CH677814A5

CH677814A5 -

Info

Publication number: CH677814A5
Application number: CH272/89A
Authority: CH
Inventors: Andreas Mayer
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1989-01-27
Filing date: 1989-01-27
Publication date: 1991-06-28
Also published as: DE3907939A1; JPH02230915A

Description

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Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 »

Stand der Technik

Abgase von Dieselmotoren enthalten, nebst den auch von Ottomotoren ausgestossenen Schadstoffen, wie Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und CO, aufgrund ihrer Verbrennungsart auch Russpartikeln. Bezüglich Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen liegt die Emission bei Dieselmotoren weit besser als vergleichsweise bei Ottomotoren, dies aufgrund des dort vorhandenen verbrennungsmäs-sigen Luftüberschusses. Demgegenüber ist festzustellen, dass der NOx-Ausstoss gegenüber demjenigen eines Ottomotors einen höheren Wert aufweist. Indessen liegt dieser NOx-Ausstoss immer noch weit unterhalb des zulässigen Grenzwertes, so dass diesbezüglich keine gesetzgeberischen Einschränkungen zu erwarten sind.

Ein grosses Problem im Hinblick auf die Umweltbelastung stellt beim Dieselmotor zweifelsohne die Emission von Russpartikeln dar, welche nach wie vor allein durch innermotorische Massnahmen nicht zu beheben sind.

Bezüglich des Ottomotors liegt mittlerweile die ideale Lösung des 3-Weg-Katalysators vor, in welchem hinsichtlich Nachoxidation und Reduktion Wirkungsgrade von mehr als 80% möglich sind. Damit ist für den Dieselmotor der Massstab der zu erbringenden Abgasverbesserung vorgegeben. Auf dem Weg zu einer Abgasverbesserung beim Dieselmotor sind folgende Gesichtspunkte zu berücksichtigen:

Es ist richtig, dass eine Katalysator-Wirkung beim Dieselmotor nicht mehr auszuschliessen ist, seit sich die Situation bezüglich zuviel Schwefel im Dieselöl entspannt hat. Die Bestrebungen, den Schwefelgehalt im Dieselöl auf 0,05% zu reduzieren, wird sich mit Sicherheit durchsetzen, so dass der Bildung von Schwefelsäure und schweflige Säure im Katatytprozess substantiell entgegen gewirkt werden kann. Auch diese Massnahme wird aber die Bildung von Russpartikeln nicht aufzuheben vermögen. In der Druckschrift SAH Technical Paper, Sériés 860013, 1986, SAE, USA-Warrendale, PA 15096, ist eine Lösung vorgeschlagen worden, welche in einer Einrichtung zur Reinigung der Abgase vor dem Katalysator eine Filterung vorsieht. Indessen wird auch hierdurch das zugrundeliegende Problem, wonach Russpartikeln nie 100% ausgefiltert werden können, nicht gelöst. Selbst wenn kurzfristige Versuche ein gutes Resultat zu zeitigen vermögen, so darf nicht übersehen werden, dass langfristig Anteile an Russpartikeln durch den Filter strömen werden und den nachgeschalteten Katalysator nach und nach verstopfen und zupflastern werden. Es ist somit nur eine Frage der Zeit, bis der Katalysator seine Wirkung verlieren wird.

Es ist mittlerweile erkannt worden, dass die Regenerierung des Abgaspartikelfilters eine zentrale Rolle einnimmt. Aus EP-A 0 072 059 ist ein Vorschlag bekannt geworden, in welchem im Hochdruckteil eines Abgassystems, vor einem dort plazierten Druckwellenlader, ein Abgaspartikelfilter angeordnet ist. Analog zu einem Katalysator muss auch der Druckwellenlader vor Russpartikeln geschützt werden. Die hier vorgesehene Regenerierung spielt sich nun wie folgt ab:

Tritt bei Teillast eine Verstopfung des Abgaspartikelfilters auf, dann bewirkt der daraus resultierende Druckverlüst primär eine Behinderung des Gaswechsels des Motors, was eine Reduktion der Nutzleistung zur Folge hat. Diese Leistungseinbusse wird vom Fahrzeuglenker durch eine grössere Brennstoffzuführung wettgemacht. Fordert der Fahrzeuglenker dem Fahrzeug genügend Leistung ab, so steigt die Abgastemperatur stark an, und es kommt automatisch zu einem Abbrennen der im Filter abgelagerten Russpartikeln. Diese sporadische Regenerierung darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass der Abgaspartikelfilter einer stetigen Verstopfung ausgesetzt ist, die zu einem schlechten thermodynamischen Verhalten des Motors führt. Auch darf nicht ausser acht gelassen werden, dass das Abbrennen der Russpartikeln hohe Temperaturen benötigt, die zu einem zufälligen, unkontrollierten Brennvorgang führen. Die hier vorhandenen hohen Temperaturgradienten und Wärmespannungen indizieren eine rasche Zerstörung des Abgaspartikelfilters selbst. Zuletzt ist festzustellen, dass eine hohe Quantität von nicht ausgefilterten Russpartikeln die oben beschriebene schädigende Wirkung auf die dem Abgaspartikelfilter nachgeschalteten Aggregate zu entfalten vermögen.

