DE202006014021U1

DE202006014021U1 - Thermischer Rußfilter

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Publication number: DE202006014021U1
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Abstract

„Thermischer Rußfilter", dadurch gekennzeichnet, dass er nach Kenndaten/Kennfelder/Kennlinien in einem Steuergerät, mit Hilfe der auf Erwärmung reagierenden Stellglieder (9/9') in die Richtungen V+ und V– selbsttätig sich verschiebt (1, 2), Blatt 1/2, Blatt 2/2. und entsprechend dadurch, den für die Reduktion mindestens erforderlichen Ruß zur Reduktion von NO2 zu HONO (Reaktionstemperaturen bei etwa 500 Grad K bis etwa 800 Grad K) produziert, der bei dieser Reaktion vollständig aufgebraucht wird, so dass eine NO2 – freie und auch rußfreie Emission der Abgase beim Dieselmotor auf kostengünstige Art nunmehr möglich ist. Die Stellglieder (9, 9') legen dabei einen maximalen Weg von R+ in Richtung des Injektors/Aktors (14) zurück und einen maximalen Weg R–, weg vom Injektor/Aktor und dies als „Bimaterialelmente", die den „Thermischen Rußfilter entsprechend selbstätig bewegen und die aus jedem dafür geeigneten Werkstoff bestehen können, wie wärmebeständigem, korrosionsfestem Stahl in einer/mehreren Lagen aufeinander plattiert oder von wärmebeständiger korrosionsbeständiger Keramik in einer...

Description

Beschreibung des „Thermische Rußfilters" als Partikelfilter für Ruß mit Reduktions-Zone für NOx und seiner Steuerung mit dem „Multifunktional set" nach UK Patent Nr.2316203, der Erfindung, benannt.
„Thermischer Rußfilter", entsprechend den Schutzansprüchen 1. bis 6. und den 1 und 2, gehört gehören die Einrichtung(en) als Komponente(en) zu dem Dieseleinspritzsystem, den Dieseleinspritzsystemen, insbesondere zu den Common Rail-Systemen. Der „Thermische Rußfilter" ist in der 1 (1), Seite 1/2 als Skizze (7/10) Nach der Düse (14) angeordnet, so dass die angesaugte (kalte) Luft/die rückgeführten (noch warme) Abgase als Teilmenge davon durch den „Thermischen Rußfilter strömen, (1) von Zeichnungsblatt 1/2, hier als Kombination aus einer Venturi- und einer Lavaldüse, der aber jede andere geeignete Form bei jedem geeigneten Abstand zur Einspritzdüse/Injektor/Aktor (14) haben kann (2), Seite 2/2.
Aus der Skizze für die Versuchseinrichtung (in den Feuerungsraum eines Kessels mit etwa 40 KW Leistung eingebaut) ist zur Rußerzeugung ein Abstand „R"+/– eingestellt, der sich selbsttätig bei der Kompression der vom Motor angesaugten Verbrennungsluft/der rückgeführten Abgase, entsprechend der entstehenden Gasdrücke/Temperatur(en) einstellt und weiter nach der Zündung/Selbstzündung nach der Einspritzung/den Einspritzungen sich entsprechend der Zündwilligkeit des Diesel-Kraftstoffes (CZ), der Zerstäubung durch die Einspritzdüse, dem Zeitpunkt der Einspritzung(en), der Größe und Lage von Kennlinien und Kennfeldern, in dem Steuergerät/Diagnosegerät, hier dem verwendeten „Multifunctional set" der Johannes-Field-Generators UK Limited, eine Steuerung und Diagnose in ECHTZEIT ermöglicht, der dabei nach den herrschenden