DE3608838A1 - Verfahren zur regeneration von filtersystemen fuer die abgase von brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regenera­ tion von Filtersystemen für die Abgase von Brennkraftma­ schinen, insbesondere von Fahrzeug-Dieselmotoren, durch Oxidation abgelagerter Partikeln.

Zur Verminderung der Partikelemissionen von Dieselmotoren werden Abgasnachbehandlungssysteme eingesetzt. Diese Nach­ behandlungssysteme bestehen im wesentlichen aus Filtersyste­ men, die die festen Anteile an der Partikelphase auffangen und sammeln. Die im Filter abgelagerten Partikeln führen zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes im Abgassystem. Der sich dabei erhöhende Abgasgegendruck bewirkt in Abhängig­ keit von Last (Drehmoment) und Drehzahl eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauches, und er kann im Extremfall zu einem Stillstand des Motors führen. Aus diesem Grunde ist es er­ forderlich, kontinuierlich oder intermittierend die im Fil­ ter abgelagerten Partikeln zu beseitigen. Dies geschieht im allgemeinen durch Oxidation der abgelagerten Partikeln.

Die Oxidation der im Filter angesammelten Partikeln setzt bei Temperaturen oberhalb von 500-550 Grad C ein. Bei Ein­ satz spezieller katalytischer Beschichtungen kann eine Ruß­ oxidation schon bei 400-450 Grad C durchgeführt werden. Derartig hohe Temperaturen werden von Dieselmotoren aber nur im oberen Lastbereich erreicht. Daher ist eine ausrei­ chend häufige Filterregeneration im Fahrbetrieb nicht sicher­ gestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen für die Abgase von Brenn­ kraftmaschinen und eine zur Ausübung des Verfahrens geeig­ nete Vorrichtung zu schaffen, bei dem bzw. der die Einlei­ tung der Oxidation des abgelagerten Rußes durch Zufuhr von Sekundärenergie in einfacher und wirksamer Weise erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Regenera­ tionsverfahren der eingangs bezeichneten Art die Rußver­ brennung während des Motorbetriebs durch einen Brenner mit einer im Vergleich zur Regenerationszeit kurzen Brenndauer eingeleitet wird. Dabei kann es zweckmäßig sein, daß die Rußverbrennung während des Motorbetriebs durch einen auf die Filteroberfläche auftreffenden Flammenstrahl hoher Strömungsgeschwindigkeit, welcher das Abgas von der zur Re­ generation vorgesehenen Filteroberfläche verdrängt, einge­ leitet wird. Auch kann es vorteilhaft sein, daß der Oxida­ tionsvorgang durch einen impulsartig auf die Rußschicht oder einen Teil der Rußschicht auftreffenden Flammenstrahl ein­ geleitet und dieser abgeschaltet wird, sobald eine zur Fil­ terregeneration ausreichende Energie zugeführt wurde.

Die düsenartige Flammenaustrittsöffnung des Brenners ist vorteilhafterweise in einem solchen Abstand von der Filter­ stirnfläche angeordnet, daß sich die Brennerflamme nicht mit dem Motorabgas vermischt und dieses zu später zu rege­ nerierenden Bereichen verdrängt. So wird erreicht, daß sich der Ruß an der Filterstirnfläche sowohl durch die Tempera­ turerhöhung als auch durch die Reaktion des Rußes mit den Radikalen in der Flamme, welche die Aktivierungsenergie zur Rußverbrennung senken, bei niedriger Energiezufuhr entzün­ det und verbrennt. Da sich die Brennerflamme aufgrund der vorteilhaften Anordnung und Konstruktion des Brenners nicht mit dem Abgasmassenstrom des Motors vermischt, wird der Energieverlust des Regenerationssystems minimiert, so daß der notwendige Energieaufwand gegenüber den herkömmlichen Brennersystemen mit Wärmetransport durch das motorische Ab­ gas vergleichsweise gering ist.

Der Brenner kann mit Dieselkraftstoff oder auch mit einem Gas oder einem anderen fluiden Kraftstoff betrieben werden. Die für den kurzzeitigen impulsartigen Brennerbetrieb not­ wendige Verbrennungsluft wird aus einem Druckbehälter bereit­ gestellt, welcher z. B. bei Nutzfahrzeugen vorteilhafter­ weise durch die Kompressoranlage für die Fahrzeugbremse intermittierend aufgeladen wird.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Merkmale der Erfindung wird auf die Unteransprüche Bezug genommen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Filtersystem mit einer Brenneranordnung, die zur Ausübung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens geeignet ist.

