NL2000584C1 - Internal combustion engine for motor vehicle, has exhaust fumes preheated by heat exchange with burner combustion gases before passing through soot filter - Google Patents

Abstract

A heat exchanger (4) is used to heat the exhaust fumes and a burner (5) is used to burn off fuel. The heat exchanger forms part of the exhaust fume outlet (2) and part of the combustion gas outlet (5) from the burner. These two parts are configured so that heat from the combustion gases is transferred to the exhaust fumes. The exhaust fume outlet includes a soot filter (3). The exhaust fumes are preheated before they reach the filter.

Description

VERBRANDINGSMOTORCOMBUSTION ENGINE

5 De uitvinding heeft betrekking op een verbrandingsmotor voorzien van een uitlaat voor het afvoeren van uitlaatgassen, welke uitlaat is voorzien van een roetfilter en een inrichting voor het verwarmen van de uitlaatgassen voordat deze het filter passeren.The invention relates to a combustion engine provided with an outlet for discharging exhaust gases, which outlet is provided with a soot filter and a device for heating the exhaust gases before they pass the filter.

1010

Een dergelijke verbrandingsmotor is beschreven in NL-1017570.Such an internal combustion engine is described in NL-1017570.

Een probleem in de vrachtauto- en autobusindustrie is de uitstoot van roetdeeltjes die vrijkomen bij het 15 verbrandingsproces van met name dieselmotoren. Om deze uitstoot te verminderen, wordt een roetfilter in de uitlaat aangebracht, welke gewoonlijk een katalysator en een deeltjesfilter omvat.A problem in the truck and bus industry is the emission of soot particles that are released during the combustion process of diesel engines in particular. To reduce these emissions, a soot filter is provided in the outlet, which usually comprises a catalyst and a particle filter.

Bij normaal gebruik van de motor, dat wil zeggen bij langere 20 ritten met een redelijk zware belasting, bereiken de uitlaatgassen een temperatuur die hoger is dan 300°C. Bij een dergelijk hoge temperatuur verbranden alle roetdeeltjes in het filter, zodat deze vanzelf wordt gereinigd. Dit verschijnsel wordt ook wel regeneratie genoemd.With normal use of the engine, ie with longer journeys with a fairly heavy load, the exhaust gases reach a temperature that is higher than 300 ° C. At such a high temperature, all soot particles in the filter burn, so that it is automatically cleaned. This phenomenon is also called regeneration.

25 Wanneer de temperatuur in de uitlaat niet voldoende hoog is, verbranden de roetdeeltjes niet volledig en hopen zij zich op in het roetfilter, welke vanzelf weer verbranden wanneer de temperatuur van de uitlaatgassen weer voldoende hoog is. Wanneer de belasting van de motor echter over het algemeen 30 genomen niet hoog genoeg is, wanneer het voertuig veel voor korte ritten wordt gebruikt bijvoorbeeld, bereiken de uitlaatgassen deze hoge temperatuur niet vaak genoeg waardoor de reiniging van het filter niet voldoende is en deze na verloop van tijd vervangen moet worden.When the temperature in the exhaust is not sufficiently high, the soot particles do not burn completely and they accumulate in the soot filter, which themselves burn again when the temperature of the exhaust gases is sufficiently high again. However, when the load of the engine is generally not high enough, when the vehicle is often used for short journeys, for example, the exhaust gases do not reach this high temperature often enough, so that the cleaning of the filter is not sufficient and, after this, expires must be replaced in time.

22

In de bekende inrichting is een elektrisch verwarmingselement geplaatst voor het roetfilter in de uitlaat, teneinde de uitlaatgassen van de verbrandingsmotor van het voertuig in zoverre te verhitten, dat de roetdeeltjes in de uitlaatgassen 5 en het roetfilter verbranden. Een dergelijke inrichting is echter complex en kostbaar.In the known device an electric heating element is placed in front of the soot filter in the exhaust, in order to heat the exhaust gases from the combustion engine of the vehicle to the extent that the soot particles in the exhaust gases 5 and the soot filter burn. However, such a device is complex and expensive.

