EP0238916A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regeneration von Abgas-Filtersystemen - Google Patents

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EP0238916A1 EP87103242A EP87103242A EP0238916A1 EP 0238916 A1 EP0238916 A1 EP 0238916A1 EP 87103242 A EP87103242 A EP 87103242A EP 87103242 A EP87103242 A EP 87103242A EP 0238916 A1 EP0238916 A1 EP 0238916A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S55/00—Gas separation
    • Y10S55/30—Exhaust treatment

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the regeneration of filter systems for the exhaust gases of internal combustion engines, in particular vehicle diesel engines, by oxidation of deposited particles, in which the soot combustion is initiated during engine operation by a burner.
  • Exhaust aftertreatment systems are used to reduce particle emissions from diesel engines. These aftertreatment systems essentially consist of filter systems that collect and collect the solid parts of the particle phase. The particles deposited in the filter lead to an increase in the flow resistance in the exhaust system. The increasing exhaust gas back pressure causes an increase in fuel consumption as a function of torque and speed, and in extreme cases it can lead to the engine stopping. For this reason, it is necessary to continuously or intermittently remove the particles deposited in the filter. This is generally done by oxidation of the deposited particles.
  • the invention has for its object a method for the regeneration of filter systems for the exhaust gases of internal combustion engines and a suitable for practicing the method To create a device in which the initiation of the oxidation of the deposited soot by supplying secondary energy without moving parts in the exhaust gas stream can be carried out in a simple and effective manner.
  • a method for the regeneration of diesel exhaust gas cleaning systems, in which a fuel-fed burner is used, is known from US Pat. No. 4,481,767.
  • the flame of the burner is directed sequentially onto the filter via a rotating flame distributor in order to achieve complete combustion of the collected particles. Parts of the filter are not regenerated intermittently, but the filter part to be regenerated is acted upon intermittently by the flame in order to completely burn the soot.
  • the flame beam is directed onto the filter surface by a guide device.
  • US Pat. No. 4,299,600 describes a separator in the exhaust pipe of a diesel engine which contains a controlled flap which separates the collection and regeneration parts.
  • the regeneration is carried out by introducing fuel through nozzles, the exhaust gases being selectively passed through the flap into one of two filter units.
  • a flame jet of high flow velocity transversely to the inflow direction of the exhaust gases to be cleaned with a short burning time compared to the regeneration time directly in the area of the filter surface existing soot is directed so that it displaces the exhaust gases and at the same time initiates regeneration.
  • the nozzle-like flame outlet opening of the burner is preferably arranged at such a distance from the filter end face that the burner flame does not mix with the engine exhaust gas, but instead displaces it to areas to be regenerated later. It is thus achieved that the soot on the filter end face ignites and burns with a low energy supply both as a result of the temperature increase and as a result of the soot's reaction with the radicals in the flame, which reduce the activation energy for soot combustion. Since the burner flame does not mix with the exhaust gas mass flow of the engine due to the advantageous arrangement and design of the burner, the energy loss of the regeneration system is minimized, so that the energy expenditure required is comparatively low compared to conventional burner systems with heat transport through the engine exhaust gas.
  • the burner can be operated with diesel fuel or also with a gas or another fluid fuel.
  • the combustion air necessary for the brief, pulsed burner operation is provided from a pressure vessel which, for example in commercial vehicles, is advantageously intermittently charged by the compressor system for the vehicle brake.
  • FIG. 1 shows a burner arrangement for initiating soot oxidation.
  • Several particle filters are arranged with an intermediate mat 2 (2 ⁇ ) in a sheet metal jacket 3 (3 ⁇ ), which is connected to the exhaust pipe 4 of the (not shown) internal combustion engine.
  • the exhaust gas to be cleaned flows in the direction of arrow 5 to the filters 1 (1 ⁇ ).
  • burners 7 (7 ⁇ ) are installed in such a way that their flame is directed onto the end faces 8 (8 ⁇ ) of the filter 1 (1 ⁇ ).