In der Druckschrift EP-B 0 154 145 ist eine Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren beschrieben, welche vorzugsweise aus einer kaskadenartigen Anordnung mehrerer Filterelemente besteht. Im Gehäuse sind scheibenförmige Filterelemente hintereinander angeordnet, wobei einem ersten Filterelement, das einen die Zündtemperatur des Russes senkenden und seinen Abbrand fördernden Katalysator trägt, ein zweites Filterelement folgt, das einen die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator trägt. Zwar ist es hier richtig, dass durch die katalysatorisch bedingte Absenkung der Zündtemperatur der Russpartikeln eine Regenerierung des ersten Filterelementes während des normalen Fahrbetriebs möglich ist; indessen ist damit das Problem nicht gelöst, dass das zweite Filterelement, das eine ähnliche Wirkung wie der 3-Weg-Katalysator beim Ottomotor zu entfalten hat, rasch mit Russpartikeln verstopft werden kann. Die in dieser Druckschrift vorgesehenen Konversionskammern zwischen den einzelnen Filterelementen vermögen zwar eine gute Ausscheidung der Russpartikeln erfolgen zu lassen, entfalten aber bezüglich einer durchgehenden Regenerierung, selbst wenn der Abstand zwischen den einzelnen Elementen minimiert wird, keine positiven Wirkungen. Dies bedeutet, dass die Filterelemente, die mit einem Material ähnlich demjenigen eines 3-Weg-Katalysators eines Ottomotors beschichtet sind, rasch durch Russpartikeln ver5

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stopft werden und auch nicht, selbst bei offenporiger Ausführung derselben, wegen fehlender durchgehender Abbrennung, regeneriert werden können, was rasch zu einer Ausserkraftsetzung ihrer angestammten Funktion führt. Der Übergang von einem Element zum anderen, selbst wenn die Elemente anliegend sind, entfaltet zu sehr eine Isolationswirkung, welche einen Unterbruch der Abbrandimpulse darstellt.

Des weiteren, sobald sich die Elemente berühren, entsteht wegen Temperaturdehnungen und Vibrationen ein stetiger gegenseitiger Abrieb, der die aneinanderliegenden Flächen mit der Zeit verstopft und, mit Russpartikeln zusammen, zupflastert.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren der eingangs genannten Art, bezüglich Abgaswerte die gleiche Qualitätsstufe zu erzielen, wie dies bei einem Ottomotor mit 3-Weg-Katalysator vorgegeben wird, unter gleichzeitiger Minimierung des Aus-stosses an Russpartikeln, jedenfalls unterhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte.

Zu diesem Zweck wird eine Einrichtung vorgesehen, die aus einem einzigen monolithischen Filterelement mit offenporiger Struktur besteht. Eine in Anströmungsrichtung vordere Filterzone dieses Filterelementes ist mit einem Katalysator zur Verminderung der Zündtemperatur der Russpartikeln beschichtet; der restliche Teil des Filterelementes trägt einen Katalysator zur Förderung der Nachoxi-dation der gasförmigen Schadstoffe.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Durchführung der Russabschei-dung, deren Verbrennung sowie der Nachoxidation der restlichen Schadstoffe im Abgas in einem einzigen Filterelement zustande kommen. Die Regenerierung der abgelagerten Russpartikeln durch Initialzündung in der vorderen Filterzone wird sich wegen der ununterbrochen zusammenhängenden Offenpo-rigkeit über das ganze Filterelement ungehindert fortpflanzen, dergestalt, dass Restablagerungen im zweiten Teil dieses Filterelementes ebenfalls zur Abbrennung gelangen. Dadurch dass die Zündtemperatur der Russpartikeln durch den Katalysator im vorderen Teil des Filterelementes auf etwa 360°G abgesenkt werden kann, findet die Regenerierung bereits während des normalen Fahrbetriebes statt, d.h. eine echte Verstopfung des Filterelementes kommt überhaupt nicht auf. Dies erweist sich insofern als vorteilhaft, als die mit einem für die Nachoxidation der gasförmigen Schadstoffe fördernden Katalysator beschichtete Filterzone auch nicht durch eine minimale Belegung mit Russpartikeln in ihrer Wirkung gehemmt wird. Indem sich der Abbrand, wie gesagt, ungehindert durch das ganze Filterelement ausbreiten kann, wird es erst möglich, im hinteren Teil des Filterelementes jene höhere Temperatur zur Verfügung zu haben, welche benötigt wird, um die dort ausgefilterten Russpartikeln sicher zum Abbrand zu bringen.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen, die Strömungsrichtung ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung ein Filterelement, das aus zwei Zonen besteht, die jeweils mit einem spezifischen Katalysator beschichtetsind.

