WO2010070100A1 - Abgasreinigungsanlage sowie verfahren zum betrieb einer abgasreinigungsanlage - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an exhaust gas purification system, in particular for a diesel internal combustion engine comprising at least one switched on in the exhaust gas emission control unit and means for supplying thermal energy in the exhaust line for triggering and / or supporting a standing in connection with the exhaust gas purification process, which means a to the Exhaust line parallel extending bypass line includes, from which bypass line due to their arrangement to the exhaust system and / or by an activated therein heater on the output side exhaust gas in a relative to the exhaust gas temperature in the exhaust line higher temperature to the exhaust line can be fed and which bypass line output side for supplying thermal energy in the exhaust system or in the region of that exhaust gas section opens, in which the thermal energy is needed.
- the invention relates to methods for supplying thermal energy for triggering and / or supporting a running in an exhaust gas purification system, in particular a diesel engine process, wherein a part of the exhaust side exhausted from the exhaust stream branched off as a side stream and at that point in the exhaust system again is introduced, is required at the thermal energy for triggering and / or supporting an associated with the exhaust gas purification process, this process is a regeneration of a particulate filter unit and the exhaust gas supplied via the secondary flow at a higher temperature than that not through Having the secondary flow of flowing exhaust gas.
- Diesel engines are equipped with emission control systems to reduce harmful emissions.
- the exhaust gas discharged from such a diesel engine is passed through such an exhaust gas purifier for this purpose.
- the exhaust gas purification system comprises an exhaust gas line, in which one or more exhaust gas purification units are switched on.
- Particle filter be turned on.
- soot oxidation Upon completion of such soot oxidation, the particulate filter is regenerated. What remains is a non-combustible ashes.
- the soot For soot oxidation to take place, the soot must have a certain temperature. Since, depending on the operation of the diesel internal combustion engine, the necessary temperature for triggering a Rußabbrandes is not always achieved, it may be necessary to otherwise supply thermal energy for triggering a regeneration process. This takes place either by heating the filter body or its upstream surface with the aid of electrical heating elements or by heating the exhaust gas flowing into the filter by using burners and / or oxidation catalysts, which are supplied with fuel to increase the exhaust gas temperature.
- the invention is therefore the object of proposing an exhaust gas purification system, in particular for a diesel engine, and a method for supplying thermal energy for triggering and / or supporting a standing in connection with the exhaust gas purification process, with which system or with which method an energy supply for the above-described purposes is primarily simplified.
- the system-related object is achieved by a generic emission control system mentioned in the introduction, in which in the exhaust gas system as exhaust gas purification unit a particulate filter unit with at least one of the provided by the particulate filter unit vorgealte- th actuator for blocking and / or reducing the exhaust gas supply from the exhaust system in at least one segment is arranged and that the output-side mouth of the bypass line downstream of the actuator and the filter surface is connected upstream.
- the method-related object is achieved by a generic method mentioned at the outset, in which the particle filter unit is subjected to regeneration in segments and the sidestream waste is removed. gas upstream of a separated by an actuator of the main exhaust gas flow segment of the particulate filter for triggering and / or supporting a soot oxidation in this segment is supplied.
- a secondary stream preferably as close to the engine as possible, for example, from the manifolds, diverted from the main exhaust gas stream flowing through the exhaust line and passed through a bypass line.
- the bypass line is designed to flow parallel to the exhaust line in terms of flow.
- the bypass line in turn opens on the output side or in the region of the exhaust line in this where thermal energy is to be supplied.
- exhaust gas at a temperature in the exhaust line or directly to one or more, in the exhaust line switched exhaust gas purification units can be supplied at the or the mouth areas of such a bypass line.
- This exhaust gas supplied via the bypass line has a temperature which can be higher by more than 100 ° C.
- a urea-requiring exhaust gas purification unit comprising a urea supply device and an SCR catalytic converter connected downstream thereof can be designed to be correspondingly more compact. Against the background of motor vehicles or construction machines only small available space a compact design is advantageous.
- the branching off of a part of the main exhaust gas stream for forming a secondary stream flowing through the bypass pipe further has the advantage that, if the temperature of the secondary exhaust gas provided on the engine side is insufficient, this exhaust gas flowing in the secondary stream is small due to its comparatively small amount and thus small and easy-to-build units can be additionally heated. If this is desired, a heating unit is switched on in the bypass line.
- This may be, for example, a flame burner, which may be followed by an oxidation catalytic converter, or else a catalytic burner, and consequently an oxidation catalytic converter with a fuel supply upstream of it in the direction of flow.
- an oxidation catalytic converter is connected downstream of the burner, this is ultimately also a catalytic burner, since the upstream flame burner serves to heat the oxidation catalytic converter to its operating temperature.
- a temperature increase in the secondary flow is achieved in principle by conventional means, but with the difference that only a significantly smaller volume flow is to be heated in the bypass, thus the burner and / or the oxidation catalyst can be designed accordingly small, inexpensive and reliable.
- the Burner arranged burner arranged to introduce via this by a so-called over-fuel injection into the secondary stream for supplying the same to the likewise arranged in the bypass oxidation catalyst. Due to the complexity of such burners in the main exhaust gas flow, this is not possible, at least not in the required amount, so that in the case of such heating in the main exhaust gas flow, an additional fuel supply device is usually necessary.
- the sidestream flowing over the bypass duct is used to supply the heat transported therein to a particle filter which is switched into the exhaust gas line for the purpose of its regeneration.
- a particle filter which is switched into the exhaust gas line
- the filter surface of a particle filter unit which is switched into the exhaust gas line is subdivided or subdivided into individual segments.
- the division of the total filter surface area provided by the particle filter unit into individual segments takes place against the background of not performing a regeneration of the particulate filter unit as a whole but segment by segment.
- At least one actuator is associated with such a particle filter unit, with which the exhaust gas supply via the main exhaust gas flow to the segment can be blocked or reduced, thus this segment is fluidly shadowed from the main exhaust gas stream.
- each segment of the particulate filter means Associated with each segment of the particulate filter means is an outlet of the bypass duct so that each segment, when separated from the main exhaust stream, is triggered by the thermal energy supplied via the bypass duct to induce soot oxidation or to assist in the initiation of soot oxidation and / or control the soot oxidation can be used.
- the size of the filter segments based on the inflow-side end face portion thereof and the thermal energy supplied via the bypass line or the hot exhaust flow flowing in via the bypass line, are matched to one another.
- the particle filter unit may be associated with an oxidation catalyst, which is connected upstream of the particle filter in the flow direction of the exhaust gas.
- a control valve is switched into the bypass line, via which the volume flow flowing through the bypass line can be controlled.
- these segments can be supplied with not only thermal energy but also the oxygen needed for soot oxidation. If the soot oxidation is ignited, the oxidation process is observed, in particular with regard to its temperature, since excessive heat generation in connection with the soot oxidation can damage the particle filter.
- the volumetric flow supplied and thus the supplied oxygen can be reduced via such a control valve.
- the soot oxidation process can be rekindled by further opening such a control valve and thus by supplying additional oxygen.
- the particle filter segment upstream actuator for shading this located in the regeneration particle filter segment can be opened accordingly, so that can be dissipated by the then flowing relatively cool exhaust gas from the main exhaust gas heat from the located in the regeneration particle filter segment.
- the particulate filter upstream actuator can serve a pivoting flap, which can be brought into a different position by a controlled by a control device controlling the exhaust gas purification.
- the different positions include that the entire filter surface of the particulate filter or the particulate filter unit is flowed through by exhaust gas flowing out of the exhaust line, so that all the segments are exhaust gas flows through. In other positions, one or more segments of the particulate filter are shadowed from the main exhaust stream.
- this actuator is designed as a rotatably mounted aperture.
- Such a diaphragm has a passage opening for the passage of the inflowing exhaust gas. The area shaded by the diaphragm in one of its positions then forms that segment of the filter which is fluidly shaded by the inflowing exhaust gas flow.
- FIG. 1 is a schematic representation in the manner of a block diagram of a diesel engine with an exhaust gas purification system according to a first embodiment
- FIG. 2 shows an end view on the inflow side of a particle filter unit of the exhaust gas purification system of FIG. 1, FIG.
