DE4431565A1 - Thermisches Regenerationsverfahren für ein Rußfilter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein thermisches Regenerationsverfahren für Rußfil
ter, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Verbrennung von Ruß in keramischen Filterkörpern praktisch jeder
bekannten Konstruktion, wird von dem aus der chemischen Verfah
renstechnik bekannten superadiabatischen Effekt beeinflußt. Dieser be
steht darin, daß die Verbrennungstemperatur beim Vordringen der Re
aktionsfront in die Tiefe des Filters durch Aufheizen des Oxidatorgases
am heißen Filterkörper und durch Vorwärmen der rußtragenden Gebiete
durch die heißen Abgase zur Überschreitung der zulässigen Temperatur
oder des zulässigen Temperaturgradienten des Filterkörpers führt, beson
ders bei monolithisch aufgebauten Filtern.
Der superadiabatische Effekt gewinnt an Bedeutung, wenn die folgenden
Voraussetzungen zutreffen:
- - Größere Erstreckung der rußtragenden Gebiete des Rußfilters in Hauptströmungsrichtung und dadurch lange Aufheizstrecken des Oxidatorgases.
- - Hohe spezifische Beladung, d. h. große eingelagerte Ruß menge und damit hohe Energiedichte bezogen auf die Wär mekapazität der rußtragenden Gebiete.
- - Geringer Durchsatz von Oxidatorgas und damit geringer Aus trag von Reaktionswärme aus dem Filterkörper.
Bisher sind die folgenden Ansätze zur Lösung des Problems der filter
schonenden Regeneration vor dem Hintergrund der geschilderten
Problematik bekannt geworden:
- - Kontrolle der Reaktion durch Begrenzung des Sauerstoffangebots, realisiert durch
- - Begrenzung des Oxidatorgasstroms
- - Kontrolle der Reaktion durch die Temperatur des Oxidatorgases, realisiert durch
- - Geringe spezifische Beladung. Dadurch Aufnahme der Reaktionswärme durch den Filterkörper bei unschädlicher Temperaturüberhöhung.
- - Dominant großer Durchsatz von Oxidatorgas, praktisch voll ständiger Austrag der Reaktionswärme aus dem Filterkörper.
Alle diese Regenerationsverfahren besitzen gravierende Verfahrensnach
teile.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein thermisches Regenerationsver
fahren anzugeben, das eine rasche und gründliche Regeneration des
Filterkörpers sicherstellt, ohne diesen durch thermische Überlastung zu
gefährden.
Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des An
spruchs 1. Bei dem vorgeschlagenen neuen Verfahren wird unter Nutzung
des superadiabatischen Effekts ein Temperaturfeld im Innern des Filter
körpers aufgebaut, durch dessen Einfluß auf die Geschwindigkeit der Oxi
dationsreaktion die Zone des vollständigen Rußabbrands von hinten nach
vorne, also entgegen der Hauptströmungsrichtung durch den Filterkörper
voranschreitet. Das aus der Brennzone austretende hocherhitzte Oxidator
gas gefährdet das Rußfilter nicht, da es keinen unverbrannten Ruß mehr
vorfindet, weshalb seine Temperatur nicht mehr steigen kann.
Es ist von Vorteil, daß die Verkleinerung der Vorwärmstrecke des Oxida
torgases im Rußfilter bei fortschreitendem Rußabbrand durch angepaßte
Erhöhung der Oxidatorgastemperatur am Rußfiltereintritt ausgeglichen
wird. Dadurch bleibt die intensive Oxidationsreaktion am rückwärtigen
Rand des Rußbelags erhalten, so daß eine rasche und gründliche Rege
neration des Rußfilters erreicht wird.
Vorteilhaft ist auch, daß die Temperatur des Oxidatorgases insbesondere
bei monolithisch aufgebauten Rußfiltern gegen Ende des Regenerations
prozesses gegenüber der dann erreichten Temperatur erhöht wird. Mo
nolithisch aufgebaute Filter weisen Randbereich mit nicht vernachlässig
barem Wärmeverlust nach außen auf. Durch die weitere Temperaturerhö
hung wird dieser Verlust ausgeglichen und eine vollständige Regeneration
der Randbereiche ermöglicht.
Es hat sich zur Durchführung des Regenerationsverfahrens als vorteilhaft
erwiesen, daß ein motorferner Regenerationsapparat für Wechselfilter
vorgesehen ist, mit einer Regenerationsvorrichtung zur Lieferung von Oxi
datorgas variierbarer Temperatur und mit einer elektronischen Steuervor
richtung, die in Wirkverbindung mit einer Druckmeßstelle vor Rußfilterein
tritt und mit einer Temperaturmeßstelle für die Eintrittstemperatur der Oxi
datorgase am Rußfiltereingang steht. Da der Druck vor Rußfilter in dem
Regenerationsapparat bei Oxidatorgasdurchsatz und Oxidatorgastempe
ratur bekannter Höhe gemessen wird, kann er zur Beladungserkennung
des Rußfilters verwendet werden. Auf diese Weise können Wechselfilter,
deren Beladungsdichte für eine thermische Regeneration zu hoch ist,
ausgeschieden werden.
