DE3204176A1

DE3204176A1 - Vorrichtung zur verringerung der partikelemission von dieselmotoren durch abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE3204176A1
Application number: DE19823204176
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur EN
Current assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur EN
Priority date: 1982-02-06
Filing date: 1982-02-06
Publication date: 1983-08-11
Also published as: DE3204176C2

Description

Vorrichtung zur Verringerung der Partikelemission von Dieselmotoren durch Abgasnachbehandlung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung der Partikelemission von Dieselmotoren durch Abgasnachbehandlung in im Wechsel beaufschlagbaren regenerierbaren Filtern.
Der gute Wirkungsgrad von Dieselmotoren und der daraus resultierende vergleichsweise geringe Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen mit diesen Motoren hat zu einem verstärkten Einsatz von Dieselmotoraggregaten geführt. Nachteiligerweise steht den guten Motorwirkungsgraden eine erhöhte, umweltbelastende Partikelemission der Dieselmotoren gegenüber. Da innermotorische Maßnahmen allein nur eine begrenzte Absenkung der Partikelemissionen erlauben, wird mit Hilfe von Abgasnachbehandlungseinrichtungen versucht, die Partikel auf regenerierbaren Filtern aufzufangen.
Zu diesem Zweck ist bisher vorgeschlagen worden, das Abgas über ein oder mehrere Filter zu leiten, in denen die Partikel gesammelt werden und zur Filterregeneration intermittierend verbrannt werden.
Dies wird in einem bekannten Verfahren durch Aufheizung des gesamten Abgasstroms mit Hilfe von Sekundärenergie durchgeführt. Diese Form der Regeneration der vom Abgas beaufschlagten Filter ist nachteiligerweise schwierig, da sich der Abgasmassenstrom und die Abgas temperatur laufend ändern, erhöht den Kraftstoffverbrauch und ist problematisch hinsichtlich der Selbst zerstörung des Filters durch zu hohe Temperaturen an der Filteroberfläche in Folge einer nicht steuerbaren exothermischen Rußoxidation.
Es ist zur zumindest teilweisen Lösung dieser Probleme versucht worden, im Wechsel beaufschlagte Partikelfilter einzusetzen, wobei das zu regenerierende Filter stromungstechnisch vom Motorabgas zeitweise abgekoppelt und dann mit einem heißen sauerstofShaltigen Gas zum Abbrennen des Russes beaufschlagt ist, währenddessen mittel eines zweiten Filters der Ruß aus dem Motorabgas herausgefiltert wird. Soll auf diesem zweiten Filter der Ruß abgebrannt werden, wird dieser vom Motorabgasstrom abgekoppelt und korrespondierend der andere Filter vom Motorabgas beaufschlagt. Nachteilig ist dabei daß zur Steuerung der verschiedenen Gasströme mehrere Leitungen mit Schließklappen verwendet werden müssen und auch zumindest zwei Brenner erforderlich sind, um das zur Filterregeneration erforderliche Gas bereitzustellen. Weiterhin sind diese Brenner bei steigender Filterbeladung einem stark wachsenden Abgasgegendruck ausgesetzt, der konstruktiv beherrscht werden muß.
Der Erfindung liegt in Anbetracht dieses beschriebenen Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, unter Meidung der aufgeführten Nachteile eine einfachere, weniger Teile aufweisende, steuerungstechnisch leicht beherrschbare Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verringerung der Partikelemission von Dieselmotoren zu schaffen, mit der die Filterregeneration ohne Gefahr einer Selbstzerstörung des Filters mit vergleichsweise geringen Kraftstoffmengen durchführbar ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Abgaslei tung des Dieselmotors eine Umlenkeinrichtung zur wechselweisen Beaufschlagung zweier getrennter Filter mit dem Abgasstrom angeordnet ist. Die Umlenkeinrichtung ist vorzugsweise eine Klappe mit zwei Schließstellungen.Damit besteht der der Erfindung zugrundelYgende G danke darin, nur eine einzige Klappe so in den Abgas strom des Dieselmotors zu integrieren, daß diese den Motorabgasstrom auf einen ersten Filter lenkt, während der andere Filter regeneriert wird.