- FIG. 4 shows a representation corresponding to that of FIG. 1 with an exhaust gas purification system according to a further embodiment
- FIG. 5 shows a representation corresponding to that of FIG. 1 with an exhaust gas purification system according to yet another embodiment.
- a diesel engine 1 as a diesel engine has a charge air compressor 3 driven by an exhaust gas turbine 2.
- the charge air compressor 3 is switched into an air supply line 4, via which the air required for the combustion process is made available to the diesel engine 1.
- To the manifold 5 of the diesel engine 1 is a generally designated by the reference numeral 6 emission control system connected.
- the exhaust gas purification system 6 has an exhaust gas line 7, comprising an exhaust gas pipe 8 into which the exhaust gas turbine 2 is switched on, and a particle filter unit 9.
- the particulate filter unit 9 comprises two filter packages 10, 10.1 in the exemplary embodiment shown.
- the particulate filter unit 9 is divided into two filter segments, each filter pack 10 or 10.1 represents such a segment.
- Both filter packages 10, 10.1 are designed as closed sintered metal filters.
- the two filter packs 10, 10.1 are separated from each other in the illustrated embodiment by a partition wall 11, whereby the housing 12 enclosing the two filter packs 10, 10.1 is divided into two chambers.
- a pivoting flap 13 as an actuator, which can be adjusted according to the direction of arrow shown in Figure 1 by an actuator, such as a stepper motor (not shown).
- the pivoting flap 13 In the position shown in Figure 1, the pivoting flap 13 is in a first operating position of the emission control system 6. In this position, the pivoting flap 13, both filter packages 10, 10.1 are supplied by the supplied via the exhaust pipe 8 exhaust gas.
- the exhaust gas flows through the filter packs 10, 10.1, during which throughflow process in the exhaust gas entrained soot particles are removed from the exhaust gas flow and accumulated on the filter surface.
- the exhaust gas purification system 6 further comprises a bypass line 15 for generating a secondary flow.
- the bypass duct 15 is designed so that a volumetric flow of about 10% -20% of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 8 can flow through it at full load operation. It is understood that in a non-full load operation of the diesel engine 1, for example, when it is idling, the entire, exhausted from this exhaust gas can be passed through the bypass line 15.
- bypass duct 15 For controlling the exhaust gas flow that flows through the bypass duct 15, either as a whole or a part thereof, can be provided by corresponding flow resistances in the exhaust gas duct, which are bridged by the bypass duct 15.
- This may be, for example, an exhaust gas turbine or an adjustable throttle which is switched into the exhaust pipe 8. It is also possible to integrate a control or timing valve in the bypass line.
- the bypass line 15 has on the input side opening into the manifold 5 opening 16.
- the bypass line 15 serves to supply the diverted from the manifold 5 hot secondary flow into the housing 12 of the particulate filter unit 9, in the flow direction of the exhaust gas before the filter packs 10, 10.1 ,
- the bypass duct 15 has two duct branches 17, 17.1.
- Each line branch 17, 17.1 opens into the housing 12 of the particle filter unit 9 of the pivoting flap 13 in the flow direction of the exhaust gas, as can be seen from FIG.
- each line branch 17, 17.1 is connected in a manner not shown connected to a control unit control valve 18, 18.1.
- the introduced via the respective branch 17 and 17.1 in the particle filter unit 9 bypass flow volume can be controlled.
- the filter packs 10, 10.1 are associated with a well-known electric heater for assisting in the initiation of soot oxidation (soot burn-off).
- the heating device assigned in each case to a filter pack 10 or 10.1 is not shown in FIG. 1 for the sake of clarity.
- the bypass line 15 may have a branch 19 for exhaust gas recirculation. The branch is shown in dashed lines in Figure 1 only indicated.
- Figure 2 shows to illustrate the adjustability of the pivoting flap 13 this in an end view from the viewing direction of the exhaust pipe 8 in a position opposite to the position shown in Figure 1 in the direction of the upstream side of the filter pack 10.1 adjusted position.
- the bypass line 15 serves the purpose of supplying thermal energy to support the triggering of a regeneration of the filter packages 10, 10. 1 of the particle filter unit 9.
- a regeneration of the filter packages 10, 10.1 takes place sequentially.
- a filter regeneration wherein first a regeneration of the filter pack 10.1, as shown in Fig. 3, is provided, the pivoting flap 13 from its position shown in Figure 1 on their position shown in Figure 2 out into their the inflow-side filter surface of the filter pack 10.1 closing position brought. In this position, the pivoting flap 13 abuts against the 6.3wulst 14. In this position, the filter pack 10.1 is not flown by the flowing through the exhaust pipe 8 of the exhaust line 7 main exhaust gas stream.
- the control valve 18 of the bypass pipe 15 assigned to the pipe branch 17 is opened.
- the control valve 18.1 which is switched on in the line branch 17.1 remains closed as in the case of the accumulation operation of the particle filter unit 9 of FIG.
- Via the bypass line 15 then flows from the manifold 5 branched hot exhaust gas into the housing 12 to the upstream surface of the filter pack 10.1.
- This exhaust gas is about 100 0 C at its entry into the housing 12 of the particulate filter unit 9 warmer than the introduced via the exhaust pipe 8 into the housing 12 main exhaust gas stream.
- the soot accumulated on the upstream surface of the filter pack 10.1 is heated. If the thermal energy supplied with the secondary exhaust gas flow introduced via the bypass duct 15 is insufficient to trigger soot oxidation, the electrical heating device assigned to the filter pack 10.1 is supplied with current. Depending on the design of the exhaust gas purification Supply system and the current temperature conditions, a simultaneous heating of the accumulated on the upstream filter surface of the filter pack 10.1 soot can be made by the supplied hot exhaust gas of the bypass and the simultaneous operation of the electric heater. Accordingly, a faster soot oxidation is triggered and the filter pack 10.1 regenerated.
- the regeneration process is controlled with regard to its progress and in particular with regard to its temperature development in the illustrated exemplary embodiment by the exhaust gas secondary flow supplied via the bypass duct 15.
- the exhaust gas secondary flow contains a sufficient oxygen content in order to be able to carry out soot oxidation as intended.
- the oxygen required for the soot oxidation is supplied in the form of the residual oxygen contained in the exhaust gas.
- the progress of the soot oxidation on the filter surface of the filter pack 10.1 is detected in the illustrated embodiment via a temperature sensor integrated in the filter pack 10.1 and evaluated in a control unit (not shown in the figures).
- the supply of the supplied via the bypass line 15 side stream is reduced by appropriate control of the control valve 18 when the current temperature on the filter pack 10.1 has exceeded a certain threshold.
- the control valve 18 As a result of the reduction in the exhaust gas secondary flow volume supplied, correspondingly less oxygen is made available to the oxidizing soot, with the result that the soot oxidation is slowed down and consequently less exothermic energy is released.
- the soot oxidation can be used in addition to the control valve 18 and 18.1 as another actuator, the pivoting flap 13. If the pivoting flap 13 is opened from its position shown in FIG. 3 completely shading with respect to the main exhaust gas flow, the filter packet 10.1 is supplied with a relatively cool main exhaust gas stream from part of the exhaust gas leaving the bypass flow line 15 with respect to the temperature the permeability of the filter pack 10.1 excess heat removed.
- the adjusting Members - the control valves 18, 18.1 and the pivoting flap 13 - are connected to their control to a control device.
- a soot oxidation on the filter pack 10. 1 can then be optimally regulated in accordance with the respective conditions by changing the supplied sidestream exhaust gas volume flow and the main exhaust gas stream which is cooler relative to it.
- the filter pack 10 still flows through the exhaust gas. If the typically only a few minutes continuous regeneration process on the filter pack 10.1 completed, the pivoting flap 13 is adjusted to shadow the filter pack 10. In this position, the pivoting flap 13 flows through the exhaust pipe 8 supplied exhaust gas of the main exhaust stream, the regenerated filter pack 10.1.
- the control valve 17 is closed and the control valve 17.1 opened. The regeneration of the filter pack 10 takes place in the same way as described for the filter pack 10.1.
- FIG. 4 shows the diesel engine 1, to whose elbow 5 an exhaust gas purification system 6.1 according to a further exemplary embodiment is connected.
- the exhaust gas purification system 6.1 is designed as described for the figures 1 to 3.