Temperaturen im Abgas und analog der Temperaturen dazu am „Thermischen Rußfilter" sich selber einstellt. Das Material für die Innenauskleidung des „Thermischen Rußfilters" wurde von Proflamm Öl- und Gasfeuerungsbedarf nach Katalog www.proflamm.com unter dem Artikelnamen „Vermi-Por-Feuerleichtstein" (50 60 500) bezogen. Weitere Lieferanten waren Hersteller für hochhitzebeständige Keramikformteile wie Oxidkeramik Cardenas GmbH für Zirkonkeramik (ZrO2). Die Oberfläche des Feuerleichtsteines „Vermi-Por" „ist porös und dabei „langfaserig" und erfüllt in Hinblick auf seine Oberflächenrauhigkeit dem geforderten Grenzwert „Re" nach dem Potenzgesetz von Blasius und Re nach dem Gesetz von Hermann („Glattes Rohr", siehe Anlage Nr.2) und ist im Wesentlichen schaltungstechniisch nach der Luftvergleichszahl (Lamda), dem CO-Gehalt, dem CO2-Gehalt, dem Abgasverlust und dem daraus resultierenden Wirkungsgrad (siehe Anlage Nr. 1) bei einer entsprechenden Flammengeschwindigkeit ab dem Einspritzbeginn und nach der Zeitdauer des wirkenden Einspritzstrahles/der Einspritzstrahlen an der Einspritzdüse, dem Injektor, dem Aktor (14), dessen Form(en) und dem Anstellwinkel (13) des „Thermischen Rußfilters" (7/10), und der Gasströmung (Flamme (18)/Abgase (19)) im Versuchsaufbau (1, Seite 1/2) abhängig. Weitere wichtige Faktoren der Flammen-Ausbildung sind die Frequenzzyklen des Einspritzens von Brennstoff und die Tröpfchen-Größe des zerstäubten Brennstoffs und der Ausbreitung des verdampften Brennstoffes an der Einspritzdüse,/dem Injektor (14) haben kann..
Nach Anette Pashkova et al., Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Duisburg – Essen, findet bei Temperaturen oberhalb von 300 K eine Reaktion von NO2 auf Ruß-Oberflächen statt, bei der die Effektivität mit steigender Reaktionstemperatur – ab 600 K – ansteigt.
Um eine effektive Reduktion von NOx zu HONO und NO mit Hilfe von Ruß-Partikeln mit dem erfindungsgemäßen „Thermischen Rußfilter" zu erreichen, sollte die Reaktionstemperatur mindestens 650 K am „Thermischen Rußfilter" betragen.
Dabei ist die Rußzahl nach Anlage 1 (Messblatt) von 1-0-0 anzustreben, bei der keine sichtbaren Ruß-Partikel im bei der Prüfung mit der Ruß-Pumpe (Messgerät) festgestellt werden können.
Die nach der Anlage 1 im Versuch vorgenommenen Einstellungen lassen erkennen, dass der erfindungsgemäße „Thermische Rußfilter" unter Benutzung von einstellbar anfallenden Ruß-Partikeln (siehe"R +/–„, dem variablen „Rußspalt"), bei geringem Abstand im Zehntelmillimeterbereich, R+ zur Düse (14), die Rußzahl etwa 1-1-1) beträgt. Bei Minus-Werten für R, also einer gegenseitigen Überdeckung von Düse (14) und „Thermischer Rußfilter„ (7/10), ist je nach Überdeckungsgrad eine Rußzahl zwischen 0-0-0 und 1-0-1 feststellbar (siehe Anlage 1. (Messblatt). Daraus folgt, dass die erfindungsgemäße Konstruktion des „Thermischen Rußfilter" so zu erfolgen hat, dass er in seiner Lage, auch zu den herrschenden Druckverhältnissen an der Stirnseite des Düsenstockes (14), 1 von Blatt 1/2, der Einspritzdüse im Dieselmotor variabel ist.
