SE520972C2 - Anordning för att vid en förbränningsmotor rena dess avgaser - Google Patents

Description

UPPFINNINGENS OMRÅDE Föreliggande uppfinning avser en anordning och ett förfarande för att vid en förbränningsmotor rena dess avgaser, varvid avgaserna från motorn bringas att passera genom ett filter anordnat i en avgasledning mellan motorn och ett avgasutlopp för att befria avgaserna från partikelformiga beståndsdelar och en del av de avgaser som passerat genom nämnda filter avleds via en återföringsledning och återförs till motorns luftintag. Dessutom avser uppfinningen användning av anordningen för avgasrening speciellt vid en dieselmotor.

TIDIGARE TEKNIK Det är känt att EGR (Exhaust Gas Recirculation) är en förmånlig reningsmetodik för minskning av halten skadliga avgaser, speciellt kväveoxid (NOx). Hos ett EGR-system återförs en andel av avgaserna från förbränningsmotorn till dess luftintag.

Speciellt vid dieselmotorer föreligger problemet att det genereras ett betydande mått av partikelformiga beståndsdelar. Inom ramen för begreppet partikelformiga beståndsdelar inrymmes därvid bå-de partiklar som sådana, t ex sot, och organiska rester (benämn-Ga ovjry vurvd iidi iui nciii uidnoic uon uija. i Oi au ucu ladvyd-serna från sådana partikelformiga beståndsdelar är det känt att använda filter av olika typer. För att inte motorn skall ta skada av partikelformiga beståndsdelar hos den del av avgaserna från motorn som via en i ett EGR-system ingående återföringsledning återförs till motorns luftintag är det lämpligt att låta denna del av avgaserna passera genom ett partikelfilter innan de återförs till motorn. Detta kan exempelvis ske genom att återföringsledningens inloppsände anordnas nedströms ett i avgasledningen anordnat filter, såsom exempelvis visas i DE 4007516 C2. Ett annat alternativ är att anordna ett filter direkt i återföringsledningen, såsom exempelvis visas i US 5592925 A. En nackdel med dessa kända lösningar är att ett haveri hos filtret kan resultera i att ofiltrerade eller otillräckligt filtrerade avgaser via återföringsledningen återförs till motorns luftintag, vilket i sin tur kan leda till ett kostsamt motorhaveri. Ett sätt att förhindra att ofiltrerade eller otillräckligt filtrerade avgaser återförs till motorns luftintag är att anordna någon form av sensor i avgasflödet nedströms filtret för avkänning av partikelmängden i detta avgasflöde. När det via sensorn registreras att partikelmängden i de återförda avgaserna överstiger ett visst gränsvärde avbryts avgasåterföringen så att inga ofiltrerade eller otillräckligt filtrerade avgaser återförs till motorns luftintag. Denna lösning kräver installation av komplex elektronik och är därför relativt komplicerad och kostsam att im-plementera. Dessutom är denna lösning känslig för störningar i de elektroniska komponenterna.

UPPFINNINGENS SYFTE Syftet med föreliggande uppfinning är att vidareutveckla den kända tekniken i ändamål att åstadkomma ett tillförlitligt och enkelt säkerställande att ofiltrerade eller otillräckligt filtrerade avgaser ej återförs till luftintaget hos en motor försedd med ett EGR-system.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Enligt uppfinningen uppnås nämnda syfte med hjälp av en anordning enligt patentkravet 1 och ett förfarande enligt patentkravet 10.

