DE8621939U1

DE8621939U1 - Dieselrußfilter

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Publication number: DE8621939U1
Application number: DE19868621939
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-16
Filing date: 1986-08-16
Publication date: 1987-08-06

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Dieselrußfilter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches

Das erfindungsgemäße Dieselrußfilter entfernt aus den Bit Ruß beladenen Abgasen einer Dieselmotoranlage Rußpartikel. Damit wird eine Gefahrenquelle für die Umgebung einer solchen Anlage bzw. die in ihrer Nähe befindlichen Personen entschärft bzw. beseitigt. Dieselrußpartikel haben nämlich einerseits aufgrund ihrer stofflichen Zusammensetzung eine große Oberfläche, an der sich zahlreiche chemische Substanzen, darunter auch die als Karzinogen bekannten chemischen Verbindungen anlagern, welche bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffes in der Brennkraftmaschine freigesetzt werden. Andererseits sind die Rußpartikel klein und daher lungengängig. Darauf beruht ihre erhebliche Gesundheitsschädlichkeit. Abgesehen hiervon ist die Verschmutzung und die Kontaminierung der umgebenden Atmosphäre durch die Rußpartikel von Dieselinotorahlagerii nicht tolerierbar.

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Die Erfindung ist anwendbar auf Kraftfahrzeuge und Verkehrsmittel, die mit Dieselmotoren Ausgerüstet sind, läßt sich aber auch auf stationäre Dieselmotoren anwenden. Das Zylindergehäuse wird im allgemeinen in das Äuspuf fsassssirchr sinsr solchen Dieselmotoränlage eingebaut. Das erfolgt so, daß alle Abgase durch den Abgaseinführungsstutzen des Gehäuses einströmen und die von den Rußpartikeln befreiten Abgase durch den Abgasabfuhrungsstutzen das Gehäuse verlassen. Das keramische Gitter besteht Vorzugsweise aus einem Monoblock von poröser Struktur, z.B. aus Magnesium-Aluminium-Silikat und an ihren Enden verschlossenen Kanälen, welche die einströmenden Abgase durch die Foren des Honoblocks zwingen, in denen die Rußpartikel hängenbleiben. Solche keramischen Filter verstopfen nicht, weil sich der Ruß durch Abbrennen beseitigen läßt, sobald sich im Filter eine ausreichend hohe Temperatur eingestellt hat. In dem erfindungsgemäßen Dieselrußfilter lassen sich die für die Verbrennung der Rußpartikel erforderlichen, relativ hohen Temperaturen auf unterschiedliche Weise sicherstellen: Neben motorinternen Maßnahmen mit dem Ziel einer Erhöhung der Abgastemperatur und-Maßnahmen im keramischen Gitter mit dem Ziel der Absenkung der Verbrennungstemperaturen kommen bei dem erfindungsgemäßen Dieselrußfilter auch besondere Wärmequellen zur Erhöhung der Abgastemperatur in Betracht.

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Die Anwendung von Dieselrüßfiltern insbesondere auf dem Gebiet der Nutzfahrzeugmotoren hängt wesentlich davon ab, wie die geforderte Abscheidung der Rußpartikel die Filter ohne nennenswerte Leistungseinbußen und ohne ^7»&Iacgr;«·&Tgr;»*·&kgr;·»&igr;*«&Iacgr;'*&bgr;**&Agr;«»'«&agr;«1&Oacgr; ÄrtTn4-avtin/t »v» XtvsxG^r&bgr;&Iacgr;·&Lgr;"&Rgr;·&Rgr; Tnt*vrti*~>

stellt werden kann« Die Anforderungen, die der Gesetzgeber an die Reinhaltung der Luft stellt, verschärfen sich. Sie haben für Dieselmotoranlagen Emissionswerte erreicht, welche eine Absenkung der Emissionen nur mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtunc? gestattet. Setzt man hierfür Dieselrußfilter ein und erhöht man deren Abscheidungswirkungsgrad entsprechend, so muß gleichwohl die Erhöhung des Filterwiderstandes in Grenzen gehalten werden, um den Gegendruck der Auspuffanlage nicht zu stark anwachsen zu lassen.

