DE3726164A1 - Einrichtung zum anheben der abgastemperatur eines dieselmotors auf die abbrenntemperatur eines in der abgasleitung angeordneten russabbrennfilters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Anheben der Ab­ gastemperatur auf die Abbrenntemperatur eines in der Ab­ gasleitung angeordneten Rußabbrennfilters nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Eine Einrichtung der gattungsgemäßen Bauart ist aus der DE-OS 35 22 431 bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, diese bekannte Einrichtung so weiterzubilden, daß in allen Betriebsbereichen des Motors die Temperatur der Abgase auf die Abbrenntemperatur des Rußabbrennfilters mit Sicherheit angeschoben werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der Anordnung eines Brenners besitzt die Einrichtung eine vom Motor unabhängige Wärmequelle, die bedarfsweise immer dann zugeschaltet werden kann, wenn die vom Abgas über den Wärmetauscher bewirkte Aufheizung der Ansauglufttemperatur nicht ausreicht, um in Verbindung mit der damit einhergehen­ den Prozeßtemperaturänderung die Abgastemperatur auf die Abbrenntemperatur des Rußabbrennfilters anzuheben. Durch den Einsatz des Brenners ist sichergestellt, daß auch bei ex­ tremen Bedingungen, wie z. B. niedrige Lufttemperaturen und Leerlaufbetrieb, die Abgase auf die Abbrenntemperatur des Rußfilters angehoben werden können.

Gemäß den Merkmalen des Anspruches 2 ergibt sich eine vor­ teilhafte bauliche Anordnung des Brenners innerhalb der bekannten Einrichtung. Außerdem hat diese Anordnung den Vorteil, daß der Brenner in einem Abgasleitungsabschnitt mit nur geringen Druckschwankungen eingesetzt ist, wodurch dieser baulich einfacher gestaltet werden kann.

Die Anordnung des Brenners gemäß Anspruch 3 hat den Vorteil, daß die heißen Verbrennungsgase direkt in die Ansaugleitung eingeleitet werden. Da hierdurch ein Teil der erwärmten Ver­ brennungsluft durch Abgas ersetzt wird, verringert sich der Luftüberschuß, wodurch zusätzlich die Prozeßtemperatur und damit die Abgastemperatur angehoben wird. Ferner ist vor­ teilhaft, daß auf den Brenner kein Gegendruck wie z. B. der Abgasgegendruck einwirkt, weshalb billige, handels­ übliche Brennersysteme verwendet werden können. Schließlich ist auch von Vorteil, daß der Wärmetauscher nicht mehr vom Brenner beaufschlagt ist, so daß Wärmetauscher aus billi­ gen Werkstoffen eingesetzt werden können.

Mit einer Drosselklappe in der Ansaugleitung gemäß den Merk­ malen des Anspruches 4 kann die Verbrennungsluftmenge geän­ dert werden derart, daß insbesondere bei einer Filterre­ generation im Leerlauf und Teillastbereich ein niedriges Luftverhältnis (λ=1,5 bis 2) eingestellt wird, durch das gegebenenfalls in Verbindung mit der Ansaugluftverwärmung kurzfristig eine Erhöhung der Abgastemperatur bis oderhalb der Abbrenntemperatur sicher möglich ist.

Gemäß den Merkmalen des Anspruches 5 wird erreicht, daß der Wärmetauscher und gegebenenfalls der Brenner nur in der Re­ generationsphase vom Abgas beaufschlagt sind. Dies ist vor­ teilhaft, weil insbesondere der vom Wärmetauscher verur­ sachte erhöhte Abgasgegendruck damit auf einen Betriebsbe­ reich beschränkt wird, in dem der hierdurch hervorgerufene Effekt einer höheren Abgastemperatur durch eine erhöhte Mo­ torbelastung erwünscht ist. Zwischen den Regenerations­ phasen ist der Wärmetauscher vom Abgassystem abgekoppelt, so daß die Abgase nach dem Rußfilter weitgehend ohne wei­ tere Behinderung nach außen abströmen können. Schließlich werden Wärmetauscher und Brenner während ihrer gesamten Be­ triebszeit nicht mehr mit Restruß aus dem Abgas belastet, so daß immer ein bestmöglicher Wärmeübergang am Wärmetau­ scher sichergestellt ist, der außerdem dazu beiträgt, daß die Regenerationsphasen ohne zeitliche Verzögerung ablaufen können.

Gemäß den Merkmalen des Anspruches 6 ergibt sich schließ­ lich noch in vorteilhafter Weise ein einfacher selbsttäti­ ger Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung.

In der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung werden zwei Ausführungbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Einrichtung mit einer An­ ordnung des Brenners stromauf des Ansaugluft- Abgas-Wärmetauschers und

Fig. 2 die erfindungsgemäße Einrichtung mit einer An­ ordnung des Brenners in der Warmluftleitung.

