DE3205810A1

DE3205810A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung der abgase von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3205810A1
Application number: DE19823205810
Authority: DE
Inventors: Martin 12524 Fishkill N.Y. Alperstein; Robert Bruce 11743 Huntington N.Y. Burns; Kashmir Singh 12533 Hopewell Junction N.Y. Virk
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1982-02-10
Filing date: 1982-02-18
Publication date: 1983-08-25
Also published as: SE443830B; SE8201130L; GB2114913B; GB2114913A

Description

Müller, Schupf nur & Gauger Patentanwälte

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Kar ! ijtralii.· L> 2110 Buchholz/Nordh.

17. Februar 1982

T-OC5 82 DE

D 77,238-FB RBB

TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION

2000 WESTCHESTER AVENUE WHITE PLAINS, N. Y. 10650

U. S. A.

Verfahren und Vorrichtung zur \ufbereitung der Abgase von Brennkraftm ischinen

Müller, Schupf ncr & Gauger Texaco Development Corp.

Patentanwälte T T-OO¹J 82 DE

D 77,238-FB RBB

Verfahrer und Vorrichtung zur Aufbereitung der Abcase von Brennkraftmaschinen

Es ist bei jeder Brennkraftmaschine erwünscht, die Abgase so aufzubereiten, daß sie beim Austritt in die Atmosphäre unschädlich sind. Bei einigen Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, ist eines der häufigsten Betriebsprobleme das Vorhandensein von Feststoffteilchen, die im Abgasstrom mitgeführt werden.

Die Feststoffteilchen sind in der Hauptsache Kohlenstoff teilchen. Sie resultieren aus der unvollständigen Verbrennung des Kohlenwasserstoff-Kraftstoffs unter bestimmten Betriebsbedingungen des Motors. Die Leistungsfähigkeit des Motors ist allerdings auch ein Faktor, der zu der erzeugten Kohlenstoffmenge beiträgt.

Die Anwesenheit relativ großer Mengen von Kohlenstoffteilchen in einem Abgasstrom macht sich durch einen dunklen rußenden unerwünschten Abgasaustritt bemerkbar. Dieser Ruß oder Rauch ist nicht nur ästhetisch störend; in großen Mengen kann er gesundheitsschädlich sein.

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Es wurden bereits Mittel vorgeschlagen, um den Feststoffanteil in Abgasströmen zu beseitigen oder zu minimieren. Es wurde jedoch gefunden, daß zwar die Feststoffteilchen durch ein geeignetes Filter zweckmäßiger Bauart beseitigt werden körnen, daß das Filter jedoch schließlich aufgrund von zu großen Teilchenansammlungen gesättigt und/oder funktionsunfähig werden kann.

Ferner ist es bekannt, daß der Motorabgas-Aufbereitungsprozeß insgesamt beschleunigt werden kann. Dies wird nicht nur dadurch erreicht, daß der heiße Gasstrom durch ein Filter geschickt wird, sondern daß in dem Filter ein Katalysator vorgesehen wird, der d;e Verbrennung zurückgehaltener Teilchen unterstützt.

Es ist zu beachten, daß die Erzeugung von Kohlenstoffteilchen bei sämtlichen Betriebsbedingungen von Dieselmotoren stattfindet. Ferner ist zu beachten, daß Menge und Qualität eines in einer Brennkraftmaschine erzeugten Abgasstroms sich nach Maßgabe der Betriebskenngrößen des Motors ändern.

Z. B. kann der Temperaturbereich ?ines Dieselmotor-Abgasstroms zwischen etwas oberhalb der Umgebungstemperatur und Temperaturen von mehr als 650 ⁰C schwanken.

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Wenn das Abgas heiß genug ist, werden in einein Filter zurückgehaltene Kohlenstoffteilchen verbrannt. Motorbetriebsbedingungen, bei denen diese Regenerierung erfolgen kann, können jedoch in Diesel-Personenwagen, Omnibussen u. dgl. nicht immer erreicht werden.

Wenn ein Motor ständig unter solchen Bedingungen arbeitet, daß Feststoffteilchen ständig erzeugt und. im Filter zurückgehalten werden, muß das Filterbett in regelmäßigen Abständen regeneriert werden.

Wenn das Abgas ausreichend heiß ist, besteht die Regenerierung einfach darin, daß der heiße Abgasstrom, der genügend Sauerstoff enthält, in das Filterbett geleitet wird, um die zurückgehaltenen Kohlenstoffteilchen zu kontaktieren und zu verbrennen. Die Verbrennung einer großen im Filter befindlichen Kohlenstoffansammlung kann jedoch Temperaturen über derjenigen des Abgases erzeugen. Infolgedessen besteht bei derart hohen Temperaturen die Gefahr, daß das Filterbett einem Temperaturwechsel, einer Beschädigung oder Verformung unterworfen wird.

