EP0072059A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgaspartikelfilter - Google Patents

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgaspartikelfilter Download PDF

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EP0072059A1
EP0072059A1 EP82200907A EP82200907A EP0072059A1 EP 0072059 A1 EP0072059 A1 EP 0072059A1 EP 82200907 A EP82200907 A EP 82200907A EP 82200907 A EP82200907 A EP 82200907A EP 0072059 A1 EP0072059 A1 EP 0072059A1
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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    • F01N2450/24—Methods or apparatus for fitting, inserting or repairing different elements by bolts, screws, rivets or the like

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for limiting the exhaust gas particle emission when charging internal combustion engines, consisting essentially of a pressure wave machine with charge air flap and / or recirculation flap, and / or exhaust gas bypass valve, and exhaust manifolds opening into an exhaust gas receiver.
  • a reduction of the particle emission in internal combustion engines by measures within the internal combustion engine is not yet possible as of today, however progress has already been made in influencing the particle emission by exhaust gas aftertreatments.
  • the main focus is on processes for the post-combustion of free-floating soot and unburned high-boiling hydrocarbons as well as soot separation by exhaust gas filtering.
  • the exhaust gas temperature after the pressure wave machine is lower than, for example, when charging with a turbocharger because of the purge air.
  • the external energy supply for burning the soot is greater when it is charged with a pressure wave machine.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as characterized in the claims, achieves the object of providing a device whereby the particle emission from internal combustion engines charged with pressure wave machines is optimally limited by the exhaust gas particle filter being arranged in the high pressure part of the exhaust system in front of the pressure wave machine.
  • the filter is arranged in the exhaust gas receiver itself.
  • the advantage of this arrangement can be seen in the fact that the hot exhaust gases flowing out of the internal combustion engine can be used for soot combustion without losses.
  • the filter is arranged in a separate section from the actual exhaust gas receiver in the exhaust gas direction immediately before the pressure wave machine.
  • the filter is designed as an interchangeable unit.
  • the filter consists of a monolithic porous and heat-resistant core.
  • the particles present in the exhaust gas hit the surface of the exhaust gas particle filter and agglomerate there in larger particles, whereby the surface quality and the porosity of the exhaust gas particle filter material play a decisive role for the accumulation and agglomeration processes of the soot particles as well as for their combustion.
  • the core of the filter is surrounded by a fibrous mat-like and heat-resistant covering.
  • the core of the filter assembly of the casing is arranged in a cylindrical support tube which is held at one end by the retaining ring provided in the exhaust gas receiver and at the other end by the retaining cam provided in the exhaust gas receiver.
  • the cylindrical support tube is fixed between the flange of the exhaust gas receiver and the flange of the section.
  • the core of the filter is rigidly integrated with the interposition of the fibrous mat-like covering through the cylindrical support tube and its position is precisely fixed in the axial and radial directions.
  • the support tube consists of heat-resistant sheet metal and an elastic, heat-resistant layer is arranged between it and the solid jacket of the section of the exhaust gas receiver.
  • the monolithic porous core of the filter consists of a ceramic material with high thermal shock resistance or steel wool. With these two materials, optimal filter properties are achieved at higher temperatures, taking into account the temperature change.
  • the charge air flap in the charge air line is briefly closed and operated again after the filter has been successfully regenerated.
  • the recirculation flap in the fresh air intake line of the pressure wave machine is closed at short notice and is operated again normally after the filter has been successfully regenerated.
  • the exhaust gas temperature upstream of the filter is increased by briefly opening the exhaust gas bypass valve and operated again after the filter has been successfully regenerated.
  • the exhaust gas bypass valve is arranged in the bypass between the exhaust gas housing and the exhaust line of the pressure wave machine.
  • the method steps according to claims 15-17 are used alternatively. Thus, a number of process options are available to control the exhaust temperature increase in front of the filter and burn soot deposits on the surface of the filter.
  • FIG. 1 shows a cylinder head 1 with six cylinders 2.
  • an inlet / suction channel 3 is arranged for each cylinder, which open into a manifold 4.
  • the manifold 4 is connected to the pressure wave machine 7 through the charge air line 5, in which the charge air flap 6 is located.
  • the exhaust gas channel 8 for each cylinder, to which the exhaust manifolds 9 are connected and which open into an exhaust gas receiver 10.
  • the exhaust gas receiver 10 is connected to the Intermediate piece 11 connected to the exhaust housing 13 of the pressure wave machine 7.
  • the charge air line 5 opens into the pressure wave machine 7, and the fresh air intake line 14 with recirculation flap 37 and the exhaust line 15 are also connected.
