WO2011072407A1 - Partikelfiltervorrichtung - Google Patents

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WO2011072407A1
WO2011072407A1 PCT/CH2010/000145 CH2010000145W WO2011072407A1 WO 2011072407 A1 WO2011072407 A1 WO 2011072407A1 CH 2010000145 W CH2010000145 W CH 2010000145W WO 2011072407 A1 WO2011072407 A1 WO 2011072407A1
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WO
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burner
housing
particulate filter
fuel
spark plug
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PCT/CH2010/000145
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English (en)
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Inventor
Jiri Kavena
Original Assignee
Baumot Ag
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Publication date
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    • 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
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    • 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
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    • F01N2240/14—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a fuel burner
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    • F01N3/0256—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 the fuel being ignited by electrical means

Definitions

  • the invention relates to a particulate filter device according to the preamble of the independent claim.
  • Modern internal combustion engines, especially diesel engines are now increasingly equipped with particulate filter devices that filter out unwanted particles from the exhaust gas streams generated by the engines.
  • a known particulate filter device suitable for such purposes is e.g. described in document WO 2005/059324 AI.
  • the known particulate filter devices of this type have several significant disadvantages in practice.
  • the glow plugs used to ignite the fuel are (within the particulate filter device) in the exhaust stream and decease after a short time. This annoyance then leads to ignition difficulties. After repeated ignition attempts, deflagrations may occur, which may destroy the interior of the particulate filter device.
  • a particulate filter device of the generic type to the effect that on the one hand, a safe regeneration of the particulate filter is possible and on the other deflagration and consequent consequential damage can be avoided.
  • the solution of this problem underlying the invention consists in the inventive particulate filter device, as characterized in the characterizing part of the independent claim.
  • Preferred embodiments and further developments of the particulate filter device according to the invention are the subject matter of the dependent claims.
  • the particle filter device is provided with a fuel and airable, operating according to the principle of compressed air atomizing burner, the laterally projects at least partially into the housing in the flow direction before the particle filter and a high voltage spark plug, by means of which of the burner produced fuel-air mixture is flammable, wherein the spark plug in the burner is fluidly shielded from the exhaust gas flow flowing through the particulate filter device.
  • the burner has essentially an outer jacket tube and a coaxial inner nozzle tube with an atomizer nozzle and the burner outside the housing with a fuel inlet for supplying fuel into the nozzle tube, at least one air inlet for the supply of Combustion air is provided in the nozzle tube and the jacket tube and a high voltage terminal electrically connected to the high voltage spark plug, and when the high voltage spark plug is disposed within the jacket tube in the vicinity of the atomizer nozzle.
  • the particulate filter device has a burner control, which controls the function of the burner, preferably with the inclusion of signals from sensors provided in the housing. At sensors preferably a flame monitoring sensor and various pressure and temperature sensors may be provided in the housing.
  • the burner is designed for a variable power range of about 4 kW to about 15 kW, the actual power is set by the burner control.
  • the power setting preferably takes place via the fuel supply into the burner.
  • a solenoid valve is provided for this purpose, which is controlled by the burner control, e.g. is clocked with a clock frequency of 50 Hz and variable duty cycle clocked.
  • the burner is advantageously designed so that it can work reliably even at back pressures of up to about 500 mbar.
  • the high voltage spark plug is connected to an ignition coil which is controlled by the burner control.
  • control controls the burner control the ignition coil clocked, with a clock frequency in the range of 20-30 Hz, preferably about 25 Hz. This ensures a reliable ignition even under difficult operating conditions.
  • the housing of the particulate filter device is composed of two or more coaxial housing parts, and in each case two axially adjacent housing parts are releasably sealed together by means of clamping rings.
  • This connection method is structurally extremely simple, requires no additional sealing elements and is stable and dense over wide temperature ranges.
  • the housing parts are provided at their or in the vicinity of their adjacent housing part facing ends with an outwardly projecting memoriss- ring flange, the designedsringflansche adjacent housing parts sealingly abut aneinder and the clamping rings each abutting a pair of each other Pass over peripheral ring flanges and press them axially against each other. In this way, can be dispensed with the use of special sealant.
  • the clamping rings each have two fixedly connected side walls, which form between them a radially inwardly open circumferential channel, in each of which a pair of abutting peripheral ring flanges project.
