umströmung des Ringspalts mit Abgas zu verhindern. Es wird darauf hingewiesen, daß die Begriffe "ringartig" und "Ringspalt" keineswegs "kreisringförmig" bedeuten, sondern im umfassenden Sinn gemeint sind und auch ins­ besondere ovale, elliptische und eckige, insgesamt ring­ förmig geschlossene Konfigurationen mit umfassen.

Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung weist vorzugsweise als Filterkörper einen keramischen Monolith mit nicht-durchgehenden Strömungskanälen auf, wie er an sich bekannt ist. Die häufigste Konfiguration besteht darin, daß die im wesentlichen in Gesamt-Durchströmungs­ richtung des Filterkörpers verlaufenden Strömungskanäle abwechselnd an der Eintrittsseite des Filterkörpers und an der Austrittsseite des Filterkörpers geschlossen sind, so daß das auf der Eintrittsseite in einen Strömungskanal einströmende Abgas zwingend durch die poröse Wand des betreffenden Strömungskanals in einen oder mehrere benach­ barte Strömungskanäle übertreten muß, um auf der Strömungs­ austrittsseite wieder aus dem Filterkörper austreten zu können.

Vorzugsweise ist der Brenner ein nach dem Prinzip eines Verdampfungsbrenners aufgebauter Brenner.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Er­ findung ist der Brenner für Regenerierungsbetrieb in Betriebspausen des Dieselmotors jeweils nach einer län­ geren Dieselmotor-Betriebsphase vorgesehen. Man läßt also nach dieser Ausgestaltung nicht etwa den Brenner ständig mitlaufen, um die Abgastemperatur am Eintritt in den Filterkörper ausreichend zu erhöhen, sondern zieht einen intermittierenden Betrieb vor, bei dem wäh­ rend einer Stillstandsphase des Dieselmotors der Ruß­ filter innerhalb recht kurzer Zeit regeneriert wird. Dabei ist ein Betrieb des Brenners mit Luftüberschuß günstig, um im Rußfilter Sauerstoff zum Abbrennen des dort abgelagerten Rußes zur Verfügung zu haben. Die genannte Ausgestaltung macht das Rußabbrennen besonders effektiv, da sich die Heißgase des Brenners nicht mit kälterem Dieselmotorabgas mischen.

Vorzugsweise weist die Abgasreinigungsvorrichtung eine Steuereinrichtung des Brenners auf, die zu Beginn des Regenerierungsbetriebs das Verbrennungsluftgebläse und eine Glühkerze zur Zündung des Brennstoffs für den Brenner einschaltet, mit Zeitverzögerung eine Brenn­ stoffpumpe des Brenners zuschaltet, nach Zünden des Brenners die Glühkerze abschaltet, weil dieser jetzt ohne Glühkerzenunterstützung weiterbrennt, und nach einer gewissen Zeit die Brennstoffpumpe abschaltet und das Verbrennungsluftgebläse noch eine kurze oder eine längere Zeit lang nachlaufen läßt. Diese Steuereinrich­ tung steuert die genannten Phasen des Regenerierungs­ betriebs vorzugsweise automatisch.

Vorzugsweise ist ein Sensor vorgesehen, der das Ausmaß des Zusetzens des Filterkörpers mit Ruß direkt oder indirekt feststellt und entweder ein Signal liefert, daß eine neue Regenerierung erforderlich sei, und/oder in geeigneter Weise selbsttätig eine Regenerierung auslöst, vorzugsweise beim nächsten Stillstand des Dieselmotors. Der Sensor kann beispielsweise auf die durch zunehmen­ des Zusetzen des Filterkörpers erzeugte Druckerhöhung vor dem Rußfilter ansprechen, auf der Basis der Messung von Gas-Strömungsgeschwindigkeiten arbeiten oder dergleichen. Es ist auch möglich, mit einem Gerät zur Erfassung der Betriebszeit des Dieselmotors seit der letzten Regeneration zu arbeiten.

