DE102017124225A1

DE102017124225A1 - Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102017124225A1
Application number: DE102017124225.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Döring; Axel Fiedler
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2019-04-18
Also published as: JP2019074089A; JP7187250B2; FI20185870A1; CN109681293A; KR20190043476A; CN109681293B; KR102515878B1

Abstract

Abgasnachbehandlungssystem (2) für eine Brennkraftmaschine (1), mit einem stromabwärts einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Partikelabscheider (3) aus mindestens einem Partikelabscheidermodul (6) zum Entfernen von Ruß- und Aschepartikeln aus dem Abgas, wobei zu reinigendes Abgas dem Partikelabscheider (3) über mindestens eine Abgaszuleitung zuführbar ist, wobei im Partikelabscheider (3) gereinigtes Abgas vom Partikelabscheider (3) über mindestens eine Abgasableitung abführbar ist, wobei das jeweilige Partikelabscheidermodul (6) mehrere von Abgas durchströmbare Abgasströmungskanäle (10) aufweist, über die das Abgas ausgehend von der Abgaszuleitung in Richtung auf die Abgasableitung führbar ist, wobei die Abgasströmungskanäle (10) durch benachbarte Strömungsführungselemente (8, 9) begrenzt sind, die in den Abgasströmungskanälen (10) makroskopische Strukturen wie Strömungsumlenkungszonen mit turbulenter Abgasströmung und/oder Strömungstotzonen und/oder Strömungszonen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten begrenezen, wobei das jeweilige Partikelabscheidermodul (6) mehrere von Abgas und/oder Druckluft durchströmbare Reinigungskanäle (11) aufweist, die quer zu den Abgasströmungskanälen (10) verlaufen und die ebenfalls von den Strömungsführungselementen (8, 9) begrenzt sind, wobei in solche Abschnitte der Strömungsführungselemente (8, 9), welche die Abgasströmungskanäle (10) von den Reinigungskanälen (11) trennen, Ausnehmungen für den Durchtritt von durch die Reinigungskanäle (11) strömendem Abgas und/oder strömender Druckluft eingebracht sind, über welche den Abgasströmungskanälen (10) zugewandte Oberflächen dieser Abschnitte der Strömungsführungselementen (8, 9) von Ruß und/oder Asche reinigbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung.
Aus der Praxis sind Abgasnachbehandlungssysteme von Brennkraftmaschinen bekannt, die als Abgasnachbehandlungsbaugruppen einen Partikelfilter, mindestens eine weitere in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts des Partikelfilters und/oder mindestens weitere eine in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts des Partikelfilters angeordnete Abgasnachbehandlungsbaugruppe aufweisen. Bei einer in Strömungsrichtung gesehen stromaufwärts des Partikelfilters positionierten Abgasnachbehandlungsbaugruppe handelt es sich insbesondere um einen Oxidationskatalysator zur Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) in Stickstoffdioxid (NO₂). Bei einer in Strömungsrichtung gesehen stromabwärts des Partikelfilters positionierten Abgasnachbehandlungsbaugruppe kann es sich um einen Schalldämpfer handeln. Dann, wenn in Strömungsrichtung des Abgasstroms gesehen stromaufwärts des Partikelfilters ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von NO in NO₂ positioniert ist, wird im Oxidationskatalysator NO mit Hilfe des im Abgasstrom enthaltenen Restsauerstoffs O₂ zu NO₂ gemäß folgender Gleichung oxidiert: 2 NO + O₂ → 2 NO₂
Bei dieser Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid liegt bei hohen Temperaturen das Gleichgewicht der Oxidationsreaktion auf der Seite von Stickstoffmonoxid. Das hat zur Folge, dass bei hohen Temperaturen der erzielbare Anteil an Stickstoffdioxid stark begrenzt ist.
Im Partikelfilter wird das im Oxidationskatalysator gewonnene Stickstoffdioxid mit sich im Partikelfilter sammelnden kohlenstoffhaltigen Partikeln, sogenanntem Ruß, zu Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N₂) und Stickstoffmonoxid (NO) umgesetzt. Hierbei erfolgt im Sinne einer passiven Regeneration des Partikelfilters eine kontinuierliche Entfernung der im Partikelfilter angelagerten, kohlenstoffhaltigen Feinstoffpartikel bzw. des Rußes, wobei diese Umsetzung nach folgenden Gleichungen erfolgt: 2 NO₂ + C → 2 NO + CO₂ NO₂ + C → NO + CO 2 C + 2 NO₂ → N₂ + 2 CO₂
Dann, wenn mit einer solchen passiven Regeneration des Partikelfilters keine vollständige Umwandlung der im Partikelfilter eingelagerten, kohlenstoffhaltigen Feinstoffpartikel bzw. des Rußes erfolgen kann, steigt der Kohlenstoffanteil bzw. Rußanteil im Partikelfilter, wobei der Partikelfilter dann zur Verstopfung neigt, wodurch letztendlich ein sogenannter Abgasgegendruck an einer dem Abgasnachbehandlungssystem vorgelagerten Brennkraftmaschine steigt. Ein steigender Abgasgegendruck an der Brennkraftmaschine mindert die Leistung der Brennkraftmaschine und verursacht einen erhöhten Kraftstoffverbrauch.
