EP0585752A1 - Abgasreinigungseinrichtung für Diesel-Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abgasreinigungseinrichtung für Diesel-Brennkraftmaschinen Download PDF

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EP0585752A1
EP0585752A1 EP93113329A EP93113329A EP0585752A1 EP 0585752 A1 EP0585752 A1 EP 0585752A1 EP 93113329 A EP93113329 A EP 93113329A EP 93113329 A EP93113329 A EP 93113329A EP 0585752 A1 EP0585752 A1 EP 0585752A1
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burner
exhaust gas
filter
chamber
combustion chamber
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Günter Härtel
Armin Schürfeld
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Pierburg GmbH
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Pierburg GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/023—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles
    • F01N3/025—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles using fuel burner or by adding fuel to exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas cleaning device for diesel internal combustion engines, consisting of a filter device for collecting carbon particles (soot) and a burner device for burning off the particles deposited on the filter.
  • a device of this type is shown and described in US-A 4,571,938.
  • Their burner device consists of a burner nozzle which is connected to an air pump and a fuel pump.
  • the air pump delivers through an air regulating valve, which controls the delivery pressure depending on the exhaust gas pressure in the area of the exhaust pipes in front of the filter device.
  • the object of the invention is to design a generic exhaust gas purification device in such a way that air blowing independent of the exhaust gas counterpressure can take place during combustion operation, the aim being to reduce the burner output, thereby saving fuel and reducing the installation space and component expenditure.
  • Fig. 1 shows a cross section through an exhaust gas cleaning device, which is supplied via an inlet connector 1, unpurified exhaust gas from a diesel engine (not shown in the drawing).
  • the exhaust gas enters a particle filter 3 via inflow channels 2.
  • This filter is preferably made of porous (gas-permeable) material (metal or ceramic) with relatively good thermal conductivity.
  • the filter body can be produced as a monolith or can be composed of individual parts.
  • the material structure is such that a good compromise between gas permeability and filtering capacity is achieved.
  • the gas permeability is reduced due to the deposition of the particles in the narrow pores, as a result of which an increased exhaust gas back pressure builds up. It is therefore necessary to regenerate the filter.
  • Most of the particles in the diesel exhaust gas are soot, which can be burned by heating the filter to> 600 ° C and thus removed.
  • a certain reserve is provided so that the necessary regeneration of the filter 3 cannot be carried out at intervals, but for reasons of energy saving.
  • the exhaust gas passes from the inflow ducts 2 through the porous filter wall 4 partly directly into outflow ducts 5 and for the remainder initially into return ducts 6.
  • the particles are retained in the filter wall and the exhaust gas is cleaned of particles.
  • the outflow and return channels 5, 6 are separated from one another by a separating web 7. The position of the separating web 7 allows the return proportion of the amount of exhaust gas to be determined.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the particle filter 3, the section plane being placed longitudinally through the outflow channels 5 and return channels 6.
  • the exhaust gas passing through the filter wall 4 passes in the area of the outflow channels 5 directly into an outlet connection piece 8 or in the area of the return channels 6 first into the area of a hot gas chamber 9 and from there via the outflow channels 5 also to the outlet connection piece 8.
  • the return of a partial exhaust gas flow is necessary in order to avoid excessive temperature (eg> 800 ° C) on the particle filter on the hot gas chamber side when the burner is operating.
  • the arrangement of the outflow channels 5 and the return channels 6 can also be done in a different way than shown in the drawing. So it can For the purpose of better temperature distribution and / or better mixing of the gas streams, it may be advantageous to divide the return channels 6 into two sectors, in particular if the exhaust gas fraction is selected to be large via the return channels.
  • the hot gas chamber 9 is separated from a combustion chamber 11 by a baffle plate 10.
  • the geometric extension of the baffle plate 10 and openings in the baffle plate, not shown in the drawing, are to be dimensioned such that, on the one hand, the exhaust gas flow from the return channels 6 is kept away from the combustion chamber 11 and, on the other hand, sufficient permeability for the burner exhaust gas from the combustion chamber 11 into the hot gas chamber 9 is given.
  • the configuration of the baffle plate 10 is to be carried out in such a way that the burner hot gases are mixed as well as possible with the exhaust gas flow from the return channels 6, with the aim that the temperature of the mixed gas being as equal as possible when the gas mixture enters the outflow channels 5 is achieved.