  • the exhaust gas bypass valve 36 is located in a bypass 35 between the exhaust gas housing 13 and the exhaust line 15.
  • the mode of operation of the charge air flap 6, the recirculation flap 37 and the exhaust gas bypass valve 36 is subsequently described in more detail in connection with the description of FIG. 4 in connection with the mode of operation of the filter 18 during driving operation explained.
  • the pressure wave machine 7 is driven via a pulley 16 by the motor shaft 17, the connection of V-belts 16 'between the pulley 16 and the motor shaft 17 or the motor pulley 17' being shown only schematically in the drawing for reasons of better clarity.
  • the exhaust gas particle filter 18 is arranged in the exhaust gas receiver 10 itself.
  • the particle filter 18 is only indicated in FIG. 1, but is shown and explained in detail in FIG. 3.
  • the end plate 27 by means of a screw bolt 29, washer 30 and nut 31 with the flange 22 of the exhaust gas receiver 10 and on the other hand the flange 21 of the exhaust gas receiver 10 is also screwed to the flange 19 of the intermediate piece 11 releasably connected.
  • the intermediate piece 11 in turn connects the exhaust gas receiver 10 to the exhaust gas housing 13 of the pressure wave machine 7 and is removably arranged by the flange connection 19, 21 and the flange connection 20, 23.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a second variant of the exhaust gas particle filter arrangement.
  • the filter 18 is arranged in a section 12 separated from the actual exhaust gas receiver 10 in the exhaust gas direction directly in front of the pressure wave machine 7.
  • the exhaust gas receiver 10 has a smaller diameter than the first variant (FIG. 1) and extends to the section 12.
  • the intermediate piece 11 is omitted in this arrangement.
  • the section 12 is also arranged to be removable.
  • the flange 12 'of the section 12 is detachably connected to one another by a screw connection with the flange 21 of the exhaust gas receiver 10, and on the other hand the flange 1.2 "is also connected to the flange 23 of the exhaust gas housing 13 of the pressure wave machine 7 with a screw connection.
  • Fig. 3 - here the same reference numbers apply as in Fig. 1 - a section through the exhaust gas particle filter arrangement according to the first variant in Fig. 1 is shown. For the sake of clarity, however, only the exhaust gas receiver ends and part of the exhaust gas receiver 10 and part of the filter 18 are shown.
  • the filter 18 consists of a monolithic, porous, heat-resistant and cylindrical core made of ceramic material cf. e.g. SAE-Paper No. 810114 of February 23, 1981 "Cellular Ceramic Diesel Particulate Filters” by John S. Howitt et al, and is provided with a fibrous and heat-resistant mat-like covering 24 made of ceramic or mineral fiber material, the ends 24 ' of the mat-like covering 24 protrude beyond the cylindrical filter 18 in the axial direction and are inclined inwards towards the axis, as a result of which the position of the filter 18 is fixed in the longitudinal direction.
  • the filter 18 together with the cover 24 is fastened in a support tube 25, which consists of heat-resistant sheet metal, which encloses the filter 18 together with the cover 24 under contact pressure, the ends of the support tube 25 being welded along a surface line.
  • the annular exhaust gas inflow space 39 is located between the support tube 25 and the solid casing of the exhaust gas receiver 10. According to the direction of the arrows with the reference number 40, the exhaust gas flows out of the exhaust gas channels 8 into the agas inflow space 39 and from there into the filter antechamber 41.
  • the exhaust gas inflow space 39 and the filter anteroom 41 are connected to one another. After the exhaust gas has passed through the filter 18, it reaches the intermediate piece 11 and is fed from there to the exhaust gas housing 13 of the pressure wave machine 7.
  • a retaining ring 26 is arranged at the downstream end of the exhaust gas receiver 10 and at least four retaining cams 28 are each arranged concentrically at the other end of the exhaust gas receiver 10.
  • An asbestos seal 33 is located between the holding ring 26 and the support tube 25 in order to prevent exhaust gas from reaching the intermediate piece 11 g bypassing the filter 18, while the asbestos seals 33 ′ take over the sealing against the environment.
  • Fig. 4 - here the essentially the same reference numerals as in Fig. 3 apply - a section through the exhaust gas particle filter arrangement according to the variant in Fig. 2 is shown.
  • the construction of the filter 18 is the same as described in detail in FIG. 3.
  • a flange 25 ' is provided, which is clamped between the flange 21 of the exhaust gas receiver 10 and the flange 12' of the section 12 and is fastened by a screw connection 29, 30, 31.
  • An elastic heat-resistant layer 34 made of wire mesh is located between the support tube 25 and the solid jacket of the section 12.
