EP2146063A2 - Regenerationsvorrichtung - Google Patents

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EP2146063A2
EP2146063A2 EP09008216A EP09008216A EP2146063A2 EP 2146063 A2 EP2146063 A2 EP 2146063A2 EP 09008216 A EP09008216 A EP 09008216A EP 09008216 A EP09008216 A EP 09008216A EP 2146063 A2 EP2146063 A2 EP 2146063A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst
regeneration
burner
temperature
particulate filter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09008216A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Muschik
Hayri Winter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Original Assignee
Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Friedrich Boysen GmbH and Co KG filed Critical Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Publication of EP2146063A2 publication Critical patent/EP2146063A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • 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
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    • F01N3/0253—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 adding fuel to exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
    • F01N3/033—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 in combination with other devices
    • F01N3/035—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 in combination with other devices with catalytic reactors, e.g. catalysed diesel particulate filters

Definitions

  • the present invention relates to a regeneration device for a particulate filter of an exhaust system, comprising an exhaust passage for discharging a hot exhaust gas stream from an internal combustion engine, in particular a diesel engine, and a catalyst, in particular an oxidation catalyst, which is integrated upstream of the particulate filter in the exhaust passage, the Exhaust system or the internal combustion engine comprises an injection device which is in communication with a fuel reservoir and is able to enter in particular hydrocarbonaceous fuel in the exhaust gas stream.
  • Combustion engines emit an exhaust gas stream into the atmosphere containing various types of pollutants.
  • various devices have been developed for exhaust aftertreatment.
  • catalysts are used for converting harmful gaseous substances into harmless components and particulate filters for collecting unwanted solid particles.
  • the exhaust gas line of a diesel engine may be provided, for example, with a diesel oxidation catalyst and a particle filter arranged downstream thereof. Soot particles that are in the exhaust gas flow are collected by the particle filter and stored in this. From a certain amount of accumulated soot must be removed from the particulate filter, so that the exhaust emission is not unduly hindered. This process is called regeneration.
  • a common method for the regeneration of a particulate filter is to heat the particulate filter to a certain temperature, so as to burn the soot stored. This can be done in principle by any Heater done. However, such a heater must have a relatively high power to heat the particulate filter to the ignition temperature of the soot, which has an increased demand for energy and installation space.
  • HC-Dosing secondary fuel injection
  • the regeneration device additionally comprises a burner capable of heating the catalyst to a reaction temperature at which an exothermic reaction of the injected fuel takes place, and at least one switching device capable of depending on an operating state of the exhaust system and / or the internal combustion engine optionally to activate and deactivate the burner and / or the injection device.
  • the catalyst can be heated at any time to the light-off temperature and the regeneration can be carried out regardless of the operating state of the internal combustion engine.
  • the burner can be designed much smaller and more energy-efficient than a burner for direct heating of the particulate filter, since according to the invention, the burner only has to be able to heat the catalyst to the reaction temperature. Since this is usually much lower than the burning temperature for stored soot particles, there are significant savings.
  • the switching device can select and activate the respectively suitable device or both and thus optimize the operation of the regeneration device as a whole.
  • the invention further relates to a method for regenerating a particulate filter of an exhaust system, comprising an exhaust passage for discharging a hot exhaust stream from an internal combustion engine, in particular a diesel engine, and a catalyst, in particular an oxidation catalyst, which is integrated upstream of the particulate filter in the exhaust passage, wherein the exhaust system or the internal combustion engine comprises an injection device which communicates with a fuel reservoir and in the Able to enter in particular hydrocarbon-containing fuel in the exhaust stream.
  • the method of the invention additionally comprises the steps of providing a combustor capable of heating the catalyst to a reaction temperature at which an exothermic reaction of the fuel occurs, determining an operating condition of the exhaust system and / or the internal combustion engine, and activating , in dependence on the determined operating state of the burner and / or the injection device in the case of regeneration of the particulate filter.
  • the switching device is designed to activate the burner and, if necessary, the injection device when the temperature of the catalyst is below the reaction temperature and regeneration of the particulate filter is to be carried out.
  • the switching device can activate the burner and thus ensure an efficient and rapid heating of the catalyst to the temperature necessary for a secondary fuel injection.
  • the injection device is activated, unless the exhaust gas stream already contains enough unused fuel.
  • the switching means is adapted to activate only the injection device when the temperature of the catalyst is above the reaction temperature and regeneration of the particulate filter is to be performed. In this way, superfluous operation of the burner is avoided and the regeneration of the particulate filter can be effectively done via the secondary fuel injection whenever possible.
