DE3837472C2 - Partikelfiltersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regenerierung von Partikel­ filtern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein entsprechendes Partikelfiltersystem.

Die Partikelemission ist ein verfahrensbedingter Nachteil des Diesel­ motors. Bisher wurde versucht, dieses Problem durch innermoto­ rische Maßnahmen zu lösen. Die immer schärfer werdenden gesetz­ lichen Auflagen für Fahrzeugmotoren erfordern aber auch den Einsatz von Partikelfiltern im Abgasstrom.

Ein solches Partikelfilter wird in der US-PS 4,651,524 beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein im Regenerationsbetrieb im Neben­ strom angeordnetes bzw. über einen Bypaß umgehbares Filter, das während des Motorbetriebes durch Abbrennen des Partikelbelages regenerierbar ist.

Da die zur Regeneration erforderliche Abgastemperatur von mehr als 550°C im Motorbetrieb in der Regel nicht erreicht wird, muß das Ab­ gas entsprechend aufgeheizt werden. Dazu dient ein Brenner mit einer Kraftstoff-Luftzerstäuberdüse, der Druckluft in konstantem un­ terstöchiometrischem Mengenstrom zugeführt wird. Die noch unver­ brannten Bestandteile der den Brenner verlassenden heißen Gase reagieren in einer Nachbrennkammer mit dem Restsauerstoff der dort eingeleiteten Abgase des Dieselmotors. Dadurch wird die zur Rege­ neration erforderliche Temperatur erreicht. Die dazu benötigte Bren­ nerleistung ist von der jeweiligen Menge und Temperatur des Ab­ gases des Dieselmotors und damit von dessen Drehzahl und Last abhängig. Entsprechend ist bei dem Brenner der US-PS 4,651,524 der Druck des zugeführten Brennstoffs und die Flußmenge des sauer­ stoffhaltigen Gases einstellbar.

Ähnliche Systeme sind aus der EP-A 0 114 696, der DE-OS 31 21 274 und der DE-OS 35 32 778 bekannt, wobei aber bei allen Systemen keine näheren Angaben über die Zusammensetzung von Brennstoff und Sauerstoff gemacht sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Partikel­ filtersystem zu schaffen, das im gesamten Betriebsbereich des Die­ selmotors regenerationsfähig ist, ohne das Partikelfilter zu gefährden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Mengenverhältnis des dem Brenner zugeführten Brennstoffs und sauerstoffhaltigen Gases in den Betriebspunkten des Dieselmotors, bei denen der Leistungsbe­ darf des Brenners zum Erreichen der Regenerationstemperatur am niedrigsten ist, in etwa stöchiometrisch und in allen übrigen Betrieb­ spunkten des Dieselmotors unterstöchiometrisch ist.

Dieses Verfahren zur Einstellung des Mengenverhältnisses bietet den Vorteil kleinstmöglicher Brennerluftmenge und damit kleinstmöglichen Brennstoffverbrauch zu deren Förderung und Aufheizung. Auf diese Weise kann die Forderung erfüllt werden, im gesamten Betriebs­ bereich des Dieselmotors eine annähernd konstante und ausreichend hohe Regenerationstemperatur und damit eine vollständige Regene­ ration des Partikelfilters zu verwirklichen. Damit ist auch die Voraus­ setzung für eine vollautomatische, vom Fahrer unabhängige Regene­ ration erfüllt.

In Weiterbildung der Erfindung ist die dem Brenner zugeführte Menge an Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas im gesamten Betriebsbe­ reich des Dieselmotors variierbar. Dies bietet den Vorteil, eine für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine optimale Abstimmung der Mengen von Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas verwirklichen zu können.

In weiterer Verfahrensausgestaltung ist die dem Brenner zugeführte Menge des sauerstoffhaltigen Gases proportional zur Drehzahl des Dieselmotors. Dies bietet den Vorteil einer einfachen Luftversor­ gungsanlage des Brenners, die weiterhin dadurch, daß die dem Bren­ ner zugeführte Menge des sauerstoffhaltigen Gases proportional zur Drehzahl des Dieselmotors ist und ab einer bestimmten Drehzahl des Dieselmotors in etwa konstant gehalten wird, in ihrer Liefercharakte­ ristik auf einfache Weise variiert werden kann.

