DE4008092C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein autonomes Rußfilter für Dieselmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Regenerieren eines solchen Rußfilters.

Aus dem SAE-Paper 890 170 "Laboratory Results in Particulate Trap Technology" ist ein Rußfilter für Stadtbusse mit Dieselmotor bekannt, welches zwei parallele Filter mit einem keramischen Wabenkörper, jedem Filter zugeordnete Dieselbrenner für die Regeneration der Filterpatronen sowie die nötigen Meß- und Steuerorgane aufweist. Um den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem die jeweils aktive, rußbeladene Filterpatrone regeneriert werden muß, wird laufend der Druckabfall über die Filterpatrone gemessen. Der Druckverlust alleine gibt jedoch noch keine eindeutige Aussage über die Beladung des Filters mit Ruß, da er auch abhängt vom Lastzustand des Motors bzw. vom Abgasstrom und von der Abgastemperatur zum Zeitpunkt der Messung. Die genannte Literaturstelle schlägt nun vor, hinter den Filterpatronen je eine Venturi-Düse einzubauen und mit deren Hilfe die momentane Stärke des Abgasstroms zu messen. Auf diese Weise konnte die tatsächliche Rußbeladung der Filterpatronen mit ausreichender Genauigkeit bestimmt und zum jeweils richtigen Zeitpunkt der Regenerationsvorgang eingeleitet werden.

Eine Regeneration des Rußfilters bei geringer Rußbeladung erhöht den Verbrauch für die Regenerationsbrenner unnötig. Die Regeneration eines mit Ruß überbeladenen Filters führt zu extrem hohen Regenerationstemperaturen und zur Zerstörung des keramischen Wabenkörpers.

Es ist bekannt, daß Venturi-Düsen und andere auf demselben Prinzip beruhende Meßvorrichtungen nur innerhalb des Meßbereiches, für den sie dimensioniert sind, zuverlässige Ergebnisse liefern. Liegt der Abgasstrom unterhalb des zulässigen Meßbereiches, ist die Messung unzuverlässig. Liegt der Abgasstrom oberhalb des zulässigen Meßbereiches, ist die Messung ebenfalls unzuverlässig; außerdem werden der Abgasstrom und mit ihm die Leistung des Dieselmotors gedrosselt.

Aus der DE-A-36 09 848 ist ein Abgassystem an einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine bekannt, welches eine Abgasleitung mit zwei Leitungssträngen besitzt, in denen je ein Rußfilter sitzt. Die beiden Rußfilter werden abwechselnd von dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine und dem Abgasstrom einer Brennkammer durchströmt, wobei die Abgasströme mit Drehklappen abwechselnd in einen der beiden Leitungsstränge umgelenkt werden. Stromab der Rußfilter sind die Abgasleitungen in ein gemeinsames Endrohr zusammengeführt unter Ausbildung einer Düse, mit deren Hilfe Umgebungsluft durch die Brennkammer und die ihr zugeordnete Abgasleitung angesaugt wird. Dieser ständige Luftstrom soll eine Verschmutzung der Brennkammer durch Abgase in den Stillstandsphasen der Brennkammer verhindern.

Ein einzelner, stromaufwärts vor den beiden Rußfiltern angeordneter Druckfühler mißt den Abgasgegendruck. Übersteigt der Meßwert einen vorbestimmten Schwellenwert, werden alle Drehklappen umgeschaltet und die Brennkammer aktiviert. Irgendwelche Maßnahmen, um die tatsächliche Beladung der Rußfilter mit Ruß unabhängig vom Lastzustand des Motors und der Abgastemperatur zu bestimmen, sind nicht angegeben.

In vielen Fällen, beispielsweise in Motor-Versuchsständen, besteht die Notwendigkeit, Dieselmotoren kleinster Leistung, beispielsweise einen Dreizylinder mit 32 kW, und Dieselmotoren größter Leistung, beispielsweise einen Zwölfzylinder mit 400 kW, an dieselbe, mit einem Rußfilter ausgerüstete Abgasanlage anzuschließen. Hier können Venturi-Düsen und Meßblenden zur Bestimmung des Druckabfalls bzw. des Staudrucks vor dem Filter nicht eingesetzt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein autonomes Rußfilter anzugeben, welches es erlaubt, in allen Fällen den richtigen Zeitpunkt für die Regenerierung der rußbeladenen Filterpatrone zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das gattungsgemäße Rußfilter mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1.