  • the baffle plate 10 can be made of temperature-resistant material (metal, ceramic, 7-8) z. B. in the form of a sheet, a pipe network or a gas-permeable wire mesh.
  • FIG. 3 shows the particle filter 3 with the combustion chamber 11 attached in a longitudinal section rotated by 90 °.
  • the combustion chamber 11 is supplied with the combustion mixture from a burner mixing chamber 12 via an opening 13, which in turn is preferably supplied with combustion mixture from an air-based atomizing nozzle 14.
  • the hot gas chamber 9, combustion chamber 11 and the burner mixing chamber 12 form a heating dome, which is arranged downstream of the filter device.
  • a spark plug 15 is arranged in the area of an opening 13.
  • a flame monitor 16 monitors the burner function for safety reasons.
  • Periphery can be dispensed with here because it has nothing to do with the invention with regard to the fuel and air supply including metering, the ignition module and the control electronics.
  • the device is characterized by the following advantages: No significant impact of the exhaust gas back pressure, which varies depending on the filter load and engine speed, on the pressure conditions in the combustion chamber. Therefore, a conventional air pump with a delivery pressure of approx. 100-150 mbar can be used to supply the burner with combustion air and the burner operation can be guaranteed in all operating states. This air pump is advantageously designed as a turbomachine.
  • the burner heating energy is only transferred to a partial exhaust gas flow, namely that which passes through the return channels 6.
  • a partial exhaust gas flow namely that which passes through the return channels 6.
  • the regeneration zone runs through the entire particle filter 3, with the exhaust gas increasingly being heated in the inflow channels 2 and the heat released during the combustion of the soot particles being used to heat the rest of the filter body.
  • the proportion of the recirculated exhaust gas flow can be selected so that an exceeding of the permissible maximum temperature can be avoided.
  • the burner system By arranging the burner system in the area of the filtered exhaust gas flow (downstream of the filter wall), the risk of impermissible soot deposits at the outlet of the atomizer nozzle, on the spark plug and the flame monitor is considerably reduced.

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Abstract

Abgasreinigungseinrichtung bestehend aus einer Filtereinrichtung (4) zum Auffangen von Kohlenstoffpartikeln (Ruß) und aus einer Brennereinrichtung (11) zum Abbrennen der am Filter (4) abgelagerten Partikel, wobei die Brennereinrichtung (11) stromab der Filtereinrichtung (4) angeordnet ist. Durch die Anordnung der Brennereinrichtung (11) im Bereich des gefilterten Abgasstromes (stromab der Filterwand) ist die Gefahr unzulässiger Rußablagerungen am Austritt der Zerstäuberdüse (14), an der Zündkerze (15) und dem Flammenwächter (16) erheblich verringert. <IMAGE> <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung für Diesel-Brennkraftmaschinen, bestehend aus einer Filtereinrichtung zum Auffangen von Kohlenstoffpartikeln (Ruß) und einer Brennereinrichtung zum Abbrennen der am Filter abgelagerten Partikel.
  • Eine Einrichtung dieser Art ist in der US-A 4,571,938 dargestellt und beschrieben. Deren Brennereinrichtung besteht aus einer Brennerdüse, die an eine Luftpumpe und eine Brennstoffpumpe angeschlossen ist. Die Luftpumpe fördert durch ein Luftregulierventil, das den Förderdruck in Abhängigkeit vom Abgasdruck im Bereich der Abgasrohre vor der Filtereinrichtung steuert.
  • Es ist somit ein erheblicher Aufwand notwendig und die Luftpumpe muß für eine Förderung gegen höheren Druck ausgelegt sein.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Abgasreinigungseinrichtung derart zu gestalten, daß eine vom Abgasgegendruck unabhängige Lufteinblasung bei Brennbetrieb erfolgen kann, wobei eine reduzierte Brennerleistung angestrebt werden soll, wodurch Brennstoffeinsparung erreicht und der Bauraum- und Bauteileaufwand verringert werden kann.
  • Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst worden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • Die Zeichnung zeigt:
    • Fig. 1
    einen Querschnitt durch die Einrichtung;
    Fig. 2 und 3
    Längsschnitte aus Fig. 1.
  • Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Abgasreinigungseinrichtung, welcher über einen Einlaß-Anschlußstutzen 1 ungereinigtes Abgas eines Dieselmotors (zeichnerisch nicht dargestellt) zugeführt wird. Das Abgas tritt über Einströmkanäle 2 in einen Partikelfilter 3 ein. Dieser Filter ist vorzugsweise aus porösem (gasdurchlässigem) Material (Metall oder Keramik) mit relativ guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt.
  • Der Filterkörper kann als Monolith hergestellt oder aus Einzelteilen zusammengesetzt sein. Die Materialstruktur ist so beschaffen, daß ein guter Kompromiß zwischen Gasdurchlässigkeit und Filtervermögen erreicht wird. Mit zunehmender Beladung des Filters 3 verringert sich durch Ablagerung der Partikel in den engen Poren die Gasdurchlässigkeit, wodurch sich ein erhöhter Abgasgegendruck aufbaut. Es ist deshalb erforderlich den Filter zu regenerieren. Bei den Partikeln im Diesel-Abgas handelt es sich zum weitaus größten Teil um Ruß, der sich durch Aufheizen des Filters auf >600°C verbrennen und damit beseitigen läßt. Bei der Dimensionierung des Filters ist eine bestimmte Reserve vorgesehen, damit die notwendige Regenerierung des Filters 3 nicht kontinuierlich, sondern aus Gründen der Energie-Einsparung in Intervallen erfolgen kann.
  • Das Abgas tritt von den Einströmkanälen 2 durch die poröse Filterwand 4 teilweise direkt in Abströmkanäle 5 und zum restlichen Anteil zunächst in Rückführkanäle 6 über. Dabei werden die Partikel in der Filterwand zurückgehalten und das Abgas von Partikeln gereinigt. Die Abström- und Rückführkanäle 5, 6 sind durch einen Trennsteg 7 voneinander getrennt. Durch die Lage des Trennsteges 7 kann der Rückführungsanteil der Abgasmenge bestimmt werden.
  • Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Partikelfilter 3, wobei die Schnittebene längs durch die Abströmkanäle 5 und Rückführungskanäle 6 gelegt wurde. Das durch die Filterwand 4 tretende Abgas gelangt im Bereich der Abströmkanäle 5 direkt in einen Auslaß-Anschlußstutzen 8 oder im Bereich der Rückführkanäle 6 zunächst in den Bereich einer Heißgaskammer 9 und von dort über die Abströmkanäle 5 ebenfalls zum Auslaß-Anschlußstutzen 8. Die Rückführung eines Teilabgasstromes ist erforderlich, um bei Betrieb des Brenners eine zu hohe Temperatur (z. B. > 800° C) am Partikelfilter auf der Heißgaskammerseite zu vermeiden. Die Anordnung der Abströmkanäle 5 und der Rückführkanäle 6 kann auch in anderer Weise als zeichnerisch dargestellt erfolgen. So kann es u. U. zwecks besserer Temperaturverteilung und/oder besserer Vermischung der Gasströme vorteilhaft sein, die Rückführkanäle 6 in zwei Sektoren aufzuteilen, insbesondere dann, wenn der Abgasanteil über die Rückführkanäle groß gewählt wird.
  • Die Heißgaskammer 9 ist durch eine Prallscheibe 10 von einer Brennkammer 11 getrennt. Die geometrische Ausdehnung der Prallscheibe 10 und zeichnerisch nicht dargestellte Durchbrüche in der Prallscheibe sind so zu bemessen, daß einerseits der Abgasstrom aus den Rückführkanälen 6 von der Brennkammer 11 ferngehalten wird und andererseits aber auch eine ausreichende Durchlässigkeit für das Brennerabgas aus der Brennkammer 11 in die Heißgaskammer 9 gegeben ist. Des weiteren ist die Ausgestaltung der Prallscheibe 10 in der Weise vorzunehmen, daß eine möglichst gute Vermischung der Brenner-Heißgase mit dem Abgasstrom aus den Rückführkanälen 6 erfolgt, mit dem Ziel, daß beim Eintritt des Gasgemisches in die Abströmkanäle 5 eine möglichst gleiche Temperatur des Mischgases erreicht wird. Die Prallscheibe 10 kann aus temperaturbeständigem Material (Metall, Keramik, .....) z. B. in Form eines Bleches, eines Rohrnetzes oder eines gasdurchlässigen Drahtgeflechtes ausgeführt werden.