Die Erfindung geht von einem vorbekannten Dieselrußfilter aus. Hierbei münden beide Abgasstutzen axial in das zylindrische, mit konischen Deckeln versehene Blechgehäuse. In diesem ist der walzenförmige Monolit mit axial angeordneten Gitterkanälen koaxial angeordnet. Die Filterwirkung beruht daher allein auf der Porengröße des Keramikfilters. Bei starken Rußanfall wird das Gitter entsprechend hoch beansprucht, wodurch entsprechend häufig abgebrannt werden muß. Da grundsätzlich im

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Dieselmotor relativ niedrige Temperaturen erzeugt werden, erreichen die Abgase nur bei Vollast oder im oberen Teillastbereich die für die selbsttätige Verbrennung der Rußpartikel notwendigen Temperaturen, die regelmäßig bei 500 bis 600 Grad C liegen. Infolgedessen muß der Filterwiderstand zur Erhöhung der Abgastemperatur dienen, vergrößert aber gleichzeitig den Gegendruck der Auspuffanlagen und wirkt daher leistungsmindernd.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Abscheidungswirkungsgrad des als bekannt vorausgesetzten Dieselrußfilters zu verbessern, ohne daß dadurch die Motorleistung nennenswert herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung führt die tangentiale Einströmung der Abgase in den dem Gitter vorgeschalteten, innen rotationssymmetrischen Keramikhöhlkörper durch die Bewegungsenergie der Abgase zu einer Drallströmung, weiche infolge der Massenbeschleunigung die Rüßpartikel nach außen treibt, die auf der inneren Oberfläche des Keramikhohlkörpers abgebremst und abgelagert werden. Das gilt wegen der höheren Masse

vorzugsweise für die gröberen Rußpartikel, die deshalb das keramische Gitter nicht erreichen, so daß in diesem vorzugsweise die feineren Rußpartikel abgeschieden werden. In dem erfindungsgemäßen Dieselrußfilter findet demnach eine Vorklassierung der Rußpartikel statt, die eine erhebliche Erhöhung des Abscheidungswirkungsgrades insbesondere bei den in den Abgasen enthaltenen kleinsten und wegen ihrer Lungengängigkeit auch gefährlichsten Rußpartikel zur Folge hat.

Die auf der Innenwand des hohlzylindrischen/ keramischen Monoblocks zurückgehaltenen Rußpartikel werden bei entsprechender Abgastemperatur verbrannt. Dadurch tritt die Regeneration des Dieselrußfilters auch im Bereich der Vorklassierung ein. Diese entzieht der Strömungsenergie der Abgase nur einen geringen Anteil und verbraucht daher auch nur ein geringes Druckgefälle. Deswegen verursacht das erfindungsgemäße Dieselrußfilter keine nennenswerte Herabsetzung der Motorleistung/ obwohl es andererseits eine wesentliche Verbesserung des Abscheidungswirkungsgrades herbeiführt.

Vorzugsweise und mit den Merkmalen d&s Patentanspruches 2 vergrößert man die Zentripedal« beschleunigung im Keramikhohlkörper in Stromungsrichtung, um dadurch ein größeres

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Komspektrum der gröberen Rußpartikel abdecken zu können. In dieser Ausfuhrungsform der Erfindung werden beginnend von der Einströmseite im Hohlraum des Keramikkörpers bis zu dem diesen verschließenden keramischen Gitter gröbere Fartikel mit zunehmender geringerer Korngröße abgeschieden.

\ Kit- den Merkmalen des Patentanspruches 3 wird in

dem erfindungsgemäßen Dieselrußfilter die sich bei einer offenen Einströmseite bildende, entgegengerichtete Axialströmung unterdrückt und gleichzeitig eine Isolierung nach außen geschaffen, die erhebliche Abgastemperaturen ohne Schaden für die Auspuffanlage zuläßt. Das beruht darauf, daß die anstehenden Abgase mit deja keramischen Deckel zurückgehalten werden.

Die vorgenannte Ausführungsform der Erfindung eignet eich auch besonders für Maßnahmen, welche eine Erhöhung der Abgastemperatur unbeschadet einer etwaigen Modifizierung der Dieselbrennkraftmaschine ermöglichen. Die Zusatzheizung läßt sich dann als Strahlungsheizung ausführen, weil die Wärme ebenfalls durch den keramischen Deckel zurückgehalten wird.

Eine besonders vorteilhafte ausführungsform der Erfindung ist in Anspruch 4 dargestellt. Trotz

der auf die Rußpartikel einwirkenden Zentripedalkrafte, die die schweren Partikel auf der Innenfläche des Keramikhohlkorpers abscheiden, verbleiben immer noch zu viele Rußpartikel in der achselnahen Zone des Innenraumes des Hohlkörpers. Diese nicht abgeschiedenen Teilchen gelangen auf das keramische Gitter und setzen dieses sehr schnell zu. Daher ist bei dieser alternativen Ausführungsform in der Mitte d<£s Gehäuses ein sogenannter Verdrängerkegel eingebaut/ um den herum ein spiralförmiger Kanal vom Abgaseinführungsstutzen bis in den freien Raum unterhalb des keramischen Gitters angeordnet ist. Dieser Kanal sorgt dafür, daß so gut wie alle Rußpartikel am Keramikhohlkörper abgeschieden werden. Zum Abbrand der abgeschiedenen Partikel ist in dem Kanal eine Zusatzaufheizvorrichtung vorgesehen. Gemäß dem Anspruch besteht diese Zusatzaufheizvorrichtung aus einer in dem Kanal verlegten Heizspirale,