- the filter packs 10, 10.1 do not have additional electrical heating elements.
- the exhaust gas purification system 6.1 differs from the exhaust gas purification system 6 in that in the bypass line 15 of the division of the line branches 17, 17.1 upstream of a burner 20 is switched on to heat the flowing over the bypass line 15 exhaust gas secondary flow.
- the burner 20 is designed as a flame burner, operates fuel-powered and is connected in a manner not shown to the fuel tank for the diesel engine 1 and a control device.
- the bypass exhaust gas can be brought to a higher temperature level in order to be able to supply the filter pack 10 or 10.1 more thermal energy.
- the burner 20, an oxidation catalyst 21 is connected downstream.
- fuel can be injected onto the fuel catalytic surface of the oxidation catalyst 21 are brought, wherein the HC compounds are split in an exothermic reaction.
- the burner 20 is used to bring the oxidation catalyst 21 to its operating temperature in order to give the bypass flow flowing through the bypass by injecting fuel through the burner 20 on the oxidation catalyst 21 the necessary temperature.
- the secondary flow flowing into the housing 12 of the particle filter unit 9 can have a temperature which is sufficient for triggering soot burn-off without additional additional measures.
- a regulation of Rußabbrandes takes place in an analogous manner, as described for the embodiment of Figures 1 to 3.
- FIG. 5 shows a further exhaust gas purification system 6.2, which is connected to the diesel engine 1.
- the bypass duct 15 is designed in this embodiment, as described for the exhaust gas purification system 6.1 of Figure 4.
- the exhaust gas purification system 6.2 has an SCR catalytic converter, which can be designed, for example, as a coating on the filter clean side of the filter packs 10, 10.1.
- the emission control system 6.2 of the combined particulate filter SCR unit has a urea supply device 22.
- This comprises a storage container 23 for storing aqueous urea solution as a so-called precursor for the reducing agent NH 3 contained therein.
- the mixing tube 24 serves to atomize the aqueous urea solution.
- a sputtering gas is needed.
- exhaust gas from the exhaust gas bypass stream flowing via the bypass line 15 is used as the atomizing gas.
- the bypass duct 15 has a branch 25 for supplying Finestromab- gas to the mixing tube 24. In the branch 25 is turned on a valve 26 for controlling the inflow of the exhaust gas secondary flow to the mixing tube 24.
- the urea supply means 22 is supplied at this Out Design of hot, branched off from the manifold 5 of the diesel engine 1 exhaust gas, whereby the thermolytic decomposition of the metered aqueous urea solution for releasing the ammonia contained therein (NH 3 ) in the Mixing tube 24 and in which adjoins the mixing tube 24 in the flow direction of the exhaust gas portion of the exhaust pipe 8 performs correspondingly faster compared with a configuration in which is used at ambient temperature air for the desired urea solution atomization.
- a connecting line between the line branch 17.1 and the branch 25 may be provided in order to supply heated exhaust gas for atomization of supplied urea solution into the mixing tube 24 through the burner 20 or the oxidation catalyst 21.
- a valve 28 is turned on.
- Figure 5 shows both of the above-described embodiments in the exhaust gas purification system 6.2, wherein it is understood to one skilled in the art, even one of these two ways for supplying heat used in the mixing tube or an exhaust system can be equipped with only one of these two pathways for supplying heat ,
- the bypass duct may have thermal insulation. This can be useful if no heating unit is switched on in the bypass line.
- the described exhaust gas purification system and the described method are equally suitable if other filter packs are arranged together in one housing or filter packs in different housings.
- a filter regeneration triggering measures may be incorporated in such an emission control system, for example by implementing measures for lowering the Rußoxidati- onstemperatur.
- the described exhaust gas purification systems and the described method can basically be operated as autonomous units without it being absolutely necessary to have to obtain and evaluate data from the engine management via a corresponding interface. Therefore, such an emission control system is particularly suitable for retrofit solutions.
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Abstract
Eine Abgasreinigungsanlage 6, insbesondere für eine Dieselbrennkraftmaschine 1, umfasst wenigstens ein in den Abgasstrang 7 eingeschaltetes Abgasreinigungsaggregat 9. Ferner verfügt die Abgasreinigungsanlage 6 über eine Einrichtung zum Zuführen von thermischen Energie in den Abgasstrang 7 zum Auslösen und/oder zum Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses. Die Einrichtung umfasst eine zu dem Abgasstrang 7 parallel verlaufende Nebenstromleitung 15. Aus dieser ist aufgrund ihrer Anordnung zum Abgasstrang 7 und/oder durch ein darin eingeschaltetes Heizaggregat ausgangsseitig Abgas in einer gegenüber der Abgastemperatur im Abgasstrang 7 höheren Temperatur dem Abgasstrang 7 zuführbar. Die Nebenstromleitung 15 mündet ausgangsseitig zum Zuführen der thermischen Energie an oder im Bereich desjenigen Abgasstrangabschnittes, in dem die thermische Energie benötigt wird. In den Abgasstrang 7 ist als Abgasreinigungsaggregat eine Partikelfiltereinheit 9 eingeschaltet. Der Partikelfiltereinheit 9 ist ein der durch die Einheit 9 bereitgestellten Filterfläche vorgeschaltetes Stellglied 13 zugeordnet. Dieses dient zum Sperren und/oder Reduzieren der Abgaszufuhr aus dem Abgasstrang 7 in wenigstens einem Segment 10, 10.1. Die ausgangsseitige Mündung der Nebenstromleitung 15 ist dem Stellglied 13 nachgeschaltet und der Filterfläche vorgeschaltet. Beschrieben ist ferner ein Verfahren zum Zuführen von thermischer Energie zum Auslösen und/oder Unterstützen eines in einer Abgasreinigungsanlage 6, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine 1 ablaufenden Prozesses. Gemäß diesem Verfahren, bei dem als Abgasreinigungsaggregat eine Partikelfiltereinheit 9 vorgesehen ist, erfolgt eine Regeneration derselben segmentweise, wobei das durch den Nebenstrom zugeführte wärmere Abgas den vom Hauptabgasstrom getrennten Segment des Partikelfilters zum Auslösen oder Unterstützen einer Rußoxidation in diesem Segment zugeführt wird.
Description
Abgasreinigungsanlage sowie Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage
Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage, insbesondere für eine Dieselbrennkraftmaschine, umfassend wenigstens ein in den Abgasstrang eingeschaltetes Abgasreinigungsaggregat sowie eine Einrichtung zum Zuführen von thermischer Energie in den Abgasstrang zum Auslösen und/oder Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses, welche Einrichtung eine zu dem Abgasstrang parallel verlaufende Nebenstromleitung umfasst, aus welcher Nebenstromleitung aufgrund ihrer Anordnung zum Abgasstrang und/oder durch ein darin eingeschaltetes Heizaggregat ausgangsseitig Abgas in einer gegenüber der Abgastemperatur im Abgasstrang höheren Temperatur dem Abgasstrang zuführbar ist und welche Nebenstromleitung ausgangsseitig zum Zuführen von thermischer Energie in den Abgasstrang an oder im Bereich desjenigen Abgasstrangabschnittes mündet, in dem die thermische Ener- gie benötigt wird. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zum Zuführen von thermischer Energie zum Auslösen und/oder Unterstützen eines in einer Abgasreinigungsanlage, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine ablaufenden Prozesses, wobei ein Teil des motorseitig ausgestoßenen Abgases aus dem Abgasstrom als Nebenstrom abgezweigt und an derje- nigen Stelle in den Abgasstrang wieder eingebracht wird, an der thermische Energie zum Auslösen und/oder Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses benötigt wird, wobei es sich bei diesem Prozess um eine Regeneration einer Partikelfiltereinheit handelt und das über den Nebenstrom zugeführte Abgas eine höhere Temperatur als das nicht durch den Nebenstrom strömende Abgas aufweist.
