SE536843C2 - Avgasåterföringssystem - Google Patents

Abstract

Avgasåterföringssystem (10) för återföring av avgaser från enavgasledning (9) hos en förbränningsmotor (1), särskilt en storförbränningsmotor med en motoreffekt av 500 kW eller mer, tillett luftintag (3) hos denna, vilket system innefattar: två eller fler partikelfilter (12a, 12b) anordnade parallellt medvarandra; ventilmedel (17) för selektiv omkoppling av respektive filtermellan ett aktivt tillstånd och ett inaktivt tillstånd, varvid ven-tilmedlen är anordnade att medge avgaser att passera frånavgasledningen till luftintaget via ett filter som är i det aktivatillståndet och förhindra avgaser att passera från avgasled-ningen till luftintaget via ett filter som är i det inaktiva till-ståndet; och filterregenereringsmedel (40) för selektiv initiering av enregenerering av respektive filter när filtret är i det inaktivatillståndet. (Fig 1.)

Description

25 30 35 536 843 erfordras för driften av SCR-katalysatorn. EGR-tekniken är mindre effektiv än SCR-katalysatortekniken och har hittills ej kommit till användning för stora förbränningsmotorer med en motoreffekt av 500 kW eller mer.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en för- delaktig lösning för rening av avgaserna från en förbrännings- motor, särskilt från en stor förbränningsmotor med en motoreffekt av 500 kW eller mer.

Enligt uppfinningen uppnås detta syfte med hjälp av ett avgas- återföringssystem uppvisande de i patentkravet 1 definierade särdragen.

Avgasåterföringssystemet enligt uppfinningen skall användas för återföring av avgaser från en avgasledning hos en förbrännings- motor till ett luftintag hos denna, och innefattar: - ett filterarrangemang för avlägsnande av partikelformiga be- ståndsdelar från avgaser som passerar genom återföringssy- stemet från avgasledningen till motorns luftintag, varvid fil- terarrangemanget innefattar två eller fler parallellt med var- andra anordnade partikelfilter; - ventilmedel för selektiv omkoppling av respektive filter mel- lan ett aktivt tillstånd och ett inaktivt tillstånd, varvid ventil- medlen är anordnade att medge avgaser att passera från avgasledningen till motorns luftintag via ett filter som är i det aktiva tillståndet och förhindra avgaser att passera från av- gasledningen till motorns luftintag via ett filter som är i det inaktiva tillståndet; och - filterregenereringsmedel för selektiv lnitiering av en rege- nerering av respektive filter när filtret är i det inaktiva till- ståndet. 10 15 20 25 30 35 536 843 Genom att låta partikelfiltren vara anordnade i avgasåterförings- systemet och ej i den ordinarie avgasledningen från motorn blir det möjligt att använda partikelfilter av reducerad storlek. När avgasåterföringssystemet enligt uppfinningen används för att rena avgaserna från en stor förbränningsmotor med en motoref- fekt av 500 kW eller mer blir det möjligt att använda partikelfilter av den typ och dimension som för närvarande används i avgas- ledningar från dieselmotorer i vägfordon. Detta beror på det fak- tum att det återförda avgasflödet i ett avgasåterföringssystem hos en stor förbränningsmotor med en motoreffekt av 500 kW el- ler mer i vanliga fall är av ungefärligen samma storlek som av- gasflödet i avgasledningen från en konventionell dieselmotor i ett vägfordon. Således kan partikelfilter av standardtyp användas, vilket bidrar till förhållandevis låga installations- och underhålls- kostnader och reducerade utrymmesbehov. Genom att använda två eller fler parallella partikelfilter kan dessutom ett filter rege- nereras medan ett eller flera andra filter är i funktion. Härigenom kan ett filter regenereras samtidigt som återföringssystemet fort- sätter att fungera på normalt sätt.