Die Einzelheiten, weiteren Merkaale und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen

anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigen

Fig. 1 das erfindungsgemäße Dieselrußfilter im Längsschnitt (erste Alternative) und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Gegenstand der Fig. 1, welche im Schnitt längs der Linie H-II der Fig* I gehalten ist*

Fig. 3 das erfindungsgemäße Dieselrußfilter im Längsschnitt (zweite Alternative).

In einem aus Blech bestehenden Gehäuse (1), welches rotationssymmetrisch zur Achse (14) ausgebildet ist, befindet sich ein Keraroikhohlkörper (2), welcher ebenfalls innen, jedoch auch außen rotationssymmetrisch ausgebildet ist und daher das Blechgehäuse (1) auskleidet. Am Gehäuse (1) befindet sich ein Abgaseinführungsstutzen (6), welcher tangential in das Gehäuse und in den Hohlraum (3) des Keramikhohlkörper &egr; (2) mündet. In axialer Richtung weist dagegen der am gegenüberliegenden Gehäuseende angeordnete Abgasabführungsstutzen (15). Vor dem Abgasabführungsstutzen (15) ist ein keramisches Gitter (4) angeordnet. Das keramische Gitter bildet einen Deckel, welches den kleineren Querschnitt des rotatidnssymmetrischen Keramikhohlkörpers (2) verschließt. In dem keramischen Gitter sind Axialkanäle ausgebildet, deren Enden verschlossen sind. Dadurch werden die Abgase, welche in Richtung des Pfeiles (9) der Fig. 2 eintreten und das Dieselrußfilter in Richtung des Pfeiles (10) der Fig. 1 verlassen', durch die

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!Poren des keramischen Körpers gezwungen, welcher den Deeksl bildet.

Dem axialen Abgasabführungsstutzen (15) gegenüber ist ein keramischer Deckel (8) angeordnet. Dieser ist geschlossen porig ausgeführt und verschließt den Hohlraum (3) des Keramikhohlkörpers (2).

Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist der den größeren Querschnitt des keramischen Hohlkörpers (2) verschließende Deckel (8) mit einer elektrischen Zusatzheizung versehen. Diese besteht aus einem Glühdraht (13), welcher in dem Deckel (8) verankert ist und einem Anschluß (12) für die elektrische Stromquelle.

Anstelle der dargestellten Zusatzeinrichtung kann auch eine brennstoffbeheizte Heizung vorgesehen werden.

Der Keramikhohlkörper (2) ist ebenso wie der Deckel (8) geschlossenporig ausgebildet. Die von einem Dieselmotor kommenden, mit Ruß beladenen Abgase passieren den Abgaseinführungsstutzen (6) mit hoher Geschwindigkeit. Durch die tangentiale Anordnung des Abgaseinführungsstutzens (6) wird den mit Ruß beladenen Abgasen eine Rotationsbewegung aufgeprägt, welche aus der Fig. 2 ersichtlich und infolge der Verjüngung des Hohlraumes (3) durch die beschriebene rotationssymmetrische Form noch verstärkt ist.

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Die hierdurch auf die Rußpartikel aufgebrachte Eentripedalbeschleunigung führt zur Abscheidung der spezifisch schwereren Rußpartikel auf der Oberfläche des Keramikhohlkörpers (2), sobald die Rußpartikel die Oberfläche erreichen, auf der sie abgebremst werden. Die feineren Rußpartikel, die die Oberfläche des Keramikhohlkörpers (2) nicht erreichen, gelangen mit den Abgasen in das keramische Gitter (4), in dem sie abgeschieden werden.

Mit zunehmender Abscheidung der feineren Rußpartikel auf der Porenoberfläche des keramischen Gitters (4) steigt der Widerstand des Dieselrußfilters an. Dadurch wächst die Abgastemperatur. Sobald die Selbstentzündungstemperatur des Rußes erreicht ist, verbrennen die abgeschiedenen Rußpartikel auf dem Keramikhohlkörper (2) und in dem keramischen Gitter (4). Das gilt auch für den sich hiernach weiter ablagernden Ruß.

Der für die Verbrennung notwendige Sauerstoff wird dem Abgas vor Eintritt in den Filter beigemischt, sofern nicht schon die Abgase hinreichend Sauerstoffmengen enthalten. Die vorgesehene Zusatzheizeinrichtung (12, 13) gewährleistet, daß die Prozeßtemperatur schneller erreicht wird.