  • the switching device can also be designed to deactivate the burner again when the temperature of the catalyst has risen above the reaction temperature. It is therefore switched directly to the more effective heating principle as soon as the catalyst has reached the required temperature. Depending on the application, it may be desirable to operate the burner simultaneously with the injector even after reaching the reaction temperature for a certain period of time or until reaching a certain threshold temperature.
  • the regeneration device may be formed as a modular unit, wherein the injection device is integrated in the modular unit. This makes it possible to install the regeneration device in the exhaust gas line of various internal combustion engines and brings advantages in terms of production and maintenance.
  • the burner and the injection device can be realized by a common component that can be easily integrated into a plurality of different exhaust systems.
  • a temperature of the catalyst can be determined for determining the operating state of the exhaust system, for example by a temperature sensor attached thereto.
  • an operating parameter of the internal combustion engine can be determined, for example, its temperature or speed.
  • the burner is activated when the temperature of the catalyst is below the reaction temperature and regeneration of the particulate filter is to be performed.
  • the temperature of the catalyst is above the reaction temperature and regeneration is to be performed, it is preferable to activate only the injector.
  • the burner can be deactivated again when the temperature of the catalyst has risen above the reaction temperature.
  • the exhaust passage 13 shown in the figure receives at an upstream end of the hot exhaust gas flow from an internal combustion engine (not shown) and passes this up to a tailpipe (not shown), through which the exhaust gases are discharged into the atmosphere. Before it escapes into the atmosphere, the exhaust gas flow, represented by an arrow, passes through a catalytic converter 15 and a particle filter 11 for limiting emissions.
  • the catalyst 15 may be a common oxidation catalyst, such as a diesel oxidation catalyst.
  • the particle filter 11 is a soot particle filter which filters out soot particles contained in the exhaust gas stream from the exhaust gas stream and stores it in its interior. Upstream of the catalyst 15, a regeneration device is arranged, which is designed here as a modular device or regeneration module 23.
  • the regeneration module 23 includes both an injector 17 and a burner 19, both of which communicate with the exhaust passage 13.
  • the injector 17 is also in communication with a fuel reservoir (not shown).
  • the connection between the regeneration module 23 and the exhaust duct 13 is such that on the one hand the injection device 17 opens into the exhaust passage 13 and on the other hand, the burner 19 has a sufficient thermal connection to the catalyst 15.
  • the regeneration module 23 can assume four different operating states. According to a first operating state, both the injection device 17 and the burner 19 is deactivated, ie there is neither fuel injection into the exhaust gas flow nor heating of the exhaust gas flow through the burner 19. According to a second operating state, the injection device 17 is deactivated and the burner 19 is activated That is, there is a heating of the exhaust gas flow through the burner 19, but no injection of fuel. According to a third operating state, the injector 17 is activated and the burner 19 is deactivated, ie the injector 17 injects fuel into the exhaust gas stream, but it does not heat up the exhaust gas stream The burner 19. According to a fourth operating state, both the injection device 17 and the burner 19 are activated, ie there is simultaneously an injection of fuel into the exhaust gas flow and a heating of the exhaust gas flow through the burner 19th
  • the switching device 21 may be a simple electrical circuit arrangement which uses, for example, a bimetallic strip for temperature determination. Alternatively, the switching device 21 may also comprise a complex integrated circuit. In the illustrated embodiment, the switching device 21 is formed as a separate control unit, which is remote from the regeneration module 23 and is connected via an electrical line with this. Alternatively, however, the switching device 21 can also be designed as an additional component which is positioned directly on or in the regeneration module 23. According to another embodiment, the switching device 21 may also be integrated in a control unit of the internal combustion engine.
  • the switching device 21 receives various input signals and controls the operation of the regeneration module 23 based thereon.
  • the switching device 21 receives a catalyst temperature signal 25 and a particulate filter loading signal 27.
  • various other input signals are conceivable by means of which it is decidable whether regeneration of the particulate filter 11 is performed should, whether the temperature of the catalyst 15 is above the light-off temperature and whether a fuel injection is required.