  • the side walls of the clamping rings are inclined relative to the peripheral ring flanges so that the peripheral ring flanges, which are overlapped by the clamping rings, are pressed axially against each other when the clamping rings are reduced in diameter and concomitantly reduced in diameter. Furthermore, it is structurally particularly advantageous if the clamping rings are formed open and can be tightened by a turnbuckle in the circumferential direction.
  • FIG. 1 is a partially cutaway overall oblique view of an embodiment of the inventive particulate filter device together with the typical environmental components in practical use on an internal combustion engine
  • Fig. 2 is an oblique view of the burner of the particulate filter device
  • Fig. 3 is a somewhat schematic axial sectional view of the burner.
  • the particle filter device shown in an overview in FIG. 1 comprises, in a manner known per se, essentially a housing designated as a whole by G and a particle filter F accommodated in said housing.
  • the housing G comprises a substantially tubular central portion Z and an inlet cap E with an inlet port ES and an outlet cap A with an outlet port AS.
  • the inlet cap E and the outlet cap A are at one end of the central portion Z in the manner described above by means of clamping rings S solvable but stable and tight.
  • the assembly of the particulate filter device is normally carried out so that the actual particulate filter F is inserted into the central portion Z of the housing G and then the inlet cap E and the outlet cap A attached to the central portion Z and clamped tightly with this.
  • the particulate filter device is inserted into the exhaust line of an internal combustion engine, specifically a diesel engine, designated M in FIG. 1, wherein the particle-laden exhaust gas produced by the engine is introduced into the particulate filter device via the inlet port ES.
  • the particulate-free exhaust gas filtered in the particulate filter device is discharged via the outlet port AS into the exhaust system of the engine.
  • the particle filter device is provided with a burner B operating on the principle of compressed air atomization.
  • the burner B is arranged in the region of the inlet cap E and projects there approximately radially into the housing G.
  • the structure of the burner B is shown in Figures 2 and 3.
  • a jacket tube 2 is supported, in the interior of which coaxially a smaller diameter nozzle tube 3 is fixed.
  • the jacket tube 2 is open at its inner end.
  • the nozzle tube 3 is shorter than the jacket tube 2 and has an atomizer nozzle 4 at its inner end.
  • a high voltage spark plug 5 is positioned in the jacket tube 2.
  • swirl elements 6 and 7 are arranged.
  • a fuel inlet 8, two air inlets 9 and 10 and a high voltage terminal 1 1 are arranged.
  • the high voltage terminal 1 1 is electrically connected to the high voltage spark plug 5.
  • the fuel inlet 8 serves to supply fuel (diesel oil) into the nozzle tube 3.
  • the air inlet 9 opens into the intermediate space between the nozzle tube 3 and the jacket tube 2 and serves to supply combustion air into this intermediate space.
  • the air inlet 10 is provided for the supply of combustion air into the nozzle tube 3. In practice, as shown in Fig. 1, instead of the two separate air inlets 9 and 10, only a single air inlet may be provided, wherein the distribution of the supplied combustion air then by (not shown) lines within the burner B takes place.
  • the particulate filter device is further equipped with various sensors which detect the relevant operating states of the particulate filter device.
  • a temperature sensor 21 In the inlet cap E is a temperature sensor 21, a pressure sensor 22 and a flame monitoring sensor 23.
  • a further temperature sensor 24 is provided in the outlet cap A.
  • These sensors 21-24 communicate with a burner controller BC and a data logger 30.
  • the burner controller BC controls the burner B on the basis of the pressure and temperature measurements supplied by the sensors.
  • the data logger 30 records the most important measured values during the operation of the particle filter device.
  • two display devices 40 and 50 are provided, which are connected to the data logger 30 and the burner control BC, respectively, and permit the display of interesting measured values and functional data.
  • the engine M receives the fuel (diesel oil) from a fuel tank T. From this tank T is supplied via a fuel line 60 and the burner B, the fuel. In the fuel line 60, a fuel filter 61, a magnetic safety valve 62, a fuel pump 63 with about 2 bar and a flow control device in the form of a solenoid valve 64 are provided, which is controlled by the burner control BC with a clock frequency of 50 Hz with variable duty cycle becomes. The amount of fuel supplied to the burner B is controlled by the duty cycle.
  • the combustion air is supplied to the burner B via a compressed air line 70 from a compressed air tank P (or compressor). In the compressed air line are a magnetic safety valve 71 and a pressure regulator 72, which reduces the operating pressure of the burner B supplied combustion air to about 1 bar.