Die entscheidende Größe zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen
Regenerationsverfahrens ist die Eintrittstemperatur des Oxidatorgases,
die von der elektronischen Steuervorrichtung gesteuert wird. Dies ge
schieht vorteilhafterweise unter Verwendung von Meßwerten und von
Kenndaten des jeweiligen Wechselfilters. Auf diese Weise kann der Re
generationsprozeß bezüglich Dauer und Energieaufwand optimiert wer
den.
Dies ist in besonderer Weise dann möglich, wenn bei der Führung des
Regenerationsprozesses ein thermodynamisches Modell des jeweils vor
liegenden Rußfilters und der Rußverbrennung sowie die im Rußfilter ein
gelagerte Rußmenge und zusätzlich zur Oxidatorgastemperatur am Ruß
filtereintritt auch die Temperatur der Abgase am Rußfilteraustritt berück
sichtigt werden. Das thermodynamische Modell beschreibt u. a. das Auf
heizverhalten des jeweiligen Wechselfilters und die Modellierung der
Rußverbrennung. Durch die zusätzliche Messung der Abgastemperatur
läßt sich der Ablauf der Regeneration exakt beobachten und steuern. Auf
diese Weise sind auch hoch beladene Rußfilter rasch und vollständig und
mit minimiertem Energieaufwand regenerierbar.
Von Vorteil ist auch, daß der monolithische Keramikfilterkörper in seinem
Austrittsbereich und in seinem Randbereich eine Beschichtung aufweist,
die die Zündtemperatur des Rußes herabsetzt. Dadurch wird der ange
strebte Start der intensiven Rußverbrennung am austrittsseitigen Ende
des Filterkörpers begünstigt. Die Beschichtung im Randbereich dient zur
Kompensation der dort herrschenden niedrigeren Temperaturen, die eine
Folge der Wärmeverluste nach außen sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be
schreibung und der Zeichnung, in der ein Regenerationsapparat für
Wechselfilter schematisch dargestellt ist.
Das erfindungsgemäße Regenerationsverfahren läßt sich mit vertretba
rem Aufwand nur bei möglichst konstantem Massenstrom und O₂-Gehalt
des Oxidatorgases verwirklichen. Dazu eignet sich insbesondere das Ne
benstromverfahren. Dieses läßt sich durch Ausblenden eines fahrzeug- oder
motorfesten Rußfilters aus dem Abgasstrom des Dieselmotors oder,
wie in der einzigen Abbildung dargestellt, mit Hilfe eines Wechselfilters 2
verwirklichen, das in einem motorfernen Regenerationsapparat 1
regeneriert wird. Bei dem Wechselfilter 2 handelt es sich in der Regel um
ein monolithisches Keramikfilter.
Der Regenerationsapparat 1 weist eine vorzugsweise elektrisch beheizte
Regenerationsvorrichtung 3 auf, die eine bestimmte Luftmenge mit wähl
barer Temperatur über eine Vorkammer 4 in das Wechselfilter 2 fördert.
In der Vorkammer 4 ist eine Druckmeßstelle 5 und eine Eintrittstempera
turmeßstelle 7, in einer Nachkammer 6 ist eine Austrittstemperaturmeß
stelle 7a vorgesehen. Die Regenerationsvorrichtung 3, die Vorkammer 4
und die Nachkammer 6 bilden eine bauliche Einheit, wobei das Wechsel
filter 2 zwischen die Vorkammer 4 und die Nachkammer 6 mittels
Schnellverschluß gasdicht einspannbar ist. Die Druckmeßstelle 5 dient
zur Erkennung der Beladung des Rußfilters, die Eintrittstemperaturmeß
stelle 7 zur Messung der Eintrittstemperatur des Oxidatorgases und die
Temperaturmeßstelle 7a zur Messung der Austrittstemperatur des Abga
ses, um die Intensität der Rußverbrennung zu beurteilen. Alle drei Meß
stellen stehen in Wirkverbindung mit einer elektronischen Steuervorrich
tung 8. Diese steht über eine Steuerleitung 9 in Wirkverbindung mit der
Regenerationsvorrichtung 3 und steuert unter Verwendung eines thermo
dynamischen Modells des Rußfilters 2 und in Kenntnis von dessen Bela
dung die Eintrittstemperatur des Oxidatorgases.
Der Regenerationsapparat 1 funktioniert folgendermaßen:
Das Wechselfilter 2 wird dem Fahrzeug oder Dieselmotor entnommen
und mittels Schnellverschluß in den Regenerationsapparat 1 gasdicht
eingespannt. Dann liefert die Regenerationsvorrichtung 3 Oxidatorgas
steigender Temperatur, um das Wechselfilter 2 langsam und damit
spannungsarm aufzuheizen.
Bei einer Oxidatorgastemperatur unterhalb der Zündtemperatur des
Rußes, wie zum Beispiel bei 400°C, wird der Gegendruck mittels Druck
meßstelle 5 gemessen und als Maß für die Beladungsdichte des Wech
selfilters 2 in das elektronische Steuergerät 8 eingegeben. Wechselfilter,
deren Beladungsdichte für eine thermische Regeneration zu hoch ist,
werden ausgeschieden.
