DE3046258A1 - Vorrichtung und verfahren zum aufbereiten eines brennbare feststoffteilchen mitfuehrenden heissen abgasstroms - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum aufbereiten eines brennbare feststoffteilchen mitfuehrenden heissen abgasstroms

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DE3046258A1 DE19803046258 DE3046258A DE3046258A1 DE 3046258 A1 DE3046258 A1 DE 3046258A1 DE 19803046258 DE19803046258 DE 19803046258 DE 3046258 A DE3046258 A DE 3046258A DE 3046258 A1 DE3046258 A1 DE 3046258A1
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Description

DR. GERHARD SCHUPFNER PATENTANWALT
turupedn Patent Attorney
. 6
Karlstr. 5
D 2110 Buchhol/: in der Nordheide Telefon Büro (01181) 4457 Tukjfon: Pnvat (04187) 6345 Tcilcjx 02180330 Tiilegrdmm Telepatent
5. üezember 1960 S/KB
T.-053 80 DE
D 77,026-F (RBB)
TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION
2000 WESTCHESTER AVENUE WHITE PLAINS, N. Y. 10650 U. S. A.
Vorrichtung und Verfahren zum Aufbereiten eines brennbare Feststoffteilchen mitführenden heißen
Abgasstroms
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Vorrichtung und Verfahren zum Aufbereiten eines brennbare Feststoffteilchen tnitführenden heißen
Abgasstroms
Bei Brennkraftmaschinen ist es erwünscht, die Abgase aufzubereiten, so daß diese bedenkenlos in die Atmosphäre abgegeben werden können. Bei manchen Brennkraftmaschinen, insbesondere dieselbetriebenen, ist eines der häufigsten Probleme das Vorhandensein von im Abgasstrom mitgeführten Feststoffteilchen.
In der Hauptsache sind die Feststoffteilchen normalerweise Kohlenstoffteilchen. Sie entstehen durch die unvollständige Verbrennung des Kohlenwasserstoff-Kraftstoffs unter bestimmten Betriebsbedingungen des Motors. Allerdings trägt auch der Betriebs-Wirkungsgrad des Motors zu der Menge der erzeugten Kohlenstoffteilchen bei.
Das Vorhandensein relativ großer Mengen von Kohlenstoffteilchen in einem Abgasstrom ist daraus ersichtlich, daß ein dunkler, rauchiger, unerwünschter Ausstoß erfolgt. Dieser Rauch ist nicht nur unschön, sondern er kann in großen Mengen auch gesundheitsschädlich sein.
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Es sind Vorrichtungen bekannt, um den Gehalt an Feststoffteilchen in Abgasströmen zu beseitigen oder kleinzuhalten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß zwar die Feststoffteilchen mit einem geeignet ausgebildeten Filter beseitigt werden können; dabei ergibt sich aber schließlich eine Sättigung und/oder die Funktionsunfähigkeit des Filters infolge einer übermäßigen Ansammlung von Feststoffteilchen.
Ls ist ferner bekannt, daß das Motorabgas-Aufbereitungsverfahren insgesamt beschleunigt werden kann, üies erreicht man, indem nicht nur der heiße Gasstrom durch ein Filtermittel geleitet wird, sondern das Filter mit einem Katalysator versehen wird, der die Verbrennung der zurückgehaltenen Teilchen beschleunigt.
Es ist zu beachten, daß unter allen Betriebsbedingungen von Dieselmotoren Kohlenstoffteilchen erzeugt werden. Ferner ist zu beachten, daß Menge und Güte des Abgasstroms jeder Brennkraftmaschine sich entsprechend den Betriebskennlinien der Maschine ändern.
Z. B. kann der Temperaturbereich eines Dieselmotor-Abgasstrorns zwischen gering oberhalb Raumtemperatur und mehr als 649 0C schwanken. Wenn das Abgas ausreichend heiß ist, werden die in einem Filter aufgefangenen
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Kohlenstoffteilchen verbrannt. Bei dieselbetriebenen Personenkraftwagen wird jedoch ein Betriebszustand des Motors, bei dem diese Regenerierung erfolgen kann, kaum erreicht.