Um einen Anstieg der kohlenstoffhaltigen Feinstoffpartikel bzw. des Rußes im Partikelfilter und damit ein Verblocken desselben zu vermeiden, ist es aus der Praxis bereits bekannt, Partikelfilter mit einer katalytischen Beschichtung zu versehen. Dabei kommen vorzugsweise platinhaltige Beschichtungen zum Einsatz. Die Verwendung solcher Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung kann jedoch die Ladung des Partikelfilters mit kohlenstoffhaltigen Feinstoffpartikeln, also mit Ruß, nur in unzureichendem Maße verhindern.
Dann, wenn wie dies bei Schiffsdieselbrennkraftmaschinen typischerweise der Fall ist, die Brennkraftmaschine, in welcher das Abgasnachbehandlungssystem betrieben wird, mit stark schwefelhaltigem Kraftstoff wie zum Beispiel mit Schweröl betrieben wird, besteht das weitere Problem, dass es infolge des starken Anfalls an Asche und Ruß ebenfalls zu einer Verstopfung eines Partikelfilters des Abgasnachbehandlungssystems kommen kann. Insbesondere bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen können durch die anfallende Asche und Ruß Wartungsintervalle von Partikelfiltern so dramatisch verkürzt werden, dass ein sinnvoller Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems nicht mehr möglich ist.
Aus den obigen Gründen ist es aus der Praxis daher bereits bekannt, in Abgasnachbehandlungssystemen Partikelfilter durch filterlose Partikelabscheider zu ersetzen. Bei einem Partikelabscheider durchströmt das Abgas kein Filtermedium, vielmehr wird die Abgasströmung entlang einer strukturierten Oberfläche geführt und umgelenkt, um hierdurch Partikel abzuscheiden.
Aus der EP 1 072 765 B2 ist ein Verfahren zur Abscheidung von Partikeln aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen bekannt. Partikel werden durch Diffusion in Strömungstotzonen abgeschieden. Die Abscheidung von Partikeln aus dem Abgas durch Diffusion ist nach dem aus der EP 1 072 765 B2 bekannten Verfahren einfach möglich, es besteht allerdings das Problem, dass bei instationär betriebenen Brennkraftmaschinen oft nicht ausreichend NO₂ zur Verfügung steht, um abgeschiedenen Kohlenstoff zu oxidieren. Daher muss der Partikelabscheider die Partikel solange speichern, bis zu einem späteren Zeitpunkt ausreichend NO₂ zur Oxidation des Kohlenstoffs vorhanden ist. Dabei darf jedoch der Partikelfilter nicht verstopfen.
Ein weitere Partikelabscheider ist aus der DE 10 2008 029 520 A1 bekannt. Auch in diesem Partikelabscheider wird Abgas stetig umgelenkt, um Partikel aus dem Abgas abzuscheiden.
Es besteht Bedarf an einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem Partikelabscheider, in dem abgeschiedene Partikel, insbesondere Kohlenstoffpartikel, für eine spätere Oxidation zwischenspeicherbar sind und aus dem Ruß und Asche zur Vermeidung eines Verstopfens des Partikelabscheiders ausgetragen werden können. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Abgasnachbehandlungssystem und ein neuartiges Verfahren zur Abgasnachbehandlung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Das Abgasnachbehandlungssystem verfügt über mindestens ein Partikelabscheidermodul zum Entfernen von Ruß- und Aschepartikeln aus dem Abgas, wobei dem Partikelabscheider zu reinigendes Abgas über mindestens eine Abgaszuleitung zuführbar ist, wobei im Partikelabscheider gereinigtes Abgas vom Partikelabscheider über mindestens eine Abgasableitung abführbar ist, wobei das jeweilige Partikelabscheidermodul mehrere von Abgas durchströmbare Abgasströmungskanäle aufweist, über die das Abgas ausgehend von der Abgaszuleitung in Richtung auf die Abgasableitung führbar ist, wobei die Abgasströmungskanäle durch benachbarte Strömungsführungselemente begrenzt sind, die in den Abgasströmungskanälen makroskopische Strukturen wie Strömungsumlenkungszonen mit turbulenter Abgasströmung und/oder Strömungstotzonen und/oder Strömungszonen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten begrenzen, wobei das jeweilige Partikelabscheidermodul mehrere von Abgas und/oder Druckluft durchströmbare Reinigungskanäle aufweist, die quer zu den Abgasströmungskanälen verlaufen und die ebenfalls von den Strömungsführungselementen begrenzt sind, und wobei zumindest in solche Abschnitt der Strömungsführungselemente, welche die Abgasströmungskanäle von den Reinigungskanälen trennen, Ausnehmungen für den Durchtritt von durch die Reinigungskanäle strömendem Abgas und/oder für den Durchtritt von durch die Reinigungskanäle strömender Druckluft eingebracht sind, über welche den Abgasströmungskanälen zugewandte Oberflächen der Strömungsführungselementen von Ruß und/oder Asche reinigbar sind.