  • the switching device 21 checks, based on the catalyst temperature signal 25, whether the temperature of the catalyst 15 is below the reaction temperature at which an exothermic reaction of the injected fuel occurs. If so, the burner 19 is activated to warm the exhaust passage 13 and the catalyst 15. If necessary, the switching device 21 activates the injector 17, if necessary, to input unburned liquid hydrocarbons into the exhaust gas stream. If necessary, the switching device 21 activates the injector 17, if necessary. These react exothermally in the catalyst 15, releasing heat and increasing the catalyst temperature. The heating of the catalyst 15 through the burner 19 and the injection of fuel through the injector 17 run in parallel after reaching the reaction temperature until reaching a defined threshold temperature.
  • the burner 19 is deactivated by the switching device 21 again. Due to the exothermic reaction of the injected fuel, the catalyst 15 and the particulate filter 11 arranged in the immediate vicinity are heated to a temperature which is sufficient to achieve combustion of the soot particles in the particulate filter 11 and consequently regeneration of the particulate filter 11.
  • the regeneration device is formed as a modular unit which equally includes an injector 17 and a burner 19.
  • injection device 17 and burner 19 can be realized in a single, common component.
  • the injection device 17 and the burner 19 as form separate, separate devices and arrange them separately.
  • the injection device 17 may be realized by a fuel injection device provided for operating the internal combustion engine.
  • fuel is introduced with a time delay during the expansion stroke in the combustion chamber and thus at least partially unburned enters the exhaust stream. The injection of fuel takes place here inside the engine, which is why the provision of a separate injection device 17 is omitted.
  • the regeneration module 23 it is possible to perform a regeneration of the particulate filter 11 at arbitrary times and during any operating conditions of the exhaust system or the internal combustion engine, ie, for example, also immediately after the start of the internal combustion engine.
  • no expensive and space consuming heater is required for directly heating the particulate filter 11 to the soot burning temperature.
  • an increased fuel consumption is avoided because a fuel injection takes place only if it is also effective, so if the temperature of the catalyst 15 has risen above the light-off temperature.
  • the regeneration concept according to the invention is applicable to many different types of internal combustion engines in the industrial plant and motor vehicle sector.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regenerationsvorrichtung für einen Partikelfilter (11) eines Abgassystems, das einen Abgaskanal und einen Katalysator (15) umfasst, der stromaufwärts des Partikelfilters in den Abgaskanal integriert ist. Das Abgassystem oder der Verbrennungsmotor umfassen eine Einspritzvorrichtung (17), die mit einem Kraftstoffreservoir in Verbindung steht und in der Lage ist, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff in den Abgasstrom einzugeben. Die Regenerationsvorrichtung umfasst einen Brenner (19) und wenigstens eine Schalteinrichtung (21). Der Brenner ist in der Lage, den Katalysator auf eine Reaktionstemperatur, bei welcher eine exotherme Reaktion des Kraftstoffs erfolgt, aufzuheizen. Die Schalteinrichtung ist in der Lage, in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Abgassystems und/oder des Verbrennungsmotors wahlweise den Brenner und/oder die Einspritzvorrichtung zu aktivieren und zu deaktivieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regenerationsvorrichtung für einen Partikelfilter eines Abgassystems, das einen Abgaskanal zum Abführen eines heißen Abgasstroms von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, und einen Katalysator, insbesondere einen Oxidationskatalysator, umfasst, der stromaufwärts des Partikelfilters in den Abgaskanal integriert ist, wobei das Abgassystem oder der Verbrennungsmotor eine Einspritzvorrichtung umfasst, die mit einem Kraftstoffreservoir in Verbindung steht und in der Lage ist, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff in den Abgasstrom einzugeben.
  • Verbrennungsmotoren stoßen einen Abgasstrom in die Atmosphäre aus, der verschiedene Arten von Schadstoffen enthält. Zur Verringerung des Schadstoffausstoßes sind diverse Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung entwickelt worden. Beispielsweise werden Katalysatoren zum Umwandeln von schädlichen gasförmigen Stoffen in harmlose Komponenten sowie Partikelfilter zum Auffangen unerwünschter Feststoffpartikel eingesetzt. Der Abgasstrang eines Dieselmotors kann z.B. mit einem Dieseloxidationskatalysator und einem stromabwärts davon angeordneten Partikelfilter versehen sein. Rußpartikel, die sich in dem Abgasstrom befinden, werden von dem Partikelfilter aufgefangen und in diesem eingelagert. Ab einer bestimmten Menge muss der angesammelte Ruß aus dem Partikelfilter entfernt werden, damit der Abgasausstoß nicht unzulässig stark behindert wird. Dieser Vorgang wird Regeneration genannt. Ein gängiges Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters besteht darin, den Partikelfilter auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen, um so den eingelagerten Ruß zu verbrennen. Dies kann im Prinzip durch eine beliebige Heizvorrichtung erfolgen. Allerdings muss eine derartige Heizvorrichtung eine relativ hohe Leistung aufweisen, um den Partikelfilter auf die Zündtemperatur des Rußes aufzuheizen, was einen erhöhten Bedarf an Energie und Einbauraum zur Folge hat.