Die Messung findet somit stets unter identischen Meßbedingungen statt, so daß der gemessene Druckabfall über den Filter eine exakte Aussage über dessen Rußbeladung erlaubt. Meßblenden, Venturi-Düsen oder sonstige, das freie Strömen der Abgase behindernde Einbauten entfallen völlig.

Eine konstruktive Vereinfachung ergibt sich, wenn der Prüflufterzeuger vorzugsweise über zwei Verbindungsrohre und mit Hilfe eines Pneumatikventils abwechselnd auf die beiden Filter schaltbar ist.

Vorteilhafterweise sitzt im Steuergerät ein Meßzeitgeber, dessen Taktfrequenz mit zunehmender Rußbeladung bzw. Druckdifferenz ansteigt. Dadurch wird erreicht, daß nach Inbetriebnahme einer unbeladenen Filterpatrone die Messungen zunächst in größeren Zeitabständen erfolgen. Wenn jedoch steigende Druckabfälle eine zunehmende Beladung der Filterpatrone mit Ruß anzeigen, werden die Messungen häufiger durchgeführt, damit die Filterpatrone zum richtigen Zeitpunkt regeneriert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Heizgeräte vorgesehen, die über ein Verbindungsrohr und mit Hilfe der zweiten Steuerklappen wahlweise einzeln oder zusammen auf jedes der beiden Filter schaltbar sind. Je nach Bedarf können also die dem zu regenerierenden Filter zugeführte Energie- und/oder Luftmenge auch stufenweise vergrößert bzw. verkleinert werden.

Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Rußfilters in einem stationären Motorprüfstand empfiehlt es sich, die Heizgeräte als elektrisch beheizte Heizlüfter auszubilden und nicht als brennstoffbeheizte Brenner. Auf diese Weise kann mit relativ hohem Sauerstoffgehalt eine vollständige Reinigung des Filters von angelagertem Ruß erreicht werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Regenerieren des autonomen Rußfilters. Dieses Verfahren ergibt sich aus den Unteransprüchen und wird durch die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch eine Abgasanlage für Dieselmotoren mit zwei parallelen Rußfiltern 7.1, 7.2. Das vom Dieselmotor kommende Abgas wird über eine Abgaszuleitung 8 mit Hilfe von ersten Steuerklappen 4.1, 4.2 abwechselnd auf die Rußfilter 7.1, 7.2 verteilt und von deren Ausgang über eine Abgasableitung 12 weitergeleitet. Das Heizgerät 1.1 für die Regeneration ist ein elektrischer Heizlüfter mit elektrischen Spannungsversorgungen 2.1, 3.1 für die Heizung und den Lüfter. Zwischen Heizgerät 1.1 und Filter 7.1, 7.2 liegt ein Verteilerrohr 13 mit zweiten Steuerklappen 4.3, 4.4.

Die Eingangsseiten der Filter 7.1, 7.2 sind mit je einem Druckmesser 6.1, 6.2 beschaltet. Bei den Messungen wird, wie noch zu erläutern sein wird, jeweils einer der beiden Filter 7.1, 7.2 vom Abgasstrom abgeschaltet.

Um auf Wunsch die Temperatur in den Filtern 7.1, 7.2 messen zu können, sind Thermofühler 11.1, 11.2 vorgesehen. Die von den Druckmessern 6.1, 6.2 sowie den Thermofühlern 11.1, 11.2 gemessenen Werte werden über Meßleitungen 5 zu einem Steuergerät 9 mit internem Zeitgeber 9.1 geleitet. Die Steuerbefehle des Steuergerätes 9 werden über Steuerleitungen 10 zu den Steuerklappen 4.1 . . . 4.4 und den Heizlüftern 1.1, 1.2 geleitet.