Vorzugsweise ist der Brenner so ausgelegt, daß er den Filterkörper auf eine Regenerierungstemperatur von mehr als 550°C, höchst vorzugsweise mehr als 600°C oder sogar mehr als 700°C bringt. Der Brenner muß nicht für die gesamte Regenerierungszeit in Betrieb sein, da der einmal in Brand gesetzte Ruß auch ohne Brennerunter­ stützung noch zu Ende abbrennt und hierbei Wärme frei wird. Der Brenner ist ferner vorzugsweise so ausgelegt, daß man mit einer relativ kurzen Regenerierungszeit von, je nach Größe des Filterkörpers, einigen Minuten bis etwa dreissig Minuten auskommt. Während des Abbrennens des Rußes können Temperaturen in der Gegend von 850°C auftreten.

Vorzugsweise setzt man einen Brenner und ein Verbrennungs­ luftgebläse für den Brenner ein, wie sie bereits handels­ üblich verfügbar sind, insbesondere von motorunabhängigen Kraftfahrzeug-Heizgeräten her.

Ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet der erfindungs­ gemäßen Abgasreinigungsvorrichtung sind Fahrzeuge, ins­ besondere Gabelstapler, die in mindestens weitgehend geschlossenen Gebäuden, beispielsweise Fabrikations­ hallen, Lagerhallen oder dergleichen, eingesetzt wer­ den. Bei diesen Einsatzbedingungen ist Rußausstoß ganz besonders störend, und man kann beispielsweise jeweils bei Schichtende bequem die Regenerierung vornehmen.

Die Merkmale einiger Unteransprüche, insbesondere des Anspruchs 6, haben auch erfinderische Bedeutung ohne die betreffende Anspruchsrückbeziehung oder in Kombi­ nation mit nur einem Teil der Merkmale übergeordneter Ansprüche.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand eines zeichnerisch dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt einen Längsschnitt eines Abgas-Rußfilters und einen angeschlossenen Brenner.

Der dargestellte Abgas-Rußfilter 2 besteht im wesent­ lichen aus einem Gehäuse 4 aus Stahlblech mit darin abgestütztem, keramischem, monolithischem Filterkörper 6. Das Gehäuse 4 ist im mittleren Bereich zylindrisch und verjüngt sich links und rechts konisch auf den Durchmesser einer Abgasleitung 8. Die Abgas-Durchströ­ mungsrichtung durch den Rußfilter 2 ist in der Zeich­ nung von rechts nach links entsprechend dem Pfeil P, wobei der von rechts zuführende Abgasleitungsabschnitt von einem Dieselmotor kommt und der nach links abgehende Abgasleitungsabschnitt zum Ende des Auspufftraktes führt. Der Filterkörper 6 ist ebenfalls zylindrisch und weist zeichnerisch nur angedeutete Strömungskanäle 10 auf, die im wesentlichen parallel zur gemeinsamen Längsachse 12 des Filterkörpers 6 und des Gehäuses 4 verlaufen und abwechselnd rechts und links geschlossen sind.

Man erkennt ferner einen Zwischenträger 14 aus Stahlblech, der im we­ sentlichen zylindrisch mit am linken und am rechten Ende nach innen gezogenen Flanschbereichen 16 ist. Der Filterkörper 6 ist mittels federnd nachgiebiger Zwischen­ ringe 18 aus hinreichend temperaturfestem Material axial zwischen den beiden Flanschbereichen 16 gehalten. In Radialrichtung besteht aus Gründen der Wärmedehn­ fähigkeit ein enger Spalt zwischen dem Filterkörper 6 und dem Zwischenträger 14. Der Zwischenträger 14 ist sei­ nerseits mit Hilfe von zwei kreisringförmigen Haltern 20 innen an dem zylindrischen Bereich des Gehäuses 4 festgeschweißt, so daß ein kreisringförmiger Ring­ spalt 22 zwischen dem Filterkörper 6 bzw. dem Zwischen­ träger 14 und dem Gehäuse 4 besteht, der radial 5 bis 20 mm breit ist. Die beiden Halter 20 sind in Axial­ richtung beabstandet und befinden sich jeweils näher an einem Axialende des Zwischenträgers 14 als an dessen Mitte.