Wobei eine Regelung über das Steuergerät „Multifunctional set" (Anlage Nr. 3, Seite 3 von 4 Seiten) erfolgt, indem, entsprechend dem Zündverzug in Kurbelwinkelgraden nach dem darin einprogrammierten Motorkennfeld, der Motorkennlinie, die als Mittelwert gemessene Abgastemperatur in der Versuchsanlage, siehe (1), R+/– von Zeichnungsblatt 1/2 bzw. des „Thermischen Rußfilters", siehe (2) von Zeichnungsblatt 2/2, R+/R– über die Stellelemente (9/9') solange mit Temperaturveränderung(en) mit Hilfe der gemessenen Werte der Abgastemperatur(en) mit dem Steuergerät „Multifunctional set" und dadurch entsprechend der Temperatur(en) am Einlass/Auslass des „Thermischen Rußfilters", seine Lage zur Düsenstirnseite/Injektor solange sich selbsttätig nachstellt V–/V+) bis ein Äquivalent zur Rußbildung erreicht ist, das eine vollständige Reduzierung von NO2 zu z.B. HONO an den Rußoberflächen beinhaltet (siehe Aneta Pashkova et al.: Reduktion von NO2 auf Ruß-Oberflächen im Bereich von etwa 300 bis etwa 700 K). In wieweit sich bei der Reduktion von NO2 zu HONO bzw. NO auch eine Beinflussung der OH-Konzentration ergibt, ist seiner potentiellen Größe nach noch zu untersuchen, da die die Emissionsvorgaben der Gesetzgebung immer stringenter werden.
Dazu auch Abbildung "Common Rail-Aktor"; www bosch.de/k, Prospekt Seite 7 der Druckschrift 1 987 709 359 -C/SMC2-0905-De und die Abbildung „Aufbau eines SCR-Katalysators" auf Seite 11 dies Prospektes „Diesel Systems".
Der „Thermische Rußfilter" muß von einem „Korsett"/Halter umschlossen sein, zum Beispiel von einer hochfesten Oxidkeramik, wie von der Cardenas GmbH lieferbar, und im hohlen Innern (7), (der Bohrung) eine Auskleidung aus elastischer langfaserigen/offenporigen Keramik haben, wie zum Beispiel Zr (Si O4) Silikat/ZrO2 oder jedem anderen dafür geeigneten Material, das hoch temperaturbeständig ist und strömungstechnisch als „Glattes Rohr", gelten kann, siehe Anlage Nr 2.
Es folgen in der Beschreibung Vorschläge zur Konstruktion des erfindungsgemäßen „Thermischen Rußfilters", insbesondere für das Common Rail-System geeignet, „Diesel-SpeichereinspritzsystemCommon Rail", 2. Ausgabe, November 1998, Prospekt 1 987 722 054, ISBN 3-7782-2054-3.
Auf dem Zeichnungsblatt 2/2 ist die Einzelheit des „Thermischen Rußfilters" (7/10) von Zeichnungsblatt 1/2, 1 dargestellt:
Der Rußfilter ist auf der linken Seite des zeichnerischen Schnittes durch ihn, in seiner maximalen Stellung (R–, Überdeckung) zum Injektor (14) hin, dargestellt. Bei der Überdeckung von der Stirnfläche des Injektor (14), seiner Spritzseite, und dem „Thermischer Rußfilter" (7/10), seiner Oberkante dem Injektor zugerichtet, hier nach seiner Bewegung in der Richtung V+ nach dem Aufgehen der geschlitzten (Tellerscheiben (9) zu (9')) aus Bimaterial, oder jedem anderen dafür geeigneten Material, am heißen Ende des „Thermischen Rußfilters", bedingt durch die Erhöhung der Temperatur(en) beim Einspritzen mit dem Injektor/Aktor (14) von Brennstoff in den Brennraum/Zylinder des Motors, durch den „Thermischen Rußfilter" (7/10) hindurchgehend, wobei die Vorgaben dafür im „Multifunctional set" gespeichert sind, und mit einer Abgassonde in den Motorabgasen die Abgastemperatur(en) gemessen und die Messwerte im „Multifunctional set" analog mit den gespeicherten Werten darin (siehe Anlage Nr.3, Blockschaltbild 3, Seite 2/2, hier Pos.11 von UK Patent GB 2316 203 B ) verglichen und gegebenenfalls der Einspritzzyklus automatisch korrigiert wird, um den optimalen Einspritzbeginn einzustellen. Dies geschieht bei diesem System "wireless" und in Echtzeit. Die notwendige Zeit für einen solchen Regelvorgang beträgt weniger als für den Abspritzzyklus an der Einspritzdüse erforderlich (weniger als 1/1000 Sekunde).
