DE4008092A1 - Russfilter fuer dieselmotoren und verfahren zu dessen regenerierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein autonomes Rußfilter für Dieselmotoren gemäß dem oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verfahren zum Regenerieren eines solchen Rußfilters.

Aus dem SAE-Paper 8 90 170 "Laboratory Results in Particulate Trap Technology" ist ein Rußfilter für Stadtbusse mit Dieselmotor bekannt, welches zwei parallele Filter mit einem keramischen Wabenkörper, jedem Filter zugeordnete Dieselbrenner für die Regeneration der Filterpatronen sowie die nötigen Meß- und Steuerorgane aufweist. Um den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem die jeweils aktive, rußbeladene Filterpatrone regeneriert werden muß, wird laufend der Druckabfall über die Filterpatrone gemessen. Der Druckverlust alleine gibt jedoch noch keine eindeutige Aussage über die Beladung des Filters mit Ruß, da er auch abhängt vom Lastzustand des Motors bzw. vom Abgasstrom und von der Abgastemperatur zum Zeitpunkt der Messung. Die genannte Literaturstelle schlägt nun vor, hinter den Filterpatronen je eine Venturi-Düse einzubauen und mit deren Hilfe die momentane Stärke des Abgasstroms zu messen. Auf diese Weise konnte die tatsächliche Rußbeladung der Filterpatronen mit ausreichender Genauigkeit bestimmt und zum jeweils richtigen Zeitpunkt der Regenerationsvorgang eingeleitet werden.

Eine Regeneration des Rußfilters bei geringer Rußbeladung erhöht den Verbrauch für die Regenerationsbrenner unnötig. Die Regeneration eines mit Ruß überbeladenen Filters führt zu extrem hohen Regenerationstemperaturen und zur Zerstörung des keramischen Wabenkörpers.

Es ist bekannt, daß Venturi-Düsen und andere auf demselben Prinzip beruhende Meßvorrichtungen nur innerhalb des Meßbereiches, für den sie dimensioniert sind, zuverlässige Ergebnisse liefern. Liegt der Abgasstrom unterhalb des zulässigen Meßbereiches, ist die Messung unzuverlässig. Liegt der Abgasstrom oberhalb des zulässigen Meßbereiches, ist die Messung ebenfalls unzuverlässig; außerdem werden der Abgasstrom und mit ihm die Leistung des Dieselmotors gedrosselt.

In vielen Fällen, beispielsweise in Motor-Versuchsständen, besteht die Notwendigkeit, Dieselmotoren kleinster Leistung, beispielsweise einen Dreizylinder mit 32 kW, und Dieselmotoren größter Leistung, beispielsweise einen Zwölfzylinder mit 400 kW, an dieselbe, mit einem Rußfilter ausgerüstete Abgasanlage anzuschließen. Hier können Venturi-Düsen und Meßblenden zur Bestimmung des Abgasstroms nicht eingesetzt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein autonomes Rußfilter anzugeben, welches es erlaubt, in allen Fällen den richtigen Zeitpunkt für die Regenerierung der rußbeladenen Filterpatrone zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das gattungsgemäße Rußfilter mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1.

Dank der Verwendung zweier abwechselnd in den Abgasstrom geschalteter Filterpatronen werden alterungsbedingte, nicht rückgängig zu machende Veränderungen, beispielsweise durch nicht regenerierbare Ascheablagerungen, bei der Messung neutralisiert. Meßblenden, Venturi-Düsen oder sonstige, das freie Strömen der Abgase behindernde Einbauten entfallen völlig. Erforderlich sind lediglich die sowieso vorhandenen Steuerklappen, die den Abgasstrom abwechselnd auf die beiden Filter leiten.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Prüflufterzeuger vorgesehen, der einen konstanten Prüfluftstrom durch den zu messenden Filter drückt. Die Messung findet somit stets unter identischen Meßbedingungen statt, so daß der gemessene Druckabfall über den Filter eine exakte Aussage über dessen Rußbeladung erlaubt.

Eine konstruktive Vereinfachung ergibt sich, wenn der Prüflufterzeuger vorzugsweise über zwei Verbindungsrohre und mit Hilfe eines Pneumatikventils abwechselnd auf die beiden Filter schaltbar ist.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Drucksensoren zu einem Differenzdruckmesser kombiniert. Es ist also nur ein Meßgerät erforderlich. Auch bei dieser Variante wird nur der Druckabfall über die Rußfilterpatronen gemessen. Zusätzlich wird jedoch der Druckabfall über das jeweils nicht rußbeladene Filter als Vergleichswert herangezogen, indem für eine zweite Messung der Abgasstrom kurzzeitig auf das zweite Filter umgeleitet wird.