  • the one-sided fastening of the support tube 25 and the lining with the elastic, heat-resistant layer 34 was chosen in order to dampen any vibrations of the machine and to allow vibrations already transmitted to the support tube 25 to subside more quickly.
  • the different thermal expansions of the different materials caused by thermal influence must be taken into account sufficiently. If the support tube 25 is fixed on both sides, thermal stresses would lead to the destruction of the attachment of the support tube 25.
  • the flange 12 ′′ of the section 12 is connected to the flange 23 of the exhaust gas housing 13 of the pressure wave machine 7 by means of a screw connection 29, 30, 31 with the interposition of a seal 33 ′.
  • a temperature surge can also be caused by a brief actuation of the charge air flap 6, the exhaust gas bypass valve 36 or the recirculation flap 37.
  • the charge air flap 6 or the recirculation flap 37 is briefly closed, or when the exhaust gas bypass valve 36 is briefly opened, the charge air density and thus the excess air are briefly reduced, which increases the gas temperature while the fuel injection quantity remains the same.
  • the pressure wave machine 7 tolerates the high temperature peaks because the rotor is flushed with fresh air.
  • the shock wave machine 7's own exhaust gas recirculation capacity can be increased by temperature surges without risk of contamination of the rotor.

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Abstract

Zur Begrenzung der Abgaspartikelemission bei Aufladung von druckwellenmaschinenaufgeladenen Brennkraftmaschinen ist ein Abgaspartikelfilter (18) im Hochdruckteil des Abgassystems vor der Druckwellenmaschine (7) angeordnet. Durch verstärkte Eigenbrennstoffzufuhr und/oder kurzfristiges Schliessen der Ladeluftklappe (6) bzw. der Rezirkulationsklappe (37) und/oder kurzfristiges Öffnen des Abgasbypassventils (36) erreicht das Abgas die Entflammtemperatur der auf der Oberfläche des Filters (18) abgelagerten Russbestandteile, diese werden verbrannt, und das Filter (18) wird selbsttätig regeneriert.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Begrenzung der Abgaspartikelemission bei der Aufladung von Brennkraftmaschinen, im wesentlichen bestehend aus einer Druckwellenmaschine mit Ladeluftklappe und/oder Rezirkulationsklappe, und/oder Abgas-Bypassventil, und in einen Abgasreceiver mündende Abgaskrümmer.
  • Die Partikelemission von Brennkraftmaschinen ist bereits in einigen Ländern gesetzlich limitiert, andere Länder werden sich einer verschärften restriktiven Handhabung der gesetzlichen Verordnung über die Emission zulässiger Grenzwerte von Abgaspartikeln anschliessen.
  • Bei der Partikelemission von Brennkraftmaschinen handelt es sich im wesentlichen um folgende Bestandteile:
    • - Freischwebender Russ
    • - Im Russ angelagerte Kohlenwasserstoffverbindungen und andere organische Substanzen
    • - Sulfatverbindungen
    • - Bleiverbindungen (bei Ottomotoren)
  • Eine Absenkung der Partikelemission bei Brennkraftmaschinen durch Massnahmen innerhalb der Brennkraftmaschine ist nach dem heutigen Stand noch nicht möglich, jedoch wurden bereits Fortschritte in der Beeinflussung der Partikelemission durch Abgasnachbehandlungen erzielt. Dabei stehen vor allem Verfahren zur Nachverbrennung von freischwebendem Russ und unverbrannten hochsiedenden Kohlewasserstoffen sowie die Russabscheidung durch Abgasfilterung im Vordergrund.
  • Die Forschungsgesellschaft für Energietechnik und Verbrennungsmotoren mBH in Aachen hat anlässlich eines Symposiums in Esslingen (BRD) am 28./29.4.1980 eine Studie mit dem Titel "Möglichkeiten zur Beeinflussung der Partikelemission von Dieselmotoren durch Abgasnachbehandlung" von Dr. Herman Weltens veröffentlicht, die den derzeitigen Stand der Technik wiedergibt.
  • Dabei wird besonders auf den Seiten 15 und 16 dieser Veröffentlichung darauf hingewiesen, dass nicht sichergestellt ist, dass die erforderlichen Bedingungen zur Selbstzündung und Abbrand des im Abgasfilter angesammelten Russes im normalen Fahrbetrieb hinreichend oft erreicht werden, und dass vorgeschlagen wird, die Russablagerungen intermittierend mit Hilfe einer Fremdenergiezufuhr zu oxidieren. Dabei kann die Fremdenergie mittels offener Flamme oder durch elektrische Beheizung zugeführt werden.
