DE10036190A1 - Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere für Dieselmotoren von Lokomotiven, mit einer Filtereinrichtung, welche eine Vielzahl von losen Filterpartikeln (42) aufweist, durch die zumindest ein Teil des zu reinigenden Abgases geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren, insbesondere für Dieselmotoren von Lokomotiven, mit einer Filtereinrichtung.

Eine derartige Abgasreinigungsvorrichtung enthält typischerweise einzelne oder mehrere monolitische Filterelemente aus keramischem Trägermaterial, die in ihrer Längserstreckungsrichtung durchgehende, meist quadratische Kanäle oder Zellen aufweisen. Diese Zellen haben poröse, filterwirksame Innenwandungen, die bei­ spielsweise bei einem Monolitvolumen von ca. einem Liter eine Oberfläche von etwa 3 m² aufweisen und an denen sich die im Abgas enthaltenen Rußpartikel anlagern. Das keramische Trägermaterial der Filterelemente ist gewöhnlich von einer Zwischenschicht überzogen, durch die die Oberfläche nochmals um ein Vieltausendfaches vergrößert wird. Es ist weiterhin bekannt, die Oberfläche außer­ dem mit einer katalytischen Schicht zu überziehen, deren Aufgabe es ist, die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe, insbesondere Kohlenmonoxid und Kohlen­ wasserstoffe, die sich wiederum an den Rußpartikeln angelagert haben, zu oxidie­ ren.

Bekannte Abgasreinigungsvorrichtungen weisen Keramikfilterelemente auf, die aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus Siliciumcarbid (SiC) bestehen. Diese Halbleiterfilterelemente werden üblicherweise an Stromversorgungen angeschlos­ sen, wodurch eine Aufheizung der Halbleiterfilterelemente auf eine Betriebstempe­ ratur von über 400°C bewirkt werden kann. Durch das Aufheizen werden zum einen die Rußpartikel verbrannt und zum anderen die Oxidation der Schadstoffe in Gang gesetzt. Eine solche Regeneration des Halbleiterfilterelements wird dann durchgeführt, wenn ein ansteigender Gegendruck des Abgases eine gewissen Füllmenge angelagerter Rußpartikel in den Zellen des Halbleiterfilterelements anzeigt. Da das relativ kühle Abgas die Heizwirkung negativ beeinflusst und sogar vollständig zunichte machen kann, muß für die Regeneration der Betrieb des Halbleiterfilterelementes unterbrochen werden, so daß während der Regeneration keine Abgase durch das Halbleiterfilterelement strömen können. Deshalb werden die Halbleiterfilterelemente überlicherweise nach Beendigung der Arbeitszeit wäh­ rend des Stillstands des Motors regeneriert. Ist eine Betriebspause mit längerem Stillstand des Motors nicht vorgesehen, so müssen die Filterelemente ausgetauscht werden.

Wünschenswert ist es, insbesondere für Motoren, die über lange Arbeitperioden ohne Stillstandzeiten in Betrieb sind, wie zum Beispiel Dieselmotoren einer Lokomo­ tive, eine Abgasreinigungsvorrichtung zum Reinigen von Abgasen zu schaffen, die eine größere Kapazität als die der bekannten Vorrichtungen bei vergleichbarem Aufwand bereitstellt und insbesondere eine Unterbrechung des Betriebes nicht notwendig macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Filtereinrichtung der Abgasreinigungsvorrichtung der eingangs genannten Art eine Vielzahl von losen Filterpartikeln aufweist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung einer Vielzahl von losen Filter­ partikeln besteht zum einen darin, dass ein außergewöhnlich niedriger Gegendruck realisiert werden kann, und zum anderen in der Erzielung einer sehr großen Reak­ tionsoberfläche.

Vorzugsweise sind die losen Filterpartikel zur Anlagerung von in den Abgasen enthaltenen Rußpartikeln ausgebildet, insbesondere wenn die Abgase von Diesel­ motoren stammen.

Eine gegenwärtig besonders bevorzugte Ausführung zeichnet sich dadurch aus, daß die Filterpartikel aus Keramik oder Tonerde bestehen und vorzugsweise eine Washcoat-Beschichtung aufweisen. Damit lassen sich nicht nur besonders gute Eigenschaften für die Anlagerung von Rußpartikeln erzielen, sondern zusätzlich auch noch eine katalytische Wirkung, insbesondere wenn die Filterpartikel auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt werden, so daß die erfindungsgemäße Anordnung der Vielzahl von losen Filterpartikeln diese beiden genannten Funktionen in vorteilhafter Weise in sich vereinigen kann.