Der in der Zeichnung linke, also strömungsabwärts lie­ gende Halter 20 ist über seinen gesamten Umfang mit beispielsweise kreisförmigen Öffnungen oder Durchbre­ chungen 24 versehen. Diese Durchbrechungen könnten stattdessen auch im in der Zeichnung rechten Halter 20 vorgesehen sein. Es wäre auch möglich, im linken Halter große und zahlreiche Durchbrechungen 24 vorzusehen, während man im rechten Halter 20 nur wenige und kleine Durchbrechungen vorsieht, oder umgekehrt, so daß eine sehr kleine Abgasmenge durch den Ringspalt 22 von vorn bis hinten hindurchströmen kann. Der Ringspalt 22 axial zwischen den beiden Haltern 20 kann auch mit einem ausreichend temperaturfesten, durchströmbaren Dämm-Material, beispielsweise Basaltwolle, ausgefüllt sein. Der gezeichnete und bisher beschriebene Rußfilter 2 dient zugleich als Auspuff-Schalldämpfer, wobei der Ringraum 22 einen Resonanzraum darstellt.

An den in der Zeichnung rechten, konischen, also zuström­ seitigen Bereich des Gehäuses 4 ist ein Brenner 26 mit Verbrennungsluftgebläse 28 angeschlossen. Ferner erkennt man eine Brennstoffpumpe 30 für den Brennstoff des Bren­ ners 26, beispielsweise Dieselöl, und eine Glühkerze 32 zum Entzünden des im Brenner gebildeten Brennstoff- Luft-Gemischs. Schließlich erkennt man eine Steuereinheit 34 für den Brenner 26 bzw. die aus Brenner 26 und Ver­ brennungsluftgebläse 28 bestehende Einheit.

Wenn der Rußfilter 6 nach mehrstündigem Betrieb des Dieselmotors in erheblichem Ausmaß mit Rußpartikeln zugesetzt ist, wird, vorzugsweise in einer Betriebspause des Dieselmotors, eine Regenerierung des Filterkörpers 6 durchgeführt. Hierzu wird mittels der Steuereinheit 34 zunächst das Verbrennungsluftgebläse 28 und die Glüh­ kerze 32 eingeschaltet. Nach etwa 30 bis 60 s wird die Brennstoff-Dosierpumpe 30 zugeschaltet, die Brennstoff in die Brennkammer des Brenners 26 fördert. Wenn dort die Verbrennung ordnungsgemäß in Gang gekommen ist, was durch eine Flammüberwachung festgestellt werden kann, wird die Glühkerze 32 abgeschaltet; das Verbren­ nungsluftgebläse 28 läuft weiter. Dieser Verbrennungs­ betrieb des Brenners läuft, je nach Größe des Rußfil­ ters 2, etwa 2 bis 10 min und im Verlauf dieser "Akti­ vierungszeit" wird am Filterkörper 6 eine Temperatur in der Größenordnung von 600 bis 750°C erreicht. Dann kann man den Brenner 26 abschalten, da bei dieser Tem­ peratur das Abbrennen des Rußes am Filterkörper 6 in Gang gekommen ist und auch ohne Brennerunterstützung weiterläuft. Der hierfür erforderliche Sauerstoff kann entweder aus dem Auspufftrakt entnommen werden (der ja bei Dieselmotoren noch Restsauerstoff enthält) oder kann durch das Verbrennungsluftgebläse 28 und den Brenner 26 hindurch angesaugt werden; man kann aber auch das Verbrennungsluftgebläse 28 noch, beispiels­ weise auch auf niedrigerer Stufe, weiterlaufen lassen. Dieses Rußabbrennen dauert, je nach Größe des Rußfilters 2, etwa 5 bis 30 Minuten, während welcher Zeit die Tem­ peratur am Filterkörper 6 durch die Rußverbrennung noch leicht ansteigen oder in etwa gleichbleiben oder leicht absinken kann. Nach dem beschriebenen Abschalten des Brenners 26 durch Abschalten der Brennstoff-Dosier­ pumpe 30 läßt man das Verbrennungsluftgebläse 28 auf jeden Fall noch eine gewisse Zeit, beispielsweise 2 bis 4 min nachlaufen, um im Brenner 26 kein zünd­ fähiges Brennstoff-Luft-Gemisch mehr zu haben.

Mit 34 ist eine Drucksonde im Raum vor dem Filterkörper 6 bezeichnet, die auf durch zunehmendes Zusetzen des Filterkörpers 6 erhöhten Druck anspricht und die Not­ wendigkeit einer neuen Regenerierung anzeigt und/oder diese, vorzugsweise in einer nachfolgenden Betriebs­ pause des Dieselmotors, über die Steuereinheit 34 selbst­ tätig auslöst.