Dadurch, daß die dem Brenner zugeführte Menge des sauerstoffhalti­ gen Gases im Gesamtbetriebsbereich des Dieselmotors konstant ge­ halten wird, ist bei Vorhandensein einer Druckluftquelle mit in etwa konstantem Druck, wie sie in Nutzfahrzeugen üblich ist, in Verbindung mit deiner überkritisch durchströmten Düse eine besonders einfache Lösung der Luftversorgung des Brenners ermöglicht.

Das entsprechende Partikelfilter zeichnet sich dadurch aus, daß das Partikelfilter ausschließlich im Vollstrom der Abgasleitung des Die­ selmotors durchströmbar ist, daß die Zerstäuberdüse eine Luftdrall­ zerstäuberdüse ist, deren Austritt drallerzeugend in die Primärbrenn­ kammer einmündet, und daß die Abgasleitung drallerzeugend am Umfang der Sekundärbrennkammer angeschlossen ist. Das Abgas der Brennkraftmaschine verteilt sich durch diese Ausgestaltung im normalen Motorbetrieb durch die Drallströmung gleichmäßig in der Sekundärbrennkammer und belädt dadurch das Partikelfilter gleich­ mäßig. Zum anderen wird erreicht, daß sich bei der Regeneration die Abgasströme des Dieselmotors und des Brenners durch deren entge­ gengesetzten Drallsinn in Art einer Scherstrommischung intensiv mi­ schen und so über eine gleichmäßige Temperaturverteilung vor dem Partikelfilter zu dessen gleichmäßiger, vollständiger und schonender Regenration führen. Bei Vorhandensein von Strömungsleitvorrichtun­ gen oder ähnlichen Einbauten in der Sekundärbrennkammer, z. B. radial in der Sekundärbrennkammer angeordneten Strömungsleitble­ chen oder Strömungsblenden, kann es vorteilhaft sein, die Richtung des Dralls in der Primär- und Sekundärbrennkammer gleichsinnig zu gestalten. Der Anschluß der Abgasleitung am Umfang der Sekundär­ brennkammer bietet den Vorteil kurzer Baulänge des Partikelfiltersy­ stems, ein Vorteil, der durch die Einmündung der Abgasleitung in den in Strömungsrichtung vorderen Teil der Sekundärbrennkammer noch verstärkt wird.

In Weiterbildung sind bei mehreren Abgasleitungen deren Einmün­ dungen in die Sekundärbrennkammer in gleichen Abständen ange­ ordnet. Dadurch ist eine symmetrische Strömung erreicht, die beim Beladen des Partikelfilters zu einer gleichmäßigen Vermischung der einzelnen Abgasströme und beim Regenerieren zusätzlich zur gleich­ mäßigen Zumischung des Brenngases führt.

Die Primärbrennkammer ist vorzugsweise innerhalb des in Strö­ mungsrichtung vorderen Teils der Sekundärbrennkammer angeordnet und bietet den Vorteil einer größtmöglichen Mischlänge für das Abgas der Brennkraftmaschine und das Brenngas des Brenners. Außerdem wird die Brennkammer von dem Motorabgas gekühlt, wobei die auf­ genommene Wärme der Regeneration direkt zugute kommt.

In weiterer Ausgestaltung sind am Umfang der Primärbrennkammer Öffnungen angeordnet. Dies verhindert negative Auswirkungen der Abgaspulsationen des Dieselmotors auf die Stabilität der Flamme der Primärbrennkammer und ermöglicht eine Zumischung sauerstoffhalti­ gen Abgases in die Primärbrennkammer. Weiterhin sind die Öffnun­ gen in Strömungsrichtung gesehen im ersten Drittel der Primärbrennkammer angeordnet und ihr Querschnitt beträgt 5% bis 20% des Querschnitts der Primärbrennkammer. Dadurch wird eine Unempfindlichkeit gegen Druckschwankungen erreicht.