Dieselbrennkraftmaschinen sind zum Reduzieren von schädlichen Emissionen mit Abgasreinigungsanlagen ausgerüstet. Das von einer solchen Dieselbrennkraftmaschine ausgestoßene Abgas wird zu diesem Zweck durch eine solche Abgasreinigungsanlage geleitet. Die Abgasreinigungsanlage umfasst einen Abgasstrang, in dem ein oder mehrere Abgasreinigungsaggregate eingeschaltet sind. Zum Entfernen von im Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine mitgeführtem Ruß kann in den Abgasstrang ein
Partikelfilter eingeschaltet sein. Auf der anströmseitigen Oberfläche des Partikelfilters akkumuliert der im Abgas mitgeführte Ruß. Damit im Zuge der sukzessiven Rußakkumulation der Abgasgegendruck nicht zu weit ansteigt oder der Filter verstopft, wird bei ausreichender Rußbeladung des Filters eine Rußoxidation (Rußabbrand) herbeigeführt. Nach Abschluss einer solchen Rußoxidation ist der Partikelfilter regeneriert. Zurück bleibt ein nicht verbrennbarer Ascherest. Damit eine Rußoxidation stattfindet, muss der Ruß eine gewisse Temperatur aufweisen. Da je nach Betrieb der Dieselbrennkraftmaschine die notwendige Temperatur zum Auslösen ei- nes Rußabbrandes nicht immer erreicht wird, ist es mitunter erforderlich, zum Auslösen eines Regenerationsprozesses thermische Energie anderweitig zuzuführen. Dieses erfolgt entweder durch Erwärmen des Filterkörpers bzw. seiner anströmseitigen Oberfläche mit Hilfe von elektrischen Heizelementen oder durch Erwärmen des dem Filter anströmenden Abga- ses durch Einsatz von Brennern und/oder Oxidationskatalysatoren, die zum Erhöhen der Abgastemperatur mit Kraftstoff beaufschlagt werden.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasreinigungsanlage, insbesondere für eine Dieselbrennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zum Zuführen von thermischer Energie zum Auslösen und/oder Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses vorzuschlagen, mit welcher Anlage bzw. mit welchem Verfahren eine Energiezufuhr für die vorbeschriebenen Zwecke vornehmlich vereinfacht ist.
Gelöst wird die anlagenbezogene Aufgabe durch eine eingangs genannte, gattungsgemäße Abgasreinigungsanlage, bei der in den Abgasstrang als Abgasreinigungsaggregat eine Partikelfiltereinheit mit zumindest einem der durch die Partikelfiltereinheit bereitgestellten Filterfläche vorgeschalte- ten Stellglied zum Sperren und/oder Reduzieren der Abgaszufuhr aus dem Abgasstrang in wenigstens einem Segment angeordnet ist und dass die ausgangsseitige Mündung der Nebenstromleitung dem Stellglied nachgeschaltet und der Filterfläche vorgeschaltet ist.
Die verfahrensbezogene Aufgabe wird durch ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Verfahren gelöst, bei dem die Partikelfiltereinheit segmentweise einer Regeneration unterworfen wird und das Nebenstromab-
gas anströmseitig einem durch ein Stellglied von dem Hauptabgasstrom getrennten Segment des Partikelfilters zum Auslösen und/oder Unterstützen einer Rußoxidation in diesem Segment zugeführt wird.
Bei dieser Abgasreinigungsanlage - gleiches gilt für das beanspruchte Verfahren - wird von dem den Abgasstrang durchströmenden Hauptabgasstrom ein Nebenstrom, vorzugsweise möglichst motornah, beispielsweise aus den Krümmern, abgezweigt und über eine Nebenstromleitung geführt. Die Nebenstromleitung ist zum Abgasstrang strömungstechnisch gesehen parallel verlaufend konzipiert. Die Nebenstromleitung ihrerseits mündet ausgangsseitig an oder im Bereich des Abgasstranges in diesen dort, wo thermische Energie zugeführt werden soll. Auf diese Weise kann an der oder den Mündungsbereichen einer solchen Nebenstromleitung Abgas in einer Temperatur in den Abgasstrang oder auch direkt einem oder mehreren, in den Abgasstrang eingeschalteten Abgasreinigungsaggregaten zugeführt werden. Dieses über die Nebenstromleitung zugeführte Abgas hat eine Temperatur, die bei einem Betrieb der Dieselbrennkraftmaschine auch ohne Einsatz eines zusätzlichen, in die Nebenstromleitung eingeschalteten Heizaggregates um mehr als 1000C höher sein kann als das über den Abgasstrang strömende Abgas im Bereich der Mündung der Nebenstromleitung. Dieses ist dann der Fall, wenn in den Abgasstrang eine Abgasturbine zum Antreiben eines Ladeluftverdichters eingeschaltet und die Nebenstromleitung als Bypass in Bezug auf die Abgasturbine vorgesehen ist. Moderne Dieselmotoren verfügen in vielen Fäl- len über einen durch eine Abgasturbine angetriebenen Ladeluftverdichter. Begründet liegt dieses daran, dass die Einschaltung einer Abgasturbine in den Abgasstrang zu einer Reduzierung der Abgastemperatur führt. Somit kann auf diese Weise grundsätzlich ohne zusätzliche Einrichtungen über eine solche Nebenstromleitung thermische Energie in den Abgasstrom eingetragen werden, um Abgasreinigungsprozesse, hier: eine Regeneration einer Partikelfiltereinheit, auszulösen und/oder zu unterstützen.
Mit der vorbeschriebenen Abgasreinigungsanlage und entsprechend dem vorbeschriebenen Verfahren kann, wenn Teil der Abgasreinigungsanlage ein SCR-Katalysator ist, auch eine Aufbereitung des für die SCR-Katalyse benötigten Reduktionsmittels, hier: Harnstoff aus einer wässrigen Harnstofflösung, innerhalb des Abgasstranges unterstützt werden. Dieses er-
- A -
folgt dadurch, dass anstelle von Umgebungsluft zum Unterstützen der Harnstofflösungszerstäubung solches über die Nebenstromleitung zugeführtes heißes Abgas für diesen Prozess verwendet wird. Auf diese Weise wird für die Zerstäubung der Harnstofflösung nicht nur das notwendige Gas, sondern zudem thermische Energie zugeführt. Infolge des Zuführens von heißem Abgas aus dem über die Nebenstromleitung strömenden Nebenstrom erfolgt eine thermolytische Aufspaltung der Harnstofflösung bezogen auf die Strömungsstrecke derselben in dem Abgasstrang auf kürzerer Strecke. Entsprechend kompakter kann ein Harnstoff benötigendes Abgasreinigungsaggregat, umfassend eine Harnstoffzuführungseinrichtung und einen dieser nachgeschalteten SCR-Katalysator, konzipiert werden. Vor dem Hintergrund des bei Kraftfahrzeugen oder Baumaschinen nur geringen zur Verfügung stehenden Bauraumes ist eine kompakte Bauweise vorteilhaft.
Das Abzweigen eines Teils des Hauptabgasstromes zum Ausbilden eines die Nebenstromleitung durchströmenden Nebenstromes hat ferner zum Vorteil, dass, sollte die motorseitig bereitgestellte Temperatur des Neben- stromabgases nicht ausreichend sein, dieses im Nebenstrom strömende Abgas aufgrund seiner vergleichsweise geringen Menge mit geringer Energie und damit mit klein und einfach bauenden Aggregaten zusätzlich erwärmt werden kann. Ist dieses gewünscht, ist in die Nebenstromleitung ein Heizaggregat eingeschaltet. Bei diesem kann es sich beispielsweise um einen Flammenbrenner, dem ggf. ein Oxidationskatalysator nachge- schaltet ist, oder auch um einen katalytischen Brenner, mithin einen Oxidationskatalysator mit einer diesem in Strömungsrichtung vorgeschalteten Kraftstoffzufuhr sein. Ist dem Brenner ein Oxidationskatalysator nachgeschaltet, handelt es sich hierbei letztendlich auch um einen katalytischen Brenner, da der vorgeschaltete Flammenbrenner zum Erwärmen des Oxi- dationskatalysators auf seine Betriebstemperatur dient. Mit Einsatz eines Brenners und einem diesem in Strömungsrichtung des Nebenstromes in der Nebenstromleitung nachgeschalteten Oxidationskatalysators wird eine Temperaturerhöhung im Nebenstrom prinzipiell mit herkömmlichen Mitteln erreicht, jedoch mit dem Unterschied, dass im Nebenstrom nur ein deutlich kleinerer Volumenstrom zu erwärmen ist, mithin der Brenner und/oder der Oxidationskatalysator entsprechend klein, kostengünstig und betriebssicher konzipiert sein kann. Insbesondere ist es bei einem solchen, in der
Nebenstromleitung angeordneten Brenner möglich, über diesen durch ein sogenanntes Überspritzen Kraftstoff in den Nebenstrom zum Zuführen desselben an den ebenfalls im Nebenstrom angeordneten Oxidationskata- lysator einzubringen. Dieses ist aufgrund der Komplexität derartiger Bren- ner im Hauptabgasstrom nicht möglich, zumindest nicht in der erforderlichen Menge, so dass bei einer derartigen Erwärmung im Hauptabgasstrom regelmäßig eine zusätzliche Kraftstoffzuführungseinrichtung notwendig ist.
