DE29512149U1 - Wirbelrohr zum Entfernen von Rußteilchen aus Abgasen - Google Patents
Wirbelrohr zum Entfernen von Rußteilchen aus AbgasenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Wirbelrohr zum Entfernen von Rußteilchen
und dergleichen aus Abgasen eines Dieselmotors.
In ein solches Wirbelrohr (EP 0 431 105 Bl), das einen im wesentlichen zylindrischen Innenraum hat, werden die Abgase
tangential eingeblasen. Es findet dabei unter der Wirkung von Zentrifugalkräften sowie von adiabatischer Kompression bzw.
adiabatischer Expansion eine Aufteilung in zwei Gasströrae statt. Im Bereich der Achse des Wirbelrohrs sammelt sich im
wesentlichen rußfreies Gas, das eine niedrigere Temperatur als die Temperatur hat, mit der die Abgase in das Wirbelrohr
eingetreten sind. Dieses im wesentlichen rußfreie und kältere Abgas verläßt das Wirbelrohr durch eine im Bereich der Achse
angeordnete Blende. Das rußbeladene Gas, das eine höhere Temperatur als das ursprünglich eingeblasene Gas hat, tritt
durch eine ringförmige Öffnung, die mit einer Drossel versehen ist, am anderen Ende des Wirbelrohres aus. Infolge der Temperaturerhöhung
erreicht das Abgas vorher eine Temperatur, bei der die Rußpartikel verbrennen.
Bei dem bekannten Wirbelrohr treten folgende Probleme auf. Im
Dresdner Bank AG Hamburg 04 030 448 00 (BLZ 200 800 00) Postbank Hamburg 1476 07-200 (BLZ 200 100 20)
Teillastbereich betragen die Abgastemperaturen ungefähr 3000C,
während die Temperaturerhöhung des wärmeren Gasanteils durch das Wirbelrohr ungefähr 800C beträgt. In diesem Betriebszustand
kann im Wirbelrohr die Zündtemperatur von Ruß nicht erreicht werden.
Im Vollastbetrieb beträgt die Abgastemperatur ungefähr 5000C7
so daß die Temperaturerhöhung durch das Wirbelrohr von ca. 800C ausreicht, die Zündtemperatur von Ruß von ungefähr 6000C
zu erreichen. Das Problem dabei ist aber, daß wegen der großen Abgasmengen bei Vollastbetrieb und damit der großen Gasgeschwindigkeit
die Verweilzeit der Rußteilchen im Wirbelrohr sehr kurz ist, so daß kein vollständiger Abbrand erfolgen
kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Wirbelrohrs, mit dem eine bessere Abgasreinigung durch stärkere
Verbrennung des Rußes möglich ist.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß das Wirbelrohr
von einem ersten Mantelrohr umgeben ist, das von einem zweiten Mantelrohr umgeben ist, wobei der rußbeladene Warmgasstrom vom
Wirbelrohr durch den Zwischenraum zwischen dem Wirbelrohr und dem ersten Mantelrohr hindurch und anschließend durch den
Zwischenraum zwischen dem ersten Mantelrohr und dem zweiten Mantelrohr hindurch leitbar ist, und daß in wenigstens einem
der Zwischenräume ein hitze- und oxidationsbeständiges Filtermaterial angeordnet ist.
Der rußbeladene Warmgasstrom wird also nicht aus dem Wirbelrohr
direkt nach außen geleitet, sondern wird zumindest bei Vollastbetrieb noch zwischen zwei Mantelrohren hindurchgeleitet.
Diese Mantelrohre werden durch den Warmgasstrom sowie die Temperatur des Wirbelrohrs aufgeheizt, so daß der rußbeladene
Warmgasstrom schon durch diese Maßnahme eine längere Zeit
seine höhere Temperatur beibehält, so daß mehr Rußteilchen verbrennen können. Diese Verweilzeit wird weiter dadurch er-
höht, daß in den Zwischenräumen ein hitze- und oxidationsbeständiges
Filtermaterial angeordnet ist. Die Rußteilchen haften an diesem Filtermaterial, das selbstverständlich ebenfalls
entsprechend hohe Temperaturen aufweist, an und verbrennen dort. Man erhält auf diese Weise eine ausreichend
lange Verweilzeit der Rußteilchen, während der sie sich auf einer Temperatur befinden, die der Zündtemperatur entspricht
bzw. diese überschreitet, so daß sie im wesentlichen vollständig verbrennen können.
Zweckmäßigerweise ist das zweite Mantelrohr von einer Isolierung umgeben, damit das Wirbelrohr und die Mantelrohre möglichst
wenig Wärme abgeben und dadurch heißer werden.
