DE4431565A1 - Thermisches Regenerationsverfahren für ein Rußfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Regenerationsverfahren für Rußfil­ ter, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Verbrennung von Ruß in keramischen Filterkörpern praktisch jeder bekannten Konstruktion, wird von dem aus der chemischen Verfah­ renstechnik bekannten superadiabatischen Effekt beeinflußt. Dieser be­ steht darin, daß die Verbrennungstemperatur beim Vordringen der Re­ aktionsfront in die Tiefe des Filters durch Aufheizen des Oxidatorgases am heißen Filterkörper und durch Vorwärmen der rußtragenden Gebiete durch die heißen Abgase zur Überschreitung der zulässigen Temperatur oder des zulässigen Temperaturgradienten des Filterkörpers führt, beson­ ders bei monolithisch aufgebauten Filtern.

Der superadiabatische Effekt gewinnt an Bedeutung, wenn die folgenden Voraussetzungen zutreffen:

• - Größere Erstreckung der rußtragenden Gebiete des Rußfilters in Hauptströmungsrichtung und dadurch lange Aufheizstrecken des Oxidatorgases.
• - Hohe spezifische Beladung, d. h. große eingelagerte Ruß­ menge und damit hohe Energiedichte bezogen auf die Wär­ mekapazität der rußtragenden Gebiete.
• - Geringer Durchsatz von Oxidatorgas und damit geringer Aus­ trag von Reaktionswärme aus dem Filterkörper.

Bisher sind die folgenden Ansätze zur Lösung des Problems der filter­ schonenden Regeneration vor dem Hintergrund der geschilderten Problematik bekannt geworden:

• - Kontrolle der Reaktion durch Begrenzung des Sauerstoffangebots, realisiert durch
• - Begrenzung des Oxidatorgasstroms
• - Kontrolle der Reaktion durch die Temperatur des Oxidatorgases, realisiert durch
• - Geringe spezifische Beladung. Dadurch Aufnahme der Reaktionswärme durch den Filterkörper bei unschädlicher Temperaturüberhöhung.
• - Dominant großer Durchsatz von Oxidatorgas, praktisch voll­ ständiger Austrag der Reaktionswärme aus dem Filterkörper.

Alle diese Regenerationsverfahren besitzen gravierende Verfahrensnach­ teile.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein thermisches Regenerationsver­ fahren anzugeben, das eine rasche und gründliche Regeneration des Filterkörpers sicherstellt, ohne diesen durch thermische Überlastung zu gefährden.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1. Bei dem vorgeschlagenen neuen Verfahren wird unter Nutzung des superadiabatischen Effekts ein Temperaturfeld im Innern des Filter­ körpers aufgebaut, durch dessen Einfluß auf die Geschwindigkeit der Oxi­ dationsreaktion die Zone des vollständigen Rußabbrands von hinten nach vorne, also entgegen der Hauptströmungsrichtung durch den Filterkörper voranschreitet. Das aus der Brennzone austretende hocherhitzte Oxidator­ gas gefährdet das Rußfilter nicht, da es keinen unverbrannten Ruß mehr vorfindet, weshalb seine Temperatur nicht mehr steigen kann.

Es ist von Vorteil, daß die Verkleinerung der Vorwärmstrecke des Oxida­ torgases im Rußfilter bei fortschreitendem Rußabbrand durch angepaßte Erhöhung der Oxidatorgastemperatur am Rußfiltereintritt ausgeglichen wird. Dadurch bleibt die intensive Oxidationsreaktion am rückwärtigen Rand des Rußbelags erhalten, so daß eine rasche und gründliche Rege­ neration des Rußfilters erreicht wird.

Vorteilhaft ist auch, daß die Temperatur des Oxidatorgases insbesondere bei monolithisch aufgebauten Rußfiltern gegen Ende des Regenerations­ prozesses gegenüber der dann erreichten Temperatur erhöht wird. Mo­ nolithisch aufgebaute Filter weisen Randbereich mit nicht vernachlässig­ barem Wärmeverlust nach außen auf. Durch die weitere Temperaturerhö­ hung wird dieser Verlust ausgeglichen und eine vollständige Regeneration der Randbereiche ermöglicht.

Es hat sich zur Durchführung des Regenerationsverfahrens als vorteilhaft erwiesen, daß ein motorferner Regenerationsapparat für Wechselfilter vorgesehen ist, mit einer Regenerationsvorrichtung zur Lieferung von Oxi­ datorgas variierbarer Temperatur und mit einer elektronischen Steuervor­ richtung, die in Wirkverbindung mit einer Druckmeßstelle vor Rußfilterein­ tritt und mit einer Temperaturmeßstelle für die Eintrittstemperatur der Oxi­ datorgase am Rußfiltereingang steht. Da der Druck vor Rußfilter in dem Regenerationsapparat bei Oxidatorgasdurchsatz und Oxidatorgastempe­ ratur bekannter Höhe gemessen wird, kann er zur Beladungserkennung des Rußfilters verwendet werden. Auf diese Weise können Wechselfilter, deren Beladungsdichte für eine thermische Regeneration zu hoch ist, ausgeschieden werden.