Den uppfinningsenliga lösningen innebär att avgaserna från motorn passerar genom ett första filter anordnat i en avgasledning mellan motorn och ett avgasutlopp för att befria avgaserna från partikelformiga beståndsdelar, varvid en del av de avgaser som passerat genom nämnda första filter avleds via en återföringsledning och återförs till motorns luftintag, och att den avledda delen av avgaserna passerar genom ett andra filter anordnat mellan återföringsledningens inloppsände och motorns luftintag. Härigenom erhålls ett redundant filtersystem. När motorn fungerar normalt, under avgivande av normala avgasmängder, och bägge filter är intakta fångar det i avgasledningen anordnade första filtret upp partikelformiga beståndsdelar i sådan omfattning att avgaserna efter att ha passerat genom det första filtret är tillräckligt filtrerade för att kunna återföras till motorns luftintag utan att orsaka skador hos motorn. Vid ett funktionsfel hos det första filtret, exempelvis orsakat av destruktion genom yttre mekanisk påverkan i form av slag eller stötar mot filtret, innebärande en med avseende på återföringen otillräcklig filtrering av de avgaser som passerar genom det första filtret, kommer de återförda avgaserna att filtreras av det andra filtret så att motorns luftinlopp ej nås av avgaser innehållande partikelformiga beståndsdelar som kan skada motorn. Det andra filtret bidrar även till en till-räcklig filtrering av de återförda avgaserna för den händelse att motorn till följd av ett funktionsfel släpper ut onormalt stora avgasmängder som ej kan tas om hand fullständigt av det första filtret. Den uppfinningsenliga lösningen är synnerligen kostnads-effektiv och uppvisar en mycket hög funktionssäkerhet.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är det andra filtret utformat med lägre eller väsentligen samma filtreringsförmåga som det första filtret så att åtminstone huvuddelen av de partikelformiga beståndsdelar i avgaserna som under normala driftförhållanden ej uppfångas vid en passage genom det första filtret ej heller uppfångas vid en passage genom det andra filtret. Härigenom säkerställs att det andra filtret under normala förhål-landen ej eller åtminstone ej nämnvärt bidrar till att fånga upp partikelformiga beståndsdelar hos de återförda avgaserna, vari-genom en igensättning av det andra filtret förhindras. Det andra filtret kommer således endast att bidra till att reducera innehållet av partikelformiga beståndsdelar hos de återförda avgaserna i det fall att det första filtret ej fungerar normalt och släpper ige-nom ofiltrerade eller otillräckligt filtrerade avgaser.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsform av uppfinningen är det andra filtret anordnat vid återföringsledningens utloppsände. Härigenom förhindras att luft innehållande partikelformiga beståndsdelar av för motorn skadlig karaktär sugs in i motorn vid ett brott i återföringsledningen. Avgasåterföringen verkar normalt genom sugverkan, varvid de avgaser som skall återföras till motorns luftintag förs in i återföringsledningen från avgasledningen med hjälp av sugverkan. Vid ett brott i återföringsledningen kommer omgivningsluft att sugas in i återföringsledningen. Denna omgivningsluft kan medföra grus och andra för motorn skadliga partiklar. Genom placeringen av det andra filtret vid återföringsledningens utloppsände förhindras sådana med om-givningsluften via återföringsledningen insugna partiklar att nå motorns luftintag.

Ytterligare föredragna utföringsformer av den uppfinningsenliga anordningen och det uppfinningsenliga förfarandet framgår av de osjälvständiga patentkraven och efterföljande beskrivning.

Uppfinningen avser även användningen av den uppfinningsenliga anordningen enligt det efterföljande patentkravet 11.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas med hjälp av utföringsexempel, med hänvisning till bifogade ritning. Det visas i: Fig 1 en principskiss över en förbränningsmotor med tillhö-rande EGR-system, illustrerande en utföringsform av den uppfinningsenliga anordningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I Fig 1 visas schematiskt en förbränningsmotor försedd med en anordning enligt uppfinningen. Förbränningsmotorn är schematiskt angiven vid 1. Till denna tages luft via ett luftintag 2, i anslutning till vilket ett luftfilter 3 kan vara anbragt. Luften leds via en inloppsluftkanal, generellt betecknad 4, i riktning mot motorns förbränningsrum. Det påpekas redan nu att föreliggande uppfinning är tillämpbar vid rena sugmotorer, dvs där lufttransporten in i motorns förbränningsrum genereras genom sugning p g a kolvrörelser i motorn. Emellertid är uppfinningen också tillämpbar vid överladdning, dvs forcerad lufttillförsel till motorn, något som i regel låter sig genomföras med hjälp av en kompressor. En dylik kompressor kan vara driven på godtyckligt vis, exempelvis mekaniskt via motorn eller lämplig hjälputrustning eller, såsom antydes i Fig 1, med hjälp av avgasströmmen från motorn. Således innefattar i exemplet anordningen en turboladdare 5, som uppvisar ett kompressorhjul 5a för att med övertryck mata luften till motorn och ett turbinhjul 5b placerat så att det försätts i rota-tion genom påverkan av avgaser som lämnar motorn. Kompres-sorhjulet 5a och turbinhjulet 5b är driftsmässigt kopplade till var-andra, exempelvis genom att vara placerade på en och samma axel. Såsom är brukligt vid överladdning kan luften efter att ha bibringats övertryck underkastas kylning i en laddluftkylare 6 (intercooler). Avgaserna som lämnar motorn rör sig i en avgasledning 7 och träder ut i omgivningen via ett avgasutlopp 8. I Fig 1 illustreras hur avgaserna leds genom en katalysator 9 och ett filter 10 innan de träder ut i omgivningen via avgasutloppet 8. Nämnda filter 10, vilket fortsättningsvis benämns det första filtret, är anordnat att befria avgaserna från partikelformiga beståndsdelar.

