Verfahren und Vorrichtung zur Regeneration von Abgas-Filtersystemen

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen (1,1ʹ) für die Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahr­zeug-Dieselmotoren, durch Oxidation abgelagerter Partikeln, bei dem die Rußverbrennung während des Motorbetriebs durch einen Brenner (7,7ʹ) eingeleitet wird, wird ein Flammenstrahl hoher Strömungsgeschwindigkeit quer zur Zuströmrichtung (5) der zu reinigenden Abgase mit einer im Vergleich zur Regenerations­zeit kurzen Brenndauer unmittelbar auf im Bereich der Filter­oberfläche (8,8ʹ) vorhandenen Ruß gerichtet, so daß er die Abgase verdrängt und zugleich die Regeneration einleitet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­richtung zur Regeneration von Filtersystemen für die Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahrzeug-Diesel­motoren, durch Oxidation abgelagerter Partikeln, bei dem die Rußverbrennung während des Motorbetriebs durch einen Brenner eingeleitet wird.

[0002] Zur Verminderung der Partikelemissionen von Dieselmotoren werden Abgasnachbehandlungssysteme eingesetzt. Diese Nach­behandlungssysteme bestehen im wesentlichen aus Filtersyste­men, die die festen Anteile an der Partikelphase auffangen und sammeln. Die im Filter abgelagerten Partikeln führen zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes im Abgassystem. Der sich dabei erhöhende Abgasgegendruck bewirkt in Abhängig­keit von Drehmoment und Drehzahl eine Erhöhung des Kraft­stoffverbrauches, und er kann im Extremfall zu einem Still­stand des Motors führen. Aus diesem Grunde ist es er­forderlich, kontinuierlich oder intermittierend die im Fil­ter abgelagerten Partikeln zu beseitigen. Dies geschieht im allgemeinen durch Oxidation der abgelagerten Partikeln.

[0003] Die Oxidation der im Filter angesammelten Partikeln setzt bei Temperaturen oberhalb von 500 - 550 Grad C ein. Bei Ein­satz spezieller katalytischer Beschichtungen kann eine Ruß­oxidation schon bei 400 - 450 Grad C durchgeführt werden. Derartig hohe Temperaturen werden von Dieselmotoren aber nur im oberen Lastbereich erreicht. Daher ist eine ausrei­chend häufige Filterregeneration im Fahrbetrieb nicht sicher­gestellt.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen für die Abgase von Brenn­kraftmaschinen und eine zur Ausübung des Verfahrens geeig­ nete Vorrichtung zu schaffen bei dem bzw. der die Einlei­tung der Oxidation des abgelagerten Rußes durch Zufuhr von Sekundärenergie ohne bewegte Teile im Abgasstrom in ein­facher und wirksamer Weise erfolgen kann.

[0005] Ein Verfahren zur Regeneration von Diesel-Abgasreinigungs­anlagen, bei dem ein mit Kraftstoff gespeister Brenner ver­wendet wird, ist aus US-PS 4,481,767 bekannt. Dabei wird die Flamme des Brenners über einen rotierenden Flammenverteiler sequentiell auf das Filter gerichtet, um eine vollständige Verbrennung der gesammelten Partikeln zu erreichen. Es wer­den nicht Teile des Filters intermittierend regeneriert, sondern das zu regenerierende Filterteil wird intermittie­rend von der Flamme beaufschlagt, um den Ruß vollständig zu verbrennen. Der Flammenstrahl wird dabei durch eine Leit­vorrichtung auf die Filteroberfläche gelenkt.

[0006] In US-PS 4,299,600 ist ein Abscheider in der Abgasleitung eines Dieselmotors beschrieben, welcher eine gesteuerte Klappe enthält, die den Sammlungs- und den Regenerations­teil trennt. Die Regeneration erfolgt durch Einführen von Kraftstoff durch Düsen, wobei die Abgase durch die Klappe jeweils selektiv in eine von zwei Filtereinheiten geleitet werden.

[0007] Bei beiden beschriebenen Verfahren erfolgt kein intermit­tierendes Anzünden des abgelagerten Rußes, und bei den ent­sprechenden Einrichtungen sind bewegte Teile, z.B. Brenn­gasleitvorrichtungen und Klappen, vorgesehen, und die Flam­men können nicht direkt auf den abgelagerten Ruß zum Zweck des Anzündens auftreffen.

[0008] Demgegenüber ist bei einem Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen der eingangs bezeichneten Art gemäß der Er­findung vorgesehen, daß ein Flammenstrahl hoher Strömungs­geschwindigkeit quer zur Zuströmrichtung der zu reinigen­den Abgase mit einer im Vergleich zur Regerationszeit kurzen Brenndauer unmittelbar auf im Bereich der Filteroberfläche vorhandenen Ruß gerichtet wird, so daß er die Abgase ver­drängt und zugleich die Regeneration einleitet.