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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, womit brennbare Teilchen aus einem Abgasstrom in einem Filter abgeschieden und das Filter durch Verbrennung der zurückgehaltenen Teilchen periodisch regeneriert wird; damit ist eine kontrollierte Abscheidungsrate von Kohlenstoff aus einem Abgasstrom unter minimaler Beeinträchtigung des Filters erzielbar.

Durch die Erfindung wird ein Reaktionsraum mit einem Filterbett geschaffen, das einen Katalysatorteil aufweist, durch den der Abgasstrom qeschickt wird. Diese katalytische Oberfläche kann entweder im Filterbett oder vor dessen Eintrittsende vorgesehen sein.

um sicherzustellen, daß das Hauptfilterbett ungeachtet der Motorbetriebsbedingungen funktionsfähig bleibt, wird ein Teil des Abgasstroms periodisch von einem Heizelement, z. B. einem elektrisch bet'iebenen Heizelement, vorgewärmt. Dieser Teilstrom wird in Kontakt mit dem Katalysatorteil geführt, wodurch die Temperatur des Katalysators über diejenige erhöht wird, bei der der Katalysator die Verbrennung der Teilchen einleiten kann.

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Zusatzkr..f tstof f wird vorgewärmt, indem er mit einer heißen Filterfläche in Kontakt gebracht wird. Der erwärmte Kraftstoff wird dann in den erwärmten Abgasteilstrom eingespritzt zur Bildung eines Kraftstoff-/Abgas-Gemischs. Wenn dieses Gemisch den Katalysator kontaktiert, entzündet es sich. Wenn der Oxidationsvorgang im Katalysatorteil selbsthaltend wird, kann die anfängliche elektrische Erwärmung des Abgasstroms unterbrochen werden. Bei einigen Ausführungsformen braucht der Zusatzkraftstoff nicht vorgewärmt zu werden, ein Vorwärmen wird jedoch bevorzugt angewandt.

Somit wird das Hauptfilterbett regelmäßig durch heißes Abgas aus dem Katalysatorteil gereinigt oder regeneriert. Wenn diese Behandlung in vorbestimmten Zeitabständen wiederholt wird, unterbindet sie die Ansammlung von Kohlenstoffteilchen, die sonst zu thermischen Spannungen oder einer Beschädigung des Filterbetts führen könnten, wenn die Teilchenansammlungen verbrannt werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Dieselmotors mit einer Abgasaufbereitungsvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht der Aufbereitungsvorrichtung;

Fig. 3 eine detaillierte Schnittansicht der Vorrichtung;

Fig. 4 eine Grafik, die die Arbeitsweise der

Vorrichtung verdeutlicht; Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht eines

zweiten Ausführungsbeispiels; und

Fig. 6 eine detaillierte Schnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels. (

Zur Vereinfachung der Erläuterung s:>ll die Brennkraftmaschine 10 bzw. eine andere Abgaserzeugungseinrichtung als Dieselmaschine angesehen werden. Dabei wird Luft sequentiell von einem Luftfilter 11 durch einen Ansaugkrümmer 12 zu den verschiedenen Brennräumen geleitet.

Dann wird Dieselkraftstoff in kontrollierten Mengen von einer Kraftstoffpumpe 13 in jeden Brennraum eingespritzt.

Der Kraftstoffdurchsatz wird durch ein Regelgestänge 14 bestimmt.

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Der heiße Abgasstrom wird aus dem Abgaskrümmer 16 durch ein Abgasrohr 18 zu einem Rauchfilter 17 geleitet. Es kann zwai in das Abgasrohr ein Absorptionsschalldämpfer eingebaut werden, ein solches Element ist jedoch von sekundärer Bedeutung und für das hier angegebene Verfahren bzw. die Vorrichtung nicht wesentlich.

Nach dem Verlassen des Abgaskrümmers 16 hat der Abgasstrom üblicherweise eine Temperatur im Bereich von ca. 95-650 °C. Die genaue Temperatur hängt von den Betriebsbecingungen des Motors ab.

Bei Niedrigdrehzahlen und im Leerlauf ist das Abgas z. B. relativ kühl oder nur mäßig warm. Infolgedessen werden, wenn der teilchenbeladene Abgasstrom in das Filter 17 eintritt, die Teilchen entlang den vielen verschiedenen Durchgängen innerhalb des Filterbetts 19 zurückgehalten.