  • Eine Verbrennung von Russablagerungen an den Oberflächen der Abgaspartikelfilter ohne Zuhilfenahme von Fremdenergie ist mit den derzeit bekannten Verfahren nicht möglich. Dies gilt insbesondere für Brennkraftmaschinen, die von Druckwellenmaschinen aufgeladen sind. Allenfalls wäre dort der Einsatz von Abgaspartikelfiltern in der Auspuffleitung hinter der Druckwellenmaschine denkbar. Um jedoch die Niederdruckspülung in der Druckwellenmaschine in jedem Betriebspunkt aufrechtzuerhalten, sind geringe Niederdruckwiderstände erforderlich. Im Neuzustand ist der Druckverlust eines Abgaspartikelfilters zwar gering und beträgt ungefähr 200 mm WS. Die Erhöhung des Auspuffgegendruckes bei verstopftem Filter führt unter Umständen zu einem Zusammenbruch der Niederdruckspülung in der Druckwellenmaschine und folglich zum Ersticken des Motors.
  • Auch ist die Abgastemperatur nach der Druckwellenmaschine wegen des Spülluftanteiles tiefer als beispielsweise bei der Aufladung mit Turbolader. Die Fremdenergiezufuhr zum Abbrennen des Russes ist bei der Aufladung mit Druckwellenmaschine grösser.
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, wodurch die Partikelemission von mit Druckwellenmaschinen aufgeladenen Brennkraftmaschinen optimal begrenzt wird, indem das Abgaspartikelfilter im Hochdruckteil des Abgassystems vor der Druckwellenmaschine angeordnet ist.
  • Diese Anordnung des Abgaspartikelfilters weist folgende Vorteile auf:
    • - Einsparung von Fremdenergie
    • - Vorrichtungen für die Zufuhr von Fremdenergie und Russ-Abbrenneinrichtungen für das Verbrennen der Russablagerungen an den Oberflächen der Abgaspartikelfilter mittels Fremdenergie entfallen.
    • - Regeleinrichtungen, die die Auslösung des Zündvorganges der Fremdenergie in Abhängigkeit des Abgasgegendruckes steuern, entfallen ebenfalls.
    • - Das der Druckwellenmaschine eigene A-bgasrezirkulationsvermögen wird gesteigert, ohne Verschmutzungsgefahr für den Rotor der Druckwellenmaschine.
    • - Nach dem Entzünden der Russablagerungen steigt die Ladeluftdichte sofort wieder an, die Abgastemperatur sinkt, und der Motor wird nicht überhitzt.
    • - Trotz herabgesetzter Abgastemperatur, wird wegen der exothermen Reaktion der Russverbrennung dieselbe unvermindert fortgesetzt.
  • Nach Anspruch 2 ist das Filter im Abgasreceiver selbst angeordnet. Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, dass die aus der Brennkraftmaschinen strömenden heissen Abgase ohne Verluste für die Russverbrennung nutzbar gemacht werden können.
  • Nach Anspruch 3 ist das Filter in einem vom eigentlichen Abgasreceiver getrennten Teilstück in Abgasrichtung unmittelbar vor der Druckwellenmaschine angeordnet.
  • Entsprechend Anspruch 4 ist das Filter als austauschbare Baueinheit ausgebildet.
  • Durch die Anordnungen gemäss den Ansprüchen 3 und 4 kann das Filter einfach und schnell ausgewechselt werden.
  • Gemäss Anspruch 5 besteht das Filter aus einem monolithischen porösen und hitzebeständigen Kern.
  • Die im Abgas vorhandenen Partikel treffen auf die Oberfläche des Abgaspartikelfilters auf und agglomerieren dort in grösseren Partikeln, wobei die Oberflächenbeschaffenheit und die Porosität des Abgaspartikelfilterwerkstoffes für die Anlagerungs- und Agglomerationsvorgänge der Russpartikel sowie für deren Verbrennung eine ausschlaggebende Rolle spielen.
  • Entsprechend Anspruch 6 ist der Kern des Filters von einer faserigen mattenartigen und hitzebeständigen Umhüllung umgeben.
  • Nach Anspruch 7 ist der Kern des Filterssamt der Umhüllung in einem zylindrischen Tragrohr angeordnete das an einem Ende von dem im Abgasreceiver vorgesehenen Haltering und am anderen Ende von dem im Abgasreceiver vorgesehenen Haltenocken gehalten wird.
  • Gemäss Anspruch 8 ist das zylindrische Tragrohr zwischen dem Flansch des Abgasreceivers und dem Flansch des Teilstückes befestigt.