  • Es sind daher andere Verfahren entwickelt worden, die auf dem Prinzip der Kraftstoffsekundäreindüsung (HC-Dosing) beruhen. Dabei macht man sich die Erkenntnis zunutze, dass Kraftstoff, insbesondere in Form von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, eine Reaktion im Katalysator herbeiführen und diesen dadurch erwärmen kann. Ab einer bestimmten Temperatur, die allgemein als Light-Off-Temperatur bezeichnet wird, erfolgt eine exotherme Reaktion des Kraftstoffs, d.h. die Reaktion läuft nach dem Zünden unter fortgesetzter Wärmefreisetzung selbständig weiter. Durch die exotherme Reaktion kann sich der Katalysator ausreichend erwärmen, um den stromabwärts angeordneten Partikelfilter auf die notwendige Temperatur zum Abbrennen des eingelagerten Rußes aufzuheizen. In diesem Fall ist keine separate Heizvorrichtung erforderlich. Das Eindüsen von Kraftstoff in den Abgasstrom erfolgt üblicherweise mit einer Einspritzvorrichtung, die in unmittelbarer Nähe des Katalysators angeordnet ist. Alternativ kann das Eindüsen des Kraftstoffs in den Abgasstrom auch innermotorisch erfolgen, beispielsweise durch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum.
  • Allerdings erfolgt bei Katalysatortemperaturen unterhalb der Light-Off-Temperatur keine exotherme Reaktion, weshalb eine Partikelfilterregeneration durch Kraftstoffeindüsung nur bei bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors möglich ist. Überdies besteht das Problem eines erhöhten Kraftstoffverbrauchs.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Regeneration von Partikelfiltern flexibler, zuverlässiger und kraftstoffsparender zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Regenerationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Regenerationsvorrichtung zusätzlich einen Brenner, der in der Lage ist, den Katalysator auf eine Reaktionstemperatur, bei welcher eine exotherme Reaktion des eingespritzten Kraftstoffs erfolgt, aufzuheizen, und wenigstens eine Schalteinrichtung, die in der Lage ist, in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Abgassystems und/oder des Verbrennungsmotors wahlweise den Brenner und/oder die Einspritzvorrichtung zu aktivieren und zu deaktivieren.
  • Mit Hilfe des Brenners kann der Katalysator jederzeit auf die Light-Off-Temperatur aufgeheizt werden und die Regeneration kann unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors durchgeführt werden. Dabei kann der Brenner wesentlich kleiner und energiesparender ausgelegt werden als ein Brenner zum direkten Heizen des Partikelfilters, da gemäß der Erfindung der Brenner lediglich in der Lage sein muss, den Katalysator auf die Reaktionstemperatur aufzuheizen. Da diese üblicherweise wesentlich geringer ist als die Abbrenntemperatur für eingelagerte Rußpartikel, ergeben sich bedeutende Einsparpotentiale. Die Schalteinrichtung kann je nach Betriebszustand des Abgassystems und/oder des Verbrennungsmotors die jeweils passende Vorrichtung oder beide auswählen und aktivieren und somit den Betrieb der Regenerationsvorrichtung insgesamt optimieren.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters eines Abgassystems, das einen Abgaskanal zum Abführen eines heißen Abgasstroms von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, und einen Katalysator, insbesondere einen Oxidationskatalysator, umfasst, der stromaufwärts des Partikelfilters in den Abgaskanal integriert ist, wobei das Abgassystem oder der Verbrennungsmotor eine Einspritzvorrichtung umfasst, die mit einem Kraftstoffreservoir in Verbindung steht und in der Lage ist, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff in den Abgasstrom einzugeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zusätzlich die Schritte des Bereitstellens eines Brenners, der in der Lage ist, den Katalysator auf eine Reaktionstemperatur, bei welcher eine exotherme Reaktion des Kraftstoffs erfolgt, aufzuheizen, des Ermittelns eines Betriebszustands des Abgassystems und/oder des Verbrennungsmotors, und des Aktivierens, in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand, des Brenners und/oder der Einspritzvorrichtung im Falle einer Regeneration des Partikelfilters.