  • the high voltage spark plug 5 is connected via the high voltage terminal 1 1 with an ignition coil 80, which is electrically powered by the burner control BC with a frequency of about 25 Hz and generates high voltage pulses of about 20 kV.
  • the burner B is designed so that it can be driven with powers of about 4 kW to about 15 kW, the power control is performed by the burner control BC via appropriate adjustment of the duty cycle in the control of the solenoid valve 64.
  • the combustion air is supplied to the combustion chamber via two separate ways. Approximately 30% of the combustion air flow through the nozzle tube 3 and provide for the atomization of the fuel at the atomizer nozzle 4. The remaining combustion air is passed through the jacket tube 2 and swirled there by means of the swirl elements 6 and 7. This measure has the effect of achieving soot-free combustion even with small burner outputs down to about 4 kW.
  • the air and fuel inlets 8-10 are designed so that the burner B remains functional at back pressures up to 500 mbar.
  • the high voltage spark plug 5 is fluidically isolated from the exhaust gas flow to be liberated from particles.
  • the ignition of the burner B can therefore not be disturbed by the exhaust gas flow.
  • the flame of the burner is still monitored by means of the flame monitoring sensor.
  • the fuel supply to the burner during a false start is switched off after a short time via the burner controller BC, so that it can not come to explosions in the particulate filter device.
  • Another advantage of using a burner B of the type described is that here always a sufficient supply of oxygen for the burner flame is present, so that a stable holding flame is maintained even at high back pressure peaks.
  • fuel is injected in an uncontrolled manner and one has to rely on the residual oxygen content in the exhaust gas stream, which can lead to ignition delays.
  • the burner controller BC starts the burner B and thus the regeneration of the particulate filter F when the pressure detected by the pressure sensor 22 exceeds a certain switch-on pressure.
  • Burner B is switched off again when the pressure has fallen below a certain switch-off pressure or a switch-off temperature in the housing after the particulate filter F is reached. Additionally or alternatively, a time limit of the burning time may be provided.
  • the burner controller BC preferably has at least the following functions:
  • the two display devices 40 and 50 can be designed to display the following quantities:

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Abstract

Eine Partikelfiltervorrichtung umfasst ein längliches, im Wesentlichen rohrförmiges Gehäuse (G), das an einem Ende einen Einlassstutzen (ES) für partikelbeladenes Abgas und am anderen Ende einen Auslassstutzen (AS) für von Partikeln befreites Abgas aufweist. Im Gehäuse (G) ist zwischen dem Einlassstutzen (ES) und dem Auslassstutzen (AS) ein Partikelfilter (F) untergebracht. Die Vorrichtung umfasst ferner einen mit Kraftstoff und Luft speisbaren, nach dem Prinzip der Druckluftzerstäubung arbeitenden Brenner (B), der in Strömungsrichtung vor dem Partikelfilter (F) wenigstens teilweise in das Gehäuse (G) hineinragt und eine Hochspannungszündkerze aufweist, mittels welcher vom Brenner erzeugtes Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündbar ist. Die Zündkerze ist strömungstechnisch gegenüber dem die Partikelfiltervorrichtung durchströmenden Abgasstrom abgeschirmt. Durch den speziell ausgebildeten Brenner (B) ist eine sichere Regenerierung des im Gehäuse (G) befindlichen Partikelfilters (F) gewährleistet.

Description

Partikelfiltervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Partikelfiltervorrichtung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Moderne Verbrennungsmotoren, speziell Dieselmotoren werden heute vermehrt mit Partikelfiltervorrichtungen ausgestattet, welche unerwünschte Partikel aus den von den Motoren erzeugten Abgasströmen ausfiltern. Eine für solche Zwecke geeignete bekannte Partikelfiltervorrichtung ist z.B. im Dokument WO 2005/059324 AI beschrieben.
Mit zunehmender Beladung des Partikelfilters sinkt einerseits dessen Effizienz und steigt anderseits der Druck im Abgassystem. Es ist daher erforderlich, den Partikelfilter von Zeit zu Zeit zu regenerieren. Dies geschieht in der Regel dadurch, dass Kraftstoff (Dieselöl) in die Partikelfiltervorrichtung eingespritzt und mittels einer Glühker- ze entzündet wird. Der brennende Kraftstoff verbrennt die auf dem Partikelfilter abgelagerten Partikel, wodurch der Partikelfilter wieder regenieriert wird.