  • Durch die Anordnung gemäss den Ansprüchen 6 - 8 ist der Kern des Filters unter Zwischenschaltung der faserigen mattenartigen Umhüllung durch das zylindrische Tragrohr starr eingebunden und seine Lage in axialer und radialer Richtung genau fixiert.
  • Gemäss den Ansprüchen 9 bis 11 besteht das Tragrohr aus hitzebeständigem Blech und zwischen diesem und dem massiven Mantel des Teilstückes des Abgasreceivers ist eine elastische hitzebeständige Schicht angeordnet.
  • Hierdurchist gewährleistet, dass das Tragrohr sich bei höherer Temperatur nicht verzieht und einen grossen Verzunderungswiderstand aufweist, und dass durch die elastische hitzebeständige Schicht eventuell auftretende Vibrationen von der Maschine abgedämpft und somit nicht unmittelbar auf den Kern des Filters übertragen werden.
  • Nach Anspruch 12 und 13 besteht der monolithische poröse Kern des Filters aus einem keramischen Material mit hoher Temperaturewechselbeständigkeit oder aus Stahlwolle. Mit diesen beiden Materialien werden optimale Filtereigenschaften bei höheren Temperaturen, unter Berücksichtigung des Temperaturwechsels, erreicht.
  • Nach dem Verfahrensanspruch 14 zum Betrieb der Vorrichtung wird zur Erhöhung der Abgastemperatur vor dem Partikelfilter der Brennkraftmaschine mehr Brennstoff zugeführt.
  • Gemäss Anspruch 15 wird zwecks Erhöhung der Abgastemperatur vor dem Filter die Ladeluftklappe in der Ladeluftleitung kurzfristig geschlossen und nach erfolger Regeneration des Filters wieder normal betätigt.
  • Entsprechend Anspruch 16 wird zur Erhöhung der Abgastemperatur vor dem Filter die Rezirkulationsklappe in der Frischluftansaugleitung der Druckwellenmaschine kruzfristig geschlossen und nach erfolger Regeneration des Filters wieder normal betätigt.
  • Nach Anspruch 17 wird die Abgastemperatur vor dem Filter durch kurzfristiges Oeffnen des Abgasbypassventils erhöht und nach erfolger Regeneration des Filters wieder normal betätigt.
  • Das Abgasbypassventil ist im Bypass zwischen Abgasgehäuse und Auspuffleitung der Druckwellenmaschine angeordnet. Die Verfahrensschritte gemäss den Ansprüchen 15 - 17 werden alternativ zur Anwendung gebracht. Somit stehen eine Reihe von Verfahrensmöglichkeiten zur Verfügung, um die Abgastemperatur vor dem Filter zu erhöhen und Russablagerungen auf der Oberfläche des Filters zu verbrennen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigt:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Variante der Abgaspartikelfilteranordnung bei der Aufladung einer Brennkraftmaschine mittels Druckwellenmaschine
    • Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante der Abgaspartikelfilteranordnung bei der Aufladung einer Brennkraftmaschine mittels Druckwellenmaschine
    • Fig. 3 einen Schnitt durch die Abgaspartikelfilteranordnüng gemäss der beispielsweisen Ausführungsform der ersten Variante in Fig. 1
    • Fig. 4 einen Schnitt durch eine Abgaspartikelfilteranordnung gemäss der beispielsweisen Ausführungsform der zweiten Variante in Fig. 2.
  • In Fig. 1 ist ein Zylinderkopf 1 mit sechs Zylindern 2 gezeigt. Im Zylinderkopf 1 sind für jeden Zylinder je ein Einlass/Saugkanal 3 angeordnet, die in ein Sammelrohr 4 münden. Das Sammelrohr 4 ist durch die Ladeluftleitung 5, in der sich die Ladeluftklappe 6 befindet mit der Druckwellenmaschine 7 verbunden.
  • Im Zylinderkopf 1 sind auch für jeden Zylinder je ein Abgaskanal 8 angeordnet, an die sich die Abgas-Krümmer 9 anschliessen und die in einen Abgasreceiver 10 münden. In an sich bekannter Weise ist an den Abgasreceiver 10 durch das Zwischenstück 11 das Abgasgehäuse 13 der Druckwellenmaschine 7 verbunden. In die Druckwellenmaschine 7 mündet, wie bereits erwähnt, die Ladeluftleitung 5, und weiterhin sind die Frischluftansaugleitung 14 mit Rezirkulationsklappe 37 und die Auspuffleitung 15 angeschlossen. In einem Bypass 35 zwischen Abgasgehäuse 13 und Auspuffleitung 15 befindet sich das Abgasbypassventil 36. Die Wirkungsweise der Ladeluftklappe 6, der Rezirkulationsklappe 37 und des Abgasbypassventils 36 wird anschliessend an die Beschreibung von Fig. 4 im Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Filters 18 während des Fahrbetriebes näher erläutert. Die Druckwellenmaschine 7 wird über eine Riemenscheibe 16 von der Motorwelle 17 angetrieben, wobei aus Gründen besserer Uebersicht in der Zeichnung die Verbindung von Keilriemen 16' zwischen Riemenscheibe 16 und Motorwelle 17 bzw. Motorriemenscheibe 17' nur schematisch dargestellt ist.