  • Mögliche Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Zeichnung sowie der Beschreibung angegeben.
  • Bevorzugt ist die Schalteinrichtung dazu ausgebildet, den Brenner und erforderlichenfalls die Einspritzvorrichtung zu aktivieren, wenn die Temperatur des Katalysators unter der Reaktionstemperatur liegt und eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden soll. Wenn also beispielsweise die Beladung des Partikelfilters mit eingelagerten Rußpartikeln ein Ausmaß erreicht hat, das eine Regeneration erfordert, aber andererseits die Temperatur des Katalysators zu gering für eine exotherme Reaktion ist, da beispielsweise der Verbrennungsmotor eben erst gestartet wurde, kann die Schalteinrichtung den Brenner aktivieren und somit für eine effiziente und schnelle Erwärmung des Katalysators auf die für eine Kraftstoffsekundäreindüsung notwendige Temperatur sorgen. Zusätzlich wird die Einspritzvorrichtung aktiviert, es sei denn, im Abgasstrom ist bereits genügend unverbrauchter Kraftstoff enthalten.
  • Vorzugsweise ist die Schalteinrichtung dazu ausgebildet, nur die Einspritzvorrichtung zu aktivieren, wenn die Temperatur des Katalysators über der Reaktionstemperatur liegt und eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden soll. Auf diese Weise wird ein überflüssiger Betrieb des Brenners vermieden und die Regeneration des Partikelfilters kann auf effektive Weise über die Kraftstoffsekundäreindüsung erfolgen, wann immer es möglich ist.
  • Die Schalteinrichtung kann auch dazu ausgebildet sein, den Brenner wieder zu deaktivieren, wenn die Temperatur des Katalysators über die Reaktionstemperatur angestiegen ist. Es wird also unmittelbar auf das wirksamere Heizprinzip umgeschaltet, sobald der Katalysator die erforderliche Temperatur erreicht hat. Je nach Anwendung kann es wünschenswert sein, den Brenner auch nach Erreichen der Reaktionstemperatur für einen gewissen Zeitraum oder bis zum Erreichen einer bestimmten Schwellentemperatur gleichzeitig mit der Einspritzvorrichtung zu betreiben.
  • Die Regenerationsvorrichtung kann als modulare Einheit ausgebildet sein, wobei die Einspritzvorrichtung in die modulare Einheit integriert ist. Dies ermöglicht einen Einbau der Regenerationsvorrichtung in den Abgasstrang verschiedenartiger Verbrennungsmotoren und bringt Vorteile hinsichtlich der Fertigung und der Wartung.
  • Insbesondere können der Brenner und die Einspritzvorrichtung durch ein gemeinsames Bauelement realisiert sein, das leicht in eine Vielzahl verschiedener Abgassysteme integrierbar ist.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch ein Abgassystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Regenerationsverfahren kann zum Ermitteln des Betriebszustands des Abgassystems eine Temperatur des Katalysators ermittelt werden, beispielsweise durch einen an diesem angebrachten Temperatursensor. Alternativ kann auch ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors ermittelt werden, beispielsweise dessen Temperatur oder Drehzahl.
  • Vorzugsweise wird der Brenner aktiviert, wenn die Temperatur des Katalysators unter der Reaktionstemperatur liegt und eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden soll. Wenn die Temperatur des Katalysators hingegen über der Reaktionstemperatur liegt und eine Regeneration durchgeführt werden soll, wird vorzugsweise nur die Einspritzvorrichtung aktiviert. Der Brenner kann wieder deaktiviert werden, wenn die Temperatur des Katalysators über die Reaktionstemperatur angestiegen ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
    • Fig. 1
    zeigt schematisch einen Teil eines Abgassystems, das einen Partikelfilter und einen Oxidationskatalysator sowie eine erfindungsgemäße Regenerationsvorrich- tung umfasst.
