SE439949B

SE439949B - PARTICLE FILTER, FOR CLEANING ENGINE EXHAUST GAS, COMPLETED WITH CATALYSTS

Info

Publication number: SE439949B
Application number: SE8400084A
Authority: SE
Inventors: A Hergart
Original assignee: Unikat Ab
Priority date: 1984-01-10
Filing date: 1984-01-10
Publication date: 1985-07-08
Also published as: EP0151558A1; SE8400084D0

Description

io l5 20 30 35 8400084-3 I de fall, då avgaserna från förbränningsmotorn inte har tillräcklig temperatur för att kunna åstadkomma filtrets rege- nerering på grund av motorns arbetsbetingelser, har det före- slagits att höja avgasernas temperatur genom tillförsel av energi utifrån. Sålunda beskrives i den svenska patentansök- ningen 8008527-7 en anordning för regenerering av ett avgas- 2 filter, vid vilken vätske- eller gasformigt bränsle förbrännes intermittent på katalytisk.väg i avgasflödet från förbrännings- Zmotorn. En sådan anordning kräver ett omfattande reglersystem_ för att fungera tillfredsställande och för att uppfylla de speciella säkerhetskrav, som kan gälla för fordonet, maskinen eller anläggningen som helhet, vari förbränningsmotorn.användes. io l5 20 30 35 8400084-3 In cases where the exhaust gases from the internal combustion engine do not have sufficient temperature to be able to achieve the filter due to the operating conditions of the engine, it has succeeded in raising the temperature of the exhaust gases by supplying energy from outside. Thus, the Swedish patent application 8008527-7 a device for regenerating an exhaust gas 2 filter, in which liquid or gaseous fuel is burned intermittently on the catalytic pathway in the exhaust gas flow from the combustion Zmotorn. Such a device requires a comprehensive control system_ to function satisfactorily and to meet them special safety requirements, which may apply to the vehicle, the machine or the plant as a whole, in which the internal combustion engine was used.

Att åstadkomma temperaturhöjningen genom sådan förbränning i avgassystemet kan vara ett tänkbart alternativ till att köra förbränningsmotorn temporärt med högt varvtal för ökning av -avgastemperaturen, men av praktiska skäl eller kostnadsskäl kan sådan extra utrustning 1 många fall anses som en orealistisk f lösning på problemet.To effect the temperature rise by such combustion in the exhaust system can be a possible alternative to driving the internal combustion engine temporarily at high speed to increase -the exhaust gas temperature, but for practical reasons or cost reasons can such extra equipment in many cases is considered unrealistic f solution to the problem.

Uppfinningen syftar till att på ett konstruktivt och funktionellt enkelt sätt uppnå regenerering av ett partikel- filter för rening av avgaser från förbränningsmotorer genom tillförsel av energi utifrån under uppnående av stor säkerhet obhzutananvändning av omfattande reglerutrustning. Partikelfilt- -ret enligt uppfinningen innefattar därvid på känt sätt ett filterelement med_parallellöpande inlopps- och utloppskanaler, åtskilda av porösa väggar. Enligt uppfinningen har ett sådant 'ñartikelfilter i det angivna syftet erhållit de kännetecken, r som framgår av patentkravet- ' ' Detta partikelfilter kan regenereras av de genomströmmande avgaserna på anligt sätt, då avgaserna har tillräcklig tempera- tur för att åst dkomma förbränning av förefintlig beläggning i I filtret, men när avgasernas temperatur inte är tillräcklig, åstadkommas regenereringen genom elektrisk upphettning av filt- ret, vilket kan ske utan annan gasgenomströmning än den som åstadkommas genom "skorstensverkan" i kanalerna i filterelemen- s lÛ l5 20 725 30 35 84ÛÜ084~u ~..l\! tet. Detta innebär två fördelar, nämligen liten energiåtgâng och liten risk för överhettning av filtret med åtföljande risk för värmechock eller -spänningar.The invention aims at a constructive and functionally simple way to achieve regeneration of a particle filters for the purification of exhaust gases from internal combustion engines by supply of energy from outside while achieving great security obhzutan use of extensive control equipment. Particle felt the vessel according to the invention then comprises in a known manner a filter elements with_parallel running inlet and outlet ducts, separated by porous walls. According to the invention, one has such Article filter for the specified purpose has obtained the characteristics as stated in the patent claim- '' This particle filter can be regenerated by the flow-throughs the exhaust gases in a proper manner, as the exhaust gases have sufficient turn to induce combustion of existing coating in In the filter, but when the exhaust gas temperature is not sufficient, the regeneration is achieved by electric heating of the filter which can take place without a gas flow other than that which achieved by the "chimney action" in the channels in the filter elements lÛ l5 20 725 30 35 84ÛÜ084 ~ u ~ ..l \! tet. This means two advantages, namely low energy consumption and small risk of overheating of the filter with attendant risk for thermal shocks or voltages.