Ytterligare fördelar liksom fördelaktiga särdrag hos uppfinningen framgår av den nedan följande beskrivningen och de osjälvstän- diga patentkraven.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN Med hänvisning till den bifogade ritningen följer nedan en när- mare beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningen anförda såsom exempel. l ritningen är: Fig 1 en schematisk planvy uppifrån av en förbränningsmotor försedd med ett avgasåterföringssystem enligt en utfö- ringsform av föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 30 35 536 843 DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN En förbränningsmotor 1 illustreras i fig 1. I det illustrerade ex- emplet är förbränningsmotorn 1 en stor dieselmotor, men den skulle alternativt kunna vara en stor gasmotor. I det illustrerade exemplet är den utgående axeln hos motorn 1 ansluten till en generator 2, vilken drivs av motorn för att alstra elkraft.

Motorn 1 är försedd med ett luftintag 3, via vilket förbränningsluft matas till motorn. I det illustrerade exemplet innefattar luftintaget 3 två luftinloppskanaler 4a, 4b, vilka var och en är försedd med ett luftfilter 5a, 5b.

I det illustrerade exemplet är motorn 1 försedd med turboladdare 6a, 6b för att åstadkomma överladdning, d.v.s. forcerad lufttillför- sel till motorn. En första turboladdare 6a innefattar ett kompres- sorhjul 7a anordnat i en första 4a av luftinloppskanalerna, och en andra turboladdare 6b innefattar ett kompressorhjul 7b anordnat i den andra luftinloppskanalen 4b. Respektive kompresshjul 7a, 7b drivs av ett tillhörande turbinhjul 8a, 8b, vilket är anordnat att försättas i rotation av avgaser från motorn 1. Kompressorhjulet 7a, 7b och turbinhjulet 8a, 8b hos respektive turboladdare 6a, 6b är driftmässigt kopplade till varandra, t.ex. genom att vara place- rade på en och samma axel. Som ett alternativ kan flödet av luft in i motorn 1 via luftinloppskanalerna 4a, 4b åstadkommas utan några turboladdare, d.v.s. enbart genom sugning orsakad av kolvrörelser i motorn.

En avgasledning 9 är ansluten till motorn 1. De av motorn 1 pro- ducerade avgaserna leds genom avgasledningen 9 och huvud- delen därav träder ut i omgivningen via ett avgasutlopp (ej visat) som är anslutet till avgasledningen. Ett avgasåterföringssystem 10 är tillhandahållet för återföring av avgaser från avgasled- ningen 9 till luftintaget 3. 10 15 20 25 30 35 536 843 Återföringssystemet 10 innefattar ett filterarrangemang 11 för avlägsnande av partikelformiga beståndsdelar från avgaser som passerar genom återföringssystemet från avgasledningen 9 till Iuftintaget 3. I det illustrerade exemplet innefattar filterarrange- manget 11 ett första partikelfilter 12a och ett andra partikelfilter 12b anordnade parallellt med varandra i återföringssystemet 10.

Filterarrangemanget kan dock, om så önskas, innefatta mer än två partikelfilter anordnade parallellt med varandra i återförings- systemet. Respektive filter 12a, 12b har en sådan filtreringsför- måga att det förmår fånga upp partikelformiga beståndsdelar i en sådan omfattning att avgaserna efter att ha passerat genom filt- ret är tillräckligt filtrerade för att kunna återföras till motorns luftintag 3 och införas i motorn 1 utan att orsaka skador hos mo- torn. Filtren 12a, 12b utgör s.k. dieselpartikelfilter. Återföringssystemet 10 innefattar ett inlopp 13 för mottagning av avgaser från avgasledningen 9. lnloppet 13 innefattar ett upp- fångningsrör 14 som är anordnat i avgasledningen 9 med sin in- loppsöppning 15 riktad mot den avsedda strömningsriktningen hos avgaser som strömmar genom avgasledningen. Avgaserna som strömmar in i återföringssystemet via inloppet 13 leds via en ledning 16 mot filtren 12a, 12b. Återföringssystemet 10 innefattar ventilmedel 17 för selektiv om- koppling av respektive filter 12a, 12b mellan ett aktivt tillstånd och ett inaktivt tillstånd. Ventilmedlen 17 är anordnade att medge avgaser att passera från avgasledningen 9 till Iuftintaget 3 via ett filter som är i det aktiva tillståndet och förhindra avgaser att pas- sera från avgasledningen 9 till Iuftintaget 3 via ett filter som är i det inaktiva tillståndet. Ventilmedlen 17 är företrädesvis anord- nade att omkoppla ett av nämnda filter 12a, 12b från aktivt till in- aktivt tillstånd samtidigt som de omkopplar det andra av nämnda filter från inaktivt till aktivt tillstånd.

