DE19503067C2 - Abgasfilter zur Beseitigung von Partikeln aus dem Abgas eines Dieselmotors - Google Patents
Abgasfilter zur Beseitigung von Partikeln aus dem Abgas eines DieselmotorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Abgasfilter zur Beseitigung von Partikeln und kondensierbaren
Bestandteilen aus dem Abgas eines Dieselmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
Zur Minderung der NOx-Emissionen eines Dieselmotors ist es bekannt, der Frischluft des
Dieselmotors gekühltes Abgas beizufügen. Vor der Vermischung des Abgases mit der
Frischluft muß das Abgas gereinigt werden, da es sonst zu unerwünschten
Ölstandszeitverkürzungen, Verschmutzung des Dieselmotors und erhöhtem Verschleiß
kommt. Kondensierende Bestandteile im Abgas können Kühleinrichtungen, wie z. B.
Wärmetauscher, verschmutzen und zu verschlechtertem Wärmeaustausch führen, wobei
kondensierende, saure Bestandteile auch chemisch mit den Wärmetauschern reagieren, so
daß die Wärmetauscher relativ schnell verschleißen.
Aus der JP 5-141219 (A) geht bereits ein Abgasfilter zur Beseitigung von Partikeln und
kondensierbaren Bestandteilen aus dem Abgas eines Dieselmotors als bekannt hervor, der
einen Wärmetauscher beinhaltet. Der Wärmetauscher ist vollständig von Filtermaterial
umgeben, so daß der Filter im Strömungsweg des Abgases dem Wärmetauscher
vorgeschaltet ist.
In der DE 38 18 281 A1 ist ein Abgasfilter dargestellt, dessen Filterelemente aus Platten
gebildet sind, die vorzugsweise aus hochwarmfesten Materialien gesintert sind. Die
metallischen Filterplatten sind katalytisch beschichtet.
Aus der DE 34 37 477 A1 geht es als bekannt hervor, als Kühlmedium für einen
katalytischen Wärmetauscher, der zur Reinigung der Abgase von
Verbrennungskraftmaschinen dient, Wasser zu verwenden und an den Wärmetauschern
elektrische Heizdrähte anzuordnen, die dazu vorgesehen sind, eine auf den
Wärmetauschern angebrachte katalytische Schicht anzuwärmen, um ein schnelles
Anspringen der katalytischen Aktivität zu erreichen.
In der DE 43 31 509 C1 ist eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung dargestellt.
Dabei ist in der Abgasrückführleitung ein Wärmetauscher angeordnet. Um die
Verschmutzung des Wärmetauschers durch das rückgeführte Abgas zu vermeiden, sind die
Rußanteile im rückgeführten Abgas auf einem niedrigen Wert gehalten. Hierzu werden ein
oder mehrere Zylinder, die Abgas zur Abgasrückführung liefern, zum minimalen
Partikelemission ausschließlich mit Frischluft versorgt.
Bekannt ist aus der DE-OS 41 09 227 ein Abgasfilter zur Beseitigung von schädlichen
Bestandteilen aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors, der zusätzlich als
Wärmetauschkörper für das zu reinigende Abgas ausgebildet ist. Das Abgasfilter ist mit
vom Abgas durchströmten Wärmetauscherrohren durchsetzt, um gleichmäßige
Betriebstemperatur des Abgasfilters zu erreichen. Nachteilig bei dem Abgasfilter gemäß
dem genannten Stand der Technik ist, daß die verschmutzten Abgase die Wärmetauscherrohre
beaufschlagen und diese mit der Zeit daher von einer Schmutzschicht überzogen
werden, so daß der Wärmeaustausch beeinträchtigt wird. Die verschmutzten Abgase
beaufschlagen die innere Oberfläche der Wärmetauscherrohre vollständig und die äußere
Oberfläche der Wärmetauscherrohre teilweise, so daß die Verschlechterung des
Wärmeaustausches sowohl von innen und außen erfolgt. Die kreisförmigen Oberflächen
der Wärmetauscher bedingen eine relativ geringe Fläche für den Wärmeaustausch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
mit Wärmetauschern kombiniertes Abgasfilter darzustellen,
das einen einfachen weil modularen Aufbau besitzt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Abgasfilter zur Beseitigung von Partikeln und
kondensierbaren Bestandteilen aus dem Abgas eines Dieselmotors mit den Merkmalen des
Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
dargestellt.