Ook is er een inrichting bekend waarbij een dieselbrander in de uitlaat wordt aangebracht om zo de temperatuur van de uitlaatgassen op te voeren, teneinde complete verbranding van 10 de roetdeeltjes te bewerkstelligen. Het grote probleem hierbij is echter de betrouwbaarheid van de brander, welke ten slechte wordt beïnvloed door de uitlaatgassen waarin deze opereert. Indien de tegendruk van het filter oploopt zal dit direct een nadelig gevolg hebben voor het verbrandingsproces 15 van de dieselbrander. In het slechtste geval zal de ingespoten diesel niet verbranden en zich ophopen, om daarna ongecontroleerd te verbranden.A device is also known in which a diesel burner is provided in the exhaust in order to increase the temperature of the exhaust gases in order to effect complete combustion of the soot particles. The major problem here, however, is the reliability of the burner, which is adversely affected by the exhaust gases in which it operates. If the back pressure of the filter rises, this will immediately have a negative effect on the combustion process of the diesel burner. In the worst case, the injected diesel will not burn and accumulate, after which it will burn uncontrollably.

Het doel van de uitvinding is een verbrandingsmotor van de in 20 de aanhef genoemde soort, welke goedkoper, betrouwbaarder en/of efficiënter is.The object of the invention is a combustion engine of the type mentioned in the preamble, which is cheaper, more reliable and / or more efficient.

Daartoe is de inrichting voor het verwarmen van de uitlaatgassen een warmtewisselaar en een brander voor het 25 verbranden van een brandstof, welke warmtewisselaar een deel van de uitlaat en een deel van de afvoer voor het afvoeren van de verbrandingsgassen van de brander omvat, waarbij het deel van de afvoer en het deel van de uitlaat zich zodanig uitstrekken dat de warmte van de verbrandingsgassen kunnen 30 worden overgedragen aan de uitlaatgassen.To this end, the device for heating the exhaust gases is a heat exchanger and a burner for burning a fuel, which heat exchanger comprises a part of the outlet and a part of the outlet for discharging the combustion gases from the burner, the part of the outlet and the part of the outlet extend such that the heat from the combustion gases can be transferred to the outlet gases.

Bij voorkeur omvat een deel van de afvoer voor het afvoeren van verbrandingsgassen een verbrandingskamer voor een goede 3 warmteoverdracht.Preferably, a part of the discharge for discharging combustion gases comprises a combustion chamber for a good heat transfer.

Bij voorkeur is de beschreven brander een brander voor het verbranden de brandstof van de verbrandingsmotor, wat bij 5 voorkeur diesel is. Dit is voordelig, aangezien de meeste autobussen en vrachtauto's voorzien zijn van een dieselmotor en op deze manier maar één brandstof nodig is.The burner described is preferably a burner for burning the fuel of the combustion engine, which is preferably diesel. This is advantageous, since most buses and lorries are equipped with a diesel engine and in this way only one fuel is needed.

Bij voorkeur komen de afvoer van de verbrandingsgassen van de 10 brander en de uitlaat van de verbrandingsmotor motor samen, bijvoorbeeld na het geplaatste filter in deze uitlaat, om zo het aantal uitlaten van een voertuig niet te vermeerderen.Preferably, the exhaust of the combustion gases from the burner and the exhaust from the internal combustion engine come together, for example after the filter installed in this exhaust, so as not to increase the number of exhausts of a vehicle.

Bij voorkeur is de brander voorzien van een inrichting voor 15 het toevoeren van brandstof en zuurstof. En bij voorkeur is de brander verbonden met een regeloorgaan voor het uitschakelen van de brander. Dit regelorgaan is bij voorkeur verbonden met een temperatuursensor om de temperatuur van de uitlaatgassen te meten, om zo de brander uit te kunnen 20 schakelen wanneer de temperatuur van de uitlaatgassen een drempelwaarde, waarbij betere verbranding van de roetdeeltjes optreedt, heeft overschreven. Deze drempelwaarde ligt bij voorkeur tussen 380°C en 550°C, en meer bij voorkeur tussen 450°C en 500°C. Indien een katalysator in het filter wordt 25 toegepast liggen deze temperaturen lager.The burner is preferably provided with a device for supplying fuel and oxygen. And preferably the burner is connected to a control means for switching off the burner. This control member is preferably connected to a temperature sensor to measure the temperature of the exhaust gases, so as to be able to switch off the burner when the temperature of the exhaust gases has exceeded a threshold value at which better combustion of the soot particles occurs. This threshold value is preferably between 380 ° C and 550 ° C, and more preferably between 450 ° C and 500 ° C. If a catalyst is used in the filter, these temperatures are lower.

Bij voorkeur is ook de mogelijkheid aanwezig het regelorgaan handmatig te bedienen, in gevallen wanneer het niet wenselijk is de temperatuur van de uitlaatgassen te verhogen.Preferably, there is also the option of manually operating the control member in cases where it is not desirable to raise the temperature of the exhaust gases.