Möglich ist dies durch die Stellglieder aus „Bimaterial" in z.B. Tellerform (9, 9'), die fein auf eine Temperaturveränderung reagieren, weil ihre plattierten Teile aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien mit stark unterschiedlichen Längen-Ausdehnungskoeffizienten (z.B. Zirkoniumoxid ZrO2, 10/1000000 pro Grad K und Siliziumkarbid HPSiC, 4,5/1000000 pro Grad K sich verschieden voneinander ausdehnen) und die inneren und äusseren Ränder der erfindungsgemäßen tellerförmigen Elemente Einkerbungen (8) haben, die den Kraftaufwand zur Formänderung der tellerförmigen Elemente minimieren.. Gleiches gilt für die rechte Seite der zeichnerischen Schnittdarstellung.
Hier ist eine maximale Bewegung in Richtung V– erfolgt und ein Spalt „R+" am „Einlauf"(oben) des „Thermischen Rußfilters" freigegeben, so dass ein optimaler Rußanteil (etwa für die Rußzahl 1-0-1) zur Reduktion von NO2 (zu HONO oder NO) an der Oberfläche der Rußpartikel zur Verfügung steht. Auch hier werden die Abgaswerte im „Multifunctional set" mit den dort gespeicherten Werten verglichen und gegebenenfalls korrigiert. Die dafür notwendige Zeit ist weniger als eine Millisekunde lang, da der „Multifunctional set" in Leucht-Dioden – Arbeitsweise, wireless und in ECHTZEIT arbeitet (2, Seite 4 der Kopie von Blatt 1/2, Position 9, und 3 auf Seite 2, Position 9 und 18/19.

1: simulierter Dieselmotor von PKW mit P = 40 KW
2: Abdeckplatte, links aus hitzebeständiger Keramik
3: Abdeckplatte, rechts aus hitzebeständiger Keramik
4: Verschraubung aus hitzebeständigem Stahl
5: Seitenteil, rechts aus feuerfester Keramik
6: Seitenteil links aus feuerfester Keramik
7: Auskleidung aus offenporigem, hitzebeständigem Material, zum Beispiel aus Zirkondioxyd
8: Gestänge für Schieber (11) zur Simulierung von „Gas geben" oder „Gas wegnehmen"
9/9': Stellelemente/Tellerscheiben/Bimaterial Säule in den 2 und 1
10: Halter/Korsett/Rohrkörper für Position 7 in den 1 und 2
11: Schieber
12: Fuß
13: Verstellmöglichkeit im Winkel für den Thermischen Rußfilter
14: Injektor/Aktor/Einspritzdüse/Düse
15: Kessel, bestehend
16: Verschraubung
17: Befestigung
18: Flamme
19: Abgase zum Kessel-Anschluß-Stutzen strömend
20: Luft komprimiert im Verdichtungstakt
21: Überdeckung R– als Abstand von Düsenstock/Injektor (14) und dem Thermischen Rußfilter bei Überdeckung derselben
22: Ausdehnende Luft/Luft-Diesel-Kraftstoffgemisch, brennend beim Arbeitstakt
23: Kolbenbewegung beim Arbeitstakt im Zylinder
24: Kerbe im Einsatz 7/10 für Rußspalt R+ und als Verdrehsicherung von 7/10

Claims

„Thermischer Rußfilter", dadurch gekennzeichnet, dass er nach Kenndaten/Kennfelder/Kennlinien in einem Steuergerät, mit Hilfe der auf Erwärmung reagierenden Stellglieder (9/9') in die Richtungen V+ und V– selbsttätig sich verschiebt (1, 2), Blatt 1/2, Blatt 2/2. und entsprechend dadurch, den für die Reduktion mindestens erforderlichen Ruß zur Reduktion von NO2 zu HONO (Reaktionstemperaturen bei etwa 500 Grad K bis etwa 800 Grad K) produziert, der bei dieser Reaktion vollständig aufgebraucht wird, so dass eine NO2 – freie und auch rußfreie Emission der Abgase beim Dieselmotor auf kostengünstige Art nunmehr