  • Der in der Figur dargestellte Abgaskanal 13 empfängt an einem stromaufwärts gelegenen Ende den heißen Abgasstrom von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) und leitet diesen bis zu einem Auspuffendrohr (nicht dargestellt) weiter, durch das die Abgase in die Atmosphäre abgelassen werden. Vor dem Entweichen in die Atmosphäre tritt der Abgasstrom, durch einen Pfeil dargestellt, zur Schadstoffbegrenzung durch einen Katalysator 15 und einen Partikelfilter 11 hindurch. Bei dem Katalysator 15 kann es sich um einen gängigen Oxidationskatalysator, wie beispielsweise einen Dieseloxidationskatalysator, handeln. Bei dem Partikelfilter 11 handelt es sich um einen Rußpartikelfilter, welcher in dem Abgasstrom enthaltene Rußpartikel aus dem Abgasstrom herausfiltert und in seinem Inneren speichert. Stromaufwärts des Katalysators 15 ist eine Regenerationsvorrichtung angeordnet, die hier als modulare Einrichtung oder Regenerationsmodul 23 ausgebildet ist. Das Regenerationsmodul 23 umfasst sowohl eine Einspritzvorrichtung 17 als auch einen Brenner 19, die beide mit dem Abgaskanal 13 in Verbindung stehen. Die Einspritzvorrichtung 17 steht ferner in Verbindung mit einem Kraftstoffreservoir (nicht gezeigt). Die Verbindung zwischen dem Regenerationsmodul 23 und dem Abgaskanal 13 ist derart, dass einerseits die Einspritzvorrichtung 17 in den Abgaskanal 13 mündet und andererseits der Brenner 19 eine ausreichende thermische Verbindung zu dem Katalysator 15 aufweist.
  • Das Regenerationsmodul 23 kann vier verschiedene Betriebszustände einnehmen. Gemäß einem ersten Betriebszustand ist sowohl die Einspritzvorrichtung 17 als auch der Brenner 19 deaktiviert, d.h. es erfolgt weder eine Kraftstoffeindüsung in den Abgasstrom noch eine Erwärmung des Abgasstroms durch den Brenner 19. Gemäß einem zweiten Betriebszustand ist die Einspritzvorrichtung 17 deaktiviert und der Brenner 19 ist aktiviert, d.h. es erfolgt eine Erwärmung des Abgasstroms durch den Brenner 19, aber keine Eindüsung von Kraftstoff. Gemäß einem dritten Betriebszustand ist die Einspritzvorrichtung 17 aktiviert und der Brenner 19 ist deaktiviert, d.h. die Einspritzvorrichtung 17 gibt Kraftstoff in den Abgasstrom ein, aber es erfogt keine Erwärmung des Abgasstroms durch den Brenner 19. Gemäß einem vierten Betriebszustand sind sowohl die Einspritzvorrichtung 17 als auch der Brenner 19 aktiviert, d.h. es erfolgt gleichzeitig eine Eindüsung von Kraftstoff in den Abgasstrom und ein Erwärmen des Abgasstroms durch den Brenner 19.
  • Die Steuerung der einzelnen Betriebszustände des Regenerationsmoduls 23 erfolgt mittels einer Schaltvorrichtung 21, an die das Regenerationsmodul 23 angeschlossen ist. Bei der Schalteinrichtung 21 kann es sich um eine einfache elektrische Schaltungsanordnung handeln, die beispielsweise einen Bimetallstreifen zur Temperaturermittlung verwendet. Alternativ kann die Schalteinrichtung 21 auch eine komplexe integrierte Schaltung umfassen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Schalteinrichtung 21 als separates Steuergerät ausgebildet, das von dem Regenerationsmodul 23 entfernt angeordnet ist und über eine elektrische Leitung mit diesem verbunden ist. Alternativ kann die Schalteinrichtung 21 aber auch als Zusatzkomponente ausgebildet sein, die direkt an oder in dem Regenerationsmodul 23 positioniert ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Schalteinrichtung 21 auch in ein Steuergerät des Verbrennungsmotors eingebunden sein.
  • Die Schalteinrichtung 21 empfängt verschiedene Eingabesignale und steuert darauf beruhend den Betrieb des Regenerationsmoduls 23. Insbesondere empfängt die Schalteinrichtung 21 ein Katalysatortemperatursignal 25 und ein Partikelfilterbeladungssignal 27. Es sind jedoch vielfältige andere Eingangssignale denkbar, mittels derer entscheidbar ist, ob eine Regeneration des Partikelfilters 11 durchgeführt werden soll, ob die Temperatur des Katalysators 15 über der Light-Off-Temperatur liegt und ob eine Kraftstoffeinspritzung erforderlich ist.