Hierzu können ein oder mehrere Verdampfungs- oder Zerstäubungsbrenner oder mit den Filtern kombinierte elektrische Widerstandsheizelemente vorgesehen sein. Erstere wirken in der Weise, daß ein zur Filterregeneration ausreichend heißes Gas zum Abbrennen des gesammelten Russes erzeugt und auf den Filter gelenkt wird, während letztere unter Verwendung von Materialien mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand die zur Rußverbrennung erforderlichen Temperaturen im Filter selbst elektrisch erzeugen. Bei dieser Ausführungsform kann der Widerstandswerkstoff mit dem Filtermaterial kombiniert oder identisch sein, so daß allein eine elektrische Aktivierung erforderlich ist, um die selbsttätige Rußverbrennung durchzuführen.
In zweckmäßiger Augestaltung der Erfindung ist eine nach dem derzeitigen Entwicklungsstand bevorzugt einzusetzende Abgasnachbehandlungsvorwichtung vorgeschlagen worden, bei der die Abgas leitung des Dieselmotors an-ein kreuzförmiges Rohrverbindungsstück mit darin angeordneter Umlenkeinrichtung angeschlossen ist, deren zwei zur Abgasleitung seitlichen Anschlüsse mit den die beiden Filter aufweisenden Leitungen verbunden sind und deren zur Abgas leitung gegenüberliegender Anschluß zu einem einzigen Verdampfungs- oder Zerstäubungsbrenner derart führt, daß dieser strömungstechnisch nur mit dem in Abhängigkeit von der Stellung der Umlenkeinrichtung jeweils nicht vom Abgas beaufschlagten Filter in Verbindung steht.
Hierdurch ist erreicht, daß mit einer einzigen Umlenkeinrichtung (Klappe) sowohl die Steuerung des Motorabgasstroms wechselweise auf die Filter vorgenommen werden kann als auch das zur Filterregeneration erforderliche heiße Gas gleichzeitig zwangsweise von dem einzigen Brenner auf den nicht vom Abgas beaufschlagten, intermittierend zur regenerierenden Filter gelenkt wird. Nachdem der erste Filter mit Ruß beladen ist, steuert die Umlenkeinrichtung beide Massenströme so , daß der erste Filter frei brennt und der zweite das Abgas filtriert usw.. Hiermit ist eine außerordentliche technische und funktionsmäßige Vereinfachung bei gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Wirksamkeit und erhöhter Sicherheit erreicht.
Die vorzugsweise als Umlenkeinrichtung verwendete Klappe kann rund oval oder rechteckig in kreisförmigem Querschnitt sein. Die Abdichtung kann in herkömmlicher Weise, beispielsweise durch in der Rohrwand eingearbeitete Nuten bzw. Anschlagleisten, an denen die Klappt in den Endstellungen anliegt, verbessert werden. Ferner können Lecl verluste dadurch verkleinert werden, daß durch eine Abschrägung des Klappenrands eine Anpassung der Klappenform an den Rohrquerschnitt vorgenommen wird.
Die Filter können aus keramischem oder metallischem Material bestehen, und ebenso wie die Klappe zur Verminderung von Geruchsstoffen und von unverbrannten Kohlenwasserstoffen katalytisch beschichtet sein.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zuge hörigen Zeichnung, in der verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselmotorabgasen zwecks Verringerung der Partikelemission schematisch dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Umlenkeinrichtung für den Abgasstrom eines Dieselmotors zu zwei getrennten Fili Fig. 2 eine zweite, bevorzugte Ausführungsform einer Umlenkeinrichtung, Fig. 3 eine als Umlenkeinrichtung verwendbare ovale Klappe in zwei verschiedenen Ansichten, Fig. 4 eine als Umlenkeinrichtung verwendbare rechteckige Klappe in zwei verschiedenen Ansichten, Fig. 5 eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung schematisch in der Anordnung zu einem nicht aufgeladenen Motor, Fig. 6 eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung in einer Anordnung vor einer Abgasturbine und Fig. 7 eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung in einer Anordnung hinter einer Abgasturbine.
In Fig. 1 der Zeichnung ist in schematischer Darstellung die Funktionsweise einer in einer Abgasleitung integrierten Umlenkeinrichtung in Form einer Klappe zur wechselweisen Beaufschlagung zweier getrennter Filter mit dem Abgasstrom verdeutlicht. Die Vorrichtung zur Verringerung der Partikelemission eines Dieselmotors 1 weist grundsätzlich eine Abgasleitung 7 auf, die über ein Rohrverbindungsstück 5 aufgeteilt ist in zwei wechselweise beaufschlagbare Filterleitungen 8, 9 mit Filtern 2 bzw. 3. Das Rohrverbindungsstück 5 ist T-förmig und weist eine Umlenkklappe 10 auf, deren zwei Schließstellen zur Umlenkung des Abgasstroms zeichnerisch verdeutlicht sind. Der von den beiden Filterleitungen 8 und 9 eingeschlossene Winkel Q kann in Abhängigkeit von Strömungs- und Einbauverhältnissen stark variieren und auch in Form eines Zweibogen-T ausgebildet sein.