Die bekannten Partikelfiltervorrichtungen dieser Art haben in der Praxis diverse erhebliche Nachteile. Die zur Entzündung des Kraftstoffs eingesetzten Glühkerzen befinden sich (innerhalb der Partikelfiltervorrichtung) im Abgasstrom und verrussen nach kurzer Zeit. Diese Verrussung führt dann zu Zündschwierigkeiten. Nach wiederholten Zündversuchen kann es zu Verpuffungen kommen, wodurch das Innenleben der Partikelfiltervorrichtung zerstört werden kann.
Ausgehend von dieser Problematik soll durch die vorliegende Erfindung eine Partikelfiltervorrichtung der gattungsgemässen Art dahingehend verbessert werden, dass einerseits eine sichere Regenerierung des Partikelfilters möglich ist und anderseits Verpuffungen und dadurch bedingte Folgeschäden vermieden werden. Die Lösung dieser der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabenstellung besteht in der erfindungsgemässen Partikelfiltervorrichtung, wie sie im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs charakterisiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemässen Partikelfiltervorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäss dem Hauptgedanken der Erfindung ist die Partikelfiltervorrichtung mit einem mit Kraftstoff und Luft speisbaren, nach dem Prinzip der Druckluftzerstäubung arbeitenden Brenner versehen, der in Strömungsrichtung vor dem Partikelfilter vorzugs- weise seitlich wenigstens teilweise in das Gehäuse hineinragt und eine Hochspannungszündkerze aufweist, mittels welcher vom Brenner erzeugtes Kraftstoff-Luft- Gemisch entzündbar ist, wobei die Zündkerze im Brenner strömungstechnisch gegenüber dem die Partikelfiltervorrichtung durchströmenden Abgasstrom abgeschirmt ist. Durch diesen speziell ausgebildeten Brenner mit der strömungstechnisch abge- schirmten Anordnung der Zündkerze kann unter praktisch allen erdenklichen Be- triebszuständen eine sichere Regenerierung des Partikelfilters gewährleistet werden.
Besonders zweckmässig und vorteilhaft ist es, wenn der Brenner im Wesentlichen ein äusseres Mantelrohr und ein dazu koaxiales inneres Düsenrohr mit einer Zerstäuber- düse aufweist und der Brenner ausserhalb des Gehäuses mit einem Kraftstoffeinlass zur Zufuhr von Kraftstoff in das Düsenrohr, mindestens einem Lufteinlass zur Zufuhr von Verbrennungsluft in das Düsenrohr und das Mantelrohr und einem mit der Hochspannungszündkerze elektrisch verbunden Hochspannungsanschluss versehen ist, und wenn dabei die Hochspannungszündkerze innerhalb des Mantelrohrs in der Nähe der Zerstäuberdüse angeordnet ist. Durch diese Ausbildung des Brenners wird nur ein Teil der Verbrennungsluft der Zerstäuberdüse zugeführt, der andere Teil gelangt durch das Mantelrohr in den Verbrennungsraum. Dies hat den Vorteil, dass der Brenner auch bei relativ kleinen Leistungen von bis hinunter zu z.B. 4 kW russfrei gefahren werden kann. Vorteilhafterweise kann dieser Effekt noch dadurch verbessert wer- den, dass zwischen dem Mantelrohr und dem Düsenrohr Drallelemente vorgesehen sind, welche den durch das Mantelrohr strömenden Luftstrom verwirbeln. Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung weist die erfindungsgemässe Partikelfiltervorrichtung eine Brennersteuerung auf, welche die Funktion des Brenners vorzugsweise unter Einbezug der Signale von im Gehäuse vorgesehenen Sensoren steuert. An Sensoren können vorzugsweise ein Flammenüberwachungssensor sowie verschiedene Druck- und Temperatursensoren im Gehäuse vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise ist der Brenner für einen variablen Leistungsbereich von ca. 4 kW bis ca. 15 kW ausgelegt, wobei die tatsächliche Leistung von der Brennersteuerung eingestellt wird. Die Leistungseinstellung erfolgt vorzugsweise über die Kraftstoffzu- fuhr in den Brenner. Zweckmässigerweise ist dazu in der Kraftstoffzufuhrleitung zum Brenner ein Magnetventil vorgesehen, das von der Brennersteuerung z.B. mit einer Taktfrequenz von 50 Hz und variablem Tastverhältnis getaktet angesteuert wird. Der Brenner ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass er auch bei Gegendrücken von bis zu ca. 500 mbar zuverlässig arbeiten kann.
