DE4243035A1

DE4243035A1 - Rußfilterregenerator für Kraftfahrzeug Diesel-Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4243035A1
Application number: DE4243035A
Authority: DE
Inventors: Martin Bonn; August Dr Kaestner; Guenther Ebinger; Rolf Gabler
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1992-12-18
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 1994-06-23

Description

Die Erfindung betrifft Rußfilterregeneratoren für Diesel-Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Dieselmotoren produzieren, insbesondere bei bestimmten Lastfällen Ruß, der aus den Abgasen ausgefiltert werden sollte. Im Hinblick auf eine Reduzierung der Schadstoffbelastung der Umwelt und der in diesem Zusammenhang ge planten strengen Grenzwerte für den Partikelausstoß, wird das Ausfiltern die ser Partikel aus den Abgasen von Dieselmotoren zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Zwischenzeitlich sind eine Anzahl von Filterausbildungen im Laborbetrieb in Erprobung. Dabei hat sich gezeigt, daß die Filterbeladung mit Rußpartikeln so hoch sein kann, daß eine Regenerierung der Filter während des Fahrbetrie bes unumgänglich ist. Die Regenerierung der Filter kann mittels Abbrennen der Rußpartikel bewerkstelligt werden. Dazu sind jedoch relativ hohe Abgas temperaturen, d. h. von mindestens 600°C erforderlich.

Allen bekannten Filterausbildungen ist jedoch gemeinsam, daß insbesondere beim Betrieb von Dieselmotoren im unteren Lastbereich die Abgastemperatu ren, z. B. bei einen dem innerstädtischen Verkehr entsprechenden Lastbetrieb nicht ausreichen, um den am Filter angelagerten Ruß abzubrennen, d. h. den Filter zu regenerieren.

Derzeit sind Verfahren in der Erprobung, bei denen der Filtereinrichtung ein eigener Brenner zugeordnet ist. Da bei Kraftfahrzeug-Dieselmotoren eine mehrmalige, kurzzeitige Regeneration im Dauerlaufbetrieb, z. B. innerhalb von Ampelphasen oder dergleichen zum Abbrennen der Rußpartikel am Filter ausreicht, besteht bei bisherigen, bekannten Verfahren teilweise das Problem der Verkokung der Kraftstoffeinspritzdüse am Brenner.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Rußfilterregeneratoren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so zu verbessern, daß eine Regeneration des Filters bei laufenden Motor und insbesondere wäh rend der Leerlaufphasen des Dieselmotors durchgeführt werden kann und ferner ein Verkoken der Kraftstoffeinspritzdüse am Brenner vermieden wird.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Ausbildung von Rußfilterregeneratoren nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und in weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung des Haupterfindungsgedankens nach den Merkmalen der dem Anspruch 1 folgenden Ansprüche.

Die Regenerierung des Filters wird vorzugsweise durch Abbrennen der Ruß partikel mittels eines Brennersystems bewerkstelligt, mit dessen Hilfe der in flüssigem Zustand dem Brenner zugeführte Brennstoff durch eine spezielle Heizzone geleitet, in den gasförmigen Zustand übergeführt und danach mit den Abgasen vermischt wird. Dabei erfolgt die Zündung des Brennstoffs unter Ausnutzung des im Motorabgas vorhandenen, überschüssigen Restsauer stoffs.

Besonders zweckmäßig ist es bei einer solchen Ausbildung die Regenerie rung des Filters überwiegend im Leerlaufbetrieb des Motors, z. B. bei entspre chenden Ampelphasen zu betreiben.

Aufgrund dessen, daß beim erfindungsgemäßen Rußfilterregenerator das Ab brennen mittels des im gasförmigen Zustand dem Brennerraum zugeführten Brennstoffes und dem in den Motorabgasen vorhandenen Restsauerstoff er folgt, entfällt eine externe Luftzuführung mit dem dazu erforderlichen, zusätzli che gerätetechnischen Aufwand.