Gemäß der Erfindung ist ein Abgasfilter eines Dieselmotors mit plattenförmigen Wärmetauschern
versehen, in denen eine Wärmetauschflüssigkeit enthalten ist, die an inneren Oberflächen
der Wärmetauscher keine Ablagerungen ergibt. Die Wärmetauscher sind von metallischen
Filtern aus plattenförmigen Elementen vollständig umgeben, die in
der Summe große Oberflächen ergeben,
und die verschmutztes Abgas aus dem Dieselmotor
beim Durchströmen von Partikeln und
kondensierenden Abgasbestandteilen reinigen. Gemäß der Erfindung sind die
metallischen Filter den Wärmetauschern vorgeschaltet, so daß nur gereinigtes Abgas an die
äußere Oberfläche der Wärmetauscher gelangt. Vorzugsweise ist die Filter-
Wärmetauscher-Einheit in einer Abgasrückführleitung zur Kühlung eines der Frischluft
zugeführten Abgasstroms angeordnet.
Die metallischen Filter des Abgasfilters sind aus
chemisch sehr beständigem Sintermetall gefertigt, das zweckmäßigerweise austenitischen
Stahl oder Nickellegierung enthält, so daß korrosive Angriffe auf die metallischen Filter
unschädlich sind.
Die metallischen Filter aus Sintermetallplatten sind parallel zu den
plattenförmigen Wärmetauschern angeordnet und umgeben die Wärmetauscher
vollständig. Das gereinigte Abgas wird an den plattenförmigen
Wärmetauschern gekühlt und strömt weiter zu einem Ableitungskanal aus dem
Filtergehäuse für gereinigtes Abgas.
Vorzugsweise ist Wasser in den Wärmetauschern des Abgasfilters gemäß der Erfindung
enthalten, das im Kühlkreislauf des Dieselmotors bereits verfügbar ist, oder Polysiloxan,
das als hochtemperaturfestes Wärmetausch-Öl auch bei erhöhten Temperaturen am
Wärmetauscher seinen Siedepunkt nicht erreicht oder überschreitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasfilters weisen die
metallischen Filter eine elektrische Heizvorrichtung auf, so daß nach einer bestimmten
Laufzeit die Temperatur der mittlerweile verschmutztes, metallischen Filter so weit erhöht
werden kann, daß zurückgehaltener Ruß abgebrannt wird. Vorzugsweise ist die elektrische
Heizvorrichtung im Sintermetall integriert, so daß die gute Wärmeleitfähigkeit des
Sintermetalls für die elektrische Heizvorrichtung genutzt ist. In diesem Fall ist gemäß der
Erfindung in den Wärmetauschern vorzugsweise elektrisch isolierendes Polysiloxan
enthalten. Alternativ können aber auch elektrische Heizdrähte um die metallischen Filter
angebracht werden.
Die erfindungsgemäßen Abgasfilter können metallische Filter enthalten, die katalytisch
beschichtet sind, so daß Ruß bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von den
metallischen Filtern abgebrannt wird, und damit die Überhitzungsgefahr der
Wärmetauscherflüssigkeit, die Wärmeverluste an die Wärmetauscherflüssigkeit und die
Temperatur des gereinigten Abgases reduziert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Abgasfilter kann die Zufuhr der
Wärmetauscherflüssigkeit zu einigen Wärmetauschern wahlweise abgeschaltet oder
gedrosselt werden, so daß diese Wärmetauscher bei der Verwendung von Wasser als
Wärmetauscherflüssigkeit vor dem Abbrennen des Rußes entleert werden können und
Sieden im Wärmetauscher vermieden wird.
