DE3538155A1 - Verfahren zur oxidation von in russfiltersystemen abgelagerten partikeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oxidation von in Rußfiltersystemen abgelagerten Partikeln mit Zufüh­ rung von Sekundärenergie und auf Einrichtungen zur Ausfüh­ rung des Verfahrens.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Verbrennungskraft­ maschinen mit möglichst schadstoffarmen Abgasen werden bei Dieselmotoren zur Reduzierung der Partikelemission Nachbe­ handlungssysteme für das Abgas eingesetzt. Diese bestehen im wesentlichen aus Filtersystemen, die die festen Anteile an der Partikelphase auffangen und sammeln. Die im Filter abgelagerten Partikel führen zu einer Erhöhung des Strö­ mungswiderstandes im Abgassystem, wodurch sich der Abgas­ gegendruck für den Motor erhöht. Mit zunehmender Partikel­ menge kann dies in Abhängigkeit von Last und Drehzahl zu einem Stillstand des Motors führen. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, kontinuierlich oder intermittierend die im Filter abgelagerten Partikel zu beseitigen, und zwar im allgemeinen durch Oxidation der Partikel.

Als Filtersysteme zur Sammlung der Partikel mit intermittie­ render oder kontinuierlicher Partikelverbrennung haben sich u.a. keramische Filter mit Wabenstruktur, Stahlwollefilter und keramischer Schaum mit und ohne katalytische Beschich­ tung bewährt.

Zur Senkung der Partikelemission von Dieselmotoren stellen regenerierbare Partikelfilter, in denen die gesammelten Par­ tikel intermittierend verbrannt werden, ein aussichtsreiches Konzept dar. Um die Regeneration der Partikelfilter durchzu­ führen, wurde bislang die Abgastemperatur so weit erhöht, daß die an dem Filtermaterial angelagerten Partikel sich entzündeten und verbrannten. Die Verbrennung erfordert hohe Energie.

Eine sich selbst tragende Rußoxidation beruht darauf, daß die bei der exothermen Reaktion frei werdende Wärme im Gleich­ gewicht mit der vom Abgas abgeführten Wärme steht. Ist die Wärmeabfuhr größer als die exotherm frei werdende Wärme, so sinkt die Oxidationsgeschwindigkeit unterhalb der Geschwin­ digkeit, mit der die Partikel im Filter angelagert werden. Das führt dazu, daß die Partikelmasse im Filter steigt. Ist dagegen die Oxidationsgeschwindigkeit größer als die Wärme­ abfuhr, so oxidieren mehr Partikel, als durch den Motor in das Filter hinein transportiert werden, und die Partikel­ masse im Filter sinkt.

In den bisher vorgeschlagenen Systemen wurden Maßnahmen er­ griffen, um die Wärmeabfuhr zu verringern. Dies geschah da­ durch, daß die Abgastemperatur mit Hilfe motorseitiger und sekundärseitiger Maßnahmen soweit erhöht wurde, daß zum ei­ nen die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich ansteigt, zum an­ deren die Wärmeabfuhr aufgrund der höheren Abgastemperatur sinkt.

Um mit Hilfe kleiner Energien und unter Ausnutzung der exo­ thermen Energie der Rußoxidation eine selbständige Filter­ regeneration zu erreichen, besteht einerseits die Möglich­ keit, die Wärmeabfuhr zu verringern, und andererseits könnte angestrebt werden, die Reaktionsrate zu erhöhen.

In diesem Zusammenhang ist in S.A.E.-Paper 1985/850014 "Ad­ vanced Techniques for Thermal and Catalytic Diesel Particu­ late Trap Regeneration" (z.B. Fig. 2, S. 64) vorgeschlagen worden, dem Regenerationssystem Sekundärenergie zuzuführen, und zwar durch elektrische Widerstandsbeheizung unter zusätz­ licher Luftzufuhr.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regenerierung unter Zuführung von Sekundärenergie noch ein­ facher und wirtschaftlicher zu gestalten.