Fig. 2 und 3 zeigen in schematischer Darstellung eine weitere Brennerandordnung, bei welcher ein zentraler Brenner mittels eines Flammenleitblechs zwei Regenerationsbereiche mit einer Flamme sequentiell beaufschlagen kann.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Teil der Brennkammer der Brenneranordnung gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Brenneranordnung zur Einleitung der Ruß­ oxidation dargestellt. Mehrere Partikelfilter sind mit einer Zwischenmatte 2 (2′) in einem Blechmantel 3 (3′) angeordnet, der mit Abgasrohr 4 des (nicht dargestellten) Verbrennungs­ motors verbunden ist. Das zu reinigende Abgas strömt in Richtung des Pfeiles 5 zu den Filtern 1 (1′).

In Wandung 6 des Abgasrohres 4 sind Brenner 7 (7′) derart eingebaut, daß ihre Flamme auf die Stirnflächen 8 (8′) der Filter 1 (1′) gerichtet ist. Die Brenner 7 (7′) bestehen aus einer düsenförmigen Brennermündung 9 (9′) und einer Brenn­ kammer 10 (10′). Zur Verminderung der Wärmeleitung und da­ mit zur Verminderung der Aufheizung der Brennkammer 10 (10′) während des Motorbetriebes im oberen Lastbereich ist die Verbindung der Brennkammer 10 (10′) zum Abgasrohr 4 mit Kühlrippen 11 (11′) versehen. Hierdurch wird die Wärmezufuhr aus dem Abgas durch Wärmeleitung zur Brennkammer 10 (10′) vermindert, wodurch die Verkokungsgefahr im Brennerstillstand verringert werden kann.

Der Brenner 7 (7′) besitzt außerdem eine Kraftstoffzuführung 12 (12′) mit Kraftstoffventil 13 (13′), Luftkraftstoffinjek­ tor 14 (14′) und Brennerdüse 15 (15′) zum Zerstäuber 16 (16′) sowie eine Luftzuführung 17 (17′). Die Verbrennungsluft wird aus Vorratsbehälter 18, der z.B. durch den Bremskompressor des Fahrzeugs (nicht gezeichnet) gefüllt wird, bereitgestellt.

Zum Zeitpunkt der Filterregeneration wird Luftventil 19 (19′) und Kraftstoffventil 13 (13′) durch eine Steuerleitung 20 (20′) geöffnet. Aus dem Luftbehälter 18 strömt die Verbren­ nungsluft über die Leitung 17 (17′) zum Injektor 14 (14′) und der Brennerdüse 15 (15′) sowie zur Sekundärluftleitung 21 (21′), wobei die Menge durch eine fest eingebaute Drossel 22 (22′) einstellbar ist. Die Sekundärluft kann tangential und axial eingeleitet werden und dient zur besseren Ver­ mischung und Ausbrennung der Brennkammer.

Der Kraftstoff kann z.B. aus einer (nicht dargestellten) Vorförderpumpe mit einem ausreichenden Druck zur Kraftstoff­ zuführung 12 (12′) transportiert werden, und er wird durch den Injektor 14 (14′) mitgenommen. Im Injektor 14 (14′) er­ folgt die innige Vermischung von Kraftstoff und Luft, und das Kraftstoff-Luftgemisch zerstäubt an dem düsenartigen Zerstäuber 16 (16′) in die Brennkammer 10 (10′). Mit Zünder 23 (23′) wird das Brennstoff-Luftgemisch gezündet. Als Zün­ der kann eine Hochspannungsfunkzündung dienen sowie auch ein Glührohr oder ein Glühstift aus Keramik.

Die Austretende Flamme von Brenner 7 ist direkt auf das Filter 1 gerichtet. Der Abgasvolumenstrom wird in diesem Bereich durch den Flammenstrahl verdrängt und durchströmt Filter 1′. Bei Regeneration von Filter 1′ wird Brenner 7′ analog zur obigen Beschreibung gezündet. Die Flamme des Bren­ ners 7′ verdrängt den Abgasvolumenstrom 5, welcher nun nur durch Filter 1 strömt.