Die Hochspannungszündkerze ist an eine Zündspule angeschlossen, welche von der Brennersteuerung gesteuert wird. Vorteilhafterweise steuert die Brennersteuerung die Zündspule getaktet an, und zwar mit einer Taktfrequenz im Bereich von 20-30 Hz, vorzugsweise etwa 25 Hz. Dies gewährleistet eine sichere Zündung auch unter schwierigen Betriebsverhältnissen.
Gemäss einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist das Gehäuse der Partikelfiltervorrichtung aus zwei oder mehreren koaxialen Gehäuseteilen zusammengesetzt, und jeweils zwei axial benachbarte Gehäuseteile sind mittels Spannringen lösbar dicht miteinander verbunden. Diese Verbindungsmethode ist konstruktiv äusserst einfach, benötigt keine zusätzlichen Dichtungselemente und ist über weite Temperaturbereiche stabil und dicht.
Vorzugsweise sind dabei die Gehäuseteile an ihren oder in der Nähe ihrer einem benachbarten Gehäuseteil zugewandten Enden mit einem auswärts ragenden Umfangs- ringflansch versehen, wobei die Umfangsringflansche benachbarter Gehäuseteile dichtend aneinder anliegen und die Spannringe je ein Paar aneinander anliegender Umfangsringflansche übergreifen und diese axial gegeneinander pressen. Auf diese Weise kann auf den Einsatz spezieller Dichtungsmittel verzichtet werden.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Spannringe je zwei fest mit- einander verbundene Seitenwände auf, die zwischen sich einen radial nach innen offenen Umfangskanal bilden, in welchen je ein Paar aneinander anliegender Umfangs- ringflanschen hineinragen.
Besonders zweckmässig und vorteilhaft ist es dabei, wenn die Seitenwände der Spannringe relativ zu den Umfangsringflanschen geneigt verlaufen, so dass bei einer Umfangsverringerung und damit einhergehenden Durchmesserverringerung der Spannringe die von den Spannringen übergriffenen Umfangsringflansche axial gegeneinander gepresst werden. Ferner ist es konstruktiv besonders vorteilhaft, wenn die Spannringe offen ausgebildet sind und mittels eines Spannschlosses in Umfangsrichtung zusammengezogen werden können.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung in Kombination mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Gesamt-Schrägansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Partikelfiltervorrichtung zusammen mit den typischen Umgebungskomponenten im praktischen Einsatz an einem Verbrennungsmotor,
Fig. 2 eine Schrägansicht des Brenners der Partikelfiltervorrichtung und
Fig. 3 eine etwas schematisierte Axialschnittdarstellung des Brenners.
Die in der Fig. 1 in einer Übersichtsdarstellung gezeigte Partikelfiltervorrichtung um- fasst in an sich bekannter Weise im Wesentlichen ein als Ganzes mit G bezeichnetes Gehäuse und einen in diesem untergebrachten Partikelfilter F. Das Gehäuse G umfasst einen im Wesentlichen rohrförmigen Zentralabschnitt Z und eine Einlasskappe E mit einem Einlassstutzen ES sowie eine Auslasskappe A mit einem Auslassstutzen AS. Die Einlasskappe E und die Auslasskappe A sind an je ei- nem Ende des Zentralabschnitts Z in der weiter oben beschriebenen Weise mittels Spannringen S lösbar aber stabil und dicht befestigt.
Der Zusammenbau der Partikelfiltervorrichtung erfolgt normalerweise so, dass der eigentliche Partikelfilter F in den Zentralabschnitt Z des Gehäuses G eingesetzt wird und dann die Einlasskappe E und die Auslasskappe A an den Zentralabschnitt Z angesetzt und dicht mit diesem zusammengespannt werden.
Im praktischen Einsatz ist die Partikelfiltervorrichtung in die Auspuffleitung eines in Fig. 1 mit M bezeichneten Verbrennungsmotors, speziell Dieselmotors eingesetzt, wobei das vom Motor erzeugte partikelbeladene Abgas über den Einlassstutzen ES in die Partikelfiltervorrichtung eingeführt wird. Das in der Partikelfiltervorrichtung gefilterte, partikelfreie Abgas wird über den Auslassstutzen AS in das Auspuffsystem des Motors abgeführt.
Gemäss dem wesentlichsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Partikelfiltervorrichtung mit einem nach dem Prinzip der Druckluftzerstäubung arbeitenden Brenner B versehen. Der Brenner B ist im Bereich der Einlasskappe E angeordnet und ragt dort etwa radial in das Gehäuse G hinein.