In een bijzondere uitvoeringsvorm is er een tweede roetfilter geplaatst in de afvoer van de verbrandingsgassen van de brander, teneinde de uitstoot van roetdeeltjes als gevolg van 30 4 het verbrandingsproces van de brander van diesel te reduceren.In a special embodiment, a second soot filter is placed in the outlet of the combustion gases from the burner, in order to reduce the emission of soot particles as a result of the combustion process of the diesel burner.

In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding omvat de 5 inrichting voor het verwarmen van de uitlaatgassen voorts een tweede warmtewisselaar, welke tweede warmtewisselaar een eerste deel van de uitlaat omvat dat zich tussen de motor en de eerste warmtewisselaar bevindt, en een tweede deel van de uitlaat dat zich tussen het roetfilter en het uiteinde van de 10 uitlaat bevindt, waarbij het eerste en tweede deel zich zodanig uitstrekken dat de warmte van de uitlaatgassen die uit het roetfilter komen kunnen worden overgedragen op de uitlaatgassen die uit de motor komen voordat deze naar de eerste warmtewisselaar stromen.In a special embodiment of the invention, the device for heating the exhaust gases further comprises a second heat exchanger, which second heat exchanger comprises a first part of the outlet which is situated between the engine and the first heat exchanger, and a second part of the outlet which is located between the soot filter and the end of the outlet, the first and second parts extending such that the heat from the exhaust gases coming out of the soot filter can be transferred to the exhaust gases coming out of the engine before they come to the first heat exchanger flows.

15 Hierdoor wordt bewerkstelligd dat de hete uitlaatgassen, die een temperatuur kunnen hebben van circa 400 a 500 °C, waardoor schade en/of verwondingen zouden kunnen ontstaan, worden afgekoeld voordat ze in de buitenlucht worden uitgestoten, en voorts wordt hiermee een brandstofbesparing 20 bereikt. Ook kan hierdoor de genoemde brander een kleiner vermogen hebben.This ensures that the hot exhaust gases, which can have a temperature of approximately 400 to 500 ° C, which could cause damage and / or injuries, are cooled before being emitted into the outside air, and furthermore a fuel saving is achieved with this . As a result, the said burner can also have a smaller capacity.

Voorts heeft deze uitvinding betrekking op een voertuig voorzien van een verbrandingsmotor.This invention further relates to a vehicle provided with a combustion engine.

2525

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van in figuur 1 en figuur 2 weergegeven uitvoeringsvoorbeelden.The invention will be further elucidated with reference to exemplary embodiments shown in figure 1 and figure 2.

Figuur 1 geeft schematisch een verbrandingsmotor weer. De 30 getoonde verbrandingsmotor 1 is een dieselmotor voor het aandrijven van bijvoorbeeld een vrachtauto of een autobus. De motor 1 is op gebruikelijke wijze verbonden met uitlaat 2, teneinde de uitlaatgassen die vrijkomen af te voeren. Om de 5 uitstoot van koolstofdeeltjes tegen te gaan, is een roetfilter 3 in uitlaat 2 geplaatst, welke een deeltjesfilter omvat.Figure 1 schematically shows a combustion engine. The combustion engine 1 shown is a diesel engine for driving, for example, a truck or a bus. The engine 1 is connected in the usual way to exhaust 2, in order to discharge the exhaust gases that are released. To prevent the emission of carbon particles, a soot filter 3 is placed in outlet 2, which comprises a particle filter.

Voor de goede werking van roetfilter 3 hebben de te filteren 5 uitlaatgassen een temperatuur van ten minste ongeveer 380 °C. Hiertoe maakt uitlaat 2 deel uit van een warmtewisselaar 4, welke de verbrandingskamer 81 omvat. In verbrandingskamer 81 is een dieselbrander 5 met brandstoftoevoer 6 en luchttoevoer 7 geplaatst.For the soot filter 3 to function properly, the exhaust gases to be filtered have a temperature of at least about 380 ° C. To this end, outlet 2 forms part of a heat exchanger 4, which comprises the combustion chamber 81. A diesel burner 5 with fuel supply 6 and air supply 7 is placed in combustion chamber 81.

10 De verbrandingsgassen van brander 5 verwarmen de uitlaatgassen in uitlaat 2, waardoor de koolstofdeeltjes in uitlaat 2 verbranden en voorkomen wordt dat roetfilter 3 verstopt raakt.The combustion gases from burner 5 heat the exhaust gases in exhaust 2, whereby the carbon particles in exhaust 2 are burned and the soot filter 3 is prevented from becoming clogged.