Bei dem Partikelfilter des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems können Kohlenstoffpartikel für eine Oxidation zwischengespeichert werden, weiterhin können zur Vermeidung eines Blockierens des Partikelfilters Asche und Ruß ausgetragen werden. Die Kohlenstoffpartikel werden über Diffusion und/oder Konvektion der Partikel an Oberflächen der Abgasströmungskanäle abgeschieden. Über die Reinigungskanäle, über die Druckluft und/oder Abgas geführt werden kann, kann Asche und Ruß aus dem Partikelfilter effektiv entfernt werden.
Nach einer Weiterbildung bilden die den Abgasströmungskanälen zugewandte Oberflächen der Strömungsführungselemente mikroskopische Strukturen aus. Vorzugsweise vergrößern die mikroskopischen Strukturen eine wirksame Oberfläche der makroskopischen Strukturen, wobei die mikroskopischen Strukturen vorzugsweise eine Rauhigkeit zwischen 0,05 µm und 50 µm aufweisen. Die mikroskopischen Strukturen an den Abgasströmungskanälen zugewandten Oberflächen der Strömungsführungselemente verbessern die Abscheidung der Partikel aus dem Abgas über Diffusion und/oder Konvektion. Dabei ist die Rauigkeit der mikroskopischen Strukturen zwischen 0,05 µm und 50 µm besonders bevorzugt, um einen dünnen, stagnierenden Grenzfilm aus abgeschiedenen Partikeln auszubilden, indem die Strömungsgeschwindigkeit gegen Null geht. So kann vermieden werden, dass Partikel wieder von der Strömung losgerissen werden.
Nach einer Weiterbildung weisen die Strömungsführungselemente ebene bzw. zweidimensional konturierte Strömungsführungselemente und gewellte bzw. dreidimensional konturierte Strömungsführungselemente auf, die wechselweise sandwitchartig oder stapelartig unter Ausbildung mehrerer Lagen aus Abgasströmungskanälen und Reinigungskanälen ausgebildet sind. Vorzugsweise bilden die dreidimensional konturierten Strömungsführungselemente als makroskopische Strukturen sich in Richtung der Abgasströmungskanäle erstreckende strömungsführende Konturen, sich quer zur Richtung der Abgasströmungskanäle erstreckende strömungsaufstauende Konturen und strömungsführende Durchbrüche aus. Die zweidimensional konturierten Strömungsführungselemente bilden als makroskopische Strukturen strömungsführende Durchbrüche aus.
Sandwichartig oder stapelartig übereinander angeordnete Strömungsführungselemente, welche die Abgasströmungskanäle und Reinigungskanäle ausbilden oder begrenzen, sind zur Abscheidung von Kohlenstoffpartikel über Diffusion und/oder Konvektion sowie zur Reinigung des Partikelfilters von Asche und Ruß besonders bevorzugt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen die Strömungsführungselemente eine Wandstärke zwischen 40 µm und 150 µm, bevorzugt zwischen 40 µm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 40 µm und 60 µm, auf. Eine derart dünne Wandstärke der Strömungsführungselemente erlaubt eine effektive Strömungsführung, effektive Abscheidung von Kohlenstoffpartikeln und effektive Reinigung des Partikelabscheiders jeweils bei kompakter Bauform.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung ist in Anspruch 14 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1: ein Blockschaltbild eines Abgasnachbehandlungssystems;
2: ein Detail der 1.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, vorzugsweise für eine auf einem Schiff zum Einsatz kommende Brennkraftmaschine, die mit stark schwefelhaltigem Kraftstoff wie z.B. mit Schweröl betrieben wird.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines stromabwärts einer Brennkraftmaschine 1 positionierten Abgasnachbehandlungssystems 2. Das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 1 umfasst einen stromabwärts der Brennkraftmaschine 1 positionierten Partikelabscheider 3.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sowohl in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts des Partikelabscheiders 3 als auch in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts des Partikelabscheiders 3 jeweils mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente des Abgasnachbehandlungssystems positioniert sein kann. Stromaufwärts des Partikelabscheiders 3 kann z.B. ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von NO in NO₂ positioniert sein. Stromabwärts des Partikelabscheiders 3 kann z.B. ein Schalldämpfer positioniert sein.
Dem Partikelabscheider 3 kann zu reinigendes Abgas 4 über eine im Detail nicht gezeigte Abgaszuleitung zugeführt werden.