Weg zur Ausführung der Erfindung,

gewerbliche Verwertbarkeit

Die Figur zeigt ein Filterelement 1, aus einem Schaumfilter bestehend, für den Einsatz in Dieselmotoren. Dieses Filterelement 1 ist in einem durchströmten Gehäuse 3 angeordnet Eine erste Filterzone 1a in Strömungsrichtung 2 wird auf eine bestimmte Tiefe mit einem Katalysator beschichtet, der die Eigenschaft hat, die Zündtemperatur der dort ausgeschiedenen Russpartikeln herabzusetzen. Üblicherweise setzt die Entzündung von Russparti-keln bei einer Temperatur um ca. 550aC ein, sofern eine Sauerstoffkonzentration von 3-6% vorliegt. Bekannte Katalysatoren, in Schaumfiltern angewendet, vermögen die Zündtemperatur von Russpartikeln auf ca. 360°C zu reduzieren; in Zellenfiltern reduziert sich die diesbezügliche Zündtemperatur demgegenüber auf lediglich ca. 420°G. Bei Schaumfiltern ist somit zu erwarten, dass eine Regenerierung dieser Filterzone 1a bereits bei normalem Fahrbetrieb einsetzt. Dies ist insofern von Wichtigkeit, als bei PKW die Fahrten bei kleiner Last dominieren, so dass ein Abbrennen nicht nur ausschliesslich in den seltenen Hochleistungsperioden erfolgen muss. Die durch den Katalysator in der Filterzone 1a minimierte Zündtemperatur der Russpartikeln kommt auch dem Fahrer zugute, der dem Fahrzeug sehr wenig Leistung abfordert.

Was den Grad der Porosität des Filters betrifft, so ist zu sagen, dass eine fein verteilte Porosität angestrebt wird. Bei einer Porosität von beispielsweise 50 ppi nimmt die Konzentration des ausgeschiedenen Russes in Abhängigkeit zur Dicke des Filters entlang einer e-funktionsähnlichen Kurve ab. Wenn also bei einer Dicke des Riters von 1 cm die Konzentration des ausgeschiedenen Russes noch ca. 25 mg/cm3 beträgt, so weist eine 4 cm dicke Filterscheibe bloss noch eine Konzentration von ca. 5 mg/cm3 auf. Ab 4 cm wird die Kurve signifikant asymptotisch. Demgegenüber weist ein Filter mit einer Porosität von 35 ppi bei einer Dicke des Filters von 1 cm bloss eine Konzentration des ausgeschiedenen Russes von ca. 15 mg/cm3. Eigenartig verhält sich hingegen bei dieser Porosität von 35 ppi die Konzentration bei zunehmender Filterdicke: Sie beträgt bei einer 4 cm dicken Scheibe immer noch ca. 12 mgfcm3, also ca. 250% der durch eine 50 ppi-Porosität ausgehenden Russkonzentra-