Dabei ist die der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis von Bedeutung, daß im gesamten motorischen Kennfeld die Partikel­ bzw. Rußkonzentration im Abgas deutlich unterhalb der Kon­ zentration für ein zündfähiges Gemisch liegt. Die an der Fil­ terwand angelagerten Partikel und ihre Konzentration liegen dagegen deutlich oberhalb der Zündgrenzen. Die Zündgrenzen werden aus den Kohlenstaubexplosionsuntersuchungen im Berg­ baubereich angegeben mit 200 g/m³ bis 2000 g/m³. Das stöchio­ metrische Verhältnis sind 130 g Kohlenstoff/m³.

Gemäß der Erfindung ist zur Lösung der gestellten Aufgabe bei einem Verfahren zur Oxidation von in Rußfiltersystemen angelagerten Partikeln mit Zuführung von Sekundärenergie vorgesehen, daß die Partikelkonzentration auf einen Wert innerhalb der Zündgrenzen des Partikel-Abgasgemisches durch kurzfristige Zugabe oder Rückführung partikelförmigen festen Brennstoffs zum Abgasstrom vor dem Filter eingestellt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dabei die Partikelkonzentration am Zündort durch Aufwirbe­ lung von abgelagerten Partikeln erhöht. Auch kann es zweck­ mäßig sein, daß kohlenstoffhaltige Partikel aus einem Vor­ rat zur Erhöhung der Partikelkonzentration vor dem Filter feinverteilt eingeführt werden.

Hinsichtlich weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Er­ findung wird auf die Unteransprüche und die nachfolgende Be­ schreibung Bezug genommen.

Das Regenerationsproblem wird in Anwendung der Erfindung dadurch gelöst, daß in allen Drehzahl- und Lastbereichen örtlich eine Kohlenstoff/Luft- bzw. Kohlenstoff/Abgas-Kon­ zentration derart eingestellt wird, daß sie innerhalb der Zündgrenzen liegt. Dadurch steigt die Reaktionsgeschwindig­ keit, und die frei werdende exotherme Wärme wird größer als die abgeführte Wärme. Dies wird dadurch erreicht, daß bei höheren Lasten und Drehzahlen die Rußkonzentration im Abgas durch intermittierende Zugabe von z.B. Kohlenstaub oder Koks­ staub erhöht wird oder der angelagerte Kohlenstaub auf den Filteroberflächen aufgewirbelt wird. Durch diese Aufwirbelung bzw. Zugabe stellt sich am Ort der Energiezufuhr ein zünd­ fähiges Kohlenstaub/Luft-Gemisch ein, das verbrennt. Die da­ bei frei werdende exotherme Wärme liegt oberhalb der abge­ führten Wärme, so daß eine Zündungswelle durch das Filter läuft und Bereiche außerhalb des Zündortes entflammt werden und verbrennen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1-6 zeigen schematisch im Längsschnitt Rußfilter­ anordnungen, die zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung mit Vorteil verwendet werden können.

Fig. 7 zeigt schematisch einen Querschnitt nach der Linie A-B der Fig. 6.

Fig: 8 zeigt schematisch im Querschnitt eine Rußfilteranord­ nung, welche Teilbereichszündungen des Filters ermöglicht.

Fig. 9-11 zeigen schematisch im Längsschnitt weitere Ausführungsformen von Rußfilteranordnungen, die zur Aus­ führung des Verfahrens gemäß der Erfindung mit Vorteil ver­ wendet werden können.

Fig. 12 zeigt einen Querschnitt nach der Linie A-B der Fig. 11.

Wie Fig. 1 zeigt, strömt das zu reinigende Abgas, das durch Pfeil 1 angedeutet ist, durch eine Rohrleitung 2 in einen konischen Übergangsraum 3 und von dort in einen zylindrischen Raum 4, der das Filtermaterial enthält. Das Filtermaterial ist als keramischer Filter mit Wabenstruktur derart ausge­ bildet, daß das zu reinigende Abgas in Ablagerungskanäle 5 strömt, unter Abscheidung des größten Teils der Ruß- und sonstigen Partikel an keramischen Wandungen 6 in Abström­ kanäle 7 gelangt und anschließend über einen konischen Über­ gangsraum 8 und Rohrleitung 9 abgeführt wird.