Das Abgas besteht zwar hauptsächlich aus einer Kombination von Gasen, normalerweise hat es aber einen ausreichend hohen Sauerstoffgehalt, um wenigstens einen begrenzten Verbrennungsgrad innerhalb des Abgasstroms selbst zu unterhalten.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 umfaßt das Filter 17 ein längliches Metallgehäuse 21 mit entgegen-

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gesetzten Endwänden 22 und 23, die einen inneren Reaktionsraum 24 begrenzen. Dieser wire¹ zu einem großen Teil von mindestens einem Filterbett 19 eingenommen, das aus einem Werkstoff besteht, der sich hesonders zur Bildung einer Vielzahl unregelmäßiger Ströirungsdurchgänge durch das Filterbett eignet.

Das Filterbett 19 hat die Funktion, eine Serie von Durchgängen zu definieren, die von dem Abgas durchströmt werden. Während dieses Durchströmens werden im Abgasstrom mitgeführte Feststoffteilchen an den diversen Durchgangswandungen zurückgehalten.

Das Filterbett 19 kann bevorzugt au 5 einer metallischen gitterartigen Masse, z. B. Stahlwolle, Metallfäserchen od. dgl. bestehen, wobei die Masse so geformt ist, daß sie den Reaktionsraum 24 im wesentlichen ausfüllt.

Bevorzugt ist das Filterbett 19 an seinem Eintrittsende und seinem Austrittsende von geloch :en Platten 26 und 27, Sieben oder anderen gleichartigen, steifen und gasdurchlässigen Querorganen abgestitzt. Letztere sind an der Wandung des Gehäuses 21 festgelegt und stützen das Filterbett 19 bzw. die Mehrzahl Filterbetten ab, wenn diese durch die Wärmeeinwirkung geschwächt werden.

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Die eintrittsseitige Wandung 22 des Filters weist eine Einströmöffnung 28 zum Vorwärmen und anschließenden Einleiten von Abgas zur Eintrittsseite des Filterbetts 19 auf. Gleichermaßen ist die Wandung 23 mit einer Austrittsleitung 29 verbunden, so daß aus dem Bett 19 austretende teilchenfreie Gase abgeleitet werden.

Für eine optimale Filterung der Gase kann das Filterbett 19, wie erwähnt, aus einem geeigneten gasdurchlässigen Medium oder einer Matrix bzw. Grundmasse bestehen, die die Feststoffteilchen aus dem Abgasstrom zurückhalten kann. Zur Vereinfachung der Verbrennung der zurückgehaltenen Teilchen wird durch in das Filter eintretendes erwärmtes Abgas zuerst ein den Katalysator enthaltendes konisches Segment 32 des Filters durch Kontakt erwärmt. Wenn das Katalysatorsegment 32 auf die Anspring-Temperatur erwärmt ist, kann dem erwärmten Abgas Zusatzkraftstoff zugefügt werden, so daß ein brennbares Kraftstoff-/ Gas-Gemisch gebildet wird.

Einem Teil des Katalysatorbetts bzw. -segments 32, das nunmehr eine Temperatur von ca. 230-300 ⁰C hat, wird das Kraftstoff-/Gas-Gemisch zugeführt. Dadurch wird der Kraftstoffanteil - der entweder flüssig oder gasförmig ist - zusammen mit dem die Verbrennung unterhaltenden Sauerstoff im Abgasstrom bei Kontakt mit der heißen Katalysatoroberfläche gezündet.

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Wenn das Gemisch zu verbrennen beginnt, benötigt das Katalysatorbett 32 keine weitere Vorwärmenergie. Bei fortgesetzter Verbrennung des Kräftstoff-/Gas-Gemischs im Filterbett 129 erhöht sich dessen Temperatur allmählieh auf ca. 550-700 ⁰C.

Wenn der erwärmte Abgasstrom aus dem Katalysatorsegment 32 in das Hauptfilterbett 32 eintritt, hat das Gas eine erhöhte Temperatur, die derjeniger des Katalysatorbetts angenähert ist. In einer solchen Hochtemperaturumgebung werden auf dem Hauptfilter zurückgehaltene Peststoffteilchen verbrannt, und das Filterbett 19 bleibt relativ frei von Feststoffteilchen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, daß das Vorder- oder Eintrittsende des Filterbetts 19 unmittelbar an das Katalysatorbett 32 angrenzt. Letzteres umfaßt eine Matrix bzw. ein Filtermittel mit einer dünnen Schicht eines oxidierenden Katalysatormaterials, das auf die Oberfläche aufgebracht ist.

Das Katalysatorbett 32 kann von dem Filterbett 19 beabstandet und vor diesem angeordnet sein (nicht gezeigt), allerdings nicht in einem solchen Abstand, daß das Abgas vor Erreichen des Filterbetts 19 abkühlt.

Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel ist das Katalysatorbett 32 im vorderen oder Eintrittsteil des Gehäuses 21 angeordnet. Es erstreckt sich quer durch dieses, so daß es in wesentlichen von dem ganzen heißen Abgasstrom kontaktiert wird.

Um die Vorwärmung wenigstens eines Teils des Abgasstroms zu erreichen, weist der Filtereinlaß 28 ein elektrisch betätigtes Heizelement 36 auf. Ferner ist im Abgasvorwärmabschnitt ein zusätzliches Kraftstoffeinspritzsystem angeordnet. Dieses umfaßt einen Kraftstoffleitungsabschnitt zur Führung von zusätzlichem Kraftstoff, bevor dieser ir den erwärmten Abgasstrom eingespri-tzt wird.

Nach Fig. 3 besteht die Eintrittsbohrung 28 des Filters 17 aus einer im wesentlichen länglichen rohrförmigen Leitung, die an die Endwand 22 angeschlossen ist und eine Fortsetzung derselben darstellt. Eine zweite oder Innenleitung 37 ist innerhalb der Leitung 28 angeordnet und bildet einen ringförmigen Durchgang 38 zwischen beiden Leitungen, durch den ein großer Teil des Abgasstroms strömt.

Beide Elemente 28 und 37 sind zwar als rohrförmig erläutert, ihre genaue Form oder ihr Querschnitt sind jedoch von relativ geringer Bedeutung, da nur erforder-

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lieh ist, daß die entsprechenden Durchgänge den aufgeteilten Abgasstrom zu dem Katalysatorbett 32 führen.

Die zweite Leitung 37 ist am Vorderende von einem Quereinsatz 39 gehalten, der mit seinem Außenrand an der Innenwandung der Leitung 28 festgelegt ist. Das Auslaßende der Leitung 37 ist von einem im wesentlichen konischen Gasleitorgan 41 gehalten, das mit seinem Außenrand mit der Innenwand des Gehäuses 21 verbunden ist.

Das Gasleitorgan 41 bildet mit der benachbarten Filterendwand 22 einen allmählich enger werdenden Durchgang 42. Eine Serie von in Längs- und Umfangsrichtung beabstandeten Öffnungen 43 ermöglicht die fortgesetzte Einleitung von den ringförmigen Durchgang 38 durchströmendem nichtaufbereitetem Abgas zi dem Katalysatorsegment 32.

Das auslaßseitige Ende der Innen ..eitung 37 steht mit einem Gasdiffusor 44 in Strömungs"erbindung. Letzterer umfaßt eine zentrale Kammer 46, dis von einer Außenwand begrenzt ist, in der eine Reihe von Äustrittsöffnungen 47 gebildet sind. Die Kammer 46 ist so angeordnet, daß

sie den erwärmten Strom des Kraftstoff-/Gas-Gemischs aufnimmt und das Gemisch radial durch die Öffnungen 47 in das Katalysatorbett 32 abgibt. Dort entzündet sich das Gemisch bei Kontakt mit der Katalysatoroberfläche sofort, wenn die Katalysatoroberfläche die Anspringtemperatur oder eine noch höhere Temperatur aufweist.

Das Heizelement 36 ist in dem Einlaß 28 angeordnet, hat im wesentlichen Kreisquerschnitt und ist so positioniert, daß es mit wenigstens einem kleinen Teil des aus der Leitung 18 austretenden Abgasstroms in Kontakt gelangt. Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel besteht das Heizelement 36 aus einem länglichen Streifen, der so geformt ist, daß ein im wesentlichen zylindrischer Durchgang 48 durch ihn gebildet ist.

Alternativ kann das Heizelement 36 spiralförmig und von einem Teil des Abgases durchströmt sein, so daß das Abgas infolge des Kontakts mit den leitenden Heizelementwandungen erwärmt wird.

Im vorliegenden Fall verläuft das Heizelement 36 in Längsrichtung der Einlaßleitung 28 und bevorzugt gleichachsig damit. In jedem Fall wird der Abgasstrom, der in das Einlaßende der Leitung 28 einströmt, zweigeteilt. Der Hauptteil des Abgases strömt in den ringförmigen

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Durchgang 38. Ein kleinerer Teil tritt in den vom Heizelement gebildeten Innendurchgang 48 ein.

Nach Fig. 3 liegt das Heizelement 36 an der Innenwandung der zweiten rohrförmigen Leitung 37 an. Diese bewirkt hierdurch eine Ablenkung von Sttrahlungsenergie nach innen, wodurch der zum Diffusor 44 strömende Gasstrom in wirksamerer Weise erwärmt wird. Bei einer Ausführungsform können aneinandergrenzende Wicklungen des Heizelements 36 so eng gewickelt werden, daß sie einen im wesentlichen geschlossenen mittigen Durchgang 48 bilden, wodurch der Gasstrom eingeschlossen wird.