Vorteilhafterweise sitzt im Steuergerät ein Meßzeitgeber, dessen Taktfrequenz mit zunehmender Rußbeladung bzw. Druckdifferenz ansteigt. Dadurch wird erreicht, daß nach Inbetriebnahme einer unbeladenen Filterpatrone die Messungen zunächst in größeren Zeitabständen erfolgen. Wenn jedoch steigende Druckabfälle eine zunehmende Beladung der Filterpatrone mit Ruß anzeigen, werden die Messungen häufiger durchgeführt, damit die Filterpatrone zum richtigen Zeitpunkt regeneriert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Heizgeräte vorgesehen, die über ein Verbindungsrohr und mit Hilfe der zweiten Steuerklappen wahlweise einzeln oder zusammen auf jedes der beiden Filter schaltbar sind. Je nach Bedarf können also die dem zu regenerierenden Filter zugeführte Energie- und/oder Luftmenge auch stufenweise vergrößert bzw. verkleinert werden.

Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Rußfilters in einem stationären Motorprüfstand empfiehlt es sich, die Heizgeräte als elektrisch beheizte Heizlüfter auszubilden und nicht als brennstoffbeheizte Brenner. Auf diese Weise ist die dem Rußfilter während des Regenerationsvorganges angebotene Sauerstoffmenge einfacher zu dosieren, auch sind elektrische Heizgeräte einfacher und preiswerter als Ölbrenner.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch Verfahren zum Regenerieren des autonomen Rußfilters. Diese Verfahren ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden durch die nachfolgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Abgasanlage für Dieselmotoren mit zwei parallelen Rußfiltern und einem Prüflufterzeuger und

Fig. 2 eine weitere Abgasanlage für Dieselmotoren mit zwei parallelen Rußfiltern, welche ohne eine Hilfs­ einrichtung auskommt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Abgasanlage für Dieselmotoren mit zwei parallelen Rußfiltern 7.1, 7.2. Das vom Dieselmotor kommende Abgas wird über eine Abgaszuleitung 8 mit Hilfe von ersten Steuerklappen 4.1, 4.2 abwechselnd auf die Rußfilter 7.1, 7.2 verteilt und von deren Ausgang über eine Abgasableitung 12 weitergeleitet. Das Heizgerät 1.1 für die Regeneration ist ein elektrischer Heizlüfter mit elektrischen Spannungsversorgungen 2.1, 3.1 für die Heizung und den Lüfter. Zwischen Heizgerät 1.1 und Filter 7.1, 7.2 liegt ein Verteilerrohr 13 mit zweiten Steuerklappen 4.3, 4.4.

Die Eingangsseiten der Filter 7.1, 7.2 sind mit je einem Druckmesser 6.1, 6.2 beschaltet. Bei den Messungen wird, wie noch zu erläutern sein wird, jeweils einer der beiden Filter 7.1, 7.2 vom Abgasstrom abgeschaltet.

Um auf Wunsch die Temperatur in den Filtern 7.1, 7.2 messen zu können, sind Thermofühler 11.1, 11.2 vorgesehen. Die von den Druckmessern 6.1, 6.2 sowie den Thermofühlern 11.1, 11.2 gemessenen Werte werden über Meßleitungen 5 zu einem Steuergerät 9 mit internem Zeitgeber 9.1 geleitet. Die Steuerbefehle des Steuergerätes 9 werden über Steuerleitungen 10 zu den Steuerklappen 4.1 ... 4.4 und den Heizlüftern 1.1, 1.2 geleitet.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Stellung der ersten und zweiten Steuerklappen 4.1 ... 4.4 ist der erste Filter 7.1 vom Abgasstrom beaufschlagt. Der zweite Filter 7.2 ist seit dem letzten Regenerationsvorgang praktisch rußfrei. Sobald der Zeitgeber 9.1 im Steuergerät 9 einen Meßvorgang einleitet, wird der Abgasstrom mit Hilfe der ersten Steuerklappen 4.1, 4.2 auf den zweiten Filter 7.2 umgelenkt. Gleichzeitig wird das einem Prüfluftgenerator 15 vorgeschaltete Ventil 14 geöffnet und der Prüfluftstrom mit Hilfe von einer Verbindungsleitung auf den rußbeladenen ersten Filter 7.1 geleitet. Der diesem zugeordnete Druckmesser 6.1 mißt den Druckabfall Δp über die Filterpatrone 7.1. Dank der Verwendung eines Prüfluftstroms sind die Einflüsse des Lastzustands des Motors bzw. des Abgasstroms und dessen momentaner Temperatur eliminiert.