  • the burners 7 (7 ⁇ ) consist of a nozzle-shaped burner mouth 9 (9 ⁇ ) and a combustion chamber 10 (10 ⁇ ).
  • the connection of the combustion chamber 10 (10 ⁇ ) to the exhaust pipe 4 is provided with cooling fins 11 (11 ⁇ ).
  • the heat supply from the exhaust gas is reduced by heat conduction to the combustion chamber 10 (10 ⁇ ), whereby the risk of coking can be reduced when the burner is stopped.
  • the burner 7 (7 ⁇ ) also has a fuel supply 12 (12 ⁇ ) with fuel valve 13 (13 ⁇ ), air fuel injector 14 (14 ⁇ ) and burner nozzle 15 (15 ⁇ ) to the atomizer 16 (16 ⁇ ) and an air supply 17 (17 ⁇ ).
  • the combustion air is from reservoir 18, for example by the brake compressor Vehicle (not shown) is provided.
  • air valve 19 (19 ⁇ ) and fuel valve 13 (13 ⁇ ) is opened by a control line 20 (20 ⁇ ).
  • the combustion air flows from the air container 18 via line 17 (17 ⁇ ) to the injector 14 (14 ⁇ ) and the burner nozzle 15 (15 ⁇ ) and to the secondary air line 21 (21 ⁇ ), the amount being adjustable by means of a fixed throttle 22 (22 ⁇ ).
  • the secondary air can be introduced tangentially and axially and is used for better mixing and burning out of the combustion chamber.
  • the fuel can e.g. can be transported from a (not shown) pre-feed pump with sufficient pressure to the fuel supply 12 (12 ⁇ ), and it is carried by the injector 14 (14 ⁇ ).
  • the fuel and air are intimately mixed in the injector 14 (14 ⁇ ), and the fuel-air mixture atomizes into the combustion chamber 10 (10 ⁇ ) at the nozzle-like atomizer 16 (16 ⁇ ).
  • the fuel-air mixture is ignited with igniter 23 (23 ⁇ ).
  • a high-voltage radio ignition can serve as the igniter, as can a glow tube or glow plug made of ceramic.
  • burner 7 The emerging flame from burner 7 is directed directly at filter 1.
  • the exhaust gas volume flow is displaced in this area by the flame jet and flows through filter 1 ⁇ .
  • burner 7 ⁇ is ignited analogously to the description above.
  • the flame of the burner 7 ⁇ displaces the exhaust gas volume flow 5, which now only flows through filter 1.
  • the arrangement of the burner and filter is not limited to two systems.
  • the filter does not have to be made up of several filter monoliths. Rather, the various regeneration areas can be generated by arranging burners whose flames affect different surface areas of the filter.
  • FIG. 2 shows a section of the combustion chamber 10 consisting of the air supply line 17, fuel supply 12 and injector 14 and atomizing nozzle 16. In this area the ignition takes place with an electrically heated glow tube 24, e.g. B. made of ceramic. The fuel-air mixture strikes the glow tube 24 as it emerges from the atomizer nozzle 16 and is reliably ignited on the wall by the high temperatures.
  • an electrically heated glow tube 24 e.g. B. made of ceramic.
  • the fuel-air mixture strikes the glow tube 24 as it emerges from the atomizer nozzle 16 and is reliably ignited on the wall by the high temperatures.
  • the invention is not particularly limited with regard to the structure and mode of operation of the burner 7, and other suitable burner types can also be used. Not only ceramic filters with a honeycomb structure, but also steel wool filters and ceramic foam with and without catalytic coating have proven themselves as filter systems for collecting the particles with intermittent or continuous particle combustion.
  • the invention enables simple and particularly effective filter regeneration with a low secondary energy requirement and without an obstructing flow guide device.