  • In dieser ersten Variante ist das Abgaspartikelfilter 18 im Abgasreceiver 10 selbst angeordnet. Das Partikelfilter 18 ist in Fig. 1 nur angedeutet, wird aber in Fig. 3 ausführlich dargestellt und erläutert.
  • Zwecks einfacherer Handhabung und besserer Zugänglichkeit beim Auswechseln des Filters 18 ist einerseits die Abschlussplatte 27 durch Schraubbolzen 29, Unterlegscheibe 30 und Mutter 31 mit dem Flansch 22 des Abgasreceivers 10 und andererseits der Flansch 21 des Abgasreceivers 10 ebenfalls mit Schraubverbindung mit dem Flansch 19 des Zwischenstückes 11 lösbar miteinander verbunden.
  • Das Zwischenstück 11 wiederum verbindet den Abgasreceiver 10 mit dem Abgasgehäuse 13 der Druckwellenmaschine 7 und ist ausnehmbar durch die Flanschverbindung 19, 21 und die Flanschverbindung 20, 23 angeordnet.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Variante der Abgaspartikelfilteranordnung. Hierbei ist das Filter 18 in einem vom eigentlichen Abgasreceiver 10 getrennten Teilstück 12 in Abgasrichtung unmittelbar vor der Druckwellenmaschine 7 angeordnet.
  • In der beispielsweisen Darstellung gemäss Fig. 2 weist der Abgasreceiver 10 einen gegenüber der ersten Variante (Fig.l) geringeren Durchmesser auf und erstreckt sich bis hin zum Teilstück 12. Das Zwischenstück 11 entfällt bei dieser Anordnung.
  • Zwecks einfacher Handhabung und besserer Zugänglichkeit beim Auswechseln des Filters 18 ist das Teilstück 12 ebenfalls ausnehmbar angeordnet. Einerseits ist der Flansch 12' des Teilstückes 12 durch Schraubverbindung mit dem Flansch 21 des Abgasreceivers 10 und andererseits der Flansch 1.2" ebenfalls mit Schraubverbindung mit dem Flansch 23 des Abgasgehäuses 13 der Druckwellenmaschine 7, lösbar miteinander verbunden.
  • In Fig. 3 - hier gelten die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. l - ist ein Schnitt durch die Abgaspartikelfilteranordnung gemäss der ersten Variante in Fig. 1 dargestellt. Wegen besserer Uebersichtlichkeit sind jedoch lediglich die Abgasreceiverenden und ein Teil des Abgasreceivers 10 sowie ein Teil des Filters 18 dargestellt.
  • Das Filter 18 besteht aus einem monolithischen, porösen, hitzebeständigen-und walzenförmigen Kernstück aus keramischen Material vgl. z.B. SAE-Paper No. 810114 vom 23.2.81 "Cellular Ceramic Diesel Particulate Filters" von John S. Howitt et al, und ist mit einer faserigen und hitzebeständigen mattenartigen Umhüllung 24 aus keramischen oder mineralischem Faserstoff versehen, wobei die Enden 24' der mattenartigen Umhüllung 24 das walzenförmige Filter 18 in axialer Richtung überragen und nach innen zur Achse hin geneigt sind, wodurch die Lage des Filters 18 in Längsrichtung fixiert ist. Das Filter 18 samt Umhüllung 24 ist in einem Tragrohr 25 befestigt, das aus hitzebeständigem Blech besteht, welches das Filter 18 samt Umhüllung 24 unter Anpressdruck umschliesst, wobei die Enden des Tragrohres 25 längs einer Mantellinie verschweisst sind. Zwischen dem Tragrohr 25 und dem massiven Mantel des Abgasreceivers 10 befindet sich der ringförmige Abgaszuströmraum 39. Entsprechend der Richtung der Pfeile mit der Bezugsziffer 40 strömt das Abgas aus den Abgaskanälen 8 in den Agaszuströmraum 39 und von dort in den Filtervorraum 41. Der Abgaszuströmraum 39 und der Filtervorraum 41 sind miteinander verbunden. Nach Durchtritt des Abgases durch das Filter 18 gelangt es in das Zwischenstück 11 und wird von dort dem Abgasgehäuse 13 der Druckwellenmaschine 7 zugeleitet.