[0009] Während bei den beschriebenen bekannten Verfahren die Tren­nung der Abgase von dem zu regenerierenden Bereich des Fil­ters, die der Einhaltung der erforderlichen hohen Temperatur dient, mit bewegten Teilen erfolgt, wird in Anwendung der Erfindung eine Verdrängung der Abgase von dem zu regenerie­renden Filteroberflächenbereich dadurch sichergestellt, daß der Flammenstrahl quer zur Hauptströmungsrichtung angeordnet ist, so daß eine Vermischung von Abgas und Flammenstrahl weitgehend vermieden wird.

[0010] Die düsenartige Flammenaustrittsöffnung des Brenners ist vorzugsweise in einem solchen Abstand von der Filterstirn­fläche angeordnet, daß sich die Brennerflamme nicht mit dem Motorabgas vermischt, sondern dieses zu später zu regenerie­renden Bereichen verdrängt. So wird erreicht, daß sich der Ruß an der Filterstirnfläche sowohl durch die Temperatur­erhöhung als auch durch die Reaktion des Rußes mit den Radi­kalen in der Flamme, welche die Aktvierungsenergie zur Ruß­verbrennung senken, bei niedriger Energiezufuhr entzün­det und verbrennt. Da sich die Brennerflamme aufgrund der vorteilhaften Anordnung und Konstruktion des Brenners nicht mit dem Abgasmassenstrom des Motors vermischt, wird der Energieverlust des Regenerationssystems minimiert, so daß der notwendige Energieaufwand gegenüber den herkömmlichen Brennersystemen mit Wärmetransport durch das motorische Ab­gas vergleichsweise gering ist.

[0011] Der Brenner kann mit Dieselkraftstoff oder auch mit einem Gas oder einem anderen fluiden Kraftstoff betrieben werden. Die für den kurzzeitigen impulsartigen Brennerbetrieb not­wendige Verbrennungsluft wird aus einem Druckbehälter bereit­gestellt, welcher z.B. bei Nutzfahrzeugen vorteilhafter­weise durch die Kompressoranlage für die Fahrzeugbremse intermittierend aufgeladen wird.

[0012] Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Merkmale der Erfindung wird auf die Unteransprüche Bezug genommen.

[0013] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Filtersystem mit einer Brenneranordnung, die zur Ausübung des erfindungs­gemäßen Verfahrens geeignet ist.

Figur 2 zeigt schematisch einen Teil der Brennkammer der Brenneranordnung gemäß Figur 1.

[0014] In Figur 1 ist eine Brenneranordnung zur Einleitung der Ruß­oxidation dargestellt. Mehrere Partikelfilter sind mit einer Zwischenmatte 2 (2ʹ) in einem Blechmantel 3 (3ʹ) angeordnet, der mit Abgasrohr 4 des (nicht dargestellten) Verbrennungs­motors verbunden ist. Das zu reinigende Abgas strömt in Richtung des Pfeiles 5 zu den Filtern 1 (1ʹ).

[0015] In Wandung 6 des Abgasrohres 4 sind Brenner 7 (7ʹ) derart eingebaut, daß ihre Flamme auf die Stirnflächen 8 (8ʹ) der Filter 1 (1ʹ) gerichtet ist. Die Brenner 7 (7ʹ) bestehen aus einer düsenförmigen Brennermündung 9 (9ʹ) und einer Brenn­kammer 10 (10ʹ). Zur Verminderung der Wärmeleitung und da­mit zur Verminderung der Aufheizung der Brennkammer 10 (10ʹ) während des Motorbetriebes im oberen Lastbereich ist die Verbindung der Brennkammer 10 (10ʹ) zum Abgasrohr 4 mit Kühlrippen 11 (11ʹ) versehen. Hierdurch wird die Wärmezufuhr aus dem Abgas durch Wärmeleitung zur Brennkammer 10 (10ʹ) vermindert, wodurch die Verkokungsgefahr im Brennerstillstand verringert werden kann.

[0016] Der Brenner 7 (7ʹ) besitzt außerdem eine Kraftstoffzuführung 12 (12ʹ) mit Kraftstoffventil 13 (13ʹ), Luftkraftstoffinjek­tor 14 (14ʹ) und Brennerdüse 15 (15ʹ) zum Zerstäuber 16 (16ʹ) sowie eine Luftzuführung 17 (17ʹ). Die Verbrennungsluft wird aus Vorratsbehälter 18, der z.B. durch den Bremskompressor des Fahrzeugs (nicht gezeichnet) gefüllt wird, bereitgestellt.

[0017] Zum Zeitpunkt der Filterregeneration wird Luftventil 19 (19ʹ) und Kraftstoffventil 13 (13ʹ) durch eine Steuerleitung 20 (20ʹ) geöffnet. Aus dem Luftbehälter 18 strömt die Verbren­nungsluft über die Leitung 17 (17ʹ) zum Injektor 14 (14ʹ) und der Brennerdüse 15 (15ʹ) sowie zur Sekundärluftleitung 21 (21ʹ), wobei die Menge durch eine fest eingebaute Drossel 22 (22ʹ) einstellbar ist. Die Sekundärluft kann tangential und axial eingeleitet werden und dient zur besseren Ver­mischung und Ausbrennung der Brennkammer.