Det första filtret 10 skall ha en sådan filtreringsförmåga att det förmår fånga upp partikelformiga beståndsdelar i sådan omfattning att avgaserna efter att ha passerat genom det första filtret 10 är tillräckligt filtrerade för att kunna återföras till motorns luftintag 2 och införas i motorn 1 utan att orsaka skador hos denna.

Såsom kommer att beskrivas mer i detalj i det följande innefattar den uppfinningsenliga anordningen en generellt med 20 betecknad inrättning för återföring av avgaser från motorn till motorns luftintag 2. För detta ändamål innefattar anordningen en återföringsledning, betecknad 11, vilken i exemplet ansluter till inloppsluftkanalen 4. Återföringsledningens inlopp 12 är anordnat nedströms det i avgasledningen anordnade första filtret 10. Om så önskas kan återföringsledningen 11 passera genom en kylare 13 för att kyla ned de återledda avgaserna. Återföringsledningen 11 kan ansluta till inloppsluftkanalen 4 via en ventilanordning 14, som är styrbar med hjälp av en EGR-styranordning 15. Ventilanordningen 14 kan med hjälp av EGR-styranordningen 15 reglera förhållandet mellan tillförd mängd friskluft från inloppsluftkanalen 4 och tillförd mängd återförda avgaser från återföringsledningen 11. Denna medelst ventilen 14 inställda blandning kan således tillföras till motorns luftintag 2.

EGR-styranordningen 15, som reglerar ventilanordningen 14, kan exempelvis tillföras information om motorns aktuella driftstill-stånd från bl a en syremätande sond (lambdasond) 16, givare 17 för motorvarvtal och givare 18 för gaspådragsläge. EGR-styranordningen 15 är programmerad att styra ventilanordningen 14 och därmed blandningsförhållandet friskluft/avgaser i avsikt att minimera halten skadliga ämnen som lämnar avgasutloppet 8 och släpps ut i fria luften. Programmeringen av EGR-styranordningen 15 sker på i och för sig känt sätt för att få en gynnsam korrelation mellan de olika ovan angivna faktorerna.

Utöver nämnda första filter 10 innefattar den uppfinningsenliga anordningen även ett andra filter 30. Detta andra filter 30 är anordnat mellan återföringsledningens inloppsände 12 och motorns luftintag 2, och lämpligen i eller i direkt anslutning till återföringsledningen 11. Det andra filtret 30 är företrädesvis anordnat vid återföringsledningens utloppsände, såsom illustreras i Fig 1.

Det andra filtret 30 skall ha en sådan filtreringsförmåga att det förmår fånga upp partikelformiga beståndsdelar i sådan omfattning att gaser som passerar genom det andra filtret 30 kan ledas vidare till motorns luftintag 2 och införas i motorn 1 utan att orsaka skador hos denna. Det andra filtret 30 har lämpligen väsentligen samma filtreringsförmåga som ett konventionellt för motorn avsett luftfilter, d v s i det visade exemplet väsentligen samma filtreringsförmåga som luftfiltret 3.