Abstract

Bei einem Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen (1,1ʹ) für die Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahr­zeug-Dieselmotoren, durch Oxidation abgelagerter Partikeln, bei dem die Rußverbrennung während des Motorbetriebs durch einen Brenner (7,7ʹ) eingeleitet wird, wird ein Flammenstrahl hoher Strömungsgeschwindigkeit quer zur Zuströmrichtung (5) der zu reinigenden Abgase mit einer im Vergleich zur Regenerations­zeit kurzen Brenndauer unmittelbar auf im Bereich der Filter­oberfläche (8,8ʹ) vorhandenen Ruß gerichtet, so daß er die Abgase verdrängt und zugleich die Regeneration einleitet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­richtung zur Regeneration von Filtersystemen für die Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahrzeug-Diesel­motoren, durch Oxidation abgelagerter Partikeln, bei dem die Rußverbrennung während des Motorbetriebs durch einen Brenner eingeleitet wird.
  • Zur Verminderung der Partikelemissionen von Dieselmotoren werden Abgasnachbehandlungssysteme eingesetzt. Diese Nach­behandlungssysteme bestehen im wesentlichen aus Filtersyste­men, 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 Abhängig­keit von Drehmoment und Drehzahl eine Erhöhung des Kraft­stoffverbrauches, und er kann im Extremfall zu einem Still­stand des Motors führen. Aus diesem Grunde ist es er­forderlich, kontinuierlich oder intermittierend die im Fil­ter 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 Ein­satz spezieller katalytischer Beschichtungen kann eine Ruß­oxidation schon bei 400 - 450 Grad C durchgeführt werden. Derartig hohe Temperaturen werden von Dieselmotoren aber nur im oberen Lastbereich erreicht. Daher ist eine ausrei­chend häufige Filterregeneration im Fahrbetrieb nicht sicher­gestellt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen für die Abgase von Brenn­kraftmaschinen und eine zur Ausübung des Verfahrens geeig­ nete Vorrichtung zu schaffen bei dem bzw. der die Einlei­tung der Oxidation des abgelagerten Rußes durch Zufuhr von Sekundärenergie ohne bewegte Teile im Abgasstrom in ein­facher und wirksamer Weise erfolgen kann.
  • Ein Verfahren zur Regeneration von Diesel-Abgasreinigungs­anlagen, bei dem ein mit Kraftstoff gespeister Brenner ver­wendet wird, ist aus US-PS 4,481,767 bekannt. Dabei wird die Flamme des Brenners über einen rotierenden Flammenverteiler sequentiell auf das Filter gerichtet, um eine vollständige Verbrennung der gesammelten Partikeln zu erreichen. Es wer­den nicht Teile des Filters intermittierend regeneriert, sondern das zu regenerierende Filterteil wird intermittie­rend von der Flamme beaufschlagt, um den Ruß vollständig zu verbrennen. Der Flammenstrahl wird dabei durch eine Leit­vorrichtung auf die Filteroberfläche gelenkt.
  • In US-PS 4,299,600 ist ein Abscheider in der Abgasleitung eines Dieselmotors beschrieben, welcher eine gesteuerte Klappe enthält, die den Sammlungs- und den Regenerations­teil trennt. Die Regeneration erfolgt durch Einführen von Kraftstoff durch Düsen, wobei die Abgase durch die Klappe jeweils selektiv in eine von zwei Filtereinheiten geleitet werden.
  • Bei beiden beschriebenen Verfahren erfolgt kein intermit­tierendes Anzünden des abgelagerten Rußes, und bei den ent­sprechenden Einrichtungen sind bewegte Teile, z.B. Brenn­gasleitvorrichtungen und Klappen, vorgesehen, und die Flam­men können nicht direkt auf den abgelagerten Ruß zum Zweck des Anzündens auftreffen.
  • Demgegenüber ist bei einem Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen der eingangs bezeichneten Art gemäß der Er­findung vorgesehen, daß ein Flammenstrahl hoher Strömungs­geschwindigkeit quer zur Zuströmrichtung der zu reinigen­den Abgase mit einer im Vergleich zur Regerationszeit kurzen Brenndauer unmittelbar auf im Bereich der Filteroberfläche vorhandenen Ruß gerichtet wird, so daß er die Abgase ver­drängt und zugleich die Regeneration einleitet.