möglich ist. Die Stellglieder (9, 9') legen dabei einen maximalen Weg von R+ in Richtung des Injektors/Aktors (14) zurück und einen maximalen Weg R–, weg vom Injektor/Aktor und dies als „Bimaterialelmente", die den „Thermischen Rußfilter entsprechend selbstätig bewegen und die aus jedem dafür geeigneten Werkstoff bestehen können, wie wärmebeständigem, korrosionsfestem Stahl in einer/mehreren Lagen aufeinander plattiert oder von wärmebeständiger korrosionsbeständiger Keramik in einer oder mehreren Lagen, fest miteinander verbunden und so ein Element aus Stahl/Keramik, Stahl/Stahl, Keramik/Keramik oder jedem/jeden anderen geigneten Material(ien) bildend und in einem Stapel aus „Bimaterialelementen" (je nach Größe des Weges V+/V– erforderlich, in z.B. Tellerform mit Einkerbungen (8) am inneren und äusseren Tellerand (siehe 2 auf Zeichnungsblatt 2/2) und unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten, die bei Erwärmung eine Krümmung in sich (hier bei den „Tellerelementen" (2)), eine stärkere oder schwächere Krümmung zum Teller, je nach Aufheizung, ergeben (2), Blatt 2/2., so möglich bei der Plattierung von Zirkoniumoxid und Siliziumkarbid aufeinander, oder jedem anderen dafür geeigneten Werkstoff und anderen Formen für die Bimaterialelemente und ihrer Anzahl im Stapel. Weiter, dass die Innenseite des Thermischen Rußfilters (7) aus einem wärmebeständigen, langfaserigen und offenporigen Material wie zum Beispiel Zirkonoxid (Zr O2) oder jedem anderen dafür geeigneten Material besteht.
„Thermischer Rußfilter", nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Auskleidung (7) aus offenporiger Keramik hat, die so rauh ist, dass eine turbulente Strömung nach dem Potenzgesetz von Blasius und dem Gesetz von Herman entsteht (siehe Anlage Nr. 2, „Glattes Rohr").
„Thermischer Rußfilter" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er die Form einer Lavaldüse hat, oder jeder anderen Düsenform, die Schallgeschwindigkeit der Flamme/der Gassäule in ihm ermöglicht.
„Thermischer Rußfilter" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer hoch wärmebständigen, korossionsbeständigen Keramik mit niedrigem Wärmeleitwert besteht.
„Thermischer Rußfilter" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sein reduzierender Innenteil (10/7) aus einer Keramik wie Zirkoniumoxid, oder jedem anderen dafür geeigneten Material besteht.
„Thermischer Rußfilter" nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass in einem nach oben und unten offenen Rohrkörper (10) mit Börtelung an den Stirnseiten aus wärmebeständigem konosionsfestem Stahl, oder aus Zirkoniumoxid(en) oder jedem anderen dafür geeigneten Material, als in sich geschlossener Mantel/als Hohlrohr, als dessen Innenauskleidung die Struktur auf deren Innenseite als „Glattes Rohr" eine höchste Schallgeschwindigkeit der Flamme (18) ermöglichen und deren Poren Ruß zur Reduktion von NO2 aufnehmen. Rohr (10) kann dabei aus einer hochfesten wärmebeständigen Keramik bestehend, wie z.B. von der Oxidkeramik Cardenas GmbH (Zirkonkeramik) lieferbar, siehe (2), Zeichnungsblatt 2/2, und das offenporige Material aus Zirkoniumoxid darin „eingeschwemmt" ist.