Das Motorabgas tritt durch die Abgasleitung 7 in Pfeilrichtung in das Rohrverbindungsstück 5 ein und wird hier von der Umlenkklappe 10 über den Filter 3 geleitet. Der Filter 2 kann währenddessen beispielsweise von heißem Brennerabgas beaufschlagt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist aber vorgesehen, die Filter 2 und 3 aus einem keramischen Filtermaterial mit hohem spezifischen Widerstand, im wesentlichen bestehend aus Siliciumcarbid herzustellen und jeweils den nichtbeaufschlagten Filter - gemäß Zeichnung den Filter 2 - mittels elektrischer Widerstandsheizung unter großer Leistung aufzuheizen und hiermit die Selbstverbrennung der im Filte abgeschiedenen Partikel in kurzer Zeit vorzunehmen. Nach dem Freibrennen des Filters 2 und der Beladung des Filters 3 schwenkt die Umlenkklappe 10 in die gestrichelte eingezeichnete Lage. Die Umsteuerung kann zeitabhängig oder druckabhängig vorgenommen werden.
Es strömt dann das Motorabgas durch den Filter 2, während der Filte 3 in der bereits beschriebenen Weise freigebrannt wird.
Bei der in Fig. 2 der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung besteht-das Rohrverbindungsstück 5 aus einem Kreuz element mit vier Verbindungsanschlüssen. Der gegenüber dem T-förmigen Rohrverbindungsstück zusätzlich vorhandene freie Anschluß ist zur Zuführung heißer Brenner abgase über eine Brenngasleitung 4 wechselweise zu den Filtern 2 und 3 vorgesehen. In der Darstellung wird das Motorabgas über die Abgasleitung 7 und die Umlenkklappe 10 durch das Rohrverbindungsstück 5 über den Filter 2 geleitet. Währenddessen kann Filter 3 von dem heißen Brennerabgas, das gemäß dem Pfeil in der Brenngasleitung 4 in das Rohrverbindungsstück 5 eintritt, beaufschlagt werden. Nach der Regeneration des Filters 3 und der Beladung des Filters 2 schwenkt die Umlenkklappe 10 in die gestrichelt eingezeichne Lage und strömt dann das Motorabgas durch den Filter 3, während Filter 2 freigebrannt wird. Die Erzeugung der Brennerabgase wird mittels eines einzigen Verdampfungs- oder Zerstäubungsbrenners an sich bekannter Art vorgenommen.
Zwei mögliche Ausführungsbeispiele der Umlenkklappe 1o sind in Fig. 3 und 4 der Zeichnung dargestellt. Fig. 3 zeigt eine ovale Umlenkklappe in einem kreisförmigen Rohrquerschnitt. Es ist erkennbar, daß die Umlenkklappe in den Endstellungen an in der Rohrwand eingearbeiteten Nuten 12 anliegt, mit denen Leckverluste verringert werden. Auch ist es möglich, durch Abschrägung des Klappenrands die Klappe an den genauen Rohrquerschnitt anzupassen oder andere zusätzliche Dichtmittel zu verwenden. Die Klappenwelle liegt quer zur Rohrlängsachse.
Fig. 4 der Zeichnung zeigt eine rechteckig ausgeführte Umlenkklappe in ihrer Anadnung in einem Rohrverbindungsstück 5. Die Mittellinien der Klappenwelle und des Rohrs, in welchem sich die Klappe bewegt, fallen in diesem Ausführungsbeispiel zusammen.
Verschiedene Möglichkeiten der Anordnung der beschriebenen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen zu einem Dieselmotor 1 sind in den Fig.
5, 6 und 7 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 5 die Anordnung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem nicht aufgeladenen Motor 1 unter Verwendung einer Umlenkeinrichtung gemäß Fig. 2 der Zeichnung.
Der Verdampfungs- oder Zerstäubungsbrenner ist mit der Bezugsziffer 11 gekennzeichnet.
Bei Motoren mit Abgasturboaufladung unter Verwendung eines Laders 6 besteht die Möglichkeit, die Abgasnachbehandlungseinrichtung sowohl vor (Ausführungsform gemäß Fig. 6 der Zeichnung) als auch nach (Ausführungsform gemäß Fig. 7 der Zeichnung) der Abgasturbine 6 anzuordnen. Bei einer Anordnung vor der Turbine 6 ist die Benutzung einer zweiten Umlenkklappe 13 nach den Filtern 2/3 sinnvoll, weil hiermit die Brennerabgase direkt in einem Abgaskanal hinter der Turbine 6 geleitet werden können. Der Brenner 11 bracht bei der Regeneration dadurch nur einen geringen Abgasgegendruck zu überwinden.