För närmare förklaring av uppfinningen Skall ett Utförande därav beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka FIG l är en axialsektionsvy av ett partikelfilter enligt uppfinningen.For a more detailed explanation of the invention, an embodiment is required of which is described with reference to the accompanying drawings, at which FIG. 1 is an axial sectional view of a particulate filter according to FIG the invention.

FIG 2 är en tvärsektionsvy av partikelfiltret och ' FIG 3 är en sidovy av partikelfiltret, sett från inlopps- sidan eller primärsidan.Fig. 2 is a cross-sectional view of the particle filter and Fig. 3 is a side view of the particle filter, seen from the inlet the page or the primary page.

Det på ritningarna visade partikelfiltret innefattar ett monolitisktporöstiïlterelement l0 av keramiskt material. Detta fsrceieiement kan vara av märket csLLoR från tärning, usA, och innefattar ett antal inbördes parallella kanaler ll med kvad- ratisk tvärsektionsform, vilka sträcker sig mellan motsatta ytor av filterelementet men är igensatta vid l2 i omväxlande den ena och den andra änden. Filterelementet är anordnat med kanalerna ll huvudsakligen vertikalt och är ingjutet i eldfast cement 13 eller liknande material, som omgives av värmeisole- rande skikt 14. Därvid är under filterelementet anordnad en kammare l5, som är inloppskammare, och över filterelementet en kammare lö, som är utloppskammare. Inloppskammaren är för- sedd med en inloppsstuts l7 av plåt, medan utloppskammaren har en utloppsstuts l8, vilken också är av plåt, och filterelementet l0 med ingjutningen 13 och isoleringen 14 är inneslutet i en plåtmantel l9, vid vilken stutsarna l7 och l8 lämpligen är fästa. Det förekommer sålunda ingen metallisk förbindelse mellan själva filterelementet och manteln l9.The particle filter shown in the drawings comprises a monolithic porosity element 10 of ceramic material. This fsrceieiement can be of the brand csLLoR from dice, usa, and comprises a number of mutually parallel channels 11 with square radical cross-sectional shape, which extend between opposite surfaces of the filter element but are clogged at l2 in alternating one end and the other end. The filter element is provided with the ducts ll mainly vertical and are cast in refractory cement 13 or similar material, surrounded by thermal insulation layer 14. In this case, a filter is arranged below the filter element chamber l5, which is the inlet chamber, and over the filter element a chamber sat, which is the outlet chamber. The inlet chamber is seen with an inlet spout l7 of sheet metal, while the outlet chamber has an outlet nozzle 18, which is also made of sheet metal, and the filter element 10 with the grout 13 and the insulation 14 is enclosed in one sheet metal jacket 19, at which the stubs 17 and 18 are suitably attach. Thus, there is no metallic connection between the filter element itself and the jacket l9.

I inlop kammaren l5, som utgör filtrets primärsida, är anordnat ett värmeelement, och på ritningarna visas två olika alternativa utföranden av detta värmeelement. Det kan ha formen av en glödtråd 20, som är anbragt tätt intill filterelementets l0 undersida, eller ett skruvformigt värmeelement 21 av den typ, som består av ett metallrör, vilket är fyllt med exempelvis l0 l5 '20 30 35 ga4ooos4-3 magnesiumoxid och innehåller en däri inbäddad glödtråd. värme- elementet är anordnat att anslutas tiil det elektriska nätet eller annan extern energikälla för uppvärmning av filterelemen- tet 10.In the inlet chamber 15, which constitutes the primary side of the filter, is arranged a heating element, and in the drawings two different ones are shown alternative embodiments of this heating element. It can have the shape of a filament 20, which is arranged close to the filter element l0 underside, or a helical heating element 21 thereof type, which consists of a metal tube, which is filled with e.g. l0 l5 '20 30 35 ga4ooos4-3 magnesium oxide and contains a filament embedded therein. heat- the element is arranged to be connected to the electrical network or other external energy source for heating the filter elements tet 10.

Det beskrivna partikelfiltret skall med inloppsstutsen l7 vara anslutet till en förbränningsmotors, exempelvis en diesel- motors, avgassystem för tillförsel av partikelbemängda avgaser genom inloppsstutsen l7.till inloppskammaren 15. Under drift av motorn är värmeelementet 20 resp 21 frånkopplat, och avgaserna passerar in i de kanaler ll i filterelementet l0_ pom är öppna nedtill, för att sedan passera genom de porösa skiljeväggarna mellan kanalerna och in i de kanaler ll, som är öppna upptill.The described particulate filter shall with the inlet nozzle 17 be connected to an internal combustion engine, such as a diesel engines, exhaust systems for the supply of particulate exhaust gases through the inlet nozzle l7.to the inlet chamber 15. During operation of the engine, the heating element 20 and 21, respectively, are disconnected, and the exhaust gases passes into the channels ll in the filter element l0_ pom are open at the bottom, to then pass through the porous partitions between the channels and into the channels ll, which are open at the top.