I det illustrerade exemplet innefattar nämnda ventilmedel 17 en ventilanordning 18 som är anordnad i ledningen 16 mellan inlop- pet 13 och filtren 12a, 12b för att leda avgasflödet i ledningen 16 10 15 20 25 30 35 536 843 till ett av filtren 12a, 12b under det att den förhindrar avgasflödet i ledningen 16 att nå det andra filtret. Ventilanordningen 18 är således anordnad att sätta ett filter åt gången i förbindelse med inloppet 13 under det att den frånkopplar det andra filtret från inloppet 13. Återföringssystemet 10 innefattar två första utlopp 19a, 19b som är anslutna till luftintaget 3 hos motorn 1 för avgivning av åter- förda avgaser till luftintaget. Ett 19a av nämnda första utlopp är anslutet till den första luftinloppskanalen 4a och det andra 19b av nämnda första utlopp är anslutet till den andra luftinloppskanalen 4b. Återföringssystemet 10 innefattar även ett andra utlopp 20 som är anslutet till avgasledningen 9 nedströms inloppet 13 för avgivning till avgasledningen av förbränningsgaser bildade under regenereringen av respektive filter 12a, 12b. I det illustrerade exemplet är en ventilanordning 21a, 21b anordnad nedströms re- spektive filter 12a, 12b för att selektivt sätta utloppet 22a, 22b hos filtret i förbindelse med de första utloppen 19a, 19b hos återföringssystemet eller med det andra utloppet 20 hos återfö- ringssystemet. Återföringssystemet 10 innefattar filterregenereringsmedel 40 för selektiv initiering av en regenerering av respektive filter 12a, 12b när filtret är i det inaktiva tillståndet. I det illustrerade exemplet innefattar filterregenereringsmedlen 40 uppvärmningsanord- ningar 41a, 41b som är anslutna till varsitt av filtren 12a, 12b för att generera värme till filtret för initieringen av en regenerering därav, och en luftblåsningsanordning 42 för blåsning av luft ge- nom respektive uppvärmningsanordning 41a, 41b och in i det fil- ter 12a, 12b som är förbundet med uppvärmningsanordningen när en regenerering av filtret skall initieras. Luftblåsningsanord- ningen 42 innefattar en fläkt 43, vars hastighet regleras av en el- motor 44 för att därigenom reglera temperaturen hos den varma luft som strömmar in i ett filter 12a, 12b från den uppvärmnings- anordning 41a, 41b som är förbunden med filtret när en regenerering av filtret skall initieras. En ventilanordning 45 är anordnad mellan fläkten 43 och uppvärmningsanordningarna 41a, 10 15 20 25 30 35 536 843 41b för att leda luftflödet från luftblåsningsanordningen 42 till en av uppvärmningsanordningarna 41a, 41b under det att den hind- rar luftflödet från luftblåsningsanordningen 42 att nå den andra uppvärmningsanordningen. Ventilanordningen 45 är således ka- pabel att sätta en uppvärmningsanordning 41a, 41b åt gången i förbindelse med luftblåsningsanordningen 42 under det att den frånkopplar den andra uppvärmningsanordningen från luftblås- ningsanordningen.

Respektive filter 12a, 12b innefattar ett första inlopp 23a, 23b för mottagning av avgaser från avgasledningen 9 och ett andra in- lopp 24a, 24b för mottagning av luft från luftblåsningsanord- ningen 42. Respektive uppvärmningsanordning 41a, 41b är an- sluten till andra inloppet 24a, 24b hos det filter 12a, 12b som den hör till. En avstängningsventil 46a, 46b är anordnad mellan re- spektive uppvärmningsanordning 41a, 41b och det andra inloppet 24a, 24b hos det tillhörande filtret 12a, 12b. Denna avstäng- ningsventil är öppen när det tillhörande filtret regenereras. Av- stängningsventilen 46a, 46b är annars stängd för att förhindra ofiltrerade avgaser att strömma in i uppvärmningsanordningen 41a, 41b under perioderna mellan regenereringsoperationerna.