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tion. Erfolgt bei einer starken Filterbelegung keine rasche Regenerierung, so ist mit einem Druckabfall zu rechnen. Zwar liesse sich hiergegen eine grössere Filteroberfläche vorsehen, alleine führt dies zu einer grossen Filtermasse und, da bei feiner Porosität mit nahezu vollständigem Wärmeaustausch zu rechnen ist, zu einer grossen Zeitkonstante. Demgegenüber kann vorliegende Filterzone 1a so ausgelegt werden, dass eine feinere Porosität als üblich vorgesehen werden kann, denn die hier ablaufende Regenerierung findet, wegen der nunmehr benötigten tiefen Zündtemperatur, fortlaufend statt. Bei dieser Vorgabe kann man davon ausgehen, dass bei guter Filterung in der vorderen Filterzone 1a nur noch ein minimaler Teil, wenn überhaupt, von Russpartikeln in die anschliessende Filterzone 1b gelangen wird, und dort höchstwahrscheinlich nur über eine minimale Tiefe vordringen. Aber selbst wenn der kleine Anteil der in der Filterzone 1a nicht ausgeschiedenen Russpartikeln sich über die ganze Filterzone 1b verteilen würde, ist dies nicht weiter schlimm: Da das ganze Filterelement eine ununterbrochen zusammenhängende Offenporigkeit aufweist, kann sich der einmal in der Filterzone 1a in Gang gekommene Abbrand ungehindert über die ganze Filterzone 1b fortpflanzen, dergestalt, dass Restablagerungen problemlos verbrannt werden können. Die ganze Filterzone 1b, die mit einem Katalysator, gut zur Nachoxidation der HC- und CO-Schadstoffe, beschichtet ist, erleidet mithin weder sporadisch noch kontinuierlich eine Beeinträchtigung ihrer Funktion. Der Abbrand, der sich ungehindert über das ganze Filterelement ausbreitet, vermag auch iene Temperatur sicherzustellen, die für die Verbrennung der Russpartikeln, in einer hinsichtlich Katalysators zur Herabsetzung der Zündtemperatur nicht bevorzugten Filterzone, benötigt wird. Diese integrale Ausfilterung von Russpartikeln, gepaart mit einer auf tiefen Temperaturen stattfindenden Regenerierung, sowie die Nachoxidation der gasförmigen Schadstoffe anhand eines einheitlichen Filterelementes entfaltet auch ihre Vorteile in jenen Fällen, in welchen der Dieselmotor mit einem Lader, vorzugsweise einem Druckwellenlader, aufgeladen ist. Der Druckwellenlader, der stromabwärts des Filters plaziert ist, muss einerseits vor möglichen Russpartikeln verschont bleiben, andererseits soll er jeweils rasch ansprechen, was nur möglich ist, wenn die Wärmesenkeigenschaft des Filters minimiert werden kann. Beide Voraussetzungen werden hier erfüllt: Die Ausfilte-rung der Russpartikeln ist eine vollständige: eine dauernde Regenerierung ist gewährleistet. In diesem Zusammenhang lässt sich die Filterzone 1a ohne weiteres dahingehend verbessern, als diese im Kern in Ausströmungsrichtung 2 eine in der Figur andeutungsweise dargestellte strömungseinleitende Ausnehmung 4 aufweist, welche eine gezielte Kanalisierung der Abgasströmung in die Kernzone des Filters ermöglicht, wie dies in EP-A1 0 183 066 beschrieben wird. Selbstverständlich kann vorgesehen werden, dass diese kanalisierende Abgasströmung auf eine Filterpartie der Filterzone 1a trifft, deren Struktur gegenüber den umliegenden und nachgeschatteten Partien zwar offenporig ist, aber bezüglich Porosität unterschiedliche Werte aufweist: Vermag der in der Filterzone 1a vorgesehene Katalysator die Zündtemperatur der Russpartikeln konkret zu vermindern, so steht einer weiteren Erhöhung der Porenzahl pro Längeneinheit (ppi) nichts im Wege, denn in einem solchen Fall käme eine durch eine potentiell zunehmende Russbelegung sich vergrössernde Wärmesenkeigenschaft des Filters wegen der dauernd stattfindenden Regenerierung nicht zum Tragen. Ein dem Filterelement 1 nachgeschalteter Druckwellenlader wird demnach unmittelbar ansprechen, d.h. Ladedruck abgeben können. Was die Filterart anbelangt, lässt sich feststellen, dass bei einem Schaumfflter die Regenerierung gegenüber andersartigen Filtern wesentlich besser abläuft, weil sich bei dieser Filterart ein einmal gestarteter Brand durch das ganze Filterelement hindurch ausbreiten kann. Dies im Gegensatz beispielsweise zu einem Zellenfilter, bei welchem von Zeile zu Zelle eine starke Isolationswirkung vorherrscht, daher auch nur ein inselartiges Abbrennverhalten zu erwarten ist. Ein ähnliches Verhalten kann auch bei einem Schaumfilter festgestellt werden, der aus einzelnen aneinanderliegenden Scheiben besteht.

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren mit im Querschnitt eines vom Abgas durchströmten Gehäuses angeordneten Filterelementes, die jeweils mit unterschiedlich wirkenden Katalysatoren beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt des vom Abgas durchströmten Gehäuses (3) das Filterelement (1) mit offenporiger Struktur angeordnet ist, dessen eine in Ausströmungsrichtung (2) vordere Filterzone (1a) einen Katalysator zur Verminderung der Zündtemperatur der Russpartikeln trägt, und dessen andere der vorderen Filterzone (1a) nachgeschaltete Filterzone (1b) einen Katalysator zur Nachoxidation der gasförmigen Schadstoffe trägt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) ein Schaumfilter ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Filterelement (1) ein Lader nachgeschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader ein Druckwellenlader ist.

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