In Weiterbildung ist eine Prallplatte koaxial zur Austrittsöffnung der Primärbrennkammer dem Partikelfilter vorgelagert angeordnet, die Prallplatte ist vorzugsweise kreisförmig und ihr Durchmesser beträgt ca. 60% und ihr Abstand zum Primärkammerende ca. 150% des Durchmessers der Primärbrennkammer. Bei Ausfall der Zündung kann somit der Kraftstoff nicht in den Kernbereich des Partikelfilters gelan­ gen, was zur Überhitzung und partiellen Zerstörung des Filters führen würde.

Aufgrund des relativ kleinen Durchmessers der Prallplatte und ihres großen Abstandes von der Austrittsöffnung der Primärbrennkammer bewirkt die Prallplatte keine wesentliche Strömungsbeeinflussung, so daß die Gleichmäßigkeit der Beaufschlagung des Partikelfilters ge­ währleistet bleibt.

Das warmfeste Material der Prallplatte stellt sicher, daß die Prall­ platte durch die hohe thermische Beanspruchung im Heißgasstrom der Primärbrennkammer nicht durch Überhitzung zerstört wird. Für diese Aufgabe eignet sich neben hochwarmfestem Stahl insbesonde­ re Keramik.

Der Anschluß der Gasleitung ist mit der Druckseite eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Verdrängergebläses verbunden und stellt eine einfache Form der Luftversorgung des Brenners dar.

Die Fördercharakteristik des Verdrängergebläses kann durch die An­ ordnung eines Abblasventils in der Gasleitung auf einfache Weise modifiziert werden.

In Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Gasleitung über ein Mag­ netventil und eine Strömungsdrossel, die vorzugsweise als eine über­ kritische Düse ausgebildet ist, mit einem Druckbehälter von konstan­ tem oder annähernd konstantem Druck verbunden ist. Dies bietet für den Fall einer Druckluftquelle, wie sie im Druckluftbehälter von Nutz­ fahrzeugen im normalen Fall gegeben ist, eine elegante Lösung zur Luftversorgung der Primärbrennkammer. Die überkritische Düse bie­ tet dabei den Vorteil, daß auch bei gewissen Druckschwankungen im Vorratsbehälter eine annähernd konstante Luftmenge geliefert wird.

Die Verbindung der Gasleitung ist über ein Magnetventil mit der Ab­ gasleitung verbunden, und daß in Strömungsrichtung hinter dem Ab­ zweig der Leitung in der Abgasleitung eine Drosselklappe angeordnet ist und gestattet eine sogenannte Knopfdruckregeneration. Diese wird im Gegensatz zur vollautomatischen Regenration auf Wunsch des Fahrers durch Knopfdruck bei Leerlauf des Motors ausgelöst. Da in diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein großer Luftüber­ schuß im Abgas des Motors besteht, kann auf eine äußere Sauer­ stoffzufuhr verzichtet werden. Dadurch wird der Bauaufwand für die Regenerationsanlage besonders niedrig, der Bedienungsaufwand je­ doch erhöht.

Claims (18)

1. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (7), das in der Abgasleitung (10) einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Die­ selmotors (1) angeordnet ist, wobei die Regneration durch Abbrennen des Partikelbelages im Vollstrom des Abgases erfolgt, mit einem dem Partikelfilter (7) zugeordneten Brenner (3), dem Brennstoff und sau­ erstoffhaltigem Gas zuführbar sind, deren Mengenverhältnis variier­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis des dem Brenner (3) zugeführten Brennstoffs und sauerstoffhaltigen Gases in den Be­ triebespunkten des Dieselmotors (1), bei denen der Leistungsbedarf des Brenners (3) zum Erreichen der Regenerationstemperatur am niedrigsten ist, in etwa stöchiometrisch und in allen übrigen Betrieb­ spunkten des Diesesmotors (1) unterstöchiometrisch ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Brenner (3) zugeführten Men­ gen an Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas im gesamten Betriebs­ bereich des Dieselmotors (1) variierbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Brenner (3) zugeführte Menge des sauerstoffhaltigen Gases proportional zur Drehzahl des Diesel­ motors (1) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Brenner (3) zugeführte Menge des sauerstoffhaltigen Gases proportional zur Drehzahl des Diesel­ motors (1) ist und ab einer bestimmten Drehzahl des Dieselmotors (1) in etwa konstant gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Brenner (3) zugeführte Menge des sauerstoffhaltigen Gases im Gesamtbetriebsbereich des Diesel­ motors (1) konstant gehalten wird.