  • Wenn das Partikelfilterbeladungssignal 27 anzeigt, dass eine Regeneration des Partikelfilters 11 durchgeführt werden soll, prüft die Schalteinrichtung 21 anhand des Katalysatortemperatursignals 25, ob die Temperatur des Katalysators 15 unter der Reaktionstemperatur liegt, bei welcher eine exotherme Reaktion des eingedüsten Kraftstoffs erfolgt. Wenn dies der Fall ist, wird der Brenner 19 aktiviert, um den Abgaskanal 13 sowie den Katalysator 15 anzuwärmen. Die Schalteinrichtung 21 erforderlichenfalls überprüft dann fortlaufend die Katalysatortemperatur anhand des Katalysatortemperatursignals 25. Sobald die Katalysatortemperatur über die Reaktionstemperatur angestiegen ist, aktiviert die Schalteinrichtung 21 erforderlichenfalls die Einspritzvorrichtung 17, um dadurch unverbrannte flüssige Kohlenwasserstoffe in den Abgasstrom einzugeben. Diese reagieren im Katalysator 15 exotherm, wodurch Wärme freigesetzt wird und die Katalysatortemperatur ansteigt. Das Erwärmen des Katalysators 15 durch den Brenner 19 sowie das Einspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzvorrichtung 17 laufen nach Erreichen der Reaktionstemperatur bis zum Erreichen einer definierten Schwellentemperatur parallel ab. Nach Erreichen der Schwellentemperatur wird der Brenner 19 durch die Schalteinrichtung 21 wieder deaktiviert. Durch die exotherme Reaktion des eingedüsten Kraftstoffs erhitzt sich der Katalysator 15 sowie der in unmittelbarer Nähe angeordnete Partikelfilter 11 bis auf eine Temperatur, die ausreichend ist, um eine Verbrennung der Rußpartikel in dem Partikelfilter 11 und folglich eine Regeneration des Partikelfilters 11 zu erzielen.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Regenerationsvorrichtung als modulare Einheit ausgebildet, welche gleichermaßen eine Einspritzvorrichtung 17 und einen Brenner 19 umfasst. Alternativ können auch Einspritzvorrichtung 17 und Brenner 19 in einem einzelnen, gemeinsamen Bauelement realisiert sein. Je nach Anwendung kann es aber auch zweckmäßig sein, die Einspritzvorrichtung 17 und den Brenner 19 als eigenständige, separate Vorrichtungen auszubilden und getrennt voneinander anzuordnen. Beispielsweise kann die Einspritzvorrichtung 17 durch eine zum Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehene Kraftstoffeinspritzvorrichtung realisiert sein. Bei dieser Variante wird Kraftstoff mit zeitlicher Verzögerung während des Expansionstaktes in die Brennkammer eingeführt und gelangt somit zumindest teilweise unverbrannt in den Abgasstrom. Die Kraftstoffeindüsung erfolgt hier also innermotorisch, weshalb das Bereitstellen einer separaten Einspritzvorrichtung 17 entfällt.
  • Durch das vorstehend beschriebene Regenerationsmodul 23 ist es möglich, eine Regeneration des Partikelfilters 11 zu beliebigen Zeiten und während beliebiger Betriebszustände des Abgassystems bzw. des Verbrennungsmotors durchzuführen, also z.B. auch unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors. Dennoch ist keine kostspielige und platzraubende Heizvorrichtung zum direkten Erwärmen des Partikelfilters 11 auf die Rußabbrandtemperatur erforderlich. Darüber hinaus wird ein erhöhter Kraftstoffverbrauch vermieden, da eine Kraftstoffeindüsung lediglich dann erfolgt, wenn sie auch zielführend ist, wenn also die Temperatur des Katalysators 15 über die Light-Off-Temperatur angestiegen ist. Das erfindungsgemäße Regenerationskonzept ist auf viele verschiedene Arten von Verbrennungsmotoren im Industrieanlagen- und Kraftfahrzeugbereich anwendbar.