Im Betrieb strömt der Hauptabgas strom, der ca. 90-99 Vol.-% umfaßt und in den ringförmigen Durchgang 38 aus der Leitung 18 eintritt, in den verengten Durchgang 42 und von dort durch die Öffnungen 43 des Lenkorgans 41. Dann tritt das Gas in das Katalysatorbett 32 ein.

Dort wird dieser nichterwärmte Gasanteil mit dem kleineren, erwärmten Gasstrom wiedervereinigt, wodurch die Temperatur des letzteren stabilisiert oder gesenkt wird. Der kleinere Gasstrom kann ca. 1-1C Vol.-% des Gesamtabgasstroms umfassen.

Das Heizelement 36 ist als einziges, spiralförmig gewickeltes elektrisches Element gezeigt; es kann natürlich auch irgendeine andere von mehreren möglichen Formen ocier Konfigurationen haben. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des Heizelements bildet dieses einen Durchgang 48 mit im wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt; eine solche Konfiguration ist nicht unbedingt erforderlich, ist jedoch sehr wirksam.

Z. B. kar.n, wie erwähnt, das Heizelement 36 eine solche Form aufweisen, daß es einen Durchgang mit allmählich abnehmendem Querschnitt bildet. Es kann sich ferner in Längsrichtung der zweiten Leitung.37 erstrecken und erwärmte Wandungen definieren, die von dem Abgas angeströmt werden. In jedem Fall ist das Heizelement mit dem Diffusor 44 zusammenwirkend so angeordnet, daß es diesem einen Heißgasstrom zur weiteren Verteilung zuführt.

Das Heizelement 36 ist mittels eines geeigneten Verbinders ein- und ausschaltbar. Der Verbinder ist durch die Wandung der Leitung 28 an ein Zeitsteuerglied 56 und von dort an eine Stromversorgung 34 angeschlossen.

Das Austrittsende des Durchgangs 48 weist eine Kraftstoffeinspritzeinheit auf, die eine dosierte Menge flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffs in den Abgasstrom

einspritzt. Wenigstens eine Einspritzdüse 51 ist dem Diffusoreinlaß benachbart angeordnet und weist eine Öffnung 52 auf, die in dem mittigen Durchgang 48 endet. Die Kraftstoffeinspritzdüse 51 durchsetzt die Wandung der Einlaßleitung 28 und ist mit dieser an einem Verbindungsstück 53 verbunden. Letzteres ist mit einem Vorrat 57 des Zusatzkraftstoffs verbunden.

Der zum Erwärmen des Abgases eingesetzte Kraftstoff kann eine geeignete Flüssigkeit wie Dieselöl, Kerosin oder im Fall eines gasförmigen Kraftstoffs Propangas sein. Im übrigen kann praktisch jedes Fluid, das das erwünschte Kraftstoff-/Abgas-Gemisch bilden kann, das kontrolliert verbrennbar ist, im vorliegenden Feill eingesetzt werden.

Der Zusatzkraftstoff-Kreislauf außerhalb des Filters umfaßt eine Pumpe 54 oder ein ähnliches Organ, das den erforderlichen kontrollierten Kraftstoffstrom den Einspritzdüsen 51 zumessen kann. Das Zeitsteuer- oder Dosierglied 56 hat die Funktion, die Pumpe periodisch einzuschalten. Damit kann der FiIterreinigungszklus so programmiert werden, daß die Eins jritzung einer vorbe-' stimmten Zusatzkraftstoffmenge in c:as Abgas in erwünschten Zeitabständen möglich ist.

Im Betrieb beginnt der Filterreinigungszyklus aufgrund des Zeitsteuerglieds, das das Heizelement 36 einschaltet. Der aus der Leitung 18 austretende Abgasstrom ist unterteilt. Ein Teil desselben tritt in den vom Heizelement gebildeten Durchgang 48 ein, und seine Temperatur wird erhöht.

Dieser Abgaserwärmungsschritt wird so lange fortgesetzt, wie dies notwendig ist, um die Abgastemperatur am Austrittsende des Heizelements 36 auf einen vorbestimmten Pegel zu bringen, bevor das Gasgemisch in das Katalysatorbett 32 eingeleitet wird.

Da das den Diffusor 44 umgebende Katalysatorbett auf eine Anspringtemperatur von ca. 290 ⁰C erwärmt werden muß, wird die anfängliche Erwärmung des Abgasstroms durch das Heizelement 36 fortgesetzt, bis ein solcher Zustand im Katalysatorbett 32 erreicht ist.