  • Während bei den beschriebenen bekannten Verfahren die Tren­nung der Abgase von dem zu regenerierenden Bereich des Fil­ters, die der Einhaltung der erforderlichen hohen Temperatur dient, mit bewegten Teilen erfolgt, wird in Anwendung der Erfindung eine Verdrängung der Abgase von dem zu regenerie­renden Filteroberflächenbereich dadurch sichergestellt, daß der Flammenstrahl quer zur Hauptströmungsrichtung angeordnet ist, so daß eine Vermischung von Abgas und Flammenstrahl weitgehend vermieden wird.
  • Die düsenartige Flammenaustrittsöffnung des Brenners ist vorzugsweise in einem solchen Abstand von der Filterstirn­fläche angeordnet, daß sich die Brennerflamme nicht mit dem Motorabgas vermischt, sondern dieses zu später zu regenerie­renden Bereichen verdrängt. So wird erreicht, daß sich der Ruß an der Filterstirnfläche sowohl durch die Temperatur­erhöhung als auch durch die Reaktion des Rußes mit den Radi­kalen in der Flamme, welche die Aktvierungsenergie zur Ruß­verbrennung senken, bei niedriger Energiezufuhr entzün­det 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 Ab­gas 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 not­wendige Verbrennungsluft wird aus einem Druckbehälter bereit­gestellt, welcher z.B. bei Nutzfahrzeugen vorteilhafter­weise 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.
    • Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Filtersystem mit einer Brenneranordnung, die zur Ausübung des erfindungs­gemäßen Verfahrens geeignet ist.
    • Figur 2 zeigt schematisch einen Teil der Brennkammer der Brenneranordnung gemäß Figur 1.
  • In Figur 1 ist eine Brenneranordnung zur Einleitung der Ruß­oxidation dargestellt. Mehrere Partikelfilter sind mit einer Zwischenmatte 2 (2ʹ) in einem Blechmantel 3 (3ʹ) angeordnet, der mit Abgasrohr 4 des (nicht dargestellten) Verbrennungs­motors verbunden ist. Das zu reinigende Abgas strömt in Richtung des Pfeiles 5 zu den Filtern 1 (1ʹ).
  • In Wandung 6 des Abgasrohres 4 sind Brenner 7 (7ʹ) derart eingebaut, daß ihre Flamme auf die Stirnflächen 8 (8ʹ) der Filter 1 (1ʹ) gerichtet ist. Die Brenner 7 (7ʹ) bestehen aus einer düsenförmigen Brennermündung 9 (9ʹ) und einer Brenn­kammer 10 (10ʹ). Zur Verminderung der Wärmeleitung und da­mit zur Verminderung der Aufheizung der Brennkammer 10 (10ʹ) während des Motorbetriebes im oberen Lastbereich ist die Verbindung der Brennkammer 10 (10ʹ) zum Abgasrohr 4 mit Kühlrippen 11 (11ʹ) versehen. Hierdurch wird die Wärmezufuhr aus dem Abgas durch Wärmeleitung zur Brennkammer 10 (10ʹ) vermindert, wodurch die Verkokungsgefahr im Brennerstillstand verringert werden kann.
  • Der Brenner 7 (7ʹ) besitzt außerdem eine Kraftstoffzuführung 12 (12ʹ) mit Kraftstoffventil 13 (13ʹ), Luftkraftstoffinjek­tor 14 (14ʹ) und Brennerdüse 15 (15ʹ) zum Zerstäuber 16 (16ʹ) sowie eine Luftzuführung 17 (17ʹ). 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 (19ʹ) und Kraftstoffventil 13 (13ʹ) durch eine Steuerleitung 20 (20ʹ) geöffnet. Aus dem Luftbehälter 18 strömt die Verbren­nungsluft über die Leitung 17 (17ʹ) zum Injektor 14 (14ʹ) und der Brennerdüse 15 (15ʹ) sowie zur Sekundärluftleitung 21 (21ʹ), wobei die Menge durch eine fest eingebaute Drossel 22 (22ʹ) einstellbar ist. Die Sekundärluft kann tangential und axial eingeleitet werden und dient zur besseren Ver­mischung und Ausbrennung der Brennkammer.
