DE2233963A1

DE2233963A1 - Verfahren und vorrichtung zur reinigung von abgasen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2233963A1
Application number: DE2233963A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: BAUMANN DIETER 6078 NEU ISENBURG
Current assignee: BAUMANN DIETER 6078 NEU ISENBURG
Priority date: 1972-07-11
Filing date: 1972-07-11
Publication date: 1974-01-31

Description

"Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren mittels eines katalytischen Filters.
Derartige katalytische Filter sind bekannt und ihre Verwendung zur Reinigung bzw. Nachverbrennung von Abgasen von Verbrennungsmotoren und anderen Einrichtungen befinden sich in der Erprobung.
Diese Filter werden dabei von den Abgasen in einer Richtung durchströmt und zwar ion der Art, daß möglichst die ganzeFilterfläche beaufschlagt wird. Laufende Versuche haben gezeigt, daß diese Filter sich verhältnismäßig schnell zusetzen, so daß entweder die Strömung behindert oder der katalytische Effekt verringert wird.
Die Erfindung bezweckt, unter Beibehaltung der bekannten Vorteile von katalytischen Filtern ein Arbeitsverfahren bzw.
eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die genannten Nachteile nicht eintreten.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Abgase in der einen Strömungsrichtung und die Ansaugluft für den Verbrennungsmotor in der entgegengesetzten Strömungsrichtung durch den Filter geleitet werden. Dabei können nacheinander benachbarte Bereiche des Filters in der einen und in der anderen Richtung durchströmt werden. Dies Verfahren bietet den Vorteil, daß der Filter beim Ansaugen jeweils wieder freigeblasen wird und daß noch nicht vollständig katalytisch nachverbrannte Teilchen mit in den Ansaug des Verbrennungsmotors gerissen werden und dann nachfolgend in der Verbrennungskammer vollständiS verbrennen können.
Besonders vorteilhaft arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren, wenn der Filter kontinuierlich relativ zu den Abgas- bzw.
Ansaugkanäien bewegt wird. Auf diese Weise werden die OberT flächenbereiche des Filters nicht gleichzeitig, sondern nacheinander beaufschlagt, und zwar sowohl in der einen als auch in der anderen Strömungsrichtung.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie aus den beigefügten Ansprüchen, Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt: Fig. 1: schematisch eine Schnittansicht eines Verbrennungsmotors mit nachgeschaltetem Abgasfilter Fig.la: eine Detail-Ansicht in Richtung des Pfeiles I in Fig. 1 Fig. 2: schematisch die Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ähnlich Fig. 1 am Chassis eines Kraftfahrzeuges; Fig. 3: eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles nach der Linie III -III in Fig. 4; Fig. 4: eine Schnittansicht nach der Linie IV-IV der Fig. 3u Fig. 5: eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 6: schematisch eine durchsichtige Ansicht Anordnung nach Fig. 5; Fig. 7: einen'Schnitt durch einen Filter nach Fig. 1 und m Fig. 8: eine auseinandergezogene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Filters nach Fig. 1.
Ein in Fig. 1 schematisch und im Schnitt angedeuteter Verbrennungsmotor lo weist einen Verbrennungsraum II auf, der über ein Auslaßventil 12 mit einer Abgasleitung 13 verbunden ist.
In die Abgasleitung 13 ist ein Schalldämpfer 14 eingebaut.
Diesem ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 15 nachgeschaltet, die im folgenden näher erläutert wird. Der Vorrichtung 15 nachgeschaltet ist die eigentliche Auspuffleitung 16 mit einer noch näher zu beschreibenden Vorrichtung nach Art einer Abgasturbine 17, die über eine Welle 18 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 15 verbunden ist.
Parallel zu der Abgasleitung 13, 16 ist eine Ansaugleitung 19 angeordnet,die zu einem Vergaser 20 führt, der in an sich bekannter Weise über ein Einlaßventil ebenfalls mit dem Verbrennungsraum 11 verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 15'umfasst ein Gehäuse 21, in welchem eine Filterscheibe 22 angeordnet ist. Diese Filterscheibe 22 ist in einem Ring 23 gehalten, der auf dem Umfang als Schneckenrad ausgebildet ist. In dieses Schnekcenrad greift eine Schnecke 24 ein, die auf der Welle 18 sitzt.
Auf diese Weise wird die Filterscheibe 22, die, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird, aus einem sogenannten katalytischen Filter besteht, kontinuierlich in einer Drehbewegung angetrieben.
Es ist ersichtlich, daß die sich drehende Filterscheibe in dem Bereich eines Kreisringes kontinuierlich bzw. nahezu kontinuierlich mit Abgas beaufschlagt wird.