An den keramischen Wandungen 6 lagern sich die abgeschiede­ nen Ruß- und sonstigen Partikel als Schicht 10 ab, und die Sekundärenergie wird über einen schematisch dargestellten Widerstands-Heizdraht 30 zugeführt.

Um nun bei einer solchen Einrichtung gemäß der Erfindung die Partikelkonzentration auf einen Wert innerhalb der Zündgren­ zen des Partikel-Abgasgemisches durch kurzfristige Rückfüh­ rung partikelförmigen festen Brennstoffs zum Abgasstrom vor dem Filter einzustellen, wird die Partikelkonzentration am Zündort durch Aufwirbelung von abgelagerten Partikeln er­ höht, und zwar bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel durch kurzfristiges impulsartiges Rückblasen einer Menge des gereinigten Abgasstromes mit Hilfe von Druckluft bzw. Preßluft.

Zu diesem Zweck ist ein Druckluftbehälter 11 vorgesehen, der von einer (nicht dargestellten) Druckluftquelle gespeist wird. Der Druckluftbehälter 11 steht über eine Leitung 12 und eine geeignete Steuereinrichtung 13, z.B. ein Magnetven­ til, mit einer Leitung 14 in Verbindung, an deren Ende sich eine Düse 15 befindet, durch die Druckluft und durch Injek­ torwirkung auch gereinigtes Abgas auf die Austrittsfläche der Filteranordnung geblasen wird. Vorzugsweise erfolgt das Einblasen mit einem Abstand 16 von weniger als oder etwa gleich 15 mm auf die Filterausgangsoberfläche. Etwa der glei­ che Abstand kann auch bei Einblasen auf die Filtereingangs­ oberfläche eingehalten werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel steht der Druckluftbehälter 11 über eine Leitung 17 und eine ge­ eignete Steuereinrichtung 18, z.B. ein Magnetventil, mit ei­ nem Partikelspeicher 19 in Verbindung. Um in diesem Fall die Partikelkonzentration auf einen Wert innerhalb der Zündgren­ zen des Partikel-Abgasgemisches durch Zugabe partikelförmigen festen Brennstoffs zum Abgasstrom vor dem Filter einzustellen, werden kohlenstoffhaltige Partikel aus dem Partikelspeicher 19 über eine Leitung 20, eine geeignete Steuereinrichtung 21, z.B. ein Magnetventil, und eine Leitung 22 zu einer Düse 23 geleitet und vor der Filtereingangsoberfläche feinverteilt eingeführt.

Bei dem Gegenstand der Fig. 3 ist wiederum ein von einer (nicht dargestellten) Druckluftquelle gespeister Druckluft­ behälter 11 vorgesehen, der über eine Leitung 24, eine Steu­ ereinrichtung 25 und eine Leitung 26 mit einer Ausströmdüse 27 in Verbindung steht. In diesem Fall wird die Partikelkon­ zentration am Zündort durch kurzfristiges impulsartiges Ein­ blasen von Luft auf die Filtereingangsoberfläche eingestellt.

Hierbei werden durch Injektorwirkung auch Teile der zu rei­ nigenden Abgasmenge an der Aufwirbelung teilnehmen. Auch besteht die Möglichkeit, zu reinigendes Abgas ausschließlich oder in einer anderen geeigneten Mischung mit Luft zur Auf­ wirbelung des in den Filterkanälen und/oder auf der Filter­ eintrittsfläche abgelagerten Kohlenstoffs zu verwenden. Das Ein- bzw. Rückblasen wird dabei vorzugsweise kurzfristig und impulsartig erfolgen. An Stelle von Druckluft kann dabei nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch La­ deluft verwendet werden.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Anordnung, jedoch ist vor der Filtereingangsoberfläche ein schüsselförmiger Strömungskörper 28 angeordnet, dessen Öffnung zur Filter­ eingangsoberfläche gerichtet ist.

