DE102010031986A1

DE102010031986A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von partikelhaltigem Abgas

Info

Publication number: DE102010031986A1
Application number: DE201010031986
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Lepperhoff Gerhard
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-01-26

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von partikelhaltigem Abgas, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Partikelagglomerationsanordnung zur Agglomeration von Partikeln vorgesehen ist und wobei die Partikelagglomerationsanordnung strömungsführende Flächen zur Führung des Abgases aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von partikelhaltigem Abgas, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Vorrichtung eine Partikelagglomerationsanordnung zur Agglomeration von Partikeln umfasst, welche strömungsführende Flächen zur Führung das Abgases aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung die Behandlung von Abgas von Dieselmotoren.
Bei allen partikelhaltigen Abgasen, insbesondere bei Abgasen von Verbrennungsmotoren, ist man grundsätzlich bemüht, die Partikelemissionen zu reduzieren. Zum Beispiel weisen Dieselmotoren im Vergleich zu Ottomotoren eine erhöhte Partikelemission auf, die es zu reduzieren gilt. Bisherige Bemühungen zur Reduktion der Partikelemission zielten darauf ab, die Partikelmassenemission zu verringern. Es hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere sehr kleine Partikel, sogenannte „Nanopartikel”, gesundheitsschädlich sind und daher die Partikelanzahl reduziert werden muss. Dies lässt sich zum Beispiel dadurch erzielen, dass man Vorrichtungen und Verfahren vorsieht, mittels derer kleine Partikel zu größeren Partikeln agglomeriert werden, die leichter aus dem Abgas herausgefiltert werden können. Dies ist erforderlich, da Nanopartikel (Kleinstpartikel) kaum von üblichen Filteranlagen herausgefiltert werden.
In dem Artikel „Entwicklungsstand metallischer Rußfilter für Dieselmotoren", F. Dehr, G. Hüthwohl, G. Lepperhof, Monografie des Forschungszentrums Jülich, Band 8, 1993, werden verschiedenen Rußfiltersysteme beschrieben. Insbesondere Metallfilter werden als günstig beschrieben, da sie eine hohe Thermoschockbeständigkeit aufweisen. So werden Metallfilter aus Drehspänen oder Fasern sowie Filter aus beschichteten Drahtnetzen beschrieben. Insbesondere Drallagglomeratoren mit Zyklon haben sich als geeignet herausgestellt. Die Drallagglomeratoren umfassen zwei Metallfolien, die wellig geprägt sind und so zueinander angeordnet sind, dass die Wellen unter 45° zueinander orientiert sind. Die Metallfolien werden zu Monoliten gewickelt, so dass die Wellprofile der Metallfolien Kanäle bilden, die sich unter 45° kreuzen. Durch die sich kreuzenden Kanäle der beiden Metallfolien werden die Strömungen gegenseitig in Rotation versetzt, die zu einer hohen radialen Beschleunigung der Partikel führen. Hierdurch bilden sich Rußlamellen aus, die unter Einwirkung der Pulsation des Abgases abreißen und so groß sind, dass sie mit einen nachgeschalteten Zyklon abgeschieden werden können.