Nach dem Durchströmen des Partikelabscheiders 3 vom zu reinigenden Abgas kann gereinigtes Abgas 5 vom Partikelabscheider 3 abgeführt werden, vorzugsweise über mindestens eine ebenfalls nicht im Detail gezeigte Abgasableitung.
Im Blockschaltbild der 1 umfasst der Partikelabscheider 3 zwei Partikelabscheidermodule 6. Diese beiden in 1 gezeigten Partikelabscheidermodule 6 sind dabei parallel zueinander geschaltet.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass zusätzlich oder alternativ zu solchen parallel zueinander geschalteten Partikelabscheidermodulen 6 ein Partikelabscheider 3 auch in Reihe bzw. seriell hintereinander geschaltete Partikelabscheidermodule 6 aufweisen kann.
Jedes Partikelabscheidermodul 6 des Partikelabscheiders 3 weist mehrere von Abgas durchströmbare Abgasströmungskanäle 10 (siehe 2, 3) auf, über die das Abgas ausgehend von der Abgaszuleitung in Richtung auf die Abgasableitung führbar ist. Die Strömungskanäle 10 sind durch benachbarte, vorzugsweise metallische und/oder keramische und/oder quarzhaltige und/oder glashaltige und/oder siliziumhaltige und/oder silikathaltige Strömungsführungselemente 8, 9 begrenzt, die in den Abgasströmungskanälen 10 makroskopische Strukturen im Millimeter (mm) Größenbereich oder Zentimeter (cm) Größenbereich ausbilden oder begrenzen, insbeosendere Strömungsumlenkungszonen mit turbulenter Abgasströmung und/oder Strömungstotzonen und/oder Strömungszonen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Zusätzlich zu den Abgasströmungskanälen 10, im Bereich derer insbesondere Kohlenstoffpartikel durch Diffusion und/oder Konvektion abgeschieden werden, umfasst das jeweilige Partikelabscheidermodul 6 mehrere von Abgas und/oder Druckluft durchströmbare Reinigungskanäle 11, die quer zu den Abgasströmungskanälen 10 verlaufen und ebenfalls von den Strömungsführungselementen 8, 9 begrenzt sind.
Einige der Strömungsführungselemente 8, 9 bzw. Abschnitte derselben begrenzen demnach einerseits auf einer ersten Seite einen der Abgasströmungskanäle 10 und auf einer zweiten Seite einen der Reinigungskanäle 11. In solche Strömungselemente 8, 9 bzw. zumindest in solche Abschnitte der Strömungsführungselemente 8, 9, welche einerseits die Abgasströmungskänale 10 und andererseits die Reinigungskanäle 11 voneinander trennen, sind Ausnehmungen für den Durchtritt von durch die Reinigungskanäle 11 strömendem Abgas und/oder von durch die Reinigungskanäle 11 strömender Druckluft eingebracht, über welche den Abgasströmungskanälen 10 zugewandte Oberflächen bzw. Oberflächenabschnitte des Strömungsführungselemente 8, 9 von Ruß und/oder Asche gereinigt werden können, indem das über die Reinigungskanäle 11 strömende Abgas und/oder die strömende Druckluft über diese Ausnehmungen strömt und so die den Abgasströmungskanälen 10 zugewandten Oberflächen bzw. Oberflächenabschnitte der Strömungsführungselemente 8, 9 von Ruß und/oder Asche reinigt.
Die Strömungsführungselemente 8, 9 weisen einerseits ebene, plattenartige und damit zweidimensional konturierte Strömungsführungselemente 8 und andererseits gewellte und damit dreidimensional ausgeführte Strömungsführungselemente 9 auf, die, wie 2 und 3 entnommen werden kann, wechselweise sandwichartig oder stapelartig übereinander angeordnet sind, und zwar unter Ausbildung mehrerer Lagen aus Abgasströmungskanälen 10 und Reinigungskanälen 11.
Die Strömungsführungselemente 8, 9 weisen dabei vorzugsweise eine Wandstärke zwischen 40 µm und 150 µm, bevorzugt zwischen 40 µm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 40 µm und 60 µm, auf, sodass dieselben demnach folienartig ausgebildet sind.
Die Strömungsführungselemente 8, 9 können auch als Streckmetalllagen oder gitterartig ausgeführt sein.
Die dreidimensional konturierten Strömungsführungselemente 9 bilden dabei als makroskopische Strukturen sich in Richtung der Abgasströmungskanäle 10 erstreckende strömungsführende Konturen 12 sowie sich quer zur Richtung der Abgasströmungskanäle erstreckende, strömungsaufstauende Konturen 13 aus, ebenso wie strömungsführende Durchbrüche 14, in welchen sich typischerweise turbulente Strömungen ausbilden. Bei den dreidimensional konturierten Strömungsführungselemente 9 kann es sich um gewellte Streckmetalllagen handlen.