Det andra filtret 30 är företrädesvis utformat med lägre eller väsentligen samma filtreringsförmåga som det första filtret 10 så att åtminstone huvuddelen av de partikelformiga beståndsdelar i avgaserna som under normala driftförhållanden ej uppfångas vid en passage genom det första filtret 10 ej heller uppfångas vid en passage genom det andra filtret 30. Det andra filtret är således så utformat att det ej eller endast i en mycket liten omfattning fångar upp partikelformiga beståndsdelar hos de återförda avgaser som passerar genom det andra filtret 30 efter att först ha passerat genom det första filtret 10 under driftförhållanden med normala avgasmängder från motorn och då det första filtret är intakt. Under sådana normalförhållanden fungerar således det andra filtret som en med avseende på partikelfiltrering passiv eller väsentligen passiv komponent. Det andra filtret 30 är endast avsett att fungera som en aktiv filtreringskomponent vid tillfällen då innehållet av partikelformiga beståndsdelar i de gaser som passerar genom det andra filtret 30 är större än normalt, för att vid sådana tillfällen skydda motorn mot partikelformiga beståndsdelar av för motorn skadlig karaktär.

För att åstadkomma ovan nämnda inbördes förhållande mellan filtreringsförmågan hos det första 10 och det andra 30 filtret kan det andra filtret 30 uppvisa en nominell filtreringsgrad som är lägre än eller väsentligen den samma som den nominella filtre ringsgraden hos det första filtret 10. Som alternativ till eller i kombination med detta kan det andra filtret 30 uppvisa en absolut filtreringsgrad som är lägre än eller väsentligen den samma som den absoluta filtreringsgraden hos det första filtret 10.

Med uttrycket "nominell filtreringsgrad" avses ett mikron-värde som av en filtertillverkare åsätts ett filter för att precisera filtrets filtreringsförmåga. Det andra filtret 30 kan exempelvis ha en nominell filtreringsgrad uttryckt såsom 99% avskiljningseffektivitet för 10 mikron (99% removal efficiency at 10 micron), vilket innebär att filtret skall klara av att filtrera bort 99% av de passerande partiklar som är större än 10 mikrometer. Enligt detta exempel skall således det första filtret 10 ha en nominell filtreringsgrad som motsvarar eller är lägre än 99% avskiljningseffektivitet för 10 mikron.

Med den "absoluta filtreringsgraden" hos ett filter avses ett värde som anger diametern hos den största hårda sfäriska partikel som kan passera genom filtret under preciserade testförhållanden. Även detta värde kan av en filtertillverkare åsätts ett filter för att precisera filtrets filtreringsförmåga. Det andra filtret 30 kan exempelvis ha en absolut filtreringsgrad uttryckt såsom 10 mikron, vilket innebär att filtret skall klara av att filtrera bort samtliga passerande partiklar som är större än 10 mikrometer. Enligt detta exempel skall således det första filtret 10 ha en absolut filtreringsgrad som motsvarar eller är lägre än 10 mikron.

Det första 10 och det andra 30 filtret innefattar ett mot höga tem-peraturer beständigt filtermaterial med god filtrerande förmåga. Som exempel må nämnas att keramiska material, mineralfibrer och metalliska fibrer kan nyttjas.

Det första filtret 10 är lämpligen utformat som ett regenererande filter, d v s ett filter som utan utbyte kan återställas. Sådan regenerering kan exempelvis på känt sätt uppnås genom att filtret uppvärms i erforderlig grad för att förbränningen av de på filtret avsatta partikelformiga beståndsdelarna ska uppstå. En annan möjlig teknik att uppnå regenerering av det aktuella filtret 10 be-skrivs i patentskriften US 4902487 A. Enligt denna teknik utnytt-jas en katalysator uppströms filtret, vilken katalysator är kapabel att omvandla en del av i avgaserna naturligt förekommande NO till N02som sedan får reagera med partikelformiga beståndsdelar avsatta på filtret. Detta ger upphov till en automatisk regenerering av filtret. Eftersom det andra filtret 30 under normala för-hållanden ej eller åtminstone ej nämnvärt bidrar till avskiljning av partikelformiga beståndsdelar hos passerande avgaser behöver detta filter 30 ej vara utformat som ett regenererande filter. Om så finnes lämpligt kan dock naturligtvis även det andra filtret 30 vara utformat som ett regenererande filter.