Die Unterhaltung der Abgaserwärmungsperiode kann gemäß einem programmierten taktgesteuerten Zyklus erfolgen. Alternativ kann sie aufgrund eines Temperaturanstiegs im Katalysatorbett 32 erfolgen, der von einem geeigneten Fühler oder Thermoelement erfaßt wird, das in dem Bett 32 angeordnet und mit dem Zeitsteuerglied 56 verbunden ist.

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Wenn die Temperatur des Katalysetorbetts 32 auf den Sollwert erhöht ist, löst das Zeitsteuerglied 56 einen Kraftstoffstrom durch die Pumpe 54 in die Einspritzdüse^) 51 aus. Dann wird dem erwärmten Abgasstrom ein ausreichender Kraftstoff strom zuc.eführt, so daß beim Eintritt in den Diffusorabschnitt 46 ein brennbares Kraftstoff-/Abgasgemisch gebildet wird.

Aus dem Diffusorabschnitt 46 wird das erwärmte Kraftstoff-/Abgas-Gemisch durch die Austrittsöffnungen 47 in das Katalysatorbett 32 geleitet, wo es sich sofort entzündet. Die resultierende Verbrennung erhöht die Temperatur des Filterbetts 19 allmählich auf einen Pegel, bei dem die zurückgehaltenen Teilchen verbrannt werden.

Die Grafik von Fig. 4 zeigt eine Zusammenstellung von Daten, die während eines Testlaufs erhalten wurden, zur Verdeutlichung der Erfindung. Während des Tests wurde ein heißer Abgasstrom (215 ⁰C) zum Filtereinlaß 28 geleitet (Fig. 3). Die Temperatur wurde an den Punkten a und b (Fig. 4) von Thermoelementen erfaßt, die sowohl im Filtereinlaß 28 als auch im Filterbett angeordnet waren.

Dem kleineren Abgasanteil wurde Zusatzkraftstoff in Form von Propangas zugeführt zur Bildung eines brennbaren Gemische. Der Kraftstoff wurde in den erwärmten Gasstrom mit einem Durchsatz von 7,5 l/min, beginnend zum Zeitpunkt B, eingespritzt. Der kleinere erwärmte Abgasstrom wurde dann zusammen mit dem Hauptabgasstrom in das Katalysatorbett des Filters geleitet.

Nach Fig. 4 zeigt das bei a befestigte Thermoelement einen stetigen Temperaturanstieg, beginnend am Punkt A, nachdem das elektrische Heizelement eingeschaltet war und während der folgenden Periode von 1,5 min bis zum Punkt B.

Während dieser Periode wurde das elektrische Heizelement 36 durch das Zeitsteuerglied 56 eingeschaltet. Die Temperatur der kleineren Abgasmenge stieg von 215 C auf ca. 270 ⁰C.

Am Punkt B wurde die Stromzufuhr zum Heizelement 36 abgeschaltet, und es wurde mit der Einleitung von Propangas durch die Einspritzdüse 51 begonnen. Bei Kontakt des erwärmten Kraftstoff-/Abgas-Gemischs mit dem erwärmten Katalysatorbett 32, das auf Anspringtemperatur erwärmt war, entzündete sich das Gemisch sofort.

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Wie aus der Grafik von Fig. 4 'lervorgeht, fiel die Temperatur am Punkt a entsprechend der Kurve a¹ steil ab, wenn das Propangas in den Gasstrom eingespritzt wurde. Dieser plötzliche Temperaturabfall resultierte jedoch nur aufgrund der Abkühlung des Thermoelements infolge von dessen Nähe zu der Düse?nöffnung 52 und nicht aufgrund einer Abkühlung des gesamten Kraftstoff-/Abgas-Gemischs.

Bei abgeschaltetem Heizelement 36 und nur unter Verbrennung des Kraftstoff-/Abgas-Gemischs stieg die Temperatur im Hauptfilterbett steil an. Dieser Anstieg resultierte aus der Verbrennung von im Filterbett zurückgehaltenen Teilchen und fand so lange statt, ois eine Höchsttemperatur von ca. 650 ⁰C erreicht wurde.

Um eine Überhitzung und eine eventuelle Beschädigung des Filterbetts zu vermeiden, wurde d ;r Propangasstrom in den erwärmten Gasstrom geregelt. Schließlich wurde der Kraftstoffstrom unterbrochen (C), und zu diesem Zeitpunkt fiel die Temperatur des Filterbetts steil ab.

Anschließend wurde die Temperatur des Betts etwa auf der Temperatur des Abgasstroms gehalten. Im Betrieb wird das zyklische Vorwärmen eines Teils des Abgasstroms bevorzugt mit konstanter Periode wiederholt. Selbst wenn also

in dem Filter keine erhebliche Menge an Kohlenstoffteilchen zurückgehalten ist, wird das Filter doch periodisch regeneriert.