När avgaserna passerar genom de porösa väggarna, avsättes före- kommande fasta partiklar i avgaserna på de porösa väggarnas yta f på filterelementets ll primärsida, dvs 1 de kanaler, som är löppna nedtill, så att renade avgaser inkommer i utloppskammaren l6 för att genom utloppsstutsen l8 avgå till det fria. De fasta partiklar, som fångas upp på filterelementets l0 primärsida, kommer att förbrännas, om avgaserna har tillräckligt hög tem- aperatur, dvs en temperatur på minst 650 ä 700°C, och vidare under ' förutsättning att det finns tillräckligt med syre kvar i avga- serna för möjliggörande av partiklarnas förbränning. Som nämn- a des inledningsvis, kommer avgaserna under vissa driftbetingel- ser hos förbränningsmotorn inte att uppnå den antändningstem- peratur som erfordras. I så fall sker inte kontinuerlig regene rering av filtret, utan det uppstår så småningom en beläggning av fasta partiklar och då främst sotpartiklar på filterelemene tets l0 primärsida.As the exhaust gases pass through the porous walls, deposits are deposited incoming solid particles in the exhaust gases on the surface of the porous walls f on the primary side of the filter element 11, i.e. 1 the channels, which are drain at the bottom, so that purified exhaust gases enter the outlet chamber l6 to exit through the outlet nozzle l8 to the open air. The fast particles, which are trapped on the primary side of the filter element 10, will be burned if the exhaust gases have a sufficiently high temperature temperature, ie a temperature of at least 650 to 700 ° C, and further below provided that there is sufficient oxygen left in the to enable the combustion of the particles. As mentioned initially, the exhaust gases will, under certain operating conditions, in the internal combustion engine does not reach the ignition temperature temperature required. In that case, continuous rain does not occur of the filter, but eventually a coating forms of solid particles and then mainly soot particles on the filter elements tets l0 primary page.

Med hjälp av värmeelementet 20 eller 21 åstadkommas då uppvärmning a filterelementet l0 medelst utifrân tillförd energi för boštbränning av beläggningen. Ett särskilt luftin- släpp 22 kan vara anordnat på inloppsstutsen l7 för tillförsel av luft utifrån, så att man därvid får en syrehalt i filtret på 8 - 10 volymprocent. Inšläppet 22 kan vara reglerat exempel- vis medelst en magnetventil. Genom att,värmeelementet är lﬂ 15 20 25 30 35 84ÛÛÛ84~~FS monterat under filterelementet, uppnås en naturlig och gynnsam värmedistribution genom filtret vid den regenerering, som åstadkommes genom elektrisk uppvärmning av filterelementet, varvid uppvärmningen av filterelementet sker snabbt och jämnt tack vare att värme inte ledes bort från filterelementet genom det sätt på vilket detta är monterat, samtidigt som det inte bildas kalla zoner i filterelementet eller dess omedelbara omgivning.By means of the heating element 20 or 21 is then provided heating the filter element 10 by means of external supply energy for co-firing the coating. A special air intake drop 22 may be provided on the inlet nozzle 17 for supply of air from outside, so that you get an oxygen content in the filter at 8 - 10 volume percent. The inlet 22 may be regulated e.g. show by means of a solenoid valve. By that, the heating element is l ﬂ 15 20 25 30 35 84ÛÛÛ84 ~~ FS mounted under the filter element, a natural and favorable is achieved heat distribution through the filter during the regeneration, which provided by electric heating of the filter element, whereby the heating of the filter element takes place quickly and evenly due to the fact that heat is not conducted away from the filter element through the way in which this is mounted, while not cold zones are formed in the filter element or its immediate environment.

Filterelementet l0 måste dimensioneras under hänsynstagande till dels avgasflödets storlek dels,praktiskt tillämpbara regee nereringsintervaller, och därvid får värmeelementets värmeeffekt avpassas efter filtrets storlek. Värmeelementet bör vara för- sett med ett överhettningsskydd, som arbetar med läckageström- mätning.The filter element 10 must be dimensioned taking into account partly the size of the exhaust flow and partly, practically applicable regee generation intervals, thereby obtaining the heating effect of the heating element adjusted to the size of the filter. The heating element should be with an overheating protection, which works with leakage current measurement.