Die Anordnung von Brenner und Filter ist nicht auf zwei Systeme beschränkt. Das Filter muß auch nicht aus mehreren Filtermonolithen aufgebaut sein. Vielmehr können die ver­ schiedenen Regenerationsbereiche durch Anordnung von Bren­ nern, deren Flammen unterschiedliche Oberflächenbereiche des Filters beaufschlagen, erzeugt werden.

Auch ist die Verwendung von mehreren Brennern nicht unbe­ dingt erforderlich. Wie Fig. 2 und 3 zeigen, ist es auch möglich, die Flamme eines Brenners 7 z.B. durch ein verstell­ bares Flammenleitblech 25 auf die verschiedenen Regenerations­ bereiche 28, 29 des Filters zu leiten. Das Flammenleitblech 25 wird über Welle 26 mit einer z. B. elektrischen oder pneu­ matischen Stellvorrichtung 27 betätigt. Die Funktionsweise des Systems ist ähnlich der des an Hand von Fig. 1 beschrie­ benen Systems mit mehreren Brennern.

In Fig. 4 ist ein Ausschnitt der Brennkammer 10, bestehend aus der Luftzuleitung 17, Kraftstoffzuführung 12 und Injek­ tor 14 sowie Zerstäuberdüse 16 dargestellt. In diesem Bereich erfolgt die Zündung mit einem elektrisch beheizten Glührohr 24, z. B. aus Keramik. Das Kraftstoff-Luftgemisch trifft in das Glührohr 24 beim Austreten aus Zerstäuberdüse 16 hinein und wird an der Wandung durch die hohen Temperaturen sicher entzündet.

Die Erfindung ist insbesondere in bezug auf den Aufbau und die Wirkungsweise des Brenners 7 nicht begrenzt, und es kön­ nen auch andere geeignete Brennerbauarten verwendet werden. Auch haben sich als Filtersysteme zur Sammlung der Partikeln mit intermittierender oder kontinuierlicher Partikelverbren­ nung nicht nur keramische Filter mit Wabenstruktur, sondern auch Stahlwollefilter und keramischer Schaum mit und ohne katalytische Beschichtung bewährt.

Durch die Erfindung ist eine einfache und besonders wirk­ same Filterregeneration mit niedrigem Sekundärenergiebedarf und ohne hindernde Strömungsleitvorrichtung möglich.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen für die Ab­ gase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahrzeug- Dieselmotoren, durch Oxidation abgelagerter Partikeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußverbrennung während des Motorbe­ triebs durch einen Brenner mit einer im Vergleich zur Regene­ rationszeit kurzen Brenndauer eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenstrahl des Brenners intermittierend auf die zur Regene­ ration vorgesehene Filterfläche auftrifft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußverbrennung während des Motorbetriebs durch einen auf die Filteroberfläche auftreffenden Flammenstrahl hoher Strömungs­ geschwindigkeit, welcher das Abgas von der zur Regeneration vorgesehenen Filteroberfläche verdrängt, eingeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Filter in mindestens zwei Regenerationsbe­ reiche aufgeteilt wird, welche unabhängig voneinander durch einen Flammenstrahl beaufschlagt werden können.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Regenerationsbereich ein Brenner eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerationsbereiche mittels eines Brenners und einer den Flammenstrahl leitenden Strömungsleitvorrichtung z. B. eine Klappe, beaufschlagt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abgasstrom durch den Flammenstrahl nur auf die nicht von der Flamme erfaßten Bereiche abgelenkt wird.

8. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch einen in der Abgas­ zuleitung eingebauten, auf das Filtermaterial gerichteten Brenner für fluide Kraftstoffe, dem Kraftstoff und Sauer­ stoff bzw. Luft zur Mischung und gerichteten Verbrennung zugeführt werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Abgaszuleitung befindliche Teile des Brenners mit wärmeableitenden Mitteln, insbesondere Rippen, versehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Brenner mit einem Glührohr versehen ist, das von dem Kraftstoff-Sauerstoff- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Zweck der Entzündung durchströmt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, gekennzeich­ net durch einen von dem Fahrzeugkompressor beaufschlagten Druckbehälter für die Druckluftversorgung des Brenners.