DE202005006137U1 - Vorrichtung zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen - Google Patents

Vorrichtung zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (10) zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen (92), wie insbesondere aus Abgasen von mit Dieselkraftstoff betriebenen Nutzfahrzeugen,
– mit einer Kammer, durch die die mittels einer Abgasleitung (90) zugeführten Abgase in einer Wirbelströmung hindurchleitbar sind,
– dadurch gekennzeichnet, dass
– die Kammer in Art eines Topfes (12) ausgebildet ist,
– der Topf (12) in einem Außenbehälter (18) einsitzt , wobei zwischen dem Topf (12) und dem Außenbehälter (18) ein Luft-Zwischenraum (16) vorhanden ist,
– eine Art Hülse (28) zentral im oberen Bereich des Außenbehälters (18) und des Topfes (12) vorhanden ist, deren Außendurchmesser (56) kleiner ist als der Innendurchmesser des Topfes (12),
– die Hülse (28) gasdicht an dem Außenbehälter (18) anliegt,
– die Hülse (28) von oben in den Topf (12) hineinragt,
– ein Ringspalt (96) zwischen dem Topf (12) und der Hülse (28) vorhanden ist,
– ein beidseitig...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der Rußpartikel aus Abgasen, wie insbesondere aus Abgasen von mit Diesel-Kraftstoff betriebenen Nutzfahrzeugen entfernt werden können. Die Vorrichtung dient daher dazu, die Verunreinigung der Außenluft mit Rußpartikeln zu vermindern. Neben dieser Rußpartikel betreffenden Abgasreinigung ist eine NOx betreffende Abgasreinigung über Einwirkungen auf das Motormanagement möglich.
  • STAND DER TECHNIK
  • Aus der DE 29512149 U1 ist eine derartige Vorrichtung bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden die Abgase tangential in das Innere von drei ineinander geschachtelten Rohren eingeleitet. Durch diese tangentiale Einleitung soll sich in dem inneren, sogenannten Wirbelrohr eine rotierende Gasströmung einstellen und dabei eine Aufteilung der Abgase in eine innere und eine äußere Gasströmung erfolgen. Die innere, kältere Gasströmung soll rußfrei sein, während die äußere, heißere Gasströmung rußbeladen ist. Die innere, rußfreie Gasströmung wird axial aus dem einen Ende des Wirbelrohres herausgeführt. Die äußere, rußbeladene Gasströmung wird mehrmals umgeleitet durch die Rohre hindurchgeführt und dann letztlich axial aus dem anderen Ende der Rohranordnung herausgeführt. Die Verweilzeit der rußbeladenen Gasströmung soll infolge der Rotation im Wirbelrohr und durch das mehrmalige Umleiten der Gasströmung ausreichend lange sein, um die in den Abgasen vorhandenen Rußbestandteile zu verbrennen.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ausgehend von diesem vorbekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben.
  • Diese Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs gegeben. Sinnvolle Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von sich daran anschließenden weiteren Ansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet eine Einrichtung zum aktiven und tatsächlichen Erzeugen einer Wirbelströmung. Dazu wird ein Gebläserad, Schaufelrad oder ein mit kettenartigen Gliedern oder stabförmigen, gelochten Gliedern versehener Gliederkopf in Rotation versetzt, und zwar in einem Zwischenraum eines doppelwandigen Gehäuses. Die innere Wandung dieses Gehäuses ist in Art eines oben offenen Topfes ausgebildet. Weitere Ausbildungen dieses Gehäuses beziehungsweise dieses doppelwandigen Gehäuses sind den weiteren Merkmalen des Anspruchs 1 zu entnehmen. Im Zwischenraum zwischen dem inneren Topf und dem Außenbehälter des doppelwandigen Gehäuses wird eine rotierende Gaswalze erzeugt, die sich nach oben fortsetzt und sich im Ringraum zwischen dem oberen Topfrand und der von oben in den Topf hineinragenden Hülse mit den in diesen Bereich insbesondere tangential eingeleiteten rußbeladenen Abgasen vermischt. Die im Zwischenraum erzeugte Gaswalze bringt auch die im Innenraum des Topfes vorhandene Luftmasse in Rotation. Durch diese Rotation können sehr hohe Temperaturen in der radial äußeren Schicht dieser Gaswalze erzeugt werden. Zusammen mit der durch die Gaswalzenströmung verursachten langen Verweilzeit der rußbeladenen Gase in der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Rußpartikel verbrennen und damit aus den Abgasen eliminiert werden.