Gemäß der Erfindung wird Ruß nur von einigen und nicht von allen metallischen Filtern
des erfindungsgemäßen Abgasfilters gleichzeitig abgebrannt, so daß sich die Temperatur
des gereinigten Abgases insgesamt beim Abschalten der Wärmetauscherflüssigkeit durch
die zugehörigen Wärmetauscher nur tolerierbar erhöht. Bei der Verwendung von
Wärmetauscherflüssigkeit mit hohem Siedepunkt, wie beispielsweise Polysiloxan,
brauchen die Wärmetauscher der metallischen Filter, von denen Ruß abgebrannt wird,
nicht wegen Siedens der Wärmetauscherflüssigkeit abgeschaltet werden, sondern können
vorzugsweise weiter gedrosselt durchströmt sein, insbesondere wenn die
Rußzündtemperatur durch katalytische Beschichtung der metallischen Filter herabgesetzt
ist.
Die Wärmetauscher können gemäß der Erfindung mit flexiblen Ab- und Zuleitungen
ausgestattet sein, so daß diese nicht abgebaut werden müssen, wenn nach einer gewissen
Laufzeit der erfindungsgemäße Abgasfilter vom Abgas abgetrennt wird, und im
Gegenstrom eine Reinigungslösung durch die metallischen Filter geführt wird, um diese
von nichtbrennbaren Ablagerungen zu reinigen.
Zufuhr- und Ableitungskanal für das Abgas des erfindungsgemäßen Abgasfilters sind
abtrennbar, so daß Leitungen für die Reinigungslösungen an das Abgasfilter angeschlossen
werden können.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Angasfilters mit plattenförmigen
Wärmetauschern, in Richtung der in Fig. 2 eingezeichneten Schnittlinien
I-I gesehen,
Fig. 2 eine Sintermetallplatte, in Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten
Schnittlinien II-II gesehen und
Fig. 3 einen plattenförmigen Wärmetauscher, in Richtung der in Fig. 1
eingezeichneten Schnittlinien III-III gesehen,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Abgasfilters in Richtung der in Fig. 2
eingezeichneten Schnittlinien IV-IV gesehen.
Ein Abgasfilter 1 in einer Auspuffanlage, z. B. in der Abgasrückführleitung eines
Dieselmotors (nicht dargestellt) weist einen Zufuhrkanal für
verschmutztes Abgas und einen Ableitungskanal für gereinigtes
Abgas auf. Vom Ableitungskanal kann das gesamte oder ein Teil des gereinigten und
gekühlten Abgases der Frischluft des Dieselmotors zugeführt werden.
Zuleitungen und Ableitungen für
Wärmetauscherflüssigkeit, insbesondere Wärmetauscheröl, sind jeweils mit
Wärmetauschern 21 verbunden. Die Zuleitungen sind mit Absperr-
und/oder Drosselorganen und Muffen ausgestattet.
Fig. 1, 2, 3, 4: In den Fig. 1 und 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur
die in der Schnittebene liegenden Kanten dargestellt. Die hinter der Schnittebene
liegenden, an sich auch sichtbaren Linien sind nicht gezeichnet.
Das Abgasfilter 1
enthält plattenförmige Wärmetauscher 21, zwischen denen metallische Filter aus
Sintermetallplatten 22, die austenitischen Stahl oder Nickellegierungen enthalten, angeordnet
sind. Ein Zufuhrkanal (nicht dargestellt) für verschmutztes Abgas, ein Ableitungskanal
(nicht dargestellt) für gereinigtes Abgas, und Zu- und Ableitungen für
Wärmetauscherflüssigkeit (nicht dargestellt) sind an dem Abgasfilter 1 vorgesehen. Die
aus Wärmetauscherplatten 60 gebildeten Wärmetauscher 21 schließen jeweils dicht an die
Sintermetallplatten 22 an.