Der über die Nebenstromleitung strömende Nebenstrom wird genutzt, um die darin transportierte Wärme einem in den Abgasstrang eingeschalteten Partikelfilter zum Zwecke seiner Regeneration zuzuführen. Zu diesem Zweck ist die Filterfläche einer in den Abgasstrang eingeschalteten Partikelfiltereinheit in einzelne Segmente unterteilt bzw. unterteilbar. Die Tei- lung der insgesamt durch die Partikelfiltereinheit zur Verfügung gestellten Filterfläche in einzelne Segmente erfolgt vor dem Hintergrund, eine Regeneration der Partikelfiltereinheit nicht insgesamt, sondern segmentweise durchzuführen. Einer solchen Partikelfiltereinheit ist wenigstens ein Stellglied zugeordnet, mit dem die Abgaszufuhr über den Hauptabgasstrom zu dem Segment gesperrt oder reduziert werden kann, mithin dieses Segment strömungstechnisch von dem Hauptabgasstrom abgeschattet ist. Jedem Segment der Partikelfiltereinrichtung ist eine Mündung der Nebenstromleitung zugeordnet, so dass jedes Segment, wenn dieses von dem Hauptabgasstrom getrennt ist, durch die über die Nebenstromleitung zu- geführte thermische Energie zum Auslösen einer Rußoxidation oder zum Unterstützen der Auslösung einer Rußoxidation und/oder zum Steuern der Rußoxidation genutzt werden kann. Dabei ist zweckmäßigerweise die Größe der Filtersegmente, bezogen auf den anströmseitigen Stirnflächenanteil derselben und die über die Nebenstromleitung zugeführte thermi- sehe Energie bzw. den über die Nebenstromleitung einströmenden heißen Abgasstrom entsprechend, aufeinander abgestimmt.
Der Partikelfiltereinheit kann ein Oxidationskatalysator zugeordnet sein, der in Strömungsrichtung des Abgases dem Partikelfilter vorgeschaltet ist.
Ein solches, durch das Stellglied von dem Hauptabgasstrom abgetrenntes bzw. abgeschattetes Segment wird durch Zufuhr der thermischen Energie
über den Nebenstrom der Nebenstromleitung erwärmt, vorzugsweise ohne dass kühleres Abgas aus dem den Abgasstrang durchströmenden Hauptabgasstrom in das Segment eintritt. Sollte die über die Nebenstromleitung zugeführte thermische Energie für die Auslösung eines Rußabbrandes nicht ausreichend sein, kann, wie vorbeschrieben, in die Nebenstromleitung ein Heizaggregat eingeschaltet sein. Auch ist es möglich, den einzelnen Segmenten der Partikelfiltereinheit jeweils ein oder mehrere elektrische Heizelemente zuzuordnen, um eine Temperaturerhöhung des akkumulierten Rußes bis auf die Rußoxidationstemperatur herbeizuführen. Es versteht sich, dass aufgrund der Segmentierung der Partikelfiltereinrichtung und die segmentweise Regenerierung desselben die für jedes Segment benötigte elektrische Energie verglichen mit einer Beheizung eines gesamten Partikelfilters geringer ist. Infolge des zum Auslösen oder Durchführen eines Rußabbrandes anströmseitig dem jeweiligen Segment zugeführten heißen Nebenstromes braucht über die Heizelemente nur ein Teil der ansonsten benötigten thermischen Energie zugeführt zu werden. Ein Einsatz von elektrischen Heizelementen mit einer relativ geringen Leistung in jedem Segment ist daher für die Regeneration eines solchen Partikelfilters mit zusätzlicher Energiezuführung durch die Nebenstromlei- tung ausreichend.
Über die Nebenstromleitung kann auch der für die Rußoxidation benötigte Sauerstoff zugeführt werden. In dem von der Brennkraftmaschine insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine ausgestoßenen Abgas befindet sich je nach Betrieb derselben ein Restsauerstoffgehalt von 6-18%. Typischerweise ist in die Nebenstromleitung ein Regelventil eingeschaltet, über das der über die Nebenstromleitung strömende Volumenstrom geregelt werden kann. Somit kann bei einer Beaufschlagung eines Partikelfiltersegmentes mit dem Nebenstrom aus der Nebenstromleitung diesen Segmenten nicht nur thermische Energie, sondern auch der für die Rußoxidation benötigte Sauerstoff zugeführt werden. Ist die Rußoxidation gezündet, wird der Oxidationsprozess beobachtet, insbesondere hinsichtlich seiner Temperatur, da eine zu starke Wärmeentwicklung im Zusammenhang mit der Rußoxidation den Partikelfilter beschädigen kann. Wird eine zu starke Wärmeentwicklung des in der Regeneration begriffenen Partikelfiltersegmentes detektiert, kann über ein solches Regelventil der zugeführte Volumenstrom und damit der zugeführte Sauerstoff reduziert werden.
Gleiches gilt auch umgekehrt: Sinkt die Temperatur zu stark herab, kann der Rußoxidationsprozess durch weiteres Öffnen eines solchen Regelven- tiles und damit durch Zuführen von zusätzlichem Sauerstoff neu entfacht werden. Anstelle oder auch zusammen mit dieser Maßnahme kann das dem Partikelfiltersegment vorgeschaltete Stellglied zum Abschatten dieses in der Regeneration befindliche Partikelfiltersegment entsprechend geöffnet werden, damit durch das dann zuströmende relativ kühle Abgas aus dem Hauptabgasstrom Wärme aus dem in der Regeneration befindlichen Partikelfiltersegmentes abgeführt werden kann.
Als dem Partikelfilter vorgeschaltetes Stellglied kann eine Schwenkklappe dienen, die durch einen durch eine die Abgasreinigung steuernde Steuereinrichtung angesteuerten Aktor in unterschiedliche Stellungen gebracht werden kann. Die unterschiedlichen Stellungen schließen ein, dass die gesamte Filterfläche des Partikelfilters bzw. der Partikelfiltereinheit durch aus dem Abgasstrang strömendes Abgas angeströmt ist, so dass sämtliche Segmente abgasdurchströmt sind. In anderen Stellungen ist eines oder es sind mehrere Segmente des Partikelfilters von dem Hauptabgasstrom abgeschattet. Möglich ist ebenfalls eine Ausgestaltung, bei der die- ses Stellglied als drehbar gelagerte Blende ausgeführt ist. Eine solche Blende verfügt über eine Durchlassöffnung zum Durchlassen des anströmenden Abgases. Der durch die Blende in einer ihrer Stellungen abgeschattete Bereich bildet sodann dasjenige Segment des Filters aus, welches strömungstechnisch von dem anströmenden Abgasstrom abgeschat- tet ist.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematisierte Darstellung nach Art eines Blockschaltbildes eines Dieselmotors mit einer Abgasreinigungsanlage gemäß einer ersten Ausgestaltung,
Fig. 2: eine Stirnseitenansicht auf die Anströmseite einer Partikelfilter- einheit der Abgasreinigungsanlage der Figur 1 ,
Fig. 3: die Partikelfiltereinheit der Figur 1 mit einer anderen Stellung
eines dieser zugeordneten Stellglieds,
Fig. 4: eine Darstellung entsprechend derjenigen der Figur 1 mit einer Abgasreinigungsanlage gemäß einer weiteren Ausgestaltung, und
Fig. 5: eine Darstellung entsprechend derjenigen der Figur 1 mit einer Abgasreinigungsanlage gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung.