  • Nähere Einzelheiten zu der Ausbildung, zu der Funktionsweise und zu den Vorteilen der Erfindung sind den in den Ansprüchen ferner angegebenen Merkmalen sowie insbesondere auch dem nachstehenden Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Die einzige Figur zeigt:
  • 1 einen teilweise geschnittenen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
  • WEGE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Ein oben offener Topf 12, dessen oberer Topfrand eine nach innen weisende, weniger als 90° (Altgrad) aufweisende Umbiegung 14 aufweist, sitzt mit Abstand, unter Freilassen eines Zwischenraumes 16, in einem Außenbehälter 18 einer Vorrichtung 10. Der Topf 12 ist über nicht dargestellte Stege am Außenbehälter 18 befestigt. Mit dieser Vorrichtung 10 können Rußpartikel aus rußbeladenen Abgasen 92 eliminiert werden. Im Bereich der Außenwand 20 des Topfes 12 und der Umbiegung 14 besitzt der Außenbehälter 18 eine der Form des Topfes 12 vergleichbare Kontur. Der zwischen dem Außenbehälter 18 und dem Topf 12 vorhandene Zwischenraum 16 ist also im Bereich der Außenwand 20 und der Umbiegung 14 des Topfes 12 in radialer Richtung etwa gleich breit. Der Topf 12 und der Außenbehälter 18 sind im Grundriss kreisförmig.
  • Der Außenbehälter 18 endet oben mit einem Ringrand 22. Dieser Ringrand 22 rahmt eine Öffnung 24 im Außenbehälter 18 ein. In dieser Öffnung 24 sitzt eine sich nach unten in Richtung zum Topfboden 26 erstreckende Hülse 28. Die unten offene Hülse 28 hat einen endlichen Abstand 30 vom Topfboden 26. Mit ihrem oberen Stirnrand ist die Hülse 28 gasdicht an dem Ringrand 22 und damit an dem Außenbehälter 18 angeschlossen.
  • Die Hülse 28 ist mit einem sie teilweise verschließenden doppelten Kranzblech 34 verschlossen. Das äußere der beiden Kranzbleche 34 ist am Ringrand 22 über eine Schraubverbindung lösbar befestigt. An der radialen Innenseite der Kranzbleche 34 ist das untere Ende eine Rohres 40 fest angebracht. Das obere Ende des Rohres 40 endet außerhalb des Außenbehälters 18. Die Rohrachse 42 des Rohres 40 fällt mit der Hülsenachse 44 zusammen. Der Innendurchmesser 54 des Rohres 40 ist kleiner als der Innendurchmesser und auch kleiner als der Außendurchmesser 56 der Hülse 28. Das Rohr 40 kann im vorliegenden Beispielsfall zusammen mit den Kranzblechen 34 und der Hülse 28 – welche Teile fest miteinander verbunden sind – nach Lösen ihrer Schraubbefestigungen am Ringrand 22, von welchen Schraubverbindungen zwei Schraubachsen 46, 48 dargestellt sind, von dem Außenbehälter 18 weggenommen werden. Der Innenraum 50 des Topfes 12 ist dann von außen leicht zugänglich.
  • Der gesamte obere Bereich 58 des Außenbehälters 18 ist zusätzlich über mehrere Verschraubungen 62, 64 am unteren Bereich 60 des Außenbehälters 18 lösbar befestigt. Diese Verschraubungen 62, 64 sind höhenmäßig im Bereich der Außenwand 20 angeordnet.
  • In den zwischen dem Topfboden 26 und dem Behälterboden 66 vorhandenen Zwischenraum 16 ragt eine über einen hydraulischen Motor 68 antreibbare Abtriebswelle 70 hinein. An der an der Stirnseite dieser Abtriebswelle 70 vorhandenen Nabe 72 sind umfangsmäßig verteilt zwei Kränze von Gliederketten 74, 76 angeordnet. Die beiden Kränze mit den Gliederketten 74 beziehungsweise 76 liegen parallel übereinander. Der gebogenen Umrissform des Behälterbodens 66 folgend, sind die unteren Gliederketten 76 radial kürzer als die Gliederketten 74 des oberen Kranzes. Dadurch können die Gliederketten 74, 76 bei ihrer Rotation nicht von innen an den Topfboden 26 stoßen. Die zum Durchführen der Abtriebswelle 70 im Topfboden 26 vorhandene Öffnung ist über eine Isolierung 78 gasdicht verschlossen. Die Nabenachse 80 fluchtet mit der Hülsenachse 44.