In der DE 100 58 580 B4 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinenabgas offenbart, bei dem der Abgasstrom durch einen mit Hohlkugeln gefüllten Bereich geführt ist, an den sich ein mit Metallfasern gefüllter Bereich, als Partikelfilter, anschließt. Das Abgas strömt somit zunächst durch die Zwischenräume der Hohlkugeln, wobei eine relativ gleichmäßige Strömungsführung eingehalten werden kann. Die Hohlkugeln weisen eine bestimmte Porosität der Kugeloberfläche auf, wodurch die wirksame Oberfläche der Hohlkugeln vergrößert wird. Im Bereich der Hohlkugeln werden die Partikel im Abgasstrom agglomeriert, was insbesondere auf die Abgasströmung zwischen den Hohlkugeln zurückzuführen ist. Die Partikelagglomerate werden in dem sich anschließenden Bereich mit Metallfasern herausgefiltert. Kugeln zur Strömungsberuhigung haben jedoch den Nachteil, dass sie in Folge von Strömungspulsationen und Schwingungen, wie sie im Abgassystem auftreten, Relativbewegungen zueinander vollziehen, die im Dauerbetrieb zu Abrieb und zur Zerstörung der Kugeln führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von partikelhaltigem Abgas, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, bereitzustellen, welche einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und bei denen die Vorrichtung eine hohe Haltbarkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Behandlung von partikelhaltigem Abgas, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, gelöst, wobei die Vorrichtung eine Partikelagglomerationsanordnung zur Agglomeration von Partikeln umfasst. Die Partikelagglomerationsanordnung weist strömungsführende Flächen auf, welche auf der Oberfläche Whisker und/oder Dendriten aufweisen.
Whisker sind einkristalline dünne Fäden oder Stäbe auf einer Oberfläche und können bei legierten Stählen durch Wärmebehandlung und/oder chemische Behandlung erzeugt werden. Bei verzinkten Stahloberflächen wachsen die Whisker aus der Zinkoberfläche. Bei Keramikmaterialien können die Whisker ebenfalls durch nachfolgende Wärmebehandlung und/oder chemische Behandlungen der Oberfläche erzielt werden. Dendriten sind ebenfalls kleine fadenförmige oder stabförmige Gebilde auf der Oberfläche eines Materials, welche jedoch nicht zwingend einkristallin aufgebaut sind und welche durchaus eine Baumstruktur aufweisen können. Die durch Whisker und/oder Dendriten aufgerauten Oberflächen stellen ideale Oberflächen zur Anlagerung von Kleinstpartikeln, insbesondere Nanopartikeln, dar, die an der Oberfläche zu größeren Partikeln agglomeriert werden. Die größer werdenden Partikel wachsen so stark an, bis sie auf Grund ihres erhöhten Strömungswiderstandes von der Oberfläche gerissen beziehungsweise abgelöst werden. Die größeren Partikelagglomerate können leichter aus dem Abgas herausgefiltert werden.
Die strömungsführenden Flächen der Partikelagglomerationsanordnung können ein metallenes oder keramisches Material aufweisen. Andere Materialien, insbesondere Kunststoffe, welche geeignet sind, dendritenartige oder whiskerartige Formen auf der Oberfläche auszubilden, stellen ebenfalls im Sinne der Erfindung geeignete Materialien dar.
Die strömungsführenden Flächen können Metallfolie, Metallfasern oder Keramik umfassen.
Ferner kann die Vorrichtung einen Partikelfilter aufweisen, der entweder stromabwärts von der Partikelagglomerationsanordnung angeordnet ist, um stromabwärts die größeren Partikelagglomerate aufzunehmen und herausfiltern zu können. Andererseits ist es auch möglich, dass die Partikelagglomerationsanordnung mit dem Partikelfilter eine Einheit bildet. Hierbei können die strömungsführenden Flächen zumindest teilweise gleichzeitig auch den Partikelfilter bilden. Somit werden die Partikel in der Partikelagglomerationsanordnung zu größeren Partikelagglomeraten agglomeriert und in dem Partikelfilter gehalten, auch wenn sich diese von den strömungsführenden Flächen lösen.