In den Fig. 1 und 2 sind an einen Dieselmotor 1 eine An­ saugleitung 2 und eine Abgasleitung 3 angeschlossen. Im Verlauf der Abgasleitung 3 ist ein Rußabbrennfilter 4 an­ geordnet, in dem die Rußpartikel aus dem Abgas ausgefil­ tert werden. Die im Rußabbrennfilter abgefangenen Rußpar­ tikel werden in bestimmten Zeitabständen vom Rußfilterein­ satz abgebrannt, d. h. mit Hilfe von Sauerstoff und Tempera­ tur nachoxidiert. Für diese thermische Rußfilterregeneration wird eine Einrichtung benutzt, die einen Ansaugluft-Abgas- Wärmetauscher 5 und einen Brenner 6 umfaßt. Der Wärmetau­ scher 5 ist in dem stromab des Rußabbrennfilters 4 gele­ genen Abgasleitungsabschnitt 7 angeordnet und zwar in einer abgezweigten Nebenleitung 8. Die dabei in einem Bogen ge­ führte Nebenleitung 8 mündet mit Abstand von der nahe am Rußfilter 4 liegenden Verzweigungsstelle 9 wieder in die Abgasleitung 3 ein. In dem Abgasleitungsabschnitt 7 ist zwischen der Verzweigungsstelle 9 und der Einmündung der Nebenleitung 8 in den Leitungsabschnitt 7 eine Abgasklappe 10 eingesetzt, die von einem Stellantrieb 11 aus gesteuert wird. Mit Beginn der Regenerationsphase wird die Abgasklap­ pe 10 geschlossen, so daß der aus dem Rußabbrennfilter 4 aus­ tretende Abgasstrom in die Nebenleitung 8 und über den Wärme­ tauscher 5 umgeleitet wird. Zwischen den Regenerationspha­ sen ist die Abgasklappe 10 offen, so daß der aus dem Ruß­ abbrennfilter austretende Abgasstrom durch den Abgasleitungs­ abschnitt 7 unmittelbar ins Freie ausströmen kann. Durch die Anordnung von Wärmetauscher 5 und Brenner 6 in der Nebenlei­ tung 8 sind diese zwischen den Regenerationsphasen aus dem Strömungsweg der Abgase ausgeblendet; so daß sie den norma­ len Motorbetrieb nicht mehr nachteilig beeinflussen können.

Die vom Wärmetauscher 5 aus den Abgasen aufgenommene Wärme wird an die Ansaugluft des Motors abgegeben, welche dem Wärmetauscher 5 durch eine stromab vom Luftfilter 12 von der Ansaugleitung 2 abgezweigte Verbindungsleitung 13 zu­ geführt wird. Die erwärmte Ansaugluft verläßt den Wärmetau­ scher durch eine Warmluftleitung 14, welche an die Ansaug­ leitung 2 angeschlossen ist. Die Steuerung der Ansaugluft in die Verbindungsleitung 13 oder direkt zum Motor 1 er­ folgt durch eine in der Ansaugleitung zwischen der Abzwei­ gung der Verbindungsleitung 13 und der Einmündung der Warm­ luftleitung 14 gelegene Steuerklappe 15, die von einem Stell­ antrieb 16 verstellt wird.

Gemäß Fig. 1 ist der Brenner 6 in dem stromauf des Wärme­ tauschers 5 gelegenen Abschnitt 8 a der Nebenleitung 8 an­ geordnet. Mit Beginn der Regenerationsphase wird der Bren­ ner 6 eingeschaltet. Die heißen Brenngase beaufschlagen den Wärmetauscher 5, der die Wärme aus den Verbrennungs­ gasen und dem Abgas an die Ansaugluft abgibt, die sich so annähernd auf Brenngastemperatur aufheizt.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Brenner 6 an die Warmluftleitung 14 angeschlossen. Mit Beginn der Regenera­ tionsphase strömen die heißen Brenngase in die Warmluft­ leitung 14 ein und vermischen sich dort mit der im Wärme­ tauscher 5 vorgeheizten Ansaugluft. Dem Motor wird somit ein annähernd auf Brenngastemperatur aufgeheiztes Brenngas-Luft- Gemisch zugeführt.

Sofern die in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 ge­ troffenen Maßnahmen nicht ausreichen, um bei bestimmten Be­ triebszuständen des Motors die Abgastemperatur auf die Ab­ brenntemperatur anzuheben, ist in der Ansaugleitung 2 strom­ ab des Anschlusses der Warmluftleitung 14 eine Drosselklappe 17 eingesetzt, die von einem Stellmotor 18 aus gesteuert wird. Mit der Drosselklappe 17 kann insbesondere der Luft­ überschuß bei Leerlauf- und Teillast des Motors 1 auf ein Luftverhältnis von λ=1,5 bis 2,0 reduziert und damit in Verbindung mit der Ansaugluftvorwärmung eine weitere An­ hebung der Abgastemperaturen erzielt werden.