Als Filtermaterial könnte z.B. Stahlwolle verwendet werden, die jedoch verbrennen oder verzundern kann, da die Abgase
eines Dieselmotors normalerweise verhältsnismäßig sauerstoffhaltig sind. Es ist daher zweckmäßiger, wenn das Filtermaterial
aus keramischen Materialien besteht.
Bei Vollastbetrieb wird, wie oben erwähnt, normalerweise die Zündtemperatur der Rußteilchen erreicht. Zusätzlich kann, um
auf jeden Fall genügend hohe Temperaturen zu erreichen, das Filtermaterial elektrisch beheizbar sein. Der hierfür erforderliche
Energieverbrauch hält sich in Grenzen. Falls man das gesamte Abgas so stark erhitzen wollte, daß seine Temperatur
die Zündtemperatur der Rußteilchen übersteigt, so wären dazu erhebliche Energiemengen notwendig. Die Abgase müßten nämlich
auf eine Temperatur erhitzt werden, die ein wesentlicher Bruchteil der Temperatur ist, die im Verbrennungsraum erreicht
worden ist. Der dazu nötige Energieverbrauch wäre dann ebenfalls ein wesentlicher Bruchteil des normalen Kraftstoffverbrauchs
. Durch das Wirbelrohr erfolgt nun aber eine Abtrennung von ungefähr 80 % der Abgase, die das Wirbelrohr als kältere,
im wesentlichen rußfreie Abgase verlassen. Nur 2 0 % der Abgase müssen dann noch elektrisch erhitzt werden (falls dies überhaupt
erforderlich ist), so daß der Energieverbrauch verhält-
nismäßig gering ist.
Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, elektrisch leitendes
Siliziumkarbid als Filtermaterial zu verwenden. Damit kann die elektrische Heizspannung direkt an das Filtermaterial
angelegt werden.
Wenn im Bereich des Warmgasstroms ein Katalysator angeordnet ist, der die Verbrennung der Rußteilchen fördert, so findet
diese Verbrennung schon bei niedrigeren Temperaturen als den oben erwähnten 6000C statt. Insbesondere kann das Filtermaterial
einen Katalysator aufweisen.
Das Wirbelrohr wird auf folgende Weise betrieben. Beim Teillastbetrieb
wird normalerweise nicht die notwendige Temperatur erreicht, daß die Rußteilchen verbrennen können. Hier ist es
aber ohne weiteres möglich, den rußhaltigen Warmgasanteil von ungefähr 20 % dem Motor zusammen mit der Ansaugluft wieder zuzuführen.
Diese an sich bekannte Abgasrückführung ist möglich, da der Dieselmotor im Teillastbetrieb mit sehr großem Sauerstoff
Überschuß arbeitet. Die restlichen 80 % der Abgase verlassen dann das Wirbelrohr als im wesentlichen rußfreier
Gasstrom. Bei Vollast ist diese Abgasrückführung dagegen nicht möglich, da nicht mehr genügend Sauerstoffüberschuß zum
Verbrennen der Rußteilchen (und dann auch nicht mehr zum Verbrennen des Kraftstoffs) vorhanden ist. In diesem Falle
wird der Warmgasstrom vom Wirbelrohr durch die Zwischenräume zwischen Wirbelrohr, erstem Mantelrohr und zweitem Mantelrohr
hindurchgeleitet, was beim Teillastbetrieb nicht der Fall ist. Durch die längere Verweilzeit findet dabei eine im wesentlichen
vollständige Verbrennung der Rußpartikel statt. Gegebenenfalls kann dieses Verbrennen noch durch elektrisches
Heizen gefördert werden.
Bei Vollastbetrieb über längere Zeit (z.B. bei stationären Motoren) findet so eine kontinuierliche Verbrennung des Rußes
statt. Tritt Vollast nur während verhältnismäßig kurzer Zeit
auf (wie z.B. bei einem Dieselmotor eines Lastkraftwagens, der beschleunigt oder eine Steigung herauffährt), so ist auch folgende
Betriebsweise möglich. Während des Vollastbetriebes läßt man den Warmgasstrom durch die Zwischenräume strömen, wobei
der Ruß vom Filtermaterial aufgenommen wird. Sobald wieder Teillastbetrieb vorliegt, strömt der Warmgasstrom nicht mehr
durch diese Zwischenräume hindurch, so daß hier die Wärme einer elektrischen Zusatzheizung nicht durch strömendes Gas
abgeführt wird. Es ist daher nur verhältnismäßig wenig elektrische Energie notwendig, um das Filtermaterial auf eine Temperatur
zu erhitzen, bei der der Ruß dann vollständig verbrennt. Diese Betriebsart ist vorteilhaft, da man zwar bei
längerem Vollastbetrieb damit rechnen kann, daß die nötige Temperatur zum Verbrennen der Rußteilchen erreicht wird. Bei
relativ kurzzeitigem Vollastbetrieb müssen aber erst das Wirbelrohr, die Mantelrohre sowie das Filtermaterial genügend
aufgeheizt werden, bis die Rußteilchen verbrennen. Hierzu reicht die möglicherweise kurze Zeit des Vollastbetriebes
nicht aus, so daß es dann zweckmäßiger ist, die Rußteilchen mit Hilfe elektrischer Zusatzheizung zu verbrennen, sobald der
Warmgasstrom nicht mehr über das Filtermaterial geleitet wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform beispielsweise anhand der Figur beschrieben,
die den prinzipiellen Aufbau des Wirbelrohrs zeigt.