Für den eigentlichen Verbrennungsvorgang wird im Gegensatz zu anderen Systemen nicht zwischen Hauptverbrennung im unterstöchiometrischen Ver hältnis und Nachverbrennung mit Luftsauerstoff unterschieden. Da der Ver brennungsvorgang bei einer bestimmten Motordrehzahl abläuft, kann das Kraftstoff-Luftverhältnis so eingestellt werden, daß eine rußfreie Verbrennung erfolgt.

Aufgrund der Ausnutzung des im Motorabgas enthaltenen Restsauerstoffs, kann auf eine zusätzliche Luftpumpe verzichtet werden. Der Brennstoff kann mit einer externen Verdrängerpumpe mit Antrieb vom Dieselmotor oder exter nem Antrieb dem Brennersystem zugeführt werden. Durch die Regeneration des Filters bei Motorleerlauf ist eine zusätzliche Regelung der Verdränger pumpe nicht erforderlich.

Infolge der für das erfindungsgemäße Brennsystem erforderlichen, geringen Abmessungen, ist eine Anordnung innerhalb des Gehäuses für die Aufnahme des Filters ohne weiteres möglich und somit kein zusätzlicher Raum erforder lich.

In der Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Aus bildungen dargestellt, die in der folgenden Beispielsbeschreibung näher er läutert sind.

Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch den Filter in Verbindung mit einem Brennersystem,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform in einem schematisierten Längsschnitt durch den Filter und das Brennersystem und

Fig. 3 in einem Ausschnitt aus Fig. 1 bzw. 2 im Querschnitt Einzelheiten des Brennersystems.

Der in Fig. 1 gezeigte Rußfilterregenerator enthält als Hauptelemente die Fil tereinrichtung 1 für die Verminderung des Partikelausstoßes aus den Abga sen von Kraftfahrzeug-Dieselmotoren und mindestens ein Brennersystem 2.

Die Filtereinrichtung 1 enthält ein den Filter 10 aufnehmendes, rohrförmiges Filtergehäuse 11 mit in axialer Richtung an beiden Enden verjüngt verlaufend ausgebildeten Rohrabschnitten 12 bzw. 13, wobei der Filter 10 den gesam ten Querschnitt des durch den zylindrischen Gehäuseabschnitts 10′ gebilde ten Filteraufnahmeraumes 17 einnimmt.

Der Rohrabschnitt 12 mündet in einen Auslaßstutzen 14 für den Abgas- bzw. Brenngasauslaß der Einrichtung aus dem Filtergehäuse 11 in die freie At mosphäre.

In den zweiten Rohrabschnitt 13 des Filtergehäuses 11 mündet ein zylinder förmiges Gehäuse 18, das seinerseits an den Auslaßstutzen für den Anschluß des Abgasrohres einer Verbrennungsmaschine (nicht dargestellt) anschließt und dessen Raum 18′ vom Abgas bzw. Brenngas durchströmt wird. Vom Raum 18′ des Gehäuses 18 gelangen die Abgase zu dem den Filter 10 aufnehmenden Filterraum 17 innerhalb des zylindrischen Gehäuseabschnitts 10′ der Filtereinrichtung 1. Dabei bildet das Gehäuse 18 das Brennergehäu se und der Raum 18′ den Brennerraum des Brennersystems 2.

Sowohl bei der Ausführung gemäß Fig. 1 als auch bei der Ausführung nach Fig. 2, wirkt die Brennereinrichtung 2 auf die den Brennerraum 18′ des Brennergehäuses 18 durchströmenden Abgase bzw. Brenngase der Ver brennungsmaschine ein und die Abgase bzw. Brenngase werden vom Bren nerraum 18′ über den konischen Abschnitt 13 und den Filter 10 im Filterge häuse 11 der Filtereinrichtung 1 zugeführt und danach von Rußpartikeln und anderen Stoffen weitgehend befreit über den Auslaßstutzen 14 in die Atmo sphäre ausgestoßen, was später noch näher beschrieben wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt, mündet bei einer weiteren Ausführungsform des Ruß filterregenerators das Abgasrohr der Verbrennungsmaschine in einen Einlaß stutzen 25, der tangential oder senkrecht zum Brennergehäuse 18 mit ihrem Brennerraum 18′ angeordnet ist.