  • Zentrisch im Topfboden 26 ist eine der Nabe 72 gegenüberliegende Öffnung 82. Diese Öffnung 82 bildet die stirnseitige untere Öffnung eines Rohrstückes 84, das an dem Boden 26 befestigt ist und in den Innenraum der Hülse 28 hineinragt. Im vorliegenden Fall ragt das Rohrstück 84 etwa bis in die halbe Höhe der Hülse 28 hinein. Der Außendurchmesser 86 des Rohrstückes 84 ist im vorliegenden Beispielsfall nicht größer als der Innendurchmesser 54 des aus dem Außenbehälter 18 herausführenden Rohres 40.
  • Der Topf 12, die Hülse 28, das Rohrstück 84 und das Rohr 40 bestehen im vorliegenden Beispielsfall aus hitzebeständigem Material, wie insbesondere aus Edelstahl oder auch aus Keramik. Im vorliegenden Beispielsfall ist die Innenseite des Topfes 12 und auch die Innenseite der Hülse 28 zusätzlich mit einem feuerfesten Belag 88 ausgekleidet. Dieser Belag 88 liegt auch an der Innenseite der Kranzbleche 34 an. Auch die Außenseite des Rohrstückes 84 könnte mit einem solchen Belag versehen sein.
  • Im oberen Bereich 58 des Außenbehälters 18 ragt eine Abgasleitung 90 tangential in den Außenbehälter 18 hinein. Durch diese Abgasleitung 90 können rußbeladene Abgase 92 in den oberen Bereich des Außenbehälters 18 hineingeleitet werden. Die von Rußpartikeln befreiten Abgase 94 verlassen den Außenbehälter 18 durch das Rohr 40. Die Gasströmung innerhalb des Außenbehälters 18 und die dabei erfolgende Rußabscheidung erfolgt auf folgende Weise.
  • Mittels des hydraulischen Motors 68 werden die Gliederketten 74, 76 in Rotation versetzt. Dadurch wird im Zwischenraum 16 eine rotierende Gaswalze erzeugt.
  • Diese Gaswalze ist auch im Zwischenraum zwischen der Umbiegung 14 des oberen Topfrandes und dem oberen Bereich 58 des Außenbehälters 18 vorhanden. Diese rotierende Gaswalze pflanzt sich durch den Ringspalt 96, der zwischen dem oberen Ende 98 der Umbiegung 14 des Topfes 12 und der Hülse 28 vorhanden ist, nach unten in den Innenraum 50 des Topfes 12 fort. Auch die in dem Innenraum 50 vorhandene Luftmasse wird dadurch zwangsweise in eine rotierende Gaswalze 100 gebracht. Diese Gaswalze 100 rotiert von unten (Pfeil 102) in den Innenraum 104 der Hülse 28 hinein und strömt dann oben aus dem Rohr 40 heraus ins Freie.
  • Im Bereich des Ringspaltes 96 vermischt sich die Gaswalze mit den eingeleiteten rußbeladenen Abgasen 92. Die Gaswalze nimmt diese rußbeladenen Abgase 92 in den Innenraum 50 mit. Durch die in dem Innenraum erzeugte starke Rotation legen sich die in den Abgasen 92 vorhandenen Rußpartikel an der Innenseite des Topfes 12 und dort insbesondere an der Innenseite der Topf-Außenwand 20 ab. Die Gaswalze 100 erzeugt eine sehr starke Aufheizung der in ihr vorhandenen Abgase 92, so dass bei Temperaturen von etwa 600°C (Grad Celsius) die Rußpartikel verbrennen können. Diese Verbrennung wird durch die relativ lange Verweilzeit der Abgase im Inneren des Behälters 18 und dort im Inneren des Topfes 12 möglich. Die Abgase 92 strömen nämlich nicht auf dem kürzesten Weg zwischen Abgasleitung 90 und dem Rohr 40 durch die Vorrichtung 10 hindurch, sondern verweilen durch die Erzeugung der Gaswalze 100 sehr lange in der Vorrichtung 10. Vergleichsmessungen haben ergeben, dass statt einer nach dem Stand der Technik vergleichbaren Verweilzeit von 0,3 Sekunden die Abgase 92 sich die fünffache Zeit in der Vorrichtung 10 aufhalten. Zusammen mit den in der Gaswalze 100 erzeugten sehr hohen Temperaturen kann eine Oxydation von Ruß in Kohlendioxyd mittels Sauerstoff erfolgen.