6. Partikelfiltersystem mit einem in einer Abgasleitung (10) eines Dieselmotors (1) durchströmbaren Partikelfilter (7) und mit einem Brenner (3), wobei der Brenner eine Zerstäuberdüse (5) aufweist, der mittels einer Gasleitung (4) sauerstoffhaltiges Gas zuführbar ist, und an die sich eine Primärbrennkammer (6) mit einer Primärdrallströ­ mung und eine Sekundärbrennkammer (9) anschließen, wobei der Drehsinn der Drallströmung in der Primärbrennkammer (6) dem Drehsinn der Drallströmung in der Sekundärbrennkammer (9) entge­ gengerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß des Partikelfilter (7) ausschließlich im Vollstrom der Abgasleitung (10) des Dieselmotors (1) durchströmbar ist, daß die Zerstäuberdüse eine Luftdrallzerstäuberdüse (5) ist, de­ ren Austritt drallerzeugend in die Primärbrennkammer (6) einmündet, und daß die Abgasleitung (10) drallerzeugend am Umfang der Sekun­ därbrennkammer (9) angeschlossen ist.

7. Partikelfiltersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (10) in den in Strö­ mungsrichtung vorderen Teil der Sekundärbrennkammer (9) mündet.

8. Partikelfiltersystem nach Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Abgasleitungen (10) de­ ren Einmündungen in die Sekundärbrennkammer (9) in gleichen Ab­ ständen angeordnet sind.

9. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbrennkammer (6) vorzugs­ weise innerhalb des in Strömungsrichtung vorderen Teils der Sekun­ därbrennkammer (9) angeordnet ist.

10. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Primärbrennkammer (6) Öffnungen (12) angeordnet sind.

11. Partikelfiltersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (12) in Strömungsrich­ tung gesehen im ersten Drittel der Primärbrennkammer (6) angeord­ net sind und ihr Querschnitt 5% bis 20% des Querschnitts der Primär­ brennkammer (6) beträgt.

12. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prallplatte (13) koaxial zur Aus­ trittsöffnung (8) der Primärbrennkammer (6) dem Partikelfilter (7) vor­ gelagert angeordnet ist.

13. Partikelfiltersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pallplatte (13) vorzugsweise kreis­ förmig ist und ihr Durchmesser ca. 60% und ihr Abstand zum Primär­ kammerende ca. 150% des Durchmessers der Primärbrennkammer (6) beträgt.

14. Partikelfiltersystem nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte (13) aus warmfestem Material besteht.

15. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitung (4) mit der Druckseite eines von der Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Verdrängerge­ bläses (15) verbunden ist.

16. Partikelfiltersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gasleitung (4) ein Abblasventil (11) angeordnet ist.

17. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitung (4) über ein Magnet­ ventil (18) und eine Strömungsdrossel (19), die vorzugsweise als eine überkritische Düse ausgebildet ist, mit einem Druckbehälter (20) von konstantem oder annähernd konstandem Druck verbunden ist.

18. Partikelfiltersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitung (4) über ein Magnet­ ventil (16) mit der Abgasleitung (10) verbunden ist, und daß in Strö­ mungsrichtung hinter dem Abzweig der Leitung (4) in der Abgaslei­ tung (10) eine Drosselklappe (17) angeordnet ist.