  • Fig. 3 zeigt den Partikelfilter 3 mit angesetzter Brennkammer 11 in einem um 90° gedrehten Längsschnitt. Der Brennkammer 11 wird das Brenngemisch aus einer Brenner-Mischkammer 12 über eine Öffnung 13 zugeführt, die ihrerseits vorzugsweise von einer luftgestützten Zerstäuberdüse 14 mit Brenngemisch versorgt wird. Die Heißgaskammer 9, Brennkammer 11 sowie die Brenner-Mischkammer 12 bilden einen Heizdom, der stromab der Filtereinrichtung angeordnet ist. Eine Zündkerze 15 wird im Bereich einer Öffnung 13 angeordnet. Ein Flammwächter 16 überwacht aus Sicherheitsgründen die Brennerfunktion. Auf die Darstellung der weiteren, für die Funktion des Brennersystems erforderlichen Peripherie, kann hier verzichtet werden, weil diese im Hinblick auf die Brennstoff- und Luftversorgung einschließlich der Zumessung, des Zündmoduls und der Steuerelektronik mit der Erfindung nichts zu tun hat.
  • Die Einrichtung zeichnet sich durch folgende Vorteile aus: Keine nennenswerte Auswirkung des je nach Filter-Beladungsgrad und Motordrehzahl veränderlichen Abgasgegendruckes auf die Druckverhältnisse in der Brennkammer. Deshalb kann eine übliche Luftpumpe mit ca. 100-150 mbar Förderdruck zur Versorgung des Brenners mit Brennluft eingesetzt werden und der Brennerbetrieb bei allen Betriebszuständen gewährleistet werden. Diese Luftpumpe ist vorteilhafterweise als Strömungsmaschine ausgeführt.
  • Die Brenner-Heizenergie wir nur auf einen Teilabgasstrom übertragen, nämlich den, der durch die Rückführkanäle 6 gelangt. Um das Abgasgemisch auf eine für die Einleitung der Regenerierung erforderliche Temperatur zu erwärmen, ist daher nur ein entsprechend geringer Energieeinsatz erforderlich. Nach Beginn der Regenerierung auf der Heißgaskammer-Seite durchläuft die Regenerierungszone den gesamten Partikelfilter 3, wobei zunehmend das Abgas bereits in den Einströmkanälen 2 erhitzt und die bei der Verbrennung der Rußpartikel freiwerdende Wärme zur Aufheizung des restlichen Filterkörpers genutzt wird. Andererseits kann der Anteil des rückgeführten Abgasstromes so gewählt werden, daß eine Überschreitung der zulässigen Höchsttemperatur vermieden werden kann.
  • Durch die Anordnung des Brennersystems im Bereich des gefilterten Abgasstromes (stromab der Filterwand) ist die Gefahr unzulässiger Rußablagerungen am Austritt der Zerstäuberdüse, an der Zündkerze und dem Flammenwächter erheblich verringert.
  • Aus den vorgenannten Vorteilen resultiert eine wesentlich erhöhte Betriebssicherheit.

Claims (6)

  1. Abgasreinigungseinrichtung für Diesel-Brennkraftmaschinen, bestehend aus einer Filtereinrichtung zum Auffangen von Kohlenstoffpartikeln (Ruß) und aus einer Brennereinrichtung zum Abbrennen der am Filter abgelagerten Partikel, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennereinrichtung stromab der Filtereinrichtung angeordnet ist.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennereinrichtung in einem vom Abgas nicht durchströmten Heizdom angeordnet ist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdom eine Brenner-Mischkammer (12), eine Brennkammer (11) und eine Heißgaskammer (9) aufweist, wobei die Mischkammer (12) über eine Öffnung (13) mit der Brennkammer (11) verbunden ist und die Brennkammer (11) und die Heißgaskammer (9) gegeneinander durch eine Prallscheibe (10) abgegrenzt sind
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung Rückführkanäle (6) aufweist, über die eine Teilmenge der gereinigten Abgase in die Heißgaskammer (9) geleitet wird.
  5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheibe (10) als Blech-, Rohrnetz- oder Drahtgeflechtkonstruktion ausgeführt ist, womit eine gute Vermischung der Brenner-Heißgase mit der rückgeführten Abgas-Teilmenge erfolgt.
  6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Anspürche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennereinheit eine Luftpumpe aufweist, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist.
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