Zweckmäßigerweise sind die losen Filterpartikel in Form einer Schüttung angeord­ net.

Zum Aufheizen der Filterpartikel, insbesondere um eine zusätzliche katalytische Wirkung zu erzielen, sollte zweckmäßigerweise eine entsprechende Heizeinrichtung vorgesehen sein, die die Filterpartikel auf eine Temperatur aufheizen sollte, bei welcher sie eine katalytische Wirkung entfalten.

Eine weitere gegenwärtig besonders bevorzugte weitere Ausführung zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich zu den losen Filterpartikeln noch mindestens ein Filterelement vorgesehen ist und die losen Filterpartikel und das mindestens eine Filterelement so angeordnet sind, dass ein Teil des zu reinigenden Abgases durch die losen Filterpartikel und ein anderer Teil des zu reinigenden Abgases durch das mindestens eine Filterelement strömt. Dabei sollten die losen Filterpartikel die Außenfläche des mindestens einen Filterelementes umgeben. Um den im Filter­ element angesammelten Ruß zu verbrennen, sollte das mindestens eine Filter­ element die Heizeinrichtung aufweisen, zumindest jedoch von der Heizeinrichtung direkt aufgeheizt werden, so dass es in diesem Fall von Vorteil ist, wenn die losen Filterpartikel mit dem mindestens einen Filterelement in wärmeleitendem Kontakt stehen. Bei einer Anordnung von mehreren Filterelementen der vorgenannten Art, von denen jedes Filterelement eine Heizeinrichtung aufweist, sollte eine Steuer­ einrichtung vorgesehen sein, die die Heizeinrichtungen der Filterelemente zyklisch der Reihe nach jeweils für ein bestimmtes Zeitintervall aktiviert; diese Maßnahme ist insbesondere bei der Verwendung von elektrischen Heizeinrichtungen von Vorteil, um eine zu hohe Belastung der elektrischen Anlage des Motors zu verhin­ dern. Als besonders günstig hat sich erwiesen, das Filterelement als ein vorzugs­ weise Siliciumcarbid enthaltendes Halbleiterfilterelement auszugestalten, das durch Anlegen einer Spannung aufgeheizt wird.

Die zuvor beschriebene bevorzugte Kombination aus der Anordnung einer Vielzahl von losen Filterpartikeln einerseits und der Anordnung mindestens eines Filter­ elementes andererseits hat den Vorteil, daß für die Regeneration des mindestens einen Filterelementes der Betrieb der gesamten Abgasreinigungsvorrichtung nicht unterbrochen werden muß, was insbesondere für die Reinigung von Ruß enthalten­ den Dieselmotorabgasen gilt. Je stärker sich nämlich das Filterelement mit Ruß zusetzt, um so stärker wird dort der Gegendruck und um so eher suchen sich die Abgase ihren Weg durch die benachbarte Anhäufung der Filterpartikel. Dies hat zur Folge, dass während der Regeneration durch Aufheizen des Filterelementes nahezu keine die Heizwirkung negativ beeinflussende Abgase mehr durch das Filterelement strömen. Die Aufheizung des Filterelementes während der Regenerationsphase hat außerdem zur Folge, dass auch die benachbarten Filterpartikel durch vom aufge­ heizten Filterelement ausgehende Strahlungswärme ebenfalls entsprechend aufge­ heizt werden, was zur Folge hat, dass der an den Filterpartikeln nun sich ansam­ melnde Ruß ebenfalls verbrannt wird. Ferner ergibt sich durch die parallele Auf­ heizung der Filterpartikel als weiterer vorteilhafter Effekt, dass nun die Filterpartikel auch katalytisch aktiv werden können, insbesondere wenn sie mit einem entspre­ chenden geeigneten Material versehen sind und über eine bestimmte Temperatur aufgeheizt werden. Dann können nämlich die Filterpartikel auch als Oxidations­ katalysator wirken. Somit erhalten die Filterpartikel eine doppelte Funktion, nämlich Rußablagerung zum einen und Oxidationskatalyse zum anderen.

Weitere Vorteile werden anhand des Ausführungsbeispiels in den folgenden be­ schriebenen Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische dreidimensionale Ansicht in das Innere einer bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung und

Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch einen Ab­ schnitt einer Abgasreinigungseinheit, in dem ein Halb­ leiterfilterelement und schematisch einige lose Filterp­ artikel dargestellt sind.