Die Rußfilterregeneration wird selbsttätig von einem elek­ tronischen Steuergerät 19 aus in Abhängigkeit der Betriebs­ parameter Abgasdruck und Abgastemperatur gesteuert. Beide Parameter werden mittels Sensoren 20 und 21 stromauf des Rußabbrennfilters 4 in der Abgasleitung 3 gemessen und über Signalleitungen 22 und 23 dem Steuergerät 19 zugeführt. Bei Erreichen eines vorgegebenen Abgasgrenzdruckes wird die Abgasklappe 10 und die Steuerklappe 15 vom Steuerge­ rät 19 ausgeschlossen und der Brenner über die Signallei­ tung 24 eingeschaltet, womit die Regenerationsphase einge­ leitet ist. Mit dem Freibrennen des Rußabbrennfilters 4 sinkt der Abgasgegendruck und sobald dieser einen unteren Grenzwert erreicht hat, wird vom Steuergerät 19 aus durch Öffnen der Klappen 10 und 15 sowie Abschalten des Brenners 6 die Regenerationsphase beendet.

Die Steuerung der Rußfilterregeneration kann auch so ge­ staltet sein, daß der Brenner 6 nur zeitweise eingeschaltet ist, beispielsweise nur so lange, bis die Abgase die Ab­ brenntemperatur erreicht haben. Anders wäre es denkbar, den Brenner lastabhängig über ein Regelstangenwegsignal zu steuern und zwar so, daß bis zu einer bestimmten, im oberen Teillastbereich liegenden Regelstangenstellung der Brenner 6 eingeschaltet ist und sobald die Regelstange aus dieser Stellung heraus in Richtung Vollast verstellt wird, der Brenner abgeschaltet wird.

Sofern die Einrichtung mit einer Drosselklappe 16 ausge­ stattet ist, wird diese mit Beginn der Regenerationsphase zur Einstellung eines vorgegebenen niedrigen Luftverhält­ nisses (λ=1,5-20) ebenfalls über das Steuergerät 19 in Schließstellung bewegt. Das vorgegebene Luftverhältnis wird dabei von einer in der Abgasleitung 3 stromauf des Ruß­ abbrennfilters 4 eingesetzten Magergemischsonde 25 gemessen und über die Signalleitung 26 an das Steuergerät 19 über­ mittelt.

Es ist selbstverständlich, daß auch die Drosselklappe 17 anhand anderer Betriebsparameter oder Gesetzmäßigkeiten zur Erzielung des angestrebten Erfolges gesteuert werden kann.

Claims (6)

1. Einrichtung zum Anheben der Abgastemperatur eines Diesel­ motors auf die Abbrenntemperatur eines in der Abgasleitung angeordneten Rußabbrennfilters durch Aufheizen der Ansaug­ luft in einen stromab des Rußfilters in der Abgasleitung ge­ legenen Ansaugluft-Abgas-Wärmetauscher, dem mit Beginn der Regenerationsphase die aus einer Ansaugleitung in eine Ver­ bindungsleitung durch eine Absperrklappe eingesteuerte An­ saugluft zugeführt wird, welche nach dem Wärmetauscher durch eine Warmluftleitung in die Ansaugleitung zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors (1) gesteuerter Brenner (6) vorgesehen ist, dessen heiße Brenngase dem Wärmetauscher (5) oder der Ansaugluft strom­ ab des Wärmetauschers (5) zugeführt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (6) an den stromauf des Wärmetauschers (5) gelegenen Abgasleitungsabschnitt (8 a) angeschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (6) an die Warmluftleitung (14) angeschlos­ sen ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ansaugleitung (2) stromab der Einmündung der Warm­ luftleitung (14) eine Drosselklappe (17) zur Steuerung der Ansaugluftmenge vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (6) in einer von der Abgasleitung (3) stromab des Rußabbrennfilters (4) abgezweigten Nebenleitung (8) angeordnet ist, in die zu Beginn der Regenerationsphase das Abgas von einer Abgasklappe (10) gesteuert umgeleitet wird, wobei der Brenner (6) an der Nebenleitung (8) strom­ auf des Wärmetauschers (5) angeschlossen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgas- (10) und Drosselklappe (17) sowie der Brenner (6) von einem elektronischen Steuergerät (19) aus in Ab­ hängigkeit der Betriebsparameter Abgasdruck und Abgastempera­ tur steuerbar sind derart, daß unterhalb eines in der Ab­ gasleitung (3) stromauf des Rußabbrennfilters (4) gemessenen Abgasgegendruckes die Klappen (10, 17) geöffnet und der Bren­ ner abgeschaltet ist und bei Erreichen des vorgegebenen Ab­ gasgegendruckes die Abgasklappe (10) geschlossen und die Drosselklappe in Abhängigkeit der Motorlast und einer unteren vorgegebenen Luftüberschußzahl ganz oder teilweise geschlos­ sen und der Brenner (6) bei einer unter der Abbrenntempera­ tur liegenden Abgastemperatur eingeschaltet wird.