Ferner kann ein Oxidationskatalysator vorgesehen sein. Die Partikelagglomerationsanordnung kann in einer bevorzugten Ausführungsform mit dem Oxidationskatalysator eine Einheit bilden, wobei die strömungsführenden Flächen zumindest teilweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen sind.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Behandlung von partikelhaltigem Abgas, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine gelöst, bei dem das mit Partikeln belastete Abgas durch eine Partikelagglomerationsanordnung mit strömungsführenden Flächen, deren Oberfläche Whisker und/oder Dendriten aufweist, geführt wird, wobei die Partikel im Abgas zu Partikelagglomeraten größerer Masse und/oder Größe agglomeriert werden, und die Partikelagglomerate mittels eines Partikelfilters aus dem Abgas gefiltert werden.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass das mit Partikeln belastete Abgas durch eine Partikelagglomerationsanordnung mit strömungsführenden Flächen aus einem metallenen oder keramischen Material geführt wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Abgas durch die Partikelagglomerationsanordnung geführt wird, wobei die Partikel zu Agglomeraten agglomeriert werden, wobei die Partikelagglomerate aufgrund ihres Strömungswiderstandes durch die Strömung des Abgases von der Oberfläche der strömungsführenden Flächen der Partikelagglomerationsanordnung gelöst werden und zu einem stromabwärts der Partikelagglomerationsanordnung angeordneten Partikelfilter geführt werden und dass die Partikelagglomerate im Partikelfilter aus dem Abgas gefiltert werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind nachfolgend in den Figuren näher erläutert. Die Ausführungen beziehen sich ebenso auf das erfindungsgemäße Verfahren. Hierin zeigt:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Partikelagglomerationsanordnung im Längsschnitt.
1 zeigt schematisch einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors 1, der eine Luftzuführung 2 und eine Abgasführung 3 aufweist. Das von dem Verbrennungsmotor 1 austretende Abgas wird durch die Abgasführung 3 zu einem Oxidationskatalysator 4 geleitet. Stromabwärts von dem Oxidationskatalysator 4 ist eine Partikelagglomerationsanordnung 5 vorgesehen, in welcher die Kleinstpartikel zu größeren Partikelagglomeraten agglomeriert werden. Stromabwärts der Partikelagglomerationsanordnung 5 befindet sich ein Partikelfilter 6, zum Beispiel ein herkömmlicher Dieselpartikelfilter, in dem die Partikel aus dem Abgas herausgefiltert werden, insbesondere die Partikelagglomerate. Nachfolgend wird die Partikelagglomerationsanordnung 5 auch verkürzt als Partikelagglomerator 5 bezeichnet, wobei diese im Sinne der Erfindung nicht notwendigerweise auf ein abgeschlossenes Modul beschränkt ist. Vielmehr kann die Partikelagglomerationsanordnung die strömungsführenden Oberflächen von Rohren, Gehäusen und sonstigen Komponenten der Abgasbehandlungsvorrichtung umfassen.
Stromabwärts vom Partikelfilter ist ein übliches NO_x-System 7 vorgesehen.
2 zeigt ein Beispiel einer kompakteren Vorrichtung zur Abgasbehandlung, wobei übereinstimmende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Hier bildet der Partikelagglomerator 5' eine Einheit mit dem Partikelfilter. Hieran schließt sich das NO_x-System 7 an.
3 zeigt ein anderes kompakteres System, bei dem der Partikelagglomerator 5'' zusammen mit dem Oxidationskatalysator eine Einheit bildet. Hieran schließt sich der Partikelfilter und das NO_x-System 7 an.
4 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau der Partikelagglomerationsanordnung 5. Dieser umfasst im vorliegenden Fall strömungsführende Flächen 8, 9, 10 aus Metallfolien, die parallel zueinander angeordnet sind, zum Beispiel in dem sie aufgerollt sind, wobei zwischen den einzelnen Metallfolienlagen 8, 9, 10, Kanäle 11, 12 gebildet sind, durch die das Abgas in Richtung der Pfeile hindurchgeführt wird.
An der Oberfläche der einzelnen Metallfolienlagen 8, 9, 10 sind Whisker und/oder Dendriten 14 ausgebildet. Die Partikel 13 werden durch die Kanäle 11, 12 hindurchgeführt und agglomerieren an den mit Whiskern oder Dendriten 14 ausgebildeten Oberflächen der Metallfolien 8, 9, 10 zu größeren Partikelagglomeraten 15, die auf Grund ihres erhöhten Strömungswiderstandes von der Oberfläche gerissen werden und aus den Kanälen 11, 12 austreten, um dann im Partikelfilter herausgefiltert zu werden.