De verbrandingsgassen van brander 5 worden afgevoerd uit 15 verbrandingskamer 81 via uitlaat 8, welke na roetfilter 3 samenkomt met uitlaat 2. In deze uitvoeringsvorm is een extra filter 9 geplaatst in uitlaat 8 om de roetdeeltjes afkomstig van brander 5 op te vangen.The combustion gases from burner 5 are discharged from combustion chamber 81 via outlet 8, which after soot filter 3 meets with outlet 2. In this embodiment an additional filter 9 is placed in outlet 8 to collect the soot particles from burner 5.

20 Figuur 2 geeft een verdere uitbreiding van de inrichting volgens figuur 1 weer, waarbij een tweede warmtewisselaar 10 is aangebracht. Deze tweede warmtewisselaar 10 omvat een deel 21 van de uitlaat 2 dat zich tussen de motor 1 en de eerste warmtewisselaar 4 met de brander 5 uitstrekt. In dit deel 21 25 strekken zich buizen 11 uit die deel uitmaken van het deel van de uitlaat 2 dat zich uitstrekt tussen het roetfilter 3 en het uiteinde van de uitlaat 2. Hierdoor worden de uitlaatgassen die net uit de motor 1 komen voorverwarmd door de uitlaatgassen die uit het roetfilter 3 komen en die reeds 30 zijn verwarmd door de brander 5, voordat deze uitlaatgassen de eerste warmtewisselaar 4 ingaan, onder afkoeling van de uitlaatgassen die worden uitgestoten naar de omgeving.Figure 2 shows a further extension of the device according to Figure 1, wherein a second heat exchanger 10 is arranged. This second heat exchanger 10 comprises a part 21 of the outlet 2 which extends between the motor 1 and the first heat exchanger 4 with the burner 5. In this part 21, tubes 11 extend which form part of the part of the outlet 2 that extends between the soot filter 3 and the end of the outlet 2. As a result, the exhaust gases just emerging from the engine 1 are preheated by the exhaust gases. which come out of the soot filter 3 and which have already been heated by the burner 5, before these exhaust gases enter the first heat exchanger 4, while cooling the exhaust gases that are emitted to the environment.

Claims (16)