Bei der dargestellten Stellung der ersten und zweiten Steuerklappen 4.1 . . . 4.4 ist der erste Filter 7.1 vom Abgasstrom beaufschlagt. Der zweite Filter 7.2 ist seit dem letzten Regenerationsvorgang praktisch rußfrei. Sobald der Zeitgeber 9.1 im Steuergerät 9 einen Meßvorgang einleitet, wird der Abgasstrom mit Hilfe der ersten Steuerklappen 4.1, 4.2 auf den zweiten Filter 7.2 umgelenkt. Gleichzeitig wird das einem Prüfluftgenerator 15 vorgeschaltete Ventil 14 geöffnet und der Prüfluftstrom mit Hilfe von einer Verbindungsleitung auf den rußbeladenen ersten Filter 7.1 geleitet. Der diesem zugeordnete Druckmesser 6.1 mißt den Druckabfall Δp über die Filterpatrone 7.1. Dank der Verwendung eines Prüfluftstroms sind die Einflüsse des Lastzustands des Motors bzw. des Abgasstroms und dessen momentaner Temperatur eliminiert.

Überschreitet der Druckabfall Δp einen festgesetzten Schwellenwert, wird das Heizgerät 1.1 aktiviert und der rußbeladene Filter 7.1 regeneriert.

Liegt der Druckabfall Δp unter dem festgesetzten Schwellenwert, wird mit Hilfe der Steuerklappen 4.1 . . . 4.4 der Abgasstrom wieder auf den ersten Filter 7.1 zurückgeschaltet. Gleichzeitig wird der Zeitgeber 9.1 im Steuergerät 9 in Abhängigkeit von der Höhe des gemessenen Druckabfalls Δp verstellt, so daß mit wachsender Annäherung an den festgesetzten Schwellenwert die Meßintervalle kürzer werden.

Claims (7)

1. Autonomes Rußfilter für Dieselmotoren, umfassend zwei mit Hilfe von ersten Steuerklappen (4.1, 4.2) abwechselnd zwischen die Abgaszu- und Abgasableitung (8, 12) schaltbare Filter (7.1, 7.2), wenigstens ein mit Hilfe von zweiten Steuerklappen (4.3, 4.4) abwechselnd auf die Filter (7.1, 7.2) schaltbares Heizgerät (1.1, 1.2), das die für die Regeneration der Filter (7.1, 7.2) nötige Temperatur und Luftmenge liefert, und die erforderlichen Meßelemente (6, 11.1, 11.2) und Meßleitungen (5) sowie Steuergeräte (9) und Steuerleitungen (10), wobei die ersten und die zweiten Steuerklappen (4.1, 4.2; 4.3, 4.4) im Gegentakt untereinander und zueinander geöffnet und geschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Eingangsseiten der Filter (7.1, 7.2) je ein Drucksensor (6.1, 6.2) sitzt und daß ein Prüflufterzeuger (15) vorgesehen ist, der für die Dauer eines Meßvorgangs einen konstanten Prüfluftstrom durch den zu messenden Filter (7.1, 7.2) drückt.

2. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüflufterzeuger (15) über Verbindungsrohre und ein Pneumatikventil (14) abwechselnd auf die beiden Filter (7.1, 7.2) schaltbar ist.

3. Rußfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizgeräte (1.1, 1.2) elektrisch beheizte Heizlüfter sind.

4. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuergerät (9) ein Meßzeitgeber (9.1) sitzt, dessen Taktfrequenz mit zunehmender Druckdifferenz ansteigt.

5. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Heizgeräte (1.1, 1.2) vorgesehen sind, die über ein Verbindungsrohr (13) und mit Hilfe der zweiten Steuerklappen (4.3, 4.4) wahlweise auf jedes der beiden Filter (7.1, 7.2) schaltbar sind.

6. Verfahren zum Regenerieren eines autonomen Rußfilters nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - Zu Beginn einer Messung wird der Abgasstrom mit Hilfe der ersten Steuerklappen (4.1, 4.2) auf den bisher inaktiven, rußfreien Filter (7.2) umgeschaltet,
• - anschließend wird ein konstanter Prüfluftstrom durch den rußbeladenen Filter (7.1) gedrückt und dessen Druckabfall (Δp) gemessen,
• - liegt der Druckabfall (Δp) unter einem festgelegten Schwellenwert, wird der Abgasstrom auf den ersten Filter (7.1) zurückgeschaltet,
• - liegt der Druckabfall (Δp) über dem Schwellenwert, wird das Heizgerät (1.1) aktiviert und der Filter (7.1) regeneriert.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

• - Die Zeitkonstante des Meßzeitgebers (9.1) wird gegenläufig zum Druckabfall (Δp) verstellt.