Wenn der Partikelagglomerator gleichzeitig die Funktion des Partikelfilters übernimmt, sind die Kanäle 11, 12 zumindest stromabwärts so klein, dass dort die Partikelagglomerate herausgefiltert werden. Diese werden dann, wie bei Dieselpartikelfiltern üblich, durch Regenerationsverfahren abgebrannt.
Bezugszeichenliste

1: Dieselmotor
2: Luftzuführung
3: Abgasführung
4: Oxidationskatalysator
5: Partikelagglomerator
6: Partikelfilter
7: NO_x-System
8: strömungsführende Fläche, Metallfolienlage
9: strömungsführende Fläche, Metallfolienlage
10: strömungsführende Fläche, Metallfolienlage
11: Kanal
12: Kanal
13: Partikel
14: Whisker/Dendriten
15: Partikelagglomerat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10058580 B4 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Entwicklungsstand metallischer Rußfilter für Dieselmotoren”, F. Dehr, G. Hüthwohl, G. Lepperhof, Monografie des Forschungszentrums Jülich, Band 8, 1993 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Behandlung von partikelhaltigem Abgas, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine (1), wobei eine Partikelagglomerationsanordnung (5) zur Agglomeration von Partikeln (13) vorgesehen ist und wobei die Partikelagglomerationsanordnung strömungsführende Flächen zur Führung des Abgases aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsführenden Flächen (8, 9, 10) auf der Oberfläche Whisker und/oder Dendriten (14) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsführenden Flächen (8, 9, 10) mit Whiskern und/oder Dendriten (14) vor und/oder in einem Partikelfilter (6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsführenden Flächen (8, 9, 10) ein Material aufweisen, an dessen Oberfläche Whisker und/oder Dendriten (14) ausbildbar sind, insbesondere ein metallenes oder keramisches Material (8, 9, 10).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsführenden Flächen (8, 9, 10) Oberflächen aus verzinktem Stahl aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsführenden Flächen (8, 9, 10) Metallfolie oder Metallfasern umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelagglomerationsanordnung (5') und der Partikelfilter eine Einheit bilden, wobei die Partikelagglomerationsanordnung (5') zumindest teilweise auch den Partikelfilter bildet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelagglomerationsanordnung (5'') und ein Oxydationskatalysator eine Einheit bilden, wobei die strömungsführenden Flächen (8, 9, 10) zumindest teilweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen sind.
Verfahren zur Behandlung von partikelhaltigem Abgas, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine (1), bei dem das mit Partikeln (13) belastete Abgas durch eine Partikelagglomerationsanordnung (5) mit strömungsführenden Flächen (8, 9, 10) geführt wird, wobei die strömungsführenden Flächen auf ihrer Oberfläche Whisker und/oder Dendriten (14) aufweisen, wobei die Partikel (13) im Abgas zu Partikelagglomeraten (15) größerer Masse und/oder Größe agglomeriert werden, und die Partikelagglomerate (15) mittels eines Partikelfilters (6) aus dem Abgas gefiltert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Partikeln (13) belastete Abgas durch eine Partikelagglomerationsanordnung (5) mit strömungsführenden Flächen (8, 9, 10) aus einem metallenen oder keramischen Material geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas durch die Partikelagglomerationsanordnung (5) geführt wird, wobei die Partikel (13) zu Partikelagglomeraten (15) agglomeriert werden, wobei die Partikelagglomerate (15) aufgrund ihres Strömungswiderstandes durch die Strömung des Abgases von der Oberfläche der strömungsführenden Flächen (8, 9, 10) gelöst werden und zu einem stromabwärts der Partikelagglomerationsanordnung (5) angeordneten Partikelfilter (6) geführt werden und dass die Partikelagglomerate (15) im Partikelfilter (6) aus dem Abgas gefiltert werden.