Wenn eine Maschine im Dauerbetrieb unter solchen Bedingungen läuft, daß die Feststoffteilchen kontinuierlich erzeugt und im Filter aufgefangen werden, muß das die Feststoffteilchen aufnehmende Filterbett hin und wieder regeneriert werden.
normalerweise besteht die Regenerierung darin, daß einfach der genügend Sauerstoff enthaltende heiße Abgasstrom in das Filterbett geleitet wird, um die darin zurückgehaltenen Kohlenstoffteilchen zu kontaktieren und zu entzünden bzw. zu veraschen. Bei der Verbrennung einer großen und gebundenen Kohlenstoff-Ansammlung können aber Temperaturen erzeugt werden, die weit über denen des Abgases liegen. Dies hat zur Folge, daß bei solchen überhohen Temperaturen das Filterbett bzw. der Filtereinsatz einen Wärmestoß, eine Beschädigung oder eine Formänderung erfahren kann.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Abgasauf bereitungs-Vorrichtung und eines entsprechenden Verfahrens, wobei eine Filtereinheit Feststoffteilchen aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine abscheidet und das Filterbett durch Verbrennen der Feststoffteilchen periodisch regenerierbar ist; dabei erfolgt die Regenerierung während des Betriebs der Brennkraftmaschine unter Bedingungen, bei denen normalerweise keine für die Verbrennung ausreichenden Abgastemperaturen erzeugt werden, und die Beschaffenheit des Filterbetts wird nicht durch Wärmeschock oder Beschädigung gefährdet.
Zur Erzielung einer befriedigenden oder begrenzten Kohlenstoff abscheidung aus einem Abgassystem ohne Beschädigung des Filters weist die Vorrichtung nach der Erfindung einen Reaktionsraum oder -abschnitt auf, der ein Katalysatorbett enthält, durch das wenigstens ein Teil des Abgasstroms geleitet wird. Dieses Katalysatorsegment kann entweder in das die Feststoffteilchen zurückhaltende Filterbett integriert oder diesem vorgeschaltet sein.
Um sicherzustellen, daß das Hauptfilterbett bzw. die Hauptfilterbetten ständig funktionsfähig ist, wird der Abgasstrom periodisch und regelmäßig auf eine Temperatur erwärmt, ♦
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die über der für die Auslösung der Verbrennung zurückgehaltener Feststoffteilchen erforderlichen Temperatur liegt.
Physikalisch erfolgt die Erwärmung dadurch, daß eine erwünschte Menge eines brennbaren Fluids direkt in den Abgasstrom eingespritzt wird. Dieser Brennstoff vermischt sich mit den Dieselabgasen, die Überschußsauerstoff enthalten. Wenn das Gemisch den Katalysator kontaktiert, findet eine exotherme Reaktion statt, wodurch die Abgastemperatur wenigstens auf die Verbrennungstemperatur der im Hauptfilterbett zurückgehaltenen Kohlenstoffteilchen erhöht wird.
Somit wird das Hauptfilterbett regelmäßig in periodischen Zeitintervallen regeneriert. Wenn diese Behandlung in vorbestimmten Zeitabständen wiederholt wird, wird die Ansammlung von Kohlenstoffmengen, die sonst zum Zeitpunkt ihrer Verbrennung in einer Wärmebeanspruchung oder Beschädigung des Filterbetts resultieren würde, vermieden.
Die Aufgabe der Erfindung wird also durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Patentansprüchen gelöst.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Dieselmotor, mit dem die Filtervorrichtung zusammenwirkt; und
Fig. 2 einen größeren Querschnitt durch die Filtervorrichtung nach Fig. 1.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird angenommen, daß die Brennkraftmaschine 10 oder Abgasquelle ein Dieselmotor ist. Bei diesem wird den verschiedenen Brennkammern sequentiell Luft aus einem Luftfilter durch einen Verteiler 12 zugeführt. Anschließend wird in jede Brennkammer Kraftstoff aus einer Kraftstoffpumpe 13 über ein Gasgestänge 14 eingespritzt.
Der heiße Abgasstrom tritt aus dem Auspuffkrümmer 16 aus und gelangt durch ein Abgasrohr 18 zu einem Rauchfilter 17. In das Abgasrohr könnte zwar ein Auspufftopf eingebaut sein, dieser ist jedoch im vorliegenden Fall nicht von Bedeutung.
Nach dem Verlassen des Auspuffkrümmers 16 hat der Abgasstrom eine Temperatur im Bereich von ca. 93-64-9 C. Die genaue Temperatur hängt von den Betriebszuständen
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des Motors ab. Z. B. ist bei Niedrigdrehzahlen und im Leerlauf das Abgas relativ kühl oder nur gering erwärmt. Infolgedessen werden beim Eintritt des Abgasstroms in die Filtervorrichtung 17 die im Abgasstrom mitgeführten Teilchen in der Vielzahl von Durchlässen im Filterbett 19 zurückgehalten.
Zwar besteht das Abgas primär aus einer Kombination von Gasen, es hat aber normalerweise einen ausreichenden Sauerstoffgehalt, um wenigstens eine begrenzte Verbrennung innerhalb des Abgasstroms selbst zu unterhalten.