  • Die erforderlichen hohen Temperaturen von etwa 600°C sind bei einem Kaltstart eines dieselbetriebenen Nutzfahrzeuges, wie beispielsweise eines entsprechen angetriebenen Lastkraftwagens bei weitem nicht vorhanden. Bei einem Kaltstart werden sich anfänglich die Rußpartikel unmittelbar an der Innenseite des Topfes 12 anlegen. Die Gaswalze entsteht nämlich unmittelbar mit der Rotation der Gliederketten 74, 76. Die Innenwand des Topfes 12 muss also so ausgelegt werden, dass ausreichend Platz zur Ablagerung der Rußpartikel während des Betriebszeitraumes ist, in dem die zur Oxydation des Rußes erforderliche Temperatur im Inneren des Topfes 12 noch nicht vorhanden ist.
  • Durch die Rotation werden sich im Außenbereich der Gaswalze 100, das heißt im Bereich der Topfwandung 20, höhere Temperaturen einstellen als im inneren Bereich der Gaswalze, das heißt an der Außenwand der Hülse 28. Daher könnten im Innenraum 50 und dort beispielsweise im Bereich der Außenseite der Hülse 28 und insbesondere im Bereich des Überganges von Innenraum 50 des Topfes 12 in den Innenraum 104 der Hülse 28 hinein, das heißt im Bereich der Strömungspfeile 102, Partikelfilter zusätzlich eingebaut werden. Solche Partikelfilter, die in der Zeichnung beispielhaft mit dem Bezugszeichen 106 dargestellt sind, können aus keramischen oder Sintermetall-Werkstoffen (poröse Sinterbleche) hergestellt sein. Mit solchen Partikelfiltern kann mit einem der Vorrichtung 10 vorgeschalteten Oxydationskatalysator das dort gebildete NO2 zur ergänzenden Oxydierung der Rußpartikel in der Vorrichtung 10 verwendet werden.
  • Da Dieselkraftstoffe regelmäßig anorganische Bestandteile enthalten, die in der Vorrichtung 10 nicht verbrannt werden können, fällt Asche an, die aus der Vorrichtung 10 entfernt werden sollte. Die Asche kann beispielsweise kontinuierlich durch eine separate Öffnung hindurch aus dem Topf 12 und dem Außenbehälter 18 in einen Auffangbehälter ausgetragen werden. Diese Öffnung kann mit einer in der Topfwand 20 innen umlaufend angeordneten Ringnut verbunden sein. Dem Auffangbehälter kann ein Schwerkraft-Zyklon strömungsmäßig vorgeschaltet sein, so dass die anteilig schwereren Ascheteilchen in den Auffangbehälter hineinfallen, während die leichteren Rußbestandteile wieder in den Topf 12 – zum Beispiel über die Abgasleitung 90 – zurückgeführt werden können.
  • Durch das Rohrstück 84, das durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Verschluss beliebig verschlossen oder geöffnet werden kann, können bei entsprechend geöffnetem Verschluss Gase aus dem Innenraum 104 der Hülse 28 nach in der Zeichnung unten in den Zwischenraum 16 (Pfeil 110) eingeleitet werden. Eine solche Rückführung von Gasen bietet sich beispielsweise an, um bei noch nicht vorhandenem ausreichend aufgeheizten Innenraum 50, 104 Feuchtigkeit aus dem Inneren des Topfes 12 herauszuführen, die bei einer Taupunktunterschreitung auftritt. Diese Feuchtigkeit kann dann wieder rückwärts durch die Rotation der Gliederketten 74, 76 durch den Zwischenraum 16 hindurch wieder nach oben in den Innenraum 50 eingeleitet und dort erwärmt werden.
  • Es hat sich ferner gezeigt, dass sich die Auspuffgeräusche der aus der Vorrichtung 10 austretenden gereinigten Abgase 94 akustisch vergleichsweise angenehmer anhören; offensichtlich sind die im Stand der Technik bekannten akustisch unangenehmen Stoßwellen stark eliminiert worden. Daher können die gereinigten Abgase 94 am Fahrzeug nach oben ins Freie geleitet werden.
  • Auf die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch Veränderung der Drehzahl der Gliederketten 74, 76 und damit durch Veränderung der Umdrehungsgeschwindigkeit dieser Glieder Einfluss genommen. Auf die im Stand der Technik bekannten Regelungsklappen kann daher verzichtet werden.
  • Die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung hängt ab von der Umlaufgeschwindigkeit der Abgase im Topf 12, dem O2-Gehalt und der Temperatur der Abgase. Die jeweils vorhandenen O2- und Temperatur-Werte können über Messfühler ermittelt werden.