En kylare 25 är anordnad mellan filtren 12a, 12b och motorns Iuftintag 3 för att kyla de återförda avgaserna. I det illustrerade exemplet är kylaren 25 ansluten medelst ledningar 26 till kylsy- stemet hos motorn 1 för att förses med kylarvatten från detta kyl- system. En kondensatfälla 27 är anordnad direkt nedströms kyla- ren 25.

En ventilanordning 28 är anordnad i återföringssystemet 10 mel- lan filtren 12a, 12b och motorns Iuftintag 3, och återföringssy- stemet innefattar en elektronisk styranordning 29 för styrning av ventilanordningen 28 för att därigenom reglera den mängd avga- ser som återförs till motorn 1. Denna ventilanordning 28 utgör en s.k. EGR-ventil. En flödesmätare 30 är tillhandahållen för mät- ning av den mängd avgaser som passerar genom återföringssy- stemet 10. Styranordningen 29 är ansluten till denna flödesmä- 10 15 20 25 30 35 536 843 tare 30 för att från denna mottaga information avseende den mängd avgaser som för tillfället återförs till motorn.

I det illustrerade exemplet är sekundära filter 31a, 31b anord- nade mellan ventilanordningen 28 och de första utloppen 19a, 19b hos återföringssystemet. Ett första sekundärt filter 31a är anordnat uppströms ett 19a av nämnda första utlopp och ett andra sekundärt filter 31b är anordnat uppströms det andra 19b av dessa utlopp. De sekundära filtren 31a, 31b har en filtre- ringsförmåga som är lägre än filtreringsförmågan hos partikelfilt- ren 12a, 12b och är avsedda att skydda motorn 1 från att skadas av större partiklar om partikelfiltren 12a, 12b eller några andra komponenter hos återföringssystemet 10 skulle drabbas av fel.

Avstängningsventiler 32, 33 är anordnade vid inloppet 13 och det andra utloppet 20 hos återföringssystemet 10 för att göra det möjligt att frånkoppla återföringssystemet från avgasledningen 9.

Ventilanordningarna 18, 21a, 21b, avstängningsventilerna 32,33, 46a, 46b, uppvärmningsanordningarna 41a, 41b, ventilanord- ningen 45 och Iuftblåsningsanordningens elmotor 44 styrs av styranordningen 29 eller av någon annan elektronisk styranord- ning.

När återföringssystemet 10 är i drift är ett av filtren, exempelvis det första filtret 12a, i det aktiva tillståndet och följaktligen an- slutet till inloppet 13 hos återföringssystemet för att mottaga av- gaser från avgasledningen 9, medan det andra filtret 12b är i det inaktiva tillståndet och följaktligen frånkopplat från inloppet 13.

Utloppet 22a hos det aktiva första filtret 12a är anslutet till luft- intaget 3 hos motorn 1 och frånkopplat från det andra utloppet 20 hos återföringssystemet, medan utloppet 22b hos det inaktiva andra filtret 12b är frånkopplat från luftintaget 3 och anslutet till det andra utloppet 20. När det aktiva första filtret 12a har samlat upp en given mängd partiklar eller när en given tidsperiod har förflutit efter det att detta filter sattes i det aktiva tillståndet från- kopplar ventilanordningen 18 detta filter 12a från inloppet 13 och 10 15 20 25 30 35 536 843 ansluter i stället det andra filtret 12b till inloppet 13 för att där- igenom omkoppla det första filtret 12a från aktivt till inaktivt till- stånd och det andra filtret 12b från inaktivt till aktivt tillstånd.