Derselbe ringförmige Bereich wird bei jeder Umdrehung jedoch auch dem Strom von angesaugter Frischluft ausgesetzt und hierbei in entgegengesetztem Sinne durchströmt.
In Fig. 2 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen.
Die Ansaugleitung 19 bildet bei der Ausführung nach Fig. 2 einen Teilstrom der gesamten angesaugten Luft. Ein weiterer Teil wird weber das übliche Luftfilter 25 angesaugt. Wird jedoch die gesamte Verbrennungsluft durch die Ansaugleitung 19 geführt, so erübrigt sich ein Luftfilter, da der Filter 22 diese Funktion zugleich übernimmt. Bei der besonderen Arbeitsweise ist ersichtlich, daß die Luftverunreinigungen, die auf der Filteroberfläche haften, beim Hindurchtreten der Abgase weggeblasen und damit das Filter ebenfalls laufend gereinigt wird.
In Fig. 2 ist in der Abgas- bzw. Auspuffleitung 16 ein Überdruckventil 26 angedeutet, welches bei Überlastung bzw. Verstopfung des Filters 22 anspricht und die Abgase über eine Leitung 27 nach außen abgibt.
Während der Filter 22 in dem Ausführungsbeispiel nasch Fig. 1 scheibenförmig ausgebildet ist, zeigen die Fig. 3 und 4 einen topfförmigen Filter 32 , der in einem Gehäuse 31 angeordnet ist. Die Abgasleitung ist mit 33 und die angeschlossene Auspuffleitung mit 36 bezeichnet.
Die Ansaugleitung ist mit 39 und der zum Vergaser führende Teil der Ansaugleitung mit 38 bezeichnet. Der Filter 32 sitzt auf einer Antriebswelle 30 und wird von dieser in einer Drehbewegung angetrieben. Der wirksame Bereich dieses katalytischen Filters 32 ist der hochragende Randbereich 34. Ein radial verlaufender Steg 35 dient der Erhöhung der Festigkeit und gleichzeitig auch der Bildung zweier getrennter Kammern, die eine gewisse Abdichtung zwischen dem Ansaug- und dem Auspuffbereich ermöglichen. Die Durchströmung erfolgt dabei im Sinne der Pfeile 37.
In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 ist der Filter in Form eines endlosen Bandes 4c ausgebildet, wobei die wirksame Filterschicht auf eine Trägerschicht aufgebracht sein kann, die eine ausreichende Porosität besitzt. Das Band 40 läuft über Trommeln 41 und 42, die ihrerseits angetrieben sind. Zwischen den Trommeln 41 und 42 ist eine abdichtende Trennwand 43 vorgesehen. Dadurch werden zwei Kammern gebildet, in deren eine die Abgasleitung 44 und in deren andere die Ansaugleitung 45 mündet. Die Auspuffleitung 46 ist seitlich aus dem die Anordnung umgebenden, nicht dargestellten Gehäuse herausgeführt. Auch der Ansaugstutzen 47 mündet seitlich in die andere Kammer.
Die Wirkung des bewegten Filterbandes 40 ist im wesentlichen die gleiche, wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Fig. 6 zeigt diese Anordnung nochmals schematisch in Ansicht. Die den Leitungen 46 und 47 in Fig. 5 entsprechenden Rohrleitungen sind in Fig. 6 mit 46a bzw. 47a bezeichnet. In Abwandlung der Anordnung nach Fig. 5 sind diese Leitungen in die Trommel 41 bzw. 42 geführt. Abgase bzw. Ansaugluft treten durch die pröse Wandung der Trommeln in die Kammern beiderseits der Trennwand 43 ein und werden durch die Leitung 44 zugeführt bzw. durch die Leitung 45 abgeführt.
Die Trommeln 41 und 42 besitzen einzelne Scheiben 48 zwischen denen einzelne Kammern gebildet sind. Die Wellen besitzen im Bereich der Kammern Durchtrittsöffnungen für die Abgase bzw.
die Ansaugluft.
Es ist jedoch auch denkbar, diese Scheiben selbst aus katalytisch wirksamen Werkstoffen aufzubauen, um die Wirksamkeit der gesamten Anordnung noch zu verbessern.
Fig. 7 und 8 zeigen beispielsweise Ausgestaltungen der in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbaren katalytischen Filter. In der schematischen Schnittansicht nach Fig. 7 ist ein Filter 50 dargestellt, welches z. R. aus einem keramischen Tragkörper besteht, der ein anorganisches Porenmaterial besitz;, in welches katalytisch wirksame Metallfasern eingebettet sind.
Dabei nimmt die Dichte des Filters in Richtung des Pfeiles 21 zu, -d.h. die Poren werden in Pfeilrichtung kleiner. Das Filter kann kontinuierlich aufgebaut sein, d.h. aus einem einheitlichen Werkstoff bestehen oder es kann auch in bekannter Weise aus einzelnen Schichten 52 bis 55 zusammengesetzt sein, die unterschiedliche Eigenschaften besitzen.
In Fig. 8 ist beispielsweise ein Filter 60 dargestellt, welches aus einzelnen unterschiedlich dichten Maschendrahtschichten 61 bis 64 zusammengesetzt ist. Auch hier nimmt die Dichte in der Durchtrittsrichtung zu, d.h. die Größe der Poren des Filters nimmt in dieser Richtung ab.
Die Durchströmung beider Filter erfolgt in Richtung des.Pfeiles 51 durch die Abgase. Die Abgase kommen zunächst mit der groben und dann anschließend mit immer feineren Filterschichten in Berührung.