Ein Dieselmotor 1 als Dieselbrennkraftmaschine verfügt über einen durch eine Abgasturbine 2 angetriebenen Ladeluftverdichter 3. Der Ladeluftverdichter 3 ist eingeschaltet in eine Luftzuführleitung 4, über die die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft dem Dieselmotor 1 zur Verfügung gestellt wird. An den Krümmer 5 des Dieselmotors 1 ist eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnete Abgasreinigungsanlage angeschlossen. Die Abgasreinigungsanlage 6 verfügt über einen Abgasstrang 7, umfassend ein Abgasrohr 8, in das die Abgasturbine 2 eingeschaltet ist, und eine Partikelfiltereinheit 9. Die Partikelfiltereinheit 9 umfasst bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Filterpakete 10, 10.1. Damit ist die Partikelfiltereinheit 9 in zwei Filtersegmente unterteilt, wobei jedes Filterpaket 10 bzw. 10.1 ein solches Segment darstellt. Beide Filterpakete 10, 10.1 sind als geschlossene Sintermetallfilter ausgeführt. Die beiden Filterpakete 10, 10.1 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch ei- ne Trennwand 11 voneinander separiert, wodurch das die beiden Filterpakete 10, 10.1 einfassende Gehäuse 12 in zwei Kammern geteilt ist. In dem Gehäuse 12 der Partikelfiltereinheit 9 ist des Weiteren eine Schwenkklappe 13 als Stellglied angeordnet, die entsprechend der in Figur 1 gezeigten Pfeilrichtung durch einen Aktor, beispielsweise einen Schrittmotor (nicht dargestellt), verstellt werden kann. In der in Figur 1 gezeigten Stellung befindet sich die Schwenkklappe 13 in einer ersten Betriebsstellung der Abgasreinigungsanlage 6. In dieser Stellung der Schwenkklappe 13 sind beide Filterpakete 10, 10.1 von dem über das Abgasrohr 8 zugeführten Abgas angeströmt. Das Abgas durchströmt die Filterpakete 10, 10.1 , bei wel- ehern Durchströmungsprozess im Abgas mitgeführte Rußpartikel aus dem Abgasstrom entfernt und auf der Filteroberfläche akkumuliert werden.
Die Abgasreinigungsanlage 6 umfasst des Weiteren eine Nebenstromlei- tung 15 zum Erzeugen eines Nebenstromes. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Nebenstromleitung 15 ausgelegt, damit durch diese ein Volumenstrom von etwa 10% - 20% des durch das Abgasrohr 8 strömende Abgas bei einem Volllastbetrieb strömen kann. Es versteht sich, dass bei einem Nichtvolllastbetrieb des Dieselmotors 1 , beispielsweise wenn sich dieser im Leerlauf befindet, das gesamte, von diesem ausgestoßene Abgas durch die Nebenstromleitung 15 geleitet werden kann. Zum Steuern des Abgasstromes, dass diese entweder insgesamt oder ein Teil desselben durch die Nebenstromleitung 15 strömt, kann durch entsprechende Strömungswiderstände im Abgasstrang, die von der Nebenstromleitung 15 überbrückt werden, bereitgestellt sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Abgasturbine oder um eine in das Abgasrohr 8 eingeschaltete stellbare Drossel handeln. Möglich ist auch, ein Stell- oder Taktventil in die Nebenstromleitung zu integrieren.
Die Nebenstromleitung 15 verfügt eingangsseitig über eine in den Krümmer 5 mündende Öffnung 16. Die Nebenstromleitung 15 dient zum Zuführen des aus dem Krümmer 5 abgezweigten heißen Nebenstroms in das Gehäuse 12 der Partikelfiltereinheit 9, und zwar in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor den Filterpaketen 10, 10.1. Zum Zuführen eines Nebenstromes in jede, durch die Trennwand 11 gebildete Kammer des Gehäuses 12 verfügt die Nebenstromleitung 15 über zwei Leitungsäste 17, 17.1. Jeder Leitungsast 17, 17.1 mündet in das Gehäuse 12 der Parti- kelfiltereinheit 9 der Schwenkklappe 13 in Strömungsrichtung des Abgases nachgeschaltet, wie dieses aus Figur 1 erkennbar ist. In jedem Leitungsast 17, 17.1 ist ein in nicht näher dargestellter Art und Weise an eine Steuereinheit angeschlossenes Regelventil 18, 18.1 eingeschaltet. Über die Regelventile 18, 18.1 kann das über den jeweiligen Ast 17 bzw. 17.1 in die Partikelfiltereinheit 9 eingebrachte Nebenstromvolumen geregelt werden.
Den Filterpaketen 10, 10.1 ist eine hinlänglich bekannte elektrische Heizeinrichtung zum Unterstützen des Auslösens einer Rußoxidation (Rußab- brand) zugeordnet. Die jeweils einem Filterpaket 10 bzw. 10.1 zugeordnete Heizeinrichtung ist der Übersicht halber in Figur 1 nicht dargestellt.
Die Nebenstromleitung 15 kann einen Abzweig 19 für eine Abgasrückführung aufweisen. Der Abzweig ist in Figur 1 lediglich angedeutet gestrichelt gezeigt.
Figur 2 zeigt zur Verdeutlichung der Verstellbarkeit der Schwenkklappe 13 diese in einer Stirnseitenansicht aus Blickrichtung des Abgasrohres 8 in einer gegenüber der in Figur 1 gezeigten Stellung in Richtung zur An- strömseite des Filterpaketes 10.1 hin verstellten Lage.
Die Nebenstromleitung 15 dient bei dem in Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dem Zweck, thermische Energie zur Unterstützung des Auslösens einer Regeneration der Filterpakete 10, 10.1 der Partikelfiltereinheit 9 zuzuführen. Eine Regeneration der Filterpakete 10, 10.1 erfolgt sequentiell. Für eine Filterregeneration, wobei zunächst eine Regene- ration des Filterpaketes 10.1 , wie in Fig. 3 dargestellt, vorgesehen ist, wird die Schwenkklappe 13 aus ihrer in Figur 1 gezeigten Stellung über ihre in Figur 2 gezeigte Stellung hinaus in ihre die anströmseitige Filterfläche des Filterpaketes 10.1 verschließende Stellung gebracht. In dieser Stellung liegt die Schwenkklappe 13 an dem Anlagewulst 14 an. In dieser Stellung ist das Filterpaket 10.1 von dem durch das Abgasrohr 8 des Abgasstranges 7 strömenden Hauptabgasstrom nicht angeströmt. Ist das Filterpaket 10.1 gegenüber dem Abgashauptstrom abgeschattet, wird das dem Leitungsast 17 zugeordnete Regelventil 18 der Nebenstromleitung 15 geöffnet. Das in den Leitungsast 17.1 eingeschaltete Regelventil 18.1 bleibt dagegen wie bei dem Akkumulationsbetrieb der Partikelfiltereinheit 9 der Figur 1 geschlossen. Über die Nebenstromleitung 15 strömt sodann aus dem Krümmer 5 abgezweigtes heißes Abgas in das Gehäuse 12 an die anströmseitige Oberfläche des Filterpakets 10.1. Dieses Abgas ist etwa 1000C bei seinem Eintritt in das Gehäuse 12 der Partikelfiltereinheit 9 wärmer als der über das Abgasrohr 8 in das Gehäuse 12 eingeleitete Hauptabgasstrom. Infolge der Abschattung des Filterpaketes 10.1 und der Zuführung dieses heißen Nebenabgasstromes wird der auf der anström- seitigen Oberfläche des Filterpaketes 10.1 akkumulierte Ruß erwärmt. Sollte die mit dem über die Nebenstromleitung 15 eingebrachten Abgas- nebenstrom zugeführte thermische Energie nicht ausreichen, eine Ruß- oxidation auszulösen, wird die dem Filterpaket 10.1 zugeordnete elektrische Heizeinrichtung bestromt. Je nach Ausgestaltung der Abgasreini-
gungsanlage und den aktuellen Temperaturbedingungen kann auch ein gleichzeitiges Erwärmen des auf der anströmseitigen Filteroberfläche des Filterpaketes 10.1 akkumulierten Rußes durch das zugeführte heiße Abgas des Nebenstromes und den gleichzeitigen Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung vorgenommen werden. Entsprechend rascher wird eine Rußoxidation ausgelöst und das Filterpaket 10.1 regeneriert.