Der Aufbau des Brenners B ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. In einem Montageflansch 1 ist ein Mantelrohr 2 gehaltert, in dessen Innerem koaxial ein im Durchmesser kleineres Düsenrohr 3 befestigt ist. Das Mantelrohr 2 ist an seinem inneren Ende offen. Das Düsenrohr 3 ist kürzer als das Mantelrohr 2 und weist an seinem inneren Ende eine Zerstäuberdüse 4 auf. Knapp vor der Zerstäuberdüse 4 ist im Mantelrohr 2 eine Hochspannungszündkerze 5 positioniert. Zwischen dem Düsenrohr 3 und dem Mantelrohr 2 sind Drallelemente 6 und 7 angeordnet. Aussen am Brenner B sind ein Kraftstoffeinlass 8, zwei Lufteinlässe 9 und 10 und ein Hochspannungsanschluss 1 1 angeordnet. Der Hochspannungsanschluss 1 1 ist elektrisch mit der Hochspannungszündkerze 5 verbunden. Der Kraftstoffeinlass 8 dient zur Zuführung von Kraftstoff (Dieselöl) in das Düsenrohr 3. Der Lufteinlass 9 mündet in den Zwischenraum zwischen dem Dü- senrohr 3 und dem Mantelrohr 2 und dient zur Zufuhr von Verbrennungsluft in diesen Zwischenraum. Der Lufteinlass 10 ist für die Zufuhr von Verbrennungsluft in das Düsenrohr 3 vorgesehen. In der Praxis kann, wie in Fig. 1 dargestellt, anstelle der beiden getrennten Lufteinlässe 9 und 10 auch nur ein einziger Lufteinlass vorgesehen sein, wobei die Aufteilung der zugeführten Verbrennungsluft dann durch (nicht dar- gestellte) Leitungen innerhalb des Brenners B erfolgt.
Die Partikelfiltervorrichtung ist ferner mit diversen Sensoren ausgestattet, welche die relevanten Betriebszustände der Partikelfiltervorrichtung erfassen. In der Einlasskappe E befindet sich ein Temperatursensor 21, ein Drucksensor 22 und ein Flammen- Überwachungssensor 23. In der Auslasskappe A ist ein weiterer Temperatursensor 24 vorgesehen. Diese Sensoren 21-24 stehen mit einer Brennersteuerung BC und einem Datenprotokolliergerät (Data Logger) 30 in Verbindung. Die Brennersteuerung BC steuert aufgrund der ihr von den Sensoren zugeführten Druck- und Temperaturmesswerte den Brenner B. Das Datenprotokolliergerät 30 protokolliert die wichtigsten Messwerte während des Betriebs der Partikelfiltervorrichtung. Zusätzlich sind noch zwei Anzeigegeräte 40 und 50 vorgesehen, welche mit dem Datenprotokolliergerät 30 bzw. der Brennersteuerung BC in Verbindung stehen und die Anzeige interessierender Messwerte und Funktionsdaten gestatten.
Der Motor M bezieht den Treibstoff (Dieselöl) aus einem Treibstofftank T. Aus diesem Tank T wird über eine Kraftstoffleitung 60 auch dem Brenner B der Kraftstoff zugeführt. In der Kraftstoffleitung 60 sind ein Kraftstofffilter 61 , ein magnetisches Sicherheitsventil 62, eine Kraftstoffpumpe 63 mit ca. 2 bar Leistung und ein Durch- flussregelorgan in Form eines Magnetventils 64 vorgesehen, welches von der Brennersteuerung BC mit einer Taktfrequenz von 50 Hz mit variablem Tastverhältnis angesteuert wird. Die Menge des dem Brenner B zugeführten Kraftstoffs wird dabei anhand des Tastverhältnisses gesteuert. Die Verbrennungsluft wird dem Brenner B über eine Druckluftleitung 70 aus einem Druckluftbehälter P (oder Kompressor) zugeführt. In der Druckluftleitung befinden sich ein magnetisches Sicherheitsventil 71 und ein Druckregler 72, welcher den Betriebsdruck der dem Brenner B zugeführten Verbrennungsluft auf ca. 1 bar herabsetzt.
Die Hochspannungszündkerze 5 ist über den Hochspannungsanschluss 1 1 mit einer Zündspule 80 verbunden, welche von der Brennersteuerung BC mit einer Frequenz von ca. 25 Hz elektrisch gespeist wird und Hochspannungsimpulse von ca. 20 kV erzeugt.