In der Figur ist lediglich der prinzipielle Aufbau des Wirbelrohrs
gezeigt. Für die Einzelheiten der Konstruktion sowie der Wirkungsweise des Wirbelrohrs wird auf die bereits erwähnte
EP 0 431 105 Bl verwiesen, die zum Gegenstand der Offenbarung dieser Anmeldung gemacht wird.
Das erfindungsgemäße Wirbelrohr 1 weist einen Einlaß 2 auf, durch den Abgas unter Druck in Richtung des Pfeiles 3 eingeleitet
wird. Die Einleitung erfolgt dabei tangential zum Umfang des im wesentlichen zylindrischen Wirbelrohres 1, so
daß sich eine Wirbelströmung ergibt. Im mittigen Bereich
sammelt sich aufgrund von adiabatischer Expansion sowie der
Zentrifugalkraft kälteres, im wesentlichen rußfreies Gas an, das das Wirbelrohr 1 durch eine zentrale Blende 4 in Richtung
des Pfeiles 5 verläßt. Der Warmgasstrom durchläuft eine durch
den Linienzug 6 schematisch angedeutete spiralförmige Bahn und tritt am linken Ende des Wirbelrohres 1 in Richtung der Pfeile
7 in den Zwischenraum 8 zwischen der Außenwand des Wirbelrohres 1 und einem ersten Mantelrohr 9 ein. Anschließend gelangt
der Warmgasstrom in Richtung des Pfeiles 10 in den Zwischenraum 11 zwischen dem ersten Mantelrohr und einem zweiten
Mantelrohr 12. Dieser Warragasstrom verläßt dann das zweite Mantelrohr 12 durch eine Öffnung 13, in der eine Drossel 14
angeordnet ist. In den Zwischenräumen 8 und 11 sind Filtermaterialien 15 bzw. 16 gezeigt. Solche Filtermaterialien müssen
aber nicht überalle vorgesehen sein. So könnte z.B. im Zwischenraum 8 das Filtermaterial 15 durch eine Spirale ersetzt
sein, die in der Figur angedeutet ist. Das Filtermaterial 16 aber ist auf jeden Fall dazu ausgebildet, den Ruß aufzuhalten,
um dadurch seine Verweilzeit für vollständige Verbrennung zu erhöhen. Eine elektrische Heizung kann z.B. dadurch vorgesehen
sein, daß als Filtermaterial elektrisch leitendes Keramikmaterial, z.B. Siliziumkarbid verwendet wird, an das dann eine
Heizspannung angelegt wird, deren Zuleitungen bei 17 angedeutet sind. Mit 18 ist schließlich noch eine thermische Isolierung
bezeichnet, die das äußere Mantelrohr umgibt.
Claims (7)
1. Wirbelrohr zum Entfernen von Rußteilchen und dergleichen
aus den Abgasen eines Dieselmotors, dadurch gekennzeichnet , daß es von einem ersten Mantelrohr (9) umgeben ist,
das von einem zweiten Mantelrohr (12) umgeben ist, wobei der rußbeladene Warmgasstrom vom Wirbelrohr (1) durch den
Zwischenraum (8) zwischen dem Wirbelrohr (1) und dem ersten Mantelrohr (9) hindurch und anschließend durch den
Zwischenraum (11) zwischen dem ersten Mantelrohr (9) und dem zweiten Mantelrohr (12) hindurch leitbar ist, und daß
in wenigstens einem der Zwischenräume (8,11) ein hitze- und oxidationsbeständiges Filtermaterial (15,16)
angeordnet ist.
2. Wirbelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Mantelrohr (12) von einer Isolierung (18)
umgeben ist.
3. Wirbelrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial (15,16) aus keramischen Materialien
besteht.
4. Wirbelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Filtermaterial (15,16) elektrisch beheizbar ist.
5. Wirbelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Filtermaterial (15,16) elektrisch leitendes Siliziumkarbid ist.
6. Wirbelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich des Warmgasstroms ein Katalysator angeordnet ist.
7. Wirbelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Filtermaterial (15,16) einen Katalysator aufweist.
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Publication Number | Publication Date |
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DE29512149U1 true DE29512149U1 (de) | 1996-11-28 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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1995
- 1995-07-27 DE DE29512149U patent/DE29512149U1/de not_active Expired - Lifetime
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