Die zweidimensional konturierten Strömungsführungselemente 8 trennen jeweils zwei benachbarte dreidimensional konturierte Strömungsführungselemente 9 voneinander und bilden als makroskopische Strukturen strömungsführende Durchbrüche 15 aus. Bei den zweidimensional konturierten Strömungsführungselemente 8 kann es sich um glatte Streckmetalllagen handeln.
Abgas, welches einen Abgasströmungskanal 10 einer Lage durchströmt und sich im Bereich einer strömungsaufstauenden Kontur 13 dieser Lage aufstaut, wird gezwungen, über einen strömungsführenden Durchbruch 14 entweder in einen anderen Abgasströmungskanal 10 in einer benachbarten Lage oder in den sich anschließenden Reinigungskanal 11 und einen Durchbruch 14 einer anschließenden strömungsführenden Kontur 12 in einen Abgasströmungskanal 10 dergleichen Lage zu strömen, wobei dieses Abgas im Bereich dieses Abgasströmungskanals dann wiederum soweit in Richtung auf die Abgasableitung strömen kann, bis das Abgas wiederum in den Bereich einer nachfolgenden strömungsaufstauenden Kontur 13 gelangt.
Über diese nachfolgende strömungsaufstauenden Kontur 13 wird das Abas wiederum gezwungen, über einen Durchbruch 14 in einen Strömungsführungskanal 10 einer benachbarten Lage oder über den sich anschließenden Reinigungskanal 11 und einen Durchbruch 14 der sich anschließenden strömungsführenden Kontur 12 in einen Abgasströmungskanal 10 dergleichen Lage zu strömen.
Das über die Strömungsführungskanäle 10 strömende Abgas durchströmt demnach kein Filtermedium, vielmehr wird das Abgas mehrfach zu einer Strömungsumlenkung gezwungen, wobei sich hierbei insbesondere im Bereich der strömungsaufstauenden Konturen 13, an welche sich Strömungstotzonen ausbilden, Partikel durch Diffusion und/oder Konvektion abscheiden können.
Um die Abscheidung von Partikeln aus dem Abgas durch Diffusion und/oder Konvektion zu unterstützen, sind an den Strömungsführungselementen 8, 9, und zwar an in den Strömungsführungskanälen 10 zugewandten Oberflächen bzw. Oberflächenabschnitten der Strömungsführungselemente 8, 9, mikroskopische Strukturen ausgebildet, also Strukturen im Mikrometer (µm] Bereich, um im Bereich dieser Oberflächen eine Rauigkeit von vorzugsweise zwischen 0,05 µm und 50 µm einzustellen und hierdurch eine wirksame Oberfläche der makroskopischen Strukturen zu vergrößern.
Dann, wenn die Rauigkeit der mikroskopischen Strukturen zwischen 0,05 µm und 50 µm beträgt, kann im Bereich der makroskopischen Strukturen ein dünner, stagnierender Grenzfilm ausgebildet werden, in dem die Strömungsgeschwindigkeit gegen Null geht. Hierdurch wird vermieden, dass im Bereich der aufgerauten Oberflächen abgeschiedene Partikel wieder von der Abgasströmung losgerissen werden können.
Die mikroskopischen Strukturen, die insbesondere im Bereich strömungsaufstauender makroskopischer Strukturen ausgebildet sind, können durch mechanische Bearbeitung und/oder durch chemische Behandlung der jeweiligen Oberflächen ausgebildet werden.
So ist es möglich, an den Oberflächen der makroskopischen Strukturen unter Ausbildung mikroskopischer Strukturen die Rauigkeit der Oberflächen durch Bürsten und/oder Schleifen und/oder Kratzen und/oder Strahlen und/oder Prägen und/oder Nadeln einzustellen, sodass dann die mikroskopischen Strukturen als Bürststrukturen und/oder Schleifstrukturen und/oder Kratzstrukturen und/oder Strahlstrukturen und/oder Prägestrukturen und/oder Nadelstrukturen ausgebildet sind. Ferner ist es möglich, die mikroskopischen Strukturen durch eine chemische Behandlung wie Ätzen und/oder Galvanisieren und/oder Eloxieren auszubilden, sodass dann die mikroskopischen Strukturen als Ätzstrukturen und/oder Galvanisierstrukturen und/oder Eloxierstrukturen ausgebildet sind. Ferner kann eine Coronabehandlung der Oberflächen zur Ausbildung der mikroskopischen Strukturen erfolgen.
Ferner kann eine Legierung des vorzugsweise metallischen Werkstoffs der Strömungsführungselemente 8, 9 angepasst werden, sodass sich deren Oberflächenstruktur unter Wärmeeinwirkung und/oder unter Variation des pH-Werts verändert. Ein Beispiel hierfür ist das Einfügen von Aluminium in die Legierung der Strömungsführungselemente 8, 9. Das Aluminium wandert bei hohen Temperaturen an die Oberfläche und bildet dort Aluminiumcluster aus. Der Legierungswerkstoff für die Strömungsführungselemente gewählt werden, dass dessen Oberfläche sich einfach korrodieren oder oxidieren lässt.