Die Filtervorrichtung 17 umfaßt im wesentlichen ein langes Metallgehäuse 21 mit gegenüberliegenden Endwänden 22 und 23, zwischen denen ein innerer Reaktionsraum gebildet ist. Dieser wird zu einem großen Teil von wenigstens einem Bett 19 eingenommen, das aus einem Material besteht, das für die Bildung einer Mehrzahl unregelmäßiger Durchlässe besonders geeignet ist.
Die Funktion dieses Betts oder ähnlicher zusätzlicher Betten besteht darin, eine Reihe von Durchlässen zu bilden, die von dem Abgas durchströmt werden. Während dieses Durchströmens werden die im Abgasstrom mitgeführten Feststoffteilchen längs den verschiedenen Durchlaßwandungen zurückgehalten.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Bett 19 aus einer siebähnlichen metallischen Masse wie Stahlwolle od. dgl. bestehen, die so geformt ist, daß sie den Reaktionsraum im wesentlichen ausfüllt.
Erwünschtenfalls kann das Bett 19 an seinem Einlaß- und seinem Auslaßende mit gelochten Platten 26 und 27 oder anderen ähnlichen Querelementen ausgerüstet sein. Diese sind an der Wandung des Gehäuses 21 angeordnet, um das Bett oder mehrere Betten abzustützen oder zu haltern.
Die Eintritts-Endwand 23 der Filtervorrichtung weist eine Einlaßöffnung 28 auf, durch die Abgas zur Eintrittsseite des Betts 19 eingeleitet wird. In ähnlicher Weise ist die austrittsseitige Platte 26 mit einer Austrittsöffnung 29 zum Abführen von das Bett verlassenden Gasen verbunden.
Um eine optimale Filterwirkung auf den Abgasstrom zu erzielen, kann das Filterbett 19, wie erwähnt, aus einem geeigneten Medium bestehen, das die Feststoffteilchen aus dem Abgasstrom aufnimmt. Um Jedoch die anschließende Verbrennung der zurückgehaltenen Teilchen zu vereinfachen, kann das Filtermittel auf seiner Oberfläche mit einem geeigneten Katalysator, der die Oxidation von Kraftstoff und der brennbaren Teilchen beschleunigt, versehen sein .
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Wenn das Filterbett 19 ohne Katalysator eingesetzt wird, ist an seinem Vorder- oder Eintrittsende ein Vorbehandlungs-Segment 19a angeordnet. Dieses umfaßt ein Katalysatormaterial, das die erwünschte Oxidation von Kraftstoff und Teilchen bewirken kann. Diese Vorfilterkammer 19a kann ein Teil des Filterbetts 19 oder ein davon gesondertes Segment sein.
Z. B. kann das Vorfilter-Segment 19a im Vorder abschnitt des Gehäuses 21 angeordnet sein, so daß es von den anströmenden Abgasen kontaktiert wird, sobald diese in das Filtergehäuse eintreten.
Für die Vorerwärmung des Abgasstroms ist ein Einspritzsystem vorgesehen, das primär ein Vorrat eines brennbaren Brennstoffs in Verbindung mit einer Einheit zum Einführen einer dosierten Menge des Brennstoffs in den erwärmten Abgasstrom ist. Der Brennstoffvorrat kann flüssig oder gasförmig sein, um die erwünschte Vorwärmfunktion zu erzielen.
Wie nachstehend erläutert wird, kann der Zusatzbrennstoff Dieselkraftstoff sein, der auch für den Antrieb der Brennkraftmaschine 10 verwendet wird. Alternativ kann es sich um ein komprimiertes Gas wie Propan od. dgl. handeln, das nur zum Zweck der Einspritzung in die Vorfilterkammer
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mitgeführt wird. Der zusätzliche Brennstoff kann also irgendeine einer Anzahl bekannter leichtflüchtiger Kohlenwasserstoff- oder andersartiger Substanzen sein, die fähig sind, in der Katalysatorkammer zu reagieren.
Das Injektionssystem umfaßt eine Pumpe 31 oder eine andere geeignete Dosiereinheit, deren Einlaßseite 32 mit dem Brennstoffvorrat 13 verbunden ist. Die Pumpe 31 ist ihrerseits mit einer Einspritzdüse 33 verbunden, die eine oder mehrere Austrittsöffnungen 37 aufweist, die am Vorderende der den Katalysator enthaltenden Vorfilterkammer 34 angeordnet sind.