Wie bei der Ausführung nach Fig. 1, schließt der Brennerraum 18′ des Bren nergehäuses 18 über den Filtergehäuseabschnitt 13 an den Filteraufnahme raum 17 der Filtereinrichtung 1 an.

Bei dieser Ausführung ist innerhalb des Brennerraumes 18′ ein zylindrisches Mantelrohrteil 26 konzentrisch angeordnet, mittels dem im Raum 18′ ein äu ßerer Ringraum 27 und ein innerer, zentraler Raum 27′ gebildet ist. Der äußere Ringraum 27 und der innere Raum 27′ stehen ständig mit dem Einlaßstutzen 25 in Verbindung.

Das Mantelrohrteil 26 weist eine Anzahl von Durchbrechungen 30 auf, über die ein Anteil des Abgases dem zentralen Raum 27′ und ein Anteil über den Ringraum 27 der Filtereinrichtung 1 direkt zugeführt wird. Das Brennersystem 2 ist hierbei an einer Deckelwand 32 als Stirnwand des Filtergehäuses 11 angeflanscht und begrenzt den Brennerraum 18 bzw. dessen Räume 27, 27′.

Die Fig. 3 zeigt Einzelheiten des der Filtereinrichtung 1 vorgeordneten, be reits vorangehend erwähnten und insgesamt mit 2 bezeichneten Brennersy stems.

Nach Fig. 1 und Fig. 2 sind zwei Ausführungen für die Ausbildung bzw. Anordnungen des Brennersystems 2 in Verbindung mit der Filtereinrichtung 1 vorgesehen. Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist das Brennersystem 2 so angeordnet, daß das Brennergehäuse 41 senkrecht in den Brennerraum 18′ des Brennersystems 2 einmündet und der Anschluß des Auslaßstutzens 25 der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) koaxial zur Brennkammerlängsach se liegt.

Demgegenüber ist bei der Ausführung nach Fig. 2 vorgesehen, den Einlaß stutzen 25 der Brennkraftmaschine rechtwinklig in die Brennerkammer 18′ des Brennersystems 2 einmünden zu lassen, wobei hier das Brennergehäu se 41 bzw. die Brennerdüse 50 konzentrisch in den Brennerraum 18′ hin einragt.

Das Brennersystem 2 ist so ausgebildet, daß der dem System in flüssigem Aggregatszustand zugeführte Brennstoff beim Durchströmen des Brenner gehäuses 41 zum Sieden und damit zum Verdampfen gebracht wird.

Durch die Anordnung der Brennereinrichtung 2 mit im Brennerraum 18′ lie gender Austrittsdüse 50′ wird der in den gasförmigen Aggregatszustand über geführte Brennstoff dort mit dem Abgas der Verbrennungsmaschine vermischt und reagiert nach Zündung im Brennerraum 18′ mit dem im Abgas enthalte nen Restsauerstoff.

Die Brennereinrichtung 2 enthält dabei eine Zuführungsleitung für flüssigen Brennstoff, die an den Ringraum 42 innerhalb des Gehäuses 41 anschließt. Konzentrisch ist innerhalb des Gehäuses 41 ein zu einem stabförmigen Heiz element 47 konzentrisch angeordnetes, den Raum 42 umschließendes Heiz element 48 üblicher Bauart vorgesehen.

Die Heizelemente 47 bzw. 48 mit dem der Brennstoffaufheizung dienenden Raum 42′ ragen in den Brennerraum 18′ hinein.