Die Sintermetallplatten 22 (Fig. 1, 2 und 4) grenzen mit Abschnitten 23 an den
Zufuhrkanal für verschmutztes Abgas an, mit Abschnitten 24 an den Ableitungskanal für
gereinigtes Abgas, mit Abschnitten 25 an die Zuleitung und Abschnitten 26 an die
Ableitung für Wärmetauscherflüssigkeit an. Im Bereich der Abschnitte 25 und der
Abschnitte 26 der Sintermetallplatten 22 sind dichtende Ringe 27 angeordnet, die den
Übertritt von Abgas verhindern. Von den Abschnitten 23 des Zufuhrkanals führen
Öffnungen 41 in Ringen 50 das Abgas in Zwischenräume zwischen den
Sintermetallplatten 22 zu den Abschnitten 24 in den Ableitungskanal. Um von den
Abschnitten 23 am Zufuhrkanal zu den Abschnitten 24 am Ableitungskanal zu gelangen,
muß das Abgas durch die Sintermetallplatten 22 und dann an den plattenförmigen
Wärmetauschern 21 entlangströmen. Das in den Sintermetallplatten 22 gereinigtes Abgas
strömt durch Öffnungen 44 in Ringen 51, 52 in den Ableitungskanal. Die Ringe 51, 52
sind beispielsweise an einem radialen Rand mit mehreren über dem Umfang verteilten
Aussparungen versehen, die die Öffnungen 44 bilden. Die Sintermetallplatten 22 weisen
jeweils Umrandungen 31 auf, die den Austritt von Abgas aus dem Abgasfilter 1
verhindern.
Die plattenförmigen Wärmetauscher 21 (Fig. 1, 3 und 4) mit den Wärmetauscherplatten 60
enthalten jeweils Abschnitte 33, die an den Zufuhrkanal für verschmutztes Abgas,
Abschnitte 34, die an den Ableitungskanal für gereinigtes Abgas, Abschnitte 35, die an
die Zuleitung und Abschnitte 36, die an die Ableitung für Wärmetauscherflüssigkeit
angrenzen. Die Abschnitte 35 der Zu- und die Abschnitte 36 der Ableitung für
Wärmetauscherflüssigkeit des plattenförmigen Wärmetauschers 21 sind miteinander
verbunden, während die Abschnitte 33 des Zufuhrkanals für verschmutztes Abgas und die
Abschnitte 34 des Ableitungskanals für gereinigtes Abgas jeweils durch Ringe 37 getrennt
sind. Die plattenförmigen Wärmetauscher 21 weisen jeweils eine Umrandung 39 auf, die
den Austritt von Wärmetauscherflüssigkeit aus dem Abgasfilter 1 verhindert. Die
plattenförmigen Wärmetauscher 21 und Sintermetallplatten können mit vergrößerten
wellenförmigen Oberflächen 40 versehen sein.
Der Abgasfilter 1 gemäß Fig. 1 wird von an den Abschnitten 23 aus dem Zufuhrkanal
zuströmendem verschmutztem Abgas durchströmt, das an den Abschnitten 24 als
gereinigtes Abgas zu dem Ableitungskanal ausströmt. Sintermetallplatten 22 werden dabei
vom Abgas entsprechend den Pfeilen 45 passiert und gereinigt, bevor das Abgas an den
Wärmetauschern 21 vorbeiströmt und abgekühlt wird. Wärmetauscherflüssigkeit fließt von
den Abschnitten 35 an der Zuleitung zu den Abschnitten 36 an der Ableitung für
Wärmetauscherflüssigkeit der plattenförmigen Wärmetauscher 21.