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Die Fig. 3 stellt eine alternative Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dar* Dieser Filter besteht wie der Filter gemäß Fig. 1 ebenfalls aus einem Gehäuse (1), welches rotationssymmetrisch zur Achse (14) ausgebildet ist. Darin befindet sich ein Keramikhohlkörper (2), der das Blechgehäuse (1) auskleidet. Am Gehäuse (1) befindet sich ein Abgaseinführungsstutzen (6), welcher tangential in das Gehäuse mündet, weiterhin ist ebenfalls ein keramisches Gitter (4) vorgesehen, welches als Deckel den kleineren Querschnitt des Keramikhohlkörpers (2) verschließt. Der größere Querschnitt des Keramikhohlkörpers wird von dem Deckel (8) verschlossen. In die zur Achse (14) zeigende Wand des Keramikhohlkörpers (2) ist ein spiralförmig verlaufender Kanal (24), der einerseits am Abgaseinführungsstutzen (6) mündet, andererseits in einem Raum (22) unterhalb des keramischen Gitters (4). Der zur Achse (14) hin offene Kanal (24) wird von der Außenfläche (21) eines kegelförmigen Keramikkörpers (20) verschlossen, dessen 3asis auf dem Deckel (8) steht und dessen oberes Ende den Raum (22) unterhalb des keramischen Gitters (4) nach unten abschließt. Xn den Kanal (24) ist diesem folgend ein Heizdraht (26)

eingelegt. Dieser Heizdraht dient als Zusatzaufheizvorrichtung. Die in den Abgaseinführungsstutzen (6} eingeleiteten Abgase werden in den Kanal eingeführt und bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit auf spiralförmiger Bahn in Richtung des keramischen Filters (4). Somit ist gewährleistet, daß kein Abgaspartikel in die strömungsberuhigte Zone in der Nähe der Mittellängsachse gerät, so daß praktisch alle Rußpartikel infolge der Zentripedalkraft auf der Wand des Keramikhohlkörpers (2) abgeschieden werden* Somit ißt eine längere Lebensdauer und Einsatzbereitschaft insbesondere des keramischen Gitters (4) gewährleistet.

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Claims

1. Dieselrußfilter, bestehend aus einem 6ehav.se mit einem Abgaseinführungsund einem axialen Abgasabführungsstutzen, sowie einem von den Abgasen durchströmten, zwischen den Stutzen ausgebildeten keramischen Gitter, welches Rußpartikel zurückhält, deren Ansammlung ±ss. kerami= sehen Gitter durch Verbrennung mit Hilfe einer Aufheizung beseitigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) einen tangentialen Abgaseinführungsstutzen (6) aufweist, welcher in einen Keramikhohlkörper (2) mündet, und daß das keramische Gitter (4) zwischen dem Keramikhohlkörper(2) 'jnd dem Abgasabführungsstutzen (15) angeordnet ist.

2. Dieselrußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrißlinie des Hohlraumlängsschnittes des Keramikhohlkörpers (2) trapezförmig ist und das keramische Gitter (4) als Deckel zuii Verschluß des kleineren Querschnitts des keramischen Hohlkörpers (2) ausgebildet ist.

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3. Dieselrußfilter nach einem der Ansprüche oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der tangentiale Abgaseinführungsstutzen (6) unter einem keramischen Deckel (8) zum Verschluß des größeren Querschnitts des keramischen Hohlkörpers (2) mündet.

4. Dieselrußfilter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) koaxial ein sich vom Deckel (8) nach oben konisch verjüngender Keramikkörper (20) angeordnet ist, dessen Außenfläche (21) eine Wand eines vom Abgaseinführungsstutzen (6) spiralförmig zu einem Raum (22) unterhalb des keramischen Gitters (4) verlaufenden Kanals (24) in der Keramikhohlkörperwand bildet und in dem Kanal eine Zusatzaufheizvorrichtung (26) vorgesehen ist.

5. Dieselrußfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzaufheizvorrichtung (26) aus einer in dem spiralförmigen Kanal verlegten und diesem folgenden Heizspirale besteht.

6. Dieselrußfilter, nach einem der Ansprüche

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem den größersn Querschnitt des Keramikhohlkörpers (2) verschließenden Deckel (8) im Hohlraum (3)

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eine Züsatzaufheizvorrichtung (12, 13) vofgeseheh ist.

7. I5ieseirüßfiiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6&igr; dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikhohlkörper (2) und seine Deckel (4 u. 8) eine Auskleidung der Innenwand des Gehäuses

(1) bilden.

8. Dieselrußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet/ daß die Zusatzheizvorrichtung eine elektrische Strahlungsheizung ist,

9. Dieselrußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine brennstoffbeheizte Zusatzheizung.