Som ett alternativ till den i Fig 1 illustrerade utföringsformen av uppfinningen med en uppströms det första filtret anordnad katalysator 9 skulle det första filtret 10 kunna innefatta ett katalytiskt material kapabelt att överföra beståndsdelar i avgaserna till mindre miljöfarliga ämnen. I detta fall skulle således det kataly-tiska materialet vara integrerat i filtret 10, företrädesvis i form av en beläggning på det i filtret ingående filtermaterialet. Den uppfinningsenliga anordningen kan naturligtvis även vara utformad helt utan katalysatorfunktion.

Uppfinningen har speciell fördel vid dieselmotorer och särskilt vid dieselmotorer av överladdad typ. Det påpekas dock att uppfinningen också kan komma väl till användning vid andra motorty-per. Vidare fungerar uppfinningen oberoende av om motorn är överladdad eller ej, d v s om motorns lufttillförsel är forcerad eller genererad av sugning p g a kolvrörelser i motorn. Skulle motorn ifråga vara överladdad bör avgasåterföringsledningen vara ansluten till luftinloppskanalen på sugsidan av överladdningsen-heten, såsom illustreras i Fig 1.

Det påpekas att den uppfinningsenliga anordningen kan applice-ras vid motorn redan i anslutning till dess tillverkning, men det är också möjligt att i efterhand applicera anordningen vid en redan använd motor för att tillföra eller förbättra EGR-funktionen. Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig-heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack-man på området, utan att denna för den skull avviker från uppfinningens grundtanke sådan denna definieras i bifogade patent-krav.

Claims (11)

1. Anordning för att vid en förbränningsmotor (1) rena dess avgaser, innefattande ett första filter (10) anordnat i en avgasledning (7) mellan motorn (1) och ett avgasutlopp (8) för att befria avgaserna från partikelformiga beståndsdelar samt en återföringsledning (11) för avledning av en del av de avgaser som passerat genom nämnda första filter (10) och återföring av denna del av avgaserna till motorns luftintag (2),kännetecknaddärav, att anordningen innefattar ett andra filter (30) anordnat mellan återföringsledningens inloppsände (12) och motorns luftintag (2).

2. Anordning enligt krav 1,kännetecknaddärav, att det andra filtret (30) är utformat med lägre eller väsentligen samma filtreringsförmåga som det första filtret (10).

3. Anordning enligt krav 2,kännetecknaddärav, att det andra filtret (30) har en nominell filtreringsgrad som är lägre än eller väsentligen den samma som den nominella filtreringsgraden hos det första filtret (10).

4. Anordning enligt krav 2 eller 3,kännetecknaddärav, att det andra filtret (30) har en absolut filtreringsgrad som är lägre än eller väsentligen den samma som den absoluta filtreringsgraden hos det första filtret (10).

5. Anordning enligt något av föregående krav,kännetecknaddärav, att det andra filtret (30) har en sådan filtreringsförmåga att det förmår uppfånga partikelformiga beståndsdelar av för motorn skadlig karaktär.

6. Anordning enligt krav 5,kännetecknaddärav, att det andra filtret (30) har väsentligen samma filtreringsförmåga som ett konventionellt för motorn avsett luftfilter.

7. Anordning enligt något av föregående krav,kännetecknaddärav, att det andra filtret (30) är anordnat vid återföringsledningens utloppsände.

8. Anordning enligt något av föregående krav,kännetecknaddärav, att det första filtret (10) innefattar ett katalytiskt material för överföring av beståndsdelar i avgaserna till mindre miljöfarliga ämnen.

9. Anordning enligt något av föregående krav,kännetecknaddärav, att anordningen innefattar en i avgasledningen (7) anordnad katalysator (9).

10. Förfarande för att vid en förbränningsmotor (1) rena dess avgaser, varvid avgaserna från motorn bringas att passera genom ett första filter (10) anordnat i en avgasledning (7) mellan motorn (I) och ett avgasutlopp (8) för att befria avgaserna från partikelformiga beståndsdelar och en del av de avgaser som passerat genom nämnda första filter (10) avleds via en återföringsledning (II) och återförs till motorns luftintag (2),kännetecknatdärav, att den avledda delen av avgaserna bringas att passera genom ett andra filter (30) anordnat mellan återföringsledningens inloppsände (20) och motorns luftintag.

11. Användning av en anordning enligt något av kraven 1-9 för rening av avgaser från en dieselmotor.