Wenn die Pumpe 31 periodisch von einer Einspritzdüsen-Stelleinheit 36 betätigt wird, gelangt eine dosierte Menge des brennbaren zerstäubten Brennstoffs direkt in die Vorfilterkammer 34, in der er sich durch den Kontakt mit dem erwärmten Abgas in Anwesenheit des oxidierenden Katalysators entzündet.
Zur Erzielung der periodischen Abgaserwärmung ist die Stelleinheit 36 für die Pumpe 31 speziell so ausgelegt, daß die Pumpe zu regelmäßigen voreingestellten Zeiten betätigt wird. Diese Zeitintervalle können entweder auf der Grundlage des Kilometerstands des Motors oder der tatsächlichen Betriebszeit des Motors bestimmt werden.
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Die weitere Betätigung kann eine Funktion der Temperatur im Filtereinsatz sein. In jedem Fall soll mit der zeitlichen Einstellung des Einspritzvorgangs erreicht werden, daß unabhängig von den Motor-Betriebsbedingungen die Kohlenstoffteilchen periodisch in der Filtervorrichtung verascht werden. Die Abstände zwischen den Zeitintervdllen sind so bemessen, daß auch unter den ungünstigsten Motor-Betriebsbedingungen eine übermäßige Ansammlung von Kohlenstoffteilchen vermieden wird.
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. -Ki-
L e e r s e
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Claims (14)

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Aufbereiten eines brennbare Feststoffteilchen mitfiihrenden heißen Abgasstroms, mit
- wenigstens einer Filtereinheit, die umfaßt:
- einen Reaktionsraum mit einer an eine Abgasquelle angeschlossenen Eintrittsöffnung, und
- ein in dem Reaktionsraum positioniertes Hauptfilterbett zum Kontaktieren und Zurückhalten von Feststoffteilchen aus dem durchströmenden Abgasstrom,
gekennzeichnet durch
- ein vor dem Hauptfilterbett (19) angeordnetes Vorfilterbett (3A-) mit einem katalytischen Filtermittel,
- eine Einspritzeinheit mit einem Einspritz-Dosierglied (31), dessen Einlaß (32) mit einem Vorrat eines brennbaren Fluids (13) und dessen Auslaßöffnung (33) mit dem Vorfilterbett (34) verbunden ist, und
- eine Einspritz-Stelleinheit (36), die verstellbar mit dem Einspritz-Dosierglied (31) verbunden ist und dieses in bestimmten Zeitabständen betätigt, so daß eine dosierte Menge des brennbaren Fluids in das Vorfilterbett (3A-) einspritzbar ist,
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- wodurch eingespritztes Fluid im Vorfilterbett (34-) entzündet und damit die Temperatur des das Vorfilterbett (34) durchströmenden Abgases über die Zündtemperatur der brennbaren Feststoffteilchen erhöht wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß das Vorfilterbett mit dem Hauptfilterbett (19) einstückig ausgeführt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß das Vorfilterbett an das Hauptfilterbett (19) angrenzt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,
- daß das Dosierglied (31) an einen Flüssigbrennstoffvorrat angeschlossen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,
- daß das Dosierglied (31) an einen Druckgasvorrat angeschlossen ist.
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6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das Gas Propangas ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Einspritz-Stelleinheit (36) einen Taktgeber enthält, der das Einspritz-Dosierglied (31) in vorbestimmten Zeitintervallen einschaltet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Einspritz-Stelleinheit (36) das Einspritz-Dosierglied (31) bei vorbestimmten Abgastemperaturen einschaltet.
9. Verfahren zum Aufbereiten eines brennbare Feststoffteilchen mitführenden Abgasstroms, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Leiten des Abgasstroms in ein Filterbett, so daß wenigstens ein Teil der Feststoffteilchen darin zurückgehalten wird,
- periodisches Erwärmen wenigstens eines Teils des Abgases vor dessen Eintritt in das Filterbett auf eine
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über der Zündtemperatur der zurückgehaltenen brennbaren Feststoffteilchen liegende Temperatur, und
- Leiten des erwärmten Abgases in Kontakt mit dem die Feststoffteilchen enthaltenden Filter zur Verbrennung der Feststoffteilchen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
- daß bei dem Gaserwärmungsschritt eine bestimmte Menge eines brennbaren Fluids in den Abgasstrom vor dessen Eintritt in das Filterbett eingespritzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
- daß als brennbares Fluid ein Flüssigbrennstoff verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
- daß das brennbare Fluid Dieselkraftstoff ist.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
- daß als brennbares Fluid ein gasförmiger Brennstoff verwendet wird.
130038/064S
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, - daß das brennbare Fluid Propangas ist.
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