  • Zur Befestigung des Tragrohres 25 sind am abströmseitigen Ende des Abgasreceivers 10 ein Haltering 26 und an dem anderen Ende des Abgasreceivers 10 wenigstens vier Haltenocken 28 jeweils konzentrisch angeordnet. Zwischen dem Haltering 26 und dem Tragrohr 25 befindet sich eine Asbestdichtung 33 um zu vermeiden, dass Abgas unter Umgehung des Filters 18 direkt in das Zwischenstück 11 ge-langt, während die Asbestdichtungen 33' die Abdichtung gegen die Umgebung übernehmen.
  • In Fig. 4 - hier gelten die im wesentlichen gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 3 - ist ein Schnitt durch die Abgaspartikelfilteranordnung gemäss der Variante in Fig. 2 dargestellt. Der Aufbau des Filters 18 ist der gleiche wie in Fig. 3 ausführlich beschrieben. An einem Ende des Tragrohres 25 ist ein Flansch 25' vorgesehen, der zwischen dem Flansch 21 des Abgasreceivers 10 und dem Flansch 12' des Teilstückes 12 eingeklemmt und durch Schraubverbindung 29, 30, 31 befestigt ist. Zwischen dem Tragrohr 25 und dem massiven Mantel des Teilstückes 12 befindet sich eine elastische hitzebeständige Schicht 34 aus Drahtgeflecht. Die einseitige Befestigung des Tragrohres 25 und die Auskleidung mit der elastischen hitzebeständigen Schicht 34 wurde gewählt, um eventuelle auftretende Vibrationen der Maschine abzudämpfen und bereits auf das Tragrohr 25 übertragene Schwingungen rascher abklingen zu lassen. Darüber hinaus muss den durch thermischen Einfluss hervorgerufenen unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der verschiedenen Materialien genügend Rechnung getragen werden. Bei beidseitiger Fixierung des Tragrohres 25 wür - den thermische Spannungen zur eventuellen Zerstörung der Befestigung des Tragrohres 25 führen. Der Flansch 12" des Teilstückes 12 ist unter Zwischenschaltung einer Dichtung 33' mit dem Flansch 23 des Abgasgehäuses 13 der Druckwellenmaschine 7 durch Schraubverbindung 29, 30, 31 verbunden.
  • Die Wirkungsweise des Filters 18 während des Fahrbetriebes wird nachfolgend beschrieben:
    • Tritt bei Teillast eine Verstopfung des Filters 18 auf, dann bewirkt der Druckverlust des Filters 18 primär eine Behinderung des Gaswechsels des Motors, was eine Reduktion der Nutzleistung zur Folge hat. Die Leistungseinbusse wird der-Fahrer durch mehr Brennstoff wettmachen; dadurch steigt die Gastemperatur stark an. Fordert der Fahrer dem Fahrzeug genügend Leistung ab, kommt es automatisch zum Abbrennen des Russes. Die Entflammtemperatur von Russ beträgt ca. 650°C.
  • Ein Temperatur-Stoss kann aber auch durch eine kurzfristige Betätigung der Ladeluftklappe 6, des Abgasbypassventils 36 oder der Rezirkulationsklappe 37 zustandekommen. Beim kurzfristigen Schliessen der Ladeluftklappe 6 oder der Rezirkulationsklappe 37 oder beim kurzfristigen Oeffnen des Abgasbypassventils 36 wird kurzfristig die Ladeluftdichte und somit der Luftüberschuss verringert, was bei gleichbleibender Brennstoffeinspritzmenge die Gastemperatur erhöht.
  • Die Druckwellenmaschine 7 toleriert die hohen Temperaturspitzen, weil der Rotor mit Frischluft gespült wird. Durch Temperaturstösse kann das der Druckwellenmaschine 7 eigene Abgasrezirkulationsvermögen gesteigert werden, ohne Verschmutzungsgefahr für den Rotor.