Nun wird die Oxidatorgastemperatur gerade so gesteigert, daß die Ruß
oxidation mit geringer Intensität beginnt. Dabei erwärmt sich das Oxida
torgas unter Ausnutzung des superadiabatischen Effekts beim Durchströ
men der rußtragenden Gebiete durch Summation der dabei freigesetzten
Reaktionswärme gerade so stark, daß in deren Endbereich die intensive
Regeneration beginnt. Diese schreitet dann vom Rußfilteraustritt zu
dessen Eintritt voran. Die heißen Gase stromab der Regenerationszone
können ihre Temperatur mangels Ruß nicht steigern. Dadurch wird eine
thermische Überlastung des Filterkörpers vermieden.
Da mit zum Filtereintritt fortschreitender Reaktionsfront die Vorwärm
strecke des Oxidatorgases immer kürzer wird, muß dessen Einström
temperatur entsprechend angehoben werden.
Zur vollständigen Regeneration der Randzonen des Wechselfilters 2 muß
abschließend die Oxidatorgastemperatur wegen der dort herrschenden,
abkühlungsbedingt niedrigeren Temperatur angehoben werden, bevor das
Wechselfilter 2 durch allmähliches Absenken der Oxidatorgastemperatur
schonend abgekühlt wird.
Dieses Temperaturprogramm, das beim Aufheizen, Regenerieren und
Abkühlen Temperaturspannungen und Temperaturspitzen im Wechselfil
ter 2 vermeidet, wird von der elektronischen Steuervorrichtung 8 ge
steuert.
Durch einen die Zündtemperatur des Rußes absenkenden Belag im Aus
ström- und Umfangsbereich des Wechselfilters 2 kann der gewünschte
Startpunkt der Regeneration und die vollständige Regeneration auch der
Randbereiche mit größerer Sicherheit erreicht werden.
Claims (7)
1. Thermisches Regenerationsverfahren für ein Rußfilter, das vom
Abgas eines Dieselmotors mit Ruß beladen und durch Hindurchströmen
von heißem Oxidatorgas regeneriert wird, wobei die rußbeladenen Ge
biete eine Erstreckung in der Hauptdurchströmungsrichtung aufweisen
und eine im Nebenstrom arbeitende Regenerationsvorrichtung ein Oxida
torgas mit variierbarer Temperatur liefert,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidatorgastemperatur am Rußfilterein
tritt so geführt wird, daß die Rußoxidation beim Durchströmen der rußbe
ladenen Gebiete des Rußfilters (2) eine nur geringe Intensität aufweist
und daß erst im Endbereich des jeweils noch rußtragenden Gebiets durch
Summation der während des Durchströmens freigesetzten Reaktions
wärme eine signifikante Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wird.
2. Regenerationsverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleinerung der Vorwärmstrecke des
Oxidatorgases im Rußfilter (2) bei fortschreitendem Rußabbrand durch
angepaßte Erhöhung der Oxidatorgastemperatur am Rußfiltereintritt aus
geglichen wird.
3. Regenerationsverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Oxidatorgases insbe
sondere bei monolithisch aufgebauten Rußfiltern (2) gegen Ende des Re
generationsprozesses gegenüber der dann erreichten Temperatur erhöht
wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Regenerationsverfahrens nach
den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß ein motorferner Regenerationsapparat (1)
für Wechselfilter (2) vorgesehen ist, mit einer Regenerationsvorrichtung
(3) zur Lieferung von Oxidatorgas variierbarer Temperatur und mit einer
elektronischen Steuervorrichtung (8), die in Wirkverbindung mit einer
Druckmeßstelle (5) vor Rußfiltereintritt und mit einer Temperaturmeßstelle
(7) für die Eintrittstemperatur der Oxidatorgase am Rußfiltereintritt steht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuervorrichtung (8) die
Oxidatorgastemperatur am Rußfiltereintritt zur Führung des Regenera
tionsprozesses unter Verwendung von Meßwerten und von Kenndaten
des jeweiligen Wechselfilters (2) steuert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß bei der Führung des Regenerationspro
zesses ein thermodynamisches Modell des jeweils vorliegenden Rußfil
ters (2) und der Rußverbrennung sowie die im Rußfilter (2) eingelagerte
Rußmenge und zusätzlich zur Oxidatorgastemperatur am Rußfiltereintritt
die Temperatur der Abgase am Rußfilteraustritt berücksichtigt werden.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Rußfilter (2) einen monolithischen Ke
ramikfilterkörper aufweist, der in seinem Austrittsbereich und seinem
Randbereich mit einem die Zündtemperatur des Rußes herabsetzenden
Belag versehen ist.
Priority Applications (1)
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DE4431565A DE4431565C2 (de) | 1994-09-05 | 1994-09-05 | Thermisches Regenerationsverfahren für ein Rußfilter |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
R071 | Expiry of right | ||
R071 | Expiry of right |