Det framgår sålunda, att det beskrivna partikelfiltret kan regenereras dels under drift, då de genomströmmande avgaserna har tillräckligt hög temperatur, och dels under driftsuppehåll genom elektrisk uppvärmning av filterelementet.It can thus be seen that the described particulate filter can regenerated partly during operation, when the flowing exhaust gases has a sufficiently high temperature, and partly during downtime by electrically heating the filter element.

Det är möjligt att vid användning av partikelfiltret på ett fordon låta en elektrisk kraftkälla på fordonet mataavärme- elementet. Denna strömkälla kan exempelvis utgöras av en genera- tor, som drives av fordonet vid bromsning.It is possible that when using the particle filter on a vehicle allows an electric power source on the vehicle to be the element. This power source can, for example, consist of a gener- tor, which is driven by the vehicle during braking.

Ett partikelfilter av det beskrivna utförandet kan ersätta den konventionella ljuddämparen och/eller en gnistsläckare.A particle filter of the described embodiment can replace the conventional muffler and / or a spark arrestor.

Filtrets primärsida kan vara belagd med en katalysator (ej ädelmetall) för sänkning av antändningstemperaturen för ansamlade kolpartiklar, som utgör den huvudsakliga bestånds- delen i beläggningen på filterelementets primärsida, till en temperatur på ca 40D°C. Även på sekundärsidan kan filterelementet vara belagt med en katalysator men i detta fall en ädelmetall- katalysator för efterförbränning av koloxid, kolväten och andra brännbara gasformiga föroreningar i avgaserna, så att dessa ämnen hindras från att komma ut i omgivningen, vilket man vill förhindra av miljöskäl. Det förutsättes emellertid, att tillräck- lig temperatur upprätthâlles i filterelementet och ätt syrehalten l0 l5 84ÛOÜ84~3 i avgaserna är tillräcklig för att koloxid, kolväten och andra brälnnbara. föroreningar skall förbrännas. Detta krav kan ut- märkt väl tillgodoses med partikelfiltret enligt uppfinningen, vilket sålunda kan ersätta andra anordningar för katalytisk avgasrening.The primary side of the filter may be coated with a catalyst (not precious metal) for lowering the ignition temperature for accumulated carbon particles, which constitute the main the part of the coating on the primary side of the filter element, to a temperature of about 40D ° C. Even on the secondary side can the filter element be coated with a catalyst but in this case a precious metal catalyst for the afterburning of carbon monoxide, hydrocarbons and others combustible gaseous pollutants in the exhaust gases, so that these substances are prevented from entering the environment, which is what you want prevent for environmental reasons. However, it is assumed that sufficient temperature is maintained in the filter element and the oxygen content l0 l5 84ÛOÜ84 ~ 3 in the exhaust gases is sufficient to carbon monoxide, hydrocarbons and others combustible. pollutants must be incinerated. This requirement may labeled well is met with the particle filter according to the invention, which can thus replace other catalytic devices exhaust gas purification.

De perioder då filterelementet l0 uppvärmes elektriskt, skall inte begränsas till korta temperaturtoppar, utan filter- elementet skall hållas vid den förhöjda temperaturen under en viss utdragen tidsperiod. Eftersom det inte förekommer någon gasströmning genom filterelementet under regenereringen, blir energiåtgángen betydligt mindre än i det fall man förbränner gasformigt eller flytande bränsle i filtret för höjning av filterelementets temperatur.The periods when the filter element 10 is electrically heated, should not be limited to short temperature peaks, but filter the element must be kept at the elevated temperature below a certain extended period of time. Because there is no one gas flow through the filter element during regeneration, becomes energy consumption is significantly less than in the case of incineration gaseous or liquid fuel in the filter for raising the filter element temperature.

Rent konstruktivt kan det här beskrivna utförandet av partikelfíltret enligt uppfinningen modifieras inom ramen för uppfinningstanken. f).Purely constructively, the embodiment of the particulate filter according to the invention is modified within the framework of the idea of invention. f).

Claims

Patent particulate filter for purifying exhaust gases from internal combustion engines, comprising a filter element (10), which has substantially vertically arranged parallel running channels (11), some of which are connected to a lower inlet chamber (15) as inlet ducts and others are connected to an outlet chamber (16) located at the top as outlet ducts with the inlet and outlet ducts separated by porous walls, and an electric heating element (20, Z1) arranged in the inlet chamber below the filter element, k characterized in that in order to enable regeneration of the filter during engine maintenance, the filter element (l0) is enclosed in a heat-resistant and heat-insulating material (13, 14) and has on the inlet side a catalyst for lowering the combustion temperature of separated soot particles, and on the outlet side a catalyst for the catalytic combustion of gaseous constituents in the exhaust gases and is in addition a tt air inlet (22) arranged on the inlet side of the filter element (l0).