In Fig. 1 ist eine kombinierte Abgasreinigungs- und Schalldämpfungsvorrichtung für den Dacheinbau in eine Diesellokomotive dargestellt. Diese Vorrichtung befindet sich in einem Gehäusekasten 10, in dessen Unterseite sich ein Abgasrohr 12 erstreckt. In dem Gehäusekasten 10 befindet sich ferner eine Abgasreinigungsein­ heit 14 und zwei Schalldämpfungseinheiten 16 und 17.

Die Abgasreinigungseinheit 14 weist eine Vielzahl von Halbleiterfilterelementen 20 auf, die durch Öffnungen in einer ersten Wand 22 und in einer zweiten Wand 24 hindurchgesteckt sind. Die Halbleiterfilterelemente 20 werden von diesen beiden Wänden 22, 24 getragen. Das Abgasrohr 12 wird in dem Gehäusekasten 10 in einem Bogen umgelenkt, und das freie Ende 13 des Abgasrohres 12 ist durch jeweils eine entsprechende Öffnung in beiden Wänden 22, 24 der Abgasreinigungs­ einheit 14 hindurchgeführt. Die beiden Wände 22, 24 sowie die Außenwände des Gehäusekastens 10 begrenzen einen Zwischenraum 26, der mit einer Vielzahl in Fig. 1 nicht dargestellter, loser Filterpartikel aufgefüllt ist.

An der Unterseite des Gehäusekastens 10 befinden sich zwei Reihen elektrischer Durchführungen 28, 29, die zur elektrischen Kontaktierung der Enden der Halblei­ terfilterelemente 20 bestimmt sind.

Bei der dargestellten Abgasreinigungsvorrichtung wird das Abgas zunächst durch das Abgasrohr 12 in Richtung des Pfeils 32 in den Gehäusekasten 10 hineingeleitet und tritt, nachdem es mittels des Abgasrohres 12 durch die Abgasreinigungseinheit 14 hindurchgeführt wurde, in einen ersten Expansionsraum 34 des Gehäusekastens 10 aus. Von dort strömt das Abgas unter Richtungsumkehr durch die Abgasreini­ gungseinheit 14 hindurch in einen zweiten Expansionsraum 36. Dorthin gelangt es auf zwei möglichen Wegen: Ein erster Teilstrom durchströmt eine Vielzahl kleiner Öffnungen in der ersten Wand 22, anschließend den zwischen der ersten und zweiten Wand befindlichen Zwischenraum 26 und tritt durch eine weitere Vielzahl kleiner Öffnungen in der zweiten Wand 24 in den zweiten Expansionsraum 36 aus. Auf diesem Weg umströmt das Abgas die in dem Zwischenraum 26 befindlichen Filterpartikel. Ein zweiter Teilstrom durchströmt die Halbleiterfilterelemente 20 längs von diese durchsetzenden Zellen, wobei sich die in dem Abgas befindlichen Rußpartikel an den Innenwandungen der Zellen anlagern. Das Abgas verläßt den zweiten Expansionsraum 36 durch die Schalldämpfungseinheiten 16, 17 und tritt schließlich aus dem Gehäusekasten 10 an dessen Oberseite durch eine Öffnung 38 aus.

In Fig. 2 ist ein einzelnes Halbleiterfilterelement 20 zu erkennen, dass durch jeweils eine Öffnung in der ersten Wand 22 und der zweiten Wand 24 hindurchgesteckt ist und durch zwei an diesen Öffnungen angebrachte Laschen 40 in dieser Position gehalten wird. In dem Zwischenraum 26 ist eine Vielzahl loser Filterpartikel 42 angedeutet. Diese Filterpartikel, die aus Keramik oder Tonerde bestehen und eine Washcoat-Beschichtung aufweisen, können Kugelform oder die Form eines son­ stigen Granulats oder Pulvers haben und in einer beliebigen Orientierung in Form einer Schüttung angeordnet sein. Sie füllen dabei den Zwischenraum 26 - anders als in Fig. 2 skizziert - vorzugsweise vollständig aus.

Nachdem das Abgas durch die nicht dargestellten Zeilen des Halbleiterfilterele­ ments 20 und durch die Filterpartikel 42 hindurchgeströmt ist, werden sich zu­ nächst vorwiegend die Zellen in dem Halbleiterfilterelement 20 durch abgelagerte Rußpartikel zusetzen, wodurch aufgrund des sich dadurch erhöhenden Gegen­ druckes in den Halbleiterfilterelementen 20 der Anteil des Abgasstroms durch die Halbleiterfilterelemente 20 abnehmen und der Anteil des Abgasstroms durch die Filterpartikel 42 zunehmen wird.

Eine Unterbrechung des Betriebs des Motors ist zu diesem Zeitpunkt nicht notwen­ dig, da sich aufgrund der Umverteilung des Abgasstroms kein erhöhter Gegendruck durch das Abgas ergibt.