Bevorzug: wird der Energieverbrauch des Heizelements 36 für die Vorwärmung eines Teils des Abgasstroms minimiert. )er Zusatzkraftstoffbehälter 57 ist jedoch Üblicherveise der Umgebung ausgesetzt, und infolgedessen liegt die Temperatur des darin enthaltenen Kraftstoffs innerhalb eines weiten Bereichs.

Während der kalten Jahreszeit kann der Zusatzkraftstoff relativ riedrige Temperaturen erreichen. Wenn er dann in den erwärmten Abgasstrom eingespritzt wird, besteht die Gefahr einer zu starken Abkühlung des letzteren, wodurch entweder die Vorwärmdauer verlängert oder das Katalysatorbett 32 abgekühlt wird.

Um den Grad einer solchen Abkühlung zu minimieren, kann der Zusatzkraftstoffvorrat zuerst in Wärmeübertragungskontakt irit dem Filter 17 selbst gebracht werden. Dies wird nachstehend unter Bezugnahme auf das zweite Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 und 6 erläutert, wobei gleiche Teile dieselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1-3 haben. Bevorzugt wird normalerweise von dem Filterkörper abgestrahlte Wärmeenergie dazu genutzt, die

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Temperatur des Zusatzkraftstoffs auf einen geeigneten Pegel zu erhöhen. Ferner kann der Kraftstoff in die Nähe des Heizelements 36 gebracht und durch Kontakt mit diesem indirekt erwärmt werden.
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Nach Fig. 5 wird der Zusatzkraftstoff aus dem Behälter 57 nach dem Verlassen der Pumpe 54 durch eine Leitung 61 zu einer Wärmeübertragungsrohrreihe oder -schlange 62 geleitet. Die Schlange 62 ist bevorzugt in direktem Kontakt mit der anderen Wandung des Gehäuses 21 angeordnet, so daß sie die davon abgeleitete und abgestrahlte Wärme voll nutzen kann.

Die Wärmeübertragungsschlange 62 kann aus einem oder mehreren Rohrabschnitten bestehen, die in Längsrichtung längs dem Gehäuse 21 verlaufen. Alternativ kann die Wärmeübertragungseinheit eine einzige Schlange aufweisen, die in der gezeigten Weise um die Gehäusewandung in Kontakt mit dieser gewickelt ist. In jedem Fall wird zur Geringhaltung von Wärmeverlusten an die Atmosphäre entweder das gesamte Filter 21 oder nur der Bereich außerhalb der Wärmeübertragungsschlange 62 ummantelt oder anderweitig mit einer Isolierschicht 64 versehen.

Nachdem der ursprünglich vorgewärmte Kraftstoff in das Filterinnere geleitet ist, oder auch bevor er in der

Schlange 62 vorgewärmt wird, wird der Kraftstoff (vgl. Fig. 6) durch eine zweite Warmeubertragungsrohrreihe oder -schlange 63 geleitet. Letztere ist in direktem Kontakt mit dem Heizelement 36 angeordnet.
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Die zweite Warmeubertragungsrohrreihe 63 kann aus einer Schlange bestehen, die gleichlaufend mit den Windungen des Heizelements 36 und in Leitungskontakt mit letzterem gewickelt ist. Alternativ kann die zweite Wärmeübertragungsrohrreihe 63 in Längsrichtung längs dem Durchgang 48 geführt werden und befindet sich in Punktkontakt mit den entsprechenden Windungen des Heizelements.

In jedem Fall wird der erwärmte Zusatzkraftstoff nach dem Durchlaufen der Warmeubertragungsrohrreihe 63 zu dem Düsenauslaß 52 geleitet. Der erwärmte Kraftstoffstrom tritt dann in das vorbeiströmende Abgas ein, so daß ein erwärmtes Kraftstoff-/Abgas-Gemisch gebildet wird.

Dieses Vorwärmen des Zusatzkraftstoffs vor dessen Eintritt in den Abgasstrom dient dem Zweck, die Temperatur des Abgases beim Verlassen des Heizdurchgangs 48 zu unterhalten. Wenn dann das Kraftstoff-/Abgas-Gemisch in den Diffusor 44 eintritt, entspricht seine Temperatur der erwünschten Anspringtemperatur des Katalysatorbetts

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32, so daß das Gemisch wie bei den ersten Ausführungsbeispiel ohne weiteres nach radial außen in den Katalysatorteil 32 geleitet werden kann, in dem es sich entzündet.