Insgesamt ergibt sich als Vorteil der bevorzugten Ausführungsform der beschriebenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung, daß nur eine Umlenkeinrichtung notwendig ist und daß nur sie vom Abgas sowie auf der jeweiligen Rückseite vom heißen Regenerationsgas beaufschlagt wird. Es ist ferner nur ein Verdampfungs- oder Zerstäubungsbrenner zur Bereitstellung der Regenerationsgase erfoderlich, so daß die Vorrichtung in ihrer Gesamtheit apparativ und funktional sehr einfach aufgebaut ist. Der Brenner liegt strömungstechnisch immer im nicht vom Motorabgas beaufschlagten Bereich. Dadurch braucht er nur geringen Gegendruck bei der Regeneration zu überwinden und kan nicht vom Motorabgas durchströmt werden. Die Brennerhaltbarkeit ist dadurch vergrößert und es besteht keine Verkokungsgefahr. Dementsprechend vereinfacht sich die Wartung.
Die Regeneration ist durch Dosierung der Kraftstoffzufuhr zur Brennkammer des Brenners regelbar. Eine Selbstzerstörung der Filte: kann in einfacher Weise in allen Last- und Drehzahlbereichen durch Abschaltung der Kraftstoffzufuhr und/oder Umsteuerung des Abgas stroms vermieden werden. Die zur Filterregeneration erforderliche Kraftstoffmenge ist klein, da nur ein geringer Heißgasstrom zur Regeneration erforderlich ist.
Bezugszeichenliste: 1 Dieselmotor 2 Filter 3 Filter 4 Brenngasleitung 5. Rohrverbindungsstück 6 TuRDlader 7 Abgas leitung 8 Filterleitung 9 Filterleitung 10 Umlenkklappe 11 Brenner 12 Nuten 13 Umlenkklappe Leerseite

Claims

Ansprüche: W Vorrichtung zur Verringerung der Partikelemission von Dieselmotoren durch Abgasnachbehandlung in im Wechsel beaufschlagbaren regenerierbaren Filtern, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (7) des Dieselmotors (1) eine Umlenkeinrichtung (5, 10) zur wechselweisen Beaufschlagung zweier getrennter Filter (2, 3) mit dem Abgasstrom angeordnet ist, die mit jeweils «rennter elektrischer- oder Brenner-Einrichtung (11) regenerierbar sind.
2. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung (5, 10) eine Klappe (10) mit zwei Schließstellungen aufweist.
3. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regeneration der Filter (2, 3) ein oder mehrere Verdampfungs- oder Zerstäubungsbrenner (11) oder mit den Filtern (2, 3) kombinierte elektrische Widerstandsheizelemente vorgesehen sind.
4. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Abgasleitung (7) des Dieselmotors (1) ein kreuzförmiges Rohrverbindungsstück (5) mit darin angeordneter Umlenkeinrichtung (10) angeschlossen ist, deren zwei zur Abgasleitung (7) seitlichen Anschlüsse mit den die beiden Filter (2, 3) aufweisenden Leitungen (8, 9) verbunden sind und deren zur Abgasleitung gegenüberliegender Anschluß (4) zu einem einzigen Verdampfungs- oder Zerstäubungsbrenner (11) derart führt, daß dieser strömungstechnisch nur mit dem in Abhängigkeit von der Stellung der Umlenkeinrichtung (10) jeweils nicht vom Abgas beaufschlagten Filter (2, 3) in Verbindungsteht.
5. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bi 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Umlenkeinrichtung verwendete Klappe (10) rund, oval oder rechteckig ist.
6. Abgasnachbehandlungsvorricht.ung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung, insbeson Klappe (10), gegenüber ihrer angrenzenden Gehäuse bz. Rohrwan abgedichtet ist.
7. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (2, 3) aus keramisch oder metallischem Material bestehen.
8. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (2, 3) und/oder die Umlenkeinrichtung (10) katalytisch beschichtet sind.
9. Abgaçnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Filterregnerierung mit diese kraftstoffbetriebene Brenner vorgesehen sind.
10. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsteuerung der Umlenkeinrichtung (10) zeitabhängig und/oder druckabhängig vorgenommen i