Der Regenerationsprozess der Abgasreinigungseinheit 14 des gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiels erfolgt durch Heizen jedes einzelnen der Halbleiterfiltereiemente 20. Hierzu sind diese an beiden Enden 44 und 45 elektrisch kontaktiert. Ein durch die Halbleiterfilterelemente 20 fließender Strom heizt diese auf Temperaturen vorzugs­ weise oberhalb 400 C° auf, wodurch die in den Zellen angelagerten Rußpartikel verbrannt und die wiederum an den Rußpartikeln angelagerten Schadstoffe oxidiert werden. Durch den wärmeleitenden, direkten Kontakt der an den Halbleiterfilter­ elementen 20 anliegenden Filterpartikel 42 werden auch diese mit aufgeheizt. Dies hat zur Folge, dass zum einen die sich an den Filterpartikeln 42 angelagerten Rußpartikel verbrannt werden und zum anderen die Filterpartikel 42 zusätzlich eine katalytische Wirkung erhalten und vorzugsweise als Oxidationskatalysator arbeiten.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, sind mehrere Halbleiterfilterelemente 20 parallel neben­ einander angeordnet, an die jeweils von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung mit Spannung zum Aufheizen angelegt werden kann. Da für das Aufheizen der Halbleiterfilterelemente 20 sehr hohe elektrische Leistung benötigt wird, besteht die Gefahr, dass die elektrische Anlage des Verbrennungsmotors überlastet wird. Um diese Gefahr zu vermeiden, sollte die Steuereinrichtung die Halbleiterfilterelemente 20 zyklisch der Reihe nach jeweils für ein bestimmtes Zeitintervall mit Spannung zum Aufheizen beaufschlagen, so dass also jeweils stets nur elektrische Leistung für das Aufheizen eines einzigen Halbleiterfilterelementes 20 bereitgestellt werden muß. Sind die Halbleiterfilterelemente 20 im wesentlichen gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Gehäusekastens 10 und in ausreichender Anzahl an­ geordnet, wie Fig. 1 erkennen läßt, so kann sich dabei die Wärme über sämtliche Filterpartikel 42 im Zwischenraum 26 im wesentlichen gleichmäßig teilen und kann die dadurch erzielte Temperatur ausreichen, um die zuvor beschriebene Wirkung an den Filterpartikeln zu erzielen.

Claims (12)

1. Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere für Dieselmotoren von Lokomoti­ ven, mit einer Filtereinrichtung (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (14) eine Vielzahl von losen Filterpartikeln (42) aufweist.

2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die losen Filterpartikel (42) zur Anlagerung von in den Abgasen enthaltenen Rußpartikeln ausgebildet sind.

3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterpartikel (42) aus Keramik oder Tonerde bestehen und vorzugsweise eine Washcoat-Beschichtung aufweisen.

4. Abgasreinigungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die losen Filterpartikel (42) in Form einer Schüttung angeordnet sind.

5. Abgasreinigungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung (20, 28, 29) zum Aufheizen der Filterp­ artikel (42).

6. Abgasreinigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (20, 28, 29) die Filterpartikel (42) auf eine Temperatur aufheizt, bei welcher sie eine katalytische Wirkung entfalten.

7. Abgasreinigungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Filtereinrichtung (14) zusätzlich mindestens ein Filterelement (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die losen Filterpartikel (42) und das mindestens eine Filterelement (20) so angeordnet sind, dass ein Teil des zu reinigenden Abgases durch die losen Filterpartikel (42) und ein anderer Teil des zu reinigenden Abgases durch das mindestens eine Filterelement (20) strömt.

8. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die losen Filterpartikel (42) die Außenfläche des mindestens einen Filterelementes (20) umgeben.

9. Abgasreinigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Filterelement (20) die Heiz­ einrichtung (28, 29) aufweist und die losen Filterpartikel (14) mit dem mindestens einen Filterelement (20) in wärmeleitendem Kontakt stehen.

10. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mehrere Filterelemente (20), von denen jedes Filterelement (20) eine Heizeinrichtung aufweist, und eine Steuereinrichtung, die die Heizeinrich­ tungen der Filterelemente (20) zyklisch der Reihe nach jeweils für ein bestimmtes Zeitintervall aktiviert.

11. Abgasreinigungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mindestens einen Filterelement (20) um ein vorzugsweise Siliciumcarbid enthaltendes Halbleiterfilterelement handelt.

12. Abgasreinigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Heizen an das Halbleiterfilterelement (20) eine Spannung anlegbar ist.