Claims

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Patentanwälte ' T-005 82 DE

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Patentansprüche

( 1.J Verfahren zur Aufbereitung der Abgase von Brennkraftmaschinen, wobei

der Abgasstrom durch ein Filterbett geschickt wird zur Abscheidung brennbarer Teilchen aus dem Abgasstrom und das Filterbett einen Katalysatorteil zur Unterstützung der Verbrennung aufweist;
gekennzeichnet durch periodisches Verbrennen der im Filterbett zurückgehaltenen Teilchen, indem

mindestens ein Teil des Abgasstroms vor dem Filterbett auf eine Temperatur oberhalb derjenigen, bei der der Katalysator die Verbrennung der Teilchen einleiten kann, erwärmt wird;
Kraftstoff in den Abgasstrom eingeleitet wird zur Bildung eines erwärmten Kraftstoff-/Abgas-Gemischs; und

das erwärmte Kraftstoff-/Abgas-Gemisch durch den Katalysatorteil geschickt wird, so daß sich das Gemisch entzündet und eine Verbrennung der zurückgehaltenen Teilchen im Filterbett erfolgt.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom vor dem Filterbett in einen Neben- und einen Hauptstrom aufgeteilt wird, und daß in dem Erwarmungsschritt der Nebenstrom erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenstrom zwischen 1 und 10 Vol.-% des Abgas-Stroms umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorteil am eintrittsseitigen Ende des Filterbetts vorgesehen ist und daß der Haupt-Abgasstrom parallel mit dem einströmenden erwärmten Kraftstoff-/Abgas-Gemisch in den Katalysatorteil geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in den erwärmten Abgasstrom nach Erwärmen desselben eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff vor Einleitung in den Abgasstrom durch Wärmeübertragungskontakt vorgewärmt wird.
7. Vorrichtung zum Aufbereiten der Abgase von Brennkraftmaschinen

mit einem Gehäuse, das zwischen einem Abgasstromeinlaß und einer Auslaßöffnung einen Raum definiert, und mit einem Filterbett in dem Raum zur Abscheidung von brennbaren Teilchen aus dem Abgasstrom, wobei das Filterbett einen Katalysatorteil zur Verbrennungsunterstützung aufweist;
gekennzeichnet durch ein im Einlaß (28) angeordnetes Heizelement (36), das periodisch einschaltbar ist und mindestens einen Teil des Abgasstroms auf eine Temperatur erwärmt, die über derjenigen liegt, bei der der Katalysator die Verbrennung der Teilchen einleiten kann;

eine Einheit (51, 52) zum Einleiten von Kraftstoff in den Einlaß (28) zur Bildung eines erwärmten Kraftstoff-Abgas-Geirischs; und

eine Einheit (46), die das erwärmte Kraftstoff-/Abgas-Gemisch durch den Katalysatorteil leitet zwecks Entzündens des Gemischs, wodurch die Verbrennung der zurückgehaltenen Teilchen im Filterbett bewirkt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Finheit zum Einleiten von Kraftstoff eine Kraftstoffzuführleitung (62, 63) aufweist, die in

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Wärmeübertragungskontakt mit der Vorrichtung angeordnet ist, so daß der Kraftstoff vor dem Einleiten in den Einlaß (28) vorwärmbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß sich die Kraftstoffzuführleitung (62) in wärmeübertragungskontakt mit einer Außenfläche des Gehäuses (21) befindet.
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10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,

daß sich die Kraftstoffzuführleitung (63) in Wärmeübertragungskontakt mit dem Heizelement (36) befindet. 15
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kraftstoffzuführleitung (61 ) innerhalb des Einlasses (28) verläuft und eine Aistrittsöffnung (52) aufweist, die sich nach dem Heizelement (36) öffnet.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet,

daß der Einlaß (28) einen inneren Strömungsdurchgang (48) und einen ringförmigen äußeren Strömungsdurchgang (38) definiert, wobei das Heizelement (36) im inneren Strömungsdurchgang (48) angeordnet ist.
13. Vorr.chtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Katalysatorteil (32) am Eintrittsende des Filterbetts angeordnet ist und

daß der äußere Strömungsdurchgang (38) so bemessen ist, daß ein Hauptteil des Abgasstroms parallel mit dem Einströmen des erwärmten Kraftstoff-/Abgas-Gemischs aus dem inneren Strömungsdurchgang (48) in den Katalysatorteil (32) geleitet wird.
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14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
gekennzeichnet durch

einen Gasdiffusor (44), der am Austrittsende des inneren Strömungsdurchgangs (48) und in dem Katalysatorteil (32) des Filterbetts angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-14, dadurch gekennzeichnet,

daß das Heizelement (36) ein längliches elektrisches Element ist, das einen Gasströmungsdurchgang (49) in dem Einlaß (28) definiert.