Überschreitet der Druckabfall Δp einen festgesetzten Schwellenwert, wird das Heizgerät 1.1 aktiviert und der rußbeladene Filter 7.1 regeneriert.

Liegt der Druckabfall Δp unter dem festgesetzten Schwellenwert, wird mit Hilfe der Steuerklappen 4.1 ... 4.4 der Abgasstrom wieder auf den ersten Filter 7.1 zurückgeschaltet. Gleichzeitig wird der Zeitgeber 9.1 im Steuergerät 9 in Abhängigkeit von der Höhe des gemessenen Druckabfalls Δp verstellt, so daß mit wachsender Annäherung an den festgesetzten Schwellenwert die Meßintervalle kürzer werden.

Fig. 2 zeigt schematisch eine zweite Abgasanlage für Dieselmotoren, ebenfalls mit zwei parallelen Rußfiltern 7.1, 7.2. Ein Prüflufterzeuger wie im Beispiel der Fig. 1 ist jedoch nicht vorgesehen.

Als eine weitere Abweichung vom ersten Ausführungsbeispiel sind hier zwei Heizgeräte 1.1, 1.2 vorgesehen, die dank einer Verbindungsleitung 13 und der zweiten Steuerklappen 4.3, 4.4 entweder einzeln oder auch gemeinsam auf jeden der beiden Rußfilter 7.1, 7.2 geschaltet werden können.

Sowohl die ersten Steuerklappen 4.1, 4.2 als auch die zweiten Steuerklappen 4.3, 4.4 sind gruppenweise und so verschaltet, daß sie jeweils abwechselnd geöffnet und geschlossen sind.

Außerdem sind hier die beiden Druckmesser zu einem Differenzdruckmesser 6 kombiniert. Da jeweils einer der beiden Filter 7.1, 7.2 vom Abgasstrom abgeschaltet wird, herrscht in diesem dann inaktiven Filter derselbe Druck wie am Ausgang des aktiven Filters, so daß mit dem einen Differenzdruckmesser 6 der Druckabfall über die beiden, jeweils vom Abgasstrom beaufschlagten Filter 7.1, 7.2 gemessen werden kann.

Sobald der Zeitgeber 9.1 im Steuergerät 9 einen Meßvorgang einleitet, wird zunächst mit Hilfe des Differenzdruckmessers 6 der Druckabfall p1 über den im Abgasstrom liegenden aktiven, rußbeladenen Filter 7.1 gemessen. Die zweite Steuerklappe 4.3 ist dabei geschlossen. Der Meßwert pi wird gespeichert.

Anschließend werden die ersten und zweiten Steuerklappen 4.1 ... 4.4 umgeschaltet, der Abgasstrom also auf den zweiten, nicht rußbeladenen Filter 7.2 umgeschaltet. Mit Hilfe des Differenzdruckmessers 6 wird jetzt der Druckabfall p2 über den als Vergleichsnormal dienenden zweiten Filter 7.2 gemessen. Die zweite Steuerklappe 4.4 ist dabei geschlossen. Der Meßwert p2 wird wieder im Steuergerät 9 gespeichert.

Anschließend werden die ersten und zweiten Steuerklappen 4.1 ... 4.4 wieder in den Ausgangszustand zurückgeschaltet.

Zur Kontrolle wird nochmals der Druckabfall p3 über den ersten Filter 7.1 bestimmt. Dieser Meßwert p3 wird mit dem ersten Meßwert p1 verglichen. Falls die Meßwerte p1 und p3 ausreichend übereinstimmen, ist sichergestellt, daß alle drei Messungen bei praktisch identischen Bedingungen ermittelt wurden.

Falls erster und dritter Meßwert p1, p3 voneinander abweichen, wird ein neuer Meßvorgang gestartet.

Bei korrekten Meßbedingungen wird die Druckdifferenz Δp = p1-p2 ermittelt und mit dem festgelegten Schwellenwert verglichen. Liegt die Druckdifferenz oberhalb des Schwellenwertes, wird der Abgasstrom auf das unbeladene Rußfilter 7.2 umgeschaltet und das beladene Rußfilter 7.1 mit Hilfe der Heizgeräte 1.1, 1.2 in an sich bekannter Weise regeneriert.