1. Verbrandingsmotor voorzien van een uitlaat (2) voor het afvoeren van uitlaatgassen, welke uitlaat (2) is 5 voorzien van een roetfilter (3) en een inrichting voor het verwarmen van de uitlaatgassen voordat deze het filter (3) passeren, met het kenmerk dat, de inrichting voor het verwarmen van de uitlaatgassen een warmtewisselaar (4) en een brander (5) voor het 10 verbranden van een brandstof omvat, welke warmtewisselaar (4) een deel van de uitlaat (2) en een deel van de afvoer (8,81) voor het afvoeren van de verbrandingsgassen van de brander (5) omvat, waarbij het deel van de afvoer (8,81) en het deel van de uitlaat (2) 15 zich zodanig uitstrekken dat de warmte van de verbrandingsgassen kunnen worden overgedragen aan de uitlaatgassen.1. Internal combustion engine provided with an outlet (2) for discharging exhaust gases, which outlet (2) is provided with a soot filter (3) and a device for heating the exhaust gases before they pass the filter (3), with the characterized in that the device for heating the exhaust gases comprises a heat exchanger (4) and a burner (5) for burning a fuel, which heat exchanger (4) comprises a part of the outlet (2) and a part of the outlet (8,81) for discharging the combustion gases from the burner (5), wherein the part of the outlet (8,81) and the part of the outlet (2) extend such that the heat of the combustion gases can be transferred to the exhaust gases. 2. Verbrandingsmotor volgens conclusie 1, waarbij de 20 brander (5) een brander voor het verbranden van de brandstof van de verbrandingsmotor (1) omvat.2. Combustion engine according to claim 1, wherein the burner (5) comprises a burner for burning the fuel from the combustion engine (1). 3. Verbrandingsmotor volgens conclusie 1 of 2, waarbij de afvoer (8) voor de verbrandingsgassen van de brander (5) 25 een verbrandingskamer (81) omvat, waarin uitlaat (2) zich uitstrekt.3. Combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the discharge (8) for the combustion gases from the burner (5) comprises a combustion chamber (81), in which outlet (2) extends. 4. Verbrandingsmotor volgens conclusie 1,2 of 3, waarbij de verbrandingsmotor de aandrijfmotor (1) is voor een 30 voertuig.4. Combustion engine according to claim 1,2 or 3, wherein the combustion engine is the drive engine (1) for a vehicle. 5. Verbrandingsmotor volgens een van de voorgaande conclusies 1-4, waarbij de aandrijfmotor (1) een dieselmotor is.Combustion engine according to one of the preceding claims 1-4, wherein the drive engine (1) is a diesel engine. 6. Verbrandingsmotor volgens een van de voorgaande conclusies 1-5, waarbij de afvoer (8) van de 5 verbrandingsgassen van de brander (5) en de uitlaat (2) na het roetfilter (3) samenkomen.6. Combustion engine according to one of the preceding claims 1-5, wherein the discharge (8) of the combustion gases from the burner (5) and the outlet (2) come together after the soot filter (3). 7. Verbrandingsmotor volgens een van de voorgaande conclusies 1-6, waarbij de afvoer (8) van de 10 verbrandingsgassen van de brander (5) een tweede roetfilter (9) bevat.7. Combustion engine according to one of the preceding claims 1-6, wherein the discharge (8) of the combustion gases from the burner (5) contains a second soot filter (9). 8. Verbrandingsmotor volgens een van de voorgaande conclusies 1-7, waarbij de brander (5) een inrichting 15 omvat voor het toevoeren van brandstof (6) en zuurstof (7) .Combustion engine according to one of the preceding claims 1-7, wherein the burner (5) comprises a device for supplying fuel (6) and oxygen (7). 9. Verbrandingsmotor volgens een van de voorgaande conclusies 1-8, waarbij de brander (5) is verbonden met 20 een regelorgaan voor het uitschakelen van de brander (5) .9. Combustion engine according to one of the preceding claims 1-8, wherein the burner (5) is connected to a control device for switching off the burner (5). 10. Verbrandingsmotor volgens conclusie 9, waarbij het regelorgaan verbonden is met een temperatuursensor die 25 is ingericht om de temperatuur van de uitlaatgassen te meten.10. Combustion engine according to claim 9, wherein the control member is connected to a temperature sensor which is adapted to measure the temperature of the exhaust gases. 11. Verbrandingsmotor volgens conclusie 9 of 10, waarbij het regelorgaan is ingericht om de brander (5) uit te 30 schakelen als de temperatuur hoger is dan een drempelwaarde.11. Combustion engine according to claim 9 or 10, wherein the control means is adapted to switch off the burner (5) if the temperature is higher than a threshold value. 12. Verbrandingsmotor volgens conclusie 9,10 of 11, waarbij de drempelwaarde ligt tussen 380°C en 550°C, bij voorkeur tussen 450°C en 500°C.A combustion engine according to claim 9, 10 or 11, wherein the threshold value is between 380 ° C and 550 ° C, preferably between 450 ° C and 500 ° C. 13. Verbrandingsmotor volgens een van de voorgaande 5 conclusies 9-12, waarbij het regelorgaan handmatig bedienbaar is.13. Combustion engine according to one of the preceding claims 9-12, wherein the control member can be operated manually. 14. Voertuig voorzien van een verbrandingsmotor volgens een van de voorgaande conclusies. 10A vehicle provided with a combustion engine according to one of the preceding claims. 10 15. Verbrandingsmotor volgens een van de conclusies 1-13, waarbij de inrichting voor het verwarmen van de uitlaatgassen een tweede warmtewisselaar (10) omvat, welke tweede warmtewisselaar (10) een eerste deel (21) 15 van de uitlaat (2) omvat dat zich tussen de motor (1) en de eerste warmtewisselaar (4) bevindt, en een tweede deel (11) van de uitlaat (2) dat zich tussen het roetfilter (3) en het uiteinde van de uitlaat (2) bevindt, waarbij het eerste en tweede deel (21, 11) zich 20 zodanig uitstrekken dat de warmte van de uitlaatgassen die uit het roetfilter (3) komen kunnen worden overgedragen op de uitlaatgassen die uit de motor (1) komen voordat deze naar de eerste warmtewisselaar (4) stromen. 2515. Combustion engine according to one of claims 1-13, wherein the device for heating the exhaust gases comprises a second heat exchanger (10), which second heat exchanger (10) comprises a first part (21) of the outlet (2) which is located between the engine (1) and the first heat exchanger (4), and a second part (11) of the outlet (2) which is located between the soot filter (3) and the end of the outlet (2), the first and second part (21, 11) extend such that the heat from the exhaust gases coming out of the soot filter (3) can be transferred to the exhaust gases coming out of the engine (1) before they go to the first heat exchanger (4) flow. 25 16. Voertuig voorzien van een verbrandingsmotor volgens conclusie 15.A vehicle provided with an internal combustion engine according to claim 15.