Dadurch ist es möglich, die Rauigkeit der Oberfläche im Bereich der Abgasströmungskanäle 10 während des Betriebs der Brennkraftmaschine durch die oxidierende und korrosive Atmosphäre des Abgases zu erhöhen. Dies gelingt bereits nach einer kurzen Einlaufphase, sodass dann auf eine mechanische oder chemische Behandlung der Oberfläche des Strömungsführungselements verzichtet werden kann.
Auch das Aufbringen von metallischem Pulver mit anschließender Fixierung des Pulvers an den Strömungsführungselementen durch Löten oder Sintern ist möglich, um definierte mikroskopische Strukturen mit einer definierten Rauigkeit auszubilden.
Wie bereits ausgeführt, sind die Strömungsführungselemente 9 dreidimensional konturiert. Hierzu können die Strömungsführungselemente 9 gewellt und/oder ziehharmonikaförmig konturiert sein.
Um die den Abgasströmungskanälen 10 zugewandten, der Partikelabscheidung über Diffusion und/oder Konvektion dienenden Oberflächen der Strömungsführungselemente 8, 9, welche insbesondere die strömungsaufstauenden Strukturen 13 ausbilden, effektiv zu reinigen, sind in diese Abschnitte der Strömungsführungselemente 8, 9 Ausnehmungen eingebracht, insbesondere über Perforationen oder Schlitzungen, durch die Abgas und/oder Druckluft, welches durch die Reinigungskanäle 11 strömt, in die Abgasströmungskanäle 10 zu lenken und so Ruß und/oder Asche von den Oberflächen zu entfernen.
Die Reinigungskanäle 11 erstrecken sich dabei quer zu den Abgasströmungskanälen 10, insbesondere schließen die Reinigungskanäle 11 mit den Abgasströmungskanälen 10 einen Winkel zwischen 20° und 160°, bevorzugt einen Winkel zwischen 50° und 120°, besonders bevorzugt einen Winkel zwischen 80° und 100°, insbesondere von 90°, ein. Die Reinigungskanäle 11 sind dabei vorzugsweise an einem Ende verschlossen, um das über die Reinigungskanäle 11 geleitete Abgas bzw. die über die Reinigungskanäle 11 geleitete Druckluft durch die Ausnehmungen bzw. Perforationen in den entsprechenden Abschnitten der Strömungsführungselemente 8, 9 zu führen.
Die Abmessungen der makroskopischen Strukturen liegt vorzugsweise im Millimeter-Bereich oder Zentimeter-Bereich und ist demnach um ein Mehrfaches größer als die Abmessung der größten abzuscheidenden Partikel. Makroskopische Durchbrüche für die Strömung sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie die Bildung von turbulenten Strömungen unterstützen. Ferner wird die Bildung von Strömungstotzonen unterstützt. Es werden Bereiche mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten ausgebildet.
Die Strömungsführungselemente 8, 9 jedes Partikelabscheidermoduls 6 sind in einem Canning eingefasst, um so das jeweilige Partikelabscheidermodul 6 bereitzustellen. Mehrere Partikelabscheidermodule 6 können unter Ausbildung einer Parallelschaltung und/oder Reihensschaltung von Partikelabscheidermodulen 6 in einem gemeinsamen Gehäuse 17 positioniert werden. 1 zeigt stark schematisiert ein solches Gehäuse 17 für mehrere Partikelabscheidermodule 6 sowie ein Canning 16 für das jeweilige Partikelabscheidermodul 6. Die Partikelabscheidermodule 6 sind vorzugsweise derart in dem gemeinsamen Gehäuse 17 angeordnet, dass die Partikelabscheidermodule 6 zerstörungsfrei aus dem Gehäuse 17 entnommen werden können.
Über die Cannings 16 können benachbarte Partikelabscheidermodule 6 gegeneinander abgedichtet sein, z.B. über nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ineinander eingesteckte Konturen wie Kegel und Konen der Cannings 16.
Über das Gehäuse 17 eines Partikelabscheiders 3 kann den Partikelabscheidermodulen 6 sowohl das zu reinigende Abgas zugeführt werden, ferner kann über das Gehäuse 17 gereinigtes Abgas abgeführt werden. Auch Druckluft, die über die Reinigungskanäle 11 der Partikelabscheidermodule 6 geführt wird, kann denselben über das Gehäuse 17 des Partikelabscheiders 3 zugeführt werden. Dabei kann im Gehäuse ein Sammelraum ausgebildet sein, und zwar ein Sammelraum für Abgas sowie ein Sammelraum für Druckluft, um ausgehend von diesem Sammelraum Abgas und Druckluft in Richtung auf die Abgasströmungskanäle 10 und Reinigungskanäle 11 zu führen. Die über die Reinigungskanäle 11 geführte Druckluft wird vorzugsweise von Partikelabscheidermodul 6 zu Partikelabscheidermodul 6 weitergeleitet.