Die entscheidende Größe zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Regenerationsverfahrens ist die Eintrittstemperatur des Oxidatorgases, die von der elektronischen Steuervorrichtung gesteuert wird. Dies ge­ schieht vorteilhafterweise unter Verwendung von Meßwerten und von Kenndaten des jeweiligen Wechselfilters. Auf diese Weise kann der Re­ generationsprozeß bezüglich Dauer und Energieaufwand optimiert wer­ den.

Dies ist in besonderer Weise dann möglich, wenn bei der Führung des Regenerationsprozesses ein thermodynamisches Modell des jeweils vor­ liegenden Rußfilters und der Rußverbrennung sowie die im Rußfilter ein­ gelagerte Rußmenge und zusätzlich zur Oxidatorgastemperatur am Ruß­ filtereintritt auch die Temperatur der Abgase am Rußfilteraustritt berück­ sichtigt werden. Das thermodynamische Modell beschreibt u. a. das Auf­ heizverhalten des jeweiligen Wechselfilters und die Modellierung der Rußverbrennung. Durch die zusätzliche Messung der Abgastemperatur läßt sich der Ablauf der Regeneration exakt beobachten und steuern. Auf diese Weise sind auch hoch beladene Rußfilter rasch und vollständig und mit minimiertem Energieaufwand regenerierbar.

Von Vorteil ist auch, daß der monolithische Keramikfilterkörper in seinem Austrittsbereich und in seinem Randbereich eine Beschichtung aufweist, die die Zündtemperatur des Rußes herabsetzt. Dadurch wird der ange­ strebte Start der intensiven Rußverbrennung am austrittsseitigen Ende des Filterkörpers begünstigt. Die Beschichtung im Randbereich dient zur Kompensation der dort herrschenden niedrigeren Temperaturen, die eine Folge der Wärmeverluste nach außen sind.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be­ schreibung und der Zeichnung, in der ein Regenerationsapparat für Wechselfilter schematisch dargestellt ist.

Das erfindungsgemäße Regenerationsverfahren läßt sich mit vertretba­ rem Aufwand nur bei möglichst konstantem Massenstrom und O₂-Gehalt des Oxidatorgases verwirklichen. Dazu eignet sich insbesondere das Ne­ benstromverfahren. Dieses läßt sich durch Ausblenden eines fahrzeug- oder motorfesten Rußfilters aus dem Abgasstrom des Dieselmotors oder, wie in der einzigen Abbildung dargestellt, mit Hilfe eines Wechselfilters 2 verwirklichen, das in einem motorfernen Regenerationsapparat 1 regeneriert wird. Bei dem Wechselfilter 2 handelt es sich in der Regel um ein monolithisches Keramikfilter.

Der Regenerationsapparat 1 weist eine vorzugsweise elektrisch beheizte Regenerationsvorrichtung 3 auf, die eine bestimmte Luftmenge mit wähl­ barer Temperatur über eine Vorkammer 4 in das Wechselfilter 2 fördert. In der Vorkammer 4 ist eine Druckmeßstelle 5 und eine Eintrittstempera­ turmeßstelle 7, in einer Nachkammer 6 ist eine Austrittstemperaturmeß­ stelle 7a vorgesehen. Die Regenerationsvorrichtung 3, die Vorkammer 4 und die Nachkammer 6 bilden eine bauliche Einheit, wobei das Wechsel­ filter 2 zwischen die Vorkammer 4 und die Nachkammer 6 mittels Schnellverschluß gasdicht einspannbar ist. Die Druckmeßstelle 5 dient zur Erkennung der Beladung des Rußfilters, die Eintrittstemperaturmeß­ stelle 7 zur Messung der Eintrittstemperatur des Oxidatorgases und die Temperaturmeßstelle 7a zur Messung der Austrittstemperatur des Abga­ ses, um die Intensität der Rußverbrennung zu beurteilen. Alle drei Meß­ stellen stehen in Wirkverbindung mit einer elektronischen Steuervorrich­ tung 8. Diese steht über eine Steuerleitung 9 in Wirkverbindung mit der Regenerationsvorrichtung 3 und steuert unter Verwendung eines thermo­ dynamischen Modells des Rußfilters 2 und in Kenntnis von dessen Bela­ dung die Eintrittstemperatur des Oxidatorgases.

Der Regenerationsapparat 1 funktioniert folgendermaßen:

Das Wechselfilter 2 wird dem Fahrzeug oder Dieselmotor entnommen und mittels Schnellverschluß in den Regenerationsapparat 1 gasdicht eingespannt. Dann liefert die Regenerationsvorrichtung 3 Oxidatorgas steigender Temperatur, um das Wechselfilter 2 langsam und damit spannungsarm aufzuheizen.