Samtidigt frånkopplar ventilanordningen 21a utloppet 22a hos det första filtret 12a från luftintaget 3 och ansluter i stället detta ut- lopp 22a till det andra utloppet 20 hos återföringssystemet, me- dan ventilanordning 21b frånkopplar utloppet 22b hos det andra filtret 12b från det andra utloppet 20 hos återföringssystemet och i stället ansluter detta utlopp 22a till luftintaget 3. Därefter öpp- nas avstängningsventilen 46a och luftblåsnlngsanordningens 42 elmotor 44 och uppvärmningsanordningen 41a kopplas på för att därigenom initiera en regenerering av det nu inaktiva första filtret 12a. Uppvärmningsanordningen 41a värmer upp luftflödet från luftblåsningsanordningen 42 och den uppvärmda luften leds in i filtret 12a för att höja temperaturen däri till en sådan nivå att för- bränning av de i filtret ackumulerade partiklarna kommer till stånd. Härigenom regenereras det inaktiva filtret 12a. Förbrän- ningsgaserna som bildas under regenereringen av det inaktiva filtret 12a avges till avgasledningen 9 via det andra utloppet 20 hos återföringssystemet. När regenereringen av det inaktiva filt- ret 12a har fullbordats, exempelvis när en given tidsperiod har förflutit efter starten av regenereringsförloppet, stängs luftblås- nlngsanordningens 42 elmotor 44 och uppvärmningsanordningen 41a av och avstängningsventilen 46a stängs. När det nu aktiva andra filtret 12b har samlat upp en given mängd partiklar eller när en given tidsperiod har förflutit efter det att detta filter sattes i det aktiva tillståndet frånkopplar ventilanordningen 18 detta fil- ter 12b från inloppet 13 och ansluter i stället det första filtret 12a till inloppet 13 för att därigenom omkoppla det andra filtret 12b från aktivt till inaktivt tillstånd och det första filtret 12a från inak- tivt till aktivt tillstånd. Samtidigt frånkopplar ventilanordningen 21b utloppet 22b hos det andra filtret 12b från luftintaget 3 och ansluter i stället detta utlopp 22b till det andra utloppet 20 hos återföringssystemet, medan ventilanordningen 21a frånkopplar utloppet 22a hos det första filtret 12a från det andra utloppet 20 hos återföringssystemet och i stället ansluter detta utlopp 22b till luftintaget 3. Därefter öppnas avstängningsventilen 46b och luft- 10 15 20 25 536 843 blåsningsanordningens 42 elmotor 44 och uppvärmningsanord- ningen 41b kopplas på för att därigenom initiera en regenerering av det nu inaktiva andra filtret 12b. Förbränningsgaserna som bildas under regenereringen av det inaktiva filtret 12b avges till avgasledningen 9 via det andra utloppet 20 hos återföringssy- stemet. När regenereringen av det inaktiva filtret 12b har fullbor- dats stängs Iuftblåsningsanordningens elmotor 44 och uppvärm- ningsanordningen 41b av och avstängningsventilen 46b stängs.

Den ovan nämnda funktionssekvensen upprepas så länge som motorn 1 är i drift.

Den mängd partiklar som är ackumulerad i det aktiva filtret kan exempelvis fastställas genom mätning av tryckfallet över filtret och volymflödet genom filtret.

Avgasåterföringssystemet enligt föreliggande uppfinning är sär- skilt avsett att användas hos en stor förbränningsmotor med en motoreffekt av 500 kW eller mer. En sådan förbränningsmotor kan exempelvis vara ansluten till en generator för att alstra el- kraft i ett tåg eller fartyg eller vid en kraftstation.

Uppfinningen är naturligtvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna, utan en mängd möjligheter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fackman inom området, utan att denne för den skull avviker från uppfinningens grundtanke sådan denna definieras i de bifogade patentkraven. 10

Claims (11)

10 15 20 25 30 35 536 843

1. Patentkrav

2. Avgasåterföringssystem för återföring av avgaser från en av- gasledning hos en förbränningsmotor, särskilt en stor för- bränningsmotor med en motoreffekt av 500 kW eller mer, till ett luftintag hos denna, kännetecknat därav, att det inne- fattar: - ett filterarrangemang (11) för avlägsnande av partikelformiga beståndsdelar från avgaser som passerar genom återföringssystemet (10) från avgasledningen till motorns luftintag, varvid filterarrangemanget innefattar två eller fler parallellt med varandra anordnade partikelfilter (12a, 12b); - ventilmedel (17) för selektiv omkoppling av respektive filter (12a, 12b) mellan ett aktivt tillstånd och ett inaktivt till- stånd, varvid ventilmedlen (17) är anordnade att medge av- gaser att passera från avgasledningen till motorns luftintag via ett filter som är i det aktiva tillståndet och förhindra av- gaser att passera från avgasledningen till motorns luftintag via ett filter som är i det inaktiva tillståndet; - filterregenereringsmedel (40) för selektiv initiering av en regenerering av respektive filter (12a, 12b) när filtret är i det inaktiva tillståndet; - ett inlopp (13) för mottagning av avgaser från motorns avgasledning; - ett eller flera första utlopp (19a, 19b) som är anslutna till motorns luftintag för avgivning av återförda avgaser till luft- intaget; och - ett eller flera andra utlopp (20) som är anslutna till mo- torns avgasledning nedströms inloppet (13) för avgivning till avgasledningen av förbränningsgaser bildade under regene- reringen av respektive filter (12a, 12b).