Gesteuert wird der Regenerationsprozess hinsichtlich seines Fortschrittes und insbesondere hinsichtlich seiner Temperaturentwicklung bei dem dar- gestellten Ausführungsbeispiel durch den über die Nebenstromleitung 15 zugeführten Abgasnebenstrom. Der Abgasnebenstrom enthält in Abhängigkeit von dem aktuellen Betriebszustand des Dieselmotors 1 einen hinreichenden Sauerstoffgehalt, um eine Rußoxidation bestimmungsgemäß durchführen zu können. Somit wird über die Nebenstromleitung 15 der für die Rußoxidation benötigte Sauerstoff in Form des in dem Abgas enthaltenen Restsauerstoffs zugeführt. Der Fortschritt der Rußoxidation auf der Filterfläche des Filterpaketes 10.1 wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen in dem Filterpaket 10.1 integrierten Temperatursensor erfasst und in einer Steuereinheit (in den Figuren nicht dargestellt) ausgewertet. Um Beschädigungen an der Partikelfiltereinheit 9 infolge einer Überhitzung bei der Rußoxidation zu vermeiden, wird die Zufuhr des über die Nebenstromleitung 15 zugeführten Nebenstromes durch entsprechende Ansteuerung des Regelventils 18 reduziert, wenn die aktuelle Temperatur auf dem Filterpaket 10.1 einen bestimmten Schwellwert über- schritten hat. Durch die Reduzierung des zugeführten Abgasnebenstromvolumens wird entsprechend weniger Sauerstoff dem oxidierenden Ruß zur Verfügung gestellt mit der Folge, dass die Rußoxidation verlangsamt und demzufolge weniger exotherme Energie freigesetzt wird.
Zur Steuerung der Rußoxidation kann neben dem Regelventil 18 bzw. 18.1 als weiteres Stellglied die Schwenkklappe 13 benutzt werden. Wird die Schwenkklappe 13 aus ihrer in Figur 3 gezeigten, das Filterpaket 10.1 vollständig in Bezug auf den Hauptabgasstrom abschattenden Stellung geöffnet, wird das Filterpaket 10.1 von einem Teil des in Bezug auf die Temperatur des aus der Nebenstromleitung 15 austretenden Abgases relativ kühlen Hauptabgasstromes angeströmt und infolge der Durchström- barkeit des Filterpaketes 10.1 Überschusswärme weggeführt. Die Stell-
glieder - die Regelventile 18, 18.1 und die Schwenkklappe 13 - sind zu ihrer Ansteuerung an eine Steuereinrichtung angeschlossen. Eine Ruß- oxidation auf dem Filterpaket 10.1 kann sodann, den jeweiligen Bedingungen entsprechend, optimal durch Ändern des zugeführten Nebenstromab- gasvolumenstroms und des gegenüber diesem kühleren Hauptabgasstroms geregelt werden.
Während des Prozesses der Regeneration des Filterpaketes 10.1 bleibt das Filterpaket 10 nach wie vor abgasdurchströmt. Ist der typischerweise nur wenige Minuten dauernde Regenerationsprozess an dem Filterpaket 10.1 abgeschlossen, wird die Schwenkklappe 13 zum Abschatten des Filterpaketes 10 verstellt. In dieser Stellung der Schwenkklappe 13 durchströmt das über das Abgasrohr 8 zugeführte Abgas des Hauptabgasstromes das regenerierte Filterpaket 10.1. Zur Regeneration des Filterpaketes 10 wird das Regelventil 17 geschlossen und das Regelventil 17.1 geöffnet. Die Regeneration des Filterpaketes 10 vollzieht sich in gleicher Weise, wie dieses zu dem Filterpaket 10.1 beschrieben ist.
In Figur 4 ist der Dieselmotor 1 gezeigt, an dessen Krümmer 5 eine Ab- gasreinigungsanlage 6.1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel angeschlossen ist. Grundsätzlich ist die Abgasreinigungsanlage 6.1 konzipiert wie die zu den Figuren 1 bis 3 beschriebene. Im Unterschied zu der Abgasreinigungsanlage 6 der Figuren 1 bis 3 verfügen die Filterpakete 10, 10.1 nicht über zusätzliche elektrische Heizelemente. Die Abgasreini- gungsanlage 6.1 unterscheidet sich von der Abgasreinigungsanlage 6 dadurch, dass in die Nebenstromleitung 15 der Teilung der Leitungsäste 17, 17.1 vorgeschaltet ein Brenner 20 zum Erwärmen des über die Nebenstromleitung 15 strömenden Abgasnebenstromes eingeschaltet ist. Der Brenner 20 ist als Flammenbrenner konzipiert, arbeitet kraftstoffbetrieben und ist in nicht näher dargestellter Weise an den Kraftstofftank für den Dieselmotor 1 und eine Steuereinrichtung angeschlossen. Durch den Brenner 20 kann das Nebenstromabgas auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden, um dem Filterpaket 10 oder 10.1 mehr thermische Energie zuführen zu können. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Brenner 20 ein Oxidationskatalysator 21 nachgeschaltet. Durch Überspritzen des Brenners 20, d.h. durch Zuführen einer solchen Kraftstoffmenge, das diese nicht vollständig verbrennt, kann Kraftstoff auf die
katalytische Oberfläche des Oxidationskatalysators 21 gebracht werden, wobei die HC-Verbindungen in einer exothermen Reaktion aufgespalten werden. Bei dieser Ausgestaltung wird der Brenner 20 genutzt, um den Oxidationskatalysator 21 auf seine Betriebstemperatur zu bringen, um den über den Bypass strömenden Nebenstrom durch Einspritzen von Kraftstoff über den Brenner 20 am Oxidationskatalysator 21 den notwendigen Temperaturhub zu verleihen. Bei dieser Ausgestaltung kann der in das Gehäuse 12 der Partikelfiltereinheit 9 einströmende Nebenstrom eine solche Temperatur aufweisen, die zum Auslösen eines Rußabbrandes ohne zu- sätzliche weitere Maßnahmen ausreicht. Eine Regelung des Rußabbrandes erfolgt in analoger Weise, wie zu dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 beschrieben.
Die Figur 5 zeigt eine weitere Abgasreinigungsanlage 6.2, die an den Die- selmotor 1 angeschlossen ist. Die Nebenstromleitung 15 ist bei diesem Ausführungsbeispiel konzipiert, wie zu der Abgasreinigungsanlage 6.1 der Figur 4 beschrieben. Die Abgasreinigungsanlage 6.2 verfügt neben der Partikelfiltereinheit 9 über einen SCR-Katalysator, der beispielsweise als Beschichtung der Filtersauberseite der Filterpakete 10, 10.1 ausgeführt sein kann. Zu diesem Zweck verfügt die Abgasreinigungsanlage 6.2 der kombinierten Partikelfilter-SCR-Einheit über eine Harnstoffzuführungseinrichtung 22. Diese umfasst ein Vorratsbehältnis 23 zum Bevorraten von wässriger Harnstofflösung als so genannter Precurser für das darin enthaltene Reduktionsmittel NH3. Dieses ist ausgangsseitig an ein innerhalb des Abgasrohres 8 angeordnetes Mischrohr 24 unter Zwischenschaltung eines nicht dargestellten Dosierventils angeschlossen. Das Mischrohr 24 dient zum Zerstäuben der wässrigen Harnstofflösung. Zu diesem Zweck wird ein Zerstäubungsgas benötigt. Bei der Abgasreinigungsanlage 6.2 wird als Zerstäubergas Abgas aus dem über die Nebenstromleitung 15 strömen- den Abgasnebenstrom verwendet. Zu diesem Zweck verfügt die Nebenstromleitung 15 über einen Abzweig 25 zum Zuführen von Nebenstromab- gas an das Mischrohr 24. In den Abzweig 25 eingeschaltet ist ein Ventil 26 zum Steuern des Zustroms des Abgasnebenstroms an das Mischrohr 24. Zugeführt wird der Harnstoffzuführungseinrichtung 22 bei dieser Ausge- staltung heißes, vom Krümmer 5 des Dieselmotors 1 abgezweigtes Abgas, wodurch die thermolytische Zersetzung der dosierten wässrigen Harnstofflösung zum Freisetzen des darin enthaltenen Ammoniaks (NH3) in dem
Mischrohr 24 und in den sich an das Mischrohr 24 in Strömungsrichtung des Abgases anschließenden Abschnitt des Abgasrohres 8 entsprechend rascher vollzieht, verglichen mit einer Ausgestaltung, bei der auf Umgebungstemperatur befindliche Luft für die gewünschte Harnstofflösungszer- stäubung verwendet wird.