Die metallischen Filter sind zum Abbrennen von Ruß mit einer elektrischen
Heizvorrichtung (nicht dargestellt) versehen, die in das Sintermetall integriert oder in der
Form von Heizdrähten am metallischen Filter angebracht sein kann. Die metallischen
Filter können zum Abbrennen von Ruß alternativ aber auch katalytisch beschichtet sein
(nicht dargestellt). Werden nur einige der metallischen Filter regeneriert, übernehmen
die restlichen metallischen Filter im Bypass die Kühlung und Filtrierung der Abgase.
Die erhöhte Austrittstemperatur der Abgase aus den metallischen Filtern, die
regeneriert werden, ist vertretbar, da diese Abgase mit den vollständig gekühlten Abgasen
aus den metallischen Filtern im Bypass vermischt werden und so die Kühlung der
Abgase insgesamt ausreichend hoch ist.
Reinigungslösung kann vorzugsweise in Gegenstromrichtung durch die metallischen Filter
geleitet werden. Die Ab- und Zuleitung für die Wärmetauscher 21 können
flexibel sein. Der Zufuhr- und der Ableitungskanal für das Abgas sind abtrennbar
und Leitungen für Reinigungslösungen können an die metallischen Filter angeschlossen
werden.
Claims (8)
1. Abgasfilter (1) zur Beseitigung von Partikeln und kondensierbaren Bestandteilen aus
dem Abgas eines Dieselmotors, insbesondere eines Dieselmotors mit Abgasrückführung, mit
einem Zufuhrkanal für verschmutztes Abgas, einem Ableitungskanal für gereinigtes Abgas,
metallischen Filtern, die den Zufuhrkanal mit dem Ableitungskanal verbinden, und
Wärmetauschern, die an den metallischen Filtern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmetauscher (21) von Paaren von jeweils zwei auf Abstand zueinander gehalten
parallelen Wärmetauscherplatten (60) gebildet sind, die erste, von einer Kühlflüssigkeit
durchströmte Hohlräume begrenzen, und daß die metallischen Filter aus zu den
Wärmetauscherplatten (60) der Wärmetauscher (21) parallel liegenden Sintermetallplatten
(22) gebildet sind, die jeweils paarweise zwischen zwei Plattenpaaren der Wärmetauscher
(21) liegen und zueinander und zu den angrenzenden Wärmetauscherplatten (60)
beabstandet sind, daß ferner der Raum zwischen zwei Sintermetallplatten (22) jeweils mit
dem Zufuhrkanal für verschmutztes Abgas, und der Raum zwischen einer Sintermetallplatte
(22) und einer benachbarten Wärmetauscherplatte (60) jeweils mit dem Ableitungskanal für
verschmutztes Abgas verbunden ist, und daß ferner Zuleitungen und Ableitungen für
Wärmetauscherflüssigkeit mit den Wärmetauschern (21) verbunden sind.
2. Abgasfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintermetallplatten
(22) aus hochwarmfestem Material wie z. B. austenitischen Stahl oder Nickellegierung
hergestellt sind.
3. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher
(21) Wasser oder eine Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt wie z. B. Polysiloxan enthalten.
4. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sintermetallplatten (22) eine elektrische Heizvorrichtung enthalten, die in das Sintermetall
integriert ist oder elektrische Heizdrähte aufweist, die um die Wärmetauscher (21)
angeordnet sind.
5. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sintermetallplatten (22) katalytisch beschichtet sind.
6. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der
Wärmetauscherflüssigkeit zu den Wärmetauschern (21) wahlweise mittels Absperr-
und/oder Drosselorganen abgeschaltet oder gedrosselt wird, und die Temperatur der
Sintermetallplatten (22) zum Abbrennen von Ruß wahlweise erhöht werden kann.
7. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufuhr- und
der Ableitungskanal für das Abgas abtrennbar sind und Leitungen für Reinigungslösung
angeschlossen werden können.
8. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasfilter (1)
in der Abgasrückführleitung angeordnet ist.
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