3. Avgasåterföringssystem enligt krav 1, kännetecknat därav, att filterregenereringsmedlen (40) innefattar uppvärmnings- anordningar (41a, 41b) som är anslutna till varsitt av nämnda 11 10 15 20 25 30 35 536 843 filter (12a, 12b) för att generera värme till filtret för initie- ringen av en regenerering därav.

4. Avgasåterföringssystem enligt krav 2, kännetecknat därav, att filterregenereringsmedlen (40) innefattar en luftblàs- ningsanordning (42) för blàsning av luft genom respektive uppvärmningsanordning (41a, 41b) och in i det filter (12a, 12b) som är förbundet med uppvärmningsanordningen när en regenerering av filtret skall initieras.

5. Avgasåterföringssystem enligt krav 3, kännetecknat därav, att luftblåsningsanordningen (42) innefattar en fläkt (43), vars hastighet regleras av elmotor (44) för att därigenom re- glera temperaturen hos den varma luft som strömmar in i ett filter (12a, 12b) fràn den därmed förbundna uppvärmnings- anordningen (41a, 41b) när en regenerering av filtret skall initieras.

6. Avgasäterföringssystem enligt krav 3 eller 4, kännetecknat därav, att respektive filter (12a, 12b) innefattar ett första in- lopp (23a, 23b) för mottagning av avgaser från avgasled- ningen (9) och ett andra inlopp (24a, 24b) för mottagning av luft från luftblåsningsanordningen (42), varvid respektive uppvärmningsanordning (41a, 41b) är ansluten till det andra inloppet (24a, 24b) hos det filter som den hör till.

7. Avgasàterföringssystem enligt något av kraven 1-5, känne- tecknat därav, att en kylare (25) är anordnad mellan filtren (12a, 12b) och motorns luftintag för att kyla de återförda av- gaserna.

8. Avgasåterföringssystem enligt krav 6, kännetecknat därav, att en kondensatfälla (27) är anordnad mellan kylaren (25) och motorns luftintag.

9. Avgasåterföringssystem enligt nägot av kraven 1-7, känne- tecknat därav, att inloppet (13) hos äterföringssystemet (10) 12 10 15 20 25

10.

11. 536 843 innefattar ett uppfångningsrör (14) som är anordnat i mo- torns avgasledning med sin inloppsöppning (15) riktad mot den avsedda strömningsriktningen hos avgaser som ström- mar genom avgas|edningen. Avgasåterföringssystem enligt något av kraven 1-8, känne- tecknat därav, att en ventilanordning (21a, 21b) är anordnad nedströms respektive filter (12a, 12b) för att selektivt sätta utlopp (22a, 22b) hos filtret i förbindelse med åtminstone ett av nämnda ett eller flera första utlopp (19a, 19b) hos återföringssystemet eller med åtminstone ett av nämnda ett eller flera andra utlopp (20) hos återföringssystemet. Avgasåterföringssystem enligt något av kraven 1-9, känne- tecknat därav, att det innefattar en ventilanordning (28) an- ordnad mellan filtren (12a, 12b) och motorns luftintag, och en elektronisk styranordning (29) för styrning av ventilanord- ningen (28) för att därigenom reglera den mängd avgaser som återförs till motorn. Avgasåterföringssystem enligt något av kraven 1-10, känne- tecknat därav, att nämnda ventilmedel (17) är anordnade att omkoppla åtminstone ett av nämnda filter (12a, 12b) från ak- tivt till inaktivt tillstånd samtidigt som de omkopplar åtmin- stone ett annat av nämnda filter (12a, 12b) från inaktivt till aktivt tillstånd. 13