Der Strömungskörper 28 wirkt als Flammenhalter, und durch diese Maßnahme wird erreicht, daß durch die Rezirkulation des Abgasstromes eine Zone niedriger Strömungsgeschwindig­ keit gebildet ist, so daß die Flammengeschwindigkeit größer als die bzw. gleich der Strömungsgeschwindigkeit sein kann. Es wird also die Zündflamme in dem Bereich unterhalb des Strömungskörpers stabilisiert. Auch kann es dabei vorteil­ haft sein, daß der Strömungskörper 28 eine zentrale Öffnung aufweist, um zu erreichen, daß die Flamme in Richtung auf die Filteroberfläche abgelenkt und dadurch ihre Zündeigen­ schaft verbessert wird.

Wie Fig. 6 zeigt, kann der Strömungskörper auch als eine mit Öffnungen versehene, quer zum Abgasstrom angeordnete Wandung 29 ausgebildet sein.

Bei den bisher beschriebenen Einrichtungen wurde die Sekun­ därenergie über einen Widerstands-Heizdraht 30 bzw. über mehrere Heizdrähte dieser Art zugeführt. In Fig. 7 ist in diesem Zusammenhang dargestellt, daß zwei Heizdrahtanordnun­ gen 30 a und 30 b in Strömungsrichtung hinter der Wandung 29 so angeordnet sind, daß sie im Strömungsschatten liegen. Es stehen aber auch andere Möglichkeiten der Zuführung von Se­ kundärenergie zur Verfügung, z.B. mit Hilfe einer Funken­ strecke 31, wie Fig. 5 zeigt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Sekundärenergie über Widerstandsdrähte oder eine oder mehre­ re Funkenstrecken in partielle Filterbereiche eingeleitet werden, wie Fig. 8 zeigt. Es sind über die Filtereintritts­ oberfläche verteilt vier Teilbereiche 32-35 vorhanden, denen Sekundärenergie über Widerstands-Heizdrähte 36-39 zugeführt wird. Ein Regler 40 mit Zeitsteuerung veranlaßt die Aussteuerung der Teilbereiche in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebszuständen.

In zweckmäßiger Weise wird dabei den partiellen Filterberei­ chen nacheinander Energie zugeführt. Auch wird - ebenso wie bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen - die Dauer der Zufuhr der Sekundärenergie kurz im Verhältnis zur Oxi­ dationszeit der in dem Filtersystem abgelagerten Partikel sein. Die Dauer der Zufuhr von Sekundärenergie kann etwa 30 sec bei einer Regenerationsdauer von etwa 2 min betragen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 9. In Strömungsrichtung nach dem zylindrischen Raum 4 ist ein weiterer im wesentlichen zylindrischer Raum 41 vorhanden, der durch Wandung 42 abgeschlossen ist. In dem Raum 41 befindet sich eine dem Querschnitt dieses Raumes angepaßte Platte 43, die ein im wesentlichen gleichmäßiges, flächendeckendes Einblasen von Druckluft in Richtung auf die Filterausgangsfläche zum Zweck der Aufwirbelung von abge­ lagerten Partikeln ermöglicht. Die Platte 43 kann als Draht­ netz, als mit Öffnungen versehenes Blech, als poröser, gas­ durchlässiger Körper oder in anderer geeigneter Weise ausge­ bildet sein.

Die Druckluft wird von Behälter 11 über Leitung 12, Steuer­ einrichtung 13, Leitung 14 und Düse 15 in den Raum 41 einge­ führt. Die Ableitung der gereinigten Gase erfolgt in Richtung des Pfeiles 44 über Rohrleitung 45.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeigt Fig. 10. Hier ist eine im wesentlichen flächendeckende Einführung von Druckluft dadurch erreicht, daß in einem dem zylin­ drischen Raum 4 in Strömungsrichtung folgenden Raum 46 eine konische Platte 47 angeordnet ist, die wiederum als Draht­ netz, als mit Öffnungen versehenes Blech, als poröser Körper oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein kann. Das gereinigte Gas kann in Richtung des Pfeiles 48 durch eine zentrale Öffnung 49 der konischen Platte 47 abströmen. Druckluft wird von Behälter 11 über Leitung 12, Steuereinrichtung 13, Leitung 14 und Düse 50 in den Raum 46 eingeführt.