Im Bereich seines in den Brennraum 18′ hineinragenden Endes geht der Raum 42 in eine düsenartige Verengung 50 über. Ferner sind Leitschaufeln 51 vorgesehen mit deren Hilfe der mittels der Heizeinrichtung am Düsenaus gang aus dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand übergeführte Brennstoff zur Verwirbelung mit dem Abgasstrom und dem in diesem enthalte nen Restsauerstoff in Rotation versetzt wird.

Damit ist sichergestellt, daß der in die Brennkammer 18′ eintretende gasför mige Brennstoff gut mit der Brennluft vermischt wird. Die eigentliche Entzün dung des Brennstoff-Luftgemischs erfolgt in der Aufheizzone. In diesem Bereich werden die Heizelemente 47, 48 ständig auf hoher Temperatur ge halten. Ankommende Schmutz- und Rußpartikel werden verbrannt und so von der Düse 50 ferngehalten. Das heiße Gas gelangt in die Brennkammer 18′ und vermischt sich dort mit dem Teilstrom der Abgase der Verbrennungsma schine.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist das Brennersystem 2 gegen den pulsierenden Abgasstrom der Diesel-Brennkraftmaschine stabilisiert, um ein Ausblasen der Flamme zu verhindern.

Dazu ist das käfigartig ausgebildetes, zylindrische Rohrteil 26 vorgesehen, über dessen Durchbrechungen 30, zumindest ein wesentlicher Anteil des Ab gasstromes dem zentralen Raum 27′ zur gemeinsamen Zündung mit dem mittels der Brennereinrichtung 2 aus dem flüssigen in den gasförmigen Zu stand übergeführter Brennstoff zugeleitet wird.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist nachfolgend näher erläutert.

Mittels dem der Filtereinrichtung 1 zugeordneten Brennersystem 2 wird durch die Aufheizung der extern zugeführte Brennstoff mittels der Heizeinrichtung beim Durchströmen des Ringraumes 42 vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand übergeführt, und zwar so, daß der gasförmige Brennstoff über die Austrittsdüse 50 in den Brennerraum 18′ vor der Filtereinrichtung 1 gelangt und sich dort mit dem Abgasstrom der Diesel-Brennkraftmaschine und somit mit dem im Abgas enthaltenem Restsauerstoff vermischt. Die Vermisch ung wird unterstützt durch eine Verwirbelung mittels der dem Düsenausgang zugeordneten Leitschaufelanordnung 51.

Das aus den Abgasen, dem darin enthaltenen Restsauerstoff und dem gasför migen Brennstoff des Brennersystems 2 bestehende Gemisch wird mittels der mit einer Mindesttemperatur von 600°C arbeitenden Heizeinrichtung 46 ge zündet und mittels der erzeugten Flamme die sich am Filter 11 und im Bereich der Brennerdüse 50 abgelagerten Rußpartikel abgebrannt.

Unter bestimmten Voraussetzungen, kann der Brennereinrichtung 2 bereits vor dem Eintritt aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeführter Brennstoff zugeleitet und über den Düsenausgang 50 dem Abgas im Brenner raum 18′ zugemischt werden.

Dabei soll vorteilhafter Weise zur Verbrennung der im Abgas enthaltene Rest sauerstoff genutzt werden. Es wird hierbei davon ausgegangen, daß der Ab brennvorgang in Betriebszuständen von Diesel-Brennkraftmaschinen im unte ren Lastbereich erfolgt, in dem im Abgas ausreichend Sauerstoff enthalten ist und die Abgastemperaturen nicht zum Abbrennen der Rußpartikel am Filter 11 und zugleich am Düsenausgang des Brennersystems 2 ausreichen, d. h. unterhalb der erforderlichen Temperatur von 600°C liegen.