Aufgrund der Durchbrechungen 24 in dem linken Halter 20 können die Heißgase des Brenners 26 nach Durchströmen des Filterkörpers 6 in den Ringspalt 22 gelangen und von dort aus den Filterkörper 6 auch von seiner Außen­ oberfläche bzw. seinem Außenumfang her aufheizen. Diese Aufheizung wirkt sich durch den Zwischenträger 14 hin­ durch aus. Diese Außenumfangsaufheizung ist wesentlich, um gerade die ohne die beschriebene Maßnahme schwer auf­ heizbaren Randpartien des Filterkörpers 6 auf genügend hohe Temperatur zu bringen. Wenn mehr als zwei beab­ standete Halter 20 vorgesehen sind, werden alle oder alle bis auf einen mit Durchbrechungen 24 ausgestattet.

Die Leistung des Brenners beträgt in der Gegend von 2 bis 15 kW, je nach Größe des Rußfilters 2.

Der Rußfilter 2 kann auch axial hintereinander mehrere Filterkörper 6 aufweisen, wobei es ausreicht - wenn man ein äußeres Vorbeiströmen von Abgas an allen Filter­ körpern vorbei ausschließen will - an nur einem der Filterkörper eine umgebende Abgasströmungssperre vor­ zusehen.

Claims (10)

1. Abgasreinigungsvorrichtung für Dieselmotoren, die einen Abgas-Rußfilter (2) mit einem in einem Gehäuse (4) abgestützten Filterkörper (6) aufweist, der sich bei Erhöhung seiner Temperatur über den mittleren Betriebs- Abgastemperaturbereich hinaus durch Rußabbrand regeneriert, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Brenner (26) mit Verbrennungsluftgebläse (28) vor­ gesehen ist, dessen Heißgasseite in Strömungsverbindung mit dem Abgas-Rußfilter (2) steht;
und daß der Filterkörper (6) derart in seinem Gehäuse abgestützt ist, daß mindestens ein Großteil seiner Außen­ oberfläche bei Betrieb des Brenners (26) von außen her aufgeheizt wird.

2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere beabstandete, ringartige Halter (20) zur Ab­ stützung des Filterkörpers (6) in dem Gehäuse (4) vorge­ sehen sind;
und daß mit Ausnahme eines geschlossenen Halters (20) der oder die anderen Halter (20) Strömungsöffnungen (24) aufweisen.

3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkörper (6) ein keramischer Monolith mit nicht-durchgehenden Strömungskanälen (10) ist.

4. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkörper (6) eine im wesentlichen prismati­ sche Gestalt mit kreisrundem oder nicht-kreisförmig ge­ rundetem Querschnitt aufweist.

5. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (26) ein Verdampfungsbrenner ist.

6. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (26) für Regenerierungsbetrieb in Betriebs­ pausen des Dieselmotors jeweils nach mehreren Dieselmotor- Betriebsstunden vorgesehen ist.

7. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (34) des Brenners (26), die zu Beginn des Regenerierungsbetriebs das Verbrennungsluft­ gebläse (28) und eine Glühkerze (32) einschaltet, mit Zeitverzögerung eine Brennstoffpumpe (30) des Brenners (26) zuschaltet, nach Zünden des Brenners (26) die Glühkerze (32) abschaltet, und nach einer gewissen Zeit die Brennstoffpumpe (30) abschaltet und das Verbrennungs­ luftgebläse (28) noch eine kurze oder eine längere Zeit lang nachlaufen läßt.

8. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (26) so ausgelegt ist, daß er den Filter­ körper (6) auf eine Regenerierungstemperatur von mehr als 550°C bringt.

9. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (36) vorgesehen ist, der das Ausmaß des Zusetzens des Filterkörpers (6) mit Ruß feststellt und ein Regenerierungssignal liefert und/oder die Regenerie­ rung auslöst.

10. Verwendung der Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem für Einsatz in mindestens weitgehend geschlossenen Gebäuden bestimmten Fahrzeug, vorzugsweise einem Gabelstapler.