[0018] Der Kraftstoff kann z.B. aus einer (nicht dargestellten) Vorförderpumpe mit einem ausreichenden Druck zur Kraftstoff­zuführung 12 (12ʹ) transportiert werden, und er wird durch den Injektor 14 (14ʹ) mitgenommen. Im Injektor 14 (14ʹ) er­folgt die innige Vermischung von Kraftstoff und Luft, und das Kraftstoff-Luftgemisch zerstäubt an dem düsenartigen Zerstäuber 16 (16ʹ) in die Brennkammer 10 (10ʹ). Mit Zünder 23 (23ʹ) wird das Brennstoff-Luftgemisch gezündet. Als Zün­der kann eine Hochspannungsfunkzündung dienen sowie auch ein Glührohr oder ein Glühstift aus Keramik.

[0019] Die austretende Flamme von Brenner 7 ist direkt auf das Filter 1 gerichtet. Der Abgasvolumenstrom wird in diesem Bereich durch den Flammenstrahl verdrängt und durchströmt Filter 1ʹ. Bei Regeneration von Filter 1ʹ wird Brenner 7ʹ analog zur obigen Beschreibung gezündet. Die Flamme des Bren­ners 7ʹ verdrängt den Abgasvolumenstrom 5, welcher nun nur durch Filter 1 strömt.

[0020] Die Anordnung von Brenner und Filter ist nicht auf zwei Systeme beschränkt. Das Filter muß auch nicht aus mehreren Filtermonolithen aufgebaut sein. Vielmehr können die ver­schiedenen Regenerationsbereiche durch Anordnung von Bren­nern, deren Flammen unterschiedliche Oberflächenbereiche des Filters beaufschlagen, erzeugt werden.

[0021] In Figur 2 ist ein Ausschnitt der Brennkammer 10 bestehend aus der Luftzuleitung 17, Kraftstoffzuführung 12 und Injek­tor 14 sowie Zerstäuberdüse 16 dargestellt. In diesem Bereich erfolgt die Zündung mit einem elektrisch beheizten Glührohr 24, z. B. aus Keramik. Das Kraftstoff-Luftgemisch trifft in das Glührohr 24 beim Austreten aus Zerstäuberdüse 16 hinein und wird an der Wandung durch die hohen Temperaturen sicher entzündet.

[0022] Die Erfindung ist insbesondere in Bezug auf den Aufbau und die Wirkungsweise des Brenners 7 nicht begrenzt, und es kön­nen auch andere geeignete Brennerbauarten verwendet werden. Auch haben sich als Filtersysteme zur Sammlung der Partikeln mit intermittierender oder kontinuierlicher Partikelverbren­nung nicht nur keramische Filter mit Wabenstruktur, sondern auch Stahlwollefilter und keramischer Schaum mit und ohne katalytische Beschichtung bewährt.

[0023] Durch die Erfindung ist eine einfache und besonders wirk­same Filterregeneration mit niedrigem Sekundärenergiebedarf und ohne hindernde Strömungsleitvorrichtung möglich.

Ansprüche

1. Verfahren zur Regeneration von Filtersystemen für die Ab­gase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahrzeug­Dieselmotoren, durch Oxidation abgelagerter Partikeln, bei dem die Rußverbrennung während des Motorbetriebs durch einen Brenner eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flammenstrahl hoher Strömungsgeschwindigkeit quer zur Zu­strömrichtung der zu reinigenden Abgase mit einer im Ver­gleich zur Regenerationszeit kurzen Brenndauer unmittelbar auf im Bereich der Filteroberfläche vorhandenen Ruß ge­richtet wird, so daß er die Abgase verdrängt und zugleich die Regeneration einleitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenstrahl des Brenners intermittierend auf die zur Regene­ration vorgesehene Filterfläche auftrifft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter in mindestens zwei Regenerationsbereiche auf­geteilt wird, welche unabhängig voneinander durch einen Flammenstrahl beaufschlagt werden können, und daß für jeden Regenerationsbereich ein Brenner eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Abgasstrom durch den Flammenstrahl nur auf die nicht von der Flamme erfaßten Bereiche abgelenkt wird.

5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet durch einen in der Abgas­zuleitung eingebauten, auf das Filtermaterial gerichteten Brenner für fluide Kraftstoffe, dem Kraftstoff und Sauer­stoff bzw. Luft zur Mischung und gerichteten Verbrennung zugeführt werden, und dessen außerhalb der Abgaszuleitung befindliche Teile mit wärmeableitenden Mitteln, insbesonde­re Rippen, versehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner mit einem Glührohr versehen ist, das von dem Kraftstoff-Sauerstoff- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Zweck der Entzündung durchströmt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeich­net durch einen von dem Fahrzeugkompressor beaufschlagten Druckbehälter für die Druckluftversorgung des Brenners.

Zeichnung