Zur Abgasnachbehandlung werden die Abgasströmungskanäle 10 und die Reinigungskanäle 11 vorzugsweise nicht gleichzeitig durchströmt. Insbesondere ist vorgesehen, dass dann, wenn ein Abgasnachbehandlungssystem zwei oder mehrere Partikelabscheider 3 umfasst, und dann, wenn ein erster Partikelabscheider 3 zur Abgasreinigung genutzt wird und hierbei durch die Abgasströmungskanäle 10 desselben Abgas geleitet wird, ein zweiter Partikelabscheider 3 gereinigt wird und hierzu durch dessen Reinigungskanäle 11 Abgas und/oder Druckluft geleitet wird, wobei dann im Bereich des zweiten Partikelabscheiders 3 die Abgasströmung durch die Abgasströmungskanäle 10 desselben vorzugsweise vollständig unterbunden oder alternativ reduziert ist.
Das Verfahren lässt sich zudem dadurch verbessern, dass in den Reinigungsphasen, in denen der Ruß und die Asche aufgewirbelt wird, eine Absaugung dieser aufgewirbelten Feststoffe aus dem Partikelabscheider 3 und anschließende Sammlung in einem geeigneten Behälter erfolgt. Dieser kann zu einem späteren Zeitpunkt geleert werden.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Partikelabscheiders werden die Strömungsführungselemente 8, 9 bereitgestellt, wobei die mikroskopischen Strukturen an den Strömungsführungselementen 8, 9 entweder vor oder nach der Ausbildung von makroskopischen Strukturen ausgebildet werden können.
Das Ausbilden der mikroskopischen Strukturen erfolgt vorzugweise durch Strahlen und/oder Schleifen und/oder Prägen und/oder Nadeln und/oder Ätzen und/oder Galvanisieren und/oder Eloxieren und/oder Bürsten und/oder Koronabestrahlen oder dergleichen.
Zur Herstellung eines Partikelabscheidermoduls 6 kann so vorgegangen werden, dass Grundkörper für die Strömungsführungselemente 8, 9 zunächst durch Partikelstrahlen und/ oder Schleifen und/ oder Prägen und/ oder Nadeln und/ oder Ätzen mit mikroskopischen Strukturen versehen werden. Anschließend werden durch Umformen oder Auflöten oder Anschweißen makroskopische Strukturen ausgebildet werden, wobei so die dreidimensional konturierten Strömungsführungselemente 9 ausgebildet werden. Durch Prägen oder Prägeschneiden können die Durchbrüche 14, 15 erzeugt werden, die im fertig montierten Zustand die Verbindung benachbarter Abgasströmungskanäle 10 ausbilden. Anschließend werden durch Aufeinanderschichten von dreidimensional konturierten Strömungsführungselementen 9 vorzugsweise im Wechsel mit zweidimensional konturierten Strömungsführungselementen 9 Pakete aus Strömungsführungselementen 8, 9 gebildet. Insbesondere kann ein solches Packet durch S-förmiges Verdrehen vorzugsweise senkrecht zur Verlaufsrichtung der Abgasströmungskanäle zu einem näherungsweise zylinderförmigen Körper geformt werden. Ein solcher Körper kann in einem Canning 16 angeordnet werden. Übereinander angeordnete Strömungsführungselemente 8, 9 eines Pakets oder zylinderförmigen Körpers können fest miteinander verbunden werden, zum Beispiel durch Schweißen oder Löten.