Die Regeneration des Rußfilters 11 erfolgt bei laufendem Motor. Durch die Ausnutzung des Restsauerstoffs im Abgas erübrigt sich eine externe Luftzu fuhr, z. B. die Anordnung einer zusätzlichen Luftpumpe. Für die Zuführung des Brennstoffs zum Brennersystem 2 kann eine vom Dieselmotor antreibbare Verdrängerpumpe eingesetzt werden.

Die Zündung des Gemischs im Brennerraum 18′ der Einrichtung 2 erfolgt durch entsprechende Aufheizung der Heizelemente 47, 48 der Heizeinrich tung 46 in ihrem Endbereich (Düsenbereich).

Es ist aber auch eine Zündung mit Hilfe von Zünd- oder Glühkerzen mit exter ner Stromversorgung denkbar.

Bezugsziffern

1 Filtereinrichtung
2 Brennersystem
10 Filter
10′ Gehäuseabschnitt
11 Filtergehäuse
12 Gehäuseabschnitt konisch
13 Gehäuseabschnitt konisch
14 Auslaßstutzen
17 Filteraufnahmeraum
18 Brennergehäuse
18′ Brennerraum

Fig. 2 Filtereinrichtung 1

25 Einlaßstutzen
26 Mantel (Käfig)
27 Ringraum, äußerer
27′ Raum, innerer
30 Durchbrechungen
32 Abschlußdeckel

Fig. 3 Brennersystem 2

40 Zuführung
41 Gehäuse
42 Raum
46 Heizeinrichtung
47 Heizstab
48 Ringheizelement
50 Austrittsdüse
51 Rotationselement
Zündeinrichtung

Claims

1. Rußfilterregenerator für Diesel-Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer an die Abgasleitung der Brennkraftmaschine an schließenden Rußfiltereinrichtung und einem Brennersystem zum Frei brennen des Filters von Rußpartikeln und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Rußfilterregenerator zwischen der Abgasführung (18;25) und der Rußfiltereinrichtung (1) ein Brennersystem (2) mit Mitteln (47; 48) zur Überführung des zugeführten Brennstoffs vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand enthält, daß
- das Brennersystem (2) einen zwischen Abgasleitung der Brennkraft maschine und der Rußfiltereinrichtung (1) eingesetztes Brenner gehäuse (18) mit einem Brennerraum (18′) aufweist, welcher
- im Mischbereich von gasförmigem Brennstoff und Abgasstrom im Brennerraum (18′) Mittel (47, 48) zur Zündung des Gemischs ent hält.

2. Rußfiltervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerraum (18) der Brennereinrichtung (2) ein im Abgasstrom an geordnetes Käfigteil (26) aufweist, durch dessen konzentrische Anord nung zum Brennergehäuse (18) ein äußerer, unmittelbar an die Filterein richtung (1) anschließender Ringraum (27) und ein zentraler, mit dem äußeren Ringraum (27) über Durchbrechungen (30) in Verbindung ste hender und gleichzeitig in die Filtereinrichtung (1) einmündender Raum (27) gebildet ist.

3. Rußfiltervorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Zu führung von sich bereits in gasförmigem Aggregatszustand befindlichen Brennstoff in das Brennersystem (2).

4. Rußfiltervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Regenerierung des Filters (10) der Filtereinrichtung (1) in Leerlaufphasen bzw. Leerlaufbetrieb des Diesel motors bewirkt wird.

5. Rußfiltervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Abbrennen von Rußpartikeln am Filter (10) bzw. an der Brennerdüse (50) der Brennereinrichtung (2) im Bren nerraum (18′) mittels dem im Abgasstrom der Diesel-Brennkraftmaschine enthaltenen Restsauerstoffs bewirkt wird.

6. Rußfiltervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Brennsystem (2) mit seinem Brenner raum (18′) und die Filtereinrichtung (1) innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind.

7. Rußfiltervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Brennereinrichtung (2) in unmittel barer Nähe der Filtereinrichtung (1) angeordnet ist.