Zur Wirkungsweise des Filters in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist noch folgendes auszuführen.
Bekannte katalytisch wirksame Filter sind wie folgt aufgebaut.
Eine Anzahl von katalytisch reagierenden keramischen und/oder metallischen Materialien werden zusammen gesintert oder durch ein keramisches Bindemittel zusammen verschmolzen; es entsteht hier durch das Mischen des Trägermaterials mit einem fein bestandteiligezr organischen Material durch Ausbrennung während des Sinter- oder Verschmelzungsprozesses ein Materie mit kontrollierbarer Porositätsgröße. Zusätzlich können durch Elektrolyse Metalle, die dem Brennstoff entsprechend katalytisch abgestimmt werden, an der Oberfläche und in den Poren dieses Filtermaterials aufgetragen werden, die zudem auch die katalytische Reaktionsfläche vergrößern.
Für die Filterscheibe können die organische Poren bildenden Bestandteilchen entweder in verschiedenen Größen schichtweise -mit der großporigen Oberfläche an der Abgas seite beginnend und sich nach der Auspuffseite verfeinernd - stufenweise beigemischt werden (Fig. 1) oder einzelne Scheiben mit verschiedenen Porengrößen zusammengestellt werden (nicht gezeigt). So wird ein tiefendimensionales Auffangen je nach Größe der teilweise unverbrannten Kohlenbestandteile bis hin zu feinen Kohlenmonoxydgasen erreicht, die entweder auf katalytischem Wege enttoxifiziert durch die feinporige Seite des Filters nach außen gelangen oder durch die Rotation der Filterscheibe wieder in den Verbrennungsraum zurückgesaugt werden und sich durch die zusätzliche Oxydation in der Größe verringern, bis die Gase ebenfalls durch die feinporige Seite der Filterscheibe entweichen können. Dieser wechselseitige Prozeß verhindert die Verstopfung des Filter-Katalysatoren-Elementes.
Um jedoch eine cnvorhergesehene Blockierung des Filter-Katalysators durch unverbrannte Brennstoff-Rückstände (z.B.
bei Zündungsausfall) zu verhindern, werden die Abgase durch ein Überdruckventil (nicht gezeigt) direkt freigegeben.
In Abgaszonen mit niedrigeren Arbeitstemperaturen kann ein poröses Transportband aus feinmaschigem Metall oder hitzebeständigem prösem Kunststoff wie z.B. TEFLON T.F.E. als als filz- oder gewebeartigem Material verwandt werden.
Das poröse Transportband wird, wie bei Fig. 5 u. 6 gezeigt, über zwei oder mehrere Trommeln angetrieben. Das Ansaugen oder Abgasen erfolgt durch die hohlen Antriebs- und Leerlaufwellen, die durch die porösen Bänder in Kammern abgeteilt sind. Das Aufblasen und Absaugen erfolgt nach demselben Prinzip.
Der Filter-Katalysator ist bei allen diesen bezeichneten Ausführungsarten durch die ständig wechselnde Saug- und Blasreaktion einem ständigen beiderseitigen Selbstreinigungsprozess unterworden, so daß der Motorleistungskraftverlust unbedeutend und nicht zusätzlich durch einen normalen Luftfilter verringgert wird.
Die Ausführung nach Fig. 8 ergibt die Möglichkeit einer Kombination von verschiedenen katalytisch wirkenden Materialien, die als Filterscheibe zusammengestellt werden.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß derartige Abgasfilter auch als Funkenfänger wirken, so daß der Austritt von Funken aus dem Auspuff verhindert werden kann. Es ergeben sich damit eine Reihe von weiteren vorteilhaften Anwendungen, z.B.
auch in den Industriezweigen, in denen eine Funkenbildung unbedingt vermieden werden muß.
Die möglicherweise in der porösen keramischen Filterdrehscheibe noch haftenden Brennstoffrückstände können erfindungsgemäß während des Filterprozesses gleichzeitig durch zusätzliche Verbrennungsmethóden ständig oder intervallmäßig gereinigt werden.
Bei einem Verfahren dieser Art rotiert die poröse keramische Filterscheibe in einem isolierten Gehäuse zwischen hoch geladenen Induktionsfeldern, wobei die durch einen Unterbrecher freigegebene durchschlagende Funkenbildung eine pyroelektrische Verbrennung hervorruft. Der hierdurch entstandene Ozon (03) fördert somit eine Weiteroxydierung unverbrannter Rückstände.
Stattdessen kann auch fdgendes Verfahren angewandt werden: Eine kleine, Eisenmetallteilchen enthaltende poröse keramische Filterplatte wird in ein HF-Feld geführt, so daß die eingebetteten Eisenteilchen des Filters erhitzt werden und auf diese Weise die Brennstoffrückstände oxydieren.
Auch kann das Filter durch eine mit Sauerstoff (0) angereicherte Flamme geführt werden, um die noch enthaltenden Brennstoffrückstände durch eine Nachverbrennung zu oxydieren.
Jedes dieser Nachverbrennungsverfahren besitzt seine eigenen Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten, ist also mit den anderen nicht gleichwertig.