Der Brenner B ist so ausgelegt, dass er mit Leistungen von ca. 4 kW bis ca. 15 kW gefahren werden kann, wobei die Leistungsregelung durch die Brennersteuerung BC über entsprechende Einstellung des Tastverhältnisses bei der Ansteuerung des Magnetventils 64 erfolgt. Die Verbrennungsluft wird dem Verbrennungsraum über zwei separate Wege zugeführt. Ca. 30% der Verbrennungsluft strömen durch das Düsenrohr 3 und sorgen für die Zerstäubung des Kraftstoffs an der Zerstäuberdüse 4. Die restliche Verbrennungsluft wird durch das Mantelrohr 2 geführt und dort mittels der Drallelemente 6 und 7 verwirbelt. Diese Massnahme bewirkt, dass auch bei kleinen Brennerleistungen bis hinab zu etwa 4 kW eine russfreie Verbrennung erreicht wird. Die Luft- und Kraftstoffeinlässe 8-10 sind so ausgelegt, dass der Brenner B bei Gegendrücke bis zu 500 mbar funktionsfähig bleibt.
Wie aus den Zeichnungsfiguren klar hervorgeht, ist die Hochspannungszündkerze 5 strömungstechnisch gegenüber dem von Partikeln zu befreienden Abgasstrom abge- schottet. Der Zündvorgang des Brenners B kann daher durch den Abgasstrom nicht gestört werden. Zusätzlich wird die Flamme des Brenners noch mittels des Flammenüberwachungssensors überwacht. Über die Brennersteuerung BC wird dabei die Kraftstoffzufuhr zum Brenner bei einem Fehlstart (erfolglose Zündung) nach kurzer Zeit abgeschaltet, so dass es nicht zu Explosionen in der Partikelfiltervorrichtung kommen kann.
Ein weiterer Vorteil des Einsatzes eines Brenners B der beschriebenen Art liegt darin, dass hier immer eine ausreichende Sauerstoffversorgung für die Brennerflamme vorliegt, so dass eine stabile Halteflamme auch bei hohen Gegendruckspitzen erhalten bleibt. Bei herkömmlichen Brennersystemen wird unkontrolliert Kraftstoff eingespritzt und man ist auf den Restsauerstoffgehalt im Abgasstrom angewiesen, was zu Zündverzögerungen führen kann.
Prinzipiell startet die Brennersteuerung BC den Brenner B und damit die Regenerierung des Partikelfilters F, wenn der vom Drucksensor 22 erfasste Druck einen bestimmten Einschaltdruck übersteigt. Der Brenner B wird wieder abgestellt, wenn der Druck unter einen bestimmten Ausschaltdruck gefallen ist oder eine Ausschalttempe- ratur im Gehäuse nach dem Partikelfilter F erreicht wird. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Zeitbegrenzung der Brenndauer vorgesehen sein.
Die Brennersteuerung BC hat vorzugsweise zumindest die folgenden Funktionen:
- Auswertung der von den Druck- und Temperatursensoren 21, 22 und 24 erfassten Messwerte
- Ansteuerung des Sicherheitsventils 62, der Kraftstoffpumpe 63 und des Kraftstoffmengenreglers 64
- Ansteuerung der Zündspule 80
- Flammenüberwachung in Verbindung mit dem Flammenüberwachungssensor 23 mit automatischem Wiederstart nach Fehlstart.
An der Brennersteuerung BC können folgende Parameter eingestellt werden:
- Einschaltdruck (Drucksensor 22), bei dem der Brenner gestartet wird: 0...200 mbar
- Ausschaltdruck (Drucksensor 22), bei dem der Brenner gestoppt wird: 0...200 mbar
- Ausschalttemperatur (Temperatursensor 21): 0...600°C
- Ausschalttemperatur (Temperatursensor 24): 0...600°C
- Brennzeitbegrenzung: 0...20 Minuten
- Brennerleistung: 20...100%
Die beiden Anzeigegeräte 40 und 50 können zur Anzeige folgender Grössen ausgebildet sein:
-Druck am Eingang der Partikelfiltervorrichtung (im Gehäuse)
-Gesamtbetriebszeit der Partikelfiltervorrichtung -Brennerbetriebszeit
-Anzahl Brennerstarts
-Temperatur am Eingang der Partikelfiltervorrichtung (im Gehäuse)
-Ein- und Ausschaltsoll werte für Temperatur und Druck
-Fehlermeldung incl. Fehlercode
-Brennerstatus
Die praktische Implementierung der Brennersteuerung BC anhand der vorstehenden Funktionen und Einstellparameter liegt im fachmännischen Könnensbereich und be- darf deshalb keiner näheren Erläuterung.