    • Bezugszeichenliste
    • 11
    Partikelfilter
    13
    Abgaskanal
    15
    Katalysator
    17
    Einspritzvorrichtung
    19
    Brenner
    21
    Schaltvorrichtung
    23
    Regenerationsmodul
    25
    Katalysatortemperatursignal
    27
    Partikelfilterbeladungssignal

Claims (13)

  1. Regenerationsvorrichtung für einen Partikelfilter (11) eines Abgassystems, das einen Abgaskanal (13) zum Abführen eines heißen Abgasstroms von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, und einen Katalysator (15), insbesondere einen Oxidationskatalysator, umfasst, der stromaufwärts des Partikelfilters (11) in den Abgaskanal (13) integriert ist, wobei das Abgassystem oder der Verbrennungsmotor eine Einspritzvorrichtung (17) umfasst, die mit einem Kraftstoffreservoir in Verbindung steht und in der Lage ist, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff in den Abgasstrom einzugeben;
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Regenerationsvorrichtung umfasst:
    einen Brenner (19), der in der Lage ist, den Katalysator (15) auf eine Reaktionstemperatur, bei welcher eine exotherme Reaktion des Kraftstoffs erfolgt, aufzuheizen;
    und
    wenigstens eine Schalteinrichtung (21), die in der Lage ist, in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Abgassystems und/oder des Verbrennungsmotors wahlweise den Brenner (19) und/oder die Einspritzvorrichtung (17) zu aktivieren und zu deaktivieren.
  2. Regenerationsvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schalteinrichtung (21) dazu ausgebildet ist, den Brenner (19) und erforderlichenfalls die Einspritzvorrichtung (17) zu aktivieren, wenn die Temperatur des Katalysators (15) unter der Reaktionstemperatur liegt und eine Regeneration des Partikelfilters (11) durchgeführt werden soll.
  3. Regenerationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schalteinrichtung (21) dazu ausgebildet ist, nur die Einspritzvorrichtung (17) zu aktivieren, wenn die Temperatur des Katalysators (15) über der Reaktionstemperatur liegt und eine Regeneration des Partikelfilters (11) durchgeführt werden soll.
  4. Regenerationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schalteinrichtung (21) dazu ausgebildet ist, den Brenner (19) wieder zu deaktivieren, wenn die Temperatur des Katalysators (15) über die Reaktionstemperatur angestiegen ist.
  5. Regenerationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sie als modulare Einheit (23) ausgebildet ist.
  6. Regenerationsvorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einspritzvorrichtung (17) in die modulare Einheit (23) integriert ist.
  7. Regenerationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Brenner (19) und die Einspritzvorrichtung (17) durch ein gemeinsames Bauelement realisiert sind.
  8. Abgassystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, das umfasst:
    einen Abgaskanal (13) zum Abführen eines heißen Abgasstroms von dem Verbrennungsmotor;
    einen Partikelfilter (11); und
    einen Katalysator (15), insbesondere einen Oxidationskatalysator, der stromaufwärts des Partikelfilters (11) in den Abgaskanal (13) integriert ist;
    wobei das Abgassystem oder der Verbrennungsmotor eine Einspritzvorrichtung (17) umfasst, die mit einem Kraftstoffreservoir in Verbindung steht und in der Lage ist, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff in den Abgasstrom einzugeben;
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Abgassystem ferner eine Regenerationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  9. Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters (11) eines Abgassystems, das einen Abgaskanal (13) zum Abführen eines heißen Abgasstroms von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, und einen Katalysator (15), insbesondere einen Oxidationskatalysator, umfasst, der stromaufwärts des Partikelfilters (11) in den Abgaskanal (13) integriert ist, wobei das Abgassystem oder der Verbrennungsmotor eine Einspritzvorrichtung (17) umfasst, die mit einem Kraftstoffreservoir in Verbindung steht und in der Lage ist, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff in den Abgasstrom einzugeben,
    gekennzeichnet, durch die folgenden Schritte:
    Bereitstellen eines Brenners (19), der in der Lage ist, den Katalysator (15) auf eine Reaktionstemperatur, bei welcher eine exotherme Reaktion des Kraftstoffs erfolgt, aufzuheizen;
    Ermitteln eines Betriebszustands des Abgassystems und/oder des Verbrennungsmotors; und
    Aktivieren, in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand, des Brenners (19) und/oder der Einspritzvorrichtung (17) im Falle einer Regeneration des Partikelfilters (11).
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zum Ermitteln des Betriebszustands des Abgassystems eine Temperatur des Katalysators (15) ermittelt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Brenner (19) und erforderlichenfalls die Einspritzvorrichtung (17) aktiviert wird, wenn die Temperatur des Katalysators (15) unter der Reaktionstemperatur liegt und eine Regeneration des Partikelfilters (11) durchgeführt werden soll.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    nur die Einspritzvorrichtung (17) aktiviert wird, wenn die Temperatur des Katalysators (15) über der Reaktionstemperatur liegt und eine Regeneration durchgeführt werden soll.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Brenner (19) wieder deaktiviert wird, wenn die Temperatur des Katalysators (15) über die Reaktionstemperatur angestiegen ist.
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