  • Aufgrund der aktiven Wirbelstromerzeugung arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung im Unterdruckbereich von etwa 5 bis 10 Millibar.

Claims (18)

  1. Vorrichtung (10) zum Entfernen von Rußpartikeln aus Abgasen (92), wie insbesondere aus Abgasen von mit Dieselkraftstoff betriebenen Nutzfahrzeugen, – mit einer Kammer, durch die die mittels einer Abgasleitung (90) zugeführten Abgase in einer Wirbelströmung hindurchleitbar sind, – dadurch gekennzeichnet, dass – die Kammer in Art eines Topfes (12) ausgebildet ist, – der Topf (12) in einem Außenbehälter (18) einsitzt , wobei zwischen dem Topf (12) und dem Außenbehälter (18) ein Luft-Zwischenraum (16) vorhanden ist, – eine Art Hülse (28) zentral im oberen Bereich des Außenbehälters (18) und des Topfes (12) vorhanden ist, deren Außendurchmesser (56) kleiner ist als der Innendurchmesser des Topfes (12), – die Hülse (28) gasdicht an dem Außenbehälter (18) anliegt, – die Hülse (28) von oben in den Topf (12) hineinragt, – ein Ringspalt (96) zwischen dem Topf (12) und der Hülse (28) vorhanden ist, – ein beidseitig offenes Rohr (40) von dem Außenbehälter (18) nach außen wegführt zum Herausleiten der rußfreien Abgase (94) aus dem Außenbehälter (18), – die Rohrachse (42) des Rohres (40) mit der Hülsenachse (44) zusammenfällt, – die Abgasleitung (92) in den Außenbehälter (18) einmündet, – eine Einrichtung zum Erzeugen einer Wirbelströmung im Luft-Zwischenraum (16) und im Innenraum (50) des Topfes (12) vorhanden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, – dadurch gekennzeichnet, dass – die Abgasleitung (90) in den oberen Bereich (58) des Außenbehälters (18) einmündet.
  3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – der obere Topfrand des Topfes eine Umbiegung (14) nach innen aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – der Innendurchmesser (54) des Rohres (40) kleiner ist als der Innendurchmesser der Hülse (28).
  5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – die Einrichtung zum Erzeugen der Wirbelströmung im Zwischenraum (16) zwischen dem Boden (26) des Topfes (12) und dem Boden (66) des Außenbehälters (18) vorhanden ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – eine Art motorisch antreibbares Gebläserad oder Schaufelrad zum Erzeugen der Wirbelströmung vorhanden ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – ein mit kettenartigen Gliedern (74, 76) oder mit stabförmigen, gelochten Gliedern versehener, motorisch antreibbarer Gliederkopf (72) zum Erzeugen der Wirbelströmung vorhanden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – ein hydraulischer motorischer Antrieb (68) zur Wirbelstromerzeugung vorhanden ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – die Abgasleitung (90) tangential in den Außenbehälter (18) einmündet.
  10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – die Hülse (28) und der Topf (12), insbesondere was ihre Innenseiten betrifft, material- beziehungsweise funktionsmäßig gleichartig ausgebildet sind.
  11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – Topf (12) und/oder Hülse (28) aus feuerfestem Dämm-Material bestehen oder mit solchem Material (88) verkleidet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – Topf (12) und/oder Hülse (28) beheizbar sind.
  13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – im Innenraum des Topfes (12) und/oder der Hülse (28) Partikelfilter (106), insbesondere Partikelfilter aus keramischen oder Sintermetall-Werkstoffen, angeordnet sind.
  14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – eine Leitungsverbindung zwischen dem Innenraum des Topfes (12) und dem Zwischenraum (16) zwischen dem Topf und dem Außenbehälter vorhanden ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, – dadurch gekennzeichnet, dass – die Leitungsverbindung beliebig verschließbar ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, – dadurch gekennzeichnet, dass – ein Rohrstück (84) vom Boden (26) des Topfes (12) in den Innenraum (50) des Topfes (12) auskragt, – der Boden (26) im Bereich des Rohrstückes (84) eine Öffnung (82) besitzt.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, – dadurch gekennzeichnet, dass – das Rohrstück (84) in die Hülse (28) hineinragt.
  18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – dadurch gekennzeichnet, dass – die Hülse (28) und/oder das Rohr (40) lösbar am Außenbehälter (18) befestigt sind.
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