Liegt die Druckdifferenz Δp unterhalb des Schwellenwertes, bleibt das Filter 7.1 im Abgasstrom. Gleichzeitig wird jedoch der Meßzeitgeber 9.1 in Abhängigkeit vom Druckdifferenzwert so verstellt, daß bei einer Annäherung an den Schwellenwert die Meßintervalle kürzer werden.

Claims (11)

1. Autonomes Rußfilter für Dieselmotoren, umfassend zwei mit Hilfe von ersten Steuerklappen (4.1, 4.2) abwechselnd zwischen die Abgaszu- und Abgasableitung (8, 12) schaltbare Filter (7.1, 7.2), wenigstens ein Heizgerät (1.1, 1.2), das die für die Regeneration der Filter (7.1, 7.2) nötige Temperatur und Luftmenge liefert, und die erforderlichen Meßelemente (6, 11.1, 11.2) und Meßleitungen (5) sowie Steuergeräte (9) und Steuerleitungen (10), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Heizgerät (1.1, 1.2) und die Filter (7.1, 7.2) je eine zweite Steuerklappe (4.3, 4.4) geschaltet ist, daß die ersten und die zweiten Steuerklappen (4.1, 4.2; 4.3, 4.4) im Gegentakt untereinander und zueinander geöffnet und geschlossen sind, und daß in den Eingangsseiten der Filter (7.1, 7.2) je ein Drucksensor (6.1, 6.2) sitzt.

2. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prüflufterzeuger (15) vorgesehen ist, der einen konstanten Prüfluftstrom durch den zu messenden Filter (7.1, 7.2) drückt.

3. Rußfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüflufterzeuger (15) über Verbindungsrohre und ein Pneumatikventil (74) abwechselnd auf die beiden Filter (7.1, 7.2) schaltbar ist.

4. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drucksensoren zu einem Differenzdruckmesser (6) kombiniert sind.

5. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Heizgeräte (1.1, 1.2) vorgesehen sind, die über ein Verbindungsrohr (13) und mit Hilfe der zweiten Steuerklappen (4.3, 4.4) wahlweise auf jedes der beiden Filter (7.1, 7.2) schaltbar sind.

6. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizgeräte (1.1, 1.2) elektrisch beheizte Heizlüfter sind.

7. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuergerät (9) ein Meßzeitgeber (9.1) sitzt, dessen Taktfrequenz mit zunehmender Druckdifferenz ansteigt.

8. Verfahren zum Regenerieren eines autonomen Rußfilters nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 5 oder 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - Zu Beginn einer Messung wird der Abgasstrom mit Hilfe der ersten Steuerklappen (4.1, 4.2) auf den bisher inaktiven, rußfreien Filter (7.2) umgeschaltet,
• - anschließend wird ein konstanter Prüfluftstrom durch den rußbeladenen Filter (7.1) gedrückt und dessen Druckabfall (Δp) gemessen,
• - liegt der Druckabfall (Δp) unter einem festgelegten Schwellenwert, wird der Abgasstrom auf den ersten Filter (7.1) zurückgeschaltet,
• - liegt der Druckabfall (Δp) über dem Schwellenwert, wird das Heizgerät (7.1) aktiviert und der Filter (7.1) regeneriert.

9. Verfahren zum Regenerieren eines autonomen Rußfilters nach den Ansprüchen 1, 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - Zu Beginn einer Messung wird der Druck (p1) vor dem im Abgasstrom liegenden aktiven, rußbeladenen Filter (7.1) gemessen,
• - anschließend wird der Abgasstrom mit Hilfe der ersten Steuerklappen (4.1, 4.2) auf den bisher inaktiven, rußfreien Filter (7.2) umgeschaltet und dessen Druck (p2) gemessen,
• - liegt die ermittelte Druckdifferenz (Δp = p1-p2) unter einem festgelegten Schwellenwert, wird der Abgasstrom auf den ersten Filter (7.1) zurückgeschaltet,
• - liegt die Druckdifferenz (Δp) über dem festgelegten Schwellenwert, wird das Heizgerät (1.1, 1.2) aktiviert und das Filter (7.1) regeneriert.

10. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - Nach der zweiten Druckmessung (p2) wird der Abgasstrom mit Hilfe der ersten Steuerklappen (4.1, 4.2) auf den ersten Filter (7.1) zurückgeschaltet und dessen Druck (p3) gemessen,
• - differieren die Druckmeßwerte (p1, p3) am ersten Filter (7.1), wird die gesamte Messung wiederholt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - Die Zeitkonstante des Meßzeitgebers (9.1) wird gegenläufig zu Druckdifferenz bzw. Druckabfall (Δp) verstellt.