Claims

Ansprüche:

11 Verfahren zur Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren mittels eines katalytischen Filters, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase in der einen Strömungsrichtung und die Ansaugluft für den Verbrennungsmotor in der entgegengesetzten Strömungsrichtung durch den Filter geleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander benachbarte Bereiche des Filters in der einen und der anderen Richtung durchströmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter kontinmierlich bewegt wird.
4. Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren mittels eines katalytischen Filters, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter flächig ausgebildet und in einer Bewegung angetrieben ist, und daß er mit getrennten Bereichen einerseits in der Abgasleitung und andererseits in der Ansaugleitung angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter als Band ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter als Scheibe ausgebildet ist, die in einer Drehbewegung angetrieben ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter topfförmig ausgebildet ist und in einer Drehbewegung angetrieben ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgas- und die Ansaugleitung einerseits auf eine Stirnfläche und andererseits auf eine Umfangsfläche des Filters münden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter eine in Strömungsrichtung der Abgase abnehmende Korngröße bzw. zunehmende Feinheit aufweist.
1p. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebstrommeln des Filterbandes in Kammern unterteilt sind, wobei die Abgasleitung in die eine Trommel und die Ansaugleitung in die andere Trommel mündet.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter auf einem porösen Trägermaterial aufgebracht ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abgasleitung ein Überdruckventil angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter in einem Zweig der Ansaugleitung angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter anstelle eines üblichen Luftansaugfilters angeordnet ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, gekennzeichnet durch eine Nachverbrennung innerhalb des Filters mittels äußerer Einwirkung.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverbrennung mittels Funkendurchschlags erfolgt.
17, Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverbrennung mittels HF-Erhitzung erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverbrennung mittels einer sauerstoffreichen Flamme erfolgt.

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