    • B e z e i c h n u n g s l i s
    • 1 Zylinderkopf
    • 2 Zylinder
    • 3 Einlass/Saugkanäle
    • 4 Sammelrohr
    • 5 Ladeluftleitung
    • 6 Ladeluftklappe
    • 7 Druckwellenmaschine
    • 8 Abgaskanäle
    • 9 Abgaskrümmer
    • 10 Abgasreceiver
    • 10' Oeffnung im 10
    • 11 Zwischenstück
    • 12 Teilstück des 10
    • 12' Flansch des 12
    • 12" Flansch des 12
    • 13 Abgasgehäuse
    • 14 Frischluftansaugleitung
    • 15 Auspuffleitung
    • 16 Riemenscheibe der Druckwellenmaschine
    • 16' Keilriemen
    • 17 Motorwelle
    • 17' Motorriemenscheibe
    • 18 Abgaspartikelfilter
    • 19 Flansch des Zwischenstückes 11
    • 20 Flansch des Zwischenstückes 11
    • 21 Flansch des Abgasreceivers 10
    • 22 Flansch des Abgasreceivers 10
    • 23 Flansch des Abgasgehäuses 13
    • 24 mattenartige Umhüllung
    • 24' Ende der mattenartigen Umhüllung
    • 25 Tragrohr
    • 25' Flansch des Tragrohres
    • 26 konzentrischer Haltering an 10
    • 27 Abschlussplatte
    • 28 konzentrische Haltenocken an 10
    • 29 Schraubenbolzen
    • 30 Unterlegescheibe
    • 31 Mutter
    • 32 Ringnut
    • 33,33' Asbestdichtung
    • 34 elastische hitzebeständige Schicht (Drahtgeflecht)
    • 35 Bypass
    • 36 Abgasbypassventil
    • 37 Rezirkulationsklappe
    • 39 Abgaszuströmraum
    • 40 Abgasströmrichtung
    • 41 Filtervorraum

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Begrenzung der Abgaspartikelemission bei der Aufladung von Brennkraftmaschinen, im wesentlichen bestehend aus einer Druckwellenmaschine (7) mit Ladeluftklappe (6) und/oder Rezirkulationsklappe (37) und/ oder Abgasbypassventil (36), und in einen Abgasreceiver (10) mündende Abgaskrümmer (9), dadurch gekennzeichnet, dass im Hochdruckteil des Abgassystems vor der Druckwellenmaschine (7) ein Abgaspartikelfilter (18) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch. gekennzeichnet, dass das Filter (18) im Abgasreceiver (10) selbst angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (18) in einem vom eigentlichen Abgasreceiver (10) getrennten Teilstück (12) in Abgasrichtung unmittelbar vor der Druckwellenmaschine (7) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Filter (18) als austauschbare Baueinheit ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (18) aus einem monolithischen porösen und hitzebeständigen Kern besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des Filters (18) von einer faserigen mattenartigen und hitzebeständigen Umhüllung (24) umgeben ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des Filters (18) samt der Umhüllung (24) in einem zylindrischen Tragrohr (25) angeordnet ist, das an einem Ende von dem im Abgasreceiver (10) vorgesehenen Haltering (26) und am anderen Ende von den im Abgasreceiver (10) vorgesehenen Haltenocken (28) gehalten wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des Filters (18) samt der Umhüllung (24) in einem zylindrischen Tragrohr (25) angeordnet sind, das zwischen dem Flansch (21) des Abgasreceivers (10) und dem Flansch (12') des Teilstückes (12) befestigt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragrohr (25) aus hitzebeständigem Blech besteht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Tragrohr (25) und dem massiven Mantel des Teilstückes (12) des Abgasreceivers (10) eine elastische hitzebeständige Schicht (34) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (34) durch ein elastisches hitzebeständiges Drahtgeflecht gebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische poröse Kern des Filter (18) aus einem keramischen Material mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische poröse Kern des Filters (18) aus Stahlwolle besteht.
14. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Abgastemperatur vor dem Filter (18) der Brennkraftmaschine mehr Eigenbrennstoff zugeführt wird.
15. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine mit einer Ladeluftklappe (6) in der Ladeluftleitung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erhöhung der-Abgastemperatur vor dem Filter (18) die Ladeluftklappe (6) in der Ladeluftleitung (5) kurzfristig geschlossen und nach erfolgter Regeneration des Filters (18) wieder normal betätigt wird.
16. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine mit einer RezirkulationSklappe (37) in der Frischluftansaugleitung (14) der Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erhöhung der Abgastemperatur vor dem Filter (18) die Rezirkulationsklappe (37) in der Frischluftanpaugleitung (14) der Druckwellenmaschine (7) kurzfristig geschlossen und nach erfolgter Regeneration des Filters (18) wieder normal betätigt wird.
17. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasbypassventil (36) im Bypass (35) zwischen Abgasgehäuse (13) und Auspuffleitung (15) der Druckwellenmaschine (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erhöhung der Abgastemperatur vor dem Filter (18) das Abgasbypassventil (36) kurzfristig geöffnet und nach erfolgter Regeneration des Filters (18) wieder normal betätigt wird.
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