Claims

Patentansprüche
1. Partikelfiltervorrichtung mit einem länglichen, im Wesentlichen rohrförmigen Gehäuse (G), das an einem Ende einen Einlassstutzen (ES) für partikelbeladenes Abgas und am anderen Ende einen Auslassstutzen (AS) für von Partikeln befreites Abgas aufweist, und mit einem im Gehäuse (G) zwischen dem Einlassstutzen (ES) und dem Auslassstutzen (AS) untergebrachten Partikelfilter (F), dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Kraftstoff und Luft speisbarer, nach dem Prinzip der Druckluftzerstäubung arbeitender Brenner (B) vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung vor dem Par- tikelfilter (F) wenigstens teilweise in das Gehäuse (G) hineinragt und eine Hochspannungszündkerze (5) aufweist, mittels welcher vom Brenner erzeugtes Kraftstoff-Luft- Gemisch entzündbar ist, wobei die Zündkerze (5) strömungstechnisch gegenüber dem die Partikel filtervorrichtung durchströmenden Abgasstrom abgeschirmt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (B) seitlich in das Gehäuse (G) hineinragt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (B) im Wesentlichen ein äusseres Mantelrohr (2) und ein dazu koaxiales inneres Düsenrohr (3) mit einer Zerstäuberdüse (4) aufweist und dass der Brenner (B) ausserhalb des Gehäuses (G) mit einem Kraftstoffeinlass (8) zur Zufuhr von Kraftstoff in das Düsenrohr (3), mindestens einem Lufteinlass (9,10) zur Zufuhr von Verbrennungsluft in das Düsenrohr (3) und das Mantelrohr (2) und einem mit der Hochspannungszündkerze (5) elektrisch verbunden Hochspannungsanschluss (1 1) versehen ist, und dass die Hochspannungszündkerze (5) innerhalb des Mantelrohrs (2) in der Nähe der Zerstäuberdüse (4) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mantelrohr (2) und dem Düsenrohr (3) Drallelemente (6,7) vorgesehen sind, welche den durch das Mantelrohr (2) strömenden Luftstrom verwirbeln.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Brennersteuerung (BC) aufweist, welche die Funktion des Brenners (B) vorzugsweise unter Einbezug der Signale von im Gehäuse (G) vorgesehenen Sensoren (21, 22, 23, 24) steuert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (G) ein mit der Brennersteuerung (BC) zusammenarbeitender Flammenüberwachungssensor
(23) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (G) ein mit der Brennersteuerung (BC) zusammenarbeitender Drucksensor (22) vor- gesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (G) ein mit der Brennersteuerung (BC) zusammenarbeitender Temperatursensor (21, 24) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündspule (80) für die Hochspannungszündkerze (5) vorgesehen ist und dass die Brennersteuerung (BC) die Zündspule (80) mit einer Taktfrequenz im Bereich von 20-30 Hz, vorzugsweise etwa 25 Hz getaktet ansteuert.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennersteuerung (BC) die Zufuhr von Kraftstoff in den Brenner (B) mittels eines mit variablem Tastverhältnis getaktet betriebenen Magnetventils (64) steuert.
1 1. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (B) für einen Leistungsbereich von ca. 4 kW bis ca. 15 kW ausgelegt ist, wobei die effektive Leistung durch die Brennersteuerung (BC) gesteuert wird.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (B) bei Gegendrücken bis zu ca. 500 mbar arbeiten kann.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (G) aus zwei oder mehreren koaxialen Gehäuseteilen (E, Z, A) zu- sammengesetzt ist und dass jeweils zwei axial benachbarte Gehäuseteile (E,Z bzw. Z,A) mittels Spannringen (S) lösbar dicht miteinander verbunden sind.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4615173A (en) * 1983-11-09 1986-10-07 Hitachi, Ltd. Exhaust emission control apparatus for diesel engine
US20050153252A1 (en) * 2004-01-13 2005-07-14 Crawley Wilbur H. Method and apparatus for shutting down a fuel-fired burner of an emission abatement assembly
WO2008027144A2 (en) * 2006-08-31 2008-03-06 Caterpillar Inc. Spark plug having separate housing-mounted electrode

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