  • Der Kraftstoff kann z.B. aus einer (nicht dargestellten) Vorförderpumpe mit einem ausreichenden Druck zur Kraftstoff­zuführung 12 (12ʹ) transportiert werden, und er wird durch den Injektor 14 (14ʹ) mitgenommen. Im Injektor 14 (14ʹ) er­folgt die innige Vermischung von Kraftstoff und Luft, und das Kraftstoff-Luftgemisch zerstäubt an dem düsenartigen Zerstäuber 16 (16ʹ) in die Brennkammer 10 (10ʹ). Mit Zünder 23 (23ʹ) wird das Brennstoff-Luftgemisch gezündet. Als Zün­der 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 1ʹ. Bei Regeneration von Filter 1ʹ wird Brenner 7ʹ analog zur obigen Beschreibung gezündet. Die Flamme des Bren­ners 7ʹ 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 ver­schiedenen Regenerationsbereiche durch Anordnung von Bren­nern, deren Flammen unterschiedliche Oberflächenbereiche des Filters beaufschlagen, erzeugt werden.
  • In Figur 2 ist ein Ausschnitt der Brennkammer 10 bestehend aus der Luftzuleitung 17, Kraftstoffzuführung 12 und Injek­tor 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 kön­nen auch andere geeignete Brennerbauarten verwendet werden. Auch haben sich als Filtersysteme zur Sammlung der Partikeln mit intermittierender oder kontinuierlicher Partikelverbren­nung 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 wirk­same Filterregeneration mit niedrigem Sekundärenergiebedarf und ohne hindernde Strömungsleitvorrichtung möglich.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen für die Ab­gase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahrzeug­Dieselmotoren, durch Oxidation abgelagerter Partikeln, bei dem die Rußverbrennung während des Motorbetriebs durch einen Brenner eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flammenstrahl hoher Strömungsgeschwindigkeit quer zur Zu­strömrichtung der zu reinigenden Abgase mit einer im Ver­gleich zur Regenerationszeit kurzen Brenndauer unmittelbar auf im Bereich der Filteroberfläche vorhandenen Ruß ge­richtet wird, so daß er die Abgase verdrängt und zugleich die Regeneration einleitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenstrahl des Brenners intermittierend auf die zur Regene­ration vorgesehene Filterfläche auftrifft.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter in mindestens zwei Regenerationsbereiche auf­geteilt wird, welche unabhängig voneinander durch einen Flammenstrahl beaufschlagt werden können, und daß für jeden Regenerationsbereich ein Brenner eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Abgasstrom durch den Flammenstrahl nur auf die nicht von der Flamme erfaßten Bereiche abgelenkt wird.
5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet durch einen in der Abgas­zuleitung eingebauten, auf das Filtermaterial gerichteten Brenner für fluide Kraftstoffe, dem Kraftstoff und Sauer­stoff bzw. Luft zur Mischung und gerichteten Verbrennung zugeführt werden, und dessen außerhalb der Abgaszuleitung befindliche Teile mit wärmeableitenden Mitteln, insbesonde­re Rippen, versehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner mit einem Glührohr versehen ist, das von dem Kraftstoff-Sauerstoff- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Zweck der Entzündung durchströmt wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeich­net durch einen von dem Fahrzeugkompressor beaufschlagten Druckbehälter für die Druckluftversorgung des Brenners.
EP87103242A 1986-03-17 1987-03-06 Verfahren und Vorrichtung zur Regeneration von Abgas-Filtersystemen Expired - Lifetime EP0238916B1 (de)

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