Anstelle oder auch zusätzlich zu dem Abzweig 25 kann eine Verbindungsleitung zwischen dem Leitungsast 17.1 und dem Abzweig 25 geschaffen sein, um durch den Brenner 20 bzw. den Oxidationskatalysator 21 erhitz- tes Abgas für die Zerstäubung von zugeführter Harnstofflösung in das Mischrohr 24 zuzuführen. In diese, mit dem Bezugszeichen 27 in Figur 5 bezeichnete Leitung ist ein Ventil 28 eingeschaltet. Figur 5 zeigt beide vorbeschriebenen Ausgestaltungen in der Abgasreinigungsanlage 6.2, wobei es sich für einen Fachmann versteht, auch nur eine dieser beiden Möglichkeiten zum Zuführen von Wärme in das Mischrohr genutzt oder auch eine Abgasanlage nur mit einer dieser beiden Wegsamkeiten zum Zuführen von Wärme ausgerüstet sein kann.
Um Temperaturverluste in der Nebenstromleitung 15 durch Abgeben von Wärme an die Umgebung zu minimieren, kann die Nebenstromleitung eine thermische Isolierung aufweisen. Dieses kann sich anbieten, wenn in die Nebenstromleitung kein Heizaggregat eingeschaltet ist.
Neben den beschriebenen Partikelfiltereinheiten eignen sich die beschrie- bene Abgasreinigungsanlage und das beschriebene Verfahren gleichermaßen, wenn andere Filterpakete gemeinsam in einem Gehäuse oder Filterpakete in unterschiedlichen Gehäusen angeordnet sind. Darüber hinaus können in eine solche Abgasreinigungsanlage weitere, eine Filterregeneration auslösende Maßnahmen inkorporiert sein, beispielsweise durch Implementierung von Maßnahmen zum Absenken der Rußoxidati- onstemperatur.
Die beschriebenen Abgasreinigungsanlagen und das beschriebene Verfahren können grundsätzlich als autarke Einheiten betrieben werden, ohne dass es zwingend erforderlich wäre, über eine entsprechende Schnittstelle Daten aus dem Motormanagement zu erhalten und auswerten zu müssen. Daher eignet sich eine solche Abgasreinigungsanlage insbesondere auch
für Nachrüstlösungen.
Bezugszeichenliste
1 Dieselmotor
2 Abgasturbine
3 Ladeluftverdichter
4 Luftzuführleitung
5 Krümmer , 6.1 , 6.2 Abgasreinigungsanlage
7 Abgasstrang
8 Abgasrohr
9 Partikelfiltereinheit 10, 10.1 Filterpaket
11 Trennwand
12 Gehäuse
13 Schwenkklappe
14 Anlagewulst
15 Nebenstromleitung
16 Öffnung
17, 17.1 Leitungsast
18, 18.1 Regelventil
19 Abzweig
20 Brenner
21 Oxidationskatalysator
22 Harnstoffzuführungseinrichtung
23 Vorratsbehälter
24 Mischrohr
25 Abzweig
26 Ventil
27 Leitung
28 Ventil
Claims
1. Abgasreinigungsanlage, insbesondere für eine Dieselbrennkraft- maschine (1 ), umfassend wenigstens ein in den Abgasstrang (7) eingeschaltetes Abgasreinigungsaggregat (9) sowie eine Einrichtung zum Zuführen von thermischer Energie in den Abgasstrang (7) zum Auslösen und/oder Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses, welche Einrichtung eine zu dem Abgasstrang (7) parallel verlaufende Nebenstromleitung (15) umfasst, aus welcher Nebenstromleitung (15) aufgrund ihrer Anordnung zum Abgasstrang (7) und/oder durch ein darin eingeschaltetes Heizaggregat ausgangsseitig Abgas in einer gegenüber der Abgastemperatur im Abgasstrang (7) höheren Tem- peratur dem Abgasstrang (7) zuführbar ist und welche Nebenstromleitung (15) ausgangsseitig zum Zuführen von thermischer Energie in den Abgasstrang (7) an oder im Bereich desjenigen Abgasstrangabschnittes mündet, in dem die thermische Energie benötigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abgasstrang (7) als Abgasreinigungsaggregat eine Partikelfiltereinheit (9) mit zumindest einem der durch die Partikelfiltereinheit (9) bereitgestellten Filterfläche vorgeschalteten Stellglied (13) zum Sperren und/oder Reduzieren der Abgaszufuhr aus dem Abgasstrang (7) in wenigstens einem Segment (10, 10.1 ) angeordnet ist und dass die ausgangsseitige Mündung der Nebenstromleitung (15, 17, 17.1 ) dem Stellglied (13) nachgeschaltet und der Filterfläche vorgeschaltet ist.
2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekenn- zeichnet, dass Stellglied eine schwenkbar gelagerte Klappe (13) ist.
3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das der Filterfläche vorgeschaltete Stellglied eine zum Bedecken eines oder mehrerer Segmente (10 oder 10.1 ) der
Filterfläche vorgesehene, vorzugsweise drehbar gegenüber der Filterfläche gelagerte Blende ist.
4. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Filtersegmenten (10, 10.1 ) zum Unterstützen des Auslösens einer Rußoxidation jeweils ein oder mehrere elektrische Heizelemente zugeordnet sind.
5. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Nebenstromleitung (15) ein Brenner (20) als Heizaggregat zum Erhöhen der Temperatur des in der Nebenstromleitung (15) strömenden Abgases angeordnet ist.
6. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Brenner (20) ein Flammenbrenner vorgesehen ist.
7. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flammenbrenner (20) ein Oxidationskatalysa- tor (21 ) nachgeschaltet ist.
8. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner als katalytischer Brenner ausgeführt ist.
9. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage (6.2) eine Harnstoffzuführungseinrichtung (22) zum Zuführen von flüssigem Harnstoff in den Abgasstrang (7) umfasst und die Nebenstromleitung (15) zum Unterstützen der Harnstoffaufbereitung im Abgasstrang in diesen mündet.
10. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenstromleitung (15) in ein der Harnstoffzuführungseinrichtung (22) zugeordnetes, im Abgasstrang (7) ange- ordnetes Mischrohr (24) mündet.
11. Verfahren zum Zuführen von thermischer Energie zum Auslösen und/oder Unterstützen eines in einer Abgasreinigungsanlage (6, 6.1 , 6.2), insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine (1 ) ablaufenden Prozesses, wobei ein Teil des motorseitig ausgestoßenen Abgases aus dem Abgasstrom als Nebenstrom abgezweigt und an derjenigen Stelle in den Abgasstrang (7) wieder eingebracht wird, an der thermische Energie zum Auslösen und/oder Unterstützen eines im Zusammenhang mit der Abgasreinigung stehenden Prozesses benötigt wird, wobei es sich bei diesem Prozess um eine Regeneration einer Partikelfiltereinheit (9) handelt und das über den Nebenstrom zugeführte Abgas eine höhere Temperatur als das nicht durch den Nebenstrom strömende Abgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfiltereinheit (9) segmentweise einer Regeneration unterworfen wird und das Ne- benstromabgas anströmseitig einem durch ein Stellglied (13) von dem Hauptabgasstrom getrennten Segment (10, 10.1 ) des Partikelfilters zum Auslösen und/oder Unterstützen einer Rußoxidation in diesem Segment (10, 10.1 ) zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Auslösen des Rußoxidationsprozesses der Rußoxidations- prozess hinsichtlich seines Fortschrittes beobachtet wird und in Abhängigkeit von zumindest einem diesbezüglich erfassten Parameter, etwa der Temperatur, die dem auf der Filterfläche befindlichen Ruß zugeführte Sauerstoffmenge durch Ändern des VoIu- menstroms des aus dem Nebenstrom zugeführten Abgases und/oder durch Ändern der Zufuhr von Abgas aus dem Hauptabgasstrom in das sich in Regeneration befindliche Segment geändert wird.
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