Fig. 11 und 12 zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungs­ form, die auf der Seite der Filterausgangsfläche dem Aus­ führungsbeispiel der Fig. 10 entspricht. Auf der Seite der Filtereingangsfläche wird die Sekundärenergie jedoch nicht wie bei den Gegenständen der Fig. 9 und 10 durch Wider­ standsbeheizung, sondern durch ein Drahtnetz 51 zugeführt, bei dem nach Anlegen einer geeigneten Spannung Zündfunken an den Kreuzungsstellen der Drähte überspringen. Hierdurch ist eine besonders gleichmäßig über die Filtereingangsfläche verteilte Einführung der Sekundärenergie möglich.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschrie­ benen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch mög­ lich, die Aufwirbelung der abgelagerten Partikel mit Hilfe von Schwingungen durch einen geeigneten Schwingungserzeu­ ger herbeizuführen, wobei nach einem weiteren bevorzugten Merkmal die Aufwirbelung durch hochfrequente Schwingungen erfolgt.

Durch die vorliegende Erfindung ist in vorteilhafter Weise bei allen Betriebszuständen eine zuverlässige Reinigung des Filters durch Oxidation ermöglicht, so daß sowohl das Filter gefährdende Übertemperaturen als auch die Arbeitsweise der Maschine beeinträchtigende Verstopfungen des Filters ausge­ schlossen sind.

Claims (18)

1. Verfahren zur Oxidation von in Rußfiltersystemen abgela­ gerten Partikeln mit Zuführung von Sekundärenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelkonzentration auf einen Wert innerhalb der Zündgrenzen des Partikel-Abgasgemisches durch kurzfristige Zugabe oder Rückführung partikelförmigen festen Brennstoffs zum Abgasstrom vor dem Filter eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelkonzentration am Zündort durch Aufwirbelung von abge­ lagerten Partikeln erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelkonzentration am Zündort durch kurzfristiges impulsarti­ ges Rückblasen einer Menge des zu reinigenden Abgases zur Auf­ wirbelung des in den Filterkanälen abgelagerten Kohlenstoffs erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelkonzentration am Zündort durch kurzfristiges impulsar­ tiges Rückblasen mit Hilfe von Preßluft erhöht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelkonzentration am Zündort durch kurzfristiges impulsar­ tiges Rückblasen mit Hilfe von vollständiger oder teilweiser Zufuhr von Ladeluft erhöht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelkonzentration am Zündort durch kurzfristiges im­ pulsartiges Rückblasen mit Hilfe eines Teils des gereinig­ ten Abgasstromes erhöht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelkonzentration am Zündort durch kurzfristiges Einblasen von Luft und/oder Abgas auf die Filtereingangs­ oberfläche eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Einblasen mit einem Abstand von kleiner als oder etwa gleich 15 mm auf die Filtereingangs- oder Aus­ gangsoberfläche erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kohlenstoffhaltige Partikel aus einem Vorrat zur Erhöhung der Partikelkonzentration vor dem Filter feinverteilt ein­ geführt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor der Filtereingangsoberfläche durch einen Strömungskörper eine Rezirkulationszone zur Zünd- und Flam­ menstabilisierung gebildet wird.

11. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper die Form einer Schale besitzt, deren Öffnung zur Filtereingangsober­ fläche gerichtet ist.

12. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper als eine mit Öffnungen versehene, quer zum Abgasstrom angeordnete Wandung ausgebildet ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärenergie über Widerstandsdrähte oder wenigstens eine Funkenstrecke in partielle Filterberei­ che eingeleitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß den partiellen Filterbereichen nacheinander Energie zugeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dauer der Zufuhr der Sekundärenergie kurz ist im Verhältnis zur Oxidationszeit der in dem Filter­ system abgelagerten Partikel.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Zufuhr der Sekundärenergie etwa 30 sec bei einer Regenerationsdauer von etwa 2 min beträgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Aufwirbelung der abgelagerten Parti­ kel mit Hilfe von Schwingungen erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwirbelung der abgelagerten Partikel durch hochfre­ quente Schwingungen erfolgt.