Bei einer Oxidatorgastemperatur unterhalb der Zündtemperatur des Rußes, wie zum Beispiel bei 400°C, wird der Gegendruck mittels Druck­ meßstelle 5 gemessen und als Maß für die Beladungsdichte des Wech­ selfilters 2 in das elektronische Steuergerät 8 eingegeben. Wechselfilter, deren Beladungsdichte für eine thermische Regeneration zu hoch ist, werden ausgeschieden.

Nun wird die Oxidatorgastemperatur gerade so gesteigert, daß die Ruß­ oxidation mit geringer Intensität beginnt. Dabei erwärmt sich das Oxida­ torgas unter Ausnutzung des superadiabatischen Effekts beim Durchströ­ men der rußtragenden Gebiete durch Summation der dabei freigesetzten Reaktionswärme gerade so stark, daß in deren Endbereich die intensive Regeneration beginnt. Diese schreitet dann vom Rußfilteraustritt zu dessen Eintritt voran. Die heißen Gase stromab der Regenerationszone können ihre Temperatur mangels Ruß nicht steigern. Dadurch wird eine thermische Überlastung des Filterkörpers vermieden.

Da mit zum Filtereintritt fortschreitender Reaktionsfront die Vorwärm­ strecke des Oxidatorgases immer kürzer wird, muß dessen Einström­ temperatur entsprechend angehoben werden.

Zur vollständigen Regeneration der Randzonen des Wechselfilters 2 muß abschließend die Oxidatorgastemperatur wegen der dort herrschenden, abkühlungsbedingt niedrigeren Temperatur angehoben werden, bevor das Wechselfilter 2 durch allmähliches Absenken der Oxidatorgastemperatur schonend abgekühlt wird.

Dieses Temperaturprogramm, das beim Aufheizen, Regenerieren und Abkühlen Temperaturspannungen und Temperaturspitzen im Wechselfil­ ter 2 vermeidet, wird von der elektronischen Steuervorrichtung 8 ge­ steuert.

Durch einen die Zündtemperatur des Rußes absenkenden Belag im Aus­ ström- und Umfangsbereich des Wechselfilters 2 kann der gewünschte Startpunkt der Regeneration und die vollständige Regeneration auch der Randbereiche mit größerer Sicherheit erreicht werden.

Claims (7)

1. Thermisches Regenerationsverfahren für ein Rußfilter, das vom Abgas eines Dieselmotors mit Ruß beladen und durch Hindurchströmen von heißem Oxidatorgas regeneriert wird, wobei die rußbeladenen Ge­ biete eine Erstreckung in der Hauptdurchströmungsrichtung aufweisen und eine im Nebenstrom arbeitende Regenerationsvorrichtung ein Oxida­ torgas mit variierbarer Temperatur liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidatorgastemperatur am Rußfilterein­ tritt so geführt wird, daß die Rußoxidation beim Durchströmen der rußbe­ ladenen Gebiete des Rußfilters (2) eine nur geringe Intensität aufweist und daß erst im Endbereich des jeweils noch rußtragenden Gebiets durch Summation der während des Durchströmens freigesetzten Reaktions­ wärme eine signifikante Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wird.

2. Regenerationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleinerung der Vorwärmstrecke des Oxidatorgases im Rußfilter (2) bei fortschreitendem Rußabbrand durch angepaßte Erhöhung der Oxidatorgastemperatur am Rußfiltereintritt aus­ geglichen wird.

3. Regenerationsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Oxidatorgases insbe­ sondere bei monolithisch aufgebauten Rußfiltern (2) gegen Ende des Re­ generationsprozesses gegenüber der dann erreichten Temperatur erhöht wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Regenerationsverfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein motorferner Regenerationsapparat (1) für Wechselfilter (2) vorgesehen ist, mit einer Regenerationsvorrichtung (3) zur Lieferung von Oxidatorgas variierbarer Temperatur und mit einer elektronischen Steuervorrichtung (8), die in Wirkverbindung mit einer Druckmeßstelle (5) vor Rußfiltereintritt und mit einer Temperaturmeßstelle (7) für die Eintrittstemperatur der Oxidatorgase am Rußfiltereintritt steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuervorrichtung (8) die Oxidatorgastemperatur am Rußfiltereintritt zur Führung des Regenera­ tionsprozesses unter Verwendung von Meßwerten und von Kenndaten des jeweiligen Wechselfilters (2) steuert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Führung des Regenerationspro­ zesses ein thermodynamisches Modell des jeweils vorliegenden Rußfil­ ters (2) und der Rußverbrennung sowie die im Rußfilter (2) eingelagerte Rußmenge und zusätzlich zur Oxidatorgastemperatur am Rußfiltereintritt die Temperatur der Abgase am Rußfilteraustritt berücksichtigt werden.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rußfilter (2) einen monolithischen Ke­ ramikfilterkörper aufweist, der in seinem Austrittsbereich und seinem Randbereich mit einem die Zündtemperatur des Rußes herabsetzenden Belag versehen ist.