Die mikroskopischen Strukturen könne auch im Abschluss an die makroskopischen Strukturen ausgebildet werden. Zur Ausbildung der mikroskopischen Strukturen kann z.B. ein durch Ausschichten gebildetes Paket aus Strömungsführungselemente 8, 9 durch Tauchen in eine Ätzlösung und anschließendem entfernen der Ätzlösung an allen Oberflächen mit einer mikroskopischen Struktur versehen werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasnachbehandlungssystem
3: Partikelabscheider
4: zu reinigendes Abgas
5: gereinigtes Abgas
6: Partikelabscheidermodul
7: Druckluft
8: Strömungsführungselement
9: Strömungsführungselement
10: Abgasströmungskanal
11: Reinigungskanal
12: strömungsführende Kontur
13: strömungsaufstauende Kontur
14: strömungsführender Durchbruch
15: strömungsführender Durchbruch
16: Canning
17: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1072765 B2 [0009]
DE 102008029520 A1 [0010]

Claims

Abgasnachbehandlungssystem (2) für eine Brennkraftmaschine (1), mit einem stromabwärts einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Partikelabscheider (3) aus mindestens einem Partikelabscheidermodul (6) zum Entfernen von Ruß- und Aschepartikeln aus dem Abgas, wobei dem Partikelabscheider (3) zu reinigendes Abgas über mindestens eine Abgaszuleitung zuführbar ist, wobei im Partikelabscheider (3) gereinigtes Abgas vom Partikelabscheider (3) über mindestens eine Abgasableitung abführbar ist, wobei das jeweilige Partikelabscheidermodul (6) mehrere von Abgas durchströmbare Abgasströmungskanäle (10) aufweist, über die das Abgas ausgehend von der Abgaszuleitung in Richtung auf die Abgasableitung führbar ist, wobei die Abgasströmungskanäle (10) durch benachbarte Strömungsführungselemente (8, 9) begrenzt sind, die in den Abgasströmungskanälen (10) makroskopische Strukturen wie Strömungsumlenkungszonen mit turbulenter Abgasströmung und/oder Strömungstotzonen und/oder Strömungszonen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten begrenzen, wobei das jeweilige Partikelabscheidermodul (6) mehrere von Abgas und/oder Druckluft durchströmbare Reinigungskanäle (11) aufweist, die quer zu den Abgasströmungskanälen (10) verlaufen und die ebenfalls von den Strömungsführungselementen (8, 9) begrenzt sind, wobei zumindest in solche Abschnitte der Strömungsführungselemente (8, 9), welche die Abgasströmungskanäle (10) von den Reinigungskanälen (11) trennen, Ausnehmungen für den Durchtritt von durch die Reinigungskanäle (11) strömendem Abgas und/oder für den Durchtritt von durch die Reinigungskanäle (11) strömender Druckluft eingebracht sind, über welche den Abgasströmungskanälen (10) zugewandte Oberflächen der Strömungsführungselementen (8, 9) von Ruß und/oder Asche reinigbar sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Abgasströmungskanälen (10) zugewandte Oberflächen der Strömungsführungselementen (8, 9) mikroskopische Strukturen ausbilden.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroskopischen Strukturen als Schleifstrukturen und/oder Prägestrukturen und/oder Nadelstrukturen und/oder Bürststrukturen und/oder Strahlstrukturen und/oder Ätzstrukturen und/oder Eloxierstrukturen und/oder Galvanisierstukturen ausgebildet sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroskopischen Strukturen eine Rauhigkeit zwischen 0,05 µm und 50 µm aufweisen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroskopischen Strukturen eine wirksame Oberfläche der makroskopischen Strukturen vergrößern.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die makroskopischen Strukturen Abmessungen im mm-Bereich oder cm-Bereich und/oder die mikroskopischen Strukturen Abmessungen im µm-Bereich aufweisen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungskanäle (11) und die Abgasströmungskanäle (10) einen Winkeln zwischen 20° und 160°, bevorzugt zwischen 50° und 120°, besonders bevorzugt 80° und 100°, einschließen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungselemente (8, 9) zweidimensional konturierte Strömungsführungselemente (8) und dreidimensional konturierte Strömungsführungselemente (9) umfassen, die wechselweise sandwitchartig oder stapelartig unter Ausbildung mehrerer Lagen aus Abgasströmungskanälen (10) und Reinigungskanälen (11) ausgebildet sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungselemente (8, 9) eine Wandstärke zwischen 40 µm und 150 µm, bevorzugt zwischen 40 µm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 40 µm und 60 µm, aufweisen.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensional konturierten Strömungsführungselemente (9) als makroskopische Strukturen sich in Richtung der Abgasströmungskanäle erstreckende strömungsführende Konturen (12), sich quer zur Richtung der Abgasströmungskanäle erstreckende strömungsaufstauende Konturen (13) und strömungsführende Durchbrüche (14) ausbilden.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensional konturierten Strömungsführungselemente (8) als makroskopische Strukturen strömungsführende Durchbrüche (15) ausbilden.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungselemente (8, 9) des jeweiligen Partikelabscheidermoduls (6) von einem Canning eingefasst sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Partikelabscheidermodule (6) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und hierbei parallel und/oder in Reihe geschaltet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Reinigungsphasen des Partikelabscheidermoduls (6) aufgewirbelten Asche und Rußpartikel aus dem Partikelabscheidermodul (6) abgesaugt und in einem Behälter gesammelt werden.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung von eine Brennkraftmaschine verlassendem Abgas, mit einem parallel geschaltete Partikelabscheider (3) aufweisenden Abgasnachbehandlungssystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei dann, wenn ein erster Partikelabscheider (3) zur Abgasreinigung genutzt wird und hierbei durch dessen Abgasströmungskanäle (10) Abgas geleitet wird, ein zweiter Partikelabscheider (3) gereinigt wird und hierzu durch dessen Reinigungskanäle (11) Abgas und/oder strömendem Druckluft geleitet wird, wobei hierbei eine Abgasströmung durch die Abgasströmungskanäle (10) des zweiten Partikelabscheiders (3) reduziert oder unterbunden wird.